Установка для неразрушающего контроля материалов

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использована при определении прочностных свойств металлических конструктивных элементов эксплуатируемых в условиях высокотемпературного влияния. Установка, включающая средство измерения физического параметра материала изделия, выполненное с возможностью измерения на различных участках изделия, базу данных о зависимости между измеряемым физическим параметром и механическими свойствами материала изделия, средство механического воздействия на материал изделия, электропечь, выполненную с возможностью прогрева изделия до температуры не менее 750°С и оптический микроскоп, отличается тем, что средство измерения физического параметра выполнено с возможностью одновременного оказания механического воздействия на материал изделия, предпочтительно в виде динамического ультрамикротвердомера, кроме того, в составе установки использована печь с температурой нагрева до 1200°С, теплоизолированная от динамического ультрамикротвердомера. Технический результат - расширение круга материалов испытуемых на установке, при уменьшении состава измерительных средств. Кроме того, обеспечивается возможность уменьшения состава измерительных средств и уменьшение многооперационности процессов измерений, что упрощает ее использование. Кроме того, обеспечивая минимизацию деформационного процесса вызываемого в материале изделия, заявленное устройство позволяет многократно увеличить количество измерительных экспериментов при использовании одного и того же образца, что повышает достоверность процесса измерений. Кроме того, обеспечивается возможность фиксации параметров материала, прямо характеризующих его деформационные характеристики. 1 ил.

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использована при определении прочностных свойств металлических конструктивных элементов эксплуатируемых в условиях высокотемпературного влияния.

Известна установка для неразрушающего контроля материалов, включающая средство измерения физического параметра материала изделия, выполненное с возможностью измерения на различных участках изделия, базу данных о зависимости между измеряемым физическим параметром и механическими свойствами материала изделия (см. Неразрушающий контроль механических свойств углеродистых труб, изготовленных по ГОСТ 8733-74, ТУ 14-3-749-78. ТИ 159 ТР ТБ-158-85. Первоуральск, 1985). В качестве измеряемого физического параметра материала изделия используют величину коэрцитивной силы материала изделия, в качестве средства его измерения используют феррозондовые коэрцитиметры.

Недостатком известного технического решения является недостаточная достоверность контроля изделий, находящихся в эксплуатации в условиях высокотемпературного влияния, вследствие неоднозначности зависимости между измеряемым параметром и механическими свойствами.

Известна также установка для неразрушающего контроля материалов, включающая средство измерения физического параметра материала изделия, выполненное с возможностью измерения на различных участках изделия, базу данных о зависимости между измеряемым физическим параметром и механическими свойствами материала изделия, средство механического воздействия на материал изделия и электропечь, выполненную с возможностью прогрева изделия до температуры не менее 750° и оптический микроскоп (см. SU 1527563, МПК С01N 27/80, 1989 г.).

Недостатком известного технического решения является функциональная ограниченность установки, которая пригодна только для стали марки 20, кроме того, в составе установки дополнительно использованы средство механического воздействия на материал изделия (разрывная установка), средства химического анализа и спектрограф. Кроме того, методология производства эксперимента включает изготовление образцов для механических испытаний по ГОСТ и их испытание на растяжение на установке Р-50 для определения предела прочности с одновременным измерением коэрцитивной силы, что усложняет состав установки и повышает многооперационность процессов измерений.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение выражается в расширении круга материалов испытуемых на установке, при уменьшении состава измерительных средств, включенных в нее.

Технический результат - расширение круга материалов испытуемых на установке, при уменьшении состава измерительных средств. Кроме того, обеспечивается возможность уменьшения состава измерительных средств и уменьшение многооперационности процессов измерений, что упрощает ее использование. Кроме того, обеспечивая минимизацию деформационного процесса вызываемого в материале изделия, заявленное устройство позволяет многократно увеличить количество измерительных экспериментов при использовании одного и того же образца, что повышает достоверность процесса измерений. Кроме того, обеспечивается возможность фиксации параметров материала, прямо характеризующих его деформационные характеристики.

