Взаимосвязь твердости металла с его прочностными и пластическими характеристиками.

Измерение твердости

Понятие твердости

 

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации (индентора) определенной формы и размера. Эта формулирова пригодна не для всех существующих методов твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым или большим пластическим деформациям, сопротивление металла разрушению.

При широте применения испытания на твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространенными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможности оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твердости с данными других испытаний. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние, близкое к объемному сжатию, которое характеризуется наибольшим коэффициентом мягкости (а>2) по сравнению с другими видами механических испытаний. Поэтому возможны получение «пластических состояний», исключение разрушение и оценка твердости практически любых, в том числе и хрупких металлических материалов(1)

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность изделий наконечником, изготовленного из твердого материала (закаленная сталь, алмаз и др.) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. По характеру воздействия наконечника различают несколько способов измерения твердости: а) метод вдавливания; б) метод отскока; в) метод царапания.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояний поверхности и размеров испытуемого образца.

Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, подшипниковые сплавы), то для измерения твердости выбирают шарик большого диаметра.

При испытаниях металлов с высокой, твердостью (например, закаленная сталь) применяют алмазный конус при снижении общей нагрузки (во избежание образования трещин в образце). Однако значительное снижение нагрузки нежелательно т. к. приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла.

Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердости), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размер значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка. Выбор метода определения твердости зависит от различных факторов: твердости материала, размеров и формы образца (детали), толщины измеряемого слоя материала. Числа твердости, получаемые различными методами, связаны между собой и, с некоторым приближением, могут быть переведены друг в друга (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Переводные значения твердости

Значения твердости для различных методов измерения			Значения твердости для различных методов измерения
HRC	HV	HB	HRC	HV	HB
20	238	238	44	444	420
22	249	249	46	469	442
24	261	261	48	497
26	273	273	50	527
28	285	285	52	560
30	298	298	54	596
32	313	311	56	631
34	328	325	58	671
36	347	340	60	715
38	369	358	62	761
40	393	379	64	811
42	419	399	66	867

 

Измерение твердости проводят для проверки соответствия твердости основного металла и сварных соединений различных конструкций требованиям нормативно-технической документации; определения механических свойств металла (косвенным методом); выявления изменений в материале, возникших в результате применения технологии изготовления, ремонта или в связи с длительной эксплуатацией.

Измерение твердости может производиться непосредственно на действующей конструкции и в лабораторных условиях на образцах металла.

Измерение твердости в полевых условиях производится в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (ГОСТ 22761, ГОСТ 22762, ГОСТ 18661) с использованием переносных твердомеров статического или динамического действия. Технические характеристики некоторых из них приведены в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2. Технические характеристики переносных твердомеров

Марка твердомера	Форма и размер индентора	Испытательные нагрузки, Н	Тип отсчетного устройства	Обработка результатов измерений	Примечание
1	2	3	4	5	6
МЭИ - Т7	шарики диаметром 1-10 мм		микроскоп, индикатор	ручная по таблицам	снабжен приспособлением для жесткого креплением к трубопроводу
MICRODUR MIC 10 R	алмазная пирамида	0,3; 1,0; 5,0; 10,0	цифровой дисплейный индикатор	автоматический режим перевода, память на 3000 точек, возможно подключение к компьютеру	Малогабаритный
MICRODUR 2	алмазная пирамида	0,3; 1,0; 5,0; 10,0	цифровой дисплейный индикатор	автоматический режим перевода, память на 3000 точек, возможно подключение к компьютеру	Возможно произ-водить измерения в любых пространственных положениях на плоских, выпуклых и вогнутых поверхностях с радиусом кривизны не менее 15 мм
ТЭМП-2	Шарик диаметром 3 мм		цифровой дисплейный индикатор	автоматический режим перевода, память на 99 точек, возможно подключение к компьютеру	Возможно произ-водить измерения в любых пространственных положениях на плоских, выпуклых и вогнутых поверхностях.
УЗИТ-3	алмазная пирамида	1,5	цифровой дисплейный индикатор	Ручная обработка результатов измерения	Снабжен приспособлением для измерения твердости на цилиндрических поверхностях с радиусом кривизны от 5 до 50 мм
МЕТ-У1	алмазная пирамида	19,6	цифровой дисплейный индикатор	Обработка результатов измерений, их усреднение, запись и обработка данных в архиве, память на 100 точек, возможно подключение к компьютеру	Возможно производить измерения в любых пространственных положениях на плоских, выпуклых и вогнутых поверхностях с радиусом кривизны не менее 5 мм
МЕТ-Д1	шарик диаметром 3 мм		цифровой дисплейный индикатор	Обработка результатов измерений, их усреднение, запись и обработка данных в архиве, память на 100 точек, возможно подключение к компьютеру	Возможно производить измерения в любых пространственных положениях на плоских, выпуклых и вогнутых поверхностях с радиусом кривизны не менее 5 мм
МЕТ-УД	алмазная пирамида, шарик диаметром 3 мм	19,6	цифровой дисплейный индикатор	Обработка результатов измерений, их усреднение, запись и обработка данных в архиве, память на 100 точек, возможно подключение к компьютеру	Состоит из двух сменных измери-телей (ультразву-кового и динамического принципа действия) и одного универсального электронного блока. Обладает всеми возможностями твердомеров типа МЕТ-У1 и МЕТ-Д1

