Способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контролю состояния металла при определении его твердости. Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, содержит индентор, механизм нагружения индентора, измерительный узел, в корпусе которого закреплен датчик линейного перемещения индентора, механизм определения геометрических параметров наплыва, концевые выключатели ограничения несанкционированного перемещения индентора, блок питания и двухканальный усилитель сигналов с выхода датчика линейного перемещения индентора и механизма определения геометрических параметров наплыва, аналого-цифровой преобразователь, блок управления электродвигателем и персональный компьютер. При этом механизм нагружения индикатора состоит из электродвигателя постоянного тока с редуктором, измерительный узел дополнительно содержит тензодатчик для регистрации силы нагружения индентора и нижнюю прижимную обойму, механизм определения геометрических параметров наплыва состоит из диаметрально противоположно расположенных на краях нижней прижимной обоймы свето- и фотодиода ИК-излучения, а датчик линейного перемещения индентора состоит из свето- и фотодиода ИК-излучения и закрепленной на корпусе тензодатчика светонепроницаемой шторки. Устройство реализует соответствующий способ. Данное изобретение направлено на повышение точности надежности и объективности контроля качества металла. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к контролю качества металла и могут быть использованы, в частности, для неразрушающего контроля при определении его твердости. Известен способ определения механических свойств металла, в том числе параметров отпечатка, на поверхности металла при его испытании на твердость по Бринелю путем вдавливания с постоянной скоростью сферического индентора в испытуемый металл с последовательной регистрацией силы давления, остаточной глубины отпечатка индентора (Жуковец И. И. "Механические испытания металлов" Изд. Высшая школа, Москва, 1980 г.).

При испытании металла на твердость в процессе вдавливания индентора первоначальная глубина лунки от индентора несколько больше, чем остаточная глубина, когда после снятия нагрузки за счет эффекта упругого восстановления параметры лунки несколько уменьшатся в соответствие с индивидуальными механическими свойствами испытуемого металла.

При вычислении твердости учитывают только величину остаточной глубины отпечатка индентора h₀, равную глубине лунки, полученной на поверхности металла после снятия нагрузки, и совершенно не учитывают параметры образовавшегося по краю лунки наплыва h¹ (см. фиг.1). Вследствие этого снижается точность определения не только твердости, но и такой важной физической характеристики металла, как пластичность. При многократных испытаниях различных металлов на твердость было установлено, что форма и высота наплыва зависят как от размера индентора, силы давления, так и от индивидуальных пластических свойств металлов, а околоконтактная зона наплыва может достигать величины двойного диаметра индентора. У непластичных металлов края наплыва обостренные и с внешней стороны вогнутые (1), а у пластичных металлов края наплыва выпуклые и затянутые (2) (см. фиг.1). Из фиг.2 видно, что наибольшей пластической деформации подвержен участок металла в зоне действия индентора при действии нагрузки Р и радиальной нагрузки Рr, под действием которой образуется наплыв.

Известен, взятый в качестве прототипа, способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла, при его испытании на твердость путем вдавливания индентора (авт. свидетельство СССР N1458769, опублик. 15.02.89 г.), в котором параметры отпечатка определяют путем измерения остаточной глубины отпечатка, используя механические средства и стрелочный индикатор с учетом высоты наплыва, которую измеряют с помощью установки на вершину наплыва отпечатка калиброванной по толщине плитки и вторичного нагружения индентором на калибровочную плитку. Высота наплыва вычисляется по показаниям стрелочного индикатора после снятия нагрузки в два приема. Сначала арифметически вычисляют сумму показаний двух величин: глубины отпечатка от вершины наплыва и высоты калиброванной плитки, затем из этой величины вычитают известное значение толщины калибровочной плитки, получая таким образом глубину отпечатка от вершины наплыва. Недостатками такого способа является следующее.

1. Снижение точности определения параметров отпечатка вследствие расчета только высоты наплыва, образовавшегося на поверхности металла при его испытании на твердость, без определения его формы.

