Разработка эталона твердости по Либу второго разряда

Источник: журнал "В мире НК" 2017. Том 20. №1.

Авторы:

Рассмотрены технические принципы метода измерения твёрдости по шкалам Либа и текущее состояние метрологического обеспечения метода. В связи с разработкой гармонизированного стандарта и необходимостью реализации метрологической цепи согласно структуре обеспечения прослеживаемости, а также определения и распространения шкал твёрдости рассмотрены и обоснованы методические и технологические решения для реализации стационарного прибора, воспроизводящего метод Либа, для эталона второго разряда. Исходя из проведённого анализа, предложена система измерения скорости на основе двух катушек индуктивности и представлен расчёт её параметров. Приведены результаты испытания макета стационарного прибора, воспроизводящего метод Либа, подтвердившие его соответствие требованиям иностранных стандартов и проекту гармонизированного стандарта.

V. A. Syasko , К. V. Gogolinskiy , A. A. Nikazov

Elaboration of Leeb hardness calibration machine

The article deals with the development of Leeb hardness secondary calibration machine. The article describes the technical principles of the Leeb hardness measurement method and the current state of metrological assurance in the Russian Federation. The analysis of Leeb hardness calibration machines of Germany and Switzerland are con ducted. The draft of metrological traceability (metrological chain) for disseminating of Leeb hardness scales is proposed. In connection with the development of harmonized standard and the need for the implementation of the metrological traceability of Leeb hardness method, as well as the identifying and disseminating of hardness scales, methodological and technological solutions for the Leeb hardness secondary calibration machine are considered. Based on the analysis of required metrological characteristics of secondary calibration machine and hardness reference blocks, the construction of velocity measuring system with two inductors and system parameters calculation with required metrological characters tics are suggested. Test results of Leeb hardness secondary calibration machine layout for HLD scale confirmed its compliance with international standards and the draft of harmonized standard. The obtained results can be used to develop the Leeb hardness secondary calibration machine to equip the standardization and metrology centers of the Russian Federation and abroad.

Применение динамических методов контроля твёрдости, основанных на измерении параметров отскока падающего ударника, получило широкое распространение в последние десятилетия. Преимущества таких методов — малые габариты твердомеров и возможность их использования вне измерительных лабораторий непосредственно на поверхностях деталей, трубопроводах, объектах энергетики и т.д.

Чаще всего в портативных динамических твердомерах реализуется метод измерения твёрдости по Либу, разработанный в Европе в 1970-х гг. сотрудниками фирмы Proceq. Суть метода заключается в измерении соотношения скоростей V падающего ударника до и после соударения с поверхностью испытуемого образца, при этом твёрдость по Либу HL рассчитывается в соответствии с формулой [1] HL = 100V_R/V_А, где V_R — скорость отскока ударника; V_A — скорость удара.

На сегодняшний день существует несколько различных шкал твёрдости по Либу для преобразователей, отличающихся радиусом R сферического индентора и массой т ударника, а также его кинетической энергией Е_А при ударе, зависящей от V_А.

Метрологическое обеспечение метода Либа в США и Европе регламентируется стандартами: DIN 50156 (части 1, 2 и 3) [2-4], ASTM А956 [5], ISO/DIS 16859 (1-3) [6-8]. До настоящего времени из-за отсутствия стандарта на метод измерения твёрдости по Либу в Российской Федерации динамические твердомеры вносятся в Госреестр средств измерений под видом твердомеров по стандартизованным шкалам статических методов. На практике производители твердомеров, обозначаемых как «динамические», «портативные», «малогабаритные» или «переносные», по сути, реализуют с теми или иными допущениями метод измерения твёрдости по Либу. Ситуация с метрологическим обеспечением динамических методов подробно рассмотрена в [9,10].

В ООО «КОНСТАНТА» разработан проект гармонизированного стандарта на метод измерения твёрдости по Либу на основе стандартов [6-8]. На проект стандарта получены положительные отзывы, в том числе из ФГУП ВНИИФТРИ. Стандарт определяет требования к твердомерам, предназначенным для измерения твёрдости металлов и сплавов по Либу, ударникам, испытуемым образцам, методикам поверки твердомеров, требования к производству и поверке эталонных мер твёрдости, а также требования к эталонам и средствам измерений.

Для реализации метрологической цепи согласно структуре обеспечения прослеживаемости, а также для определения и распространения шкал твёрдости (рис. 1) необходима разработка эталона не только первого, но и второго разряда, для многочисленных центров стандартизации и метрологии (ЦСМ).

Рис. 1. Обобщенная структура обеспечения прослеживаемости (метрологической цепи) для определения и распространения шкал твердости Либа.

После принятия стандарта должно будет произойти достаточно быстрое увеличение парка твердомеров, реализующих метод Либа, а также мер твердости для их поверки. В связи с этим необходимо будет оснастить большое число ЦСМ эталонами второго разряда, которые должны иметь заданные технические характеристики при минимальной цене, определяемой их себестоимостью. Рассмотрим их возможные конструкции.

