Способ измерения твердости и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области контрольно-испытательной техники и может быть использована для измерения твердости материалов. Сущность: снабжают конец стержневого акустического резонатора индентором, возбуждают стержневой акустический резонатор на резонансной частоте, индентор устанавливают на контролируемую поверхность, прикладывают к нему фиксированную нагрузку и регистрируют частоту возбуждения. Дополнительно прикладывают к индентору плавно нарастающую нагрузку, производят измерение и запоминание величины приложенной нагрузки во времени, синхронно с измерением нагрузки производят измерение и запоминание соответствующих резонансных частот стержневого акустического резонатора, определяют разности частот стержневого акустического резонатора под нагрузками и без нагрузки, которые используют для вычисления твердости при разных нагрузках, оценивают крутизну кривой изменения приложенной нагрузки во времени для отслеживания и корректирования скорости нарастания ее в ходе измерения и регистрируют значение твердости для требуемой нагрузки. Устройство включает корпус, акустический стержневой резонатор с опорным диском, размещенный на конце стержневого акустического резонатора индентор, нагрузочную пружину, пьезопреобразователи, генератор, блок управления и устройство ввода-вывода, при этом вход и первый выход генератора подключены к пьезопреобразователям, а второй его выход - к блоку управления, выход которого связан с устройством ввода-вывода. Дополнительно введены: линейный датчик прилагаемой нагрузки, блок запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора и цилиндрический держатель, при этом акустический стержневой резонатор с помощью опорного диска закреплен в цилиндрическом держателе, который установлен в подшипнике с возможностью перемещения вдоль корпуса, нагрузочная пружина установлена соосно корпусу между торцевой поверхностью цилиндрического держателя и рабочей поверхностью линейного датчика нагрузки, опорная поверхность линейного датчика нагрузки упирается во внутреннюю торцевую поверхность корпуса, а выход линейного датчика нагрузки подсоединен к входу блока управления, который подключен к блоку запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора. Технический результат: повышение точности измерения твердости, расширение области применения и повышение достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Область техники

Группа изобретений относится к области контрольно-испытательной техники и может быть использована для измерения твердости материалов.

Группа изобретений может быть использована для контроля качества изделий как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации.

Особенно эффективно применение группы изобретений при испытании конструкций с тонкими упрочняющими покрытиями, разнотолщинность которых приводит к существенным погрешностям при измерении твердости. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие изменения толщины и твердости по сравнению с заданной), что может привести к аварии, и которые возможно необходимо укреплять.

Уровень техники

Измерение твердости материала является актуальной задачей в процессе создания эффективных и надежных конструкций материалов.

Существует достаточно большое количество методов измерения твердости: прямые методы с использованием стационарных или переносных твердомеров, динамический метод, ультразвуковой (контактно-импедансный) метод и др.

Все методы имеют свои особенности и области применения для контроля твердости. Так, прямые методы используются, в основном, для контроля твердости изделий простой формы и имеющих размеры, позволяющие производить измерения на стационарной установке; динамический метод имеет большую область применения для различных изделий, но требует их значительной толщины и массы.

В современной технике перспективным направлением является использование применение тонких, толщиной 50-300 мкм, упрочняющих покрытий на металлических изделиях, обладающих рядом преимуществ перед традиционными методами объемной термообработки, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создание методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов материалов и их характеристик.

Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.

Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно, невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций.

Проведенный анализ и экспериментальные исследования показали, что контроль твердости таких конструкций наиболее оптимально осуществлять ультразвуковым (контактно-импедансным) методом.

Это обусловлено следующими факторами:

- невозможностью контроля малогабаритных изделий сложной формы на стационарном твердомере,

- невозможностью контроля тонких покрытий динамическим твердомером.