2. Снижение точности и надежности определения параметров отпечатка вследствие необходимости иметь в большом количестве набор калибровочных пластин для разных образцов металлов при определении параметров отпечатка.

3. Снижение точности и объективности при определении параметров отпечатка, полученного при испытании металла на твердость и, следовательно, контроля качества металла, вследствие отсутствия простейших элементов автоматизации процесса регистрации и обработки информации.

В том же авторском свидетельстве описано устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, наиболее близкое к предлагаемому. Это устройство включает прибор для измерения твердости, содержащий корпус, размещенные в нем механизм нагружения, взаимодействующий с последним шпиндель с индентором, индикатор для измерения глубины внедрения индентора и предметный стол с механизмом его перемещения, а также механизм измерения высоты наплыва, связанный с корпусом, который измеряет эту высоту с помощью установки на вершину наплыва калиброванной по толщине плитки.

Недостатками данного устройства является следующее.

1. Снижение точности при определении параметров отпечатка, полученного при его испытании на твердость и, следовательно, контроля качества металла вследствие наличия люфтов и неточностей в механических соединениях, кронштейнах устройства.

2. Снижение точности и объективности определения параметров отпечатка, вследствие наличия стрелочного индикатора, обладающего неточностью в оценке полученного результата.

3. Снижение точности при определении параметров отпечатка, вследствие отсутствия в механизме нагружения электрического привода для создания плавного режима перемещения и нагрузки индентором на испытуемый металл.

4. Снижение точности и объективности при определении параметров отпечатка, вследствие отсутствия простейших элементов автоматизации процесса регистрации и обработки информации.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения точности, надежности и объективности контроля качества металла.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, проводят измерение остаточной глубины отпечатка индентора с учетом высоты наплыва, образовавшегося на поверхности металла при его испытании на твердость методом вдавливания индентора.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что высоту линейного перемещения индентора и остаточную глубину отпечатка индентора измеряют при перекрытии светонепроницаемой шторкой, закрепленной на корпусе тензометрического датчика, инфракрасного излучения (ИК) диода ИК в качестве излучателя и регистрации этого излучения фотодиодом в качестве приемника, закрепленных в корпусе измерительного узла, а высоту и форму наплыва измеряют путем сканирования отпечатка индентора инфракрасным излучением диода ИК, закрепленного на нижней прижимной обойме измерительного узла в качестве излучателя и регистрации остаточного излучения в результате потери части его от образовавшегося наплыва, перекрывающего ИК, фотодиодом, закрепленным на той же прижимной обойме измерительного узла, в качестве приемника.

Отличительной особенностью также является то, что определяют форму наплыва, образовавшегося на поверхности металла. Кроме того, отличительной особенностью является то, что высоту и форму наплыва измеряют сразу же после снятия нагрузки.

В результате практического применения предлагаемого способа повышается точность, надежность и объективность контроля качества металла вследствие того, что автоматически определяют параметры отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость методом вдавливания сразу же после снятия нагрузки, а результаты измерений всех параметров используют как при расчете твердости, так и в расчетах пластических свойств металла.

Для получения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему, известное по работе (авт. свидетельство СССР N 1458769, опубликованное 15.02.1989 г.), включает индентор, механизм нагружения индентора, датчик линейного перемещения индентора и механизм определения параметров наплыва.

Отличительные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что оно содержит устройство нагружения, состоящее из электродвигателя постоянного тока с редуктором, измерительный узел, в котором расположен тензометрический датчик, регистрирующий силу нагружения индентором, датчик линейного перемещения индентора, состоящий из излучателя инфракрасного излучения (ИК), светонепроницаемой шторки и фотоприемника; концевые выключатели ограничения несанкционированного перемещения индентора, нижнюю прижимную обойму измерительного узла, на которой установлен датчик определения геометрических параметров наплыва, состоящий из излучателя ИК и фотоприемного диода, расположенных диаметрально противоположно на краях нижней прижимной обоймы; блок запитки датчиков, двухканальный усилитель сигналов фотодиодов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления электродвигателем и персональный компьютер (ПК).

