RU2210755C2 - Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation - Google Patents
Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2210755C2 RU2210755C2 RU2001128638A RU2001128638A RU2210755C2 RU 2210755 C2 RU2210755 C2 RU 2210755C2 RU 2001128638 A RU2001128638 A RU 2001128638A RU 2001128638 A RU2001128638 A RU 2001128638A RU 2210755 C2 RU2210755 C2 RU 2210755C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- indenter
- metal
- influx
- parameters
- determining
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к контролю качества металла и могут быть использованы, в частности, для неразрушающего контроля при определении его твердости. Известен способ определения механических свойств металла, в том числе параметров отпечатка, на поверхности металла при его испытании на твердость по Бринелю путем вдавливания с постоянной скоростью сферического индентора в испытуемый металл с последовательной регистрацией силы давления, остаточной глубины отпечатка индентора (Жуковец И. И. "Механические испытания металлов" Изд. Высшая школа, Москва, 1980 г.). The invention relates to metal quality control and can be used, in particular, for non-destructive testing in determining its hardness. There is a method of determining the mechanical properties of a metal, including the parameters of an imprint, on a metal surface when it is tested for Brinell hardness by pressing a spherical indenter at a constant speed into the test metal with successive recording of pressure force, residual indenter imprint (I. Zhukovets " Mechanical testing of metals. Ed. Higher School, Moscow, 1980).
При испытании металла на твердость в процессе вдавливания индентора первоначальная глубина лунки от индентора несколько больше, чем остаточная глубина, когда после снятия нагрузки за счет эффекта упругого восстановления параметры лунки несколько уменьшатся в соответствие с индивидуальными механическими свойствами испытуемого металла. When testing the metal for hardness during indentation, the initial depth of the well from the indenter is slightly greater than the residual depth, when after unloading due to the effect of elastic recovery, the parameters of the well will slightly decrease in accordance with the individual mechanical properties of the tested metal.
При вычислении твердости учитывают только величину остаточной глубины отпечатка индентора h0, равную глубине лунки, полученной на поверхности металла после снятия нагрузки, и совершенно не учитывают параметры образовавшегося по краю лунки наплыва h1 (см. фиг.1). Вследствие этого снижается точность определения не только твердости, но и такой важной физической характеристики металла, как пластичность. При многократных испытаниях различных металлов на твердость было установлено, что форма и высота наплыва зависят как от размера индентора, силы давления, так и от индивидуальных пластических свойств металлов, а околоконтактная зона наплыва может достигать величины двойного диаметра индентора. У непластичных металлов края наплыва обостренные и с внешней стороны вогнутые (1), а у пластичных металлов края наплыва выпуклые и затянутые (2) (см. фиг.1). Из фиг.2 видно, что наибольшей пластической деформации подвержен участок металла в зоне действия индентора при действии нагрузки Р и радиальной нагрузки Рr, под действием которой образуется наплыв.When calculating the hardness, only the value of the indenter imprint depth h 0 , equal to the depth of the hole obtained on the metal surface after removing the load, is taken into account and the parameters of the influx h 1 formed along the edge of the hole are completely not taken into account (see Fig. 1). As a result, the accuracy of determining not only hardness, but also such an important physical characteristic of a metal as ductility decreases. In multiple hardness tests of various metals, it was found that the shape and height of the influx depend both on the size of the indenter, the pressure force, and on the individual plastic properties of the metals, and the near-contact zone of the influx can reach double the diameter of the indenter. For non-ductile metals, the influx edges are sharpened and concave on the outside (1), and for ductile metals, the influx edges are convex and tightened (2) (see Fig. 1). From figure 2 it can be seen that the section of metal in the zone of action of the indenter is subject to the greatest plastic deformation under the action of the load P and radial load Pr, under the influence of which an influx is formed.
Известен, взятый в качестве прототипа, способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла, при его испытании на твердость путем вдавливания индентора (авт. свидетельство СССР N1458769, опублик. 15.02.89 г.), в котором параметры отпечатка определяют путем измерения остаточной глубины отпечатка, используя механические средства и стрелочный индикатор с учетом высоты наплыва, которую измеряют с помощью установки на вершину наплыва отпечатка калиброванной по толщине плитки и вторичного нагружения индентором на калибровочную плитку. Высота наплыва вычисляется по показаниям стрелочного индикатора после снятия нагрузки в два приема. Сначала арифметически вычисляют сумму показаний двух величин: глубины отпечатка от вершины наплыва и высоты калиброванной плитки, затем из этой величины вычитают известное значение толщины калибровочной плитки, получая таким образом глубину отпечатка от вершины наплыва. Недостатками такого способа является следующее. Known, taken as a prototype, is a method for determining the parameters of an imprint obtained on a metal surface when it is tested for hardness by indenting an indenter (USSR Authors Certificate N1458769, published. 15.02.89), in which the parameters of the imprint are determined by measuring the residual depth fingerprint, using mechanical means and a dial indicator, taking into account the influx height, which is measured by installing on the top of the influx of the fingerprint calibrated by the thickness of the tile and secondary loading of the indenter on the calibration th tile. The influx height is calculated according to the readings of the dial indicator after removing the load in two steps. First, the sum of the readings of two quantities is calculated arithmetically: the depth of the print from the top of the influx and the height of the calibrated tile, then the known value of the thickness of the calibration tile is subtracted from this value, thus obtaining the depth of the print from the top of the influx. The disadvantages of this method are the following.
