Акустический способ определения параметров образца и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к испытательной технике неразрушающего контроля микротвердости изделий путем вдавливания индектора электроакустического преобразователя твердости и может быть использовано для определения реологических параметров материалов с заранее неизвестными упругими свойствами. Технический результат - повышение точности. Способ основан на возбуждении внедренного индектора на его резонансной частоте гармоническим тестовым сигналом постоянной амплитуды. Микротвердость и модуль упругости испытываемых образцов определяют по формулам, основываясь на результатах измерения амплитуды колебательной скорости индектора в установившемся режиме и резонансной частоте этих колебаний. Причем амплитуту возбуждающей силы непрерывно контролируют и подставляют ее истинные значения в полученные формулы, что обеспечивает учет влияния на результаты измерений остаточной нестабильности амплитуды возбуждающей тестовой силы. Способ обеспечивает высокую точность контроля обоих физико-механических параметров контролируемых изделия. Для осуществления способа в известное устройство электроакустического твердомера дополнительно введены установленный в разрезе сечения стержня тензометрический датчик, фильтр высоких частот, частотомер, вычислитель и второй индикатор с их оригинальными связями. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля микротвердости поверхности образцов вдавливанием индентора под нагрузкой и может быть использовано для количественной оценки реологических свойств материалов промышленных изделий, включая их микротвердость и модуль упругости.

Известен способ контроля твердости материалов путем вдавливания в изделие индентора и возбуждения в нем импульсным воздействием затухающего колебательного процесса [1] Контролируемую твердость оценивают на резонансной частоте по величине декремента затухания этих колебаний, который зависит от активного сопротивления импеданса зоны контакта.

Наиболее близкий к изобретению по технической сущности и получаемому эффекту акустический способ измерения микротвердости [2] Согласно способу измеряют амплитуду колебательной скорости индентора до и после внедрения, поддерживая при этом постоянную амплитуду возбуждающей колебания силы, а по изменению амплитуды колебательной скорости оценивают активную составляющую импеданса зоны контакта и определяют микротвердость.

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная игнорированием влияния реактивной составляющей импеданса контакта индентора с контролируемым изделием на изменение амплитуды колебательной скорости. Действительно, вследствие высокой добротности резонансной акустической системы преобразователя твердости, особенно для специально разработанных сложных датчиков типа предложенного для реализации способа, влияние на амплитуду колебательной скорости индентора активной составляющей импеданса зоны контакта будет доминировать относительно влияния от приращения его реактивной составляющей. Реактивная составляющая импеданса контакта будет более выражена в изменениях резонансной частоты автоколебаний индентора. Однако оба эти параметра преобразования оказываются чувствительными к соотношению составляющих реактанса образца.

Следствием этого упрощения механизма процесса, происходящих в нагруженном на контролируемый импеданс инденторе, является также другой недостаток прототипа принципиальная невозможность определения модуля упругости испытываемого материала в алгоритмическом единстве с преобразованием его твердости. Именно в игнорированном влиянии реактивности контролируемого образца оказываются скрытыми необходимые аргументы для определения модуля упругости и уточнения результатов определения твердости изделий в зависимости от этого модуля.

Недостатком прототипа является также влияние на результаты измерения твердости нестабильности амплитуды возбуждающей колебания силы.

Техническим результатом изобретения являются повышение точности определения твердости и обеспечение независимого контроля модуля упругости материала испытываемых изделий.

Это достигается тем, что согласно известному способу внедряют индентор в испытываемый образец, возбуждают его резонансные колебания и регистрируют напряжение, описывающее колебательный процесс, причем амплитуду возбуждающей силы поддерживают постоянной, а по изменению амплитуды регистрируемого напряжения оценивают активную составляющую импеданса зоны контакта и определяют ее микротвердость, дополнительно измеряют частоту резонансных колебаний индентора под нагрузкой контролируемого импеданса, а напряжение регистрируют в установившемся режиме резонансных автоколебаний. При этом значение микротвердости и модуль упругости испытываемого образца в зоне контакта определяют инвариантно друг другу по формулам: R_x=2M E_x M ω_x² (2Z_x 1), причем Z_x где Z безразмерный промежуточный параметр преобразования твердости.