В результате практического применения предлагаемого устройства повышается безопасность, надежность, экономичность, точность и объективность контроля качества металла вследствие того, что при определении параметров отпечатка, полученного при его испытании на твердость, нагружающее устройство содержит электродвигатель постоянного тока с редуктором, что создает режим плавного перемещения и нагрузки индентора на испытуемый металл, кроме того, работа диодов инфракрасного излучения, фотоприемников и тензодатчика осуществляется от низковольтного источника постоянного тока, что в значительной мере увеличивает помехозащищенность электрической схемы регистрации всех параметров процесса вдавливания, в том числе и параметров образовавшегося наплыва, а малые геометрические размеры этих элементов позволяют устанавливать их в измерительном узле, практически в любом месте. Кроме этого устройство работает автоматически под управлением ПК.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - "Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость" предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - "Способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость", при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - виды возможных форм наплыва; на фиг.2 - вид деформированной кристаллической сетки и распределение эффективной пластической деформации в зоне контакта; на фиг.3 - структурная схема устройства для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость.

Предлагаемый способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, осуществляется в следующей последовательности: сначала измерительный узел прибора для определения твердости металла, внутри которого расположены и жестко закреплены друг напротив друга на расстоянии порядка 6 мм излучающий диод ИК и диод фотоприемника датчика линейного перемещения индентора, между которыми расположена светонепроницаемая шторка, закрепленная на тензодатчике, а на краях нижней контактной обоймы которого установлен датчик измерения геометрических размеров наплыва, состоящий из излучателя ИК и фотоприемного диода, расположенных диаметрально противоположно на расстоянии порядка 10 мм, подводят к испытуемому металлу до соприкосновения нижней контактной обоймы измерительного узла с поверхностью металла. Инфракрасное излучение датчика определения геометрических парамеров наплыва от излучателя попадает на фотоприемный диод, на который попадает и часть излучения, отраженного от поверхности металла. Фотоприемник под действием прямого и отраженного ИК от поверхности испытуемого металла излучения открывается и на его выходном нагрузочном сопротивлении устанавливается сигнал низкого уровня, соответствующий шероховатостям, имеющимся на поверхности в данном месте. Регулировкой усилителя фотоприемника осуществляют компенсацию этого сигнала до нуля. Далее осуществляют вдавливание индентора в металл с определенной скоростью и нагрузкой с последующим отводом индентора вверх примерно на 3 мм. При этом корпус измерительного узла не перемещается, а упирается своей нижней контактной обоймой в испытуемый металл. В движении участвуют только индентор и тензодатчик с закрепленной на нем светонепроницаемой шторкой, расположенной между излучателем ИК и фотоприемником датчика линейного перемещения, закрепленных в неподвижном корпусе измерительного узла. При вдавливании шторка начинает перекрывать ИК пучок излучателя тем больше, чем больше углубляется индентор в металл. Плавное уменьшение ИК излучения, попадающего на фотоприемник, приводит к его запиранию, что в свою очередь увеличивает сигнал на его нагрузочном сопротивлении. Таким образом, фотоприемник регистрирует изменение инфракрасного излучения, пропорциональное линейному перемещению индентора. При этом остаточную глубину отпечатка индентора определяют только после снятия нагрузки и перемещения индентора на соответствующую величину вследствие упругого восстановления металла.

