RU2731039C1 - Device for measuring surface relief parameters and mechanical properties of materials - Google Patents

Abstract

FIELD: monitoring and research equipment.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for monitoring and analyzing materials and articles and can be used to determine parameters of surface topography (linear dimensions, roughness), mechanical (hardness, modulus of elasticity, coating adhesion) and tribological (friction coefficient, wear resistance, life time of coatings) characteristics of materials of cylindrical and flat friction surfaces of machine building items. Device comprises a piezoceramic table, a housing and an indenter, an electronic unit for monitoring electrical signals of capacitive sensors and excitation of elastic elements. Indenter is installed in its attachment unit on an elastic element, which is made in the form of a multilayer stack of five cantilevered in the holder and connected to the monitoring unit of flat rectangular plates. Outer pair of plates of greatest length is connected at ends with each other by means of rigid dielectric post and forms external contour, inside which there is internal similar circuit of pair of interconnected by means of dielectric rack plates of smaller length, but higher rigidity than outer contour plates. In the center of the inner circuit there is a central plate and all plates are fixed in the holder in parallel with the gaps between each other. At end of lower plate of outer contour there is a smooth thrust sphere, and at ends of lower and upper plates of inner contour there is a unit for fastening of replaceable indenters with possibility of their installation through process holes in lower and upper plates of external contour.

EFFECT: broader functional capabilities, high quality (in particular, resolution), reliability and stability of measurements, as well as optimizing the design and improving its manufacturability during production.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности (линейные размеры, шероховатость), механических (твердость, модуль упругости, адгезия покрытий) и трибологических (коэффициент трения, износостойкость, время жизни покрытий) характеристик материалов цилиндрических и плоских поверхностей трения изделий машиностроений.The invention relates to a technique for monitoring and researching materials and products and can be used to determine the parameters of the surface relief (linear dimensions, roughness), mechanical (hardness, modulus of elasticity, adhesion of coatings) and tribological (coefficient of friction, wear resistance, lifetime of coatings) characteristics of materials cylindrical and flat friction surfaces of mechanical engineering products.

В настоящее время все более актуальной становится задача комплексных измерений механических свойств материалов с высоким пространственным разрешением. Для большого перечня материалов и изделий важнейшими параметрами являются качество обработки и структура поверхности, а также механические свойства: твердость, модуль упругости, трещиностойкость, адгезия покрытия, трибологические параметры и др. В частности, эти параметры важны для конструкционных материалов, защитных пленок, медицинских покрытий, поверхностей ответственных деталей, изделий микроэлектроники и микросистемной техники и др. Для измерения перечисленных выше параметров чаще всего применяют приборы следующих типов: сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), нанотвердомеры, трибометры и приборы для комплексных исследований поверхностей изделий.At present, the task of complex measurements of the mechanical properties of materials with a high spatial resolution is becoming more and more urgent. For a large list of materials and products, the most important parameters are the processing quality and surface structure, as well as mechanical properties: hardness, elastic modulus, crack resistance, coating adhesion, tribological parameters, etc. In particular, these parameters are important for structural materials, protective films, medical coatings , surfaces of critical parts, products of microelectronics and microsystem technology, etc. To measure the above parameters, the following types of instruments are most often used: scanning probe microscopes (SPM), nanohardness testers, tribometers and instruments for complex studies of product surfaces.

СЗМ применяются в основном для исследования рельефа поверхности, а также для изучения свойств тонких приповерхностных слоев. В качестве зондов в СЗМ часто используют кремниевые кантилеверы, производимые по интегральной планарной технологии, с радиусом острия наконечник менее 20 нм. Достоинством таких приборов является высокое пространственное разрешение и хорошее качество получаемых изображений поверхности, недостатком - невозможность измерения механических свойств твердых материалов из-за малой изгибной жесткости зондов и относительно низкого значения твердости материала наконечника.SPM is mainly used to study the surface relief, as well as to study the properties of thin near-surface layers. As probes in SPM, silicon cantilevers produced by integral planar technology with a tip tip radius of less than 20 nm are often used. The advantage of such devices is the high spatial resolution and good quality of the surface images obtained, the disadvantage is the impossibility of measuring the mechanical properties of solid materials due to the low bending stiffness of the probes and the relatively low hardness of the tip material.

В нано- и микротвердомерах используют алмазные наконечники (инденторы), что позволяет измерять свойства практически всех известных материалов. В этих приборах с помощью различного типа актюаторов и датчиков осуществляют контролируемое по глубине и силе индентирование материала с последующим вычислением по кривым нагружения и разгрузки твердости, модуля упругости (Юнга) и других механических характеристик исследуемого материала. Реализуемая в таких приборах процедура инструментального индентирования регламентируется международными и Российскими стандартами: ISO 14577, ASTM E2546-07 и ГОСТ Р8.748-2011. Применяемые сегодня в нанотвердомерах устройства для задания и регистрации силы и перемещения позволяют прикладывать нагрузку с шагом меньше микроньютона и контролировать внедрение индентора с разрешением в доли нанометра.In nano- and microhardness testers, diamond tips (indenters) are used, which makes it possible to measure the properties of almost all known materials. In these devices, with the help of various types of actuators and sensors, the material is indentation controlled by depth and force, followed by calculation of hardness, elastic modulus (Young's) and other mechanical characteristics of the material under study from the loading and unloading curves. The instrumental indentation procedure implemented in such devices is regulated by international and Russian standards: ISO 14577, ASTM E2546-07 and GOST R8.748-2011. The devices used today in nanohardness testers for setting and recording force and displacement allow applying a load with a step of less than a micronewton and controlling the introduction of an indenter with a resolution of a fraction of a nanometer.

