СПОСОБ КОНТРОЛЯ ХИМИЧЕСКОГО И ФАЗОВОГО СОСТАВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов, а именно к термоэлектрическим методам контроля химического и фазового состава и может быть использовано в металлургии, металлообработке и машиностроении для контроля качества продукции и стабильности технологических процессов.

Известны способ и устройство контроля химического и фазового состава металлов и сплавов по величине термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), возникающей в месте контакта исследуемого металла с подогреваемым электродом-зондом [1] Устройство содержит электрод-зонд, электрически соединенный с нагревателем, аппаратуру контроля перепада температур исследуемого металла и зонда, прибор для измерения термо-ЭДС в зоне контакта электрода с исследуемым металлом. При контроле в электрический контакт с исследуемым металлом вводят металлический электрод-зонд, нагреваемый внешним источником тепла до 100-200^oC. В месте контакта возникает контактная термо-ЭДС, величина которой зависит от химического и фазового составов контактирующих металлов и температуры в зоне контакта. При использовании одного и того же зонда и поддержании температуры контакта на постоянном уровне величина термо-ЭДС является весьма чувствительной характеристикой состава исследуемого металла. Измерения по этому способу носят, в основном, сравнительный характер, то есть отвечают на вопрос: одинаков или нет состав двух различных изделий, образцов (образца и эталона) или разных зон одного изделия.

Однако данные способ и устройство имеют ряд недостатков. Так, необходимость поддерживать разность температур исследуемого металла и зонда в узких пределах и тщательно контролировать эту величину усложняет контроль и необходимую для этого аппаратуру. Кроме того, температурные поля в зоне контакта, а следовательно, и значения термо-ЭДС сильно зависят от состояния поверхности исследуемого металла (наличие окислов, загрязнения), степени шероховатости, усилия прижима. Все это снижает достоверность контроля. Данные способ и устройство характеризуются также достаточно высокой инерционностью: постоянное значение термо-ЭДС устанавливается не сразу после контактирования, а через некоторое время (порядка 1 мин)
Известны также способ и устройство для контроля неоднородности сплавов [2] В этом способе через зонд и образец пропускают электрический ток, измеряют термо-ЭДС и затрачиваемую на ее создание мощность, а степень неоднородности определяют по отношению термо-ЭДС к этой мощности. Используемое для осуществления данного способа устройство содержит зонд, электрически соединенный с источником тока и аппаратурой контроля температуры нагревания области контакта зонда с образцом, приборы для измерения термо-ЭДС и затрачиваемой на ее создание мощности. В этом устройстве для измерения термо-ЭДС одной ветвью служит зонд, а другой исследуемый образец. В результате удается уменьшить влияние на результаты измерений ошибок, связанных с измерениями температуры нагретой области контакта с помощью термопар.

Однако результаты измерений по данному способу также зависят от состояния поверхности, как и в описанном выше аналоге. Электрическое сопротивление зоны контакта, а следовательно и выделяемая мощность, сильно зависят от окисленности и шероховатости поверхности. Поэтому требуется тщательная подготовка поверхности изделия перед измерениями (удаление окислов, шлифовка, полировка). Кроме того, для нагревания зоны контакта в данном способе необходима система, включающая источник тока и контролирующую аппаратуру, что усложняет реализацию способа.

Наиболее близким техническим решением является способ контроля химического и фазового состава металлов и сплавов [3] Способ заключается в том, что в поверхность контролируемого металла вдавливают с постоянной скоростью твердый электропроводящий зонд-индентер, в процессе вдавливания измеряют максимальную величину возникающей термо-ЭДС ε_к, максимальную глубину погружения h зонда-индентера в поверхность контролируемого металла и определяют параметр а химического и фазового состава металла по формуле: a = ε_к/h. Измеряемая в данном способе контактная термо-ЭДС ε_к между индентором и исследуемым металлом возникает в результате тепловыделения и разогрева зоны контакта за счет пластического деформирования исследуемого металла в процессе вдавливания в него индентера. Для измерения термо-ЭДС ε_к используется микровольтметр одним концом электрически соединенный с индентером, а другим - с контролируемым металлом. Для измерения глубины h используется твердомер.

