Использование инновационных средств измерений твердости материалов в учебном процессе



В статье излагается опыт использования новых средств определения твердости материалов в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению «Инноватика». Рассмотрен опыт применения твердомеров, использующих динамический метод определения твердости по величине отскока индентора от поверхности образца и способ оценки пригодности твердомера к измерениям на основе доверительных интервалов.

Ключевые слова: измерения, динамический метод, твердость, погрешность, интервальная оценка.

Программой учебной дисциплины «Материаловедение» предусматриваются наряду с лекциями и практическими занятиями, лабораторные работы, дающие возможность студенту на практике изучить виды, структуру и свойства материалов.

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К классическим статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1) с помощью стационарных твердомеров.

Рис. 1. Схема определения твердости статическим методом: а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. Твердомеры ТКМ-359 и ТЭМП-4 предназначены для измерения твердости металлов в лабораторных или цеховых условиях динамическим методом (рис. 2). В настоящее время в учебном процессе студенты используют динамический метод измерения твердости.

Рассмотрим способы определения твердости материалов различными методами. Традиционно в большинстве высших учебных заведений технического профиля эта работа выполняется на стационарных громоздких установках типа прессов Бринелля и Роквелла, стоимость которых в настоящее время для многих вузов не по карману. Поэтому в 2010 году были приобретены новейшие переносные компактные приборы измерения твердости типа ТКМ-359 (предприятие-разработчик — ООО НПП «Машпроект», г. Санкт-Петербург) и ТЭМП-4 (предприятие-разработчик — ООО НПП «Технотест», Москва), вполне доступные по цене [1, 2] (рис. 2).

Кратко охарактеризуем данные средства измерений с точки зрения их компактности и новизны применения в учебном процессе.

Оба твердомера являются высокоточными надежными средствами измерений для оперативного определения твердости металлов, в т. ч., контроля качества термообработки, закалки ТВЧ, оценки механической прочности, реализуя для измерений метод динамического отскока от измеряемой поверхности.

Динамический метод особенно подходит для измерения твердости и физико-механических свойств крупногабаритных изделий (литья, поковок, рельсов и т. д.), изделий с крупнозернистой структурой и т. д. В отличие от стационарных твердомеров указанные твердомеры позволяют проводить оперативный контроль изделий, в том числе деталей сложной конфигурации.

Динамический твердомер ТКМ-359, твердомер ТЭМП-4

Рис. 2. Внешний вид твердомеров ТКМ-359 и ТЭМП-4

Твердомеры ТКМ-359М и ТЭМП-4 реализуют измерения в основных, стандартизованных в России шкалах твердости — Бринелля: HB, Роквелла: HRC, Виккерса: HV, а также шкалах HRA, HRB, HSD и предел прочности на разрыв (пересчет по ГОСТ 22761–77 для сталей перлитного класса).

Типичные случаи применения твердомеров ТКМ-359 и ТЭМП-4:

− Контроль качества продукции в металлургии и машиностроении.

− Контроль качества котлов, труб и др. объектов энергетического производства.

− Идентификация материалов в заготовительном производстве.

− Контроль тяжелых и крупногабаритных объектов.

− Контроль деталей сложной конфигурации.

− Измерения в труднодоступных зонах.

− Оценка состояния элементов оборудования в процессе эксплуатации и проведения ремонтных работ.

− Контроль характера изменения твердости по длине изделия.

Основные технические характеристики твердомера ТКМ-359
Диапазон измерений
по Роквеллу:	20–70 HRC
по Бринеллю:	90- 470 HB
по Виккерсу:	90- 800 HV
Погрешность измерений
по Роквеллу:	2 HRC
по Бринеллю:
в диапазоне 90–180 HB	10 HB
в диапазоне 180–300 HB	15 HB
в диапазоне 300–470 HB	20 HB
по Виккерсу:
в диапазоне 90–180 HV	15 HB
в диапазоне 90–180 HV	20 HB
в диапазоне 90–180 HV	20 HB
Ресурс работы датчика:	250 000 измерений
Число замеров для вычисления среднего значения:	9
Емкость памяти результатов измерений:	64 кБайт
Число дополнительных индивидуальных калибровок (режим «обучение»):	по 5 для каждой шкалы прибора
Число шкал, программируемых пользователем:	3
Подсветка дисплея:	настраиваемая пользователем
Время автоматического выключения прибора:	настраиваемое пользователем
Питание:	аккумуляторное (возможно использование батареек)
Размеры электронного блока твердомера:	150 х 80 х 30
Масса твердомера:	0,4 кг
Диапазон рабочих температур:	-10... +40 °С
Гарантийный срок обслуживания:	24 месяца
ТРЕБОВАНИЯ К КОНТРОЛИРУЕМОМУ ИЗДЕЛИЮ
Изделия массой более 5 килограммов и толщиной более 6 мм.	не требуют дополнительных мероприятий.
Изделия жесткой конструкции (например, трубы) с ожидаемой твердостью от 90 до 250 НВ, и толщиной более 4 мм.	не требуют дополнительных мероприятий.
Остальные изделия	необходимо зафиксировать («притереть») на опорной плите с помощью фиксирующей пасты (например смазка «ЦИАТИМ»)
Шероховатость контролируемой поверхности, обеспечивающая наибольшую точность измерений (не требующая увеличения количества усреднений)	для датчика типа «D» — 3,2 Ra для датчика типа «G» — 7,2 Ra для датчика типа «E» — 1,6 Ra

