Автоматические промышленные средства испытания для определения динамической прочности материалов

• минимального радиуса кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей;
• шероховатости контролируемой поверхности;
• структуры материала;
• геометрических размеров зоны контроля;
• других влияющих факторов указанных в инструкциях для конкретных приборов.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу методов  неразрушающего контроля, они подразделяются на девять основных видов: акустический, магнитный, вихретоковый, проникающими веществами, радиоволновый, радиационный, оптический, тепловой и электрический.

Сопоставление методов  неразрушающего контроля между собой  нужно проводить с учетом следующих  обстоятельств. Во-первых, многие из описанные  выше методов НК применимы для контроля только определенных типов материалов:

• радиоволновой – для неметаллических, плохо проводящих ток материалов;
• вихретоковый – для хороших проводников электрического тока;
• магнитный – для ферромагнетиков;
• акустический – для материалов, обладающих небольшим затуханием звуковых волн соответствующей частоты;
• оптический - хорош для объемного контроля прозрачных в световом диапазоне ОК.

Во-вторых, следует иметь  в виду различия в модификации  методов в зависимости от их предназначения: измерение геометрических размеров, исследование химического состава и структуры, поиск объемных или поверхностных дефектов и т.д. Поэтому решение об использовании того или иного метода НК необходимо принимать с учетом всех факторов, действующих при производстве или исследовании объектов контроля.

Испытания на ударную  вязкость обычно проводятся механическим способом, с разрушением образца  в лабораторных условиях. Этот метод  является стандартным. Однако на НТМК принято решение начать использовать для определения ударной вязкости металла более современный неразрушающий магнитный метод. Исследования в этой области были начаты на комбинате еще в 70-х годах и дали положительные результаты.

 

Нормативные документы

 

1. ГОСТ 9454-78 «Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах»;
2. ГОСТ 10708-82 «Копры маятниковые. Технические условия»;
3. ISO 148-2:1998 «Материалы металлические. Ударное испытание на маятниковом копре по Шарпи»;
4. ISO 180:1993 «Определение ударной вязкости по Изоду»;
5. ISO 179:1993 «Определение ударной вязкости по Шарпи»;
6. ОКП 42 7114 7 Машины для испытания металлов на удар (копры)
7. ТН ВЭД 90241099 Машины и приборы для испытания металлов на удар (копры).

 

Методы  испытаний

 

Существующие лабораторные методы отличаются по:

- способу закрепления образца на испытательном стенде;

- способу приложения  нагрузки - падающая гиря, маятник,  молот;

- наличию или отсутствию  надреза в месте приложения  удара.

Для испытания "без  надреза" выбирается лист материала  с равной толщиной по всей площади. При проведении испытания "с надрезом" на поверхности листа проделывается канавка, как правило, на стороне обратной по отношению к месту удара, на всю ширину (длину) образца, глубиной на 1/2 толщины. Ударная вязкость при испытании "без надреза" может превышать результат испытаний "с надрезом" более чем на порядок.

Среди распространенных методов испытаний на ударопрочность следует отметить:

- Испытания по Шарпи;

- Испытания по Гарднеру;

- Испытания по Изоду.

1) Ударная  прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256)

Испытания образцов с  надрезом на ударную прочность по Изоду стали стандартным методом  для сравнения ударной прочности  пластиков. Однако результаты этого  метода испытаний мало соответствуют  реакции формованного изделия на удар в реальной обстановке. Из-за разной чувствительности материалов к надрезу этот метод испытаний позволяет отбраковывать некоторые материалы. Несмотря на то, что результаты этих испытаний часто запрашивались как значимые меры ударной прочности, эти испытания проявляют тенденцию к измерению чувствительности материала к надрезу, а не к способности пластика выдерживать удар. Результаты этих испытаний широко используются как справочные для сравнения ударных вязкостей материалов. Испытания образцов с надрезом на ударную прочность по Изоду лучше всего применимы для определения ударной прочности изделий, имеющих много острых углов, например ребер, пересекающихся стенок и других мест концентрации напряжений. При испытаниях на ударную прочность по Изоду образцов без надреза, применяется та же геометрия нагружения, за исключением того, что образец не имеет надреза (или зажат в тисках в перевернутом положении). Испытания этого типа всегда дают более высокие результаты по сравнению с испытаниями образцов с надрезом по Изоду из-за отсутствия места концентрации напряжений.

Ударной прочностью образцов с надрезом по методу Изода является энергия удара, затраченная на разрушение надрезанного образца, деленная на исходную площадь поперечного сечения  образца в месте надреза. Эту  прочность выражают в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м2. Образец вертикально зажимают в тисках ударного копра.

Обозначения ISO отражают тип образца и тип надреза:

ISO 180/1A обозначает тип образца 1 и тип надреза А. Как можно увидеть на рисунке ниже, образец типа 1 имеет длину 80 мм, высоту 10 мм и толщину 4 мм.

ISO 180/1O обозначает тот же образец 1, но зажатый в перевернутом положении (указываемый как "ненадрезанный").

Образцы, используемые по методу ASTM, имеют подобные размеры: тот же радиус скругления у основания надреза и ту же высоту, но отличатся по длине - 63,5 мм и, что более важно, по толщине - 3,2 мм.

Результаты испытаний  по ISO определяют как энергию удара в джоулях, затраченную на разрушение испытуемого образца, деленную на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Результат выражают в колоджоулях на квадратный метр: кДж/м2.

Результаты испытаний  по методу ASTM определяют как энергию удара в джоулях, деленную на длину надреза (т.е. толщину образца). Их выражают в джоулях на метр: Дж/м. Практический коэффициент пересчета равен 10: т.е. 100 Дж/м равно приблизительно 10 кДж/м2.