Проект стандарта определяет комплект (стационарный прибор, воспроизводящий метод Либа, и комплект средств измерений для поэлементного контроля его параметров) и параметры эталона второго разряда: V_A, m, R и материал индентора, проверяемые при поэлементной поверке (табл. 1), а также диапазоны твёрдости и метрологические характеристики при поверке по эталонным мерам твёрдости 1-го разряда. В ударных преобразователях рабочих средств измерений (твердомерах) ударник разгоняется до необходимой скорости при помощи пружины. В известных эталонных установках ударник разгоняется под воздействием гравитационного поля Земли.

Табл. 1. Параметры эталона второго разряда по методу Либа

Табл. 2. Диапазоны твердости по Либу и метрологические характеристики эталонов второго разряда при поверке по эталонным мерам твердости первого разряда.

Известны две реализации эталонных установок, принципиально отличающихся способом измерения скорости ударника: на основе лазерного интерферометра и на основе катушки индуктивности.

Система измерения скорости на основе лазерного интерферометра используется в эталоне, разработанном в Германии (рис. 2). Установка реализует непрерывное измерение скорости движения ударника в процессе падения и отскока. Для измерения используется лазерный интерферометр на базе He-Ne-лазера фирмы SIOS Messtechnik GmbH, который имеет стабилизированную частоту излучения. В данной конструкции форма ударников отличается от применяемых в твердомерах, так как они должны обеспечивать отражение луча интерферометра.

Рис. 2. Структура и техническая реализация эталона на основе интерферометра:

1. лазерный интерферометр,
2. система позиционирования высоты сброса ударника,
3. цифровая линейка,
4. ударник,
5. направляющие стержни,
6. мера твердости,
7. стол.

Система измерения скорости с катушкой индуктивности реализована в эталоне, разработанном на базе твердомера Equotip 3 (рис. 3). В системе используется катушка индуктивности и ударник с постоянным магнитом в корпусе, аналогичный рабочим средствам измерения швейцарского производителя. Ударник с встроенным магнитом, пролетая сквозь катушку индуктивности со скоростью V_А при падении, наводит в ней ЭДС, амплитудой Е_А. При отскоке, двигаясь через катушку вверх со скоростью V_R, наводит в ней ЭДС амплитудой E_R противоположной полярности (рис. 4). В рамках работы над стандартом был разработан макет стационарного прибора, воспроизводящего метод Либа, для эталона второго разряда. Для решения задачи измерения скорости была выбрана система с использованием катушек индуктивности. Согласно стандартам для вычисления кода Либа используется отношение скоростей удара и отскока, однако в рабочих средствах измерений, в соответствии с теми же стандартами, расчёт кода по Либу выполняется по формуле: HL = 100 Е_R/Е_А.

Рис. 3. Эталон на базе твердомера Equotip 3 фирмы Proceq (Швейцария):

1. несущая стойка,
2. направляющая трубка для датчика типа D,
3. направляющая трубка для датчика типа G,
4. катушка индуктивности,
5. мера твердости.

Рис. 4. Диаграмма ЭДС, наведенной на катушке индуктивности при измерении твердости.

На взгляд авторов система с катушкой индуктивности является предпочтительной ввиду того, что она аналогична технологическому решению, используемому в рабочих средствах измерений. При этом для измерения V_A предлагается установка дополнительной катушки индуктивности.

Система измерения V_A (рис. 5) состоит из двух катушек L1 и L2, расположенных друг от друга на расстоянии ∆h. ЭДС с катушек поступают через измерительные усилители на входы аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера, вычисляющего значение скорости.

Рис. 5. Структура системы измерения V_A с двумя катушками индуктивности:

1. ударник,
2. дополнительная катушка L1,
3. основная катушка L2,
4. постоянный магнит ударника,
5. направляющая трубка,
6. испытуемый образец.

Расчеты показали, что для ударника типа D V_A =2,05±0,0025 м/с обеспечивается при сбросе свободно падающего ударника с высоты H = 214±0,26 мм.

Скорость ударника должна измеряться при h не более 2 мм. После прохождения катушки L2 со скоростью V скорость ударника продолжает линейно увеличиваться до требуемой скорости V_A = V + gt.

При этом h = t(V_A + V)/2.

Время t прохождения расстояния h может быть найдено из решения квадратного уравнения: h = t(V_A+V)/2 = t(V_A + V_A - gt)/2 = V_At - gt²/ 2;

откуда gt² - 2 V_At + 2h = 0

и t=[V_A- (V_A² - 2hg)^1/2]/ g=[2,05 - (2,05²- 2*0,002*9,819)^1/2]/9,819≈ 0,978 мс.

Для обеспечения требуемых характеристик необходимо контролировать фактическую скорость и высоту h. Выполнить это можно по фиксации моментов прохождения ударником катушек L1 и L2, соответствующих амплитудам E_А1 и Е_А2 (рис. 4). Фиксация t₁ выполняется по пику ЭДС при прохождении катушки L1, а фиксация t₂ — при прохождении катушки L2 на расстоянии ∆h между ними. Параметры определяются из решения системы уравнений:

h = V_At₁+gt₁²/2;

h + ∆h = V_At₂+gt₂²/2.

Расстояние между измерительными катушками ∆h = V_A(t₂ – t₁) +g(t₂² – t₁²)/2.

Скорость в момент удара:

V_A = [∆h - g(t₂₂ – t₁²)/2]/(t₂ – t₁).

С учётом того, что ∆t=t₂-t₁, имеем: V_А=(∆h/∆t)-g(t₁² + ∆t/2).

На точность вычисления скорости влияют погрешности измерения ∆h и ∆t. Чувствительность к вариации ∆h: S_VA(∆h) = d(V₀)/d(∆h) = (1/∆t).

При допустимой погрешности задания расстояния между катушками от истинного значения δ_∆h погрешность измерения скорости V_A составит: ∆V_A=S_VA(∆h)* δ_∆h = δ_∆h/∆t.

Допустимое отклонение скорости определено стандартом: ∆V_A = ±2,5 мм/с. Тогда предельно допустимая погрешность задания расстояния между катушками: δ_∆h= ∆V_A ∆t.

Чувствительность к погрешности измерения времени движения ударника после пика ЭДС:

S_VA(t₁) = d |V_A | /d(t₁) = d | [∆h/(t₂ – t₁)] - g [t₁ + (t₂ - t₁)/2] | /d(t₁) = ∆h/∆t²+g/2;

S_VA(t₂) = d | V_A | /d(t₂) = d | [∆h/(t₂ – t₁)]- g [t₁ + (t₂ - t₁)/2] | /d(t₂) = ∆h/∆t² + g/2.

Общая чувствительность к погрешности измерения времени с учётом равной вероятности знака погрешности:

S_VA(t)= IS_VA(t₁) I+ IS_VA(t₂)l = 2∆h/∆t²+g.

При допустимой погрешности измерения времени δ₁ погрешность измерения скорости V_A составит:

∆V_A = S_V0(t) δ₁ = (2∆h/∆t²+g) δ₁.

Так как ∆V_A = ±2,5 мм/с, то предельно допустимая погрешность измерения времени δ₁ = ∆V_A /(2∆h/∆t² + g) = ∆V_A∆t²/(2∆h + g∆t²).

Анализ показывает, что оцифровка ЭДС с выходов катушек должна производиться с частотой f_кв = 1 МГц. При этом определение моментов t₁ и t₂, соответствующих пикам ЭДС. а также момента удара должны производиться после оцифровки ЭДС с полосой пропускания 100 кГц. Расстояние ∆h = 1 мм должно быть обеспечено с погрешностью не хуже ±10 мкм.

По результатам проведённой работы был разработан макет стационарного прибора, воспроизводящего метод Либа, для эталона твёрдости второго разряда по шкале D, параметры которого приведены в табл. 3. Катушки индуктивности L1 и L2 имели следующие размеры: внутренний диаметр 12 мм, внешний диаметр 17 мм, длина намотки 0,5 мм.

Табл. 3. Параметры макета эталона твердости по Либу второго разряда (по шкале D)

Предварительные испытания макета эталона были произведены с использованием комплекта мер твёрдости HLD491.5. HLD608 и HLD770, изготовленных компанией Proceq и поверенных в Physikalisch-Technische Bundesanstalt (РТВ). При измерениях на мерах ∆V_A < ±2,5 мм/с. Результаты измерений представлены в табл. 4.

Табл. 4. Результаты экспериментов

Выполненные эксперименты с использованием разработанного макета стационарного прибора, воспроизводящего метод Либа, показали, что предложенные технические решения могут быть положены в основу при разработке эталона твёрдости по Либу второго разряда для центров стандартизации и метрологии.

Литература

1. Leeb D. New dynamic method for hardness testing of metallic materials. — In: VDI-Report №308,1978. pp. 123-128.
2. DIN 50156-1:2007/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 1: Test Method.
3. DIN 50156-2:2007/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 2: Verification and calibration of the testing devices.
4. DIN 50156-3:2007/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 3: Calibration of reference blocks.
5. ASTM A956/Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products. 2012.
6. ISO/DIS 16859-l:2015/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 1: Test method.
7. ISO/DIS 16859-2:2015/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 2: Verification and calibration of the testing devices.
8. ISO/DIS 16859-3:2015/Metallic materials — Leeb hardness test — Part 3: Calibration of reference test blocks.
9. Гоголинский К. В., Сясько В. А. Метрологическое обеспечение динамических методов измерения твёрдости в Российской Федерации: существующие проблемы и пути их решения. — В мире НК. 2014. № 1 (63). С. 69-76.
10. Потапов А.И., Сясько В.А.. Гоголинский К. В., Никазов А. А. Обеспечение единства измерений твёрдости динамическим методом в Российской Федерации. — Контроль. Диагностика. 2016. № 12. С. 44-50.