R, E контролируемые параметры, пропорциональные соответственно микротвердости и модулю упругости в зоне контакта; , V измеряемые соответственно резонансная частота индентора и амплитуда его колебательной скорости в установившемся режиме; М(кг ) масса колебательной системы акустического преобразователя твердости; F₀(кгс) амплитуда возбуждающей силы.

Результаты достигаются и тем, что фактическое значение амплитуды возбуждающей силы дополнительно измеряют и учитывают при расчетах микротвердости и модуля упругости испытываемых изделий по приведенным формулам.

Способ осуществляется следующим образом: акустический преобразователь стержневого типа возбуждают на резонансной частоте гармонической внешней силы амплитудой F_о. При этом в стрежне возникают акустические волны, описываемые известными дифференциальными динамическим уравнением колебательной скорости в функции от времени и дифференциальным волновым уравнением упругих смещений (или деформаций) по фронту этих волн в функции от текущей координаты их перемещения вдоль стержня. Причем совместное решение уравнений осуществляют по принципу суперпозиции, т.е. поведение акустических волн в каждой точке стержня и в инденторе каждый момент времени определяется совместным их влиянием.

В комплексно нагруженном на контролируемый импеданс акустическом стержневом преобразователе осуществляется перенос энергии от точки возмущения колебаний внешним возбуждением в нагрузку. Эта энергия рассеивается на активной составляющей импеданса зоны контакта, т.е. на микротвердости, чем объясняется диссипативный характер колебательного процесса в инденторе. При этом внешним возбуждением компенсируют затухание колебаний в акустическом твердомере под воздействием контролируемой комплексной нагрузкой.

Колебательный процесс на реактансе нагрузки аналитически описывается известным динамическим дифференциальным уравнением баланса сил, приложенных к индентору m R_x + E_x·x, (1) где m (кг), Х(m) соответственно масса и колебательное смещение индентора под нагрузкой; E, R модуль упругости и активное сопротивление зоны контакта.

Причем левая часть (1) обусловлена инерциальной реактивностью колебательной массы индентора, а правая упругой реактивностью и активным сопротивлением поверхностного импеданса контролируемого материала. Влияние волнового уравнения распространения колебаний от источника к индентору в стержне без потерь на динамическое уравнение колебательной скорости его нагруженного конца определяется только конечной скоростью распространения волн в стержне и может быть выражено известным фазовым соотношением. Аналогично в форме фазовой зависимости может быть учтено незначительное влияние известной функции скорости распространения волны вдоль стержня от резонансной частоты автоколебаний преобразователя твердости (с учетом сопутствующих поперечных деформаций реального акустического стержня, например, по формуле Похгаммера).

Таким образом, оба фактора фазовой задержки возбуждения индентора относительно тестовой гармонической силы определяются количественно на основании известного волнового уравнения стержневой акустической системы. При этом оказывается правомочным перенос координаты приложения возбуждающей силы вдоль стержня к точке контакта индентора с учетом указанных временных или фазовых поправок.

Наконец, в течение времени задержки фронта распространения волны в стержне, в автоколебательный процесс оказывается поочередно вовлечена вся колебательная масса М стержневого преобразователя таким образом, что его полный инерциальный импеданс становится составляющим параметром динамического уравнения преобразования (1).

С учетом сказанного перепишем (1) в виде: -M + R + E_x·x=F_o·sinω_ot (2) где ω_o частота изменения возбуждающей силы F_o, причем эту частоту обеспечивают равной частоте собственных колебаний ω_x нагруженной стержневой системы.

В окончательном виде (2) перепишем в функции от характеристических параметров преобразования в виде:
-xʺ=2β_x·xʹ+ω²_E·x sinω_xt (3) где β_x характеристические параметры, соответственно коэффициент затухания колебательного процесса и резонансная частота акустического преобразователя без потерь причем β_x= +
ω²_E
ω²_x ω²_E-β²_x (4) где B_x, ω_x, известные соотношения характеристичеких параметров резонансной акустической колебательной системы.

