УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЗАКРЫТОЙ ПОРИСТОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Полезная модель относится к области определения физических свойств металлов на основе измерения веса объектов в жидкой среде, и может быть использована в машиностроении, металлургии, судостроении, сварочном производстве и др. Устройство предназначено для определения объема закрытой пористости металлических образцов без разрушения их структуры.
Известен комплект лабораторного оборудования для определения пористости по патенту на полезную модель РФ №107359, G01N 15/08 (2006.01), опубл. 10.08.2011 г. Комплект содержит исследуемые образцы, приборы для измерения объема и массы образцов и измельчитель, в качестве которого применяют металлорежущий инструмент. Недостатком данного комплекта является сложная методика подготовки образцов, которая заключается в их полном измельчении до размеров частиц по трем осям меньше 1 мм. При измельчении неизбежно происходит пластическое деформирование металла, его наклеп и истирание, в т.ч. изменение объема и структуры материала, что приводит к искажению результатов.
Известен учебный прибор для демонстрации пористости и сжимаемости материалов по патенту на полезную модель РФ №65674. G09B 23/06 (2006.01). опубл. 10.08.2007 г. Прибор содержит два сменных образца из низкомодульного материала, помещенных в отдельные емкости с одинаковыми объемами жидкости - каждый в тонкой эластичной герметичной оболочке, и средство для изменения давления в емкостях. Недостатком устройства является сложность конструкции, а также невозможность определения пористости материалов с высокими значениями модуля упругости, к которым относятся металлы, т.к. для их объемного сжатия по предлагаемой схеме потребуется гидростатическое давление, во много раз превышающее технические возможности прибора.
Известны устройства для определения пористости исследуемого образца на основе методики ядерного магнитного резонанса (пат. РФ №2422809, G01N 24/08, опубл. 27.06.2011 г.), который заключается в том, что осуществляют регистрацию сигнала ядерного магнитного резонанса рабочего вещества (инертного газа), заполняющего поровое пространство образца, помещенного в спектрометр ЯМР. Недостатком устройства является сложность и высокая стоимость аппаратуры для осуществления ЯМР и необходимость использования инертных газов.
Известно устройство определения пористости материалов на основе спектроскопического способа (пат. РФ №2310188, G01N 15/08 (2006.01), опубл. 10.11.2007 г), включающего изготовление образца исследуемого материала, размещение его перед источником ИК-излучения и регистрацию спектра. Недостатком устройства является сложность и дороговизна аппаратуры для создания и регистрации ИК-излучения, а также необходимость изготовления эталонных монолитных образцов.
По технической сущности и назначению наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и принятым за ее прототип является устройство, определения пористости исследуемого образца на основе измерения его веса в жидкой среде (а.с. СССР №457889, G01G 9/00, опубл. 25.01.1975 г.) Известное устройство содержит весы с выполненной в виде коромысла балкой, шарнирно установленной на вертикальной стойке. Один конец коромысла соединен с грузоприемной подвеской, помещенной в основной сосуд с жидкостью, и сообщающийся с основным сосудом дополнительный сосуд, в котором размещен шток, связанный с гиревой подвеской весов. С помощ Также все показания измерения выводятся на цифровой индикатор (10)ью известного устройства определяют вес образца в жидкой среде, величина которого используется в дальнейшем для определения плотности исследуемого объекта и объема в нем закрытой пористости.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения веса металлического образца в жидкой среде и соответственно недостаточная точность определения объема закрытой пористости в нем, так как для измерения и фиксации величины веса используется механический маятниковый стрелочный индикатор.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в повышении точности определяемого параметра - объема закрытой пористости металлических образцов.
Для достижения указанного результата в устройстве для определения объема закрытой пористости металлических образцов, содержащем, так же как и прототип, вертикальную стойку, связанную с ней балку с грузоприемной подвеской, помещенной в сосуд с жидкостью, в отличие от прототипа, балка выполнена упругой и закреплена на вертикальной стойке консольно, при этом на балке установлены четыре тензодатчика, по два на ее верхней и нижней поверхности и соединенные между собой по схеме моста Уитстона, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с цифровым индикатором.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в замене коромыслового механизма с гиревой подвеской и механическим стрелочным индикатором на упругую консоль с элементами аналого-цифровой техники, что позволяет с большой степенью точности производить измерение веса исследуемого образца в жидкой среде. Это в конечном итоге дает более точные по сравнению с прототипом результаты определения объема закрытой пористости в металлическом изделии. Дополнительно к тому упрощается конструкция устройства и процесс измерения.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа, а также анализ выявленной информации в области измерительной техники показал, что поставленная задача - повышение точности определения объема закрытой пористости металлических образцов, решается в результате новой совокупности признаков и позволяет сделать вывод о соответствии устройства, предлагаемого в качестве полезной модели, критерию «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1, 2).
На фиг. 1 изображены: исследуемый образец 1, сосуд с жидкостью (техническим керосином 2) 3, грузоприемный подвес 4, упругая консольная балка 5, на которой закреплены четыре малобазовых тензодатчика (2ПКБ) 6 по два сверху и снизу балки, вертикальная стойка 7, узел, обеспечивающий измерение и регистрацию веса образца 8.
На фиг. 2 раскрыта электрическая схема узла 8, состоящего из тензодатчиков 6, соединенных между собой в измерительный мост Уитстона, аналого-цифрового преобразователя 9, цифрового индикатора 10, источника постоянного тока (опорного напряжения) 11.
Разработанное устройство просто в применении, дает более точные результаты и не требует проведения длительных подготовительных работ. Электрическое питание и измерение сигналов с моста тензодатчиков (6) производится с помощью аппаратной вычислительной платы - Arduino Mega, построенной на платформе, имеющей 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь и возможность передачи данных в персональный компьютер по COM (USB) интерфейсу. Также все показания измерения выводятся на цифровой индикатор (10). Тарировка балки производится подвешиванием гирь общего назначения 3-го класса точности. Достигаемая точность измерений составляет 0.05÷0.1 гр.
3
Подготовка образцов заключается в их термической обработке при температуре 150-200°C в течение 10-15 минут для исключения влияния факторов, связанных с возможным накоплением жидкости или других веществ на поверхности металлических образцов. После чего образцы охлаждают до комнатной температуры в изолированном лабораторном шкафу. Далее производят измерение геометрических размеров образца с точностью измерения 0,01 мм. По результатам измерений вычислялся объем образца - V [мм].
Перед гидростатическим взвешиванием испытуемый образец взвешивают на воздухе при комнатной температуре 20°C, вычисляют его плотность из соотношения:
,
возд
возд
где M - масса образца на воздухе, полученная но результатам измерения на установке, ρ - расчетная плотность образца на воздухе.
Затем образец взвешивают на разработанном устройстве, помещая его в сосуд 3 с техническим керосином 2, после чего вычисляют его плотность из соотношения:
,
жидк
жидк
где M - масса образца в керосине, ρ - расчетная плотность образца в керосине.
Из соотношения дефицита измеренного веса образца на воздухе и в керосине к удельному весу образца определяется объем закрытой пористости в образце в процентном отношении. Закрытую пористость определяют как отношение объема закрытых пор к объему исследуемого материала, выраженное в процентах.
Предлагаемая полезная модель была создана сотрудниками кафедры сопротивления материалов и механики ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова» в процессе проведения экспресс-исследований образцов из литой стали, полученных в различных технологических условиях и содержащих различный объем скрытой усадочной и газовой пористости. Устройство было апробировано в лабораторных условиях и показало преимущества заявленного решения перед прототипом, а, именно:
- повышение по сравнению с прототипом точности измеряемого параметра на 15÷20%,
- упрощение конструкции.
Всего было проведено более 100 измерений объема закрытой пористости в образцах из низколегированной и углеродистой литой стали, при этом объем пористости составлял от 0,25 до 6% от общего объема образца, точность измерений составила 0,05%.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость».