Способ сбора и обработки информации о поверхности образца



Способ сбора и обработки информации о поверхности образца
Способ сбора и обработки информации о поверхности образца

 


Владельцы патента RU 2516022:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью склерометров, и может быть использовано для оценки изменения свойств поверхности вдоль пути сканирования. Для этого осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров. При этом первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки и производят второе сканирование и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования. Технический результат - расширение функциональных возможностей оценки характеристик поверхностных слоев и получения более корректных данных, отражающих объемные свойства поверхностных слоев. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью склерометров, и может быть использовано для оценки изменения свойств поверхности вдоль пути сканирования.

Известен способ получения и обработки информации о поверхности образца с помощью щуповых профилографов [1], в котором производят контактное сканирование поверхности алмазной иглой, далее на основе измерения вертикальных перемещений иглы в процессе сканирования строят профилограмму, оценивают параметры шероховатой поверхности, строят кривую опорной поверхности и на основе ее анализа оценивают характеристики контакта (фактическая площадь контакта, контактная деформация) и сближения сопряженных поверхностей.

Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности (оценивается только геометрия профиля) и получении некорректных данных для последующей оценки характеристик контакта сопряженных поверхностей, находящихся под нагрузкой (величины сближения, площади фактического контакта) поскольку материалы имеют неоднородности (твердые и мягкие включения и фазы), особенно в случае исследования композиционных и многофазных материалов.

Также известен способ [2], в котором определяют твердость поверхностного слоя путем сканирования поверхности нагруженным индентором. Для этого образец помещают на столик прибора (например, микротвердомера ПМТ-3), опускают на исследуемую поверхность индентор, к которому приложена постоянная нормальная нагрузка, производят перемещение столика с образцом относительно индентора так, чтобы перемещение столика было направлено вдоль оси упругих пластин механизма нагружения, определяют ширину полученной царапины и оценивают величину твердости.

Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности - оценивается только твердость поверхностного слоя.

В качестве прототипа выбран способ [3], в котором производят последовательное снятие в заданных точках поверхности по меньшей мере участка силовой кривой и определение по нему параметров образца с последующим построением соответствующих пространственных распределений. На силовой кривой производят выбор опорных точек и фиксируют по меньшей мере в этих точках значения силы отклонения кантилевера, и/или координаты его закрепленного конца, и/или производных от силы отклонения кантилевера по координате его закрепленного конца. По числу опорных точек и/или указанным зафиксированным значениям определяют параметры образца, характеризующие рельеф, и/или свойства поверхности образца, и/или число и свойства его поверхностных слоев. В том числе определяют координаты поверхности образца, и/или границ поверхностных слоев, или толщины поверхностных слоев, или силу адгезии поверхности образца и/или поверхностных слоев, или коэффициент упругости поверхности образца и/или поверхностных слоев.

Недостатком прототипа является функциональная ограниченность, заключающаяся в исследовании тонкого поверхностного слоя, соизмеримого с размерами атомов, что может некорректно отразить свойства поверхностных слоев, в общем случае состоящих из большого количества разнородных структурных элементов.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей оценки характеристик поверхностных слоев и получении более корректных данных, отражающих объемные свойства поверхностных слоев.

Технический результат достигается тем, что осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров, при этом первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки и производят второе сканирование и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

Кривую опорной поверхности строят на основе профилограммы, полученной при сканировании контролируемой поверхности нагруженным зондом. Это позволяет учесть тот факт, что контролируемая поверхность в общем случае неоднородна и ее различные участки имеют различную жесткость и твердость (границы зерен, различные фазы, включения, оксидные пленки, прижоги и т.п.). При этом более твердые участки контролируемой поверхности будут на данной профилограмме выглядеть как выступы, а менее твердые - как впадины, наложенные на исходный профиль контролируемой поверхности. При высокой степени однородности поверхностного слоя профилограммы, полученные нагруженным и разгруженным зондом, практически будут близки. Для неоднородных материалов заявляемый способ позволит получить кривую опорной поверхности, которая позволит более корректно оценить ее характеристики, используемые при расчетах контактного сближения, а также площади фактического касания.

Твердость поверхности оценивают методом царапания, в котором повышение корректности измерений достигается автоматизированной оценкой глубины внедрения зонда, оцениваемой как разность показаний вертикальных перемещений зонда при последовательных сканированиях без нагрузки и под нагрузкой, вместо измерения ширины царапины, осуществляемой визуально с помощью оптических приборов. При этом корректные данные о глубине внедрения зонда можно получить даже тогда, когда ширину царапины невозможно измерить из-за неопределенности контура ее границы. С учетом того что ширина b и глубина h царапины при использовании в качестве зонда, например алмазного наконечника Виккерса, связаны соотношением h≈0,14b, формула для оценки твердости

H P = 3,708 P / b 2 , ( 1 )

где Р - нормальная нагрузка, преобразуется к виду

H P 0,0727 P / h 2 . ( 2 )

Заявляемый способ позволяет путем двукратного сканирования выбранного участка контролируемой поверхности получить корректные данные о шероховатости поверхности, кривой опорной поверхности и распределения твердости вдоль пути сканирования.

Заявленный способ реализуется по следующим этапам.

- Помещают испытуемый образец на столик измерительного прибора. Опускают на контролируемую поверхность зонд и производят первое сканирование с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности, и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования.

- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, например Ra, Rz, Rmax, Rp, затем возвращают зонд в исходное положение.

- Внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки, и производят второе сканирование, и оценивают вертикальные перемещения зонда.

- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму поверхности, полученной нагруженным зондом, на основе которой строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, например ν, Rpk, Rνk и др.

- Определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования по формуле (2), принимая в качестве глубины внедрения зонда h величину разности данных о вертикальных перемещениях зонда в нагруженном и ненагруженном состоянии в соответствующей точке сканирования.

Пример. Для реализации предложенного способа использовали диагностический программно-аппаратурный комплекс, описанный в работе [4]. В качестве зонда использовали наконечник Виккерса - алмазную пирамиду с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. В качестве образца использовали кузовную стальную шайбу. Опустили зонд на поверхность образца под нормальной нагрузкой 0,002 Н, не вызывающей пластической деформации поверхности, и получили профилограмму P1 поверхности образца (фиг.1) при базовой длине l=0,8 мм. Определили параметры шероховатости поверхности: Rmax=5 мкм; Rp=1,2 мкм; Rz=1,36 мкм; Ra=0, 41 мкм. Вернули зонд в исходное положение, нагрузили его статической нагрузкой 0,11 Н, повторно просканировали поверхность и получили профилограмму Р2 (фиг.1), на основе которой построили кривую опорной поверхности. На основе анализа кривой опорной поверхности получили значение относительной опорной длины по средней линии tm=0,5. Построили распределение глубины внедрения зонда h вдоль пути сканирования в виде расчетной кривой Р3 (фиг.1) как разницу высотных характеристик профилограмм P1 и Р2 вдоль пути сканирования. Построили распределение твердости поверхности (фиг.2) вдоль пути сканирования путем расчета твердости по формуле (2) с подстановкой полученного распределения значений h вдоль пути сканирования.

На фиг.1. показаны результаты построения и обработки профилограмм: полученных разгруженным зондом - P1; полученных зондом, нагруженным нормальной нагрузкой 0,11 Н - Р2; Р3 - разность значений профилограмм P1 и Р2, характеризующая глубину внедрения зонда относительно профиля P1.

На фиг.2. представлено распределение твердости поверхности образца по базовой длине.

Используемая литература

1. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов / А.В.Чичинадзе, Э.Д.Браун, И.А.Буше, И.А.Буяновский и др. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.

2. ГОСТ 21318-75. Измерение микротвердости царапанием алмазным наконечником. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 29 с.

3. Патент РФ №2145055. Способ сбора и обработки информации о поверхности образца / Молчанов С.П., Дремов В.В., Кирпичников А.П. Опубл. 27.01.2000 г.

4. Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Деморецкий Д.А. и др. Новые приборы контроля качества поверхностей // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН. Т.13. №1 (3) (39). - 2011. - С.578-581.

Способ сбора и обработки информации о поверхности образца, в котором осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров, отличающийся тем, что первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности, и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки, и производят второе сканирование, и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к роликовым средствам измерения для контроля дефектов плоскостности стальных и металлических полос. .

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике, а именно к оптическим способам контроля шероховатости поверхности, и может быть использовано в различных отраслях науки и техники, в частности в ювелирной промышленности для оценки чистоты огранки алмазов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения высоты микрорельефа поверхностей интерференционным методом. .

Изобретение относится к области приборостроения и цифровых оптических устройств и может быть использовано для бесконтактного определения качества изделий, имеющих средние и низкие классы чистоты обрабатываемых поверхностей в пределах Ra=0,8÷100 мкм.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению параметров движущихся поверхностей. .

Изобретение относится к способу и устройству для измерения плоскостности полосы в шахте моталки стана для горячей прокатки полос. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам для измерения формы и перемещений поверхности объекта. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптико-электронным устройствам для бесконтактного измерения отклонения поверхности длинных узких объектов от прямолинейного на заданном отрезке и может быть использовано для контроля прямолинейности поверхности катания рельса.

Изобретение относится к области контроля сверхгладких поверхностей с манометровым уровнем шероховатости. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения профиля поверхностей низкомодульных вязкоупругих листовых материалов легкой промышленности, а именно искусственных и натуральных кож и прочего. Устройство для определения профиля материалов в деформированном состоянии, содержащее основание, отсчетный узел, базирующий элемент, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси, отличающийся тем, что базирующий элемент выполнен в виде полуцилиндра с полым полуконусом и двумя ограничительными пластинами для крепления образца; устройство содержит дополнительный отсчетный узел, закрепленный на полуцилиндре, для определения радиуса изгиба исследуемого образца, расположенный параллельно направляющей полуконуса, при этом основной отсчетный узел выполнен комбинированным, с возможностью перемещения вдоль оси вращения базирующего элемента и содержит тензометрический датчик перемещений и цифровой оптический микроскоп. Устройство дает возможность изучать скрытые дефекты натуральной кожи и искусственных материалов, определять изменение рельефа материала при деформации изгиба. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для измерения макронеровностей поверхностей относится к измерительной технике и может быть использовано в гидроэнергетике для контроля макронеровностей, конусности и отклонения от горизонтальной плоскости зеркальных поверхностей дисков подпятников гидроагрегатов. Устройство для измерения макронеровностей поверхностей, включающее установленные горизонтально и параллельно друг над другом жесткие прямоугольные пластины, закрепленные между собой вертикальными стойками, расположенные с внешней стороны каждой пластины в ее углах три опорные регулируемые ножки, установленные на внутренней стороне нижней пластины два датчика угла наклона, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны и параллельны смежным сторонам пластин, и закрепленный посредством съемного юстировочного кольца на одной из пластин с внешней ее стороны магнит, центр которого расположен внутри прямоугольного треугольника, образованного тремя опорными регулируемыми ножками, на медиане, проведенной из вершины прямого угла. Техническим результатом является повышение точности измерения макронеровностей за счет измерения угловых смещений в системе координат, связанной с обследуемой поверхностью, расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.
Наверх