Решение полученного неоднородного дифференциального динамического уравнения (3) ищем в виде суммы общего решения Х₁ соответствующего однородного уравнения и частного решения Х₂ неоднородного:
X₁=A˙e^-βx^t˙sin(ω_xt+ϕ)
X₂=Bsin(ω_xt+η)=Bsinϕ (5)
Запишем (3) следующим образом
(+B (6)
Сгруппируем члены уравнения (6) в виде
B(ω²_E-ω²_x) cosη
2Bω_xβ_x sinη (7)
Их (7) с учетом (4) несложно получить
B (8)
tgη -2
Динамическое уравнение (3) тепеpь запишется в виде
x(t)=Aesin(ω_xt+ϕ) + sint-arctg2 . (9)
Как видно из (9), процесс возбуждения колебаний индентора, нагруженного на контролируемый комплексный импеданс, носит сложный характер и состоит из затухающей и установившейся гармонических составляющих. Очевидно, что после завершения переходного процесса возбуждения индентора амплитуда его колебательной скорости будет равна
v_уст=v_xo = (10)
Из анализа (10) видно, что при условии
<<2ω_x (11) заявляемый способ упрощается к виду, описанному в прототипе.

Действительно, напряжение U_рег, пропорциональное колебательной скорости V_хо и регистрируемое в прототипе при условии F_o const и при игнорировании влияния диссипативного параметра β_x относительно значения ω_x на основании (11) можно записать в виде:
U_рег=k_ov_xo=k (12)
На основании (12) сущность способа прототипа заключается в том, что при условии допущения (11) и при постоянстве амплитуды возбуждающей гармонической силы F_o, контролируемая микротвердость R_x изделий оказывается в первом приближении обратно пропорциональной амплитуде напряжения, снимаемого с пьезодатчика известного акустического преобразователя твердости, т.е. амплитуда колебательной скорости индентора. Погрешность определения твердости прототипа при этом оказывается зависимой от порядка соотношения составляющих неравенство (11), т.е.

≪ 4 4(ω²_E-β²_x)=4ω²_x, откуда несложно получить ограничение применяемости способа прототипа в виде
M ≫ (13)
В условии (13) заключен еще один недостаток прототипа конструктивный предел возможности минимизации датчика акустического твердомера по параметру массы М его колебательной системы. При занижении этой массы растет погрешность определения твердости прототипа.

В заявляемом способе определение истинной микротвердости изделий и значения модуля упругости материала осуществляют инвариантно друг другу на основании совместного решения независимых уравнений преобразования. Причем амплитуду колебательной скорости регистрируют в установившемся режиме автоколебаний нагруженного на изделие индентора при условии
T_изм ≥ (8-10) (14) где Т_изм оптимальное время проведения измерения, а результаты измерения определяют с учетом (14) в виде:
R_x=2M
E_x=M ω_x²(2Z_x-1), (15) где Z_x (16)
Безразмерный промежуточный параметр преобразования Z_x определяют по (16) исходя из значений измеренных ω_x и U_хо в установившемся режиме колебаний инденторе, т.е. при условии (14).

Значение возбуждающей силы F_o поддерживают постоянным аналогично как и у прототипа. Однако фактическое его значение может колебаться относительно заданного в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, коэффициент передачи возбуждения за счет, например, магнитострикционного эффекта, как это осуществляется в прототипе, не является константой, а зависит от нелинейности магнитного гистерезиса материала стержня, режима его возбуждения, степени электромагнитного насыщения системы, климатики окружающей среды и т.д. В общем случае, любой физический процесс преобразования энергии возбуждения в механическую энергию акустических колебаний стержня является нелинейным. Поэтому стабилизация амплитуды возбуждающего тока электромагнитной катушки, принятая в прототипе, не гарантирует стабильности амплитуды F_o возбуждающей тестовой силы индентора.

В заявляемом способе, кроме поддержания амплитуды тока возбуждения магнитострикционного стержня, дополнительно измеряют амплитуду самой возбуждающей индентор силы. Это может быть обеспечено, например, установкой тензометрического датчика волнового давления непосредственно в поперечном сечении акустического стержня. Стержень передает волновую энергию в нагрузку без потерь.

Кроме того, временные (или фазовые) характеристики задержки распространения волны в стержне могут быть учтены априори на основании известного дифференциального волнового уравнения стержня, как это было указано выше, или пределы эмпирически при калибровке датчика. Поэтому выбор места установки тензодатчика в стержне ограничен только конструктивными соображениями и не вызывает трудностей при реализации способа.

Результат измерения возбуждающей силы F_o вводят в качестве переменного в общем случае параметра (аргумента) в выражение (16) для определения микротвердости R_x и модуля упругости Е_х контролируемых изделий на основании (15).