1. Снижение точности определения параметров отпечатка вследствие расчета только высоты наплыва, образовавшегося на поверхности металла при его испытании на твердость, без определения его формы. 1. The decrease in the accuracy of determining the parameters of the imprint due to the calculation of only the height of the influx formed on the surface of the metal when it is tested for hardness, without determining its shape.
2. Снижение точности и надежности определения параметров отпечатка вследствие необходимости иметь в большом количестве набор калибровочных пластин для разных образцов металлов при определении параметров отпечатка. 2. The decrease in accuracy and reliability of determining the parameters of the print due to the need to have a large number of calibration plates for different metal samples when determining the parameters of the print.
3. Снижение точности и объективности при определении параметров отпечатка, полученного при испытании металла на твердость и, следовательно, контроля качества металла, вследствие отсутствия простейших элементов автоматизации процесса регистрации и обработки информации. 3. The decrease in accuracy and objectivity in determining the parameters of the fingerprint obtained by testing the metal for hardness and, therefore, quality control of the metal, due to the lack of simple elements of automation of the process of recording and processing information.
В том же авторском свидетельстве описано устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, наиболее близкое к предлагаемому. Это устройство включает прибор для измерения твердости, содержащий корпус, размещенные в нем механизм нагружения, взаимодействующий с последним шпиндель с индентором, индикатор для измерения глубины внедрения индентора и предметный стол с механизмом его перемещения, а также механизм измерения высоты наплыва, связанный с корпусом, который измеряет эту высоту с помощью установки на вершину наплыва калиброванной по толщине плитки. The same copyright certificate describes a device for determining the parameters of an imprint obtained on a metal surface during its test for hardness closest to the proposed one. This device includes a hardness measuring device, comprising a housing, a loading mechanism disposed therein, interacting with the last spindle with an indenter, an indicator for measuring the indenter penetration depth and an object table with its movement mechanism, as well as an influx height measuring mechanism associated with the housing, which measures this height by installing a tile calibrated by thickness at the top of the influx.
Недостатками данного устройства является следующее. The disadvantages of this device is the following.
1. Снижение точности при определении параметров отпечатка, полученного при его испытании на твердость и, следовательно, контроля качества металла вследствие наличия люфтов и неточностей в механических соединениях, кронштейнах устройства. 1. Decrease in accuracy when determining the parameters of the fingerprint obtained by testing it for hardness and, therefore, metal quality control due to the presence of backlash and inaccuracies in the mechanical joints, brackets of the device.
2. Снижение точности и объективности определения параметров отпечатка, вследствие наличия стрелочного индикатора, обладающего неточностью в оценке полученного результата. 2. The decrease in accuracy and objectivity in determining the parameters of the fingerprint, due to the presence of a dial indicator, which has inaccuracy in assessing the result.
3. Снижение точности при определении параметров отпечатка, вследствие отсутствия в механизме нагружения электрического привода для создания плавного режима перемещения и нагрузки индентором на испытуемый металл. 3. Decreased accuracy in determining the parameters of the fingerprint, due to the lack of an electric drive in the loading mechanism to create a smooth mode of movement and indenter load on the test metal.
4. Снижение точности и объективности при определении параметров отпечатка, вследствие отсутствия простейших элементов автоматизации процесса регистрации и обработки информации. 4. The decrease in accuracy and objectivity in determining the parameters of the fingerprint, due to the lack of simple elements of automation of the process of recording and processing information.
Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения точности, надежности и объективности контроля качества металла. The proposed inventions solve the problem of improving the accuracy, reliability and objectivity of metal quality control.
Для получения такого технического результата в предлагаемом способе определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, проводят измерение остаточной глубины отпечатка индентора с учетом высоты наплыва, образовавшегося на поверхности металла при его испытании на твердость методом вдавливания индентора. To obtain such a technical result, in the proposed method for determining the parameters of a fingerprint obtained on a metal surface during its hardness test, the residual indenter depth is measured taking into account the height of the influx formed on the metal surface during its hardness test by indenter indentation.
Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что высоту линейного перемещения индентора и остаточную глубину отпечатка индентора измеряют при перекрытии светонепроницаемой шторкой, закрепленной на корпусе тензометрического датчика, инфракрасного излучения (ИК) диода ИК в качестве излучателя и регистрации этого излучения фотодиодом в качестве приемника, закрепленных в корпусе измерительного узла, а высоту и форму наплыва измеряют путем сканирования отпечатка индентора инфракрасным излучением диода ИК, закрепленного на нижней прижимной обойме измерительного узла в качестве излучателя и регистрации остаточного излучения в результате потери части его от образовавшегося наплыва, перекрывающего ИК, фотодиодом, закрепленным на той же прижимной обойме измерительного узла, в качестве приемника. Distinctive features of the proposed method are that the height of the linear movement of the indenter and the residual indentation depth of the indenter is measured by covering with an opaque shutter mounted on the housing of the strain gauge, an infrared (IR) IR diode as an emitter and recording this radiation with a photodiode as a receiver, fixed in the housing of the measuring unit, and the height and shape of the influx is measured by scanning the indenter print with infrared radiation of an IR diode, fixed on the lower clamping sleeve of the measuring unit as an emitter and recording the residual radiation as a result of the loss of part of it from the formed influx overlapping by IR, a photodiode mounted on the same pressure holder of the measuring unit as a receiver.
Отличительной особенностью также является то, что определяют форму наплыва, образовавшегося на поверхности металла. Кроме того, отличительной особенностью является то, что высоту и форму наплыва измеряют сразу же после снятия нагрузки. A distinctive feature is also that they determine the shape of the influx formed on the surface of the metal. In addition, a distinctive feature is that the height and shape of the influx is measured immediately after unloading.
В результате практического применения предлагаемого способа повышается точность, надежность и объективность контроля качества металла вследствие того, что автоматически определяют параметры отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость методом вдавливания сразу же после снятия нагрузки, а результаты измерений всех параметров используют как при расчете твердости, так и в расчетах пластических свойств металла. As a result of the practical application of the proposed method, the accuracy, reliability and objectivity of metal quality control are increased due to the fact that the parameters of the imprint obtained on the metal surface when it is tested for hardness by indentation immediately after unloading are automatically determined, and the measurement results of all parameters are used as in the calculation hardness, and in the calculations of the plastic properties of the metal.
Для получения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему, известное по работе (авт. свидетельство СССР N 1458769, опубликованное 15.02.1989 г.), включает индентор, механизм нагружения индентора, датчик линейного перемещения индентора и механизм определения параметров наплыва. To obtain the named technical result, a device is proposed which, like the one closest to it, known for its work (USSR Authors Certificate N 1458769, published 02.15.1989), includes an indenter, an indenter loading mechanism, an indenter linear displacement sensor, and a detection mechanism influx parameters.
Отличительные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что оно содержит устройство нагружения, состоящее из электродвигателя постоянного тока с редуктором, измерительный узел, в котором расположен тензометрический датчик, регистрирующий силу нагружения индентором, датчик линейного перемещения индентора, состоящий из излучателя инфракрасного излучения (ИК), светонепроницаемой шторки и фотоприемника; концевые выключатели ограничения несанкционированного перемещения индентора, нижнюю прижимную обойму измерительного узла, на которой установлен датчик определения геометрических параметров наплыва, состоящий из излучателя ИК и фотоприемного диода, расположенных диаметрально противоположно на краях нижней прижимной обоймы; блок запитки датчиков, двухканальный усилитель сигналов фотодиодов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления электродвигателем и персональный компьютер (ПК). Distinctive features of the proposed device are that it contains a loading device consisting of a direct current electric motor with a reducer, a measuring unit, in which is located a strain gauge that records the loading force of the indenter, an indenter linear displacement sensor, consisting of an infrared emitter (IR), opaque curtains and photodetector; limit switches for restricting unauthorized movement of the indenter, the lower pressure holder of the measuring unit, on which the sensor for determining the geometric parameters of the influx, consisting of an IR emitter and a photodetector, located diametrically opposite on the edges of the lower pressure holder; sensor power supply unit, two-channel amplifier of photodiode signals, analog-to-digital converter (ADC), electric motor control unit and personal computer (PC).
В результате практического применения предлагаемого устройства повышается безопасность, надежность, экономичность, точность и объективность контроля качества металла вследствие того, что при определении параметров отпечатка, полученного при его испытании на твердость, нагружающее устройство содержит электродвигатель постоянного тока с редуктором, что создает режим плавного перемещения и нагрузки индентора на испытуемый металл, кроме того, работа диодов инфракрасного излучения, фотоприемников и тензодатчика осуществляется от низковольтного источника постоянного тока, что в значительной мере увеличивает помехозащищенность электрической схемы регистрации всех параметров процесса вдавливания, в том числе и параметров образовавшегося наплыва, а малые геометрические размеры этих элементов позволяют устанавливать их в измерительном узле, практически в любом месте. Кроме этого устройство работает автоматически под управлением ПК. As a result of the practical application of the proposed device, the safety, reliability, economy, accuracy and objectivity of metal quality control are increased due to the fact that when determining the parameters of the fingerprint obtained during its hardness test, the loading device contains a DC motor with a gearbox, which creates a smooth movement mode and indenter loads on the test metal, in addition, the work of infrared radiation diodes, photodetectors and strain gauges is carried out from low volt DC source, which greatly increases the noise immunity circuitry registration of all pressing process parameters, including the parameters of the resulting influx, and the small geometric dimensions of these elements allow to install them in the measuring unit, practically anywhere. In addition, the device operates automatically under the control of a PC.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - "Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость" предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - "Способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость", при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата. The claimed group of inventions meets the requirement of the unity of inventions, since it forms a single inventive concept, moreover, one of the claimed objects of the group - "A device for determining the parameters of the imprint obtained on the surface of a metal during its hardness test" is intended to implement another claimed object of the group - "Method for determining the parameters the imprint obtained on the surface of the metal during its hardness test ", while both objects of the group of inventions are aimed at solving one the same problem to obtain a single technical result.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - виды возможных форм наплыва; на фиг.2 - вид деформированной кристаллической сетки и распределение эффективной пластической деформации в зоне контакта; на фиг.3 - структурная схема устройства для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость. The invention is illustrated by drawings, which depict: in Fig.1 - types of possible forms of influx; figure 2 is a view of a deformed crystalline network and the distribution of effective plastic deformation in the contact zone; figure 3 is a structural diagram of a device for determining the parameters of the imprint obtained on the surface of the metal when it is tested for hardness.
Предлагаемый способ определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла при его испытании на твердость, осуществляется в следующей последовательности: сначала измерительный узел прибора для определения твердости металла, внутри которого расположены и жестко закреплены друг напротив друга на расстоянии порядка 6 мм излучающий диод ИК и диод фотоприемника датчика линейного перемещения индентора, между которыми расположена светонепроницаемая шторка, закрепленная на тензодатчике, а на краях нижней контактной обоймы которого установлен датчик измерения геометрических размеров наплыва, состоящий из излучателя ИК и фотоприемного диода, расположенных диаметрально противоположно на расстоянии порядка 10 мм, подводят к испытуемому металлу до соприкосновения нижней контактной обоймы измерительного узла с поверхностью металла. Инфракрасное излучение датчика определения геометрических парамеров наплыва от излучателя попадает на фотоприемный диод, на который попадает и часть излучения, отраженного от поверхности металла. Фотоприемник под действием прямого и отраженного ИК от поверхности испытуемого металла излучения открывается и на его выходном нагрузочном сопротивлении устанавливается сигнал низкого уровня, соответствующий шероховатостям, имеющимся на поверхности в данном месте. Регулировкой усилителя фотоприемника осуществляют компенсацию этого сигнала до нуля. Далее осуществляют вдавливание индентора в металл с определенной скоростью и нагрузкой с последующим отводом индентора вверх примерно на 3 мм. При этом корпус измерительного узла не перемещается, а упирается своей нижней контактной обоймой в испытуемый металл. В движении участвуют только индентор и тензодатчик с закрепленной на нем светонепроницаемой шторкой, расположенной между излучателем ИК и фотоприемником датчика линейного перемещения, закрепленных в неподвижном корпусе измерительного узла. При вдавливании шторка начинает перекрывать ИК пучок излучателя тем больше, чем больше углубляется индентор в металл. Плавное уменьшение ИК излучения, попадающего на фотоприемник, приводит к его запиранию, что в свою очередь увеличивает сигнал на его нагрузочном сопротивлении. Таким образом, фотоприемник регистрирует изменение инфракрасного излучения, пропорциональное линейному перемещению индентора. При этом остаточную глубину отпечатка индентора определяют только после снятия нагрузки и перемещения индентора на соответствующую величину вследствие упругого восстановления металла. The proposed method for determining the parameters of the fingerprint obtained on the surface of a metal during its hardness test is carried out in the following sequence: first, the measuring unit of the device for determining the hardness of the metal, inside which the emitting IR diode and the photodetector diode are located opposite each other at a distance of about 6 mm an indenter linear displacement sensor, between which there is a lightproof shutter, mounted on a strain gauge, and on the edges of the lower contact sleeve to The sensor of measuring the geometric dimensions of the influx, consisting of an IR emitter and a photodetector, located diametrically opposite at a distance of about 10 mm, is connected to the test metal until the lower contact sleeve of the measuring unit comes into contact with the metal surface. Infrared radiation from the sensor for determining geometric inflow parameters from the emitter is incident on a photodetector diode, which also receives a part of the radiation reflected from the metal surface. The photodetector under the action of direct and reflected IR from the surface of the test metal radiation opens and a low level signal is established at its output load resistance, corresponding to the roughnesses present on the surface in this place. By adjusting the amplifier of the photodetector, this signal is compensated to zero. Then, the indenter is pressed into the metal at a certain speed and load, followed by the indenter being pulled up by about 3 mm. In this case, the housing of the measuring unit does not move, but rests with its lower contact cage in the test metal. Only the indenter and the strain gauge with an opaque shutter mounted on it, located between the IR emitter and the photodetector of the linear displacement sensor, mounted in the stationary case of the measuring unit, are involved in the movement. When pressed, the shutter begins to block the infrared beam of the emitter the more, the more the indenter deepens into the metal. A smooth decrease in IR radiation incident on the photodetector leads to its blocking, which in turn increases the signal at its load resistance. Thus, the photodetector detects a change in infrared radiation proportional to the linear movement of the indenter. In this case, the residual indenter imprint depth is determined only after the load is removed and the indenter is moved to the appropriate value due to the elastic recovery of the metal.
При отводе индентора вверх после вдавливания нижняя контактная обойма с датчиками определения геометрических параметров наплыва остается на прежнем месте. В околоконтактной зоне от действия индентора остается лунка, на краях которой появляется наплыв с формой, соответствующей механическим свойствам испытуемого металла, который своими краями перекрывает часть ИК излучения, попадающего на фотоприемник, что приводит к незначительному запиранию его и увеличению сигнала на его нагрузочном сопротивлении. Таким образом определяют высоту наплыва, используя закономерность, а именно: чем больше высота наплыва, тем меньше ИК излучения попадает на фотоприемный диод, тем выше его выходной сигнал. Так, например, наплыву в 10 мкм от действия 5 мм индентора в 150 кг соответствует сигнал фотоприемного диода в 1.5 мВ, а при нагрузке в 300 кг наплыву высотой в 20 мкм - 4 мВ. When the indenter is pulled up after being pressed in, the lower contact cage with the sensors for determining the geometric parameters of the influx remains in the same place. A hole remains in the near-contact zone from the action of the indenter, on the edges of which there is an influx with a shape corresponding to the mechanical properties of the test metal, which with its edges covers part of the IR radiation incident on the photodetector, which leads to an insignificant blocking of it and an increase in the signal at its load resistance. Thus, the influx height is determined using a regularity, namely: the greater the influx height, the less IR radiation falls on the photodetector, the higher its output signal. So, for example, a 10-μm influx from the action of a 5 mm indenter of 150 kg corresponds to a photodetector diode signal of 1.5 mV, and at a load of 300 kg, an influx of 20 μm in height corresponds to 4 mV.
