RU2371700C1 - Method for detection of steel product hardness - Google Patents

Method for detection of steel product hardness Download PDF

Info

Publication number
RU2371700C1
RU2371700C1 RU2008130575/28A RU2008130575A RU2371700C1 RU 2371700 C1 RU2371700 C1 RU 2371700C1 RU 2008130575/28 A RU2008130575/28 A RU 2008130575/28A RU 2008130575 A RU2008130575 A RU 2008130575A RU 2371700 C1 RU2371700 C1 RU 2371700C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hardness
steel
function
speckle
thermal
Prior art date
Application number
RU2008130575/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Станиславович Казак (BY)
Николай Станиславович Казак
Владимир Николаевич Белый (BY)
Владимир Николаевич Белый
Николай Анатольевич Хило (BY)
Николай Анатольевич Хило
Петр Иосифович Ропот (BY)
Петр Иосифович Ропот
Александр Георгиевич Мащенко (BY)
Александр Георгиевич Мащенко
Original Assignee
Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" filed Critical Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority to RU2008130575/28A priority Critical patent/RU2371700C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2371700C1 publication Critical patent/RU2371700C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: steel product is exposed to local action of powerful laser radiation, as a result of which non-stationary thermal field is optically excited. Space-time modulation of thermal waves from metal surface is transferred to optical area with application of a reading laser beam with low power in visible spectrum. Using CCD camera, dynamics of sample surface speckle images is registered. Breaking speckle images into several fragmentary sections, function values F(T, r)=1-cor(T, r) are calculated, where cori(T1, r) is a correlation function. For a separated fragment, using produced values, they build a curve of function F(T, r), and calibration curves are used to detect mechanical hardness of this portion in steel product. ^ EFFECT: lower error of measurements due to exclusion of negative effect of parasite infrared sources of radiation. ^ 13 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение для неразрушающего оптического контроля при дистанционном определении механической твердости стальных изделий.The invention relates to the field of mechanical engineering and can find application for non-destructive optical control for remote determination of the mechanical hardness of steel products.

Широко распространенные способы измерения твердости металлов и сплавов, основанные на сопротивлении образца механическому вдавливанию, не удовлетворяют возрастающим требованиям современной промышленности. В основном претензии сводятся к тому, что это разрушающие контактные методы. Отмечаются также проблема контроля кривых поверхностей и трудности измерения профиля твердости по глубине. Способ неразрушающего контроля механических свойств сталей, основанный на применении магнитного метода (коэрцитивная сила) [напр.1], применим только для ферромагнитных материалов. Разработка неразрушающих бесконтактных способов определения твердости упрочняющих поверхностей деталей, изготовленных из стальных сплавов, в промышленности является весьма актуальной задачей.Widespread methods for measuring the hardness of metals and alloys, based on the resistance of the sample to mechanical indentation, do not satisfy the increasing requirements of modern industry. The main complaints are that they are destructive contact methods. The problem of controlling curved surfaces and the difficulty of measuring the profile of hardness in depth are also noted. The method of non-destructive testing of the mechanical properties of steels, based on the application of the magnetic method (coercive force) [eg 1], is applicable only to ferromagnetic materials. The development of non-destructive non-contact methods for determining the hardness of the hardening surfaces of parts made of steel alloys in industry is a very urgent task.

Физической основой известных термо- и упругооптических способов неразрушающего контроля и диагностики является использование слабозатухающих акустических волн и нестационарных тепловых полей для зондирования поверхности и внутренних областей металлов. В этих способах пространственно-временная модуляция, локализованная в амплитудно-фазовых профилях акустической или тепловой волн, переносится на поверхности металла, а съем информации проводится с помощью считывающего пучка. Например, в [2] лазерная инфракрасная фототепловая радиометрия применялась для измерения термофизических свойств (тепловая диффузия и проводимость) наносимых на металл покрытий. Известен «flash»-способ [3] для измерения коэффициента температуропроводности, теплоемкости и коэффициента теплопроводности металлов (медь, серебро, железо, никель, алюминий, олово, цинк). Здесь мощный световой импульс поглощался передней поверхностью термически изолированного образца, а динамика температуры тыловой поверхности измерялась термопарой.The physical basis of the known thermo- and elasto-optical methods of non-destructive testing and diagnostics is the use of weakly attenuated acoustic waves and unsteady thermal fields for sensing the surface and internal areas of metals. In these methods, spatio-temporal modulation, localized in the amplitude-phase profiles of acoustic or thermal waves, is transferred to the metal surface, and information is collected using a read beam. For example, in [2], laser infrared photothermal radiometry was used to measure the thermophysical properties (thermal diffusion and conductivity) of coatings deposited on a metal. Known "flash" method [3] for measuring the coefficient of thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity of metals (copper, silver, iron, nickel, aluminum, tin, zinc). Here, a powerful light pulse was absorbed by the front surface of a thermally insulated sample, and the dynamics of the temperature of the rear surface were measured with a thermocouple.