Для достижения поставленной цели установка для неразрушающего контроля материалов, включающая средство измерения физического параметра материала изделия, выполненное с возможностью измерения на различных участках изделия, базу данных о зависимости между измеряемым физическим параметром и механическими свойствами материала изделия, средство механического воздействия на материал изделия и электропечь, выполненную с возможностью прогрева изделия до температуры не менее 750°С и оптический микроскоп, отличается тем, что средство измерения физического параметра выполнено с возможностью одновременного оказания механического воздействия на материал изделия, предпочтительно в виде динамического ультрамикротвердомера, кроме того, в составе установки использована печь с температурой нагрева до 1200°С, теплоизолированная от динамического ультрамикротвердомера.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов подтверждает его соответствие критерию «новизна».

При этом совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи - обеспечивает возможность расширения круга материалов испытуемых на установке, при уменьшении состава измерительных средств включенных в нее.

На фиг.1 представлена схема установки. На чертеже показаны динамический ультратвердомер 1 и печь 2, блок управления 3, персональный компьютер 4, теплоизолирующее покрытие 5 печи 2 и отдельно проветриваемый отсек или помещение 6.

Динамический ультратвердомер 1 представляет из себя ультрамикротестер SHIMADZU (предпочтительно, марки DUH-211S) для динамических испытаний твердости материалов, предназначенный для изучения свойств прочности поверхности материалов металлических изделий, в том числе для испытания прочности поверхности тонкопленочных покрытий, имплантированных пленочных включений и нитридных слоев.

Данные, получаемые с помощью прибора, включают и динамическую прочность, которая относится к твердости поверхности образца и устойчивости поверхности к деформации путем вдавливания.

Более того, твердомер DUH Series позволяет определять твердость в соответствии с требованиями ISO 14577-1 (Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials parameters). При режиме испытания нагрузка/разгрузка прибор позволяет оценить «модули вдавливания» во время работы пластичных и эластичных частей. Для стандартного определения стандартной твердости по Виккерсу и твердости по Кнупу используются инденторы Виккерса и Кнупа, которые заказываются отдельно. Устройство позволяет проводить определение параметров материалов в микрометровом диапазоне.

Динамический ультрамикротвердомер 1 включает в себя платформу образца, снабженную средствами фиксации образца, индентор и нагрузочное приспособление (на чертежах не показаны), кроме того на платформе твердомера размещена оптическая система снабженная соответствующими средствами подсветки, агрегатированная с ультрамикротвердомером в единое устройство. Кроме того, в состав ультрамикротвердомера 1 включены блок управления 3 и персональный компьютер 4. Нагрузочное приспособление установки включает блок генерации тестовой нагрузки, использующий метод электромагнитной нагрузки, позволяющий получить низкую нагрузку около 9,8×10^-5 N (состоит из неподвижного постоянного магнита и подвижной силовой катушки - когда ток проходит по катушке, электромагнитная сила генерируется пропорционально силе тока. Эта сила передается на индентор посредством рычага (на чертежах не показаны). Рабочие параметры блока загрузки: диапазон нагрузки полномасштабная от 0,1 до 1961 mN с возможностью непрерывного изменения; точность нагрузки - при максимуме ±19,6 мкN или ±1% от указанной нагрузки; минимальный показатель измерения - 0,196 мкN (при нагрузке 1,96 мкN или менее).

Рабочие параметры измерительного блока: метод измерения дифференциальный трансформатор; диапазон измерения 0 до 10 мкм; минимальный размер 0,0001 мкм; линейность ±2% от полной шкалы (20 мкм).

Рабочие параметры оптического монитора: увеличение микроскопа ×500 (Опции: ×100, ×1000); линза объектива - ×50 (опции: ×10, ×100 - можно установить две линзы), окуляр - ×10; метод освещения - вертикальное освещение; лампа освещения - светодиодная лампа 3 W/3 V; способ включения лампы - включается в режиме наблюдения или панорамы.

Рабочие параметры платформы образца: диапазон поднимания - до 60 мм; площадь - около 125×125 мм; диапазон передвижения 25 мм по Х и Y осям.

Рабочие параметры компьютера: операционная система Windows 2000/ХР (English version); процессор - 1 GHz и более; жесткий диск - 1.0 GB и более; оперативная память - 64 KB и более; разрешение монитора - не менее 1024×768; для работы при системе с высокой температурой требуется порт RS-232C port (9-pins).

