Этот метод широко применяется для оперативного измерения твердости мате­риалов (в основном металлов), особенно в труднодоступных местах. Метод исполь­зует связь твердости материала с упругим импедансом его СТК с остроконечным индентором, прижимаемым к ОК с посто­янной силой [18,212,247,376].

Глубина внедрения индентора в ис­пытуемый материал зависит от его твер­дости, увеличиваясь с ее уменьшением. Упругий импеданс контактной зоны оце­нивают по его влиянию на собственную частоту продольно-колеблющегося стержня.

Преобразователь твердомера (рис. 2.138) представляет собой металлический стержень 1 с пьезоэлементами 2 и 6 и ал­мазной пирамидкой 7 (аналогичной при­меняемой в твердомерах Виккерса) на конце. Излучающий пьезоэлемент 2 под­ключен к выходу усилителя 3, приемный 6 - к его входу. Система представляет собой автогенератор, частота колебаний которо-

го определяется собственной частотой преобразователя. Последний прижимают к ОК 8 с постоянной силой.

Пирамидка внедряется в материал ОК тем глубже, чем меньше его твердость. С уменьшением твердости значение кон­тактной гибкости Кк уменьшается, модуль упругого импеданса зоны контакта | ZK | = 1/соАГк увеличивается, собственная частота преобразователя и определяемая ею частота автогенератора повышаются. Частоту измеряют частотомером 4, ре­зультаты представляют на цифровом ин­дикаторе 5. УЗ-твердомеры используют диапазон частот 30 ... 70 кГц.

Существуют также другие модифи­кации приведенной на рис. 2.138 принци­пиальной схемы УЗ-твердомера. Напри­мер, иногда вместо свободного на конце полуволнового стержня преобразователя используют четвертьволновой, тыльный конец которого нагружен массой, модуль механического импеданса которой намно­го превышает волновое сопротивление стержня. Условия отражения УЗ-волн от массы приближаются к отражению от не­подвижного закрепления. Таким образом, в зоне контакта с массой создается узел смещения. При этом основная частота четвертьволнового стержня равна частоте полуволнового.

Глубина внедрения индентора со­ставляет несколько микрометров. Размеры оставляемых на поверхности ОК отпечат­ков очень малы (несколько микрометров). Показания зависят от модуля Юнга мате­риала ОК, поэтому для разных материалов применяют разные шкалы. Измерения возможны при любой пространственной ориентации преобразователя.

На эквивалентной схеме акустиче­ская нагрузка преобразователя представ­ляется в виде параллельного соединения упругого импеданса Хк контактной гибко­сти и импеданса Х„ собственно ОК (см. рис. 2.116). Поэтому для исключения влияния Х„ на результаты измерений должно выполняться условие Х„ » |ХК|. Для крупных изделий оно удовлетворяет­ся всегда, мелкие рекомендуется зажимать в тиски или использовать другие средства увеличения присоединенной массы, по­вышающей входной импеданс ОК. Влия­ние Х„ на результаты измерения твердости уменьшается также с возрастанием рабо­чей частоты.

УЗ-твердомеры широко применяются в промышленности и выпускаются мно­гими фирмами. Ведущее положение в их разработке и производстве занимает гер­манская фирма Krautkramer (торговый представитель ее в России и СНГ - ТОО "Эхо-сервис"). Приборы этой фирмы име­ют общее название "Mikrodur".

Приведем характеристики одного из наиболее популярных ее твердомеров - прибора "Mikrodur МІСІ0". Его применя­ют для измерения твердости изделий из мелкозернистых материалов практически любых формы и размера, особенно при локальном исследовании свойств мате­риала. Результаты контроля не зависят от пространственного положения преобразо­вателя, даже в случае измерения на пото­лочной поверхности. Прибор может рабо­тать с преобразователями с разной длиной стержней, что позволяет проводить изме­рения на изделиях сложной формы.

Прибор выпускается в двух исполне­ниях: стандартном (MIC 10) и исполнени­ем с расширенными возможностями (MIC 10 DL). Результаты измерения твердости представляются в шкалах HV, НВ, HRC, HRB. При измерении предела прочности (что возможно только с преобразователем с силой прижатия 98 Н) результаты пред­ставляются в Н/мм2.

Вариант прибора MIC 10 DL облада­ет дополнительными возможностями: встроенной памятью на 1800 измерений, дополнительной памятью на магнитной карточке на 590 измерений. Возможны вычисление и распечатка статистических данных: максимального и минимального результатов измерения, среднего значе­ния, абсолютного и относительного раз­бросов, абсолютного и относительного нормальных отклонений. Имеется интер­фейс RS-232C для дистанционного управ­ления от персонального компьютера или документирования результатов на принте­ре. Диапазоны показаний прибора: 0 ... 9999 HV; 48 ... 105 HRB; 20 ... 68 HRC; 76 ... 618 НВ; 5 ... 2250 Н/мм2. Диа­пазон измерений 20 ... 1740 HV (или соот­ветствующие значения по другим шка­лам). Масса 300 г, питание от батареек.

Кроме различных модификаций твердомеров фирма Krautkramer выпуска­ет установки для механизации измерений твердости и обработки их результатов, преобразователи твердомеров с различ­ными силами прижатия к ОК, с удлинен­ным колеблющимся стержнем, с мотор­ным приводом, аттестованные эталоны твердости и другие комплектующие изде­лия, расширяющие область применения метода. Существуют варианты твердоме­ров с пониженной силой прижатия, спо­собные измерять твердость самых разных материалов - вплоть до резины.

Развитие этого принципа измерения в нашей стране состоит в использовании изгибных и крутильных колебаний. В атомной энергетике метод контактного импеданса используют для измерений длительной твердости, ползучести, упру­гих постоянных и анизотропии при высо­ких температурах и радиации (см. разд. 7.18).

Важными преимуществами метода контактного импеданса перед классиче­скими способами измерения твердости являются:

• портативность применяемой ап­паратуры, облегчающая контроль в произ­водственных и полевых условиях;

• возможность оперативных изме­нений на ОК сложных форм, в том числе в труднодоступных зонах (например, в па­зах, на зубьях шестерен и т. п.) при любой пространственной ориентации преобразо­вателя;

• значительно меньшее поврежде­ние поверхности ОК, чем при контроле классическими методами;

• возможность представления ре­зультатов контроля по шкалам всех наи­более распространенных систем измере­ния твердости.

Применение метода контактного им­педанса для измерения твердости и кон­троля других физико-механических свойств материалов см. в разд. 7.6 и 7.18.