СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к контролю физико-механических свойств материалов путем вдавливания индентора под нагрузкой и может быть использовано для неразрушающего контроля твердости и модуля упругости изделий.

Известен способ контроля физико-механических свойств материалов [1] заключающийся в том, что в электроакустическом преобразователе твердости возбуждают резонансные колебания и измеряют их частоту при внедрении в материал инденторов различной формулы, а о контролируемой твердости материала судят по отношению или разности этих частот.

Недостатком способа является низкая точность измерения за счет слабо выраженной зависимости между твердостью контролируемого материала и резонансной частоты колебаний электроакустического преобразователя в контакте с материалом, а также за счет нелинейного характера этой зависимости. Кроме того, способ предполагает неоднократное повторение контакта с применением различных инденторов, что снижает его оперативность. Наконец, для осуществления способа необходимо заранее знать и вводить в алгоритм преобразования твердости в качестве аргумента значения модуля упругости контролируемого материала.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ контроля твердости материала [2] заключающийся в том, что в материал вдавливают индентор, возбуждают его колебания импульсным воздействием и измеряют декремент затухания колебательного процесса, по величине которого судят о твердости.

Способ контроля твердости материалов осуществляется устройством, содержащим магнитострикционный стержень с жестко закрепленными на нем индентором, датчиком колебательной скорости и инерциальной массой с пружиной, взаимодействующей со стержнем, катушку возбуждения стержня с нагруженным на нее импульсным генератором, выход которого через второй формирователь импульсов соединен также с первым блоком стробирования, а через блок задержки и первый формирователь импульсов соединен со вторым блоком стробирования, которые через свои соответственно первый и второй логарифмические усилители и второй и третий амплитудные детекторы соединены со входами арифметического блока, выход которого подключен с индикатором, причем информационные входы первого и второго блоков стробирования соединены между собой и последовательно через усилитель и первый амплитудный детектор с датчиком колебательной скорости.

Недостатком известного способа является низкая точность контроля твердости вследствие методической погрешности, обусловленной неучтенным влиянием на декремент затухания инерциальной колебательной массы электроакустического преобразователя, особенно в начальной фазе развития переходного процесса колебательной скорости. Это влияние выражается, в частности, в конечном времени нарастания переднего фронта амплитуды колебательной скорости от нулевого значения до своего максимума. Последствия этого влияния присутствуют и в затухающей фазе переходного процесса, проявляясь в виде неучтенного способом прототипа поправочного нелинейного коэффициента зависимости между контролируемой твердостью и измеряемой величиной декремента затухания.

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет измерить истинную амплитуду информационного сигнала колебательной скорости. Это является следствием вышеуказанного недостатка известного способа. Наконец, известный способ и устройство не обеспечивают контроля модуля упругости материала как составляющей его механического импеданса.

Цель изобретения повышение точности контроля твердости и обеспечение возможности измерения модуля упругости материалов.

Цель достигается тем, что в отличии от известного способа контроля твердости материала, заключающегося в том, что в материал вдавливают индентор, жестко соединенный со стержнем магнитострикционного преобразователя, импульсно возбуждают последний и измеряют частоту его затухающих колебаний, по которой судят о твердости материала, в предполагаемом способе дополнительно измеряют колебательную скорость и определяют интегральную площадь, ограниченную затухающим сигналом колебательной скорости, определяют модуль упругости материала по формуле
E_x измеряют резонансную частоту затухающих колебаний и по соотношению этой частоты и модуля упругости находят твердость материала по формуле
R_x=2M, где Е_х модуль упругости материала, кг/с²);
R_x твердость материала, кг/c;
F_o амплитуда тестовой силы воздействия, кг м/с²;
S_x интегральная площадь функции колебательной скорости затухающего процесса, м;
М масса колебательной системы, кг;
ω_р резонансная частота резонансных колебаний, 1/с.

Сущность способа состоит в следующем.

