Для справки

Для справки.

Твердомер малогабаритный электронный переносной ТЭМП-2

 Твердомер предназначен для неразрушающего контроля твердости металлов непосредственно в единицах шкал Бринелля, Роквелла "С", Виккерса и Шора "D" и может быть использован в производственных, эксплуатационных и лабораторных условиях в различных отраслях машиностроения, металлургии, энергетике, в ремонтных и монтажных организациях и т.д.

По согласованию с заказчиком шкала "D" Шора настраивается на определение твердости резины. Принцип действия прибора основан на измерении и обработке параметров ударного импульса в процессе соударения индентора с контролируемой поверхностью. Твердомер изготовлен на импортной элементной базе с использованием микропроцессора.

Объектами измерений могут быть: сосуды давления различного назначения, трубопроводы, роторы турбин и генераторов, прокатные валки, коленчатые валы, шестерни, детали различных транспортных средств, промышленные полуфабрикаты, в том числе отливки, поковки, листы, трубы, а так же различные сварные соединения (возможен вариант твердомера и для измерений твердости металла угловых швов).

Обладает следующими особенностями:

1) возможность измерения твердости деталей сложной формы и крупногабаритных изделий, имеющих труднодоступные зоны измерений, в различных пространственных положениях;

2) высокая производительность, простота измерений и обслуживания прибора;

3) возможность оперативного контроля твердости деталей массового производства, в цеховых условиях, например, для оценки стабильности технологических процессов (термическая и механическая обработки, сварка, обработка давлением и т.д.);

Рекомендуемые материалы

4) возможность усреднения результатов измерения прибором, внесения их в буфер памяти и последующего вывода из него на дисплей прибора или на компьютер;

5) возможность автоматического пересчета с НВ в предел прочности Rm (σ_k) по ГОСТ 22761-77 для углеродистых сталей перлитного класса;

6) подсветка дисплея (ЖКИ) и индикация ресурса батарей питания;

Рис. 9. Твердомер «ТЭМП-2».

 Таблица 4

Твердомер портативный ультразвуковой МЕТ-У1

Твердомер портативный ультразвуковой МЕТ-У1 предназначен для измерения твёрдости металлов и сплавов по всем стандартизованным в России шкалам твёрдости - Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD). Твердомер предназначен для неразрушающего контроля твёрдости изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях.
В твердомере имеется шкала предела прочности (Rm), которая позволяет в соответствии с ГОСТ 22791-77 определять предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса путём автоматического пересчёта со шкалы твёрдости Бринелля (HB).

В твердомере предусмотрены 3 (три) дополнительные шкалы твёрдости (Н1, Н2, Н3), которые позволяют:

1) проводить измерения твёрдости по другим шкалам (например шкала "В" Роквелла (HRB), шкалы Супер-Роквелла (HRN и HRT), Лейба (HL) и др.);

2) проводить контроль твёрдости металлов, которые существенно отличаются по свойствам от стали (чугуна, алюминиевых, медных сплавов и т.д.).

Твердомер оснащён микропроцессором, который позволяет:

1) удалять измеренное число твёрдости в случае сомнения в корректности произведённого измерения;

2) вычислять среднее значение из серии проведённых измерений;

3) сохранять данные в энергонезависимой памяти при выключении твердомера;

4) вычислять среднее значение из данных, сохранённых в энергонезависимой памяти;

5) переносить данные из энергонезависимой памяти твердомера в компьютер для дальнейшей распечатки и сохранения в виде файла.

Принцип действия этого твердомера заключается в определении изменений частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой Виккерса), находящегося под действием постоянной нагрузки - метод ультразвукового контактного импеданса UCI.

Отличительные особенности твердомера МЕТ-У1 включают в себя:

1) измерение твердости без видимого отпечатка на поверхности изделия;

2) измерение твердости любых по массе изделий толщиной более 1 мм - недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, фольга и др.);

3) измерение твёрдости изделий сложной формы в труднодоступных местах (пресс-формы, шестерни и др. изделия сложной конструкции);

4) нагрузка на индентор - 14,7H (усилие на датчик ~ 1,5 кГс).

Твердомер портативный ультразвуковой МЕТ-У1 подходит для измерений твёрдости на изделиях различной массы и толщины и, особенно, на готовых изделиях с глянцевой поверхностью, поскольку не оставляет видимых отпечатков после измерений от маленьких бит и тонких ножей до авианесущих кораблей.

Конструкция датчика ультразвукового У1 позволяет проводить измерения в любом пространственном положении в труднодоступных местах (например, поверхность зубьев шестерён и пр.), а также на тонкостенных конструкциях (например трубопроводах и пр.), которые невозможно измерить датчиком динамическим Д1.

Работа с датчиком ультразвуковым У1 требует специальных навыков от оператора - в момент проведения измерения рука не должна дрожать, обеспечивая постоянное вертикальное усилие на корпус датчика (не менее 1,5 кг на протяжении 3-4 сек.) пока не прозвучит звуковой сигнал. Для исключения возможной погрешности оператора при измерении малых изделий рекомендуется использовать штатив или кондуктор к датчику ультразвуковому У1.

Недопустимо измерение изделий с крупнозернистой структурой (напр. чугун) или массой менее 10 г, или толщиной менее 1 мм. В отдельных случаях измерение изделий массой менее 10 г или толщиной менее 1 мм возможно, но только при условии использования смазки для притирки изделия к подложке штатива или втулки-подложки к датчику ультразвуковому У1.

Рис. 10. Твердомер МЕТ-У1.

Для целого ряда материалов (например, чугун) прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести и твердость) измеряют на основе корреляционных зависимостей между скоростью распространения упругой волны (продольной, поперечной или поверхностной) и указанными характеристиками. В частности в чугуне в зависимости от содержания и формы углерода (серый, белый или черный чугун; шаровидный или пластинчатый графит) скорость продольной волны меняется почти в два раза. Это весьма структурно-чувствительная характеристика. Для стали известны корреляционные характеристики, которые получены путем предварительных измерений на многих образцах.

3.3. Структурная характеристика

Средний размер зерна определяется путем измерения их истинных размеров с помощью металлографического микроскопа на образце со шлифованной и протравленной различными химическими реактивами поверхности. В зависимости от вида материалов (сталь, цветные металлы и пр.) реактивы для травления разные. В основном используются растворы кислот с определенными добавками. Эти кислоты действуют на межзерновые слои, растворяют их и делают видимыми зерна.

В зависимости от целей контроля (средний размер зерна, фазовый состав, форма графитных включений и т.д.), сортамента изделий и особенностей акустического тракта получили развитие различные методы контроля физико-механических свойств материалов и сплавов. Наиболее широко известен метод определения среднего размера зерна путем измерения коэффициента затухания ультразвука.

Одним из важнейших показателей качества кристаллических материалов, в частности металлов, является структура, главным образом величина зерна, влияющая на прочностные характеристики изделия. Величина зерна определена стандартом как средний диаметр зерна и оценивается в номерах шкалы (баллах).

Таблица 3

Наибольшее влияние величины зерна на коэффициент затухания ультразвука наблюдается при 5 <= λ/Ď <= 15, где λ – длина волны ультразвука; Ď – средний диаметр зерна. Распределение величины затухания, полученное при контроле изделия в различных точках, подчиняется логарифмически - нормальному закону и характеризует параметры распределения величин зерен исследуемого металла.

Для измерения коэффициента затухания наибольшее применение получил импульсный (эхо - или теневой) метод, основанный на сравнении амплитуд УЗ сигналов, применяемый в контактном или иммерсионном варианте. Структуру материала оценивают путем сопоставления данных, полученных на контролируемом изделии и на образцах с известной средней величиной зерна. Для контроля применяют серийные импульсные дефектоскопы, оснащенные калиброванным аттенюатором.

Метод, основанный на обратном рассеянии ультразвука в последнее время получает все большее распространение, так как создает предпосылки для непосредственного определения диаметра зерна металла. Контроль изделия ведется в области диффузного рассеяния, при этом частота сигнала, на которой происходит максимальное рассеяние, обратно пропорциональна диаметру зерна.

Существуют также специализированные приборы для контроля структуры металлов – структуромеры. В них предусматривают дополнительные узлы, обеспечивающие возможность реализации различных методик контроля.

Структуромеры позволяют:

1)  измерять скорость распространения (в м/с) и затухание (в дБ) упругих колебаний с представлением результатов в цифровой форме;

2)  автоматически сортировать объекты контроля на группы качества по программируемым параметрам распределения амплитуд сигналов;

3)  выводить на ЭВМ результаты измерения для их обработки и документирования.

В некоторых структуромерах используется относительный метод контроля структуры, основанный на прозвучивании металла на различных частотах. При этом одну из частот (опорную) выбирают низкой: так что затухание УЗК в небольшой степени зависит от структурных составляющих. Другие частоты (рабочие) соответствуют рэлеевской области рассеяния. Отношения амплитуд донных сигналов, соответствующих рабочим и опорным частотам, называемые структурными коэффициентами, определяют на исследуемом изделии для различных рабочих частот и сравнивают со структурными коэффициентами, полученными на образцах.

Контроль можно проводить, используя продольные и сдвиговые волны. При частоте 0,65-10 МГц можно оценить величину зерна от 1 до 7 баллов.

Один из перспективных способов оценки структуры материала – анализ спектра данных сигналов (спектроскопический метод). Частота заполнения ультразвуковых импульсов меняется от посылки к посылке, при этом по амплитуде определяется область рэлеевского рассеяния. Влияние величины зерна на затухание усиливается вследствие многократного прохождения УЗ волн через границы зерен. Для определения величины зерна также применяют резонансные методы, особенно иммерсионный. Например, при контроле импульсно-резонансным способом затухание определяют по отношению амплитуды колебаний  в стенке изделия на резонансной частоте к амплитуде колебаний при отсутствии резонансных явлений. Для автоматизации измерений с помощью спектрального метода необходимы приборы, реализующие быстрое преобразование Фурье.

