Общие понятия. Твердость характе­ризует свойство поверхности твердого тела сопротивляться вдавливанию или царапанью. Классические методы опреде­ления твердости основаны на измерении глубины вдавливания индентора - нако­нечника из очень твердого шарика (твер­дость по Бринеллю) или алмазной пира­мидки (твердость по Виккерсу или Рок­веллу). Широко применяют также метод, основанный на измерении высоты отскока легкого твердого бойка от поверхности ОК.

Акустические способы измерения твердости основаны на методе контактно­го импеданса и корреляции твердости со скоростью распространения упругих волн, измеряемой методами отражения, прохо­ждения или интегральным методом собст­венных колебаний.

Метод контактного импеданса по­лучил очень широкое распространение. Этому способствовали его простота, пор­тативность применяемой аппаратуры, оперативность и возможность проводить измерения на деталях сложной формы (шестернях, пружинах, резьбах и т. п.) и в труднодоступных местах.

Принцип работы ультразвукового твердомера - прибора, основанного на методе контактного импеданса, описан в разд. 2.5.4. Следует учитывать, что на эк­вивалентной схеме (см. рис. 2.136) меха­нические импедансы контактной гибкости (Хк = /jmKK) и OK (Z„) соединены парал­лельно. Поэтому для обеспечения доста­точной точности измерений необходимо выполнение условия |Z„| » |А"К|. Для уве­личения значения |Z„| ОК небольших раз­меров крепят к массивным предметам (на­пример, зажимают в тиски), а для умень­шения [YK| применяют более высокие час­тоты (30 ... 80 кГц).

Ведущее положение в разработке и производстве ультразвуковых твердоме­ров занимает германская фирма Kraut - kramer. Характеристики типовых прибо­ров этого типа рассмотрены в разд. 2.5.4. Применение ультразвукового метода кон­тактного импеданса в ядерной энергетике рассмотрено в разд. 7.18 .

По эксплуатационным характеристи­кам ультразвуковому методу контактного импеданса близок метод отскока, назы­ваемый также динамическим методом. Его широко применяют для оперативного из­мерения твердости, причем он реализуется с помощью простых и портативных при­боров.

Метод отскока (динамический ме­тод) не относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Однако он кратко рассматривается, как конкурент­ный методу контактного импеданса. Ме­тод отскока имеет несколько вариантов, наиболее известный и широко применяе­мый из которых - метод Лееба [422, с.707].

Он основан на измерении отношения скорости движения подвижной системы прибора после отскока (v2) к скорости V! соударения. Подвижная система содержит боек в виде шарика из твердого материала с высоким модулем упругости (например, карбида вольфрама). Постоянство скоро­сти V! соударения обеспечивается пру­жинной системой прибора. Уменьшение твердости увеличивает энергию, расхо­дуемую на пластическую деформацию материала, что снижает скорость отскока. Прочность HL по шкале Лееба определя­ется формулой

#1 = ^-1000.

vi

Максимально возможное значение твер­дости при чисто упругом ударе и отсутст­вии других потерь (например, на излуче­ние упругих волн в подвижную систему или преодоление сопротивления воздуха) составляет HL = 1000. Однако на практике предпочитают пользоваться привычными шкалами твердости, для чего показания прибора переводят в единицы шкал Рок­велла, Бринелля или Виккерса.

Новейшие динамические твердомеры DynaMIC и DynaPOCKET фирмы Kraut - kramer имеют массу 300 и 200 г соответст­венно и имеют очень близкие характери­стики с ультразвуковым прибором MicrodurMIC 10. Как и ультразвуковые твердомеры, эти приборы позволяют про­водить измерения при любых пространст­венных положениях преобразователя.

7.5. Сравнительные характеристики оперативных методов контроля твердости

Условные обозначения: оптимальный метод (+ +); хороший метод (+); иногда подхо­дящий метод (0); нерекомендуемый метод (-)

Сопоставление методов контактно­го импеданса и отскока. Оба метода об­ладают близкими функциональными воз­можностями, однако ввиду принципиаль­ных и конструктивных различий области их применения несколько отличаются, В табл. 7.5 приведены сравнительные харак­теристики рассматриваемых методов и рекомендации по выбору наиболее подхо­дящего из них для конкретных примене­ний [422, с. 707].