Импульсным воздействием активируют колебательный процесс электроакустического преобразователя твердости, находящегося в контакте с материалом под нагрузкой. При этом внедренный в материал индентор начинает колебаться с затухающей амплитудой на резонансной частоте преобразователя. Характеристики этого колебательного процесса определяются импульсом тестовой силы воздействия и параметрами механического импеданса контролируемого материала. Колебательная скорость индентора в операторной форме описывается уравнением
v_x(p) , (1) где Р оператор Лапласса;
v(p) изображение колебательной скорости;
изображение тестового импульса силы;
R_x твердость материала (активная составляющая его импеданса);
М инерциальная масса колебательной системы;
Е_х модуль упругости материала;
Z_x(p) полный импеданс механического сопротивления преобразователя в контакте с материалом.

После предварительного искусственного преобразования (1) в виде
v(p) (2) оригинал изображения колебательной скорости (1, 2) во временной форме запишется как
v_x(t) e^βt·sinω_pt=A_oe^βt·sinω_pt (3) где β постоянная времени затухания колебательного процесса;
ω_p его резонансная частота;
А_о амплитудный коэффициент уравнения (3).

Причем характеристические постоянные колебательного процесса равны
β
ω_p (4)
A_o
Очевидно, что амплитуда переднего фронта А_о не может быть измерена непосредственно, так как при t ->> 0 на основании (3) имеем v(t ->> 0) ->> 0. Это обусловлено конечным временем на "раскачку" инерциальной массы М преобразователя под действием импульса силы F_o до максимальной амплитуды А_max. Динамика фронта нарастания колебательной скорости описывается ускорением колебательной системы в начальный момент времени и временем нарастания переднего фронта t_m до значения A_max < A_o на основании
a =A_oe^βt(β·sinω_pt-ω_p·(cosωt)= -A_oω_p= (5)
0 _→ t_m _ (6)
При этом значение первого максимума А_max колебательной скорости действительно всегда меньше амплитуды Ао за счет диссипативного характера колебательного процесса, и эта разница растет с уменьшением β т.е. при контроле относительно "мягких" материалов.

На основании (5) и (6) видно, что устройству прототипа присуща методическая погрешность, обусловленная невозможностью непосредственного измерения амплитуды А_о и погрешностью от влияния на алгоритм измерения декремента затухания разницы между истинной амплитудой А_оапроксимирующей затухание экспоненты и измеренной А_max в момент времени t_m.

Кроме того декремент затухания этого процесса не является характеристикой, пропорциональной твердости в принципе, так как процесс носит сложный апериодический характер и апроксимируется на самом деле не экспоненциальной огибающей. Действительно, на основании (1) уравнение этой огибающей можно получить в виде
v_x(p)
v(t) e-e, (7) где P₁P₂= _ β∓ω_p (8) корни (полюсы) характеристического уравнения (1).

Причем, первая экспонента выражения (7) характеризует процесс нарастания амплитуды апроксимирующей колебательную скорость v_x(t) кривой, а вторая постоянную времени ее затухания. Очевидно, что результирующая алгебраическую сумму этих составляющих процесса (7) апроксимирующая кривая не является тождественно экспоненциальной и декремент ее затухания не может быть получен по алгоритму прототипа с достаточной точностью. Погрешность известного устройства при этом зависит от отношения P₁/P₂, т.е. от соотношения твердости и модуля упругости контролируемого материала. В конечном итоге это проявляется в снижении точности контроля твердости способа прототипа.

С целью устранения этих недостатков в предлагаемом способе измеряют интегральную площадь S_x колебательной скорости v(t). Эта операция описывается на основании (3) и (4) математическим уравнением
S_x v_x(t)dt=A_o·e
0-A (9) откуда определяют искомый модуль упругости Е_х по формуле
E_x (10)
Затем измеряют значение резонансной частоты ω_р и по соотношению этой частоты и полученной величины модуля упругости Е_х контролируемого материала на основании (4) определяют твердость материала по формуле
R_x=2M (11)
Отличие устройства, позволяющего осуществить способ, состоит в том, что в известное устройство, содержащее магнитострикционный стержень в жестко закрепленными на нем индентором, датчиком колебательной скорости и инерциальной массой с пружиной, взаимодействующей со стержнем, подключенный к датчику усилитель напряжения, вычислительный блок и подключенный к его выходу первый индикатор, первый формирователь импульсов, генератор импульсов, соединенный с катушкой возбуждения стержня и с входом второго формирователя импульсов, а также блок стробирования с памятью, дополнительно введены подключенные к выходу усилителя компаратор нуля и интегратор, выход которого последовательно через блок стробирования и блок деления соединен со вторым индикатором и со вторым входом вычислительного блока, а выход компаратора нуля последовательно через измеритель частоты соединен с первым входом вычислительного блока, причем вход управления блока стробирования подключен к выходу второго и входу первого формирователей импульсов, а выход последнего соединен с выходом управления ключа, включенного в цепь обратной связи интегратора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 временные диаграммы работы блоков устройства.

