Современные методы измерения твердости материалов с использованием портативных твердомеров



Проведен краткий обзор основных методов измерения твердости, применяемых в настоящее время в промышленности. Рассмотрены следующие методы измерения твердости: статические, динамические и косвенные, которые лежат в основе работы твердомеров. Рассмотрены принципы действия переносных твердомеров, показаны их возможности, отличия, преимущества и недостатки в зависимости от контролируемых изделий. Подробно приведены характеристики одного из типов современных переносных ультразвуковых твердомеров ТКМ-459С, использующего ультразвуковой и динамический методы и области его применения.

При разработке и использовании конструкционных материалов необходимо проводить оценку их физико-механических характеристик. Одной из характеристик, позволяющих определить эксплуатационное качество изделий и материалов, является твёрдость.

Под твёрдостью понимается свойство материала, позволяющее сопротивляться внедрению в него более твердого и упругодеформированного тела, называемого индентором, и изготовленного из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям [1, с. 1].

В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы твёрдомеры двух основных типов — стационарные (классические) и переносные (портативные, электронные) твердомеры.

Портативные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, либо же из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.

Портативные твердомеры по принципу работы классифицируются на следующие виды: твёрдомеры, работающие по Leeb методу — динамический метод и UCI методу (Ultrasonic Contact Impedance) — ультразвуковой контактный импеданс.

Выбор подходящего метода измерений и реализующего его измерительного преобразователя портативного твердомера зависит от поставленной задачи [2, с. 10]. При принятии решения об использовании того или иного метода необходимо учитывать:

— механические свойства и структуру материала испытуемого образца;

— геометрические размеры испытуемого образца и области измерений;

— массу испытуемого образца;

— свойства поверхности в области измерений, включая параметры шероховатости, наличие упрочненного слоя, толщину покрытий и т. д.;

— условия проведения измерений, а также время и стоимость одного измерения.

Динамические твердомеры работают по методу отскока. В основу принципа действия твердомера заложен динамический способ контроля твердости. Метод заключается в определении скорости отскока твердосплавного индентора от поверхности контролируемого изделия. Датчик прибора устанавливается на изделие, твердость которого нужно измерить. Основными частями датчика являются индентор и электромагнитная катушка. При отскоке индентора от испытуемого изделия в катушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости отскока от поверхности изделия.

Поскольку скорость отскока индентора является показателем твердости, то существует функциональная зависимость между скоростью отскока V и твердостью материала H :

Существенным недостатком динамических твердомеров является то, что не рекомендуется измерять с их помощью твердость изделий массой менее 5 кг или с толщиной стенки в месте измерения менее 10 мм. В таких случаях твердость таких деталей рекомендуется измерять только, если притереть их к массивной плите через слой смазки таким образом, чтобы изделие и плита образовали единую монолитную массу.

Работа ультразвуковых твердомеров основана на внедрении датчика в поверхность материала с последующим измерением частоты колебаний индентора. На основе степени изменения частоты колебаний и проводится расчет твердости.

Ультразвуковые твердомеры работают по методу ультразвукового контактного импеданса. На конце металлического стержня, входящего в состав датчика твердомера, закреплен алмазный наконечник. Стержень колеблется на собственной резонансной частоте. При создании нагрузки рукой пользователя алмазный наконечник внедряется в материал и изменяет резонансную частоту стержня. Изменение собственной резонансной частоты стержня пропорционально глубине внедрения наконечника в материал, которая является показателем твердости, поэтому существует зависимость между изменением резонансной частоты F стержня и твердостью материала H :

Электронный блок твердомера осуществляет прием сигнала с датчика прибора, преобразование его в единицы твердости, вывод результатов измерений на дисплей, статистическую обработку и другие функции данного твердомера.

Комбинированные твердомеры с пособны проводить измерения описанными выше способами одновременно. Комбинированный твердомер — это прибор, который может измерять твердость обоими методами — динамическим и ультразвуковым просто заменой датчика, который используется. Это самый функциональный вариант, если рассматривать переносные приборы. Твердомер практически не имеет ограничений по применению. Является лучшим методом реализации экспресс-контроля, так как позволяет получать более точные данные.

Твердомеров, реализующих в настоящее время в промышленности, либо динамический, либо ультразвуковой метод контроля твердости, либо оба метода одновременно от разных производителей существует достаточно много. В качестве примера практического применения из числа инновационных средств измерений рассмотрим возможности и технические характеристики одного из представителей подобных приборов — ультразвуковой твердомер ТКМ-459С (комплект «Универсальный» — разработчик ООО «НПП «Машпроект»), используемого в учебном процессе в Государственном университете управления.

Твердомер ТКМ-459С (в отличие от ранее рассмотренного твёрдомера ТКМ-359М) [3, с. 31, 4, с. 47] позволяет совместить 2 метода контроля твердости в одном приборе. В данном твердомере к электронному блоку УЗ твердомера ТКМ-459С можно подключить дополнительные динамические датчики и с учетом этого можно использовать преимущества 2-х методов твердометрии: UCI метод (Ultrasonic Contact Impedance) — ультразвуковой контактный импеданс; Leeb метод — динамический метод.

Внешний вид твердомера ТКМ-459С представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид твердомера ТКМ-459С с набором двух типов датчиков для измерений

Особенности твердомера ТКМ-459С.

1. Ударопрочный, пыле-влагозащищенный корпус.
2. Интуитивный интерфейс организован по принципу «ВКЛЮЧИ И РАБОТАЙ».
3. Цветной дисплей с настраиваемой подсветкой четко отображает результаты измерений на ярком солнце и при слабом освещении.
4. Предусмотрено оповещение о выходе результата измерения за установленные пределы.
5. Уникальная система статистической обработки данных для оперативного анализа результатов измерений.
6. Объем памяти — 10000 результатов измерений.
7. Простая калибровка шкал твердомера по 1-ой или 2-м мерам твердости.
8. Создание дополнительных калибровок к шкалам твердомера по одному или двум контрольным образцам.
9. Самостоятельное программирование пользователем дополнительных шкал.

Объекты контроля:

— Углеродистые, конструкционные стали и другие мелкозернистые материалы

— Поверхностно-упрочненные слои (цементация, азотирование, закалка ТВЧ)

— Жаропрочные, коррозионно-стойкие, нержавеющие стали

— Сплавы цветных металлов, чугунов, алюминия, бронзы, латуни

— Гальванические покрытия (хром, никель и т. д.), наплавки

— Изделия сложной конфигурации (зубья шестерен, валы, трубы любого диаметра, пазы, глухие отверстия)

— Тонкостенные и малогабаритные изделия

— Тяжелые и крупногабаритные объекты с грубой поверхностью (газопроводы, рельсы, детали конструкций)

Твердомер ТКМ-459С реализует измерения в основных, стандартизованных в России шкалах твердости Бринелля (HB), Роквелла (HRC), Виккерса (HV). Также осуществляется контроль по шкалам Роквелла (HRA), Роквелла (HRB), Либа (HL), Шора (HSD). Твердомер предназначен для контроля (справочно) временного сопротивления на разрыв (МПа) путем автоматического перевода из результатов измерений по шкале Бринелля (НВ) в соответствующие единицы, по таблице, определенной ГОСТ 22761–77.

Твердомер ТКМ-459С прошел метрологическую аттестацию, внесен в Государственные реестры средств измерений Российской Федерации и Республики Беларусь

Основные технические характеристики твердомера приведены в таблице 1 [5, с. 5].

Таблица 1

Общие технические параметры твердомеров ТКМ-459С

Основные технические параметры	Ультразвуковой метод	Динамический метод
Диапазон измерений твердости:
по Роквеллу С	20–70 HRC
по Бринеллю	90–450 HB
по Виккерсу	240–940 HV
Средняя относительная приведенная погрешность при штатной поверке по мерам второго разряда	3–5 % в зависимости от диапазона
Диаметр площадки на поверхности изделия для установки датчика	- от 1 мм на плоскости, — от 5 мм в глухом отверстии (пазу)	от 7 мм на плоскости
Число замеров для вычисления среднего значения:	1–99
Количество алгоритмов отброса заведомо ложных результатов измерений при вычислении среднего значения	3
Емкость памяти результатов измерений:	10 000
Максимальное количество именных блоков результатов измерений, создаваемых в памяти	100
Количество дополнительных шкал, программируемых пользователем	3
Количество возможных дополнительных калибровок к шкалам твердомера	по 5 для каждой шкалы
Питание	Li-ion аккумулятор
Размеры электронного блока твердомера	121х69х41 мм
Масса электронного блока твердомера, не более	300 г
Диапазон рабочих температур	-15…+35 °С
Гарантийный срок обслуживания	32 месяца с даты продажи, но не более 36 месяцев с даты выпуска
Межповерочный интервал	1 год