Известно, что между механической твердостью и теплофизическими характеристиками сплава существует корреляционная связь [4]. Используя инфракрасную фототепловую радиометрию, авторы [4] заключают, что между термофизическими параметрами, их динамикой и профилями механической твердости наблюдается хорошая корреляция, которая пригодна для оценки поперечной неоднородности твердости закаливаемого слоя.It is known that there is a correlation between mechanical hardness and thermophysical characteristics of the alloy [4]. Using infrared photothermal radiometry, the authors of [4] conclude that there is a good correlation between thermophysical parameters, their dynamics, and mechanical hardness profiles, which is suitable for assessing the transverse inhomogeneity of hardness of the hardened layer.

В фототермическом способе определения твердости стали [5] (прототип) показано, что одной из теплофизических характеристик, пригодной на практике для определения твердости, может быть коэффициент термической диффузии k. Данный коэффициент определяет, в частности, скорость распространения теплового потока, который формируется под действием внешнего теплового источника Q и зависит от плотности ρ и удельной теплоемкости с металла. Считая, что плотность стали постоянная, в [5] делается заключение о корреляции твердости и тепловой проводимости. Тепловая проводимость, в свою очередь, пропорциональна коэффициенту термической диффузии. Калибровочные кривые между твердостью стального образца и коэффициентом термической диффузии обеспечивают основу для определения твердости. Физическая сущность фототермического способа определения твердости изделий из стали состоит в лазерном возбуждении в изделии теплового потока и регистрации температурной динамики с помощью датчика инфракрасного ИК-излучения. Фототермическое измерение амплитуды и разности фаз с применением процедуры многократного сглаживания позволило авторам [5] восстановить профиль тепловой проводимости стали. По калибровочным кривым профиль тепловой проводимости «переводился» в профиль твердости и сравнивался с традиционным профилем по Викерсу. Одним из недостатков фототермического способа измерения твердости является негативное влияние «паразитных» инфракрасных источников излучения, избавиться от которых в условиях производства весьма сложно.In the photothermal method for determining the hardness of steel [5] (prototype) it is shown that one of the thermophysical characteristics suitable in practice for determining hardness can be the coefficient of thermal diffusion k. This coefficient determines, in particular, the propagation velocity of the heat flux, which is formed under the action of an external heat source Q and depends on the density ρ and specific heat capacity from the metal. Assuming that the density of steel is constant, a conclusion is made in [5] on the correlation of hardness and thermal conductivity. Thermal conductivity, in turn, is proportional to the coefficient of thermal diffusion. Calibration curves between the hardness of the steel sample and the coefficient of thermal diffusion provide the basis for determining hardness. The physical essence of the photothermal method for determining the hardness of steel products consists in laser excitation of the heat flux in the product and registration of temperature dynamics using an infrared infrared sensor. Photothermal measurement of the amplitude and phase difference using the multiple smoothing procedure allowed the authors [5] to restore the profile of thermal conductivity of steel. According to the calibration curves, the thermal conductivity profile was “translated” into the hardness profile and compared with the traditional Vickers profile. One of the disadvantages of the photothermal method for measuring hardness is the negative effect of “spurious" infrared radiation sources, which are very difficult to get rid of under production conditions.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность применения в производственных условиях оптического неразрушающего способа определения твердости изделий из стали, которая позволяет исключить негативное влияние «паразитных» инфракрасных источников излучения, тем самым уменьшая погрешность измерения.The objective of the invention is the ability to use in an optical non-destructive method for determining the hardness of steel products, which eliminates the negative influence of "spurious" infrared radiation sources, thereby reducing the measurement error.

Поставленная задача решается следующим образом. Исследуемое изделие из стали подвергают локальному воздействию лазерным излучением с мощностью, необходимой для оптического возбуждения нестационарного теплового поля. Затем объект дополнительно облучают лазерным излучением и регистрируют динамику спекл-изображений поверхности изделия. Разбивая спекл-изображения на ряд фрагментарных участков, рассчитывают значения функцииThe problem is solved as follows. The investigated steel product is subjected to local exposure to laser radiation with the power necessary for the optical excitation of a non-stationary thermal field. Then the object is additionally irradiated with laser radiation and the dynamics of speckle images of the surface of the product is recorded. Dividing speckle images into a series of fragmented sections, the values of the function are calculated

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

Figure 00000002
Figure 00000002

cori(T1, r) - корреляционная функция (КФ),cor i (T 1 , r) - correlation function (CF),

I - интенсивность отраженного излучения,I is the intensity of the reflected radiation,

r=(x,y) - координаты точки фрагмента спекл-изображения,r = (x, y) - coordinates of the point of the speckle image fragment,

T1, Tm - температуры получения спекл-изображений,T 1 , T m - the temperature of obtaining speckle images,

i=1…М - номер фрагмента спекл-изображения,i = 1 ... M is the number of the speckle image fragment,

m=1…N - номер спекл-изображения, полученного от объекта при температуре Tm,m = 1 ... N is the number of speckle images received from the object at a temperature T m ,

ΔS - площадь i-го фрагмента спекл-изображения.ΔS is the area of the ith fragment of the speckle image.