Устройство для контроля физико-механических свойств материалов содержит магнитострикционный стержень 1 с жестко закрепленными на нем индентором 2 и инерциальной массой 3 с пружиной 4, взаимодействующей со стержнем 2, катушку возбуждения 5 стержня и датчик 6 колебательной скорости, подключенный через усилитель 7 к интегратору 8 и компаратору нуля 9, выход которого последовательно через измеритель частоты 10 соединен с первым входом вычислительного блока 11, выход которого нагружен на первый индикатор 12. Выход интегратора 8 соединен последовательно через блок стробирования 13 и блок деления 14 со вторым индикатором 15, вход которого подключен также ко второму входу вычислительного блока 11, причем в цепь обратной связи интегратора 8 включен управляемый ключ 16. Выход генератора 8 включен управляемый ключ 16. Выход генератора импульсов 17 нагружен на катушку возбуждения стержня 5 и последовательно через второй формирователь импульсов 18 соединен с выходом управления блока стробирования 13 и входом первого формирователя импульсов 19, выход которого подключен к входу управления ключа 16. Контролируемое изделие 20.

Устройство работает следующим образом.

Индентор 2 под действием статической силы сжатой пружины 4 внедряется в испытуемый материал 20. Глубина его внедрения, а следовательно и площадь контакта поверхности индентора с материалом, определяется его твердостью. За счет действия импульса тока от генератора 17 в катушке 5 на магнитострикционный стержень 1 оказывается импульсное тестовое воздействие силой F_o, активирующее в системе электроакустического преобразователя твердости диссипативный колебательный процесс. Амплитудные и временные параметры этого процесса определяются величиной этой силы, инерциальностью массы подвижной системы преобразователя и параметрами контролируемой твердости R_x и упругости материала Е_х.

Колебательная скорость затухающего автоколебательного процесса преобразователя определена динамическим балансом реактивных и активных составляющих полного импеданса механического сопротивления материала 20 и инерциальностью подвижной массы 3 преобразователя. Колебательная скорость v_x(t) описывается при этом уравнением (3) с учетом (4).

Датчик колебательной скорости 6 (например, пьезоэлектрический преобразователь) вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный колебательной скорости стержня 2. Сигнал усиливают усилителем 7 и подают на вход компаратора нуля 9 и интегратора 8. Диаграмма напряжения с выхода усилителя 7 приведена на фиг. 2а.

В предлагаемом устройстве, реализующем предлагаемый способ, интегральную площадь сигнала колебательной скорости S_x измеряют как вольт-секундную площадь напряжения с датчика колебательной скорости 5 путем непосредственного его интегрирования на основании (9) посредством интегратора 8 (фиг. 2б). В начале каждого цикла измерения формируют импульс записи предыдущих результатов в память блока стробирования 14 (фиг. 2в) и последующий сброс интегратора 8 в нулевое состояние через управляемый ключ 16 (фиг. 2г), чем интегратор 8 подготавливается к измерению в каждом последующем цикле.

Блок деления 14 реализует алгоритм (10) для нахождения модуля упругости Е_х как величины, обратно пропорциональной вольт-секундной площади S_x. Результаты вычислений поступают на индикатор 15, проградуированный в значениях Е_х.

Таким образом, модуль упругости Е_х определяют инвариантно и независимо от твердости R_x контролируемого материала. Результат этого измерения поступает также на вычислительный блок 11 в качестве аргумента для определения твердости R_x на основании уравнения (11). В качестве второго аргумента уравнения измеряют собственную резонансную частоту ω_р колебательной скорости v_x(t).

Измерение осуществляют посредством измерителя частоты 10, соединенного со вторым входом вычислителя 11. Учитывая, что процесс развития колебательной скорости носит затухающий характер, сигнал предварительно компарируют относительно нуля в блоке 9. Это обеспечивает устойчивую к амплитуде измерительного сигнала v_x(t) работу измерителя частоты 10. Вид компарированного входного сигнала v_x(t) приведен на фиг. 2д, напряжение на выходе измерителя частоты 10 на фиг. 2е. Также показан вид напряжения на выходе блока деления 14, обратно пропорциональный вольт-секундной площади S_x выхода интегратора 9 в конце каждого цикла измерения.

Результаты измерения обоих составляющих механического импеданса контролируемого материала поступают на индикаторы 12 и 15 (фиг. 2ж).

Изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает получение ряда дополнительных преимуществ при использовании в контрольно-измерительной технике адеструктурной импедансометрии.

Полученные уравнения преобразования (10) и (11) выведены аналитически без ограничения применимости, что обеспечивает использование способа во всем диапазоне изменения контролируемых физико-механических свойств материалов. Это позволяет расширить номенклатуру контролируемых изделий и область использования предлагаемого в различных отраслях науки и техники, что проявляется как дополнительный положительный эффект.

Вследствие полученной возможности измерения модуля упругости в алгоритмическом единстве с неразрушающим контролем твердости материалов, можно проводить исследования и контроль изделий с заранее неизвестными физико-механическими свойствами и слежение за их параметрами в процессе эксплуатации в сложных термомеханических условиях, когда наблюдаются тенденции "отпускания" материала.

Вследствие интегрального характера уравнения преобразования (9) модуля упругости Е_х повышается помехоустойчивость измерения в промышленных условиях современного высокоэнергетического производства с присущим ему широким спектром помех общего вида.

Наконец, устройство для осуществления способа легко реализуется на современной микроэлектронной элементной базе, что способствует снижению себестоимости одновременно с повышением технологического уровня его производства.

Изобретение относится к контролю качества материала и может быть использовано для определения его твердости, которая контролируется по параметрам колебаний индентора внедряемого в материал. Сущность изобретения: импульсом возбуждают магнитостриктор жестко связанный с индентором и определяют интегральную площадь, ограниченную затухающим сигналом колебательной скорости. Устройство для реализации способа выполнено в виде блока обработки сигналов преобразователя магнитостриктора, схема которого составлена из интегратора, измерителя частоты, компаратора и управляемых ключей. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля твердости материала, заключающийся в том, что в материал вдавливают индентор, жестко соединенный со стержнем магнитострикционного преобразователя, импульсно возбуждают последний и измеряют частоту его затухающих колебаний, по которой судят о твердости материала, отличающийся тем, что дополнительно измеряют колебательную скорость и определяют интегральную площадь, ограниченную затухающим сигналом колебательной скорости, определяют модуль упругости материала по формуле

измеряют резонансную частоту затухающих колебаний и по соотношению этой частоты и модуля упругости находят твердость материала по формуле

где E_x модуль упругости материала, кг/см²;
R_x твердость материала, кг/с;
F_о амплитуда тестовой силы воздействия, кг/м/с;
S_x интегральная площадь функции колебательной скорости затухающего процесса, м;
M масса колебательной системы, кг;
ω_р угловая частота резонансных колебаний, 1/с. 2. Устройство для контроля твердости материала, содержащее магнитострикционный стержень с жестко укрепленными на нем индентором, датчиком колебательной скорости и инерциальной массой с пружиной, взаимодействующей со стержнем, подключенный к датчику усилитель напряжения, последовательно соединенные вычислительный блок и первый индикатор, первый формирователь импульсов, генератор импульсов, подключенный к катушке возбуждения стержня и входу второго формирователя импульсов, а также блок стробирования с памятью, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено интегратором и управляющим ключом в цепи его обратной связи, последовательно соединенными компаратором нуля и измерителем частоты, подключенным к первому входу вычислительного блока, последовательно соединенными блоком деления и вторым индикатором, вход которого подключен к второму выходу вычислительного блока, причем вход интегратора подключен к выходу усилителя и входу измерителя частоты, выход интегратора подключен к измерительному входу блока стробирования, вход управления которого соединен с выходом второго и входом первого формирователей импульсов, а выход последнего подключен к управляющему входу ключа.