Методы контроля твердости ультразвуковым методом описаны достаточно подробно, см., например:

Авторское свидетельство 1404891 СССР, кл. G01N 2/42, 1986 г.;

Авторское свидетельство 1305567 СССР, кл. G01N 2/40, 1985 г.;

Авторское свидетельство 1242751 СССР, кл. G01N 3/42, 1985 г.;

Патент РФ №2196316, кл. G01N 3/40, 2000 г.

Наиболее близким аналогом к заявленным способу и устройству по технической сущности являются ультразвуковой твердомер, описанный в патенте РФ №2196316, и реализуемый им способ измерения твердости.

Недостатками этого твердомера и реализуемого им способа являются следующие:

1. Невозможность производить оперативный контроль при разных нагрузках.

2. Сравнительно низкая точность измерения твердости, обусловленная погрешностями в установлении нагрузки. Погрешности появляются вследствие возникновения трения опорной поверхности крепления акустического резонатора к внутренней поверхности корпуса и появлению дополнительных изгибных усилий при создании нагрузочного усилия рукой.

Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в создании способа и устройства измерения твердости при оперативном изменении нагрузки, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования, пригодного для эксплуатации в промышленных условиях (т.е. в условиях шумов, помех и т.п.).

Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного контроля твердости сложных конструкций и их элементов в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, определение участков несоответствия твердости нормативной документации, разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления.

Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций.

Известный способ ультразвукового контроля твердости включает:

- возбуждение генератором стержневого акустического резонатора с индентором на переднем конце на резонансной частоте,

- установку индентора на контролируемую поверхность изделия,

- приложение к индентору фиксированной нагрузки,

- регистрацию частоты возбуждения,

- определение твердости в контролируемой точке поверхности изделия.

Известное устройство контроля твердости включает:

измерительный датчик,

корпус,

акустический стержневой резонатор с опорным диском,

индентор,

нагрузочную пружину,

пьезопреобразователи,

генератор,

блок управления,

устройство ввода-вывода.

При этом стержневой резонатор с опорным диском контактирует с внутренней поверхностью корпуса с возможностью перемещения вдоль нее, нагрузочную пружину, установленную соосно корпусу между опорным диском и торцевой поверхностью корпуса, вход и первый выход генератора подключен к пьезопреобразователям, второй выход к блоку управления, выход которого подключен к устройству ввода-вывода.

Сущность изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании группы изобретений, заключается в повышении точности измерения твердости расширения области применения и повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов.

Технический результат в части способа достигается за счет того, что в известном способе, который включает операции: снабжают конец стержневого акустического резонатора индентором, возбуждают стержневой акустический резонатор на резонансной частоте, индентор устанавливают на контролируемую поверхность, прикладывают к нему фиксированную нагрузку и регистрируют частоту возбуждения, дополнительно прикладывают к индентору плавно нарастающую нагрузку, производят измерение и запоминание величины приложенной нагрузки во времени, синхронно с измерением нагрузки производят измерение и запоминание соответствующих резонансных частот стержневого акустического резонатора, определяют разности частот стержневого акустического резонатора под нагрузками и без нагрузки, которые используют для вычисления твердости при разных нагрузках, оценивают крутизну кривой изменения приложенной нагрузки во времени для отслеживания и корректирования скорости нарастания ее в ходе измерения и регистрируют значение твердости для требуемой нагрузки.

Технический результат в части устройства достигается за счет того, что в устройство измерения твердости, включающее корпус, акустический стержневой резонатор с опорным диском, размещенный на конце стержневого акустического резонатора индентор, нагрузочную пружину, пьезопреобразователи, генератор, блок управления и устройство ввода-вывода, при этом вход и первый выход генератора подключены к пьезопреобразователям, а второй его выход - к блоку управления, выход которого связан с устройством ввода-вывода, дополнительно введены: линейный датчик прилагаемой нагрузки, блок запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора и цилиндрический держатель, при этом акустический стержневой резонатор с помощью опорного диска закреплен в цилиндрическом держателе, который установлен в подшипнике с возможностью перемещения вдоль корпуса, нагрузочная пружина установлена соосно корпусу между торцевой поверхностью цилиндрического держателя и рабочей поверхностью линейного датчика нагрузки, опорная поверхность линейного датчика нагрузки упирается во внутреннюю торцевую поверхность корпуса, а выход линейного датчика нагрузки подсоединен к входу блока управления, который подключен к блоку запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора.

