Методика экспресс-диагностики на базе процесса микровдавливания. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Методика экспресс-диагностики на базе процесса микровдавливания.



Сущность данной методики экспресс-диагностики заключается в статистической обработке данных, полученных посредством проведения измерения микротвердости поверхности контролируемого объекта. Схематично процесс диагностики показан на рисунке 1.

 

 

Принципиальная схема процесса диагностики методом микровдавливания

 

К сожалению, на данный момент этап проведения измерений не может быть автоматизирован, однако следует отметить, что процесс математической обработки результатов измерений полностью может быть автоматизирован, а этап оценки полученных данных частично.

Этап проведения измерений включает в себя подготовку поверхности контролируемого изделия, проведение измерений микротвердости в количестве необходимом для возможной их обработки методами математической статистики (на практике делается 100 и более измерений).

Математическая обработка данных включает в себя определение накопленных частостей в определенных диапазонах микротвердости.

Накопленная частость определяется по формуле:


 

(11)  

 

где i - количество замеров с конкретным значением диапазона микротвердости, n - количество замеров в выборке.

Так при диагностике стыков труб печных змеевиков, выполненных из стали 15Х5М при нагрузке на индентор 10 г, определялись накопленные частости для следующих диапазонов микротвердости: 500-600, 600-700, 700-800, 800-900, 900-1000, 1000-1100,1100-1200, 1200-1300, 1300-1400, 1400-1500 МПа.

Далее для сталей возможна экспресс-оценка снижения долговечности по формуле:

 

(12)  

 

где -снижение долговечности; -показатель в процессе эксплуатации, - показатель в исходном состоянии, W-накопленная частость в интервалах микротвердости 500-600,600-700,…, 1500-1600 МПа.

Для обработки данных измерений предлагается использовать двухпараметрический параметр Смирнова-Колмогорова - D.

С помощью этого критерия решается математико-статическая задача о тождественности генеральной совокупности F0(HM) (выборка замеров микротвердости, соответствующая исходному состоянию материала и исходной стадии поврежденности) и совокупностей, соответствующих состоянию поврежденности материала при его нагружении и возмущении FП(HM).

Проверка о тождественности F0(HM)≡FП(HM), т.е. проверка нулевой гипотезы по критерию Колмогорова-Смирнова должна удовлетворять требованию

 

(13)  

 

где  - расчетное значение критерия

 

(14)  

 

-критическое значение критерия

 

(15)  

 

где α-уровень значимости α=0,1; 0,05; 0,01; 0,001. -двусторонний критерий.

Физически смысл представленной методики математической обработки можно описать так: точка перегиба зависимости Dрасч=f(e) определяет границу уровня поврежденности в материале границу уровня поврежденности в материале, когда применение процесса микровдавливания для оценки степени деградации материала еще корректно. НДС элемента структуры отражает механизм накопления поврежденности в матрице. Размеры появившихся и развивающихся дефектов соизмеримы с размерами элементов структуры. За этой границей падение сопротивляемости разрушению матрицы будет определяться механизмом слияния микротрещин в субмикротрещины и их развитием в магистральную.

На основе практических испытаний было показано, что при превышении критического значения критерия при уровне значимости α=0,05 происходит резкая деградация прочностных свойств наиболее распространенных сталей нефтегазового сортамента (09Г2С, 17Г1СФ, Ст3сп). Что доказывает возможность применения метода микровдавливания как метода диагностики свойств материала.

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.

Обработку многократных замеров твердости вели с применением математической статистики. Для наглядности выборочную совокупность (выборку) данных представляли графически - в виде гистограммы или полигона распределения дискретной случайной величины (СВ). Для оценки характеристик статистического ряда использовали математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратичное отклонение, моду и медиану случайной величины, для выбора аппроксимирующей функции - коэффициент асимметрии и эксцесс рассеяния случайной величины.

Проведенные испытания позволили получить следующие результаты. Средние значения чисел твердости, рассчитанные для каждого образца, отличаются ненамного (323, 311 и 294,5 для образцов 1,3 и 4 соответственно), за исключением образца 2, для которого это число существенно меньше. Интервалы чисел твердости для образцов 1 - 4 различны: наименьшая вариация наблюдается у образца 4-76 единиц, наибольшая - у образца 5 - 159 единиц. Причем минимальные измеренные значения твердости зависят от свойств материала, в то время как максимальные ограничены 374 единицами твердости, т.е. максимальным пределом измерений прибора УЗИТ-2М.