 

При определении твердости сварного соединения измерения проводят для всех зон контролируемого сварного соединения: металла шва (на усилении), металла зоны термического влияния (от линии сплавления вдоль зоны термического влияния на расстояние до 25-30 мм) и основного металла.

Анализ замеров твердости состоит в оценке возможной неравнопрочности основного металла и сварного соединения, определяемой по уровню повышения или понижения ее значений в отдельных участках по отношению к твердости основного металла. На рис. 1.2 приведен пример измерения твердости по Виккерсу в сварном соединении. Замер твердости производили с шагом в 1 мм. Как видно из графика, значительного превышения или понижения твердости в металле шва и зоне термического влияния по сравнению с соответствующими показателями основного металла не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии закалочных структур или разупрочнения.

Метод Виккерса

При измерении твердости по Виккерсу согласно ГОСТ 2999 - 59 в испытуемый металл вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 135°. Для испытания могут применяться нагрузки 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200 Н. Отпечаток получается в виде квадрата. При помощи микроскопа, находящегося на приборе, измеряется диагональ отпечатка. Твердость по Виккерсу HV определяют как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности отпечатка по формуле (5) Н/м².

 

Рис. 1.4. Измерение твердости по методу Виккерса

 

 (5)

 

где F - нагрузка,

 - угол между противоположными гранями равный 136 градусов

d - среднее арифметическое значение значение длин обеих

диагоналей отпечатка, мм

Измерение твердости алмазной пирамидой дает более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом, так как диагонали отпечатка достаточно велики даже при малой глубине отпечатка. При вдавливании пирамиды соотношение между диагоналями получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах менять нагрузку. Величину нагрузки выбирают в зависимости от целей исследования, толщины и твердости исследуемого образца. Продолжительность выдержки под нагрузкой составляет: для черных металлов 10-15 с, для цветных металлов 30-60 с.

Порядок выбора оборудования

 

Порядок выбора оборудования зависит от многих факторов и условий в которых требуется определить твердость. В зависимости от этого Приборы для измерения твердости делятся на:

) Стационарные

) Переносные

Стационарные приборы используются в основном в лабораториях, в основе их приборы давлением: то есть твердомеры для металлов по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса. Стационарные твердомеры обладают высокой точностью, удобством в эксплуатации и обслуживании. Могут использоваться для определения твердости закаленных и незакаленных сталей, черных и цветных металлов, литого чугуна, твердых и мягких сплавов. [3]

Переносные - в основе этих приборов лежат ульразвуковые и динамические твердомеры. При использовании стационарных твердомеров требуется, чтобы испытываемый образец помещался под измерительным устройством, что не всегда возможно. Переносные измерительные устройства разработаны для того, чтобы позволить проводить определение твердости не только в лаборатории, но и в полевых условиях

) Приборы для измерения микротвердости - микротвердомеры

1) Приборы давлением:

Для измерения твердости по методу Бринелля используют прибор ТШП-4.

Прибор имеет следующие основные характеристики: - испытательные нагрузки, кгс…………………………..750, 1000, 3000-допустимая погрешность в, %…………………………………..+1 и -1

твердость проверяемая прибором HB………………………8-450

диаметры стальных шариков к наконечникам, мм …………. 5,10

величина свободного хода шарикового наконечника до испытуемой поверхности…………………………….10

Это переносной прибор состоит из измерительной головки, включающий в себя узел измерения нагрузок и приспособлений для крепления ее к деталям. С прибором поставляются приспособления: для градуировки и проверки прибора, для крепления прибора в шпинделе вертикально-сверильных станков, для крепления к спец. стенду

Твердость материала при измерении на приборе ТШП-2 не должна превышать 4500 МН/м², т. к. для вдавливания используется стальной закаленный шарик с твердостью НВ = 6000 МН/м² и при испытании более твердых металлов он будет деформироваться сам.

Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении твердости.

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10…60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Прибор предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методом вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. Испытания образца на твердость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем. От двигателя через червячный редуктор вращение передается кулачковому блоку, который передает нагрузку на образец через наконечник с шариком или алмазным конусом на конце. Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором, который приводится в движение рычагом.

Испытания твердости на этом приборе могут производиться вдавливанием закаленного шарика (D =I, 588 мм), алмазного конуса Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ - 2500 МН/м²).

Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем меньше h, тем больше твердость.

В зависимости от типа индентора и выбранной нагрузки измерения твердости проводят по шкалам A, B, C, F. Полученное значение твердости является величиной безразмерной и выражается в единицах данной шкалы соответственно HRA, HRB, HRC, HRF

Шкалы А и С применяет для измерения закаленной стали, причем, когда требуется измерить твердость в поверхностном слое, например, после химико-термической обработки, после закалки ТВЧ, нагрузку снижают до 500 Н, т.е. использует для измерения шкалу А. Для определения твердости отожженной и нормализованной стали применяют шкалу В, нагрузку 1000 Н. Дня цветных металлов, имеющих малую твердость, измерения проводят по шкале F. Нагрузка в этом случае снижена до 500 Н, чтобы уменьшить глубину проникновения стального шарика.

Несмотря на ряд недостатков прибора ТК-2М: условность величины определяемой твердости, малая точность измерения он широко применяется для массового контроля. Причиной этого является ряд достоинств метода:

1. Быстрое определение твердости благодаря автоматизации

2. Возможность определения твердости материалов с НВ > 500 ед.

.   Возможность измерения твердости на малых и тонких образцах.

После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.

Твердость измеряют на приборе Роквелла, в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки - большая (указатель твердости) и маленькая - для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 - t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 - t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Прибор регулирует скорость подвода индентора в испытываемому изделию и снабжен проекционной оптической системой, обеспечивающей замер диагонали отпечатка на экране микрометрического устройства. В конструкцию прибора входят слудующие основные механизмы, смонтированные внутри литого корпуса: шпиндель, макрометрическая головка, грузовой рычаг, грузовая подвеска, механизм подъема стола и панель с электроаппаратурой.

Шпиндель (выполнен в виде трубы) и рычажная система предназначены для создания и передачи нагрузки на испытываемый образец. Пределы измерения твердости 8HV - 2000 HV

Измерение твердости алмазной пирамидой дает более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом, так как диагонали отпечатка достаточно велики даже при малой глубине отпечатка.

На приборе ТП-7Р-1 можно измерять твердость мягких металлов и очень твердых сплавов и, кроме того, твердость в тонких поверхностных слоях, например при обезуглероживании, поверхностном наклепе, химико-термической обработке и т.д.

Однако каждое определение по Виккерсу занимает сравнительно много времени и требует тщательной подготовки поверхности образца, что является основным недостатком этого метода, препятствующим широкому применению его в цеховых условиях.

2) Портативные приборы:

подразделяются на портативные ультразвуковые и портативные динамические:

Портативный ультразвуковой твердомер МЕТ-У1 (рис. 1.9)

Ультразвуковой твердомер МЕТ-У1А состоит из электронного блока МЕТ-У1А и ультразвукового датчика У1А с нагрузкой 15Н. Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора, находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Измерение твердости:

) любых по массе изделий толщиной от 1 мм - недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т.д.);

) без видимого отпечатка на поверхности изделия (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи);

) металлических покрытий;

) изделий сложной формы, в труднодоступных местах.

Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой Виккерса), находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Недостатки:

Ограниченное использование для измерения изделий с крупнозернистой структурой (например, чугун) или массой менее 10 г., или толщиной менее 1 мм.

Портативный динамический твердомер МЕТ-Д1. (рис. 1.10)

Определяет отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия

Преимущества:

) измерение твердости материалов с неоднородной, крупнозернистой структурой, кованных изделий, литья;

) измеренная величина твердости не зависит от пространственного положения датчика;

) малая чувствительность к кривизне и шероховатости измеряемой поверхности;

) высокая производительность (30 измерений в минуту). Реализует метод отскока.

Недостатки:

) Измерение изделий массой менее 3-х кг или толщиной менее 12 мм возможно только при 2) выполнении следующих условий:

) наличии чугунной или стальной опорной плиты массой не менее 3 кг;

) наличии смазки для притирки изделия к опорной плите;

) изделие должно быть плотно притёрто к поверхности опорной плиты.

3) Ультразвуковые приборы:

Ультразвуковой твердомер Узит-3 (рис. 1.11)

Твердомер предназначен для измерения твердости в пределах 80-450 НВ, 20-70 HRC. Твердомер комплектуется насадками для работы на плоских и цилиндрических поверхностях.

Твердомер УЗИТ-3 позволяет легко измерить твердость любых (крупногабаритных, сложной формы и т.п.) изделий из конструкционных сталей. Принцип действия твердомера УЗИТ-3 основан на измерении ультразвукового импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.

УЗИТ-3 позволяет измерять твердость как крупных, так и мелких изделий, в местах с большой кривизной поверхности, вблизи краев и т.п.

Преимущества:

максимальная портативность,

низкое энергопотребление,

прямая индикация в шкалах Бринелля и Роквелла,

высокая надёжность,

Планирование прямых механических испытаний

 

К прямым механическим испытаниям - непосрдественному измерению характеристик механических свойств (ХМС) данного объекта (образца) относят, например, определение временного сопротивления или времени до разрушения при заданной амплитуде напряжения.

Косвенные испытания - расчетное или графическое определние ХМС по результатам прямых измерений используются для определния пределы выносливости, длительной статичской прочности и других характеристик.

Характеристики механических свойств подразделяются на кратковременные и долговременные.

Кратковременные ХМС - временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение после разрушения, ударная вязкость, микротвердость.

Длительные ХМС - число циклов, время до появления трещины или до разрушения при статистическом и циклическом нагружениях

Все ХМС рассматривают как случайные величины, статистическое рассеяние которых обуславливается неоднородностью структуры каждого объекта испытаний, случайным ращличием структуры, химического состава и других свойств между объектами и т.д.

Правила отбора образцов для испытаний определяются целями испытаний. Совокупность значений ХМС, полученная в результате испытаний, рассматриваемая как выборка из генеральной совокупности. Генеральная совокупность - воображаемая совокупность значений ХМС, состоящая из бесконечно большого числа значений ХМС, каждое из которых из которых соответствует установленным правилам отбора образцов для испытаний. если задача испытаний - определние ХМС данной партии полуфабрикатов, то отбор испытаний для образцов ведут из данной партии (в результате беспристрасного отбора) и совокупность значений ХМС образцов, которые могли бы быть произведены из данной партии и других партий, полностью с ней не совпадающих, является генеральной. Если задача испытаний - определение ХМС некотороый марки металла, то отбор образцов (беспристрастный отбор) ведут из всех партий данной марки и совокупность значений ХМС образцов, которые могли быть выполнены из данной марки металла, является генеральной.

Рассеяние значений ХМС в пределах генеральной совокупности характеризуется законом распределения вероятностей (распределением ХМС). Распределение ХМС полностью описывается функцией распределения вероятности. При решении ряда инженерных задач часто ограничиваются некоторыми числовыми характеристиками распределения: математическим ожиданием, дисперсией, средним квадратическим отклонением, коэффициентом вариации, медианой, квантилем заданного уровня вероятности и т.д. (13)

Все характеристики генеральной совокупности являются не случайными (детерминированными) величинами, дающими полное и точное описание механических свойств бесконечно большого числа образцов воображаемой генеральной совокупности.