Для определения формы наплыва отводят нижнюю прижимную обойму в сторону на 3.5 мм, при этом излучатель и фотоприемник сканируют наплыв, а электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника, отображающий форму наплыва, поступает в память персонального компьютера (ПК). To determine the shape of the influx, the lower pressure holder is moved to the side by 3.5 mm, while the emitter and photodetector scan the influx, and the electrical signal taken from the photodetector, which displays the shape of the influx, is transferred to the memory of a personal computer (PC).
Предлагаемый способ прошел лабораторные испытания, показав высокую точность определения параметров наплыва с разрешением 0.1 мкм. The proposed method was laboratory tested, showing high accuracy in determining the parameters of the influx with a resolution of 0.1 μm.
Для осуществления способа разработано устройство (твердомер), которое работает под управлением ПК, по специально разработанной программе WORK. EXE, состоящей из трех подпрограмм: Кalibr.ехе - для установления калибровочной шкалы зависимости выходного сигнала приемного фотодиода от высоты наплыва и величины линейного перемещения индентора; Registr.exe - для непосредственной процедуры процесса вдавливания индентора в испытуемый металл, Analitik. exe - для последовательного анализа механических свойств металлов по ранее записанным файлам данных, записанных программой регистрации Registr. exe. To implement the method, a device (hardness tester) was developed that runs under the control of a PC, according to a specially developed program WORK. EXE, consisting of three subprograms: Calibr.exe - to establish a calibration scale for the dependence of the output signal of the receiving photodiode on the influx height and the linear displacement of the indenter; Registr.exe - For the direct procedure for indenting an indenter into a test metal, Analitik. exe - for sequential analysis of the mechanical properties of metals from previously recorded data files recorded by the Registr registration program. exe.
На фиг.3 представлена структурная схема устройства определения твердости и пластических свойств металлов. Figure 3 presents a structural diagram of a device for determining the hardness and plastic properties of metals.
Устройство для определения параметров отпечатка, полученного на поверхности металла, и его механических свойств состоит из измерительного узла (1), датчика линейного перемещения индентора - излучателя ИК(2), светонепроницаемой шторки (3), индентора (4), датчика определения геометрических размеров наплыва, состоящего изизлучателя ИК (5) и фотоприемника (6), нижней прижимной обоймы (7), фотоприемника (8), тензометрического датчика (9), блока запитки датчиков и двухканального усилителя сигналов фотодиодов (10), аналого-цифрового преобразователя (11), персонального компьютера (ПК) (12); нагружающего узла, состоящего из электродвигателя ДПМ (15), редуктора (16), штока (17), концевых выключателей ограничения перемещения индентора (18); планки (19), ограничивающей перемещение измерительного узла и блока управления (20) электродвигателем, (13 - отпечаток, 14 - поверхность металла). A device for determining the parameters of the fingerprint obtained on the surface of the metal and its mechanical properties consists of a measuring unit (1), a linear displacement sensor of the indenter - IR emitter (2), a lightproof shutter (3), an indenter (4), a sensor for determining the geometric dimensions of the influx consisting of an IR emitter (5) and a photodetector (6), a lower pressure holder (7), a photodetector (8), a strain gauge sensor (9), a sensor power supply unit and a two-channel signal amplifier for photodiodes (10), an analog-to-digital converter (11) , ne cite personal computer (PC) (12); loading unit, consisting of a DPM electric motor (15), a gearbox (16), a rod (17), limit switches for restricting the movement of the indenter (18); strap (19), restricting the movement of the measuring unit and the control unit (20) by an electric motor, (13 - imprint, 14 - metal surface).
Работа устройства состоит из двух основных частей - это калибровка датчиков ИК излучения для определения высоты наплыва и линейного перемещения индентора, затем процедура непосредственной регистрации всех параметров при вдавливании индентора в испытуемый металл и вычисление механических свойств по полученным экспериментальным данным. The operation of the device consists of two main parts - it is the calibration of IR radiation sensors to determine the height of the influx and the linear movement of the indenter, then the procedure for direct registration of all parameters when the indenter is pressed into the test metal and the calculation of mechanical properties according to the obtained experimental data.
Калибровка датчиков ИК излучения (5, 6) для определения высоты и формы наплыва проводится на любой чистой мере твердости следующим образом: на ПК (12) из директории WORK.EXE запускается на выполнение программа Kalibr.exe. Электроприводом (15, 16) подводят измерительный узел (1) до контакта его нижней прижимной обоймы (7), содержащей датчики ИК излучения и фотодиод (5, 6) для определения геометрических размеров наплыва, с поверхностью меры твердости. Регулятором усилителя фотоприемника (10) проводят компенсацию его выходного сигнала до нулевого значения. Затем последовательно располагают между излучателем и приемником несколько калибровочных 5 мм отрезков проволок толщиной от 2 мкм до 50 мкм. Для каждой калибровочной толщины установленного отрезка проволоки программа проводит 10 измерений АЦП (11) этого канала, усредняет эти значения и помещает в специальную таблицу, по данным которой строится калибровочная характеристика зависимости сигнала выходного напряжения фотоприемника от толщины проволоки. На этом калибровка датчика определения параметров наплыва заканчивается. Calibration of IR radiation sensors (5, 6) to determine the height and shape of the influx is carried out at any pure measure of hardness as follows: on the PC (12) from the WORK.EXE directory, the Kalibr.exe program is launched. An electric drive (15, 16) leads the measuring unit (1) to the contact of its lower pressure sleeve (7), which contains IR radiation sensors and a photodiode (5, 6) to determine the geometric dimensions of the influx, with the surface of the hardness measure. The regulator of the photodetector amplifier (10) compensates for its output signal to zero. Then,
Калибровка датчика ИК излучения (2, 8) для определения высоты перемещения индентора (4) проводится на динамометрической скобе по этой же программе следующим образом. Электроприводом (15, 16) подводят измерительный узел (1) к динамометричекой скобе до упора с нижней контактной обоймой (7). В этом положении весь поток ИК излучения диода (2) датчика попадает на фотоприемник (8). Фотоприемник (8) открывается и на его нагрузочном сопротивлении появляется сигнал минимального значения, близкое нулевому (0.1 мВ - 0.3 мВ). Это напряжение усиливается блоком (10), отцифровывается АЦП (11) и поступает в память ПК (12), где программой Kalibr.exe ему присваивается нулевое перемещение. Затем с клавиатуры ПК (12) через блок управления (20) электродвигателем (15) через шток (17) проводят нагружение индентором (4) на динамометрическую скобу с постоянной скоростью и плавным увеличением нагрузки до 400 кг - 450 кг. При этом корпус измерительного узла (1) не перемещается, как и закрепленные в нем излучатель ИК (2) и фотоприемник (8). С начала движения индентора (4) светонепроницаемая шторка (3), закрепленная на корпусе тензодатчика (9), соединенного с индентором (4) неподвижно стоящего измерительного узла (1) начинает перекрывать ИК пучок излучателя (2) тем больше, чем больше происходит перемещение индентора (4). Плавное уменьшение инфракрасного излучения, попадающего на фотоприемник (8), приводит к его запиранию, что в свою очередь увеличивает сигнал на его нагрузочном сопротивлении. При полном запирании фотодиода (8) величина его выходного сигнала может достигать величины в 4.5 В. АЦП (11) регистрирует силу давления индентора на скобу по возрастающему сигналу, снимаемому с тензодатчика (9), величину перемещения индентора вниз по плавно увеличивающемуся сигналу с фотоприемника (8), скорость и время перемещения с блока управления (20), отцифровывает изменения сигналов и передает в память ПК (12). По достижении максимально установленной программой нагрузки движение индентора прекращается и через 3 с программой через блок управления (20) индентор отводится вверх в начальное положение с регистрацией всех параметров. Т.е. осуществляется двойная регистрация параметров перемещения индентора сверху вниз и обратно. Данные регистрации скорости, времени перемещения индентора и данные изменения выходного сигнала фотоприемника включаются программой в расчет величины линейного перемещения индентора. В результате этого расчета формируется калибровочная характеристика узла, при которой определенному перемещению индентора соответствует вполне определенное значение выходного сигнала фотоприемника. На этом калибровка обоих датчиков измерительного узла заканчивается. Calibration of the IR radiation sensor (2, 8) to determine the height of movement of the indenter (4) is carried out on a dynamometer using the same program as follows. An electric drive (15, 16) leads the measuring unit (1) to the dynamometer bracket until it stops with the lower contact sleeve (7). In this position, the entire infrared radiation flux of the diode (2) of the sensor enters the photodetector (8). The photodetector (8) opens and a signal of minimum value, close to zero (0.1 mV - 0.3 mV), appears on its load resistance. This voltage is amplified by block (10), the ADC is digitized (11) and enters the PC memory (12), where the Kalibr.exe program assigns zero movement to it. Then, from the PC keyboard (12) through the control unit (20) of the electric motor (15) through the rod (17), the indenter (4) is loaded onto the dynamometer bracket with a constant speed and a smooth increase in load to 400 kg - 450 kg. In this case, the housing of the measuring unit (1) does not move, as are the IR emitter (2) and the photodetector (8) fixed in it. From the beginning of the movement of the indenter (4), the opaque shutter (3) fixed on the body of the strain gauge (9) connected to the indenter (4) of the stationary measuring unit (1) begins to block the IR beam of the emitter (2) the more, the more the indenter moves (4). A smooth decrease in infrared radiation incident on the photodetector (8) leads to its blocking, which in turn increases the signal at its load resistance. When the photodiode (8) is completely locked, the value of its output signal can reach a value of 4.5 V. The ADC (11) registers the indenter pressure on the bracket using the increasing signal taken from the strain gauge (9), the indenter moves downward along the smoothly increasing signal from the photodetector ( 8), the speed and time of movement from the control unit (20), digitizes the changes in the signals and transfers them to the PC memory (12). Upon reaching the maximum load set by the program, the indenter movement stops and after 3 with the program through the control unit (20) the indenter is taken up to its initial position with registration of all parameters. Those. double registration of indenter moving parameters from top to bottom and back. Data recording the speed, time of movement of the indenter and the data of the change in the output signal of the photodetector are included in the program in calculating the linear displacement of the indenter. As a result of this calculation, a calibration characteristic of the node is formed at which a definite displacement of the indenter corresponds to a well-defined value of the output signal of the photodetector. This completes the calibration of both sensors of the measuring unit.
