Метод измерения твердости материала с использованием переносных твердомеров

Применение метода, изучаемого в данной работе, основано на известной зависимости параметров прочности стали (временное сопротивление) с твердостью материала.

Твердость материала можно определить, как испытанием на прессе Бринелля, так и измерением твердости по другим шкалам (Роквелла, Виккерса, Шора) и пересчетом в твердость по Бринеллю. Имеется большой выбор портативных приборов, позволяющих определять твердость стали в полевых условиях. Приборы реализуют различные методы, например: динамический — серия приборов ТЭМП (аналог измерений по Шору), ультразвуковой — приборы серии МЕТ-У (по Виккерсу), статический — Equostat (по Роквеллу) и др.

Основные методы, применяемые в полевых условиях – динамический, ультразвуковой и статический. При динамическом методе определяется косвенная характеристика – отношение скорости при ударе и отскоке индентора от поверхности образца.

В ультразвуковом методе измеряемым параметром является частота колебаний индентора при его внедрении в образец на определенную глубину под действием постоянного усилия. Значения косвенных характеристик в дальнейшем переводятся в число твердости по градуировочной зависимости, заложенной в приборе.

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

При использовании стационарных твердомеров обеспечение точности измерений не составляет труда. Измерения с помощью стационарных приборов дают меньшую погрешность по сравнению с портативными, а так же возможна более качественная подготовка поверхности отобранных образцов. Однако последний плюс заключает в себе и основной недостаток данного метода – возникает необходимость отбора образцов, что является трудоемким мероприятием и не всегда возможно. Поэтому, несмотря на наличие погрешностей, предпочтение в большинстве случаев отдают использованию портативных приборов, позволяющих избежать отбора образцов. И, хотя уже существует теоретическая и приборная база[U8] , правильно выполнить измерения твердости на арматуре, входящей в составе железобетонной конструкций, а также произвести однозначный пересчет в прочность стали не просто.

Между тем применение любого из методов неразрушающего контроля твердости требует соблюдения определенных требований к участку измерения и его поверхности. К этим требованиям относятся:

— минимальная площадка измерения для применения динамического метода должна быть не менее 10 мм, а для ультразвукового — не менее 5 мм;

— шероховатость измеряемой поверхности при использовании большинства методов измерения твердости (как портативными, так и стационарными приборами) должна быть не более 0.32 мкм (Ra).

Обеспечить выполнение описанных условий можно с помощью обработки абразивными дисками, установленными на угловую шлифовальную машинку (УШМ). После среза части сечения арматуры и создания площадки необходимых размеров и шероховатости, производится дообработка поверхности с помощью соответствующих насадок на УШМ.

При выполнении обработки шлифовкой механические свойства и структура поверхностного слоя стали изменяются. В основном это происходит за счет влияния двух факторов: высокой температуры и наклепа вследствие пластических деформаций металла поверхностного слоя.

При шлифовке малогабаритными устройствами типа УШМ в режиме работы с перерывами температура нагрева стали достигает , что подтверждается тепловизионными измерениями. При работе без перерывов и периодического охлаждения поверхности температура может достигать и более, о чем свидетельствует появление оксидной пленки с цветами побежалости. При достижении указанных температур сталь может подвергаться низкотемпературному и среднетемпературному отпуску. При этом прочность, пластичность и твердость поверхностного слоя могут изменяться.

Помимо высоких температур, в зоне реза (шлифования) металл поверхностного слоя претерпевает существенные пластические деформации, которые после обработки являются остаточными. Подобные деформации могут приводить как к образованию остаточных напряжений в поверхностном слое элемента, так и к изменению параметров прочности и твердости за счет наклепа. Глубина измененного слоя зависит от скорости реза, силы подачи инструмента, направления шлифовки, зернистости абразива и других факторов. Известно, что толщина слоя с этими изменениями может колебаться от десятков до сотен микрон.

Таким образом, применяя портативные приборы с малой глубиной проникновения индентора (статический, ультразвуковой), результат измерения можно получить с существенным отличием от истины. С другой стороны, указанные методы (например, ультразвуковой) характеризуются большей универсальностью для применения в полевых условиях, так как измерения можно производить на элементах меньших размеров по площади и толщине, меньшей массы и большей кривизны. Следовательно, для расширения области применения портативных твердомеров на боковой поверхности арматурных стержней необходимо исследовать влияние видов обработки на арматурную сталь и подобрать оптимальный вид и режим. [U9]

После решения проблем с подготовкой поверхности измерения и выбора метода неразрушающего контроля, возникает немаловажный вопрос: какую зависимость применять для определения прочности стали по твердости?

В большинстве изданий указаны зависимости «твердость-прочность стали», полученные при исследовании прокатных профилей (швеллер, двутавр и др.), применяемых для элементов строительных конструкций. Эти стали характеризуются относительно узким диапазоном прочности, небольшим разнообразием марок и простыми способами термического улучшения. Всего этого нельзя сказать об арматурной стали различных классов.[U10]

Пока нет однозначных результатов о влиянии различных видов стали, из которых изготавливаются арматурные стержни, а также видов термомеханического упрочнения арматуры, напряженного состояния и других факторов на существуемую зависимость. В данной работе предпринята попытка нахождения связи между твердостью арматурной стали и ее классом. В качестве опытных образцов рассматривались преднапряженные конструкции, армированные стержнями классов AIIIB, AIV, AV.

Так же влияние на показания твердомера оказывает глубина срезаемой поверхности, т.к. по сечению арматурного стержня твердость распределяются не равномерно, ближе к поверхности образца значения выше, по сравнению с остальными показаниями.[U11]

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Как уже было отмечено выше, несмотря на наличие большого спектра приборов для измерения твердости и предварительной обработки поверхности арматуры в полевых условиях, выбор конкретного вида оборудования и определение условий его применения требуют детального изучения.

Для решения поставленной задачи требуется выполнить всестороннее исследование, в ходе которого необходимо рассмотреть факторы, влияющие на результат измерений, и их значимость, а также определить мероприятия для устранения (при возможности) или снижения их влияния, либо учета в аналитических выражениях. А так же провести анализ проведенных испытаний с целью выявления зависимости между твердостью и прочностью арматурных стержней и переход от нее к ласу арматуры.[U12]

Целью данной работы является разработка метода определения класса арматурной стали в преднапряженных конструкциях с помощью портативных твердомеров. В ходе работы изучались факторы, влияющие на результаты измерения, такие как величина среза наружного слоя боковой поверхности стержней, подготовка поверхности арматурного стержня для измерений статическим твердомером, величина площадки измерений, изменения показаний твердомера в зависимости от глубины спила.