Способ измерения твердости металла и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений ИгнатьевичМарков Алексей ПетровичКоннов Алексей ВладимировичГорбунов Дмитрий АлександровичСтаровойтов Анатолий ГригорьевичЕфименко Евгений Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56) Прибор для измерения твердости металлов по методу Бринелля. Заводское обозначение ТШ-2 М Инструкция по эксплуатации.- Иваново, 1971.а 20050425, 2006.2210755 2, 2003.2302622 2, 2007.410291, 1974.463037, 1975.6837 1, 2006.4277174 , 1981.58022938 , 1983.(57) 1. Способ измерения твердости металла, включающий пластическую деформацию поверхности образца путем вдавливания индентора в виде шарика и определение твердости образца по параметру полученного отпечатка, отличающийся тем, что непрерывно измеряют глубину отпечатка во время вдавливания шарика по его эффективному перемещению относительно поверхности образца с фиксацией текущей координаты с момента 12408 1 2009.10.30 соприкосновения до фиксированного интервала времени и при фиксированной нагрузке. 2. Устройство для измерения твердости металла, содержащее механизм привода, механизмы подъема стола и рычажного устройства, узел кинематического нагружения образца, содержащий конструктивно связанные подставку со сменным столиком,шариковую оправку с шариком, ограничитель, подпружиненный шпиндель с втулкой,винт втулки и маховик, отличающееся тем, что содержит интерферометрический преобразователь перемещения шарика твердомера с волоконно-оптическим преобразователем показаний с блоком оптико-электронной обработки, жестко связанный с узлом кинематического нагружения образца, причем на сменном столике размещен узел крепления образца. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что интерферометрический преобразователь содержит источник когерентного излучения, оптическую систему с интерференционным фильтром, светоделительный кубик, неподвижное зеркало, закрепленное в корпусе интерферометрического преобразователя, и подвижное зеркало, установленное на выступе втулки шпинделя. Изобретение относится к методам и средствам технологического контроля в литейном производстве и металлургии, а именно к контролю твердости металлической поверхности. Известны способы и приборы для динамического и статического измерения твердости. Все они предназначены для физико-технических испытаний и получения информации о механических характеристиках металлов и сплавов в лабораторных, цеховых и полевых условиях. Если в динамических приборах твердость оценивается по скорости отскока индентора, то в статических - по размерам получаемого при вдавливании индентора отпечатка на поверхности образца. Известен способ определения твердости металлических покрытий методом динамического индентирования 1. На результаты динамических измерений твердости значительное влияние оказывает шероховатость поверхности ввиду высокой требуемой чувствительности. Информативным параметром в данном методе выбирается скорость отскока индентора, количественно и качественно отражающая твердость поверхности металла. С увеличением энергии удара на результаты измерений в большей мере сказываются и локальные упругие деформации поверхности (ограниченная жесткость, качество подготовки поверхности, например). Корректировка результатов по предварительной оценке состояния поверхности и жесткости образца (изделия) усложняет алгоритм и снижает производительность контроля. Дифференцированная оценка самого процесса динамического индентирования требует регистрации всех этапов процесса измерения текущей скорости удара, что увеличивает объем требуемой первичной информации по отдельным этапам удара и параметрам упругопластического вдавливания. На результатах динамического индентирования сказываются и минимальные значения массы и толщины в зоне контроля, так как происходит необратимое смещение образца в процессе удара и локальный упругий прогиб (изменяются соотношения между упругой и пластической деформацией в процессе удара). Известны статические методы испытания на твердость, основанные на способности материала оказывать сопротивление механическому проникновению в поверхностный слой другого твердого тела (индентора). По геометрическим размерам отпечатка на поверхности образца при известных силовых и временных параметрах путем табличного пересчета оценивается твердость. Для повышения точности диаметр лунки измеряется вручную на микроскопе. Наибольшее применение получили статические измерения твердости вдавливанием индентора в виде конуса (метод Роквелла), пирамиды (метод Виккерса) или в виде шарика (метод Бринелля). По параметрам полученного при вдавливании индентора отпечатка оценивается поверхностная твердость образца. 2 12408 1 2009.10.30 В сравнении с другими видами и приборами определения твердости статические твердомеры отличаются простотой и наглядностью, в большей мере соответствуют условиям автоматизации, возможностью ориентировочной оценки других механических характеристик и т.