При отводе индентора вверх после вдавливания нижняя контактная обойма с датчиками определения геометрических параметров наплыва остается на прежнем месте. В околоконтактной зоне от действия индентора остается лунка, на краях которой появляется наплыв с формой, соответствующей механическим свойствам испытуемого металла, который своими краями перекрывает часть ИК излучения, попадающего на фотоприемник, что приводит к незначительному запиранию его и увеличению сигнала на его нагрузочном сопротивлении. Таким образом определяют высоту наплыва, используя закономерность, а именно: чем больше высота наплыва, тем меньше ИК излучения попадает на фотоприемный диод, тем выше его выходной сигнал. Так, например, наплыву в 10 мкм от действия 5 мм индентора в 150 кг соответствует сигнал фотоприемного диода в 1.5 мВ, а при нагрузке в 300 кг наплыву высотой в 20 мкм - 4 мВ.

Для определения формы наплыва отводят нижнюю прижимную обойму в сторону на 3.5 мм, при этом излучатель и фотоприемник сканируют наплыв, а электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника, отображающий форму наплыва, поступает в память персонального компьютера (ПК).

Предлагаемый способ прошел лабораторные испытания, показав высокую точность определения параметров наплыва с разрешением 0.1 мкм.

Для осуществления способа разработано устройство (твердомер), которое работает под управлением ПК, по специально разработанной программе WORK. EXE, состоящей из трех подпрограмм: Кalibr.ехе - для установления калибровочной шкалы зависимости выходного сигнала приемного фотодиода от высоты наплыва и величины линейного перемещения индентора; Registr.exe - для непосредственной процедуры процесса вдавливания индентора в испытуемый металл, Analitik. exe - для последовательного анализа механических свойств металлов по ранее записанным файлам данных, записанных программой регистрации Registr. exe.

На фиг.3 представлена структурная схема устройства определения твердости и пластических свойств металлов.

Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла, и его механических свойств состоит из измерительного узла (1), датчика линейного перемещения индентора - излучателя ИК(2), светонепроницаемой шторки (3), индентора (4), датчика определения геометрических размеров наплыва, состоящего изизлучателя ИК (5) и фотоприемника (6), нижней прижимной обоймы (7), фотоприемника (8), тензометрического датчика (9), блока запитки датчиков и двухканального усилителя сигналов фотодиодов (10), аналого-цифрового преобразователя (11), персонального компьютера (ПК) (12); нагружающего узла, состоящего из электродвигателя ДПМ (15), редуктора (16), штока (17), концевых выключателей ограничения перемещения индентора (18); планки (19), ограничивающей перемещение измерительного узла и блока управления (20) электродвигателем, (13 - отпечаток, 14 - поверхность металла).

Работа устройства состоит из двух основных частей - это калибровка датчиков ИК излучения для определения высоты наплыва и линейного перемещения индентора, затем процедура непосредственной регистрации всех параметров при вдавливании индентора в испытуемый металл и вычисление механических свойств по полученным экспериментальным данным.

Калибровка датчиков ИК излучения (5, 6) для определения высоты и формы наплыва проводится на любой чистой мере твердости следующим образом: на ПК (12) из директории WORK.EXE запускается на выполнение программа Kalibr.exe. Электроприводом (15, 16) подводят измерительный узел (1) до контакта его нижней прижимной обоймы (7), содержащей датчики ИК излучения и фотодиод (5, 6) для определения геометрических размеров наплыва, с поверхностью меры твердости. Регулятором усилителя фотоприемника (10) проводят компенсацию его выходного сигнала до нулевого значения. Затем последовательно располагают между излучателем и приемником несколько калибровочных 5 мм отрезков проволок толщиной от 2 мкм до 50 мкм. Для каждой калибровочной толщины установленного отрезка проволоки программа проводит 10 измерений АЦП (11) этого канала, усредняет эти значения и помещает в специальную таблицу, по данным которой строится калибровочная характеристика зависимости сигнала выходного напряжения фотоприемника от толщины проволоки. На этом калибровка датчика определения параметров наплыва заканчивается.

