CC BY
188
УДК 620.178.151.6
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЁРДОСТИ С НАНОТОЧНОСТЬЮ
В.И. Мощенок, профессор, к.т.н.,
Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., О.Н. Тимченко, студент,
ХНАДУ
Аннотация. Описана современная компьютерная технология, которая увеличивает точность определения микротвёрдости, так как позволяет измерять величину диагонали отпечатка с наноточностью.
Ключевые слова: микротвёрдость, диагональ отпечатка, наноточность.
Введение
Для оценки свойств небольших объёмов или даже отдельных структурных составляющих зёрен был развит метод определения твёрдости вдавливанием индентора при малых нагрузках, так называемый метод микротвёрдости. Метод микротвёрдости незаменим также при изучении свойств тонких поверхностных слоёв.
Анализ публикаций
Испытания микротвёрдости чаще всего проводят на приборе ПМТ-3 путём вдавливания стандартной 136-градусной алмазной пирамиды с квадратным основанием и нагрузками 2, 5, 10, 20, 50, 100 и 200 г [1]. Большим преимуществом прибора является прямое нагружение индентора грузами, обеспечивающее высокую точность и стабильность величин прикладываемых нагрузок. Общее увеличение микроскопа прибора ПМТ-3 при визуальных наблюдениях и измерениях 40-кратным эпиобъективом ОЭ-6 с апертурой А=0,65 (фокусное расстояние ^=6,16) и винтовым окулярным 15-кратным микрометром АМ9-3 равно 485-487.
Длину любого объекта можно измерять в любой части поля микроскопа. Однако длину диагонали лучше измерять в центре поля зрения микроскопа, так как в этом случае некоторые возможные недостатки оптической системы микроскопа, больше всего проявляющиеся на краю поля микроскопа, будут исключены.
Для измерения величины диагонали перекрестие линий при вращении барабанчика должно перемещаться только вдоль одной из диагоналей отпечатка. Для этого поворачивают на соответствующий угол окулярный микрометр до тех пор, пока совпадут направления перемещения перекрестия и одной из диагоналей отпечатка.
Затем перекрестие подводят всегда одним и тем же способом, например, справа налево, к правому углу отпечатка и читают показания по шкалам барабана, затем перекрестие подводят к левому углу отпечатка и также читают показания по шкалам. Далее находят разность обоих показаний, а полученный результат умножают на цену деления шкалы в микронах и получают длину диагонали в микронах. Технология измерения длины диагонали отпечатка достаточно трудоёмка, а вероятность внесения погрешности, особенно при измерении отпечатков небольших размеров, весьма существенна.
Измерения окулярным микрометром на приборе ПМТ-3 производится с точностью до ±0,5 деления шкалы или, с учётом масштаба увеличения, с точностью до 0,15 мкм.
При испытаниях на микротвёрдость численным значением результата измерения является частное от деления нагрузки Р на боковую поверхность в мм2 в предположении, что углы у отпечатка такие же, как у самой пирамиды
Р 0,189 ЧР
где Р - нагрузка, Н; А - диагональ отпечатка, мм;
(2)
где Р - нагрузка, кгс;
нг-
1854ЧР
а2 :
(3)
где Р - нагрузка, кгс; А - диагональ отпечатка, мкм.
Так как длина диагонали входит в формулу определения микротвёрдости в квадрате, то даже небольшая неточность в измерении её размеров приведёт к значительным погрешностям в измерении микротвёрдости.
Цель и постановка задачи
Целью работы является увеличение точности определения микротвёрдости путём повышения точности измерения величины диагонали отпечатка с помощью современных компьютерных технологий.
Результаты эксперимента и их обсуждение
При определении микротвёрдости измеряется диагональ восстановленного отпечатка, хотя более правильно было бы измерять диа-
гональ невосстановленного отпечатка. В связи с этим величины микротвёрдости получаются немного завышенными. Но так как упругое восстановление для большинства металлов не очень велико, то измеряют именно диагональ восстановленного отпечатка, так как это гораздо удобнее, чем измерять параметры невосстановленного отпечатка.
Методика измерения микротвёрдости достаточно отработана для отпечатков с величиной диагонали более 7 мкм. Однако при измерении микротвёрдости очень твёрдых и хрупких слоёв, структурных составляющих, когда величина отпечатка очень мала или форма отпечатка искажается, точность измерения величин диагоналей снижается и погрешность в числах твёрдости может достигать 5, 10, 20 % и более. Поэтому для малых отпечатков необходимо увеличение числа испытаний для получения достаточно надёжного среднего результата.
Однако существует и другой путь получения более точных значений микротвёрдости - повышение точности измерений длины диагонали.
На кафедре ТМ и М ХНАДУ был создан комплекс для измерения микротвёрдости с наноточностью на базе микротвердомера ПМТ-3 и персонального компьютера (рис. 1).
1
2
Рис. 1. Комплекс для измерения микротвёрдости с наноточностью: 1 - модернизированный микротвердомер; 2 - изображение отпечатка
Измерение микротвёрдости производится вдавливанием четырёхгранной алмазной пирамиды. Изображение отпечатка передаётся при помощи видеокамеры на экран монитора. На экране изображение может быть увеличено до любых размеров. То есть самый маленький отпечаток может быть увеличен до размеров, которые позволяют его измерять с самой высокой точностью.
Затем изображение отпечатка обрабатывается с помощью программы ЗсореРкЛо (рис. 2).
б
Рис. 2. Измерение диагонали отпечатка с наноточностью: а - фиксирование координат левой вершины отпечатка; б - фиксирование координат правой вершины отпечатка и длина диагонали
Сначала необходимо совместить центр пересечения визирных линий на экране монитора с одной из вершин измеряемого отпечатка (начало диагонали) и зафиксировать его щелчком мыши (рис. 2, а). На экране появят-
ся координаты вершины отпечатка. Затем центр пересечения визирных линий необходимо совместить с другой вершиной отпечатка (конец диагонали) и его зафиксировать щелчком мыши (рис. 2, б). На экране появится координата второй вершины отпечатка, а в центре изображения - длина диагонали в микрометрах с точностью до сотых долей микрометра, нанометра или тысячных долей в пикселях.
Длина диагонали рассчитывается автоматически. Измерения длин диагоналей могут повторяться многократно. Значения длин диагоналей заносятся автоматически в таблицу в программе Ехе1 и производится расчёт среднего значения микротвёрдости.
Предложенная методика измерения длины диагонали отпечатка, усовершенствованная при помощи современных компьютерных технологий, менее трудоёмка, более производительна, меньше вероятность внесения погрешностей, связанных с человеческим фактором.
Выводы
Разработанная методика определения микротвёрдости позволяет измерять параметры отпечатков практически любых размеров.
Обработка параметров изображения в программах ScopePhoto и Ехе1 позволяет производить измерение диагонали отпечатка с точностью до 0,5 нанометра.
Литература
1. Григорович В.К. Твёрдость и микротвёрдость металлов. - М.: Наука, 1976. - 230 с.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 июля 2008 г.