Установлена следующая взаимосвязь прочностных характеристик материала с твердостью: с увеличением прочности положение интервалов твердости на числовой оси смещается в область больших значений, что свойственно и для минимальных величин твердости (рис. 2.3).

Для выборки данных по каждому образцу построены полигоны распределения случайной величины (рис. 2.4), по которым рассчитаны соответствующие характеристики статистических рядов (табл. 2.4.).

Испытанные образцы имели разные показатели пластических свойств. Значения относительного удлинения (%) расположились в порядке убывания в следующей последовательности для образцов 1 - 4: 21 (1), 20 (2), 19 (4), 18 (3). Данная последовательность вполне объяснима. Образец 1 не был в эксплуатации, а поэтому имеет самые высокие показатели пластичности. Пластичность образца 2 достаточно велика, вероятнее всего, за счет нормализации или из-за отсутствия необходимого количества легирующих компонентов. Остальные образцы не достигли регламентируемого 20-процентного порога по относительному удлинению. У образца 4 с места аварии, имеющего изначально высокую прочность, пластичность могла уменьшиться при эксплуатации за счет действия деформационного старения, что и привело к разрушению.

Анализ полученных данных позволяет заключить следующее. Форма кривых статистических распределений, характеризуемых эксцессом и асимметрией, зависит от степени пластических свойств образцов. Образцы 1 и 2 имеют положительные эксцессы, принимающие значения 0,44 и 0,57 соответственно, а образцы 3 - 4 - отрицательные. Это свидетельствует о том, что достаточная пластичность образцов характеризуется распределением более островершинным, чем нормальное, а малая пластичность, наоборот, плосковершинным. Эта закономерность объясняется следующим образом. Номинальная пластичность обусловлена равномерной мелкодисперсной структурой материала, при этом разброс твердости невелик, а основная часть выборки группируется вокруг математического ожидания твердости, которое, вероятнее всего, контролирует фактическую прочность данного материала. Уменьшение пластичности может быть связано с появлением в структуре неоднородности, т.е. структурных составляющих, отличающихся по механическим свойствам, в том числе и по твердости. За счет этого на границах субзерен, зерен и т.п. образуется существенный градиент свойств, который приводит к появлению внутренних напряжений, а при приложении внешней нагрузки - к нарушениям сплошности, которые существенно ограничивают пластичность и ускоряют хрупкое разрушение.

Относительное удлинение после разрыва для испытанных образцов зависит также от математического ожидания распределений твердости и более явно - от производной этой величины - дисперсии (рис 2.5.). Следовательно, чем больше дисперсия (математическое ожидание) статистического распределения твердости, тем меньше пластичность данного материала. По сути эта величина характеризует также вариацию измеренных значений твердости (квадрата отклонения) от их математического ожидания: чем компактнее распределение твердости, тем больше вероятность высоких пластических свойств материала и наоборот.

В ходе испытаний было установлено влияние механических напряжений, возникающих в материале при приложении нагрузки, на показания твердости. Установлено, что информативным параметром, характеризующим величину прикладываемой нагрузки, также является дисперсия. На рис. 2.6. представлены зависимости дисперсии распределений твердости от величины приложенной к образцам нагрузки, полученные на каждом шаге испытаний: 1 и 2 - увеличение и уменьшение нагрузки, 3 - среднее значение. Из полученных данных следует, что для эталонного образца 1 во всем интервале прикладываемых нагрузок дисперсия не превышает величины 400 единиц (см. рис. 2.6, а). Образец 2, имеющий в начале нагружения такой же порядок значений дисперсии (см. рис. 2.6, б), при нагрузке уже в 30 - 40 кН (120 - 160 МПа) характеризуется существенным увеличением дисперсии, что связано с таким состоянием структуры, которое не способно противостоять данной величине нагрузки. Другими словами, материал начинает изменять свои свойства уже при напряжениях, не превышающих 40% от номинального предела текучести для данной марки стали.

Это состояние могло бы быть объяснено появлением необратимых нарушений сплошности материала (линий скольжения, микротрещин и т.п.), что приводит к увеличению вариации твердости за счет локального снижения показаний в микродефектах. Однако при пошаговом снятии нагрузки величина дисперсии твердости возвращается к исходному интервалу, несколько увеличив среднее значение. Это означает, что нарушения в структуре возникают на дислокационном уровне: увеличивается число дислокаций, формируется упорядоченная дислокационная структура с появлением мест концентрации дислокаций. Данная перестройка вызывает изменение твердости, однако не переходит за границы зерен и неустранимой деформации не происходит. Некоторые последствия все же фиксируются, о чем говорит повышение дисперсии при снижении нагрузки после достижения некоторого порогового для данного материала значения напряжений.

Образец 3, имеющий недостаточную пластичность, уже в начале приложения растягивающей нагрузки (см. рис. 2.6, в) и далее по мере ее нарастания характеризуется периодическими вариациями дисперсии твердости до 1500-2500 единиц. Несмотря на это, при уменьшении нагрузки дисперсия не превысила 500 единиц. Интересно поведение образца 4 (см. рис. 2.6, г). С начала испытаний его дисперсия твердости превышала 500 единиц, а после достижения напряжениями величины 220 МПа она возросла до 1500 единиц и при уменьшении нагрузки установилась на значении 1000 единиц.

Таким образом, установлено, что механические напряжения, возникающие в материале при приложении нагрузки, влияют на показания твердости. Информативной величиной, характеризующей величину прикладываемой нагрузки, является дисперсия твердости.

 


Выводы

 

Анализ полученных данных в ходе исследования позволяет заключить Форма кривых статистических распределений, характеризуемых эксцессом и асимметрией, зависит от степени пластических свойств образцов. Об-разцы 1 и 2 имеют положительные эксцессы, а образцы 3 - 4 - отрицательные. Это свидетельствует о том, что достаточная пластичность образцов характеризуется распределением более островершинным, чем нормальное, а малая пластичность, наоборот, плосковершинным.

Выявлено, что структурные изменения, происходящие в металле под действием нагрузки, можно оценить по статистическим показателям вариационного ряда, являющегося результатом многократных измерений твердости в локальных областях металла. Увеличение интервала, стандартной ошибки, среднеквадратического отклонения, дисперсии связано со снижением твердости наименее прочных фаз, увеличением твердости прочных участков или совместным действием этих явлений. Анализ изменения моды, медианы, коэффициента асимметрии и эксцесса рассеяния позволяет характеризовать процессы, доминирующие в металле при нагружении металла - упрочнение или разупрочнение.

Установлено, что механические напряжения, возникающие в материале при приложении нагрузки, влияют на показания твердости. Информативной величиной, характеризующей величину прикладываемой нагрузки, является дисперсия твердости.

По ее величине можно отслеживать свойства материала при изменении нагрузки.

твердость бринелль роквелл оборудование


Список литературы

 

1. Золоторевский В.С. - Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1983. 352 с.

.   Мальков О.В., Литвиненко А.В. - Измерение твердости металлов М.:, 1992. 97 с.

.   Булычев С.И., Алехин В.П. - Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

.   В.И. Мощенок, - Наноиндетирование и нанотвердость материалов, удк 620.178.151.6. Статья, 2007.

5. Лебедев А.А, Музыка Н.Р., Волчек Н.Л / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003.Т.69. №12.С. 49-51

6. ГОСТ 10704-91 Трубы стальные электросварные

.   С.И. Булычев, В.П. Алехин. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора.-М.: Машиностроение, 1990-224 с..ил.

.   ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников»

.   Зорин Е.Е. Разработка основ прогнозирования работоспособности сварных трубопроводов. Диссертация доктора технических наук, ГАНГ им. И.М. Губкина, 1993 г.

.   М.Н. Степнов, А.В. Шаврин - Статистические методы обработки результатов механических импытаний - М., Машиностроение, 2005. - 28 с

.   Колмогоров В.Л. - Напряжения, деформации, разрушение. - М., Металлургия, 1970. - 229 с.

.   Методы исследования материалов / Тушинский Л.И., Плохов А.В., Токарев А.О. и др. - М: Мир, 2004. - 161 с

.   Агамиров Л.В, - Метолы статистического анализа механических испытаний.-М: Машиностроение, 2004 - 128 с.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2020-03-26; просмотров: 129; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.93.59.171 (0.151 с.)