Следует отметить, что измерительный канал датчика линейного перемещения индентора не содержит каких-либо регулировок, а сама калибровка датчиков проводится единожды по той причине, что диоды ИК излучения имеют высокие технические характеристики, такие как узконаправленность и постоянную плотность излучения при малой мощности излучения, однако при необходимости калибровку любого из этих датчиков можно повторить. It should be noted that the measuring channel of the indenter linear displacement sensor does not contain any adjustments, and the sensors themselves are calibrated once because the IR diodes have high technical characteristics, such as narrow focus and constant radiation density at low radiation power, however, at If necessary, calibration of any of these sensors can be repeated.
Основной режим определения механических свойств металла проводится по программе Registr.exe. - регистрации процесса вдавливания индентора в испытуемый металл при записи диаграммы вдавливания и создания файла данных всех датчиков в ПК. The main mode for determining the mechanical properties of a metal is carried out using the Registr.exe program. - registration of the indenter indentation process in the test metal when recording the indentation diagram and creating a data file of all sensors in the PC.
Устройство работает следующим образом. Измерительный узел (1) с помощью электропривода (15, 16) через шток (17) подводится к испытуемому металлу до соприкосновения нижней контактной обоймы (7) узла (1) с поверхностью металла. Инфракрасное излучение датчика определения наплыва и его формы, от светодиодного излучателя (5), имея острую направленность, попадает на фотоприемный диод (6), на который попадает и часть излучения, отраженного от поверхности металла. Фотоприемник (6) под действием прямого и отраженного ИК от поверхности испытуемого металла излучения открывается и на его выходе устанавливается сигнал низкого уровня, соответствующий шероховатостям, имеющимся на поверхности в данном месте. Регулировкой усилителя фотоприемника (6) в блоке (10) осуществляется компенсация этого сигнала до нуля. Далее по программе испытаний осуществляется вдавливание индентора в металл с определенной скоростью и нагрузкой с последующим отводом индентора вверх. При этом нижняя контактная обойма (7) с датчиками (5, 6) остается на прежнем месте. В околоконтактной зоне после действия индентора возникает наплыв, который своими краями перекрывает часть ИК излучения, попадающего на фотоприемник (6), что приводит к незначительному закрыванию его и увеличению сигнала на его выходе. Таким образом, используется закономерность: чем больше высота наплыва, тем меньше ИК излучения попадает на фотоприемный диод (6), тем выше его выходной сигнал. Для определения формы наплыва необходимо запустить на выполнение вторую часть программы Registr. exe и отвести нижнюю прижимную обойму (7) в сторону на 3.5 мм, при этом излучатель (5) и фотоприемник (6) сканируют образовавшийся наплыв, а электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника (6), пропорциональный форме наплыва, отцифровывается АЦП (11) и поступает в память ПК (12). В этом случае при отводе нижней обоймы фотоприемный датчик (6) снимает полную картину рельефа образовавшегося наплыва. The device operates as follows. Using the electric drive (15, 16), the measuring unit (1) is fed through the rod (17) to the metal under test until the lower contact sleeve (7) of the unit (1) comes into contact with the metal surface. The infrared radiation of the sensor for determining the influx and its shape from the LED emitter (5), having a sharp focus, hits the photodetector diode (6), which also receives part of the radiation reflected from the metal surface. The photodetector (6), under the influence of direct and reflected IR from the surface of the test metal, the radiation opens and a low-level signal is established at its output, which corresponds to the roughnesses present on the surface in this place. By adjusting the photodetector amplifier (6) in block (10), this signal is compensated to zero. Further, according to the test program, the indenter is pressed into the metal at a certain speed and load, followed by the indenter being pulled up. In this case, the lower contact cage (7) with sensors (5, 6) remains in the same place. In the near-contact zone after the action of the indenter, an influx occurs, which with its edges covers part of the infrared radiation incident on the photodetector (6), which leads to an insignificant closure of it and an increase in the signal at its output. Thus, a regularity is used: the higher the influx height, the less IR radiation falls on the photodetector diode (6), the higher its output signal. To determine the shape of the influx, you must run the second part of the Registr program. exe and move the lower pressure clip (7) to the side by 3.5 mm, while the emitter (5) and the photodetector (6) scan the resulting influx, and the electrical signal taken from the photodetector (6), proportional to the shape of the influx, is digitized by the ADC (11) and enters the PC memory (12). In this case, when the lower holder is retracted, the photodetector sensor (6) takes a complete picture of the relief of the formed influx.
Затем полученные файлы данных испытанных образцов используют в подпрограммах Analitik. exe. Пакет программ Analitik.exe используется для последовательного анализа механических свойств испытанных образцов. Результаты работы программ представляются в графическом, текстовом и аналитическом видах. Then, the obtained data files of the tested samples are used in the Analitik routines. exe. The Analitik.exe software package is used for sequential analysis of the mechanical properties of the tested samples. The results of the programs are presented in graphical, textual and analytical forms.
Используя в качестве излучателя и приемника диоды фирмы Charp или отечественные АЛ107Б и ФП206, возможно получить точность геометрических размеров наплыва и величины линейного перемещения индентора по предлагаемому изобретению с погрешность ± 0.1 мкм. Для получения такого высокого результата время преобразования АЦП должно быть не более 30 мкс с разрешающей способностью не менее 14 разрядов. Using Charp diodes or domestic AL107B and FP206 as emitter and receiver, it is possible to obtain the accuracy of the geometric dimensions of the influx and the linear displacement of the indenter according to the invention with an error of ± 0.1 μm. To obtain such a high result, the ADC conversion time should be no more than 30 μs with a resolution of at least 14 bits.
В настоящее время проведены успешные лабораторные испытания устройства на аустенитных образцах, а само устройство готовится для испытаний в промышленных условиях на Ново-Воронежской АЭС. Currently, successful laboratory tests of the device on austenitic samples have been carried out, and the device itself is being prepared for testing in industrial conditions at the Novo-Voronezh NPP.
Предлагаемые изобретения позволяют не только повысить точность определения твердости и пластичности испытуемого металла, но и достаточно точно осуществлять экспресс диагностику и классификацию по механическим свойствам неизвестных образцов. The proposed invention allows not only to increase the accuracy of determining the hardness and ductility of the test metal, but also quite accurately carry out rapid diagnostics and classification according to the mechanical properties of unknown samples.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001128638A RU2210755C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001128638A RU2210755C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2210755C2 true RU2210755C2 (en) | 2003-08-20 |
Family
ID=29245956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001128638A RU2210755C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2210755C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112213201A (en) * | 2020-10-29 | 2021-01-12 | 浙江工业大学 | On-site disc spring rigidity testing system and method |
| CN115791384A (en) * | 2023-01-09 | 2023-03-14 | 苏州熠品质量技术服务有限公司 | Ball pressure test indentation measurement system based on machine vision |
| CN117268969A (en) * | 2023-11-03 | 2023-12-22 | 安徽众成合金科技有限公司 | Alloy hardness multi-point detection device with stable clamping function |
-
2001
- 2001-10-24 RU RU2001128638A patent/RU2210755C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112213201A (en) * | 2020-10-29 | 2021-01-12 | 浙江工业大学 | On-site disc spring rigidity testing system and method |
| CN115791384A (en) * | 2023-01-09 | 2023-03-14 | 苏州熠品质量技术服务有限公司 | Ball pressure test indentation measurement system based on machine vision |
| CN115791384B (en) * | 2023-01-09 | 2023-04-21 | 苏州熠品质量技术服务有限公司 | Ball press test indentation measurement system based on machine vision |
| CN117268969A (en) * | 2023-11-03 | 2023-12-22 | 安徽众成合金科技有限公司 | Alloy hardness multi-point detection device with stable clamping function |
| CN117268969B (en) * | 2023-11-03 | 2024-05-14 | 溧阳市金昆锻压有限公司 | Alloy hardness multi-point detection device with stable clamping function |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10139327B2 (en) | Indentation device, instrumented measurement system, and a method for determining the mechanical properties of materials by the indentation method | |
| US6730912B2 (en) | Method and apparatus for detecting normal cracks using infrared thermal imaging | |
| US7516663B2 (en) | Systems and method for locating failure events in samples under load | |
| US4870669A (en) | Gamma ray flaw detection system | |
| DE59707650D1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING AN ANALYTIC IN A DIVERSE MATRIX | |
| US20140365158A1 (en) | Laser ultrasound material testing | |
| US4650334A (en) | Optical straightness gauge and method | |
| US5010658A (en) | Hole profile gaging systems | |
| EP0242425A2 (en) | Method for evaluating residual fatigue life of mechanical parts | |
| US20120043962A1 (en) | Method and apparatus for eddy current inspection of case-hardended metal components | |
| RU2210755C2 (en) | Procedure determining parameters of indentation made in surface of metal tested for hardness and facility for its implementation | |
| KR970000024B1 (en) | Method and apparatus for dynamically checking dimensions of mechanical parts | |
| JPS61175554A (en) | Nondestructive inspection method of metallic pipe using x-ray diffraction | |
| DE68908022D1 (en) | OPTICAL PROBE WITHOUT CONTACT. | |
| EP0192722A1 (en) | Apparatus and method for static stress measurement in an object. | |
| JPS6020147A (en) | Apparatus for judging metal by ultrasonic wave | |
| JPH0535376B2 (en) | ||
| CN105043210A (en) | Object surface coating thickness detection device and process management and control method | |
| JP2544428B2 (en) | Stress measuring method and stress measuring device | |
| Katzir et al. | On-line acquisition and analysis for holographic nondestructive evaluation | |
| RU2447400C1 (en) | Device to measure displacement and deformation | |
| RU2320974C2 (en) | Device for measuring hardness | |
| Brown et al. | A laser and video-based displacement transducer for the monitoring of bridge deflections | |
| RU10260U1 (en) | BEND MEASUREMENT DEVICE | |
| RU2554028C1 (en) | Diagnostic device of control elements of rolling stock derailing control device (rsdcd) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151025 |