В ряде моделей нанотвердомеров опционально предусмотрен режим сканирования поверхности тем же алмазным индентором, которым проводят индентирование. Таким образом, можно оперативно контролировать состояние образца до и после индентирования, осуществляя сканирование с контролируемой силой прижима индентора к поверхности. Однако особенности конструкции нанотвердомеров не позволяют получать изображения поверхности с качеством, сопоставимым с возможностями СЗМ. В ряде современных нанотвердомеров для решения задачи визуализации поверхности используют дополнительные модули СЗМ, что приводит к значительному удорожанию прибора и усложнению процедуры измерений формы отпечатков, образовавшихся в процессе наноиндентирования.In a number of models of nanohardness testers, the surface scanning mode is optionally provided with the same diamond indenter used for indentation. Thus, it is possible to quickly monitor the state of the sample before and after indentation by scanning with a controlled force of pressing the indenter to the surface. However, the design features of nanohardness testers do not allow obtaining surface images with a quality comparable to the capabilities of SPM. In a number of modern nanohardness testers, additional SPM modules are used to solve the problem of surface visualization, which leads to a significant increase in the cost of the device and complicates the procedure for measuring the shape of indentations formed in the process of nanoindentation.

Для проведения трибологических исследований (измерения коэффициента трения и износостойкости) нанотвердомеры оснащаются датчиками боковой силы, измеряющими силу, приложенную к индентору по оси, параллельной плоскости образца. Одновременный контроль нормальной и тангенциальной нагрузки на индентор позволяет измерить так называемую «тангенциальную» твердость в процессе проведения испытания царапанием (склерометрия) и коэффициент трения в процессе испытания на износостойкость.For tribological studies (measuring the friction coefficient and wear resistance), nanohardness testers are equipped with lateral force sensors that measure the force applied to the indenter along an axis parallel to the sample plane. Simultaneous monitoring of the normal and tangential load on the indenter makes it possible to measure the so-called "tangential" hardness during the scratch test (sclerometry) and the coefficient of friction during the wear test.

В связи с этим актуальной является задача создания устройства, позволяющего комплексно исследовать рельеф поверхности с микро- и нанометровым пространственным разрешением, измерять механические свойства материалов методами инструментального индентирования и царапания, а также определять трибологические характеристики для функциональных поверхностей ответственных деталей машиностроения.In this regard, the urgent task is to create a device that makes it possible to comprehensively study the surface relief with micro- and nanometer spatial resolution, to measure the mechanical properties of materials by the methods of instrumental indentation and scratching, and also to determine the tribological characteristics for the functional surfaces of critical engineering parts.

Такое устройство должно быть оснащено датчиком нормальной силы приложенной к индентору для контроля нагрузки, датчиком глубины погружения острия индентора и иметь возможность работать в режиме мягкого контакта с поверхностью без ее разрушения, необходимом для построения профилей и трехмерных изображений поверхности с высоким пространственным разрешением.Such a device should be equipped with a sensor of normal force applied to the indenter to control the load, a sensor for the immersion depth of the tip of the indenter, and be able to operate in the mode of soft contact with the surface without destroying it, which is necessary for constructing profiles and three-dimensional images of the surface with high spatial resolution.

Одним из возможных подходов для решения задачи сканирования и индентирования является использование зондового датчика, работающего в режиме резонансных колебаний при определении контакта наконечника с поверхностью и сканировании поверхности, и применение двух датчиков, первого - регистрирующего изгиб базового упругого элемента и измеряющего нормальное усилие, возникающее при осуществлении индентирования, царапания и истирания исследуемого материала и второго - используемого для измерения глубины погружения острия индентора в исследуемый материал.One of the possible approaches for solving the problem of scanning and indentation is the use of a probe sensor operating in the resonant vibration mode when determining the contact of the tip with the surface and scanning the surface, and the use of two sensors, the first one, which records the bend of the base elastic element and measures the normal force arising during the implementation indentation, scratching and abrasion of the test material and the second - used to measure the depth of immersion of the tip of the indenter into the test material.