д. Однако для способов статических испытаний и твердомеров характерны и некоторые методические ограничения и принципиальные недостатки, как-то влияние субъективных факторов при ручном измерении как при отсчете по микроскопу, так и при табличном расчете результаты измерений размеров отпечатка субъективно оцениваются с погрешностью до 0,5 мм при грубом отсчете промежутка времени действия нагрузки технологический разрыв в информационно-измерительном процессе, когда источник первичной информации находится в пространственно-временном удалении (разрыв в непрерывном процессе преобразования информации), чем снижается точность и производительность. Наиболее близким по технической сущности является способ измерения твердости на твердомере ТШ-2 М 2. Прибор включает в себя следующие механизмы, смонтированные на литой чугунной станине механизм привода, состоящий из электродвигателя и червячного редуктора, механизм подъема стола, механизм подъема рычажного устройства, механизм реверсирования, механизм нагружения. Твердость испытуемого образца определяют путем измерения на микроскопе диаметра отпечатка и подсчета по формуле или по таблицам. Единой технической задачей, на решение которой направленно настоящее изобретение, является повышение точности измерений и повышение производительности метода. Задача достигается тем, что в способе измерения твердости металла, включающем пластическую деформацию поверхности образца путем вдавливания индентора в виде шарика и определение твердости образца по параметру полученного отпечатка, непрерывно измеряют глубину отпечатка во время вдавливания шарика по его эффективному перемещению относительно поверхности образца с фиксацией текущей координаты с момента соприкосновения до фиксированного интервала времени и при фиксированной нагрузке. Задача достигается тем, что устройство для измерения твердости металла,содержащее механизм привода, механизмы подъема стола и рычажного устройства, узел кинематического нагружения образца, содержащий конструктивно связанные подставку со сменным столиком, шариковую оправку с шариком, ограничитель, подпружиненный шпиндель с втулкой, винт втулки и маховик, при этом содержит интерферометрический преобразователь перемещения шарика твердомера с волоконно-оптическим преобразователем показаний с блоком оптико-электронной обработки, жестко связанный с узлом кинематического нагружения образца, причем на сменном столике размещен узел крепления образца. Интерферометрический преобразователь содержит источник когерентного излучения, оптическую систему с интерференционным фильтром, светоделительный кубик,неподвижное зеркало, закрепленное в корпусе интерферометрического преобразователя, и подвижное зеркало, установленное на выступе втулки шпинделя. Непрерывность и последовательность всей информационной цепи преобразований,предложенных данным изобретением, исключают методические погрешности базирования и динамической чувствительности. В отличие от измерений отпечатка индентора относительные измерения результирующего перемещения индентора в процессе вдавливания не требуют жесткого базирования на измерительной позиции, а результат измерений получается путем математических вычислений по программе на микропроцессоре автоматически. На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения твердости металла на фиг. 2 схема интерферометрического преобразователя. Устройство состоит из подставки 1 со сменным столиком 2 с узлом крепления образца 3, шариковой оправки 4 с ограничителем 5 и винтом 6, втулки 7, шпинделя 8 с пружиной 9, маховиком 10 и интерферометрического преобразователя 11, состоящего из источника 3 12408 1 2009.10.30 когерентного излучения 12, оптической системы 13 с интерференционным фильтром 14,светоделительного кубика 15, неподвижного зеркала 16, закрепленного в корпусе интерферометрического преобразователя, подвижного зеркала 17, установленного на выступе втулки 7 шпинделя 8, оптических светопроводящих волокон 18, блока оптикоэлектронной обработки 19. Способ реализуется устройством, работающим следующим образом. Образец устанавливают на узле крепления 3, размещенном на столике 2, вращением маховика 10 образец поджимают к шариковой оправке 4 с шариком, пока он не упрется в ограничитель 5, связанный с винтом 6 втулки 7 подпружиненного 9 шпинделя 8. Посредством этого узла кинематического нагружения электромеханическая рычажная система нагружения с заданным усилием воздействует через шариковую оправку на поверхность испытуемого образца. При движении шпинделя 8 с момента соприкосновения шарика с поверхностью образца и при последующем вдавливании шарика идет оперативное считывание эффективного перемещения интерферометрическим преобразователем 11. Интерферометрический преобразователь непрерывно считывает информацию о глубине вдавливания. При заданной нагрузке по истечении установленного интервала времени таймер выдает команду на конец считывания и программную обработку в микропроцессоре. Преобразование перемещения шарика при вдавливании происходит в оптикоэлектронном датчике (фиг. 2). От источника когерентного излучения 12 оптической системой 13 с интерференционным фильтром 14 сформированный световой поток через светоделительный кубик 15 направляется на подвижное зеркало 17, установленное на выступе втулки 7 шпинделя 8, и неподвижное зеркало 16, закрепленное в корпусе преобразователя. Отраженный от перемещающегося при вдавливании отражателя световой поток несет информацию о текущей координате шарика, значение которой оперативно отображает глубину вдавливания шарика. Отраженный от неподвижного зеркала 16 световой поток является опорным. Информативный и опорный световые потоки интерферируют. В плоскости интерференционной картины расположены входные торцы оптических светопроводящих волокон 18. Число интерференционных полос, считываемое от начала вдавливания, по световодному жгуту 18 передается в блок оптико-электронной обработки 19. Результаты оптико-электронного преобразования координат и микропроцессорной обработки выдаются в принятых единицах твердости (по Бринеллю). Источники информации 1. Рудницкий В.А., Мнченя В.В. Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов Материалы междунар. научн.-техн. конф. - Могилев ГУ ВПО Белорус.-Рос. ун-т, 2004.- С. 143-144. 2. Прибор измерения твердости металлов ТШ-2 М. Инструкция по эксплуатации.- Иваново, 1971. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5