Техническим результатом от внедрения изобретения является возможность оперативного контроля твердости при разных нагрузках за счет измерения в процессе контроля приложенной нагрузки и повышение точности измерений за счет контроля скорости приложенной нагрузки и применения в качестве крепления акустического стержневого резонатора цилиндрического держателя с подшипником качения, что уменьшает трение, позволяет существенно (в десятки раз) повысить площадь позиционирования стержня в корпусе, значительно уменьшить его изгибы и перекосы в процессе контроля.

Акустический стержневой резонатор с опорным диском благодаря цилиндрическому держателю с подшипником свободно перемещается вдоль корпуса.

Применение в качестве крепления акустического стержневого резонатора цилиндрического держателя с подшипником качения уменьшает трение, позволяет существенно (в десятки раз) повысить площадь позиционирования стержня в корпусе, что значительно уменьшает его изгибы и перекосы в процессе контроля, тем самым уменьшая его погрешность.

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства для контроля твердости, на фиг. 2 - график зависимости приложенной нагрузки от времени, на фиг. 3 - график зависимости разности частот акустического стержневого резонатора f-f0 от приложенной нагрузки F, на фиг. 4 - график зависимостей разности частот акустического стержневого резонатора в зависимости от твердости при различной приложенной силе, на фиг. 5 - внешний вид экспериментального твердомера.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На функциональной схеме фиг. 1 заявляемого устройства для контроля твердости приняты следующие обозначения:

1 - датчик,

2 - корпус,

3 - акустический стержневой резонатор,

4 - индентор,

5 - пружина,

6 - пьезопреобразователи,

7 - генератор,

8 - блок управления,

9 - устройство ввода-вывода,

10 - цилиндрический держатель с подшипником,

11 - линейный датчик нагрузки,

12 - блок запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора.

Индентор 4, закрепленный на переднем конце акустического стержневого резонатора 3, осуществляет механический контакт с испытуемым материалом и, как правило, образован в виде алмазной пирамиды по Виккерсу.

Пружина 5, преимущественно, является пружиной сжатия, но тот же механизм может быть реализован и без пружины.

Линейный датчик нагрузки 11 измеряет силу, с которой упомянутый индентор вдавливается в контролируемую поверхность.

Указанный датчик должен различать и измерять множественность различных значений силы, чтобы генерировать индивидуальный цифровой или аналоговый сигнал для каждого из этих значений силы.

Генератор 7 с пьезопреобразователями 6 и акустическим стержневым резонатором 3 образует автоколебательную систему, которая позволяет измерять резонансную частоту акустического стержневого резонатора как в режиме свободных колебаний, так и под нагрузкой.

Блок управления 8 структурирован для обеспечения работы линейного датчика нагрузки, генератора, блока запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора, устройства ввода-вывода.

При включении прибора генератор 7 с помощью пьезопреобразователей 6, включенных в контур акустического стержневого резонатора, работает непрерывно измеряя свободную частоту акустического стержневого резонатора 3.

Измерение начинается пользователем с плавного приложения силы к корпусу 2 датчика 1 и вдавливанием индентора 4 по нормали в поверхность контролируемого образца. Момент контакта может быть определен блоком управления 8 по резкому увеличению регистрируемой резонансной частоты с генератора 7 или по сигналу, генерируемому линейным датчиком нагрузки 11.

Как только зафиксировано начало измерения, блок управления 8 посредством линейного датчика нагрузки 11 начинает повторяющиеся измерения силы F и сдвига частоты f акустического стержневого резонатора 3 из свободной частоты f0 (см. фиг. 2 и фиг. 3).