Известен целый ряд технических решений по измерению усилия нагружения и глубины внедрения, используемых в современных приборах для осуществления инструментального индентирования. При этом в большинстве нанотвердомеров силовой актюатор интегрирован в состав измерительного модуля и составляет вместе с датчиком глубины погружения единое целое. Примерами такого рода изделий могут служить конструкции пезокерамических зондовых датчиков, используемых в таких известных приборах как Nanoindenter iNano, Nano Indenter G200 from KLA Tencor, iMicro Nanoindenter, Hysitron Nanoindenters, NanoTest Vantage, NanoScan 4D и другие приборы для осуществления инструментального индентирования (смотри, например, сайт http://nanoscan.info/pribory-2).A number of technical solutions are known for measuring the loading force and the depth of penetration used in modern instruments for the implementation of instrumental indentation. At the same time, in most nanohardness testers, the power actuator is integrated into the measuring module and forms a single whole together with the immersion depth sensor. Examples of such products are the designs of pesoceramic probe probes used in such well-known instruments as Nanoindenter iNano, Nano Indenter G200 from KLA Tencor, iMicro Nanoindenter, Hysitron Nanoindenters, NanoTest Vantage, NanoScan 4D and other instruments for performing instrumental indentation (see, for example, website http://nanoscan.info/pribory-2).

В приборах такого типа используется устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов, содержащее упругий элемент в виде консольно закрепленного пьезоэлектрического стержня, индентор, размещенный на свободном конце стержня, держатель, в котором укреплен другой конец стержня, оптический датчик, состоящий из источника и приемника оптического излучения, причем упругий элемент размещен между источником и приемником оптического излучения таким образом, что он перекрывает часть потока оптического излучения с возможностью изменения количества излучения, попадающего на приемник излучения, при своем изгибе, содержит схему возбуждения, схему детектирования.Devices of this type use a device for measuring the parameters of the surface relief and the mechanical properties of materials, containing an elastic element in the form of a cantilever-mounted piezoelectric rod, an indenter placed at the free end of the rod, a holder in which the other end of the rod is fixed, an optical sensor consisting of a source and receiver of optical radiation, and the elastic element is placed between the source and the receiver of optical radiation in such a way that it blocks a part of the optical radiation flux with the possibility of changing the amount of radiation falling on the radiation receiver when bending, contains an excitation circuit, a detection circuit.

Патент RU 2510009 Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов МПК G01N 3/40. 20.03.2014. Бюл. №8.Patent RU 2510009 Device for measuring surface relief parameters and mechanical properties of materials IPC G01N 3/40. 03/20/2014. Bul. No. 8.

Недостатком данного известного устройства является то, что такая конструкция позволяет измерять только нормальную силу, приложенную к индентору в направлении изгиба стержня, и не позволяет контролировать тангенциальную (боковую) силу, приложенную вдоль стержня. Кроме того, при изгибе стержня в процессе прикладывания нагрузки происходит поворот индентора и смещение его вершины параллельно оси стержня, что приводит к дополнительной погрешности измерений при индентировании и необходимости применения специальных методов коррекции перемещения индентора. Применение для изготовления упругого элемента пьезоматериала ухудшает стабильность и разрешающую способность устройства из-за присущих пьезоматериалам свойств нелинейности, ползучести и гистерезиса при деформации.The disadvantage of this known device is that this design allows you to measure only the normal force applied to the indenter in the direction of bending of the rod, and does not allow you to control the tangential (lateral) force applied along the rod. In addition, when the rod is bent during the application of a load, the indenter rotates and its vertex is displaced parallel to the rod axis, which leads to an additional measurement error during indentation and the need to use special methods for correcting the indenter displacement. The use of a piezoelectric material for the manufacture of an elastic element degrades the stability and resolution of the device due to the properties of nonlinearity, creep and hysteresis during deformation inherent in piezoelectric materials.

Наиболее близким к заявляемому решению, является устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов, используемого в приборе для измерения параметров шероховатости и микромеханических свойств материалов внутренних поверхностей изделий.Closest to the claimed solution is a device for measuring the parameters of the surface relief and mechanical properties of materials used in the device for measuring the parameters of roughness and micromechanical properties of materials of the inner surfaces of products.

Патент на полезную модель. RU 164739. Прибор для измерения шероховатости и микромеханических характеристик внутренних поверхностей изделий. МПК G01B 21/30. 10.09.2016. Бюл. 25.Utility model patent. RU 164739. A device for measuring the roughness and micromechanical characteristics of the inner surfaces of products. IPC G01B 21/30. 09/10/2016. Bul. 25.

В этом приборе измерительный модуль обеспечивает перемещение индентора пьезостеком, а измерение приложеннной нагрузки и величины внедрения индентора в поверхность материала - емкостными датчиками дискового вида. Использование в качестве механического актюатора пьезостека (многослойного пьезоэлемента) позволяет сделать его одним несущих элементов рабочего датчика. Крышка элемента рабочего датчика содержит специальные прямоугольные проточки, обеспечивающие возможность упругого перемещения силочувствительного элемента с закрепленным на нем алмазным индентором. Данное перемещение необходимо для сканирования поверхности и осуществления инструментального индентирования. Второй емкостной преобразователь расположен внутри силочувствительного элемента рабочего датчика. С его помощью измеряется деформация защемленной прямоугольной балки, в центре которой закреплен алмазный индентор. Собранная конструкция измерительного модуля с проводами от емкостных датчиков подсоединяется к электронному блоку управления и регистрации сигналов. Конструкция корпуса измерительного модуля обеспечивает возможности проведения измерений внутри отверстий диаметром от 30 мм и более.In this device, the measuring module provides the movement of the indenter with a piezo glass, and the measurement of the applied load and the value of the indenter penetration into the material surface - with disk-type capacitive sensors. The use of a piezo glass (multilayer piezoelectric element) as a mechanical actuator makes it possible to make it one of the supporting elements of the working sensor. The cover of the working sensor element contains special rectangular grooves that provide the possibility of elastic movement of the force-sensitive element with a diamond indenter attached to it. This movement is necessary for surface scanning and instrumental indentation. The second capacitive transducer is located inside the force-sensitive element of the working sensor. It is used to measure the deformation of a restrained rectangular beam, in the center of which a diamond indenter is fixed. The assembled design of the measuring module with wires from the capacitive sensors is connected to the electronic control unit and signal registration. The design of the body of the measuring module provides the possibility of taking measurements inside holes with a diameter of 30 mm and more.

Недостатком известного прецизионного малогабаритного измерительного модуля является достаточно большие линейные размеры измерительной системы в направлении индентирования, что снижает точность измерения и не позволяет проводить измерения на внутренних поверхностях менее 30 мм. Кроме того, такое устройство достаточно трудоемко при его изготовлении.The disadvantage of the known precision small-sized measuring module is the rather large linear dimensions of the measuring system in the direction of indentation, which reduces the measurement accuracy and does not allow measurements on the inner surfaces of less than 30 mm. In addition, such a device is rather laborious in its manufacture.

В предлагаемой полезной модели устройства решаются задачи измерения комплекса механических и геометрических свойств методом контактного взаимодействия с помощью стандартизованного пирамидального и сферического инденторов на внешних открытых и на внутренних поверхностях малого диаметра машиностроительных изделий. Поставленная цель достигается за счет того, что устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов, содержит пьезокерамический стол, корпус и индентор, электронный блок контроля электрических сигналов емкостных датчиков и возбуждения упругих элементов, а индентор установлен в узле его крепления на упругом элементе, который выполнен в виде многослойного пакета из пяти консольно закрепленных в держателе и соединенных с блоком контроля плоских прямоугольных пластин, при этом внешняя пара пластин наибольшей длины соединена на концах между собой с помощью жесткой диэлектрической стойки и образует внешний контур, внутри которого расположен внутренний аналогичный контур из пары соединенных между собой с помощью диэлектрической стойки пластин меньшей длины, но большей жесткости, чем пластины внешнего контура, причем в центре внутреннего контура размещена центральная пластина и все пластины закреплены в держателе параллельно с зазорами между собой, кроме того на конце нижней пластины внешнего контура закреплена гладкая упорная сфера, а на концах нижней и верхней пластин внутреннего контура узел крепления сменных инденторов с возможностью установки их через технологические отверстия в нижней и верхней пластинах внешнего контура. В держатель индентора на нижней пластине внутреннего контура установлен стандартизованный пирамидальный индентор, а в держатель индентора на верхней пластине внутреннего контура установлен сферический индентор, являющийся элементом фрикционной пары при измерении коэффициента трения и интенсивности изнашивания.The proposed useful model of the device solves the problem of measuring a complex of mechanical and geometric properties by the method of contact interaction using standardized pyramidal and spherical indenters on the outer open and inner surfaces of small diameter mechanical engineering products. This goal is achieved due to the fact that the device for measuring the parameters of the surface relief and the mechanical properties of materials contains a piezoceramic table, a housing and an indenter, an electronic unit for monitoring electrical signals of capacitive sensors and excitation of elastic elements, and the indenter is installed in its attachment unit on an elastic element, which is made in the form of a multilayer package of five flat rectangular plates cantilevered in the holder and connected to the control unit, while the outer pair of plates of the greatest length is connected at the ends with each other using a rigid dielectric stand and forms an external contour, inside which there is an internal similar contour of pairs of plates interconnected by means of a dielectric stand of shorter length, but greater rigidity than the plates of the outer contour, and in the center of the inner contour there is a central plate and all the plates are fixed in the holder parallel with gaps between themselves, except for m a smooth thrust sphere is fixed at the end of the lower plate of the outer contour, and at the ends of the lower and upper plates of the inner contour, a unit for attaching replaceable indenters with the possibility of installing them through the technological holes in the lower and upper plates of the outer contour. A standardized pyramidal indenter is installed in the indenter holder on the lower plate of the inner contour, and a spherical indenter is installed in the indenter holder on the upper plate of the inner contour, which is an element of the friction pair when measuring the friction coefficient and wear rate.

При сканировании поверхности, реализующем полуконтактный способ измерения параметров шероховатости с помощью индентора, измерительный датчик механически возбуждается на резонансной частоте, а параметры его колебаний контролируются с помощью имеющихся емкостных датчиков. Для измерения коэффициента трения и интенсивности изнашивания материала исследуемой поверхности в держатель индентора на верхней пластине внутреннего контура устанавливается сферический индентор, являющийся элементом фрикционной пары при измерении коэффициента трения и интенсивности изнашивания, который приводится в контролируемый по силе контакт с поверхностью исследуемого образца.When scanning the surface, which implements the semi-contact method of measuring the roughness parameters using an indenter, the measuring sensor is mechanically excited at the resonant frequency, and the parameters of its oscillations are monitored using the available capacitive sensors. To measure the friction coefficient and the wear rate of the material of the investigated surface, a spherical indenter is installed in the indenter holder on the upper plate of the inner contour, which is an element of the friction pair when measuring the friction coefficient and the wear rate, which is brought into a force-controlled contact with the surface of the test sample.

Предлагаемое изобретение представлено на фигурах:The proposed invention is shown in the figures:

Фиг. 1 - эскиз гибридного индентационного модуля. Обозначение элементов приведено в тексте данного описания.FIG. 1 is a sketch of a hybrid indentation module. The designation of the elements is given in the text of this description.

Фиг. 2 - эскиз конструкции гибридного индентационного модуля. Обозначение элементов приведено в тексте данного описания.FIG. 2 is a sketch of the construction of a hybrid indentation module. The designation of the elements is given in the text of this description.

Фиг. 3 - эскиз измерительного сборочного узла, содержащего гибридный индентационный модуль и трехкоординатный позиционер.FIG. 3 is a sketch of a measuring subassembly containing a hybrid indentation module and a 3-axis positioner.

Фиг. 4 - принципиальная электронная блок-схема работы двух дифференциальных емкостных датчиков индентационного модуля.FIG. 4 is a basic electronic block diagram of the operation of two differential capacitive sensors of the indentation module.

Гибридный индентационный модуль (Фиг. 1) содержит держатель пластин 1, внешний П-образный контур 2, внутренний П-образный контур 3 и неподвижную центральную пластину 4. Между контурами и центральной пластиной расположено 4 зазора, обозначенные цифрами 5, 6, 7 и 8, которые образуют два дифференциальных емкостных датчика: зазоры 5 и 8 образуют датчик перемещения, зазоры 6 и 7 образуют датчик нагрузки.The hybrid indentation module (Fig. 1) contains a plate holder 1, an outer U-shaped contour 2, an inner U-shaped contour 3 and a fixed central plate 4. There are 4 gaps between the contours and the central plate, indicated by numbers 5, 6, 7 and 8 which form two differential capacitive sensors: gaps 5 and 8 form a displacement sensor, gaps 6 and 7 form a load sensor.

Упругие плоские пластины П-образных контуров, изготовлены из фольгированного стеклотекстолита, являются токопроводящими элементами, за счет чего вместе с конструктивными зазорами создаются условия возможности организации дифференциальных электрических конденсаторов, используемых для измерения контролируемых параметров - перемещения и усилия нагружения.Elastic flat plates of U-shaped contours, made of foil-clad fiberglass, are conductive elements, due to which, together with the design gaps, conditions are created for the organization of differential electrical capacitors used to measure the controlled parameters - displacement and loading force.

Организованную таким образом измерительную систему можно охарактеризовать следующим набором параметров: жесткостями k₁ и k₂ П-образных контуров 2 и 3 (кН/м), калибровочными коэффициентами с₁ и с₂ для двух дифференциальных конденсаторов (нм/пФ). Регистрация изменения емкостей конденсаторов производится блоком электроники, оцифровывается и отображается в компьютере таким образом, что измеряемое перемещение в нм определяется перемножением коэффициента в нм/пФ, характеризующим дифференциальный конденсатор на коэффициент в пФ/бит, характеризующим работу схему детектирования.The measuring system organized in this way can be characterized by the following set of parameters: stiffnesses k ₁ and k _{2 of} U-shaped contours 2 and 3 (kN / m), calibration coefficients c ₁ and c ₂ for two differential capacitors (nm / pF). The change in capacitance of the capacitors is recorded by the electronics unit, digitized and displayed in the computer in such a way that the measured displacement in nm is determined by multiplying the coefficient in nm / pF, which characterizes the differential capacitor by the coefficient in pF / bit, which characterizes the operation of the detection circuit.

Конструкция модуля представлена на Фиг. 2. Символом 1 обозначен держатель (блок крепления П-образных контуров). Данный блок выполняется из алюминия и крепится на устройстве, обеспечивающем позиционирование гибридного модуля. В качестве такого элемента может выступать, например, пьезокерамический стол (двух- или трехкоординатный пьезокерамический нанопозиционер). Внешний П-образный контур состоит из двух плоских прямоугольных пластин 9, 10 и диэлектрической стойки 11 между ними, внутренний П-образный контур состоит также из двух плоских прямоугольных пластин 12, 13 и диэлектрической стойки 14 между ними, оба контура 2 и 3 составляют упругий элемент гибридного модуля и используются для крепления сферического упора 15 и пирамидального индентора 16, соответственно. За счет движения держателя 1 сферический упор первый подводится к исследуемой поверхности и затем входит в контакт с ней. По мере дальнейшего движения держателя 1 в контакт с поверхностью приводится индентирующий наконечник 16, который устанавливают в латунный узел крепления 17, в свою очередь закрепленный непосредственно на поверхности упругой пластины 13 внутреннего П-образного контура 3. Вариантами гибридного индентационного модуля могут быть конструкции, в которых в латунном узле крепления 17 крепится сферический индентор, или когда сферический индентор располагается оппозитно расположению пирамидального индентора, то есть на пластине 12. В качестве пирамидальных инденторов используют стандартизованные алмазные пирамиды-Берковича или Виккерса.The design of the module is shown in Fig. 2. Symbol 1 denotes the holder (block for fixing U-shaped contours). This block is made of aluminum and is attached to the positioning device of the hybrid module. Such an element can be, for example, a piezoceramic table (two- or three-coordinate piezoceramic nano-positioner). The outer U-shaped contour consists of two flat rectangular plates 9, 10 and a dielectric strut 11 between them, the inner U-shaped contour also consists of two flat rectangular plates 12, 13 and a dielectric strut 14 between them, both contours 2 and 3 are elastic element of the hybrid module and are used to attach the spherical stop 15 and the pyramidal indenter 16, respectively. Due to the movement of the holder 1, the spherical stop is first brought to the investigated surface and then comes into contact with it. As the holder 1 moves further, the identifying tip 16 is brought into contact with the surface, which is installed in the brass attachment unit 17, which in turn is fixed directly on the surface of the elastic plate 13 of the inner U-shaped contour 3. Variants of the hybrid indentation module can be designs in which a spherical indenter is mounted in the brass attachment 17, or when the spherical indenter is located opposite to the location of the pyramidal indenter, that is, on the plate 12. Standardized Berkovich or Vickers diamond pyramids are used as pyramidal indenters.

Гибридный индентационный модуль для измерения глубины погружения и силы прижима индентора при проведении процедуры инструментального индентирования должен использоваться совместно с системой микропозиционирования, в виде двух- или трехкоординатных актюатора, обеспечивающего его перемещение в направлении нормали к исследуемой поверхности при инструментальном индентировании и вдоль нее при сканировании, склерометрировании и трибологических испытаниях.A hybrid indentation module for measuring the immersion depth and pressing force of the indenter during the instrumental indentation procedure should be used in conjunction with the micropositioning system, in the form of a two- or three-dimensional actuator, which ensures its movement in the direction normal to the surface under investigation during instrumental indentation and along it during scanning, sclerometry and tribological tests.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Для осуществления инструментального индентирования индентор 16 (Фиг. 2) вводят в контакт с исследуемой поверхностью. При дальнейшем нагружении индентора по нормали в исследуемую поверхность на инденторе возникает нормальная сила, изгибающая контур 3 (см. фиг. 1). При этом изменяются величины зазоров в обкладках дифференциального конденсатора, образованного контуром 3 и центральной пластиной 4. Фиксируется сила нагружения в процессе внедрения индентора. Сферический упор 15 к этому моменту уже находится в контакте с исследуемой поверхностью, и обкладки дифференциального конденсатора, образованного токопроводящими покрытиями контуров 2 и 3 (см. фиг. 1) перемешаются в соответствии с глубиной погружения индентора в исследуемый материал.To carry out instrumental indentation, the indenter 16 (Fig. 2) is brought into contact with the investigated surface. With further loading of the indenter along the normal to the surface under study, a normal force arises on the indenter, bending contour 3 (see Fig. 1). In this case, the values of the gaps in the plates of the differential capacitor formed by the circuit 3 and the central plate 4. The loading force is fixed in the process of penetration of the indenter. The spherical stop 15 by this moment is already in contact with the investigated surface, and the plates of the differential capacitor formed by the conductive coatings of circuits 2 and 3 (see Fig. 1) are mixed in accordance with the immersion depth of the indenter into the material under investigation.

Для проведения царапания или измерения трибологических свойств поверхности гибридный индентационный модуль перемещают вдоль поверхности образца, контролируя нормальную силу, приложенную к индентору 16 по изгибу контура 3. Боковая сила при необходимости измеряется внешним датчиком силы.For scratching or measuring the tribological properties of the surface, the hybrid indentation module is moved along the surface of the sample, controlling the normal force applied to the indenter 16 along the bend of the contour 3. The lateral force is measured, if necessary, by an external force transducer.

Для реализации колебательного (резонансного) режима контроля контакта индентора с поверхностью с помощью схемы возбуждения инициируют колебания основания датчика по направлению, к поверхности материала. При этом сигналы обоих емкостных датчиков изменяются в соответствии с частотой и амплитудой этих колебаний. При контакте индентора 16 с поверхностью изменяется частота (фаза) и амплитуда колебаний контура 3, эти изменения измеряются схемой детектирования.To implement the oscillatory (resonant) mode of monitoring the contact of the indenter with the surface, the excitation circuit initiates oscillations of the sensor base towards the surface of the material. In this case, the signals of both capacitive sensors change in accordance with the frequency and amplitude of these oscillations. When the indenter 16 contacts the surface, the frequency (phase) and the amplitude of the oscillations of the circuit 3 change, these changes are measured by the detection circuit.

Постоянный контакт с поверхностью в процессе сканирования осуществляется путем поддержания постоянной частоты (фазы) или амплитуды сигнала, измеренного схемой детектирования.Continuous contact with the surface during scanning is carried out by maintaining a constant frequency (phase) or amplitude of the signal measured by the detection circuit.

Гибридный индентационный модуль предлагаемой конструкции был использован для измерения твердости и модуля Юнга различных образцов с помощью алмазным пирамидального индентора Берковича (Фиг. 3). Для этих целей гибридный индентационный модуль 1 (см. Фиг. 3) монтировался в составе с системой микропозиционирования 18. Образец помещался на предметный стол или закреплялся во внешнем держателе, а гибридный индентационный модуль крепился к трехкоординатному позиционеру (сканеру). С помощью микропозиционера с приводом от шагового двигателя сканер с закрепленным на нем гибридным индентационным модулем подводился к поверхности образца до касания индентора с исследуемой поверхностью. Затем с помощью сканера перемещали устройство по нормали к поверхности образца, производя нагружение поверхности индентором. При этом фиксировали разностный сигнал емкостного датчика, который был предварительно откалиброван в единицах силы - Ньютонах (Н). Параллельно с регистрацией силы фиксировалось значение заглубления с использованием другого емкостного датчика.The hybrid indentation module of the proposed design was used to measure the hardness and Young's modulus of various samples using a Berkovich diamond pyramidal indenter (Fig. 3). For these purposes, the hybrid indentation module 1 (see Fig. 3) was mounted as part of a micropositioning system 18. The sample was placed on the stage or fixed in an external holder, and the hybrid indentation module was attached to a three-axis positioner (scanner). Using a micropositioner driven by a stepping motor, the scanner with a hybrid indentation module attached to it was brought to the sample surface until the indenter touched the surface under study. Then, using a scanner, the device was moved along the normal to the sample surface, and the surface was loaded with an indenter. In this case, the differential signal of the capacitive sensor was recorded, which had been pre-calibrated in force units - Newtons (N). In parallel with the registration of the force, the depth value was recorded using another capacitive sensor.

Измерение величин перемещений линейно связанных с силой и углублением организуется электронным блоком, работающим в соответствии с блок схемой, представленной на Фиг. 4. В соответствии с Фиг. 4 внешний П-образный контур (см. Фиг. 1, позиция 2) представлен парой конденсаторов С₁, С₂, реализующих датчик нагрузки, а конденсаторы С₃, С₄ образуют датчик перемещения, конструктивно представленный внутренним П-образным контуром (см. Фиг. 1, позиция 3). Для регистрации смещения пластин дифференциального конденсатора на внешние обкладки при помощи генераторов 19 и 20 (Фиг. 4) подается высокочастотное переменное напряжение. Подача напряжений осуществляется при помощи не инвертирующих и инвертирующих буферных усилителей 21, 22 и 23, 24. Напряжение с выходов данных усилителей поступает на обкладки конденсаторов через трансформаторы со средней точкой. Коэффициент преобразования напряжения может быть 1:2 или 1:1. В наиболее простом варианте ключи K₁ и K₂ могут быть разомкнуты - в таком случае средняя точка трансформатора не смещается и амплитуда напряжения на внешних обкладках всех конденсаторов является постоянной, отличаясь лишь фазой. В таком случае при изменении зазоров пластин на центральной пластине - электроде (см. Фиг. 1, позиция 4) возникает некомпенсированный ток, который преобразуется в напряжение при помощи каскадов 25 и 26. Переменные сигналы на выходе каскадов 25 и 26 поступают на аналоговые перемножители 27 и 28, таким образом, на выходе данных элементов сигналы содержат две компоненты: на нулевой и удвоенной частоте. Удвоенная частота отфильтровывается усилителями 29 и 30, а величина постоянного сигнала с нулевой частотой оказывается пропорциональная величине зазора контура и центральным электродом для соответствующего дифференциального конденсатора. Именно эти напряжения V_F и V_Z используются для регистрации силы нагружения F и перемещения Z индентора.The measurement of the displacement values linearly related to the force and recess is organized by an electronic unit operating in accordance with the block diagram shown in FIG. 4. Referring to FIG. 4, the external U-shaped circuit (see Fig. 1, position 2) is represented by a pair of capacitors C ₁ , C ₂ , which implement the load sensor, and the capacitors C ₃ , C ₄ form a displacement sensor, structurally represented by the internal U-shaped circuit (see. Fig. 1, item 3). To register the displacement of the plates of the differential capacitor, a high-frequency alternating voltage is applied to the outer plates using generators 19 and 20 (Fig. 4). The voltage supply is carried out using non-inverting and inverting buffer amplifiers 21, 22 and 23, 24. The voltage from the outputs of these amplifiers is supplied to the capacitor plates through transformers with a midpoint. The voltage conversion ratio can be 1: 2 or 1: 1. In the simplest version, the keys K ₁ and K ₂ can be open - in this case, the midpoint of the transformer does not shift and the voltage amplitude on the outer plates of all capacitors is constant, differing only in phase. In this case, when the gaps of the plates change on the central plate - the electrode (see Fig. 1, position 4), an uncompensated current appears, which is converted into voltage by means of stages 25 and 26. Variable signals at the output of stages 25 and 26 are fed to analog multipliers 27 and 28, thus, at the output of these elements, the signals contain two components: at zero and doubled frequency. The doubled frequency is filtered out by amplifiers 29 and 30, and the magnitude of the constant signal with zero frequency is proportional to the value of the loop gap and the center electrode for the corresponding differential capacitor. It is these voltages V _F and V _{Z that} are used to register the loading force F and displacement Z of the indenter.