Всякая конечная совокупность образцов и отвечающая ей конечная совокупность значений ХМС рассматривается как выборка из генеральной совокупности. Состав конечной совокупности (выборки) является случайным и лишь с некоторой точностью отображает характеристики генеральной совокупности.

Задачи планирования и статистической обработки результатов механических испытаний состоят в оценивании значений параметров распределения ХМС в генеральной совокупности с заданной точностью. Оценивание проводят на основе конечно слвлкупности значений ХМС, измеренных при испытании конечного числа объектов

Для получения достоверных оценок параметров распределения ХМС в генеральной совокупности совокупность измеренных ХМС должна быть представительной. Представительность значений измеренных хМС означает, что соответствии с целями случайный отбор объектов испытаний, что число испытанных образцов отвечает требованиям точности оценивания.

Если объекты испытаний - образцы, вырезанные из краев ряда листов металла некоторой партии, то результаты измерений представляют собой случайную выборку, представительную для генеральной совокупности, соответствующей краям листов данной партии. На ее основе нельзя достоверно оценить параметры распределения ХМС в листах в целом.

Аналогично результаты измерений ХМС образцов из наиболее плохих по химическому составу партий металла некоторой марки образуют выборку, не представленную для марки в целом, а только для совокупности плохих по химическому составу партий данной марки.

Для оценивания параметров и числовых характеристик распределния ХМС используют стандартные параметрические и непараметрические статистические процедуры.

Непараметрические процедуры позволяют получить достоверные оценки для ограниченного набора характеристик: математического ожидания, дисперсии, коэффициента вариации. При использовании непараметрических процедур не делают никаких предположений о виде функции распределения ХМС.

Для получения достоверных оценок функции распределения или квантилей низкого уровня вероятности используют параметрические процедуры. При этом делают предположение о виде распределения ХМС. Вид распределения задают функцией распределения, содержащей ряд неизвестных параметров распределения, которые оцениваются по результатам измерений.

Полученные на основе параметрических процедур оценки существенно зависят от выбранного вида распределения ХМС (гипотетического распределния). Гипотетическое распределение должно по возможности более точно соответствовать истинному рапределению ХМС. При выборке гипотетического распределения учитывают природу рассеяния ХМС, а также соответствие этого распределения результатам данных и других аналогичных испытаний.

Поскольку оценивание параметров распределения ХМС проводят на основе случайной выборки значений ХМС, полученные данные являются случайными величинами, имеющими рассеяние относительного истинного значения. Точность оценки, т.е. близость к истинному значению, характеризуется шириной доверительного интервала: чем уже доверительный интервал, тем точнее оценка.

Частные генеральные совокупности значений ХМС, соответствующие отдельным партиям однотипных объектов, можно объединить в одну общую генеральную совокупность. На основе результатов измерения ХМС при испытании нескольких групп объектов из разных партий оценивают характеристики распределения ХМС в общей совокупности.

Выборку считают полной если все запланированные для испытания объекты доведены до критического состояния.

 

Твердость

 

Исследования показали, что наиболее представительными в отношении корреляции с состоянием структуры являются не абсолютные значения твердости, а некоторые их производные, в частности рассеяние или вариация результатов измерений, выполненных одинаковыми приборами в идентичных условиях. При наличии совокупности данных о твердости исследуемого материала и рассеянии ее значений по параметрам закона распределения, описывающего это рассеяние, можно судить о поврежденности структуры металла за счет реализации микропластических деформаций.

В работе приводятся результаты исследований, показывающих возможность проведения диагностирования материала на основе результатов измерения твердости методом Бринелля.

Испытания проводили на четырех образцах металла (стали 17Г1С) из газопроводов, выполненных из прямошовных труб диаметром 1220 мм и толщиной стенки 12,0 мм (табл. 2.1). При их отборе исходили из необходимости получения материала с различными механическими свойствами, разной поврежденностью, что в совокупности прогнозировали по градации коэрцитивной силы.