Способ прототипа основан на зависимости между контролируемой микротвердостью R_x и амплитудой V_xо колебательной скорости согласно (12) без учета влияния Е_х как переменного параметра преобразования. В заявляемом способе это влияние учитывается за счет функциональной зависимости второго параметра преобразования ω_x от реологических свойств контролируемого материала. Причем влияние реактивной составляющей Е_х контролируемого импеданса преобладает в частотной функции ω_x, а активной R_x в амплитудной функции V_хо по (10). Однако обе эти характеристики в той или иной степени зависят от обеих составляющих импеданса контролируемого материала. Поэтому их совместное решение на основании (15) обеспечивает повышение точности определения микротвердости R_x за счет учета влияния обеих составляющих (сильного R_xи слабого Е_х) сопротивления контролируемого импеданса на амплитуду колебательной скорости V_хо, а также позволяет определить Е_х в функции от резонансной частоты ω_x с учетом слабого влияния на нее параметра R_x. Это проявляется как преимущество заявляемого способа относительно прототипа и обеспечивает положительный эффект за счет открывшейся возможности контроля изделий с заранее не известными упругими свойствами, причем практически в неограниченном диапазоне. С другой стороны это позволяет повысить точность определения основного контролируемого параметра микротвердости зоны контакта изделий.

После завершения внедрения индентора, процесс возбуждения в нем резонансных колебаний начинается с завышенных (относительно информационной) амплитуд колебательной скорости. В аналитическом виде это описано полученным выражением колебательной скорости (9). Амплитудные значения затухающей фазы колебаний могут достигать при этом удвоенной амплитуды информационного сигнала V_xo и устанавливаются к истинному значению в течение времени Т_уст на основании (14). В прототипе игнорируют это временное ограничение оптимального момента Т_изм измерения V_xo, что способствует увеличению погрешности при преждевременных изменениях этой амплитуды.

Кроме того, возбуждение колебаний внедренного индентора вызывает дополнительную его "утрамбовку" и сопровождаются дополнительным углублением в процессе упруго-пластического формообразования. Несмотря на относительную малость этого приращения площади контакта индентора с контролируемым импедансом, его влияние на результаты определения микротвердости должны быть учтены. Причем оптимальный момент измерения может наступить даже позже, чем найденный на основании (14) и момент Т_изм и должен удовлетворять условию завершения всех переходных процессов как с точки зрения установления колебательной скорости (9) на основании (14), так и с точки зрения завершения формообразования и установления резонансной частоты ω_x.

Изобретательский уровень заключается также во вновь введенной операции непосредственного измерения возбуждающей колебательный процесс силы F_o. Это позволяет уточнить результаты определения твердости R_xмодуля упругости Е на величину девиаций этой силы ΔF_o относительно заданной F_o, какими бы дестабилизирующими причинами это не порождалось.

На чертеже приведена структурная cхема электроакустического твердомера.

Твердомер содержит акустический магнитострикционный стержень 1 с инерционной массой 2 на одном своем конце и индентором 3 на другом, катушку 4 возбуждения стержня, включенную в цепь обратной связи электрокакустического преобразователя от пьезоэлемента 5 через усилитель мощности 6, тензодатчик 7, включенный в разрез стержня 1 и соединенный с фильтром 8 высоких частот (ФВЧ), соединенные с выходом усилителя мощности 6 частотомер 9 и измерительный усилитель 10, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами вычислителя 11, первый вход которого соединен с выходом ФВЧ 8, а первый и второй выходы вычислителя с первым 12 и вторыми 13 индикаторами. Контролируемое изделие 14.

Твердомер работает cледующим образом.

Индентор 3 внедряют в контролируемое изделие 14 и возбуждают его на резонансной частоте ω_x. Амплитуду напряжения с выхода пьезоэлемента 5 при этом используют для регулирования усиления по мощности тока возбуждения акустического стержня 1 таким образом, чтобы возбуждающая колебания сила оставалась неизменной при контроле любых изделий. Значение этой амплитуды в прототипе являлось информативным параметром на основании (12) при условии (13), измерялось усилителем и поступало на индикатор, проградуированный в единицах микротвердости.

В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве эта амплитуда является только первым информативным параметром алгоритма преобразования. Уточняющая поправка результатов определения на его основании микротвердости R_x получена в изобретении в функции от текущего значения резонансной частоты ω_x преобразования и от амплитуды возбуждающей силы F_o, являющимися в общем случае переменными параметрами импедансометрии. При этом возбуждающая сила F_o измеряется непосредственно с помощью вновь введенного тензодатчика 7 через ФВЧ 8, а резонансная частота частотомером 9.