Преимущества метода отскока при измерениях на крупнозернистых материа­лах связаны с тем, что при соударении с ОК площадь контакта твердосплавного шарика диаметром 3 мм (или 6 мм) много больше, чем для применяемой в ультра­звуковых импедансных твердомерах ал­мазной пирамидки. С ростом площади контакта влияние отдельных кристаллитов и неровностей поверхности ОК на резуль­тат измерения усредняется.

При измерениях обоими методами имеет значение масса ОК, которая не должна быть меньше критического значе­ния (см. разд. 2.5.4). Исходя из этого, на­пример, минимальная толщина стенки контролируемой металлической трубы составляет: для метода отскока 20 мм, для импедансного твердомера - 2 ... 3 мм.

Измерения твердости обоими мето­дами требует определенной чистоты по­верхности ОК. Она должна быть свободна от окислов, грязи, масла, лакокрасочных и других покрытий. При необходимости применяется дополнительная механиче­ская обработка. Последняя не должна вли­ять на твердость поверхностного слоя ОК. Для ультразвуковых твердомеров различ­ных модификаций фирмы "Krautkramer" необходимая чистота обработки поверх­ности лежит в пределах Ra 2,5 ... 30.

Способы, использующие корреля­цию твердости со скоростью звука. Твердость контролируют также по умень­шению скорости ультразвука в материале ОК. Поскольку изменение скорости неве­лико (менее 2 %), необходима повышен­ная точность измерения.

При контроле колец подшипников ка­чения [171] измерения ведутся по схеме синхрокольца. Применяют волны Рэлея, обладающие наименьшей скоростью. Бла­годаря этому увеличивается измеряемая

величина - время пробега импульса, что способствует повышению точности. Кон­тролируется либо локальный объем (рис. 7.36, а) либо почти вся окружность кольца (рис. 7.36, б). В обоих случаях принимаются меры по уменьшению кон­тактной поверхности преобразователя для повышения точности определения базы измерения.

Поверхностные волны применяют также для контроля твердости рельсов в процессе производства. Для локализации точки ввода применяют волновод из сили­катного стекла в форме пирамиды с узким концом. При исследованиях использовал­ся прибор ИСП-12 [223], работающий по способу синхрокольца (автоциркуляции).

Особенно важен контроль сварных стыков рельсов, поскольку в процессе сварки с нарушением режима происходит отжиг закаленной поверхности [169].

Интегральный метод собственных колебаний. Традиционные способы изме­
рения твердости путем внедрения инден - тора, методами отскока и контактного им­педанса, а также путем измерения скоро­сти поверхностных волн Рэлея позволяют судить лишь о свойствах тонкого поверх­ностного слоя материала и не дают ин­формации о глубинных его слоях. Так, при закалке крепежных деталей наружный слой может содержать 90 % мартенсита, обеспечивающего повышение твердости, а внутренние слои - только 40... 60 %. Упо­мянутыми методами это различие не регистрируется.

В работе [400] для контроля твердо­сти стальных болтов применен инте­гральный метод собственных колебаний, использованный также для контроля этих объектов на разрыв (см. разд. 7.5.2).

Условия и методика контроля в обо­их случаях была одинаковой. Рост как твердости, так и прочности материала уменьшает модуль Юнга, и следовательно,

снижает собственную частоту ОК. Так, болту с твердостью HRC 45,1 соответст­вовала частота 42,12 кГц, а с твердостью HRC 38,4 - 42,25 кГц, т. е. изменение твер­дости на 10,3 единиц меняло частоту всего на 0,31 %.

Слабое влияние контролируемого па­раметра на собственную частоту ОК за­трудняет выделение полезного сигнала на фоне мешающих факторов (неидентично - сти размеров и плотности материала ОК).

Вопрос контроля твердости чугуна рассмотрен в разд. 7.9.