ГЛАВА 5
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИИ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ
5.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПОСРЕДСТВОМ ВОЗМУЩЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБРАЗЦОВ
Перспективный экспрессный метод определения характеристик ползучести —намерение длительной твердости материалов. При температуре, превышающей 0,5—0,6 температуры плавления, число твердости при длительном приложении нагрузки к индентору может заметно измениться вследствие ползучести исследуемого материала.
Статическая твердость представляет собой по сути среднее напряжение течения материала в сложнонапряженном состоянии. Согласно существующим представлениям средняя деформация материала под килектором соответствует среднему приложенному напряжению, равному одной трети регистрируемого в данный момент значения твердости. Такое соотношение соответствует тому, что среднее давление на индентор приблизительно равно утроенному напряжению течения при одноосном деформировании. Наконечник (индентор) в форме шара, конуса или пирамиды из твердого материала, закрепленный на стержне, вдавливают в исследуемый материал, прикладывая к стержню постоянную нагрузку. Под индентором возникает зона пластического течения материала, и на его поверхности возникает отпечаток, площадь которого характеризует сопротивляемость материала пластическому деформированию.
При проявлении ползучести материала отпечаток с течением времени увеличивается и скорость его увеличения служит характеристикой ползучести. Поскольку при вдавливании индентора пластической деформации подвергается лишь незначительная доля объема образца, возможно многократное повторение измерений на одном образце в разных точках его поверхности для набора данных при разных температурах или дозах облучения. Набор данных получают на одном образце, поэтому существенно уменьшается их разброс из-за различия свойств образцов, Измерение статической твердости широко применяется в практике лабораторных исследований и производственного контроля. Однако его применение в условиях воздействия высокой температуры и ионизирующих излучений затруднено вследствие сложности определения размеров получаемого при вдавливании отпечатка. Акустический метод позволяет преодолеть указанную трудность.
Физическую основу метода составляет зависимость резонансных частот образца или стержня с индентором от площади их взаимного соприкосновения, определяемой твердостью менее твердого из контактирующих материалов (обычно образца) и их характеристиками упругости (6). На основе соотношений из гл. 1 можно получить необходимые расчетные формулы.
Регистрация изменений резонансной частоты образца для измерения твердости имеет преимущество, заключающееся в возможности измерений на малых образцах, жесткое закрепление которых не обязательно. Кроме того, при высокотемпературных измерениях несущественно распределение температуры по стержню с индентором, что позволяет закрепить на его свободном конце излучающий (приемный) преобразователь. Такая возможность обусловлена нерезонансным режимом работы стержня.
При высокотемпературных измерениях по описанному методу возможны погрешности, обусловленные нестабильностью температуры и изменением свойств образца под ее воздействием. Результирующее изменение частоты складывается из двух составляющих, одна из которых связана с влиянием температуры, а вторая —с внедрением индентора. Температурную составляющую можно учесть, исходя из того, что при небольших колебаниях температуры относительные изменения всех резонансных частот образца, вызванные этими колебаниями температуры, одинаковы. Поэтому изменение резонансной частоты, на которую воздействие индентора незначительно, может служить для определения частотного сдвига, связанного с температурными факторами. D качестве такой частоты можно использовать резонансную частоту, соответствующую планарным колебаниям образца (0,3) (см. гл. 1). Частота рассчитывается с помощью данных табл. 1.5. Измерения (20) показали, что при указанной выше геометрии расположения опор и индентора влияние последнего на частоту (0,3) примерно на два порядка меньше, чем иа частоту, на которой проводятся измерения твердости. В соответствии с изложенным в формулу (5.1) для вычисления твердости следует подставить значение Δf/f, определяемое разностью
(5.2)
По формуле (5.1) можно найти абсолютное значение твердости. Контрольные измерения, выполненные на образцах сравнительно больших размеров (диаметром 40 и толщиной 5 мм), при которых возможно достаточно точное определение всех величин, входящих в расчетную формулу, показали, что точность измерения твердости УЗ-методом не ниже, чем достигаемая на промышленных твердомерах [20]. Погрешность не превышает 1,0—2,5%. При уменьшении размеров образца ухудшается точность его фиксации на опорах, вследствие чего координаты вдавливания индентора становятся менее определенными. Погрешность нахождения абсолютного значения твердости может возрасти до 10—12%. В этом случае можно существенно улучшить точность результатов, обмеряя отпечатки по окончании испытаний стандартными методами. Получаемая при этом информация даст сведения о точных значениях координаты вдавливания, а также о числе твердости в конце испытаний. Последнее особенно важно, поскольку, как следует из формулы (5.1),
(5.3)
где А—константа, зависящая от свойств образца и параметров установки, но остающаяся неизменной в продолжение одного длительного вдавливания; f0— резонансная частота до начала вдавливания. Из эксперимента известна зависимость Δf/fο от времени. Обозначив t момент времени окончания вдавливания, имеем
Поскольку величина HV(t) находится посредством обмера отпечатка, значение константы А становится известным, и кривая длительной твердости полностью определена. При расчетах твердости по размерам отпечатка необходимо вводить поправки, учитывающие упругое восстановление отпечатка после снятия нагрузки и тепловое расширение образца, поскольку обмер отпечатка проводится после охлаждения его до комнатной температуры. Способы введения соответствующих поправок известны.
Время нагружения определяется темпом изменения твердости, убывающим со временем. Исследования, проведенные в широком температурном интервале, показали, что при измерениях кратковременной (обычной) твердости время приложения нагрузки должно составлять 40—60 с. При исследованиях длительной твердости время нагружения, совпадающее со временем получения кривой длительной твердости, определяется порогом чувствительности и погрешностями измерительной системы. Практика показывает, что время измерений длительной твердости акустическим метолом может составлять от 15—20 мин до 1—2 ч.
Выбор нагрузки на индентор обусловлен тем. что акустический метод лучше применять при измерениях микротвердости, когда размеры отпечатка составляют 5—150 мкм, что соответствует нагрузкам 0,1—2 Н. Верхний предел определяется максимально допустимыми размерами отпечатка, которые в наихудшем случае (в конце измерений длительной твердости) не должны превышать одной трети толщины образца, и границы соседних отпечатков должны разделяться расстоянием, не меньшим трех диаметров отпечатков. Граница образца также должна отстоять от ближнего отпечатка на расстоянии, не меньшем трех его диаметров. Выполнение этих требований обеспечивает независимость результатов от размеров образца и исключает взаимное влияние отдельных вдавливаний. Нижний предел ограничен требованием, чтобы отпечаток охватывал не менее 10— 20 зерен материала (если только не изучаются свойства отдельного зерна), а также возможностью стабилизации нагрузки в условиях толчков и вибраций, особенно при внутриреакторных исследованиях. При выполнении этих условий число твердости практически не зависит от приложенной нагрузки.
Рассмотренная методика обеспечивает намерение твердости в процессе длительного вдавливания индентора с погрешностью, не превышающей 1,0—1.5% для образцов диаметром 10 и толщиной 1 мм при температуре до 1800 К и нагрузке на образец порядка 10—15 Н (62).