Калибровка датчика ИК излучения (2, 8) для определения высоты перемещения индентора (4) проводится на динамометрической скобе по этой же программе следующим образом. Электроприводом (15, 16) подводят измерительный узел (1) к динамометричекой скобе до упора с нижней контактной обоймой (7). В этом положении весь поток ИК излучения диода (2) датчика попадает на фотоприемник (8). Фотоприемник (8) открывается и на его нагрузочном сопротивлении появляется сигнал минимального значения, близкое нулевому (0.1 мВ - 0.3 мВ). Это напряжение усиливается блоком (10), отцифровывается АЦП (11) и поступает в память ПК (12), где программой Kalibr.exe ему присваивается нулевое перемещение. Затем с клавиатуры ПК (12) через блок управления (20) электродвигателем (15) через шток (17) проводят нагружение индентором (4) на динамометрическую скобу с постоянной скоростью и плавным увеличением нагрузки до 400 кг - 450 кг. При этом корпус измерительного узла (1) не перемещается, как и закрепленные в нем излучатель ИК (2) и фотоприемник (8). С начала движения индентора (4) светонепроницаемая шторка (3), закрепленная на корпусе тензодатчика (9), соединенного с индентором (4) неподвижно стоящего измерительного узла (1) начинает перекрывать ИК пучок излучателя (2) тем больше, чем больше происходит перемещение индентора (4). Плавное уменьшение инфракрасного излучения, попадающего на фотоприемник (8), приводит к его запиранию, что в свою очередь увеличивает сигнал на его нагрузочном сопротивлении. При полном запирании фотодиода (8) величина его выходного сигнала может достигать величины в 4.5 В. АЦП (11) регистрирует силу давления индентора на скобу по возрастающему сигналу, снимаемому с тензодатчика (9), величину перемещения индентора вниз по плавно увеличивающемуся сигналу с фотоприемника (8), скорость и время перемещения с блока управления (20), отцифровывает изменения сигналов и передает в память ПК (12). По достижении максимально установленной программой нагрузки движение индентора прекращается и через 3 с программой через блок управления (20) индентор отводится вверх в начальное положение с регистрацией всех параметров. Т.е. осуществляется двойная регистрация параметров перемещения индентора сверху вниз и обратно. Данные регистрации скорости, времени перемещения индентора и данные изменения выходного сигнала фотоприемника включаются программой в расчет величины линейного перемещения индентора. В результате этого расчета формируется калибровочная характеристика узла, при которой определенному перемещению индентора соответствует вполне определенное значение выходного сигнала фотоприемника. На этом калибровка обоих датчиков измерительного узла заканчивается.

Следует отметить, что измерительный канал датчика линейного перемещения индентора не содержит каких-либо регулировок, а сама калибровка датчиков проводится единожды по той причине, что диоды ИК излучения имеют высокие технические характеристики, такие как узконаправленность и постоянную плотность излучения при малой мощности излучения, однако при необходимости калибровку любого из этих датчиков можно повторить.

Основной режим определения механических свойств металла проводится по программе Registr.exe. - регистрации процесса вдавливания индентора в испытуемый металл при записи диаграммы вдавливания и создания файла данных всех датчиков в ПК.

Устройство работает следующим образом. Измерительный узел (1) с помощью электропривода (15, 16) через шток (17) подводится к испытуемому металлу до соприкосновения нижней контактной обоймы (7) узла (1) с поверхностью металла. Инфракрасное излучение датчика определения наплыва и его формы, от светодиодного излучателя (5), имея острую направленность, попадает на фотоприемный диод (6), на который попадает и часть излучения, отраженного от поверхности металла. Фотоприемник (6) под действием прямого и отраженного ИК от поверхности испытуемого металла излучения открывается и на его выходе устанавливается сигнал низкого уровня, соответствующий шероховатостям, имеющимся на поверхности в данном месте. Регулировкой усилителя фотоприемника (6) в блоке (10) осуществляется компенсация этого сигнала до нуля. Далее по программе испытаний осуществляется вдавливание индентора в металл с определенной скоростью и нагрузкой с последующим отводом индентора вверх. При этом нижняя контактная обойма (7) с датчиками (5, 6) остается на прежнем месте. В околоконтактной зоне после действия индентора возникает наплыв, который своими краями перекрывает часть ИК излучения, попадающего на фотоприемник (6), что приводит к незначительному закрыванию его и увеличению сигнала на его выходе. Таким образом, используется закономерность: чем больше высота наплыва, тем меньше ИК излучения попадает на фотоприемный диод (6), тем выше его выходной сигнал. Для определения формы наплыва необходимо запустить на выполнение вторую часть программы Registr. exe и отвести нижнюю прижимную обойму (7) в сторону на 3.5 мм, при этом излучатель (5) и фотоприемник (6) сканируют образовавшийся наплыв, а электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника (6), пропорциональный форме наплыва, отцифровывается АЦП (11) и поступает в память ПК (12). В этом случае при отводе нижней обоймы фотоприемный датчик (6) снимает полную картину рельефа образовавшегося наплыва.

