Ультразвуковой твердомер: принцип работы

Ультразвуковой твердомер относится к устройствам неразрушающего контроля, которые используются для измерения твердости металлов и сплавов. Такие приборы отличаются высокой точностью измерений, широко используются в машиностроении, автомобилестроении, станкостроении и других отраслях промышленности. Технические требования к ультразвуковым твердомерам изложены в ГОСТ 23677-79.

Особенности измерения

В принципе работы ультразвукового твердомера используется явление контактного импеданса – затухания колебаний (метод UCI). На конце стального стержня, зафиксированного в датчике, расположен алмазный наконечник (индентор) – пирамида Виккерса с углом 136° между гранями. Последний является акустическим резонатором, передающим колебания от встроенного генератора ультразвуковых колебаний. Измерение твердости происходит так:

• алмазный наконечник прижимается к исследуемому металлическому образцу;
• обеспечивается фиксированное усилие (нагрузка) на поверхность металла;
• происходит изменение собственной частоты резонатора;
• частота изменяется пропорционально глубине внедрения наконечника в материал;
• электронный блок твердомера принимает сигнал и преобразует его;
• результаты измерений в единицах твердости выводятся на дисплей.

Метод измерения похож на классическую схему Виккерса, но имеет некоторые отличия:

• в нем используются небольшие нагрузки (1, 5, 10 кг);
• твердость рассчитывается не по величине отпечатка, а по изменению частоты.

В отличие от динамических твердомеров ультразвуковые приборы практически не имеют ограничений ни по толщине стенки, ни по массе образца. Они рассчитаны на измерение твердости в широком диапазоне и могут использоваться для контроля поверхностно упрочненных слоев (например, цементированных), гальванических покрытий и наплавок.

Основные достоинства

• Все ультразвуковые твердомеры монтируются во влагозащищенных и ударопрочных корпусах, благодаря чему могут использоваться в сложных климатических условиях.
•  Отпечаток, остающийся после измерения, очень мал. Поэтому ультразвуковые твердомеры можно использовать для контроля зеркальных поверхностей, шеек коленчатых валов и других точных деталей.

• Такой прибор может измерять твердость изделий с малой толщиной, начиная от 1 мм. Это тонкостенные конструкции, стальные листы, емкости, малые заготовки и детали.
• Измерение твердости металлов и сплавов проводится по нескольким шкалам: Роквелла, Бринелля, Виккерса и Шора.
• Многие модели оснащены дополнительной шкалой Rm (МПа), позволяющей определить предел прочности металла на разрыв.
• Ультразвуковой твердомер компактен и удобен в пользовании, не требует специальной подготовки поверхности образца.

Ограничения

В некоторых случаях ультразвуковые твердомеры не могут измерять твердость с необходимой точностью. Это касается материалов с крупнозернистой структурой (некоторых марок чугуна и стали), а также очень мягких металлов и сплавов.