Технические характеристики твердомера ТЭМП-4 во многом аналогичны твердомеру ТКМ-359, поэтому здесь не приводятся.

Методика измерения твердости твердомером ТКМ-359

1. Установить твердомер в месте, удобном для контроля.
2. Подсоединить датчик к разъему на торцевой стенке электронного блока.
3. Включить твердомер ТКМ-359 путем кратковременного нажатия кнопки питания. Прибор выйдет в режим «ИЗМЕРЕНИЯ» по шкале, которой пользовались при предыдущем включении прибора. Экран графического дисплея (ГД) примет вид, аналогичный представленному на рисунке 3.
4. Кнопками «HRC», «НВ», «НV» выбрать требуемую шкалу твердости (например, НВ или HRC).

Рис. 3. Общий вид дисплея твердомера ТКМ-359

5. Установить датчик перпендикулярно к контролируемой поверхности и произвести измерение, взведя датчик и нажав спусковую кнопку. В средней части экрана ГД появится «1».
6. Произвести измерения столько раз, сколько задано в режиме «РАЗМЕР ВЫБОРКИ», каждый раз смещая датчик на новое место контролируемой поверхности. Для исключения некорректных показаний прибора расстояние между отпечатками измерений должно быть не менее 3 мм.
7. В средней части экрана ГД последовательно будут появляться цифры «2», «3», «4» и т. д., а затем результат измерений в выбранных единицах твердости (среднее арифметическое).
8. Если необходимо записать данный результат контроля в выбранный блок памяти, то после появления результата измерения на экране следует нажать кнопку «».
9. Аналогично провести измерения на других участках контролируемого изделия или на других образцах.
10. Прибор автоматически выключается через заданный пользователем интервал — 3 мин. (время устанавливается от 30 с до 5 мин.), либо его можно принудительно выключить из любого режима работы путем нажатия и удержания в нажатом состоянии кнопки питания в течение 4–5 с.
11. Для выключения твердомера из меню необходимо выбрать пункт «ВЫКЛЮЧЕНИЕ» и кратковременно нажать кнопку «». Прибор выключится.

Кроме выполнения основной задачи — определение твердости материалов на подготовленных для этой цели специальных образцах, студенты по заданию преподавателя выполняют ещё одно задание — определение абсолютной погрешности твердомера по методике поверки, изложенной в руководстве по эксплуатации и его пригодности к применению [1].

При этом, в отличие от методики, изложенной в руководстве, можно определить пригодность твердомера для измерений, используя известный метод интервальной оценки [3].

При поверке должны применяться образцовые меры твердости 2 разряда типов МТР, МТБ, МТВ по ГОСТ 9031–75, значения твердости которых указаны в таблице 1.

Таблица 1

Наименование эталонных мер твердости	Номинальные значения эталонных мер твердости	Размах значений твердости в%, не более
МТБ, по Бринеллю, HB	100 ±25 HB 200 ± 50 HB 400 ± 50 HB	4,0 3,0 3,0
МТР, по Роквеллу, HRC	25 ±5 HRC 45 ±5 HRC 65 ±5 HRC	4,0 2,0 1,0
МТВ, по Виккерсу, HV	200 ±50 HV 450 ±75 HV 800 ± 50 HV	2,0 2,0 3,0

На каждой из образцовых мер твердости (см. табл. 1), необходимо провести последовательно по 5 измерений и полученные значениязанести в протокол испытаний.

Полученные 5 измерений на каждой образцовой мере вносятся в шаблон Excel и с его помощью определяется погрешность измерения для каждой исследуемой точки шкалы (табл. 2).

Выбирается уровень надежности (доверительная вероятность) результатов измерений: Р = 0,95; Р = 0,99.

С помощью функции ДОВЕРИТ программы Excel рассчитываются предельные значения абсолютных погрешностей измерений

и определяются нижняя и верхняя границы доверительного интервала значений величин

и

Полученные значения нижних и верхних границ доверительного интервала сравниваются с предельно допустимыми значениями твердости по каждой образцовой мере.

Предельные значения абсолютных погрешностей твердомера при измерении твердости по основным шкалам:

Бринелля, в диапазоне (90…150) HB……………….…………±10 HB

в диапазоне (150…300) ...........HB…..…………………………………….±15 HB

в диапазоне (300…450) HB……….………………………………..± 20 HB

Роквелла....................……………………..…±2,0 HRC

Виккерса, в диапазоне (240…500) HV……………..……………±15 HV

в диапазоне (500…800)............. HV…………………………………….…..±20 HV

в диапазоне (800…940) HV …………………………..………........± 25 HV

Примеры оформления результатов контроля приведены в таблице 2. Расчеты средних арифметических, средних квадратических и доверительных границ произведены по соответствующим формулам Excel.

Таблица 2

Проверяемые точки диапазона на образцовых мерах по шкалам	Отсчет по шкале твердомера по измерениям					Среднее арифметическое значение результата измерения	Среднее квадратическое отклонение σх	Доверительная граница погрешности результата измерений Δх
	1	2	3	4	5
HB 112	109	114	109	115	117	113	3,6	3,185
HB 191	186	183	192	185	187	187	3,4	2,946
HB 433	431	435	430	422	433	430	5,0	4,356
HRC 23,5	24,2	23,3	24,6	21,4	23,7	23,4	1,2	1,089
HRC 45,3	44,3	45,3	45,2	44,5	44,6	44,8	0,4	0,389
HRC 64,1	63,6	65,9	65,4	63,2	64,6	64,5	1,1	1,006
HV 409	415	404	402	410	412	409	5,5	4,785
HV 454	445	470	441	449	446	450	11,4	10,021
HV 779	798	758	789	777	784	781	15,1	13,197

Сравнение полученных значений нижних и верхних границ доверительного интервала при доверительных вероятностях: Р = 0,95; Р = 0,99 с предельно допустимыми значениями твердости по каждой образцовой мере приведено в таблице 3.

Таблица 3

Наименование мер твердости ичисло единиц твердости по шкалам	Нижняя граница доверительного интервала, xн	Верхняя граница доверительного интервала, xв	Абсолютная погрешность результата измерений при доверительных вероятностях Р = 0,95 иР = 0,99	Границы допустимых значений твердости по допуску
HB 112	109,6	116,0	3,2	102–122
	108,6	117,0	4,2
HB 191	183,7	189,5	2,9	176–206
	182,7	190,5	3,9
HB 433	425,8	434,6	4,4	413–453
	424,5	435,9	5,7
HRC 23,5	22,4	24,5	1,1	21,5–25,5
	22,0	24,9	1,4
HRC 45,3	44,4	45,2	0,4	43,3–47,3
	44,3	45,3	0,5
HRC 64,1	63,5	65,5	1,0	62,1–66,1
	63,2	65,9	1,3
HV 409	403,8	413,4	4,8	394–424
	402,3	414,9	6,3
HV 454	440,2	460,2	10,0	439–469
	437,0	463,4	13,2
HV 779	768,0	794,4	13,2	754–804
	763,9	798,5	17,3

Если погрешность измерений твердости при испытаниях на образцовых мерах в соответствующих диапазонах не превышает требуемой, то твердомер считается пригодным к эксплуатации.

Смысл оценки параметров с помощью интервалов заключается в нахождении интервалов, называемых доверительными, между границами которых с определенными вероятностями (доверительными) находятся истинные значения оцениваемых параметров.

При ограниченном числе измерений n (в данном случае на каждой образцовой мере производится n = 5 измерений) вводят коэффициент Стьюдента t_p, определяемый по специальным таблицам (либо с помощью программы Excel) в зависимости от числа измерений и принятой доверительной вероятности Р.

Смысл данной проверки заключается в том, чтобы нижняя и верхняя границы доверительного интервала не выходили бы за допустимые значения для каждой образцовой меры твердости.

Как видно из полученных данных, твердомер ТКМ-359 пригоден для измерений твердости в лабораторных условиях.

Выводы

1. Использование инновационных неразрушающих методов экспресс-контроля твердости материалов с помощью новых средств измерений в учебном процессе повышает интерес студентов к изучаемой дисциплине.
2. Использование основ статистической обработки данных повышает уровень подготовки будущих специалистов и позволяет их вовлечь в практический процесс освоения знаний по дисциплине.
3. Помогает получить им начальные представления о Государственной системе обеспечения единства измерений, а также позволяет совершенствоваться по другой смежной дисциплине, какой является «Метрология, стандартизация и сертификация».

Литература:

1. Твердомер ТКМ-359 Руководство по эксплуатации ТКМ-359 РЭ, СПб.: ООО НПП «Машпроект», 2010. — http://www.control.sp.ru/index.html
2. Твердомер ТЭМП-4 Твердомер электронный малогабаритный переносной программируемый. Паспорт ТСЛА.427.113.002, М.: ООО НПП «Технотест», 2010. — http://www.technotest.ru/
3. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Изд. стандартов, 1985. — 256 с.