Для выделенного фрагмента по полученным значениям строят график функции F(T,r) и по калибровочным кривым определяют механическую твердость этого участка изделия.For the selected fragment, the function F (T, r) is plotted using the obtained values and the mechanical hardness of this section of the product is determined from the calibration curves.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 показана схема устройства нестационарной спекл-фотометрии;figure 1 shows a diagram of a device for non-stationary speckle photometry;

на фиг.2-5 - зависимость корреляционной функции С(Т,r) для образцов №1 и №2 от времени t при фиксированных значениях z;figure 2-5 - dependence of the correlation function C (T, r) for samples No. 1 and No. 2 from time t at fixed values of z;

на фиг.6 - зависимость корреляционной функции С(Т,r) для образца №3 в фиксированный момент времени t в зависимости от координаты z;figure 6 - dependence of the correlation function C (T, r) for sample No. 3 at a fixed point in time t depending on the coordinate z;

на фиг.7 - зависимость термодинамической температуры Т от времени t, полученная из численного решения пространственно-одномерного уравнения теплопроводности для стали при трех фиксированных z;in Fig.7 - the dependence of the thermodynamic temperature T on time t, obtained from a numerical solution of the spatially one-dimensional heat equation for steel at three fixed z;

на фиг.8 - зависимость функции F(T,r) от времени t для образца №1 при фиксированном значении z;on Fig - dependence of the function F (T, r) on time t for sample No. 1 at a fixed value of z;

на фиг.9 - зависимость производной термодинамической температуры Т от времени t для случаев, соответствующих фиг.7;in Fig.9 - the dependence of the derivative of thermodynamic temperature T on time t for cases corresponding to Fig.7;

на фиг.10 - зависимость функции F(T,r) от времени t для образца №3 с тонкой дробеструйной обработкой при трех фиксированных значениях z;figure 10 - dependence of the function F (T, r) on time t for sample No. 3 with fine shot peening at three fixed values of z;

на фиг.11 - зависимость функции F(T,r) от времени t для образца №3 с грубой прокаткой при трех фиксированных значениях z;figure 11 - dependence of the function F (T, r) on time t for sample No. 3 with rough rolling at three fixed values of z;

на фиг.12 - зависимость производной функции F(T,r) от времени t для образца №3 с тонкой дробеструйной обработкой и грубой прокаткой при фиксированном значении z;on Fig - dependence of the derivative of the function F (T, r) on time t for sample No. 3 with fine bead-blasting and rough rolling at a fixed value of z;

на фиг.13 - зависимость производной термодинамической температуры Т от времени t, полученная из численного решения пространственно-одномерного уравнения теплопроводности при значениях коэффициента термической диффузии k для стали, найденных на основании экспериментальных данных из фиг.12.on Fig - dependence of the derivative of the thermodynamic temperature T on time t, obtained from a numerical solution of the spatially one-dimensional heat equation with values of the coefficient of thermal diffusion k for steel, found on the basis of experimental data from Fig. 12.

Работоспособность заявляемого способа определения твердости изделий из стали была подтверждена экспериментальными исследованиями. Схема экспериментальной установки для нестационарной спекл-фотометрии, использующая пространственно-неоднородный нагрев объекта исследования, представлена на фиг.1. На поверхность изделия 1 направлялось излучение лазерного диода 2 мощностью, необходимой для оптического возбуждения нестационарного теплового поля. В нашем эксперименте мощность лазерного диода составляла 15 Вт. Излучение фокусировалось цилиндрической линзой 3. Из-за неоднородного нагрева вдоль поверхности и в объеме образца возбуждался нестационарный тепловой поток 4. При зондировании области теплового возмущения 5 излучением He-Ne лазера 6 мощностью 10 мВт формировалось динамическое спекл-изображение поверхности образца с помощью оптической системы 7, которое регистрировалось быстродействующей CCD-камерой 8. В эксперименте нами использованы следующие режимы CCD-камеры: частота регистрации спекл-изображений 100 Гц, число элементов разрешения 1392×1040piх с размер pix 6,4×6,4 мкм. Исследования проводились на трех образцах: 1) двух из стали Сталь 45 в виде цилиндров размером 18×8 мм с различной степенью закалки - HRC=21,5 и HRC=28,7; 2) пластинке из стали 18МnСr05 размером 55×40×10 мм с четырьмя участками, отличающимися видами механического упрочнения поверхности: а) тонкая дробеструйная обработка HV=376, б) тонкая прокатка HV=427, в) грубая дробеструйная обработка HV=447, г) грубая прокатка HV=481.The performance of the proposed method for determining the hardness of steel products was confirmed by experimental studies. The experimental setup for unsteady speckle photometry, using spatially inhomogeneous heating of the object of study, is presented in figure 1. On the surface of the product 1 was directed the radiation of a laser diode 2 with the power necessary for optical excitation of a non-stationary thermal field. In our experiment, the power of the laser diode was 15 watts. The radiation was focused by a cylindrical lens 3. Due to inhomogeneous heating along the surface and in the volume of the sample, an unsteady heat flux 4 was excited. When probing the region of thermal disturbance 5 by 10 mW He-Ne laser radiation, a dynamic speckle image of the sample surface was formed using an optical system 7 recorded by a high-speed CCD-camera 8. In the experiment, we used the following CCD-camera modes: frequency of speckle image registration 100 Hz, number of resolution elements 1392 × 1040pi pix with size 6.4 × 6.4 mm. The studies were carried out on three samples: 1) two of Steel 45 Steel in the form of cylinders 18 × 8 mm in size with various degrees of hardening - HRC = 21.5 and HRC = 28.7; 2) a plate made of steel 18MnСr05 with a size of 55 × 40 × 10 mm with four sections differing in the types of mechanical hardening of the surface: a) thin bead-blasting HV = 376, b) thin rolling HV = 427, c) rough bead-blasting HV = 447, g ) rough rolling HV = 481.

Экспериментально нами реализован наиболее простой с точки зрения точности спекл-фотометрических измерений случай, когда тепловое поле является квазиплоским. Такое поле формировалось при фокусировке лазерного пучка цилиндрической линзой 3. Для обработки зарегистрированного спекл-изображения поверхности образца применяли анализ временной и пространственной динамики спекл-полей. Отметим, что при измерении спекл-поля на различных расстояниях от источника их динамика в соответствии с уравнением теплопроводности определяется величиной коэффициента термической диффузии k. Таким образом, предлагаемый способ ориентирован на извлечение коэффициента k стали из корреляционной функции КФ (2) спекл-изображений, полученных в различные моменты времени и на различных расстояниях.We experimentally realized the simplest case from the point of view of the accuracy of speckle-photometric measurements when the thermal field is quasi-flat. Such a field was formed when the laser beam was focused by a cylindrical lens 3. To process the recorded speckle image of the sample surface, an analysis of the temporal and spatial dynamics of speckle fields was used. Note that, when measuring the speckle field at various distances from the source, their dynamics in accordance with the heat equation is determined by the thermal diffusion coefficient k. Thus, the proposed method is focused on extracting the coefficient k of steel from the correlation function KF (2) of speckle images obtained at different points in time and at different distances.

Зависимости корреляционных функций КФ cori(T1,r) от времени t, полученные экспериментально для закаленной стали (образец №1 - кривая 1, образец №2 - кривая 2), приведены на фиг.2-5. Данные КФ получены на разных расстояниях (координата z приведена в пикселях CCD на фиг.2-5) от теплового источника. Из фиг.2-5 видно, что корреляционная функция в близкой к источнику области для образца №2 ниже (твердость образца №2 по шкале HRC выше) чем для №1. При этом различие КФ для указанных образцов по мере удаления от источника сначала возрастает, а затем на достаточно удаленном расстоянии z≈500 снова уменьшается. Поведение корреляционных функций в фиксированный момент времени t в зависимости от расстояния z для образца №3 стали с различными видами обработки приведено на фиг.6. Видно, что поведение корреляционных функций «гармонирует» с изменением твердости выделенных участков стали, измеренной классическим методом вдавливания по шкале HV. Таким образом, как следует из фиг.2-6, наблюдается однозначная связь твердости стали и корреляционной функции, полученной из динамики спекл-изображения поверхности образца. При этом однозначность связи указанных параметров повышается при соответствующем выборе временной и пространственной области построения КФ, т.е. при обеспечении в экспериментах необходимого быстродействия CCD и расстояния от источника тепла до точки измерения.The dependences of the correlation functions of KF cor i (T 1 , r) on time t obtained experimentally for hardened steel (sample No. 1 — curve 1, sample No. 2 — curve 2) are shown in FIGS. 2-5. The CF data was obtained at different distances (the z coordinate is given in CCD pixels in FIGS. 2-5) from the heat source. Figure 2-5 shows that the correlation function in the region close to the source for sample No. 2 is lower (the hardness of sample No. 2 on the HRC scale is higher) than for No. 1. In this case, the difference in CF for these samples with increasing distance from the source first increases, and then at a sufficiently remote distance z≈500 decreases again. The behavior of the correlation functions at a fixed time t depending on the distance z for sample No. 3 of steel with various types of processing is shown in Fig.6. It can be seen that the behavior of the correlation functions “harmonizes” with the change in hardness of the selected sections of steel, measured by the classical method of indentation on the HV scale. Thus, as follows from figure 2-6, there is an unambiguous relationship between the hardness of steel and the correlation function obtained from the dynamics of the speckle image of the surface of the sample. Moreover, the unambiguity of the relationship between these parameters increases with an appropriate choice of the temporal and spatial areas of the CF construction, i.e. while providing in experiments the necessary CCD speed and the distance from the heat source to the measurement point.

