Экстензометры

Выбор подходящих экстензометров для испытания любых материалов

При испытаниях материалов и деталей область применения экстензометров (приборов для измерения удлинения) чрезвычайно широка и многообразна. Вследствие этого технические требования к подобным устройствам учитывают разнообразные аспекты, а это значит, что невозможен единый прибор для измерения удлинения, который удовлетворил бы все требования; универсального экстензометра не существует. Широкий диапазон областей применения требует использования приборов различной конструкции, с разными функциями и характеристиками, и для каждого конкретного случая следует выбирать соответствующий экстензометр.

При разрушающих методах контроля материалов свойства образцов влияют на выбор экстензометра. Требования, предъявляемые к экстензометру, определяются прежде всего характеристиками контролируемого материала. К таким характеристикам относятся форма и размеры, технические условия испытаний и действующие стандарты, требования которых должны быть соблюдены. Стандарты, в частности, определяют длину базы и точность измерения, последовательность контрольных операций, условия окружающей среды. Правильный выбор экстензометра не сводится к учету только основных характеристик материала, например таких, как раз меры образца, жесткость, прочность и пластичность. Необходимо также решить, будет ли экстензометр непосредственно связан с испытываемым образцом, не оказывая при этом влияния на измеряемую нагрузку и не на нося механических повреждений самому образцу.

Очень тонкие образцы, например образцы фольги, могут быть чувствительны к зажимающему усилию; в то же время образцы очень тонкой проволоки не обеспечивают достаточной площади для визуальных наблюдений при проведении бесконтактных измерений.

Большая жесткость на начальной стадии измерения удлинения, после которой проявляется высокая пластичность материала, традиционно требуют применения не одного, а не скольких экстензометров. Первый измеряет малые деформации (обычно до 5 мм) с высокой точностью в упругом диапазоне, а второй — очень большие удлинения (обычно более 500 мм).

Образцы с очень гладкой поверхностью или изготовленные из прозрачных материалов непригодны для бесконтактных измерений без предварительного нанесения измерительной маркировки на поверхность таких образцов.

Один из важнейших аспектов касается поведения образцов при разрушении. Металлы проскальзывают по остриям упорных рычагов контактного экстензометра, не повреждая их, а для еще большего уменьшения риска их повреждения (даже в случаях, когда образцы имеют сравнительно шероховатую поверхность) следует при менять поворотные острия упорных рычагов.

При значительном удлинении или при испытании гибких образцов так же может произойти повреждение или разрушение острых кромок упорных рычагов и даже всего экстензометра из-за захлестывания, расщепления или расслоения образцов (например, стальных канатов). В таких случаях следует применять бесконтактные методы измерения.

Критерии точности измерений

Перемещение и длина базы измерения. При применении экстензометра контактного типа его перемещение в процессе измерения обычно поддается инженерному расчету и является фиксированной величиной, которая зависит от типа используемого преобразователя, а при шарнирно закрепленных упорах датчика — от соотношения плеч рычага. Исходная длина базы измерения устанавливается вручную с заданным шагом маркировки или автоматически для заданного диапазона.

Бесконтактные экстензометры, использующие видеокамеру, должны иметь зону обзора большую, чем требуемый диапазон измерений плюс исходная длина базы измерения. Так как участки образца, находящиеся за пределами базы измерения, и детали измерительной машины деформируются в направлении действующей нагрузки, то позиции маркировочных рисок на образце изменяются в процессе испытания. Если предполагается, что длина деформируемой части образца и/или базы измерения может выйти за границу зоны обзора, то следует заменить линзы в объективе или увеличить расстояние между образцом и видеокамерой. Эти операции снижают точность измерений; кроме того, после каждого изменения конфигурации измерительной системы, ее необходимо настроить и откалибровать.

Точность измерений. Термин «точность» обычно используется как показатель качества. Чтобы квалифицировать полноту измеренного сигнала, в стандартах используют такие количественные термины, как «разрешающая способность», «отклонение» или «погрешность»; нормативы установлены именно для этих показателей. Требования к точности измерений удлинения обычно задаются инструкциями по проведению конкретных испытаний или международными стандартами. Многие стандарты, например на испытания на растяжение металлов и пластмасс , оговаривают калибрование измерительных систем экстензометров и их требуемые классы точности.

Эргономика и экономика.Устройства, которые могут быть легко установлены и на которых контрольные операции выполняются автоматически, позволяют сократить численность персонала, затраты времени и трудовые затраты и в то же время повысить качество испытаний и точность их результатов, так как влияние субъективных факторов при этом сводится к минимуму. Более высокие начальные затраты быстро окупаются, особенно в случаях, когда экстензометр может быть использован для широкого диапазона измерений. При использовании видеоэкстензометра следует также учитывать потери времени и затраты на маркировку образцов, а также возможные ошибки персонала при маркировке образцов.

Экстензометры контактного типа

Навесные экстензометры или экс тензометры с контактными рычагами находятся в непосредственном меха ническом контакте с образцом через острия упорных рычагов, которые располагаются перпендикулярно к базе измерения. Чрезвычайно малое контактное усилие на остриях упор ных рычагов может привести к мик ровнедрению их кромок в поверх ность образца, что ведет к совмеще нию контактирующих поверхностей и прецизионной установке точки кон такта. Этот важный фактор позволяет добиться высокой точности измере ний и узкой полосы разброса резуль татов измерений. Вследствие прямого контакта с образцом экстензометр с контактными рычагами может быть поврежден или даже разрушен в ре зультате захлестывания в точке разру шения образцов с высокой упруго стью или большим удлинением.

Навесные экстензометры. Как следует из названия, такие экстензометры устанавливают непосредственно на образце. Механические элементы, передающие внутреннему преобразователю удлинение образца, воспринимаемое острой кромкой упора датчика, имеют небольшую длину и высокую жесткость. Относительное перемещение образца и экстензометра в таких случаях практиче ски отсутствует, поэтому точность измерений чрезвычайно высока. Область применения навесных экстензометров ограничена величиной удлинений, не превышающей несколько миллиметров; они применя ются только в тех случаях, когда усилие приложено непосредственно к образцу. Некоторые экстензометры снабжены противовесом и двухсторонними измерительными системами, используемыми для компенсации действующих изгибающих напряжений. Установка в рабочее положение и снятие таких экстензометров производятся вручную; однако для минимизации погрешности при установке в не которых случаях применяют механизированные устройства для установки и снятия экстензометров

Экстензометры с контактными рычагами. Такие экстензометры обладают рядом важных преимуществ, как, например, автоматическая работа и широкий диапазон измерений с высокой точностью. Они пригодны для большого числа разнообразных применений. Прецизионная конструкция с хорошо сбалансированной, плавно действующей механической системой позволяет прикладывать минимальные нагрузки к образцам (размеры которых могут не превышать расстояния между рисками из мерительной маркировки, наносимыми при измерениях бесконтактными экстензометрами). Так как рычаги контактируют с обеими сторонами образца, то возникающие изгибающие напряжения почти полностью компенсируются.

Видеоэкстензометры и лазерные сканирующие экстензометры

Основное преимущество видеоэкстензометров и лазерных сканирующих экстензометров заключается в том, что их можно применять без повреждений, вплоть до разрушения образца, даже при испытании образцов, склонных к захлестыванию. Такие экстензометры требуют нанесения на образцы измерительной маркировки (рисок), наблюдаемых с помощью оптической системы. Измерительная маркировка может закрепляться на поверхности образца механическим способом, наклеиваться, или же риски наносят цветным маркером. В любом случае это открывает возможности для дополнительных погрешностей, так как маркировка может стать неразличимой, сдвинуться или отвалиться от поверхности образца при его деформации под нагрузкой. Нанесение измерительной маркировки — дополнительная технологическая операция, которую должен выполнять оператор, т. е. кроме возможного снижения точности измерений, выполнение этой операции связано с дополнительными расходами.

Расположение измерительной мар кировки на образце определяется с помощью специальных алгоритмов программного обеспечения, рассчи тывающих требуемую площадь отно сительно оптического центра систе мы. Так определяется длина базы из мерения, и по мере нагружения образца смещение рисок маркировки Управление качеством Рис. 2. Сочетание полностью автоматизированного экстензометра с контактными рычагами и сдвоенного экстензометра, усредняющего осевые и поперечные напряжения Рис. 3. Бесконтактный экстензометр, работающий без маркировки образца Металлургическое производство и технология, № 1/2009 4 7 преобразуется в величину удлинения. Специальные источники освещения и фоновая подсветка образцов оптими зирует контрастность при наблюде нии измерительной маркировки. В процессе деформации образца осве щенность измерительной маркиров ки, образца и окружающей среды мо жет изменяться, и внешние воздейст вия (например, отражения и т. п.) могут влиять на положение оптиче ского центра системы. Это довольно часто приводит к разбросу результатов измерений.

Лазерные интерферометрические экстензометры

Новейшие экстензометры фирмы Zwick (laserXtens) представляют собой бесконтактные устройства, не требующие нанесения на образец измерительной маркировки. Они используют специфическую микроструктуру поверхности образца (подобно отпечаткам пальцев) в роли виртуальной измерительной маркировки. Лазерный луч, направленный на эти участки образца, отражается в различных направлениях в соответствии со структурой поверхности и создает специфический спектр отражения. Перемещение выбранных точек измерения постоянно отслеживаются и преобразуются непосредственно в величины удлинения. Изменение структуры поверхности, определяющей спектр отражения, постоянно оценивается в процессе деформации образца

Выводы

Экстензометры контактного типа измеряют удлинение с высокой точностью и очень эффективно с точки зрения затрат. При этом навесные экстензометры требуют значительно большего участия операторов в измерениях и без принятия специальных мер могут привести к разбросу результатов измерений. Экстензометры с контактными рычагами обеспечивают довольно высокую точность измерении, отличную воспроизводимость результатов и характеризуются простотой в использовании благодаря полной автоматизации их работы, включая установку различной длины базы измерений. Бесконтактные экстензометры необходимы в тех случаях, когда образцы чувствительны к воздействию острых кромок упора датчика или экстензометр может быть поврежден при разрушении образца. Такие экстензометры являются сравнительно дорогими и требуют затрат времени на установку и калибрование, особенно при испытаниях образцов различных типов. Подводя итоги, следует ответить, что нет такого прибора, который можно было бы назвать универсальным экстензометром. Разнообразные варианты применения требуют разных устройств с различными функциями и характеристиками, и для каждого конкретного применения неoбходимо выбирать соответствующий экстензометр