Этот способ по сравнению с вышеописанными аналогами позволяет упростить контроль состава металлов и сплавов, повысить его достоверность и быстродействие за счет независимости измерений от окисленности и шероховатости поверхности контролируемого металла, так как глубина погружения зонда-индентера (0,1-0,2 мм), как правило, на порядок больше толщины окисленного слоя или высоты микронеровностей. Кроме того, отсутствует сложная операция нагревания зоны контакта и контроля за нагреванием.

К недостаткам способа относится то, что в качестве второго параметра контроля выбрана непосредственно глубина погружения зонда-индентера в металл, измерение которой осуществляют последовательно после измерения термо-ЭДС ε_к, и используют для этих целей стационарное оборудование, в частности устройство для определения твердости металла. Это усложняет контроль, снижает его быстродействие, делает недостаточно удобным, в частности, для крупногабаритных изделий, требующих больших трудозатрат на их перемещение к месту контроля. Кроме того, контроль производится посредством двух разных приборов, никак не связанных между собой, что снижает быстродействие и влечет за собой дополнительные неудобства контроля.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения твердости материала. Устройство содержит корпус с наконечником, выполненным в виде концевой втулки, установленные в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси концевой втулки боек с расположенным на нем индентером, взаимодействующую с бойком пружину и электронный блок, включающий усилитель, индикатор и приборы для измерения длительностей восстановления упругих деформаций бойка и исследуемого материала. В этом устройстве боек выполнен в виде ударного акселерометра, чувствительным элементом которого может служить, например, пьезодатчик, электрически соединенный с входом усилителя. При измерениях наконечник корпуса прижимают к поверхности испытуемого материала и перемещением бойка вверх взводят пружину. После отпускания пружины боек с индентером разгоняется под ее действием и ударяет индентером по исследуемому материалу. При этом на вход усилителя поступает сигнал, пропорциональный ударному ускорению, и посредством электронного блока производятся измерения, результаты которых выводятся на индикатор, и по ним судят о твердости металла.

Достоинством устройства являются удобство использования, портативность конструкции, а также то, что его принцип действия основан на вдавливании индентера в исследуемый металл путем приложения ударной нагрузки и на электрическом измерении параметров, зависящих от процесса пластической деформации в области вдавливания, что делает устройство потенциально пригодным для контроля химического и фазового состава металла, основанного на этих принципах.

Недостатком данного устройства является то, что измеряемые с его помощью величины длительностей восстановления упругих деформаций бойка с индентером и исследуемого металла во время их контакта не позволяют однозначно судить о химическом и фазовом составе металла без осуществления дополнительных измерений других параметров, например величины термо-ЭДС.

Изобретение направлено на повышение удобства, быстродействия, достоверности и упрощения контроля химического и фазового состава металла.

Это достигается тем, что в способе контроля химического и фазового состава металлов и сплавов, согласно которому в поверхность контролируемого металла или сплава вдавливают твердый электропроводящий индентер и измеряют в процессе вдавливания величины двух параметров, один из которых амплитуда сигнала возникающей термо-ЭДС, а о химическом и фазовом составе металла судят по измеренным величинам в сравнении с их эталонными значениями, в качестве второго параметра измеряют сигнал термо-ЭДС, проинтегрированный в течение длительности его импульса.

Кроме того, в устройстве для контроля фазового состава металлов и сплавов, содержащем полый корпус с наконечником, выполненным в виде концевой втулки, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси втулки боек, расположенный в корпусе, и расположенный под бойком электропроводящий индентер, взаимодействующую с бойком пружину, усилитель и индикатор, концевая втулка выполнена из электропроводящего твердого материала и имеет на наружном торце по меньшей мере один заостренный выступ. Индентер размещен в полости концевой втулки. Между индентером и концевой втулкой установлена удерживающая индентер изоляционная втулка. Устройство дополнительно снабжено интегратором, двумя пиковыми детекторами и вторым индикатором. При этом выходы первого и второго пиковых детекторов соединены соответственно с первым и вторым индикаторами, выход интегратора соединен с входом второго пикового детектора, входы первого пикового детектора и интегратора соединены с выходом усилителя, а сигнальные входы усилителя электрически соединены непосредственно с индентером и концевой втулкой.

Измерение в предложенном способе сигнала термо-ЭДС, проинтегрированного в течение длительности его импульса, в качестве второго параметра позволяет ограничиться более полной обработкой одного и того же сигнала и выявлять различия в химическом и фазовом составе металлов при одинаковых значениях их твердостей. Это повышает достоверность и дает возможность исключить дополнительные измерения глубины отпечатка на контролируемом металле от контакта его с индентером, характеризующей его твердость, что, в свою очередь, упрощает контроль химического и фазового состава металла, повышает его быстродействие, удобство.

В предложенном устройстве выполнение концевой втулки из твердого электропроводящего металла с одним или несколькими заостренными выступами на наружном торце и ее соединение с электрической схемой устройства позволяет осуществить электрический контакт с контролируемым металлом, не загрязненным окислами, за счет вдавливания заостренного конца в металл на глубину, превышающую толщину оксидной пленки, и высоту микронеровностей поверхности металла.

Размещение индентера в полости электропроводящей концевой втулки с установкой изоляционной втулки между ними и соединение индентера с усилителем электрической цепи устройства обеспечивает расположение заостренного выступа электропроводящей концевой втулки в момент измерения в непосредственной близости от зоны пластической деформации металла, что позволяет осуществить передачу электрического сигнала термо-ЭДС, возникающей в этой зоне, с наименьшими потерями. Кроме того обеспечивается экранирование зоны контакта индентера с исследуемым металлом от внешних полей за счет выполнения втулки из электропроводящего материала, что повышает качество принимаемого сигнала термо-ЭДС.

Выполнение индентера в виде самостоятельного элемента и установка его отдельно от бойка в полости концевой втулки необходимы для исключения влияния переходных процессов, неизбежно возникающих в электрической цепи после приложения к индентеру ударной нагрузки, на качество принимаемого электрического сигнала термо-ЭДС и, следовательно, на достоверность контроля. В случае размещения индентера на бойке аналогично прототипу в момент удара индентера по исследуемому металлу возникли бы переходные процессы в электронной схеме, которые препятствуют измерению сигнала термо-ЭДС.

Введение в электрическую схему устройства интегратора, к выходу которого последовательно подсоединены второй пиковый детектор и второй индикатор, а вход соединен с выходом усилителя, дает возможность измерять и регистрировать сигнал А термо-ЭДС, проинтегрированный в течение длительности его импульса.

Соединение выхода первого пикового детектора с первым индикатором, а входа с выходом усилителя позволяет измерять и регистрировать амплитуду сигнала термо-ЭДС.

Таким образом, предложенное устройство позволяет осуществить контроль химического и фазового состава металла в соответствии с предложенным способом; оно портативно, удобно в использовании, упрощает контроль, обеспечивает его достоверность, быструю и одновременную регистрацию измеряемых параметров.

На фиг. 1 представлено устройство для контроля химического и фазового состава металла; на фиг. 2 изображены формы измеряемых сигналов термо-ЭДС для двух исследуемых образцов стали.

Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1 с наконечником, выполненный в виде втулки 2, в полости которой продольно размещен электропроводящий индентер 3, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения и удерживаемый в изоляционной втулке 4, закрепленной в концевой втулке 2. На противоположном конце корпуса 1 напротив концевой втулки 2 установлен полый нажимной шток 5. Между нажимным штоком 5 и концевой втулкой 2 в корпусе 1 установлена нажимная пружина 6. В полости нажимного штока 5 на его торцевой поверхности одним концом закреплена пружина 7. На другом конце пружины 7 закреплен боек 8, размещенный в корпусе 1 на некотором расстоянии от индентера 3 так, что индентер 3 расположен под бойком 8. Для обеспечения взаимодействия пружины 7 с бойком 8 устройство снабжено спусковым механизмом 9, смонтированным на корпусе 1, а в стенке нажимного штока 5 выполнено отверстие 10 для ввода фиксатора 11 спускового механизма 9 в пружину 7. Концевая втулка 2 изготовлена из электропроводящего твердого материала и имеет на наружном торце заостренный выступ 12 для контакта с исследуемым металлом 13. Выступ 12 может быть выполнен по форме поперечного сечения концевой втулки 2 или иметь, например, форму клина. В последнем случае концевая втулка 2 может иметь несколько выступов 12, например два или три, для большого удобства установки устройства на контролируемом металле 13. Индентер 3 и концевая втулка 2 электрически соединены с входами предусилителя 14, установленного внутри корпуса 1. Устройство содержит электронный блок 15, в котором размещены усилители 16, интегратор 17, пиковые детекторы 18 и 19 и интеграторы 20 и 21. При этом входы усилителя 16 через предусилитель 14 соединены электрически с индентером 3 и концевой втулкой 2, а выходы с входами первого пикового детектора 18 и интегратора 17, выходы интегратора 17 подсоединены к входам второго пикового детектора 19, а выходы пиковых детекторов 19 и 20 к входам индикаторов 20 и 21 соответственно.

Контроль осуществляется следующим образом. Концевую втулку 2 корпуса 1 устанавливают на исследуемый металл 13, фиксатор 11 спускового механизма 9 вводят через отверстие 10 нажимного штока 5 в пружину 7 и нажимают на шток 5 до упора стенки его отверстия 10 в фиксатор 11. При этом нажимная пружина 6 сжимается, оказывая тем самым давление на концевую втулку 2, и ее заостренные выступы 12 вдавливаются в исследуемый металл 13 на глубину (0,1-0,2 мм), превышающую толщину окисленного или загрязненного слоя и размер микронеровностей, которые, как правило, на порядок меньше. Одновременно индентер 3 входит в электрический контакт с исследуемым металлом 13, сжимаясь, взводится пружина 7. Затем отпускают спусковой механизм 9. При этом фиксатор 11 выводится из отверстия 10 штока 5, пружина 7 освобождается. Боек 8 разгоняется под действием пружины 7 и ударяет по индентеру 3, вдавливая его в исследуемый металл 13 на глубину, превышающую толщину окисленного или загрязненного слоя и высоту микронеровностей на поверхности металла 13 (0,1 -0,2 мм). В результате в зоне вдавливания происходит пластическая деформация металла 13, при которой выделяется тепло, разогревающее зону контакта, и вследствие этого возникает термо-ЭДС между индентером 3 и исследуемым металлом 13. Сигнал термо-ЭДС (фиг. 2) поступает от индентера 3 на вход предусилителя 14, где предварительно усиливается перед поступлением в электронный блок 15. Так как возникающий сигнал термо-ЭДС слабый, он сильно подвержен искажениям, поэтому размещение предусилителя 14 в корпусе 1 позволяет зарегистрировать сигнал, защищенный от воздействия внешних возмущений, что обеспечивает достоверность контроля. После прохождения усилителя 16 сигнал термо-ЭДС поступает одновременно на первый пиковый детектор 18 и через интегратор 17 на второй пиковый детектор 19. При этом первый пиковый детектор 18 фиксирует амплитуду сигнала термо-ЭДС ε_кmax, величина которой регистрируется на первом индикаторе 20, а второй пиковый детектор 19 фиксирует сигнал термо-ЭДС, проинтегрированный в течение длительности его импульса, и измеренная величина А проинтегрированного сигнала регистрируется вторым индикатором 21. Показания индикаторов 20 и 21 сравнивают с соответствующими эталонными значениями и А', предварительно измеренными на образцах с известным химическим и фазовым составом.

Таким образом предложенный способ и устройство контроля химического и фазового состава металла отличаются простотой, удобством, быстродействием.

Кроме того, при помощи предложенных способа и устройства контроля удается различить состояния металлов с одинаковой твердостью, но разным фазовым составом. На фиг. 2 представлены сигналы термо-ЭДС, измеренные для стали 20X в наклепанном состоянии (кривая 1) и стали 20X в нормализованном состоянии (кривая 2). Эти стали имеют близкие значения амплитуды термо-ЭДС: ε_кmax 25 мкВ и ε_кmax 26 мкВ соответственно, и одинаковую твердость НВ 1450 МПа. Поэтому ни измерение твердости, ни проведение контроля по амплитуде термо-ЭДС ε_кmax и глубине h погружения индентера в исследуемый металл, которая также является характеристикой твердости металла, не дают возможности однозначно разделить эти стали. Контроль химического состава по предложенному способу позволяет это сделать за счет измерения величины А проинтегрированного сигнала термо-ЭДС, который на фиг. 2 представляет собой площадь, ограниченную кривой сигнала термо-ЭДС ε_к и показанную штриховкой. Так, для наклепанного состояния стали 20X величина А 25•10^-10 В•с, а для нормализованного А' 18•10^-10 В•с. Столь заметное различие в величинах А и А' объясняется тем, что проинтегрированный сигнал термо-ЭДС зависит не только от твердости, но и от теплопроводности исследуемых металлов. Это обстоятельство позволяет, таким образом, обеспечить более высокую достоверность контроля химического и фазового состава металла.

Использование: в металлургии, металлообработке и машиностроении для контроля качества продукции и стабильности технологических процессов. Сущность изобретения: способ заключается в том, что в поверхность контролируемого металла вдавливают твердый электропроводящий индентер и измеряют амплитуду сигнала возникающей термо-ЭДС. В качестве второго параметра измеряют сигнал термо-ЭДС, проинтегрированный в течение длительности его импульса. Полученные величины сравнивают с их эталонными значениями. Устройство содержит корпус с наконечником, выполненным в виде концевой втулки, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения боек, расположенный в корпусе, и расположенный под бойком электропроводящий индентер, взаимодействующую с бойком пружину и электронный блок. Концевая втулка выполнена из электропроводящего твердого материала и имеет на наружном торце заостренные выступы. Индентор размещен в полости концевой втулки, а между индентором и концевой втулкой расположена удерживающая индентор изоляционная втулка. Индентер и концевая втулка электрически соединены со входами усилителя электронного блока, который для измерения амплитуды сигнала содержит также первый пиковый детектор и первый интегратор, а для интегрирования сигнала в течение длительности его импульса - интегратор, второй пиковый детектор и второй индикатор. При этом входы первого пикового детектора и интегратора соединены с выходами усилителя. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля химического и фазового состава металлов и сплавов, заключающийся в том, что в поверхность контролируемого металла или сплава вдавливают твердый электропроводящий индентер, измеряют в процессе вдавливания величины двух параметров, один из которых амплитуда сигнала возникающей термоЭДС, а о химическом и фазовом составе металлов или сплавов судят по измеренным величинам в сравнении с их эталонныи значениями, отличающийся тем, что в качестве второго параметра измеряют сигнал термоЭДС, проинтегрированный в течение длительности его импульса. 2. Устройство для контроля химического и фазового состава металлов и сплавов, содержащее полый корпус с наконечником, выполненным в виде концевой втулки, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси втулки боек, расположенный в корпусе, и расположенный под бойком электропроводящий индентер, взаимодействующую с бойком пружину, усилитель и индикатор, отличающееся тем, что концевая втулка выполнена из электропроводящего твердого материала и имеет на наружном торце по меньшей мере один заостренный выступ, индентер размещен в полости концевой втулки, между концевой втулкой и индентером расположена удерживающая индентер изоляционная втулка, устройство дополнительно снабжено интегратором, двумя пиковыми детекторами и вторым индикатором, причем выходы первого и второго пиковых детекторов соединены соответственно с первым и вторым индикаторами, выход интегратора с входом второго пикового детектора, входы первого пикового детектора и интегратора с выходом усилителя, а сигнальные входы последнего электрически соединены с индентером и концевой втулкой.