Известно и проверено нами на исследуемых образцах изделий из стали, что при небольших температурах нагрева ΔT (в эксперименте ΔT составляло около 25°С) корреляционная функция линейно связана с величиной перемещения спеклов. Тепловое расширение стали пропорционально первой степени температуры при небольших температурах нагрева. И именно из-за теплового расширения происходит смещение спеклов. Как видно, из-за эффекта насыщения КФ (спадания до нуля) нагрев ΔT связан со средним размером спеклов и существенно ниже диапазона температур линейного теплового расширения стали. С учетом сделанных выше замечаний в качестве характеристики теплового поля нами введена функция F(T,r)=1-cor(T,r), которая может использоваться в качестве оптического аналога термодинамической температуры для стального образца (условное название - “оптическая температура”). Сходство «оптической температуры» и термодинамической иллюстрируется фиг.7-13. На фиг.7 показана временная зависимость термодинамической температуры, полученная из численного решения пространственно-одномерного уравнения теплопроводности для стали при трех фиксированных значениях координаты z, а на фиг.8 - зависимость вида (1) F(T,r)=1-cor(T,r), полученная на основе экспериментальных данных. Первое существенное сходство функции термодинамической температуры Т и функции F(T,r) от времени t состоит в том, что они имеют точку перегиба, т.е. точку максимума первой производной по времени. Из пространственно-одномерного уравнения теплопроводности следует, что коэффициент термической диффузии k равен z2/2t (при условии пренебрежения шириной пучка), где (z,t) - координаты максимума функции dT/dt. Положение этого максимума смещается во временной координате вправо (запаздывание) при удалении (увеличении координаты z) точки измерения температуры от источника тепла. На фиг.9 представлена зависимость производной термодинамической температуры Т от времени t для случаев, соответствующих фиг.7 (номер графика растет с ростом z).It is known and tested by us on the studied samples of steel products that at low heating temperatures ΔT (in the experiment ΔT was about 25 ° C), the correlation function is linearly related to the magnitude of the movement of speckles. The thermal expansion of steel is proportional to the first degree of temperature at low heating temperatures. And it is precisely because of thermal expansion that the speckles shift. As can be seen, due to the saturation effect of CF (falling to zero), the heating ΔT is associated with the average speckle size and is significantly lower than the temperature range of linear thermal expansion of steel. Taking into account the above remarks, as a characteristic of the thermal field, we introduced the function F (T, r) = 1-cor (T, r), which can be used as an optical analog of the thermodynamic temperature for a steel sample (conventional name - “optical temperature”) . The similarity of the "optical temperature" and thermodynamic is illustrated in Fig.7-13. Figure 7 shows the time dependence of the thermodynamic temperature obtained from the numerical solution of the spatially one-dimensional heat equation for steel at three fixed values of the z coordinate, and Fig. 8 shows a dependence of the form (1) F (T, r) = 1-cor ( T, r) obtained on the basis of experimental data. The first significant similarity of the thermodynamic temperature function T and the function F (T, r) versus time t is that they have an inflection point, i.e. the maximum point of the first time derivative. It follows from the spatially one-dimensional heat equation that the coefficient of thermal diffusion k is equal to z 2 / 2t (provided that the beam width is neglected), where (z, t) are the coordinates of the maximum of the function dT / dt. The position of this maximum shifts to the right in time (lag) when the point of temperature measurement is removed (by increasing the z coordinate) from the heat source. Figure 9 shows the dependence of the derivative of thermodynamic temperature T on time t for the cases corresponding to Fig. 7 (the graph number grows with increasing z).

На фиг.10 и фиг.11 приведены полученные экспериментально временные зависимости «оптической температуры» при трех различных значения z образа стали №3 для тонкой дробеструйной обработкой и грубой прокатки соответственно. Взяв производную «оптической температуры» при фиксированной z для указанных видов механической обработки (для тонкой дробеструйной обработкой и грубой прокатки), получаем куполообразные кривые с явно выраженным максимумом фиг.13. Как видно, указанный ранее эффект смещения максимума производной «оптической температуры» наблюдается в случае изменения твердости выделенного фрагмента изделия из стали. Если предположить коэффициенты подобия Kz и Kt (это своеобразные характеристики экспериментальной схемы прибора) известными, то, определяя из фиг.13 координаты (z,t) максимума функции dF(T,r)/dt, можно вычислить значение коэффициента k. Полученный таким образом из фиг.13 коэффициент термической диффузии k для тонкой дробеструйной обработки равен k1=0,112 см2/с, для грубой прокатки k4=0,105 см2/с. Можно воспользоваться и относительным определением коэффициентов термической диффузии. В этом случае, знание истинных значений коэффициентов Kz и Kt не требуется. На фиг.12 представлены результаты теоретического расчета производной термодинамической температуры изделий из стали известной марки из одномерного уравнения теплопроводности при значениях k, полученных на основании экспериментальных данных из фиг.13. Наблюдается хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. Используя, для примера, калибровочную кривую из [5], для полученных значений коэффициентов k1 и k4 находим твердость соответствующих участков изделия №3 из стали. Полученные значения твердости для тонкой дробеструйной обработки и грубой прокатки равны соответственно HV1=380 и HV4=480. Найденные значения твердости соответствуют параметрам используемых образцов.Figure 10 and figure 11 shows the experimentally obtained temporal dependences of the "optical temperature" at three different values of the z image of steel No. 3 for fine bead-blasting and rough rolling, respectively. Taking the derivative of the "optical temperature" at a fixed z for the indicated types of machining (for fine bead-blasting and rough rolling), we obtain dome-shaped curves with a pronounced maximum of Fig. 13. As can be seen, the previously indicated effect of the displacement of the maximum of the derivative of the “optical temperature” is observed in case of a change in the hardness of the selected fragment of the steel product. If we assume that the similarity coefficients K z and K t (these are peculiar characteristics of the experimental design of the device) are known, then, by determining, from Fig. 13, the coordinates (z, t) of the maximum of the function dF (T, r) / dt, we can calculate the value of the coefficient k. The thermal diffusion coefficient k obtained in this way from Fig. 13 for fine shot blasting is k 1 = 0.112 cm 2 / s, for coarse rolling k 4 = 0.105 cm 2 / s. You can use the relative determination of the coefficients of thermal diffusion. In this case, knowledge of the true values of the coefficients K z and K t is not required. On Fig presents the results of a theoretical calculation of the derivative of the thermodynamic temperature of steel products of famous brand from the one-dimensional heat equation for values of k obtained on the basis of experimental data from Fig.13. There is a good agreement between theoretical and experimental results. Using, for example, the calibration curve from [5], for the obtained values of the coefficients k 1 and k 4 we find the hardness of the corresponding sections of the product No. 3 of steel. The obtained hardness values for thin bead-blasting and rough rolling are equal to HV 1 = 380 and HV 4 = 480, respectively. The found hardness values correspond to the parameters of the samples used.

Таким образом, оптически возбуждая нестационарное тепловое поле и дополнительно облучая объект маломощным лазером, из динамики спекл-изображений поверхности образца рассчитывают значения функции F(T,r)=1-cor(T,r) - своеобразный оптический аналог термодинамической температуры. Измеряя положение максимума dF(T,r)/dt и его смещение и используя процедуру калибровки, можно извлечь значение коэффициента термической диффузии k, а по нему определить механическую твердость изделий из стали. В наших экспериментах смещение максимума dF(T,r)/dt было невелико и согласно фиг.12 составляло два временных интервала, что также соответствовало и теоретическим расчетам. Следовательно, для увеличения надежности указанного алгоритма измерения коэффициента k необходимо увеличивать быстродействие системы регистрации спекл-изображений. Ясно также, что такой подход существенно снизит погрешность результатов определения твердости для изделий из сталей с меньшим значением коэффициента термической диффузии k.Thus, by optically exciting a non-stationary thermal field and additionally irradiating the object with a low-power laser, the values of the function F (T, r) = 1-cor (T, r), a kind of optical analog of thermodynamic temperature, are calculated from the dynamics of speckle images of the sample surface. By measuring the position of the maximum dF (T, r) / dt and its displacement and using the calibration procedure, we can extract the value of the coefficient of thermal diffusion k and determine the mechanical hardness of steel products from it. In our experiments, the maximum displacement dF (T, r) / dt was small and, according to Fig. 12, amounted to two time intervals, which also corresponded to theoretical calculations. Therefore, to increase the reliability of the specified algorithm for measuring the coefficient k, it is necessary to increase the speed of the speckle image registration system. It is also clear that this approach will significantly reduce the error in the results of determining hardness for steel products with a lower value of the coefficient of thermal diffusion k.

