Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано в составе различных твердомеров и склерометров для измерения механических характеристик различных материалов, в том числе твердых и сверхтвердых. The invention relates to techniques for controlling materials and products and can be used in various hardness testers and sclerometers to measure the mechanical characteristics of various materials, including hard and superhard.
На сегодняшний день известны наконечники для определения твердости, изготовленные из различных материалов, например алмаза. Выбор материала наконечника обуславливается тем, что его твердость должна превышать твердость исследуемого материала и в процессе измерения наконечник должен пластически модифицировать исследуемый материал. Существующие на сегодняшний день наконечники не удовлетворяют этим требованиям при измерении механических характеристик алмаза, т. к. твердость материала наконечника (алмаз) близка к твердости исследуемого материала (алмаз). В результате отсутствует возможность объективного контроля качества режущих инструментов, абразивного материала, защитных покрытий и др. Hardness tips made of various materials, such as diamond, are known today. The choice of tip material is determined by the fact that its hardness must exceed the hardness of the material under study and, during the measurement process, the tip must plastically modify the studied material. Existing tips do not meet these requirements when measuring the mechanical characteristics of diamond, because the hardness of the material of the tip (diamond) is close to the hardness of the test material (diamond). As a result, there is no possibility of objective quality control of cutting tools, abrasive material, protective coatings, etc.
Известны наконечники для определения твердости, имеющие различную форму (пирамида, конус, шар и другие), изготовленные из различных материалов (сталь, алмаз и другие) (Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов, Москва, Наука, 1976). Known tips for determining hardness, having a different shape (pyramid, cone, ball and others) made of various materials (steel, diamond and others) (Grigorovich V.K. Hardness and microhardness of metals, Moscow, Science, 1976).
Наиболее близким к данному изобретению техническим решением является наконечник Виккерса, изготовленный из алмаза в форме пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136o. Недостатком такого наконечника является то, что при измерении твердости алмаза твердость наконечника близка к твердости исследуемого материала, что не позволяет получать достоверные значения для твердости алмаза (R.L. Smith, G.E. Sandland. J. Iron and Steel Inst., 1925, v. 1, 285).Closest to this invention, the technical solution is the Vickers tip made of diamond in the form of a pyramid with a square base and an angle at the apex between the faces of 136 o . The disadvantage of such a tip is that when measuring the hardness of diamond, the hardness of the tip is close to the hardness of the test material, which does not allow to obtain reliable values for the hardness of diamond (RL Smith, GE Sandland. J. Iron and Steel Inst., 1925, v. 1, 285 )
Задачей данного изобретения является измерение механических свойств алмаза и других твердых и сверхтвердых материалов (например, кубический BN, вюрцитный BN, лонсдейлит, сверхтвердые фуллериты). Поставленная задача достигается тем, что наконечник изготовлен из углеродного материала - ультратвердый фуллерит, полученного на основе молекул C60, твердость которого превышает твердость алмаза. Поэтому твердость наконечника превышает твердость исследуемого материала, что позволяет получать достоверные значения для твердости алмаза и других, в том числе сверхтвердых, материалов.The objective of the invention is to measure the mechanical properties of diamond and other solid and superhard materials (for example, cubic BN, wurtzitny BN, lonsdaleite, superhard fullerites). The task is achieved in that the tip is made of a carbon material - ultrahard fullerite obtained on the basis of C 60 molecules, the hardness of which exceeds the hardness of diamond. Therefore, the hardness of the tip exceeds the hardness of the test material, which allows reliable values for the hardness of diamond and other materials, including superhard, to be obtained.
Наконечники из ультратвердого фуллерита могут быть изготовлены тех же форм и размеров, что и алмазные наконечники, вместо которых предлагают использовать наконечники из ультратвердого фуллерита. Ultrahard fullerite tips can be made in the same shapes and sizes as diamond tips, instead of which they suggest using ultrahard fullerite tips.
Использование наконечников из ультратвердого фуллерита, например в электроаккустических твердомерах, позволит измерять различные механические параметры (модуль Юнга, коэффициент вязкости и др.) сверхтвердых материалов, в том числе без разрушения поверхности. The use of tips from ultrahard fullerite, for example, in electro-acoustic hardness testers, will make it possible to measure various mechanical parameters (Young's modulus, viscosity coefficient, etc.) of superhard materials, including without breaking the surface.
Описанный наконечник был использован в качестве иглы зонда атомно-силового микроскопа, позволяющего идентировать и царапать поверхность с последующим получением изображения области индентирования. Применение атомно-силового микроскопа обусловлено тем, что он позволяет проводить измерения отпечатка с большей точностью, чем оптический микроскоп. The described tip was used as a probe tip of an atomic force microscope, which allows to identify and scratch the surface with the subsequent image of the indentation region. The use of an atomic force microscope is due to the fact that it allows measurements of the print with greater accuracy than an optical microscope.
Твердость различных материалов, перечисленных в таблице, определяли одновременно методом склерометрии наконечником из ультратвердого фуллерита в атомно-силовом микроскопе (столбец "Твердость, атомно-силовой микроскоп") и с помощью стандартного твердомера ПМТ-3 с алмазным наконечником Виккерса (столбец "Твердость по Виккерсу") методом индентирования. Наконечник из ультратвердого фуллерита калибровали по эталонному образцу с известной твердостью. В качестве эталона был выбран образец сапфира. Ширина царапины в склерометрических тестах составляла около 0,6 мкм. В таблице приведены стандартные отклонения σ.
На фигуре 1 (а, б) в качестве примера приведены изображения царапин, нанесенных наконечником из ультратвердого фуллерита в атомно-силовом микроскопе для определения твердости методом склерометрии на поверхности топаза (фиг. 1а) и грани (111) алмаза (фиг. 1б). Изображения получены в атомно-силовом микроскопе, где отчетливо видны пластические навалы по бортам царапины.The hardness of the various materials listed in the table was determined simultaneously by sclerometry with a tip from ultrahard fullerite in an atomic force microscope (column "Hardness, atomic force microscope") and using a standard PMT-3 hardness tester with a Vickers diamond tip (column "Vickers hardness ") by indentation method. An ultrahard fullerite tip was calibrated against a reference sample with known hardness. A sample of sapphire was chosen as a reference. The scratch width in sclerometric tests was about 0.6 μm. The table shows the standard deviations of σ.
Figure 1 (a, b) shows, by way of example, images of scratches caused by a tip of ultrahard fullerite in an atomic force microscope to determine hardness by sclerometry on the surface of topaz (Fig. 1a) and diamond face (111) (Fig. 1b). Images were obtained with an atomic force microscope, where plastic bulk on the sides of the scratch is clearly visible.
Использование наконечников из ультратвердого фуллерита, например в электроакустических твердомерах, позволит измерять различные механические параметры (модуль Юнга, коэффициент вязкости и др.) сверхтвердых материалов, в том числе без разрушения поверхности. The use of ultrahard fullerite tips, for example, in electroacoustic hardness testers, will make it possible to measure various mechanical parameters (Young's modulus, viscosity coefficient, etc.) of superhard materials, including without breaking the surface.