Таблица 2

Требования к контролируемому изделию

Ультразвуковой метод	Динамический метод
Масса более 1 кг, толщина более 2 мм — дополнительная подготовка не требуется	Масса более 5 кг, толщина более 6 мм — дополнительная подготовка не требуется.
Масса менее 1 кг — изделие необходимо зафиксировать на опорной плите.	Изделия жесткой конструкции (трубы, валы) с ожидаемой твердостью от 90 до 250 НВ и толщиной более 4 мм — дополнительная подготовка не требуется.
Толщина менее 2 мм — изделие «притереть» на опорной плите с помощью фиксирующей пасты (напр. «ЦИАТИМ»).	Масса менее 5 кг — изделие «притереть» на опорной плите с помощью фиксирующей пасты (напр. «ЦИАТИМ»).
При шероховатости контролируемой поверхности 1,6 Ra измерения будут наиболее точными.	В зависимости от величины шероховатости поверхности, подбирается тип датчика, обеспечивающий наибольшую точность измерений.

Характеристика датчиков

Внешний вид датчиков, используемых при ультразвуковом методе контроля, показан на рис. 2.

Рис. 2. Типы ультразвуковых датчиков твердомера ТКМ-459С

Таблица 3

Характеристика датчиков ультразвукового метода

ип датчика	Нагрузка	Масса/толщина/ шероховатость изделия	Применение
«А»	50 Н (5 кг)	1 кг/3 мм/ Ra 1,6	Основная масса задач контроля
«Н»	10 Н (1 кг)	1 кг/2 мм/ Ra 0,8	Контроль твердости гальванических покрытий (хром, никель и т. д.)
«С»	100 Н (10 кг)	1 кг/4 мм/ Ra 3,2	Контроль изделий с плохо подготовленной поверхностью
«К»	50 Н (5 кг)	1 кг/3 мм/ Ra 1,6	Контроль внутри труб и в труднодоступных местах
« AL »	50 Н (5 кг)	1 кг/4 мм/ Ra 1,6	Контроль твердости в труднодоступных местах (длина наконечника 65 мм)

Внешний вид датчиков, применяемых при динамическом методе контроля, показан на рис. 3.

Рис. 3. Типы динамических датчиков твердомера ТКМ-459С

Таблица 4

Характеристика датчиков динамического метода

Тип датчика	Масса/толщина/ шероховатость изделия	Применение
« D »	3 кг/6 мм/ Ra 3,2	Основная масса задач контроля
« G »	6 кг/55 мм/ Ra 7,2	Контроль твердости глубинных слоев изделия; материалов с высокой структурной неоднородностью (чугуны, бронза и т. д.) Ожидаемая твердость изделия — не более 450 НВ
« E »	3 кг/6 мм/ Ra 3,2	Датчик с индентором из поликристалла кубического нитрида бора для массового контроля материалов повышенной твердости

Наличие в комплекте поставки различных типов датчиков позволяет достичь твердомеру ТКМ-459С следующих основных преимуществ в эксплуатации:

— широкая номенклатура контролируемых металлов с различными физико-механическими свойствами;

— пространственное положение датчика не влияет на результат измерения;

— малая чувствительность к кривизне, толщине, массе и шероховатости поверхности изделия;

— возможность измерения твердости в узких, труднодоступных местах (пазы, глухие отверстия);

— оснащение дополнительными сменными датчиками различной конструкции, позиционирующими насадками, контрольными образцами твердости.

На рис. 4 показана схема контроля твердости зуба шестерни ультразвуковым датчиком твердомера ТКМ-459С.

Рис. 4. Контроль твердости зуба шестерни твердомером ТКМ-459С

На рис. 5 показана схема контроля твердости в труднодоступном месте детали.

Рис. 5. Контроль твердости в пазу детали динамическим датчиком

Возможна организация гибкого архива данных результатов измерений в памяти твердомера, их анализ и передача на компьютер. Архив организуется в виде именных блоков памяти, в которые записываются результаты измерений в процессе работы. Блоки памяти задаются пользователем для результатов измерений на определенной детали. Каждый блок памяти может содержать результаты измерений только по одной шкале (например, по шкале Бринелля).

Для передачи данных в компьютер необходимо установить и запустить программу, поставляемую вместе с твердомером на CD диске. Необходимо включить твердомер, если он был выключен и подключить его через USB-кабель к USB-порту компьютера.

Пример фрагмента представления отчетных данных по результатам измерений, формируемых с помощью программного обеспечения, входящего в комплект поставки прибора, приведен на рис. 6 и 7.

Форма отчета о проведении контроля (фрагмент)

Рис. 6. График рассеяния значений в выборке по 5 измерениям

Рис. 7. Диаграмма, построенная компьютерной программой на основе измеренных значений образцовой меры 97,2НВ по шкале Бринелля (пример)

Выводы

В заключение отметим имеющиеся преимущества портативных твердомеров перед стационарными.

1. Удобство. Компактные габариты и небольшой вес портативного твердомера — важное преимущество оборудования для НК в современном мобильном мире.

2. Простота использования. Портативные твердомеры как правило просты в управлении и обладают интуитивным интерфейсом, чего не скажешь про стационарные устройства.

3. Широкие возможности. Из-за особенностей конструкции стационарного твердомера его использование невозможно при контроле крупногабаритных объектов, труднодоступных зон на изделии (трубы, лопатки турбин). При этом портативные твердомеры работают на самых разных объектах и при самых сложных доступах без снижения точности результатов измерений. Измеряют твердость сразу по нескольким шкалам.

4. Работа в «поле». Использование портативного прибора в полевых условиях, на производстве или в месте эксплуатации объекта является существенным преимуществом, т. к. контроль твёрдости стационарным твердомером в основном осуществляется в лаборатории.

5. Оперативность. Работая с портативным твердомером, Вы получаете результат измерений быстрее в 5 раз, чем при аналогичной процедуре используя стационарный прибор.

6. Самостоятельная калибровка. Твердомер может выдать некорректные показания (выше допустимой погрешности), что может быть вызвано особым составом стали, ошибкой оператора (неверная калибровка) или износом механических частей датчика. В зависимости от ситуации портативный твердомер позволяет быстро создать дополнительную калибровку или сбросить калибровку основной шкалы.

7. Принцип неразрушающего контроля. Портативные приборы при замере твердости не нарушают гальваническое покрытие изделия или поверхностный слой, прошедший химико-термическое или механические воздействие (наклеп, старение). В то время как стационарные твердомеры под действием больших нагрузок «продавливают» данные слои.

8. Небольшая стоимость. Стоимость большинства моделей портативных твердомеров значительно ниже стоимости стационарного оборудования.

Наиболее перспективными в настоящее время, с точки зрения оперативности контроля, являются новые современные методы измерения твёрдости, реализованные в динамических и ультразвуковых твердомерах, использующих метод динамического отскока от поверхности образца и степень изменения частоты колебаний индентора при его внедрении в поверхность материала и обеспечивающие заданные величины погрешности измерений по основным шкалам.

Выбор подходящего метода измерений и реализующего его измерительного преобразователя портативного твердомера зависит от поставленной задачи.

Решение должно приниматься на основе комплексного анализа параметров испытуемого образца, а также преимуществ и ограничений выбранных методов. Для получения достоверных результатов измерений следует учитывать шероховатость образца и размеры отпечатка индентора, а также необходимость обеспечения глубины внедрения превышающей характерные размеры структурных составляющих (зерен) материала. Также необходимо принимать во внимание требования, которые могут присутствовать в нормативной документации на изделие, либо на допустимые методы, используемые при оценке его свойств.

Все рассмотренные методы измерений твердости, естественно, не исключают друг друга, а могут и должны применяться в комплексе для определения объективных характеристик материалов, используемых в различных конструкциях и технологиях.

Литература:

1. Орешко Е. И., Уткин Д. А., Ерасов В. С., Ляхов А. А. Методы измерения твёрдости материалов (обзор). / Труды ВИАМ, № 1 (20), 2020, с. 101–117.
2. Струтынский А. В., Худяков С. А. Сравнение характеристик малогабаритных твёрдомеров. /URL:http://www.armada-ndt.ru/articles/8444/ (дата обращения 05.08.2020).
3. Фаюстов А. А. Использование инновационных средств измерений твердости материалов в учебном процессе // Молодой ученый, 2019, № 10 (248), с. 30–35. URL: https://moluch.ru/archive/248/57068 / (дата обращения: 24.04.2021).
4. Фаюстов А. А. Повышение уровня метрологической подготовки бакалавров использованием новых методов измерения и интерактивных методов обучения // Законодательная и прикладная метрология, 2015, № 4 (137), с. 45–49.
5. Твёрдомеры портативные ультразвуковые ТКМ-459 (модификация ТКМ-459С). Руководство по эксплуатации ТКМ459С РЭ / [Электронный ресурс] URL: https://mashproject.ru/f/rukovodstvo_po_ekspluatacii_universalnogo_ultrazvukovogo_tverdomera_tkm-459c.pdf (дата обращения 22.04.2021).