Отметим, что в предложенном способе измеренный коэффициент термической диффузии достаточен для определения твердости изделий из стали. Для этого необходим дополнительный пересчет данных параметров, используя эмпирическую связь между ними. В литературе отмечается, что указанные корреляционные зависимости необходимо устанавливать отдельно для каждой марки стали. В настоящее время не разработана общая теория, на основании которой можно рассчитать аналитически характер связи коэффициента термической диффузии и твердости. Следовательно, подход состоит в установлении эмпирических зависимостей данных параметров и последующем их применении для калибровки оптического измерительного устройства.Note that in the proposed method, the measured coefficient of thermal diffusion is sufficient to determine the hardness of steel products. For this, additional recalculation of these parameters is necessary, using the empirical relationship between them. It is noted in the literature that these correlation dependencies must be established separately for each steel grade. At present, a general theory has not been developed on the basis of which one can analytically calculate the relationship between the coefficient of thermal diffusion and hardness. Therefore, the approach consists in establishing the empirical dependencies of these parameters and their subsequent application to calibrate the optical measuring device.

Предлагаемый способ определения твердости стали имеет определенные преимущества в сравнении с радиометрическим методом (прототипом), основанным на измерении теплового излучения. В частности, оптический метод не требует внешней теплоизоляции измерительного устройства, а также основан на применении более дешевой и удобной в эксплуатации оптики видимого диапазона.The proposed method for determining the hardness of steel has certain advantages in comparison with the radiometric method (prototype) based on the measurement of thermal radiation. In particular, the optical method does not require external thermal insulation of the measuring device, and is also based on the use of cheaper and easier to use optics in the visible range.

Источники информацииInformation sources

1. Г.В.Бида, А.П.Ничипурук. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле. / Дефектоскопия. 2000. №11. с.-1-29.1. G.V. Bida, A.P. Nichipuruk. Coercimetry in non-destructive testing. / Defectoscopy. 2000. No. 11. S.-1-29.

2. J.A.Garcia, A.Mandelis, В.Farahbakhsh, С.Lebowitz and I.Harris. Thermophysical Properties of Thermal Sprayed Coatings on Carbon Steel Substrates by Photothermal Radiometry./International Journal of Thermophysics, 1999, v.20, N5. p.1587-1602.2. J.A. Garcia, A. Mandelis, B. Farahbakhsh, C. Lebowitz and I. Harris. Thermophysical Properties of Thermal Sprayed Coatings on Carbon Steel Substrates by Photothermal Radiometry./International Journal of Thermophysics, 1999, v.20, N5. p. 1587-1602.

3. W.J.Parker, R.J.Jenkins, C.P.Butler and G.L.Abbott. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity./ Appl. Phys., 1961, v.32, N.9. p.1689-1684.3. W.J. Parker, R.J. Jenkins, C.P. Butler and G. L. Abbott. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity./ Appl. Phys., 1961, v. 32, N.9. p.1689-1684.

4. Y.Liu, N.Baddour, A.Mandelis. Transverse depth-profilometric hardness photothermal phase imaging of heat treated steels. / Appl. Phys., 2003, v.94, N.9. p.5543-5548.4. Y. Liu, N. Baddour, A. Mandelis. Transverse depth-profilometric hardness photothermal phase imaging of heat treated steels. / Appl. Phys., 2003, v. 94, N.9. p. 5543-5548.

5. H.G.Walther, D.Fournier, J.C.Krapez, M.Luukkala, B.Schmitz, C.Sibilia, H.Stamm, J.Thoen. Photothermal Steel Hardness Measerements- Results and Perspectives // Analytical sciences, 2001, v.17 Special Issue, p.165-168.5. H. G. Walther, D. Fournier, J. C. Krapez, M. Luukkala, B. Schmitz, C. Sibilia, H. Stamm, J. Thoen. Photothermal Steel Hardness Measerements- Results and Perspectives // Analytical Sciences, 2001, v. 17 Special Issue, p. 165-168.

Claims (1)

Способ определения твердости изделий из стали, включающий локальное воздействие на изделие лазерного излучения с мощностью, необходимой для оптического возбуждения нестационарного теплового поля, и нахождение коррелирующего с твердостью параметра этого поля, отличающийся тем, что изделие дополнительно облучают лазерным излучением, регистрируют динамику спекл-изображений и, разбивая их на ряд фрагментарных участков, рассчитывают функцию F(T,r)=1-cor(T,r),
Figure 00000003

- корреляционная функция,
I - интенсивность отраженного излучения,
r=(x,y) - координаты точки фрагмента спекл-изображения,
T1, Tm - температуры получения спекл-изображений,
i=1…M - номер фрагмента спекл-изображения,
m=1…N - номер спекл-изображения, полученного от объекта при температуре Tm,
ΔS - площадь i-го фрагмента спекл-изображения,
и из полученных значений по калибровочным кривым определяют твердость выделенного фрагмента стального изделия.
A method for determining the hardness of steel products, including local exposure to the product of laser radiation with the power necessary for optical excitation of a non-stationary thermal field, and finding a parameter correlating with hardness of this field parameter, characterized in that the product is additionally irradiated with laser radiation, the dynamics of speckle images are recorded and , dividing them into a series of fragmented sections, calculate the function F (T, r) = 1-cor (T, r),
Figure 00000003