Затем полученные файлы данных испытанных образцов используют в подпрограммах Analitik. exe. Пакет программ Analitik.exe используется для последовательного анализа механических свойств испытанных образцов. Результаты работы программ представляются в графическом, текстовом и аналитическом видах.

Используя в качестве излучателя и приемника диоды фирмы Charp или отечественные АЛ107Б и ФП206, возможно получить точность геометрических размеров наплыва и величины линейного перемещения индентора по предлагаемому изобретению с погрешность ± 0.1 мкм. Для получения такого высокого результата время преобразования АЦП должно быть не более 30 мкс с разрешающей способностью не менее 14 разрядов.

В настоящее время проведены успешные лабораторные испытания устройства на аустенитных образцах, а само устройство готовится для испытаний в промышленных условиях на Ново-Воронежской АЭС.

Предлагаемые изобретения позволяют не только повысить точность определения твердости и пластичности испытуемого металла, но и достаточно точно осуществлять экспресс диагностику и классификацию по механическим свойствам неизвестных образцов.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость путем вдавливания индентора, заключающийся в измерении высоты линейного перемещения индентора и остаточной глубины отпечатка индентора с учетом высоты образовавшегося на поверхности металла наплыва, отличающийся тем, что высоту линейного перемещения индентора и остаточную глубину отпечатка индентора измеряют при перекрытии закрепленной на корпусе тензодатчика измерительного узла светонепроницаемой шторкой инфракрасного (ИК) излучения, испускаемого и регистрируемого соответственно свето- и фотодиодом ИК-излучения, закрепленных в корпусе измерительного узла, а высоту наплыва металла измеряют путем сканирования отпечатка индентора ИК-излучением, испускаемым и регистрируемым соответственно свето- и фотодиодом ИК-излучения, расположенных диаметрально противоположно на краях нижней прижимной обоймы измерительного узла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют форму образовавшегося на поверхности металла наплыва.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что высоту и форму образовавшегося на поверхности металла наплыва определяют сразу же после снятия нагрузки.

4. Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, содержащее индентор, механизм нагружения индентора, измерительный узел, в корпусе которого закреплен датчик линейного перемещения индентора, механизм определения геометрических параметров наплыва, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит концевые выключатели ограничения несанкционированного перемещения индентора, блок питания и двухканальный усилитель сигналов с выхода датчика линейного перемещения индентора и механизма определения геометрических параметров наплыва, аналого-цифровой преобразователь, блок управления электродвигателем и персональный компьютер, при этом механизм нагружения индикатора состоит из электродвигателя постоянного тока с редуктором, измерительный узел дополнительно содержит тензодатчик для регистрации силы нагружения индентора и нижнюю прижимную обойму, механизм определения геометрических параметров наплыва состоит из диаметрально противоположно расположенных на краях нижней прижимной обоймы свето- и фотодиода ИК-излучения, а датчик линейного перемещения индентора состоит из свето- и фотодиода ИК-излучения, и закрепленной на корпусе тензодатчика светонепроницаемой шторки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3