Эти уровни F и f записываются и хранятся в памяти 12 вместе с временем t, в которое они были сделаны.

Блок управления 8 на дисплее устройства ввода-вывода 9 в режиме реального времени отображает график измеренной силы F как функции от времени. Это позволяет пользователю наглядно видеть изменение силы F(t) и более точно ее контролировать.

Как только сила F достигнет предельной для данного измерения, блок управления 8 генерирует сигнал пользователю об окончании измерения и прекращении прикладывания нагрузки. Затем блок 8 производит вычисления твердости при различных нагрузках, используя связанные сдвиг частоты f-f0 и твердость Н при различных нагрузках F: H=G(f, F, E), где Е - модуль Юнга. Функции G могут быть получены путем калибровочных измерений с использованием соответствующих мер твердости (фиг. 4).

Вычисленные значения твердости выводятся на дисплей устройства ввода-вывода 9.

Надо понимать, что изобретение основано на понимании того, что при использовании прибора при ручном контроле твердости сила вдавливания индентора в контролируемую поверхность зависит от руки, и контролирование силы, например посредством линейного датчика силы, дает ряд преимуществ. В частности, это позволяет лучше контролировать процесс измерения, дает более точные результаты.

На фиг. 5 представлен внешний вид экспериментального твердомера, реализующий предложенный способ и устройство его реализующее.

Был разработан и изготовлен экспериментальный образец твердомера, реализующий предложенные способ и устройство. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что при разработке промышленного образца твердомера точность метода будет соответствовать требованиям Российского и международных регламентов.

Все используемые в устройстве, реализующем способ измерения твердости, электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010). Изготовлен и испытан экспериментальный образец заявленного устройства, поэтому изобретение промышленно применимо.

1. Способ контроля твердости, характеризующийся тем, что

снабжают конец стержневого акустического резонатора индентором, возбуждают стержневой акустический резонатор на резонансной частоте,

индентор устанавливают на контролируемую поверхность, прикладывают к нему фиксированную нагрузку, и

регистрируют частоту возбуждения, отличающийся тем, что

дополнительно прикладывают к индентору плавно нарастающую нагрузку,

производят измерение и запоминание величины приложенной нагрузки во времени,

синхронно с измерением нагрузки производят измерение и запоминание соответствующих резонансных частот стержневого акустического резонатора,

определяют разности частот стержневого акустического резонатора под нагрузками и без нагрузки, которые используют для вычисления твердости при разных нагрузках,

оценивают крутизну кривой изменения приложенной нагрузки во времени для отслеживания и корректирования скорости нарастания ее в ходе измерения, и

регистрируют значение твердости для требуемой нагрузки.

2. Устройство измерения твердости, включающее

корпус,

акустический стержневой резонатор с опорным диском,

размещенный на конце стержневого акустического резонатора индентор,

нагрузочную пружину,

пьезопреобразователи,

генератор,

блок управления и

устройство ввода-вывода,

при этом вход и первый выход генератора подключены к пьезопреобразователям, а второй его выход - к блоку управления, выход которого связан с устройством ввода-вывода,

отличающееся тем, что в него дополнительно введены:

линейный датчик прилагаемой нагрузки,

блок запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора и

цилиндрический держатель,

при этом акустический стержневой резонатор с помощью опорного диска закреплен в цилиндрическом держателе, который установлен в подшипнике с возможностью перемещения вдоль корпуса, нагрузочная пружина установлена соосно корпусу между торцевой поверхностью цилиндрического держателя и рабочей поверхностью линейного датчика нагрузки, опорная поверхность линейного датчика нагрузки упирается во внутреннюю торцевую поверхность корпуса, а выход линейного датчика нагрузки подсоединен к входу блока управления, который подключен к блоку запоминания измеренных значений силы и соответствующих частот акустического резонатора.