При контроле тонкостенных изделий для автоматической регистрации изменений структуры используют нормальные волны. Волны определенной моды возбуждают и принимают раздельными преобразователями после прохождения их через контролируемый участок. Усредняя данные измерений на определенном участке, например по окружности трубы, получают высокую разрешающую способность в определении структуры (+- 1 балл) и повышают помехоустойчивость. Описанный метод реализован в приборах и установках.

Для контроля тонкостенных изделий может быть применен относительный метод. При этом  на одной и той же частоте возбуждают и принимают волны Лэмба двух различных мод, имеющие вследствие различия фазовых скоростей различные длины волн.

Широко применяется статистический метод анализа структуры, который основан на том, что при использовании эффекта локализации упругих волн в малом объеме (например, при контроле особотонкостенных труб) и статистической обработке прошедших ультразвуковых импульсов можно производить измерения среднего размера зерна металла.

Величину зерна в ферромагнитных материалах можно также определять, используя акустическое проявление эффекта Баркгаузена. При этом к контролируемому участку изделия прикладывают источник медленно изменяющегося магнитного поля. Изменение в материале сопровождается вращением доменных стенок, что вызывает генерацию импульсов УЗК. Число импульсов соответствует числу пересечений доменной стенкой границ зерен, т.е. числу зерен.

Возможен также контроль содержания включений. В материалах, содержащих включения веществ с резко различными акустическими свойствами (например, в высокопрочных чугунах с пластинчатыми или сфероидальными графитными включениями), наблюдается зависимость скорости продольных волн от формы включений.

Степень поражения металла межкристаллитной коррозией можно контролировать, сравнивая амплитуды сигналов, прошедших один и тот же путь через образец до и после поражения коррозией. Коэффициент коррозии принимают равным отношению амплитуд этих сигналов и определяют на частоте, для которой в данном материале он в большой степени зависит от степени поражения. В зависимости от конкретных условий кроме продольных волн можно использовать сдвиговые или поверхностные волны.

Относительный метод с использованием двух различных частот также применяют для контроля межкристаллитной коррозии при испытании сталей на склонность к межкристаллитной коррозии. В этом случае коэффициенты коррозии аналогичны соответствующим структурным коэффициентам.

Средний размер зерна определяет также прочностные характеристики материала и для целого ряда материалов подлежат обязательному измерению. Величина зерна влияет в первую очередь на затухание ультразвука, поэтому любой метод измерения затухания позволяет оценить величину зерна. Если вспомнить, что коэффициент затухания звука

,

где  - коэффициент поглощения,  - коэффициент рассеяния, то средний размер зерна  определяется коэффициентом рассеяния звука.

Существует ГОСТ на ультразвуковой контроль среднего размера зерна, с использованием метода структурных коэффициентов (структурным коэффициентом называют отношение двух донных сигналов, полученных на различных частотах). Сущность его состоит в следующем: измеряется амплитуда донного сигнала на двух различных частотах .

При этом  - низкая частота и коэффициент рассеяния стремится к нулю (только поглощение),  - высокая частота.

Величина отношения донных сигналов измеренных на образцах стандартных размеров по высоте (и известным размером зерна) называется структурным коэффициентом

Его значение, естественно, различно для материалов с разным размером зерна.

Далее измеряют отношение донных сигналов на таком же образце с неизвестной величиной зерна. Полученное число сравниваю с эталонными значениями и тем самым определяют величину зерна в неизвестном материале.

Методы определения структурных коэффициентов могут быть использованы только на образцах и не могут применяться самом изделии, тем более в динамическом режиме.

Однако разработан способ определения среднего размера зерна для листового проката. Он основан на исключении коэффициента поглощения  и измерении только коэффициента рассеяния. Точность такого способа при экспериментальной проверке на материалах из сплавов на основе меди дает ошибку (по сравнению с методами металлографии)   балла размера зерна.

Вопросы для самоконтороля

1. Какие прочностные характеристики материала Вы знаете?

2. Каким образом определяются прочностные характеристики по нормативной документации?

3. Что такое предел текучести? Каким образом он определяется?

4. Что такое предел прочности? Каким образом он определяется?

5. На каком участке кривой напряжения действует закон Гука?

Ещё посмотрите лекцию "1.5 Структура имитационных моделей" по этой теме.

6. Какие способы определений твердости Вы знаете?

7. На каком принципе работают акустические твердомеры?

8. На какие характеристики материала оказывает влияние средний размер зерна?

9. Дайте определение структурному коэффициенту

10. Перечислите способы определения среднего размера зерна

11. как связаны затухание УЗ и средний размер зерна?