10 марта 2016г.
Индентирование, а в последнее время наноиндентирование занимает все большее место среди неразрушающих способов характеризации механических свойств твердых тел в наношкале. При этом переход исследования на новый масштабный уровень, по сравнению с макроиспытаниями, как правило, приводит к изменению практически всех физических свойств твердых тел. Это обусловлено влиянием масштабного и скоростного факторов при определении тех или иных физических характеристик.
При применении как традиционных, так разрабатываемых новых материалов (в том числе наноструктурированных) становится всѐ более актуальной задача определения микромеханизмов деформирования. Особенно важно это в микро- и наномасштабах, которые в настоящее время становятся все более актуальными в связи с развитием нанотехнологий и исследованием физики процессов нано- и микроконтактного взаимодействия.
Так, например, при изготовлении деталей нано- и микроразмера (МЭМС и НЭМС) необходимо знать, какой вид деформации является преобладающим в используемом материале, при той или иной величине размера зоны деформирования, прикладываемой нагрузки и скорости относительной деформации. При изготовлении шариков для шаровых мельниц необходимо померить свойства шарика (твердость, модуль упругости, упруго пластические характеристики) в микро и нанообъеме при высоких скоростях относительной деформации.
Оборудование выпускамое отечественными и зарубежными фирмами это наноиндентометры различных марок не способны достигать высоких скоростей относительной деформации при исследовании свойств материалов в микро и нанообъемах, по этому целью работы было разработка и создание оригинальных лабораторных установок - нанотестеров для измерения физико - механических характеристик твердых материалов в микро- и нанометровых размерах в широком диапазоне скоростей относительной деформации.
Для осуществления проекта необходимо выполнить ряд задач:
— 1) Разработка опытных образцов установок.
— 2) Отладка и апробация макета лабораторной установки.
— 3) Разработка, изготовление и отладка контроллерного блока (для осуществления коммутации исследовательского комплекса и компьютера).
— 4) Настройка и отладка программного обеспечения.
— 5) Отладка отдельных режимов работы установки.
— 6) Отладка и калибровка прибора в целом.
— 7) Проведение базовых испытаний на тестовых образцах.
— 8) Доработка макета установки до готового образца лабораторной установки по высокоскоростному локальному деформированию.
— 9) Создание малого предприятия по производству и выпуску высокоскоростных наноиндентометров.
На Рисунке 1 приведена
блок схема и общий вид экспериментальной установки. Широкий
диапазон скоростей относительной деформации получается благодаря
тому, что даже при не высоких линейных
скоростях индентора перед ударом в образец,
глубина индентирования составляет от десятков до сотен нанометров. Научная новизна данной работы заключается в том, что разрабатываемый высокоскоростной наноиндентометр будет производить измерения физико – механических свойств
материалов в широком
интервале скоростей относительной деформации от 10-1 до106 с-1.
Прикладная и техническая значимость данного проекта заключается в том, что разрабатываемое оборудование
может быть востребовано научно-исследовательскими центрами и лабораториями, производственными исследовательскими и аттестационными подразделениями, а также учебными заведениями, в качестве
исследовательских приборов и приборов неразрушающего контроля при высокоскоростных локальных испытаниях, а также учебных
целях.
На Табл.1 показан
сравнительный анализ разрабатываемого оборудования с имеющимися аналогами. По таблице видно что не смотря на отставание лабораторного образца ПМТ – 3 по разрешающей способности глубины от зарубежных аналогов,
диапазон скоростей относительной деформации ПМТ – 3 на много шире чем у зарубежного оборудования.
Таблица 1
Сравнительный анализ разрабатываемого оборудования с имеющимися аналогами
|
Название оборудования
|
Технические характеристики
|
Цена, тыс. рублей
|
|
Наноиндентометр G200
фирма
|
разрешающая способность: 0,01 нм;
|
10 360 |
|
MTS NanoInstruments, США
|
диапазон нагрузок: 1 мкН – 10 Н; разрешение по нагрузке: 50 нН; Диапазон скоростей ε’: 0,1 – 1 с-1 ;
|
|
|
НанотрибоиндентометрTI950 TriboIndenter, фирма Hysitron, США
|
разрешение нормального смещения: 0,02 нм; разрешение нормальной нагрузки: 3 нН; испытание на износ в диапазоне:70 нН –1 мН; Диапазон скоростей ε’: 0,1 – 1 с-1 ;
|
16 900
|
|
Динамический наноиндентометр ПМТ – 3, НОЦ «НТ и НМ»,
Россия
|
разрешающая способность: 0,45 нм; диапазон нагрузок: 85 мкН – 3 Н; разрешение по нагрузке: 0,85
мН. Диапазон скоростей ε’: 10-1 –
106 с-1 ;
|
1 500
|
Работа выполнена при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно- технической сфере по программе У.М.Н.И.К. (Руководитель проекта
Воробьев М.О., научный
руководитель к.ф.-
м.н., доцент Тюрин А.И.)
Список литературы
1.
Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М. Машиностроение. 2009. 324 с.
2.
Головин Ю.И. Введение
в нанотехнику. М.: Машиностроение. 2008.496с.
3.
Springer Handbook of Nanotechnology (Ed. B. Bhushan). Springer. New York. 2008. 1916 p.
4.
Nanotribology and Nanomechanics. An Introduction (Ed. B. Bhushan). 2-nd Edition. Springer-Verlag. Berlin- Heidelberg. 2008. 1516 p.
5. Головин Ю.И.,Тюрин А.И., Иволгин
В.И. // ЖТФ.-2000.-.Т. 70.
- № 5. – с.82-91.
6. Oliver W.C., Pharr G.M. // J. Mater.Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564-1583.
