Устройство для определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях с использованием метода акустической эмиссии
Полезная модель относится к области термической обработки сталей. Устройство для определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях с использованием метода акустической эмиссии включает печь, электронную систему измерения температуры изделия, регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии, осуществляющую расчет и индикацию температурно-временных условий начала полиморфного превращения.
Устройство направлено на повышение качества и снижение трудоемкости процесса разработки технологий термической обработки сталей. 2 ил.
Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к термической обработке металлов, и может использоваться при расчете режимов нагрева стальных изделий под закалку, а также режимов нормализации и отжига.
Известен дилатометрический способ исследования фазовых превращений (Попов А.А., Попова Л.Е. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. - М.: МАШГИЗ. 1961. - с.15-17.), основанный на анализе изменения длины образца. Известен дилатометр NETZSCH DIL 402 PC (www.netzsch-thermal-analysis.com/ru/products/dilatometer/), включающий печь и измерительную систему, и позволяющий определять границы фазовых превращений (лист 4 постера на дилатометр NETZSCH DIL 402 PC). Но скорость нагрева и охлаждения образца в дилатометре ограничена 50 К/мин, а температура начала полиморфного превращения в значительной степени зависит от скорости нагрева или охлаждения стали. Кроме того, дилатометрические исследования проводятся исключительно на лабораторных образцах строго цилиндрической формы и ограниченных размеров - диаметром 112 мм и длиной до 50 мм (лист 4 постера на дилатометр NETZSCH DIL 402 PC). To есть дилатометр не позволяет определять критическую точку начала полиморфного превращения в реальной детали для реального режима нагрева или охлаждения. Кроме того, образец для дилатометрических исследований изготавливается для партии отливок, но химический состав в разных частях даже одной отливки различен, в связи с чем различны и физические свойства не только разных отливок, но и разных частей одной и той же отливки. Также на положение критической точки начала полиморфного превращения оказывает влияние исходная структура стали, зависящая от степени предварительной пластической деформации и режима предшествующей термической обработки. Эти факторы также различны для различных участков обрабатываемой детали. В связи с чем дилатометр не учитывает разброс физических характеристик стали внутри объема обрабатываемой детали. Поэтому при разработке технологии термической обработки реальной детали необходимо производить пересчет данных, полученных дилатометрическим способом, с учетом реальной скорости нагрева или охлаждения детали, ее геометрических размеров и устанавливать «запас», учитывающий вероятную степень разброса физических параметров внутри заготовки. Это повышает трудоемкость и снижает точность разработки режимов термической обработки и их эффективность.
Для устранения указанных недостатков предлагается устройство для определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях с использованием метода акустической эмиссии, включающее электронную систему измерения температуры изделия в печи, электронную систему регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии и микроконтроллер, осуществляющий анализ изменений спектра сигналов акустической эмиссии и определение по нему момента начала полиморфного превращения в обрабатываемой детали, а также определение температуры детали в момент начала полиморфного превращения.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет определять температурно-временные условия фазовых превращений непосредственно в обрабатываемом изделии в широком диапазоне скоростей нагрева и охлаждения. В результате повышается точность определения температурно-временных условий начала фазового превращения, снижается трудоемкость этого процесса, а также расширяется номенклатура форм и размеров исследуемых изделий.
В основе принципа действия устройства лежит зависимость спектра АЭ сигналов от процессов фазовых превращений при нагреве и охлаждении сталей (Муравьев В.И., Фролов А.В., Дмитриев Э.А. и др. Определение эффективности использования фазовых предпревращений в технологических операциях изготовления конструкций из сталей и сплавов методом акустической эмиссии // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2011, 3. - с.91-100).
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит две измерительные системы. Первая система осуществляет обработку сигналов акустической эмиссии (АЭ) и включает следующие функциональные блоки:
широкополосный пьезоэлектрический датчик сигналов АЭ (1) типа GlobalTest GT-301, выполняющий преобразование сигналов АЭ в электрические сигналы; усилитель (2) с регулируемым коэффициентом усиления (Кu=50500), выполняющий усиление преобразованных АЭ сигналов; фильтр верхних частот (3) с частотой среза 50 кГц, фильтрующий полезный сигнал от низкочастотных помех промышленной сети и коммутационной аппаратуры; дискриминатор (4) с регулируемым порогом ограничения Uогр=10500 мВ, выполняющий фильтрацию шумов; 10 разрядный аналого-цифровой преобразователь (5) с частотой дискретизации 10 МГц, выполняющий преобразование аналогового напряжения в цифровой сигнал; спектральный анализатор (6) на основе DSP процессора, выполняющий разложение исходного сигнала в ряд Фурье с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье. Вторая измерительная система выполняет измерение температуры термически обрабатываемого изделия и включает следующие функциональные блоки: термоэлектрический преобразователь типа «К» (8), осуществляющий преобразование температуры в пропорциональное ее электрическое напряжение; дифференциальный усилитель термопары (9) с коэффициентом усиления Кu =200, выполняющий усиление сигнала термоэлектрического преобразователя и фильтрацию этого сигнала от синфазных помех; фильтр нижних частот (10) с частотой среза 10 Гц, осуществляющий фильтрацию сигнала от помех промышленной сети и коммутационной аппаратуры; 10 разрядный аналого-цифровой преобразователь (11) с частотой дискретизации 100 кГц, осуществляющий преобразование аналогового сигнала в цифровой. Центральный микроконтроллер (7) осуществляет запись во внутреннюю память диаграммы термической обработки (зависимости температуры изделия от времени), анализ изменений спектра АЭ сигналов, по которому определяет момент начала полиморфного превращения с обрабатываемой детали и определяет температуру детали в момент начала полиморфного превращения, которую выводит на индикатор (12). На индикатор также выводятся мгновенная и средняя скорости нагрева или охлаждения изделия. Блок клавиатуры (13) необходим для управления режимами работы центрального микроконтроллера.
Процесс определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях происходит следующим образом. На обрабатываемом стальном изделии закрепляется термоэлектрический преобразователь, подключаемый к предлагаемому устройству. К обрабатываемому изделию также закрепляется звуковод из аналогичного материала. Изделие помещается в нагревательную камеру печи. На конце звуковода, расположенном за пределами печи, устанавливается пьезоэлектрический датчик АЭ сигналов, подключенный к предлагаемому устройству (фиг.2). Далее повышается температура нагревательной камеры печи. В процессе нагрева обрабатываемое изделие излучает сигналы АЭ, регистрируемые пьезоэлектрическим датчиком и обрабатываемые предлагаемым устройством. Температура изделия измеряется предлагаемым устройством посредством термоэлектрического преобразователя. При изменении спектрального состава АЭ сигналов, соответствующего фазовому переходу, процесс измерения заканчивается. Данные о средней и мгновенной скорости нагрева, диаграмма термической обработки, а также температура полиморфного превращения выдается на индикатор. Процесс определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях при охлаждении происходит аналогично.
Устройство для определения температурно-временных условий начала полиморфного превращения в стальных изделиях с использованием метода акустической эмиссии, включающее электронную систему измерения температуры изделия в печи, электронную систему регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии и микроконтроллер, осуществляющий анализ изменений спектра сигналов акустической эмиссии и определение по нему момента начала полиморфного превращения в обрабатываемой детали, а также определение температуры детали в момент начала полиморфного превращения.