Технические науки/8.

Обработка материалов в машиностроении

 

Д.т.н., профессор Жетесова Г.С.,  К.т.н., доцент Жаркевич О.М., Старший преподаватель Нуржанова О.А., Докторант Плешакова Е.А., Магистрант Жунуспеков Д.С.

 

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

 

О  МОБИЛЬНОМ И ТОЧНОМ ИЗМЕРЕНИИ ТВЕРДОСТИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

 

 

История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы методов и средств измерений. Переход к нанотехнологиям ставит перед наукой и техникой ряд новых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеет дело нанотехнология.

При этом, как никогда, актуален  тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать».

Специфика нанотехнологий при­вела к созданию и развитию нового направления в метрологии, с ко­торым связаны все теоретические и практические аспекты обеспече­ния требуемой точности и единства измерений в нанотехнологиях [1].

Развитие нанотехнологий стимулирует развитие методов исследования нано - и плёночных покрытий. При этом интерес представляют нанопокрытия, позволяющие улучшить физико-механические свойства рабочих поверхностей (в частности, добиваться упрочнения режущего инструмента), толщины которых составляют несколько нанометров [2].

Это выдвигает на первый план задачу мобильного и точного измерения параметров наноразмерных покрытий. При этом методы исследования должны относиться к методам оперативного и неразрушающего контроля, данные которого могут быть получены в цифровом виде для быстрой обработки.

Свойства поверхности, испытывающей воздействие динамических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред, во многом определяют служебные характеристики материала в целом [3]. В последние годы ведущими  разработчиками и производителями научного оборудования созданы высокоточные приборы для измерения свойств тонких поверхностных слоев, многофункциональных защитных покрытий, многослойных тонких пленок и других на микро- и наноуровне. Этим требованиям соответствует нанотвердомер Nanohardness Tester, CSM Instruments, Швейцария.

Технические характеристики прибора представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики нанотвердомера

Характеристика

Значение характеристики

Диапазон нагрузки

От 0,1 до 500 Н

Разрешение по нагрузке

0,04 мкм

Максимальная глубина

индентирования

200 мкм

 

Разрешение по глубине

0,04 нм

Скорость нагружения

До 10 Н/мин

Платформа XY

(for OPX)

120 мм×20 м

245 мм×120 мм

Разрешение

XY 0,25 мкм

Увеличение

видеомикроскопа

200 ×, 1000 ×

 

Камера

видеомикроскопа

Color 768×58

 

 

Прибор предназначен для измерения твердости Н, модуля упругости Е и упругого восстановления We по методу наноиндентирования. Испытания соответствуют стандарту ISO/CD 14577-4. В процессе измерений снимается кривая нагружение–разгрузка, представленная на рисунке 1, которая в дальнейшем обрабатывается по методу Оливера-Фарра.

 

 

Рисунок 1 – Кривая нагружение-разгрузка

 

Суть метода состоит в аппроксимации начального участка разгрузочной кривой степенной функцией:

 

                                                   Pmax = B(h - hf)m ,                                           (1)

 

где Рmax -максимальная нагрузка,

      h - глубина проникновения индентора,

      hf - глубина проникновения индентора после снятия нагрузки,

В и m - эмпирически определяемые параметры.

 

Наклон начального этапа разгрузочной кривой определяет жесткость материала:

 

                                            .                                 (2)

 

Глубина проникновения индентора hc при которой отпечаток повторяет форму алмазной пирамиды также определяется из графика нагружение-разгрузка по формуле:

 

                                                        ,                                               (3)

 

где hmax - максимальная глубина проникновения индентора, ε = 0,75 для пирамиды Берковича. H и E рассчитываются по формулам:

 

                                                         ,                                            (4)

 

                                                         .                                          (5)

 

где υ - коэффициент Пуассона покрытия,

      β  =1,034 для пирамиды Берковича,

       А - площадь проекции отпечатка, определяемая из глубины максимального проникновения индентора hmax.

Для алмазного индентора коэффициент Пуассона υi и модуль упругости Ei соответственно составляют 0,07 и 1141 GPa.

Величину упругого восстановления покрытий определяют по формуле:

 

                        We = .                                         (6)

 

Для оценки стойкости материалов к упругой деформации разрушения можно использовать величину отношения твердости к модулю упругости, H/E, называемую также индексом пластичности материала, а для оценки сопротивления материала пластической деформации - параметр H3 /E2 [4, 5].

Подытоживая вышеизложенное, можно сделать однозначный вывод, что в метрологическом обеспече­нии нуждаются как сам техноло­гический процесс создания новых наноструктур, так и из­мерения параметров создаваемых наноустройств, а также характерис­тик материалов со специальными физическими, химическими и био­логическими свойствами.

 

Литература:

1. Основы нанотехнологий и наноматериалов: учеб. Пособие / П.А.Витязь, Н.А.Свидунович. – Минск: Выш.шк., 2010.-302 с.

2. Балабанов В.Б., Балабанов И.Б. Нанотехнологии: правда и вымысел. - М.: Эксмо, 2010. – 384 с.

3. Жетесова Г.С., Жаркевич О.М. Выбор рационального способа восстановления элементов гидростоек механизированных крепей // Materiály V mezinárodoni vědeko-praktiká konference «Věda a technologie – Krok do Budoucnosti -2009» (Dil 15). – Praha: Publishing House «Education and Science», 2009. – С. 24 – 27.

4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с.

5. Андриевский Р.А., Ругуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005. – 192 с.