Материал: РОСЭНЕРГОАТОМ внутренний документ

РДЭО 0027-2005

В.2 Метод определения твердости по Леебу

Метод основан на измерении потери энергии при соударении бойка с ис­ пытываемым образцом материала или элементом конструкции. Процесс изме­ рения твердости (рисунок В.4) во времени может быть разделен на три фазы: свободное движение бойка до соударения, соударение и отскок. В фазе сво­ бодного движения потенциальная энергия бойка, определяемая начальной высотой свободного падения или сжатием пружины, превращается в кинетиче­ скую энергию и боек соударяется с испытываемым образцом. Фаза соударения состоит из этапа нагрузки, в течение которого боек внедряется в испытывае­ мый образец. Этап нагрузки заканчивается, когда скорость бойка относительно образца становится равной нулю. После этого начинается этап разгрузки, при котором боек восстанавливается как совершенно упругое тело, а испытывае­ мый образец - только частично, вследствие потерь энергии на пластическую деформацию. Фаза отскока начинается в момент, когда боек с начальной ско­ ростью отскока отделяется от испытываемого образца. В фазе отскока под действием остаточной кинетической энергии боек поднимается на соответст­ вующую этой энергии высоту.

1 - ударник, 2 направляющая трубка, 3 - образец

Рисунок В.4 - Схема проведения испытаний методом Лееба.

Мерой твердости материала HL является частное от деления скорости движения бойка в момент отскока vout на скорость движения непосредственно перед соударением vin умноженное на 1000.

25

РДЭО 0027-2005

При испытаниях методом Лееба образцов материалов одинаковой твер­ дости, но с различным модулем упругости получаются различные данные. Чтобы исключить эту погрешность, рекомендуется разделять материалы на группы по значению модуля упругости.

Область использования данного метода имеет ограничения, касающие­ ся условия закрепления детали и ее массы. Потеря энергии при ударе зависит как от местной деформации в точке соударения, которая определяется упруго­ пластическими свойствами материала, так и от податливости образца как уп­ ругого тела. Поэтому метод Лееба определения твердости можно применять только на достаточно массивных образцах или на образцах, закрепленных на достаточно массивном основании. Для тонкостенных труб или сосудов его ис­ пользование нецелесообразно.

Метод измерения твердости по Леебу принят в качестве стандарта ASTM А956-02 “Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products”.

B.3 Метод акустического импеданса

Метод акустического импеданса (именуемый также как метод ультра­ звукового контактного импеданса или, сокращенно, UCI ) основан на изме­ рении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхно­ сти. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала, на конце которого укреплен индентор. На стержень надета катушка, возбуждающая в преобразователе продольные упругие коле­ бания (рисунок В.5 ). Стержень с индентором прижимается к контролируемому изделию с постоянной силой. При этом индентор внедряется в изделие тем глубже, чем меньше твердость материала изделия. Площадь зоны со­ прикосновения индентора с изделием с уменьшением твердости растет, гиб­ кость контактной зоны уменьшается, а модуль упругого сопротивления (импе­ данса) - увеличивается. Изменение импеданса определяют по изменению соб­ ственной частоты нагруженного преобразователя. Шкалу индикатора градуи­ руют в единицах твердости.

Применение метода акустического импеданса имеет следующие осо­ бенности:

-из-за малой площади контакта преобразователя с контролируемым изделием возможен значительный разброс в показаниях, обусловленные не­ однородностью структуры материала;

-к зачистке поверхности предъявляются повышенные требования

(Ra<3,2 при усилии 10 кгс );

-работа с датчиком требует от оператора специальных навыков: необ­ ходимо обеспечить плавное нажатие на корпус датчика до упора, затем удер­ живать приложенное усилие. На всём протяжении замера твёрдости рука опе­ ратора не должна дрожать;

-при измерении на небольших образцах малой толщины (менее 15 мм

26

РДЭО 0027-2005

при усилии 10 кг, менее 1,5 мм при усилии 1,5 кг) может возникнуть значитель­ ный разброс результатов измерений из-за резонансных колебаний в прове­ ряемом материале. Такие изделия следует фиксировать на мягком основании, например, через слой вязкой пасты.

— частота колебаний при наличии контакта

Рисунок В.5 - Схема проведения испытаний методом акустического импеданса

В.4 Проба на твердость царапаньем

При измерении твердости методом царапанья [2] в поверхность образца (изделия) под действием нормально приложенной постоянной нагрузки Р вдавливается конусный индентор и производится одновременная подача ост­ рия индентора параллельно тестируемой поверхности материала. В результа­ те на поверхности образца (изделия) остается царапина, глубина и ширина ко­ торой зависит от сопротивления металла царапанью. Последнее взаимосвяза­ но не только с твердостью, но и с истинным сопротивлением металла разрыву (особенно для пластичных металлов).