Изобретение позволяет измерить нормальную силу, приложенную к индентору, а также обеспечивает контроль глубины погружения индентора в поверхность. В колебательном (резонансном) режиме данное устройство пригодно для реализации сканирования рельефа поверхности.The invention makes it possible to measure the normal force applied to the indenter, and also provides control of the depth of immersion of the indenter into the surface. In the oscillatory (resonant) mode, this device is suitable for scanning the surface relief.

Благодаря вытянутой форме индентирующего модуля и его малому поперечному размеру оно может быть использовано для исследования не только внешних, но и внутренних поверхностей малого размера, до 20 мм в диаметре.Due to the elongated shape of the identifying module and its small transverse size, it can be used to study not only external, but also small internal surfaces, up to 20 mm in diameter.

Изобретение позволяет расширить функциональные возможности, повысить качество (в частности, разрешающую способность), достоверность и стабильность измерений, а также оптимизировать конструкцию и повысить ее технологичность при производстве.The invention allows to expand functionality, improve quality (in particular, resolution), reliability and stability of measurements, as well as optimize the design and improve its manufacturability during production.

Claims (2)

1. Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов, содержащее пьезокерамический стол, корпус и индентор, отличающееся тем, что оно содержит электронный блок контроля электрических сигналов емкостных датчиков и возбуждения упругих элементов, а индентор установлен в узле его крепления на упругом элементе, который выполнен в виде многослойного пакета из пяти консольно закрепленных в держателе и соединенных с блоком контроля плоских прямоугольных пластин, при этом внешняя пара пластин наибольшей длины соединена на концах между собой с помощью жесткой диэлектрической стойки и образует внешний контур, внутри которого расположен внутренний аналогичный контур из пары соединенных между собой с помощью диэлектрической стойки пластин меньшей длины, но большей жесткости, чем пластины внешнего контура, причем в центре внутреннего контура размещена центральная пластина и все пластины закреплены в держателе параллельно с зазорами между собой, кроме того, на конце нижней пластины внешнего контура закреплена гладкая упорная сфера, а на концах нижней и верхней пластин внутреннего контура - узел крепления сменных инденторов с возможностью установки их через технологические отверстия в нижней и верхней пластинах внешнего контура.1. A device for measuring the parameters of the surface relief and mechanical properties of materials, containing a piezoceramic table, a housing and an indenter, characterized in that it contains an electronic unit for monitoring electrical signals of capacitive sensors and excitation of elastic elements, and the indenter is installed in its attachment point on an elastic element, which is made in the form of a multilayer package of five flat rectangular plates cantilevered in the holder and connected to the control unit, while the outer pair of plates of the greatest length is connected at the ends with each other using a rigid dielectric stand and forms an external contour, inside which there is an internal similar contour of pairs of plates of shorter length, but greater rigidity than plates of the outer contour, connected to each other by means of a dielectric stand, and in the center of the inner contour there is a central plate and all plates are fixed in the holder parallel with the gaps between themselves, in addition, on a smooth thrust sphere is fixed at the end of the lower plate of the outer contour, and at the ends of the lower and upper plates of the inner contour - a unit for attaching replaceable indenters with the possibility of installing them through technological holes in the lower and upper plates of the outer contour. 2. Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов по п. 1, отличающееся тем, что в держатель индентора на нижней пластине внутреннего контура установлен стандартизованный пирамидальный индентор, а в держатель индентора на верхней пластине внутреннего контура установлен сферический индентор, являющийся элементом фрикционной пары при измерении коэффициента трения и интенсивности изнашивания.2. A device for measuring the parameters of the surface relief and mechanical properties of materials according to claim 1, characterized in that a standardized pyramidal indenter is installed in the indenter holder on the lower plate of the inner contour, and a spherical indenter is installed in the indenter holder on the upper plate of the inner contour, which is a frictional element. vapors when measuring the coefficient of friction and the intensity of wear.

Images