Твердость металла по Бринеллю непосредственно на трубах определяли с помощью прибора УЗИТ-2М, на образцах - с использованием прибора ТБП-5013.

Из образцов 3 и 4 изготавливали шлифы для определения микротвердости с помощью прибора ПМТ-3. Результаты испытаний приведены в табл. 2.2.

Испытания на растяжение (табл. 2.3), выполненные согласно ГОСТ 10006-80 и ГОСТ 1497-84, показали, что металл образцов соответствует требованиям технических условий (ТУ) на трубы. Однако если у образцов 2 и 3 пределы прочности и текучести превышают граничное минимальное значение ненамного, то у образцов 1 и 4 - существенно (до 45% от требуемого).

 

Таблица 2.1 - Характеристики металла образцов труб для испытаний

Характеристики	Номер образца (производитель труб)
	1 (Новомосковский ТЗ)	2 (Челябинский ТПЗ)	3 (Харцызский ТЗ)	4 (Челябинский ТПЗ)
Число твердости по Бринеллю, НВ
ТБП-5013	310	210	304	325
УЗИТ-2М	296-362	195-290	293-359	305-380
Среднее значение коэрцитивной силы Н, А/см	5,69	4,48	4,63	8,73
Срок эксплуатации, лет	0	23	24	26

 

Таблица 2.2 - Микротвердость металла образцов 3 и 4 (прибор ПМТ-3)

Номер точки	Образец 4			Образец 3
	Место измерения	Длина отпечатка, дел	HV	Место измерения	Длина отпечатка, дел	HV
1	Основная феррито-перлитная структура (равномерная)	84	298	Основная феррито-перлитная структура	88	271
2		87	278		88	271
3		87	278		90	259
4		90	259		86	284
5		101	206		84	298
6		84	298		75	373
7	Зона повышенного содержания перлита	74	384		101	206
8		68	454		98	219
9		72	405		88	271
10		72	405		96	228
11	Центр темных ликвационных полос	64	513		85	291
12		58	624	Участок около линии аварийного разрыва, где металл претерпел пластическую деформацию	85	291
13		64	513		70	429
14		58	624		68	454
15		64	513		78	345
16		65	497		81	320
17	Участок около линии аварийного разрыва, где металл претерпел пластическую деформацию	78	345		86	284
18		74	384		75	373
19		76	364		77	354
20		77	354		80	328

 

Относительное удлинение образцов имеет гораздо меньший разброс. Образцы 1 и 2 соответствуют требованиям технических условий, а образцы 3 и 4 не проходят по данным критериям, их значения меньше требуемого ТУ на 5 и 10% соответственно. В качестве эталона по механическим свойствам принят образец 1, изготовленный из труб резервного запаса, не бывших в эксплуатации. Он имеет высокие прочностные показатели при достаточной пластичности. Наиболее поврежденным оказался образец 4, который характеризуется самой высокой прочностью и недостаточными пластическими свойствами, что может быть объяснено его упрочнением при определенных условиях эксплуатации. Данный образец взят с места аварии от трубы, которая не имела явных признаков коррозионного воздействия, а причина аварии не была связана с коррозионным растрескиванием под напряжением. По косвенным признакам установлено, что данный участок газопровода мог подвергаться действию упругопластических или пластических деформаций за счет изгиба оси, вследствие чего и произошло изменение механических свойств и хрупкое разрушение металла.

Испытания проводили следующим образом. Плоские образцы подвергали растяжению, увеличивая нагрузку с шагом 20 МПа до предела упругости и затем уменьшая в обратном порядке. На каждом шаге испытаний измеряли по 10 чисел твердости с помощью твердомера УЗИТ-2М, имеющего отклонение среднего числа твердости из пяти замеров от величины образцовой меры твердости не более ±10 единиц. Данный прибор предназначен для измерения твердости по Бринеллю. Вместе с тем он определяет условную твердость, приближенную к микротвердости, так как принцип его действия основан на измерении площади контакта алмазной пирамиды Виккерса при небольшом усилии вдавливания (около 15 Н).

Пробы на твердость делали в центре образца, который предварительно механически полировали для устранения разброса показаний за счет шероховатости поверхности.