В качестве индентора наиболее часто используется алмазный конус с углом у вершины 90° или алмазный конус с углом 120° (аналогичен, применяе­ мому при определении твердости по Роквеллу), но иногда применяют также алмазную сферу радиусом 1,25 мм или резцы из твердого сплава ВК8. Реко­ мендуемая скорость перемещения индентора при царапании составляет от 100 мм/мин до 1500 мм/мин, а величина шероховатости поверхности испытуе­ мого материала Ra<0,63.

Известно несколько вариантов метода, в том числе:

а) мерой твердости Нц принимают осевую нагрузку на индентор Р, при которой получается царапина заданной ширины b = 10 мкм;

27

РДЭО 0027-2005

б) мерой твердости Нц принимают величину обратную ширине царапины b в мм при заданной постоянной нагрузке на конусный индентор.

В.5 Немеханические методы определения твердости

В настоящее время широко используются методы косвенного определе­ ния твердости на основании немеханических методов (без механической де­ формации поверхности материала). В основу этих методов положено измере­ ние определенных физических констант, находящихся в функциональной зави­ симости от твердости материала.

Приборы, основанные на немеханических методах, могут быть рекомен­ дованы в качестве индикационных средств, а уточнять их метрологические ха­ рактеристики можно только после соответствующих экспериментальных ис­ следований для стали выбранной марки.

Магнитные методы измерения твердости основаны на определении ма­ гнитных характеристик ферромагнитных материалов, которые корреляционно связаны с твердостью [4]. Их использование для неразрушающего контроля механических свойств и микроструктуры в и металлопродукции регламентиру­ ется ГОСТ 30415.

Среди магнитных методов широкое применение получил метод коэрцитиметрии с использованием приставных электромагнитов. Они позволяют измерять коэрцитивную силу материалов на локальном участке ферромагнит­ ного изделия. Существует связь между коэрцитивной силой и твердостью у низкоуглеродистых сталей. Контролируемый участок намагничивается и раз­ магничивается П-образным электромагнитом с намагничивающей и размагни­ чивающей обмотками. После намагничивания контролируемого участка изде­ лия плавно увеличивают размагничивающий ток до тех пор, пока измеритель­ ный прибор, подключенный к феррозонду, не покажет отсутствие магнитного поля в контролируемом участке. Сила размагничивающего тока пропорцио­ нальна коэрцитивной силе материала.

При импульсно-локальном магнитном методе изделие намагничивают серией мощных импульсов тока, пропускаемых через накладной малога­ баритный соленоид без сердечника. Градиент нормальной составляющей ос­ таточного магнитного поля, характеризующий механические свойства ма­ териала, в том числе его твердость, измеряют при помощи феррозонда, рас­ положенного симметрично вдоль оси внутри намагничивающего соленоида.

Метод магнитных шумов основан на анализе спектра, амплитуд и дли­ тельности магнитного шума (скачков Барггаузена) в функции исследуемых ме­

метод измерения удельной электрической проводимости. Существует одно­ значная (близкая к линейной) взаимосвязь между удельной электрической проводимостью и твердостью для многих цветных сплавов на основе меди и магния (например, для латуни и бронзы).

28

РДЭО 0027-2005

Приложение Г (рекомендуемое)

Методики определения механических свойств по диаграмме

автоматического вдавливания шара

Метода автоматического вдавливания шара состоит в непрерывной ре­ гистрации процесса вдавливания индентора в виде трехкоординатной диа­ граммы: "нагрузка на индентор (Р) - глубина внедрения индентора в поверх­ ность исследуемого материала^)" на трех стадиях процесса: активного нагру­ жения, выдержки под нагрузкой, разгрузки с возможностью повторного много­ кратного циклического нагружения. Таким образом, достигается качественная аналогия между безобразцовым методом испытания на непрерывное локаль­ ное деформирование и стандартными образцовыми методами растяжениясжатия.

На основе анализа полученных в результате испытаний диаграмм вдав­ ливания шара находятся следующие механические характеристики испытуе­ мого материала: твердость, предел текучести Rp0,2 , временное сопротивление Rm.равномерная деформация Ат . В настоящем приложении описаны наибо­ лее полно разработанные методики определения механических свойств по диаграмме вдавливания шара:

феноменологическая методика ВНИИАЭС, методика ВНИИАЭС с использованием процедуры численного моде­

лирования, методика Марковца,

методика Окриджской национальной лаборатории (США)

Для определения механических свойств по параметрам диаграммы вдавливания требуются корреляционные зависимости, которые могут отли­ чаться для разных материалов. В связи с этим каждая методика определения механических свойств по диаграмме вдавливания шара должна пройти атте­ стацию для материалов трубопроводов и оборудования АЭС.

Г.1 Феноменологическая методика ВНИИАЭС

Феноменологическая методика ВНИИАЭС [5] позволяет получить из кине­ тической диаграммы вдавливания шарового индентора стандартную диаграм­ му одноосного деформирования (рисунок Г.1).

29