- correlation function,
I is the intensity of the reflected radiation,
r = (x, y) - coordinates of the point of the speckle image fragment,
T 1 , T m - the temperature of obtaining speckle images,
i = 1 ... M is the number of the speckle image fragment,
m = 1 ... N is the number of speckle images received from the object at a temperature T m ,
ΔS is the area of the i-th fragment of the speckle image,
and from the obtained values from the calibration curves determine the hardness of the selected fragment of the steel product.
RU2008130575/28A 2008-07-23 2008-07-23 Method for detection of steel product hardness RU2371700C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008130575/28A RU2371700C1 (en) 2008-07-23 2008-07-23 Method for detection of steel product hardness

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008130575/28A RU2371700C1 (en) 2008-07-23 2008-07-23 Method for detection of steel product hardness

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2371700C1 true RU2371700C1 (en) 2009-10-27

Family

ID=41353226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008130575/28A RU2371700C1 (en) 2008-07-23 2008-07-23 Method for detection of steel product hardness

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2371700C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011153973A1 (en) * 2010-06-10 2011-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for the contactless, destruction-free determination of the hardness, porosity and/or mechanical stresses of materials or composite materials
CN103827625A (en) * 2011-07-04 2014-05-28 Ge亚飞欧有限责任公司 Apparatus and method for determining the effective case-hardening or nitriding depth of steel components, in particular gears
DE102014224852B4 (en) * 2013-12-05 2016-08-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU Y. et al. Transverse depth-profilometric hardness phototermal phase imaging of heat treated steels. Appl. Phys.2003, v.94, №9, p.5543-5548. *
WALTHER H.G. et al. Photothermal Steel Hardness Measurements - Results and Perspectives. Analytical sciences, 2001, v.17 Special Issue, p.165-168. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011153973A1 (en) * 2010-06-10 2011-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for the contactless, destruction-free determination of the hardness, porosity and/or mechanical stresses of materials or composite materials
CN103827625A (en) * 2011-07-04 2014-05-28 Ge亚飞欧有限责任公司 Apparatus and method for determining the effective case-hardening or nitriding depth of steel components, in particular gears
CN103827625B (en) * 2011-07-04 2017-07-14 Ge亚飞欧有限责任公司 Active surface hardening or the device and method of depth of nitration for determining steel part, particularly gear
DE102014224852B4 (en) * 2013-12-05 2016-08-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108027315B (en) Detection of inductive targets using photothermal spots
US6628404B1 (en) Acoustic sensor for real-time control for the inductive heating process
CN107110801B (en) Thermal imaging inspection apparatus and method for non-destructive inspection of a structure near a surface on a test object
Rodríguez-Martín et al. Prediction of depth model for cracks in steel using infrared thermography
Trivedi et al. Optical temperature sensor using speckle field
Sun Quantitative three-dimensional imaging of heterogeneous materials by thermal tomography
Kosma et al. Digital holographic interferometry for cultural heritage structural diagnostics: A coherent and a low‐coherence optical set‐up for the study of a marquetry sample
RU2371700C1 (en) Method for detection of steel product hardness
Oswald-Tranta et al. Comparison of pulse phase and thermographic signal reconstruction processing methods
Mendioroz et al. Characterizing the shape and heat production of open vertical cracks in burst vibrothermography experiments
Huang et al. Non-destructive evaluation of uneven coating thickness based on active long pulse thermography
US20220146252A1 (en) Non-Contact Non-Destructive Testing Method and System
Anouncia Digital interferometry with image processing and computational techniques for NDT of composite materials
Hwang et al. Automated visualization of steel structure coating thickness using line laser scanning thermography
Arbogast et al. Thermal wave interferometry measurements and microstructural analysis of twin wire arc spray cylinder coatings for passenger car engines
JP2007086029A (en) Material measuring instrument of metal processing material
Tamborrino et al. A thermographic procedure for the measurement of the tungsten carbide coating thickness
Wang et al. The effect of paint coatings on detection of vertical surface cracks in metals by induction thermography
An et al. Infrared thermography as a new method for quality control of sheet metal parts in the press shop
Sun Method for determining defect depth using thermal imaging
Marusina et al. Ultrasonic laser diagnostics of residual stresses
Khilo et al. Optical method for determining the hardness of metals and alloys
Oswald-Tranta et al. Crack depth determination with inductive thermography
Sárosi et al. Evaluation of reflectivity of metal parts by a thermo-camera
Cikalova et al. Material property/state characterization by laser speckle photometry

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140724