Акустический и динамический методы определения твердости образца

Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля.

 Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.

Акустический метод. Акустический преобразователь, Рисунок 9, представляет собой стержень из магнитного материала, на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.

 Измерения проводят по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.

 Принцип работы динамических твердомеров, Рисунок 10, основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.

Преобразователь включает в себя механическую систему, обеспечивающую перемещение индентора, и электрическую катушку. Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последней наводится э.д.с., измеряемая электрическим прибором.

Рисунок 10 - Твердомер динамический.

СОВЕРМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ПОРТАТИВНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВые ТВЕРДОМЕРЫ

Рисунок 11 - Портативный ультразвуковой твердомер.

Ультразвуковые твердомеры,Рисунок 11, состоят из электронного блока и ультразвукового датчика с нагрузкой.

ОСНОВНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ:

        измерения твёрдости металлов и сплавов по стандартизованным в России шкалам твёрдости: Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD).

        наличие трех дополнительных шкал H1,H2, H3 для калибровки (по заявке) других шкал твердости (Роквелла "B", Супер-Роквелла, Лейба и др.), а также для шкал твердости металлов, отличающихся по свойствам от сталей (например, цветных металлов, сплавов, чугуна и др.);

        использование шкалы предела прочности на разрыв (Rm) в соответствии с ГОСТ 22791-77 для определения предела прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса путём автоматического пересчёта со шкалы твёрдости Бринелля (HB);

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ:

        любых по массе изделий толщиной от 1 мм - недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т.д.);

        без видимого отпечатка на поверхности изделия (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи);

        металлических покрытий;

        изделий сложной формы, в труднодоступных местах.

МИНИАТЮРНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТВЕРДОМЕРЫ

  Высокоточный, Рисунок 12, достоверный, простой и доступный контроль твердости изделий из металла методом ультразвукового контактного импеданса (UCI method) изделий из металлов, толщиной более 1 мм, без ограничения по массе,

 Принцип действия основан на определении частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой), находящегося под действием постоянного усилия 1 кгс.

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА:

        Простота, компактность и удобство использования. Твердомер без электронного блока, без соединительного кабеля, без клавиш управления! Уникальный твердомер, помещающийся в ладони!

        Высокая точность измерений. Точность достигается специальной калибровкой, которая заключается в передаче значений твердости через эталонные меры твердости, отградуированные на Государственных Эталонах Твердости России.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ:

        Отсутствие ограничений по массе и форме измеряемых изделий.

        Отсутствие видимого отпечатка на поверхности (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи).

        Компактные размеры прибора и универсальная конструкция насадки позволяют проводить измерения даже в труднодоступных местах, внутри узлов и механизмов в любых пространственных положениях, не снимая деталь с конвейера и не прерывая производственного процесса.

        П рочный алюминиевый корпус, современный дизайн и продуманная эргономика.

ЭТАЛОННЫЕ МЕРЫ ТВЕРДОСТИ

Э талонные меры твердости заносятся в Государственный реестр средств измерений России имеют сертификаты об утверждении средств измерений и подлежат обязательной поверке.

ТВЕРДОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

  Сцепное устройство

Корпуса аппаратов изготавливают из литейной стали повышенной прочности марок 30ГСЛ или 32Х06Л. Корпуса поглощающих аппаратов подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Твердость металла после термического упрочнения должна быть в пределах НВ 207-255.

Все более широкое распространение приобретает упрочнение индукционнометаллургическим способом (ИМС) рабочих поверхностей практически всех деталей автосцепного устройства. Способ разработан центром "Сплав" и позволяет увеличить срок службы деталей до ремонта в 5 раз. Наплавленный слой должен соответствовать 3÷5 классу по ГОСТ 2789-3 и не подлежит механической обработке. Твердость слоя 40÷50 НRС.

Рельсы

Т вердость определяют по ГОСТ 9012 шариком 10 мм при нагрузке 29430 Н (3000 кгс), на поперечном темплете по среднему значению трех измерений. Измерение твердости на гребне бандажа производится в одной точке. Допускается определение твердости на боковой поверхности каждого бандажа. Методика контроля должна соответствовать требованиям нормативно-технической документации. 

Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2 - 3 раза повышает их износоустойчивость. 

Накладки изготавливают из полностью раскисленной спокойной мартеновской стали М54 с содержанием углерода 0,45-0,62%, временным сопротивлением на разрыв не менее 860 МПа, пределом текучести — не менее 540 МПа, твердостью по Бринеллю в пределах 235-388 НВ.

  Провода

Данный секатор способен перекусывать провода диаметром до 38 мм, стальные канаты диаметром до 6 мм, прутки из низкоуглеродистой стали диаметром до 6 мм.

Рисунок 14 - Ножницы секаторные НСТ38.

 Подшипники

Т вердость колец подшипника и твердость тел качения обычно немного различаются. Тела качения закаливаются до 60-62 HRC, внутренние и наружные кольца должны обладать твердостью в пределах 58-60 HRC. Использование стали с более высокими показателями твердости может привести к механическим разрушениям подшипника в процессе эксплуатации.

 Колесные пары

О бодья колёс подвергаются упрочняющей термической обработке путём прерывистой закалки и отпуска. Механические свойства стали ободьев после упрочняющей термической обработки должны соответствовать нормам Таблица 3.

Таблица 3 - Механические свойства ободьев вагонных колес.

Марка стали колеса	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Твердость на глубине 30 мм, НВ
		Не менее
1	882…1078	12	21	248
2	911…1107	8	14	255

При смене одного бандажа подборка твердости производится по данным паспорта колесной пары и сертификата. В случае отсутствия данных о твердости остающегося бандажа в паспорте колесной пары твердость вновь насаживаемою бандажа должна соответствовать НВ 285 — 293.

Анализ международного опыта эксплуатации колесных пар показывает, что наиболее часто используемое соотношение твердостей колеса и рельса составляет 1,0 - 1,1. При этом принимая во внимание не только твердость, но и запас пластичности материала, целесообразно ограничить величину НВ значениями 3900 - 4000МПа;

Экспериментальные исследования в лабораторных условиях ПГУПС, ВНИИЖТ и др. показали, что при существующих нагрузках на ось и проскальзывании 10 % равную износостойкость образцов из колесной и рельсовой стали можно получить при соотношении их твердостей близком к единице.