Данные твердомеры позволяют точно определить положение поверхности образца путем регистрации изменения скорости опускания индентора. Если ток, проходящий по виткам спирали увеличивается с постоянной скоростью, то индентор также снижается к образцу с постоянной скоростью, благодаря создаваемой электромагнитом силе. При движении индентор практически не встречает сопротивления воздуха и опускается с высокой скоростью. При касании с поверхностью сопротивление возрастает за счет деформации образца и скорость движения индентора резко понижается. Микропроцессоры твердомеров сохраняют данные по силе и глубине вдавливания в качестве стандартных величин для различных материалов и используют их при определении поверхности образца.

Испытание образца необходимо проводить на таком участке поверхности, которая должна быть сухой, очищенной от смазки (за исключением особо предусмотренных случаев) поскольку наличие постороннего материала, в т.ч. - пыли приводят к недостоверности результатов измерений (см. табл.1).

Подготовку поверхности образца проводят так, чтобы не затрагивалась ее твердость (из-за тепловых и низкотемпературных эффектов).

Для полировки образцов необходимо применять методы, которые подходят для образца (например, метод электрополировки).

Толщина образца должна быть размером не менее 10Н при глубине отпечатка 3Н, где Н - диаметр отпечатка. При определении пленочных покрытий, толщина покрытия должна соответствовать указанным требованиям.

Температурная стабильность образца при испытании более важна, чем температура испытания. При калибровке рекомендуется вводить поправку на это качество, особенно при проведении измерений в нано- и микродиапазонах. Тестирование проводится в диапазоне температур (23±5)°С и при 50% относительной влажности, для чего образец и прибор перед испытанием выдерживаются при комнатной температуре.

Соблюдение этого требования обеспечивается теплоизолирующим покрытием 5 печи 2 от динамического ультрамикротвердомера 1 (например, размещением в отдельнопроветриваемом отсеке или помещении 6).

Образец перед испытанием надежно закрепляют так, чтобы жесткость машины не увеличивалась при испытании (он должен быть установлен либо на подложке, устойчивой к прямому воздействию, либо зафиксирован надлежащим образом). Контактную поверхность между образцом, подложкой и станиной очищают от постороннего материала, который может повлиять на результат.

Промежутки между центрами двух соседних отпечатков, центром отпечатка и края образца должны быть такими, как указано в табл.2.

Заявленная установка работает следующим образом.

При помощи ультрамикротвердомера 1 проводят испытания твердости материалов и строят графики ее зависимости от механических свойств, изменяющихся в процессе эксплуатации при определенных термических режимах (например, испытанию подвергается партия труб из стали 20 типоразмером 32×3,5 в количестве 100 шт. Из каждой трубы вырезается по два образца для испытаний. С использованием печи 2 образцы подвергались отпуску при 400°С в течение 3 ч. Затем по одному образцу испытывали для определения твердости по результатам чего строили корреляционную зависимость между значениями прочности и твердости.

Второй образец от каждой трубы подвергали сфероидизирующему отжигу по следующему режиму: нагрев в пределах, обеспечиваемых реальными условиями эксплуатации, с учетом рабочего диапазона печи (например, до 850°С), выдержка 1 ч, а затем медленное охлаждение в печи. На этих образцах определяли твердость материала во всем диапазоне перлитных превращений, соответствующих зеренному перлиту. Определение формы перлита проводилось на микроскопе встроенном в ультрамикротвердомер 1. Далее в каждой трубе устанавливали зависимость между значениями прочности и твердости во всем диапазоне перлитного превращения. Полученные зависимости оцифровывают и вводят в память компьютера и в дальнейшем используют как базу данных, которая позволяет производить достоверную оценку предела прочности образцов, полученных из материала, использованного при изготовлении партии контролируемых изделий и прогнозирования изменений этого параметра при эксплуатации изделий в условиях интенсивного термического воздействия.

Установка для неразрушающего контроля материалов, включающая средство измерения физического параметра материала изделия, выполненное с возможностью измерения на различных участках изделия, базу данных о зависимости между измеряемым физическим параметром и механическими свойствами материала изделия, средство механического воздействия на материал изделия, электропечь, выполненную с возможностью прогрева изделия до температуры не менее 750°С, и оптический микроскоп, отличающаяся тем, что средство измерения физического параметра выполнено с возможностью одновременного оказания механического воздействия на материал изделия, предпочтительно в виде динамического ультрамикротвердомера, кроме того, в составе установки использована печь с температурой нагрева до 1200°С, теплоизолированная от динамического ультрамикротвердомера.