Эти аргументы наряду с амплитудой напряжения F_хо с выхода измерительного усилителя 10 поступают в вычислитель 11 для обработки по алгоритму (15). Результат определения микротвердости R_x с учетом влияния на амплитуду колебательной скорости реактивного сопротивления контролируемого импеданса на основании поступают на индикатор 12, а полученное значение модуля упругости Е на индикатор 13.

Установленный в сечении акустического стержня 1 тензометрический датчик 7 регистрирует как постоянное значение статического давления вдавливающей силы внедрения индикатора, так и переменную на его фоне составляющую волнового тестового давления F_o, являющуюся регулируемым и информационным параметром преобразования. Вновь введенный ФВЧ 8 позволяет разделить эти составляющие. Переменная составляющая F_oстабилизируется на заданном и независимом от контролируемого импеданса уровне по цепи авторегулирования с пьезоэлемента 5 на первый вход управления усилителя мощности 6. Однако в акустический стержень 1 возбуждение поступает посредством магнитострикционного эффекта с катушки 4, что сопровождается дестабилизацией эквивалентного волнового акустического давления в стержне при передаче энергии тестового воздействия за счет стабильной в первом приближении амплитуды тока катушки.

Поэтому в заявляемом устройстве дополнительно к стабилизации амплитуды тока катушки возбуждения 4 осуществляют стабилизацию самой возбуждающей силы по ее амплитуде F_о в замкнутом контуре авторегулирования от тензодатчика 7 через ФВЧ через второй вход управления усилением мощности 6, за счет чего компенсируют нелинейность зависимости магнитострикционного преобразователя тестового возбуждения усилием F_o от катушки 4. Это позволяет исключить указанные потери амплитуды F_o тестовой силы возбуждения. Следует отметить, что только от этого вновь введенного дополнительного принципа авторегулирования амплитуды F_o, можно значительно повысить его точность определения микротвердости R_x.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения микротвердости R_x даже с учетом остаточной нестабильности возбуждающей силы F_o, а также определять модуль упругости Е материала изделия на основании уравнений преобразования (15) с учетом (16).

Важным фактором обеспечения точности является также оптимизация момента времени измерения Т_изм параметров преобразования. Конечное время установления их значений обусловлено как затухающей составляющей колебательной скорости на основании (9) и ограничено условием (14), так и динамикой колебательного процесса уплотнения отпечатка индентора после завершения статического упруго пластического формообразования за счет возбуждения в инденторе тестового резонансного автоколебательного процесса. На время завершения всех этих переходных процессов в твердомере показания индикаторов 12 и 13 будут "дрейфовать" к установившемся значениям, которые и следует регистрировать как результат контроля реологических свойств испытываемых изделий, их модуля упругости Е и микротвердости R_x зоны контакта.

Формула изобретения

1. Акустический способ определения параметров образца, заключающийся в том, что в него внедряют индентор, возбуждают резонансные колебания постоянной возбуждающей силой F₀ и измеряют амплитуду U_хо колебательной скорости индентора, отличающийся тем, что измеряют амплитуду U_хо колебательной скорости в режиме установившихся резонансных автоколебаний, измеряют в этом же режиме частоту ω_x колебаний, а твердость R_х и модуль упругости E_х образца определяют по формулам

E_x= Mω²_x(2Z_x-1),
где

M масса колебательной системы.

2. Устройство для определения параметров образца, содержащее акустический магнитострикционный стержневой преобразователь с индентором на одном конце и инертной массой на другом, укрепленный на стержне пьезоэлемент, электромагнитную катушку, охватывающую акустический магнитострикционный стержневой преобразователь, последовательно соединенные усилитель мощности, вход которого подключен к пьезоэлементу, измерительный усилитель, вычислитель и первый индикатор, а выход усилителя мощности соединен с входом электромагнитной катушки, отличающееся тем, что оно снабжено тензодатчиком акустического давления, установленным в акустическом магнитострикционном стержневом преобразователе, фильтром высоких частот, включенным между тензодатчиком акустического давления и вычислителем, частотомером, включенным между выходом усилителя мощности и входом вычислителя, и вторым индикатором, соединенным с вторым выходом вычислителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1