Разная толщина образцов может отразиться на различных интерпретациях "ударной прочности", как показано отдельно.

 

Образцы для измерения ударной  прочности

 

Метод измерения ударной прочности по Изоду

 

 

2) Ударная  прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256)

Основным отличием методов  Шарпи и Изода является способ установки испытуемого образца. При испытании по методу Шарпи  образец не зажимают, а свободно устанавливают на опору в горизонтальном положении.

  Обозначения ISO отражают тип образца и тип надреза:

ISO 179/1C обозначает образец типа 2 и надрез типа CI;

ISO 179/2D обозначает образец типа 2, но ненадрезанный.

Метод измерения ударной прочности  по Шарпи

 

Образцы, используемые по методу DIN 53453, имеют подобные размеры. Результаты по обоим методам ISO и DIN определяются как энергия удара в джоулях, поглощенная испытуемым образцом, деленная на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эти результаты выражаются в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м².

3) Ударная  прочность по Гарднеру.

Испытания на удар падающим грузом. Результаты испытаний на удар падающим грузом, например, по методу Гарднера или изогнутой плитой, зависят от геометрии падающего груза и опоры. Их можно использовать только для определения относительного ранжирования материалов. Результаты испытаний на удар не могут считаться абсолютными, кроме случаев, когда геометрия испытательного оборудования и образца соответствуют требованиям конечного применения. Можно ожидать, что относительное ранжирование материалов по двум методом испытаний будет совпадать, если характер разрушения и скорости удара одинаковы.

 

Статические характеристики приборов

 

Для автоматических промышленных маятниковых  копров нормируются следующие метрологические характеристики:

- диапазон измерений;

- основная погрешность;

- вариация выходного  сигнала (показаний);

- изменение выходного  сигнала (показаний) за регламентированный  интервал времени;

- функция влияния или  дополнительные погрешности, вызванные  изменением влияющей величины  в пределах рабочих условий;

- время установления  выходных сигналов (показаний);

- чувствительность;

- цена деления шкалы  (только для показывающих маятниковых  копров).

       Метрологические характеристики определяют структуру, конструкцию, технологию производства и характер эксплуатации измерительного прибора (ИП). К основным метрологическим характеристикам относятся погрешность и диапазон измерений ИП.

       Под погрешностью ИП подразумевается отклонение выходного сигнала ИП от номинального значения, соответствующего истинному значению входной величины. Погрешности ИП подразделяют на основную и дополнительные, статические и динамические, систематические и случайные.

       Основная погрешность определяется в нормальных условиях применения ИП, устанавливаемых в технической документации.

       Дополнительные погрешности возникают при эксплуатации ИП в условиях, отличных от нормальных, при которых осуществляются градуировка и поверка. Подавляющее большинство ИП подвержены влиянию изменений температуры, давления, влажности окружающей среды, параметров питающих напряжений и газовых потоков

       Статическая погрешность - это погрешность ИП при измерении величины, принимаемой за неизменную.

       Динамическая погрешность возникает дополнительно при измерении переменной величины и обусловлена несоответствием реакции ИП на скорость изменения входного сигнала.        

Систематическая погрешность - это составляющая погрешности ИП, принимаемая постоянной или закономерно  изменяющейся.

         Случайная погрешность - это составляющая  погрешности ИП, изменяющаяся случайным  образом.

         Суммарная погрешность измерений оценивается как суперпозиция случайной и систематической составляющей.

         Источниками погрешности измерений  являются несовершенство метода  измерений, неидеальность изготовления  и функционирования ИП, временная  нестабильность параметров ИП, отклонение условий измерения от нормальных, неточности градуировочной зависимости, температуры и давления, индивидуальные особенности оператора.

         Диапазон измерений представляет  собой область изменения значений  измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности ИП.

         Отношение верхнего предела диапазона  измерений к порогу чувствительности  называется полным или динамическим  диапазоном ИП.

 

 

Динамические  характеристики приборов

 

Динамическими называют такие характеристики ИП, которые проявляются лишь при работе прибора в динамическом режиме, т. е. при преобразованиях переменных во времени величин. Динамические характеристики описывают свойства измерительного преобразователя при быстрых изменениях измеряемой величины.

Динамические характеристики нормируются путем задания номинального дифференциального уравнения или  передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

      К динамическим характеристикам ИП следует отнести время установления показаний и время начала реагирования, которые определяются протеканием переходного процесса в ИП после подачи на него входного сигнала в виде скачка.

       Инерционность ИП характеризуется временем начала реагирования и временем установления показаний по определенному уровню.

Динамический диапазон - область входных величин, преобразуемая  ИП без заметных искажений.

 

 

Средства  анализа и обработки информации

 

       ИП, используемые в настоящее время для определения динамической прочности, характеризуются следующими техническими и экономическими показателями:

1) Коэффициент преобразования (чувствительность) ИП определяется отношением

                            К=ΔY/ΔX,                             

где ΔY - изменение выходного  сигнала ИП;

ΔX – изменение сигнала (чаще всего измеряемой величины) на входе ИП.

       2) Порог чувствительности ИП представляет собой наименьшее изменение измеряемой величины, подаваемой на вход преобразователя, которое обусловливает изменение сигнала на его выходе, удовлетворяющее метрологическим требованиям.

3) Градуировочная характеристика (функция преобразования) представляет собой зависимость значений выходных сигналов от входных ИП. Она должна быть линейной и стабильной во времени.

Если выходным сигналом ИП является напряжение U, а входным  – массовая концентрация ρ, то чувствительность будет равна: