 |
Тема 12. Методы контроля и анализа электрических свойств
|
|
|
|
Электрические свойства металлических материалов (удельная электропроводность и удельное электрическое сопротивление) реагируют на изменение и искажение кристаллической решетки, концентрацию примесей, размер зерна, выпадение частиц избыточной фазы при старении, изменение ее дисперсности и другие особенности структуры. Электропроводность металлов обусловлена движением свободных электронов, поток которых испытывает сопротивление, вызываемое тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки. Сварка, холодная деформация и термическая обработка сплавов создают искажения в кристаллической решетке (дефекты), которые также повышают электросопротивление вследствие дополнительного рассеяния свободных электронов.
При исследовании используются образцы простой формы в виде стержней или полос малого поперечного сечения и большой длины. Для измерения удельного электросопротивления необходимо знать линейные размеры исследуемого объекта.
Изучение электрических характеристик двойных и тройных сплавов позволяет косвенно определить структуру и химический состав исследуемого материала (электрическая структуроскопия, электрический структурный анализ). Приборы – электрические структуроскопы. К структурно-чувствительным электрофизическим характеристикам относят температурный коэффициент электросопротивления, особенности контроля которого обусловлены тем, что не надо измерять линейные размеры объекта исследования.
Методы электрического структурного анализа разделяют на контактные и бесконтактные.
Контактные методы основаны на создании в контролируемом объекте электрического поля при непосредственном пропускании через него электрического тока и измерении его электросопротивления. Подведение тока осуществляют с помощью острозаточенных электродов для уменьшения контактного сопротивления. Среди контактных методов наибольшее применение находитметод измерительного моста. В методе измерительного электрического моста используют электрический мост (прибор постоянного тока, состоящий из 4-х электрических сопротивлений, соединенных последовательно в виде четырехугольника). Из условия уравновешивания моста определяют электрическое сопротивление контролируемого объекта. Поскольку в одно из плеч моста включен стандартный образец, то этот метод относится к дифференциальным методам и имеет более высокую чувствительность.
|
|
|
Контактные методы контроля и анализа материалов характеризуются простотой оборудования и производительностью и позволяют выявить локальные участки структурной неоднородности материала, что имеет значение при оценке их качества и определении отклонений технологических процессов обработки материалов от установленных требований. Среди контактных методов локального структурного анализа наибольшее применение получил термоэлектрический метод.
Термоэлектрический метод основан на возникновении разности потенциалов (термоэдс) в электрической цепи, состоящей из горячего и холодного электродов и объекта исследования. Измерение термоэдс может производиться по схеме прямого преобразования и дифференциальной схеме. Термоэлектрические свойства отдельных структурных составляющих сталей и поверхностных слоев можно измерить, если совместить вольфрамовую иглу с прибором для измерения микротвердости. Термоэлектрический метод в дифференциальном варианте является структурно-чувствительным методом исследования фазовых превращений и процессов выделения упрочняющих дисперсионных частиц в сплавах, подвергаемых старению (термоэлектрическая структуроскопия).
|
|
|
Общим недостатком контактных методов является трудности подведения электродов к сложному по форме объекту исследования и влияние контакта на электрическое сопротивление, что приводит к снижению точности его измерения. Это недостаток устраняется с применением бесконтактных методов, к которым относят вихретоковый метод.
Вихретоковый метод основан на помещении объекта исследовании в переменное электрическое поле возбуждающей катушки и индуцировании в его поверхностном слое вихревых токов. Вихревые токи (токи Фуко) – замкнутые электрические токи, индуцируемые в объекте при изменении пронизывающего его магнитного потока при частоте 50 Гц – 40 кГц. Величина вихревых токов зависит от электропроводности поверхностного слоя, а значит, и структуры металла и наличия в нем неоднородностей (вихретоковая структуроскопия). Прибор – вихретоковый структуроскоп.
Сущность вихретокового метода контроля связывают с тем, что вихревые токи сами являются источником магнитного поля, противодействующего первичному магнитному полю и ослабляющего его. Вихревые токи приводят к изменению полного электрического сопротивления и, следовательно, измеряемого тока в катушке возбуждения или наводят ЭДС в измерительной катушке (вихретоковый преобразователь), находящейся рядом с возбуждающей катушкой. Электрический сигнал с вихретокового преобразователя градуируют в единицах электропроводности по стандартным образцам.
Метод вихревых токов можно автоматизировать и применять для контроля и анализа процессов старения, закалки, отпуска и т.д. За счет малых размеров возбуждающей катушки вихретоковый метод может быть использован для установления структурной неоднородности в изделиях сложной формы в условиях серийного производства.
Использование различных электрических методов неразрушающего контроля физических свойств веществ и соответствующей регистрирующей аппаратуры дает возможность создать автоматизированные системы управления качеством и надежностью продукции и технологическими процессами ее производства с высокой производительностью и точностью.
|
|
|
Контрольные вопросы. Темы 10-12
1. Приведите механические свойства. Как их определяют? Что дает знание механических свойств? Приведите физические свойства.? Что дает измерение физических свойств? Объясните особенности техники физических исследований.
2. Объясните сущность механических испытаний. Объясните условия подобия механических испытаний. Как разделяют механические испытания. Что такое статические испытания? Объясните цель испытаний на растяжение.
3. Приведите и объясните схему механических испытаний на растяжение. Приведите оборудование для испытаний на растяжение. Приведите диаграммы растяжения различных материалов и определяемые при растяжении механические характеристики.
4. Объясните особенности динамических испытаний. Приведите схему и объясните цель механических испытаний на ударный изгиб. Как называют оборудование для испытаний на растяжение? Приведите формы испытуемых образцов и формы надрезов. С какой целью выполняют надрезы. Как определяют работу удара и ударную вязкость?
5. Что такое твердость? Приведите формы и материалы инденторов. Как связаны предел прочности и твердость? Объясните особенности испытаний на твердость.
6. Приведите рисунки и объясните влияние химического состава сплава на твердость? Приведите классификацию механических испытаний на твердость. Как называются приборы для испытания на твердость?
7. Приведите и объясните схему механических испытаний на твердость по Бринеллю. Как определяют твердость?
8. Приведите и объясните схему механических испытаний на твердость по Виккерсу. Как определяют твердость?
9. Приведите и объясните схему механических испытаний на твердость по Роквеллу. Как определяют твердость?
10. Объясните недостаток испытаний на твердость. Объясните цель и особенности механических испытаний на микротвердость. Как называется прибор для определения микротвердости? Как обозначают микротвердость? Приведите динамические методы испытаний на твердость. Объясните сущность цифровых приборов измерения твердости. С какой целью их используют
|
|
|
11. Объясните цель контроля вещества по его теплофизическим свойствам. Объясните виды и особенности фазовых превращений. Приведите и объясните классификацию теплофизических методов. Объясните преимущества дифференциального метода.
12. Приведите схему и объясните цель прямого термического анализа. На примере диаграммы состояния сплава приведите и объясните виды термограмм, получаемых в результате прямого термического анализа. Объясните различия термограмм чистого металла и сплава. Что такое температурный гистерезис? Объясните недостатки прямого термического анализа.
13. Приведите схему и объясните сущность дифференциального термического анализа. Приведите графики изменения температуры нагрева и охлаждения стали во времени и соответствующие им термограммы дифференциального термического анализа. Объясните его преимущества.
14. Объясните цель калориметрического анализа. Что такое теплоемкость вещества? Приведите график изменения теплоемкости стали от температуры нагрева образца. Объясните работу калориметра. Как разделяют калориметры?
15. Приведите схему и объясните работу твердотельного калориметра. Как определяют теплоемкость?
16. Приведите схему и объясните работу дифференциального сканирующего калориметра. Приведите рисунок и объясните как по дифференциальной калориметрической термограммы определяют теплоемкость и тепловой эффект фазовых превращений?
17. Объясните цель дилатометрического анализа. Что такое коэффициент теплового расширения? Приведите и объясните дилатограмму стали. Как разделяют дилатометры? Приведите принципиальную схему механического дилатометра. Объясните особенности электрических дилатометров.
18. Объясните сущность дифференциального дилатометрического анализа. Приведите принципиальную схему дилатометра и дифференциальную дилатограмму стали. Приведите преимущества дифференциального дилатометрического анализа.
19. Приведите электрические характеристики материалов. Чем они обусловлены? Приведите рисунки и объясните влияние химического состава сплава на электрические свойства материала. Как называются приборы электрического структурного анализа? Что такое температурный коэффициент электросопротивления? Объясните преимущества его контроля. Как разделяют методы электрического структурного анализа?
20. Объясните сущность контактных методов? Приведите и объясните схему метода измерительного моста. Как определяют удельное электрическое сопротивление? Объясните особенности контактных методов.
21. Приведите схемы и объясните сущность прямого и дифференциального термоэлектрического метода. Приведите рисунок и объясните влияние химического состава на термоэдс? Объясните недостатки контактных методов.
22. Объясните сущность вихретокового метода. Что такое вихревые токи? Приведите схему и объясните работу вихретокового структуроскопа. Приведите преимущества и Объясните возможности электрических методов контроля физических свойств.
|
|
|
