|
№*
|
Твердость (HV),
МПа
|
Предел
выносливости, МПа
|
|
|
эксперимент.
|
расчетные по
формуле
|
|
|
|
(1.13)
|
(1.14)
|
(1.15)
|
|
1
|
144
|
232-256
|
230
|
220
|
294
|
|
2
|
146
|
196-215
|
214
|
212
|
282
|
|
3
|
212
|
288
|
308
|
308
|
352
|
|
4
|
230
|
345
|
334
|
334
|
371
|
|
5
|
239
|
322
|
346
|
346
|
380
|
|
6
|
204
|
277
|
297
|
297
|
347
|
|
7
|
165
|
203
|
240
|
240
|
301
|
|
8
|
311
|
370
|
454
|
452
|
460
|
|
9
|
185
|
226
|
270
|
269
|
323
|
|
10
|
147
|
182
|
213
|
213
|
281
|
|
11
|
140
|
221
|
230
|
218
|
274
|
|
12
|
160
|
226
|
232
|
232
|
295
|
|
13
|
200
|
255
|
290
|
290
|
339
|
|
14
|
150
|
213
|
218
|
217
|
284
|
|
15
|
180
|
226
|
262
|
262
|
318
|
При этом расчетные значения предела выносливости практически
во всех случаях выше экспериментальных, а максимальная разница в расчетных и
экспериментальных значениях 19-20%. Применение для расчета предела выносливости
углеродистых и низколегированных сталей формул (1.8-1.9) дает разницу в
значениях около 35%.
Характеристики пластичности при растяжении. В
качестве основных характеристик пластичности используют: относительное
удлинение (δ, %) и относительное сужение (ψ, %) (ГОСТ 1497).
Относительное удлинение δ, характеризует увеличение длины образца в результате деформации при
растяжении.
(1.10),
где: lк, l0 - конечная и начальная
длины рабочей части образца.
В работе [3] для расчета относительного удлинения
конструкционных углеродистых и легированных сталей предложено следующее
выражение:
(1.11)
Относительное сужение ψ - характеризует предельную способность материала к пластическому
деформированию до разрыва.
(1.12),
где: Fк, F0 - конечная и начальная
площади поперечного сечения образца.
Для определения относительного сужения углеродистых сталей в
зависимости от их предварительной термической обработки можно использовать
следующие зависимости:
(1.13) - для сталей в состоянии закалки и
отпуска;
(1.14) - для нормализованных сталей;
(1.15) - для сталей поле отжига.
Характеристики пластичности связаны с
прочностными свойствами материала. При достаточно высоких значениях δ и ψ, характерных для сталей
нефтегазового сортамента (δ не менее 16-25%, ψ не менее 50%) прочность обычно тем меньше, чем выше пластичность.
В зависимости от величины удлинения меняется разница между пределами текучести
и прочности. Поэтому важной характеристикой материала является отношение σ0,2 /σв. Например, согласно СНиП
2.05.06-85, регламентирующему свойства сталей для изготовления магистральных
трубопроводов это отличие должно составлять не более 0,75 - для углеродистых
сталей, 0,8 - для низколегированных нормализованных сталей, 0,85 - для
дисперсионно-твердеющих нормализованных и термически упрочненных сталей, 0,9 -
для сталей контролируемой прокатки, включая сталь с бейнитной структурой.
Многообразие условий службы и обработки металлических
материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических
испытаний. Они классифицируются по разным принципам. Способ нагружения образца
в процессе испытания. В основном используют два способа нагружения образца: 1)
путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления
образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки (напряжения) на
образец с измерением возникающей при этом деформации.
Механические испытания, в которых нагрузка непостоянна, можно
классифицировать также по характеру ее изменения во времени. По этому принципу
нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические
нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной
величины (обычно секунды - минуты). При динамическом нагружении это возрастание
происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические
нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по
величине. В соответствии с характером действующих нагрузок различают
статические, динамические и усталостные испытания. Статические исnыания отличаются
плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью
его деформации. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний,
приложения нагрузок к образцу (т.е. схемой напряженного состояния): одноосное
растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем - просто растяжение, сжатие), изгиб,
кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные
схемы напряженного состояния). Динамические испытания характеризуются
приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой
скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых -
тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину
полной или работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации
образца (абсолютной или относительной). Данных о величине напряжений и
деформаций в процессе этих испытаний обычно не получают, хотя в принципе это
возможно. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.
Испытания на усталость проводят при многократном приложении к
образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы - сотни
часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных
значениях напряжений, а в конечном итоге-то предельное напряжение, которое
образец без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения. Помимо
рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две
большие специфические группы испытаний. Первая из них - испытания на твердость,
в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или,
реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим
телом - индентором (от английского indentation - вдавливание).
Большинство испытаний на твердость статические. Вторая группа
- испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при
повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы здесь в
течение всего испытания находятся под постоянным напряжением или нагрузкой. При
испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени
при разных напряжениях в образце, а при испытании на длительную прочность
оценивают время до разрущения под действием различных напряжений. Существует
еще ряд методов и разновидностей механических испытаний, которые используют на
практике в более ограниченных масштабах. Как видно, методы проведения испытаний
весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная
от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в
разных средах и т.д. Все это вполне естественно, ибо отражает разнообразие
условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге
пытаются моделировать испытаниями(10).
Условия подобия механических испытаний: Большинство характеристик
механических свойств металлов и сплавов не является их физическими константами.
Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому нельзя
судить о свойствах металлических материалов по данным механических испытаний,
которые проводятся разными исследователями по разным методикам. Необходимо
выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили
постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти
результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние
условий испытания. Кроме того, соблюдение этих правил должно гарантировать
сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных
лабораториях, на различном оборудовании, образцах и т.д. Условия,
обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются
условиями подобия механических испытаний. Для соблюдения условий подобия
образцы следует подвергать испытаниям при одинаковой схеме напряженного
состояния и в одинаковых физических условиях.
Отсюда следует необходимость соблюдения трех видов подобия:
) геометрического (форма и размеры образца);
) механического (схема и скорость приложения нагрузок);
) физического (внешние физические условия).
Условие геометрического подобия сводится к тому, что
испытываемые образцы должны иметь геометрически подобную форму. Форма и размеры
образца влияют на результаты испытания через схему напряженного состояния,
которая зависит от формы тела и определенного расположения точек приложения
нагрузок. Естественно, что еще в большей степени на напряженное состояние в
образце влияет схема приложения нагрузок. В общем виде механическое подобие
заключается в том, что в сходственных сечениях рабочей части образцов возникают
тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация.
Следует отметить, что сформулированное условия геометрического и механического
подобия обеспечивают тождество напряженных состояний и относительных деформаций
не во всех случаях и не во всех микрообъемах образцов. Отклонения наблюдаются.
в частности, при хрупком разрушении, при очень больших различиях в абсолютных
размерах образцов (масштабный фактор) и в ряде других случаев, каждый из
которых имеет свое объяснение. Например, влияние масштабного фактора можно
объяснить на основе статистических теорий прочности. Снижение механических
свойств при увеличении размеров образцов связывают с увеличением вероятности
существования опасных поверхностных и внутренних дефектов - кониентраторов
напряжений, вызывающих преждевременную деформацию и разрушение. Другой причиной
влияния масштабного фактора может быть изменение схемы напряженного состояния
(при испытании образцов с концентраторами напряжений). Необходимость
физического подобия для получения воспроизводимых и сопоставимых результатов
испытаний совершенно очевидна и не требует специальных разъяснений. Когда
необходимо получение сопоставимых данных по свойствам разных материалов,
соблюдение физического подобия усложняется. Например, сравнение механических
свойств разных металлов и сплавов при одной температуре может быть при решении
определенных задач лишено физического смысла. Механические свойства, в
частности прочностные, связаны с температурой начала плавления металла или
сплава: при прочих равных условиях чем выше эта температура, тем выше
прочностные характеристики при заданной температуре испытания. Поэтому
сопоставление свойств разных металлических материалов более правильно проводить
при одинаковых гомологических температурах, т.е. одинаковых отношениях
абсолютных температур испытания и плавления ТИС / Т'» (в градусах Кельвина).
Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме
соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика
изготовления образцов для испытаний. Способ изготовления образца должен быть
таким, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре
соответствующей детали или заготовки, свойства которой необходимо определить.
Важность соблюдения условий подобия при проведении механических испытаний наглядно
демонстрируется стандартизацией их методики в государственном, а некоторых
испытаний и в международном масштабе. В России имеются ГОСТы на большинство
наиболее распространенных испытаний. В них с учетом всех условий подобия
унифицированы формы и размеры образцов, качество их изготовления, основные
методические приемы испытания, а также требования к применяемой аппаратуре,
точности замера напряжений и деформаций, температуры и т.д.
1.2 Сущность измерения твердости по различным
методикам
Метод вдавливания твердого наконечника получила наибольшее
распространение в практике испытаний металлов. К этому методу относятся методы
Бринелля, Роквелла, Виккерса. Измерение твердости этими методами
стандартизированы и устанавливаются ГОСТами:
Бринелля - ГОСТ 9012 - 59, Роквелла - ГОСТ 9013 - 59,
Виккерса - ГОСТ 2999 - 59. [3]
Рис. 1.1 Диапазон значений твердости
Твердость по Бринеллю - НВ, Н/м2
Рис. 1.2. Измерение твердости по методу Бринелля
Прежде чем приступить к испытанию на твердость, необходимо
правильно подобрать по нагрузку (F) и диаметр шарика (D) исходя из материала и толщины образца, ГОСТ
9012 - 59. Нагрузку выбирают так, чтобы соблюдался закон подобия
/D2 = const (1)
В этом случае возможно сравнение твердости, полученной при
различном диаметре шариков. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть
не менее десятикратной глубины отпечатка. На обратной стороне испытуемого
образца после вдавливания шарика не должно быть следов деформации. [2]
Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении
твердости.
Твердость материала при измерении по Бринеллю 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.
Продолжительность выдержки образца строго постоянна и
устанавливается перед измерением от 10 до 60 секунд в зависимости от материала.
Диаметр отпечатка (d), полученного после вдавливания, измеряется при
помощи специальной лупы с точностью до 0,05 мм. При этом для лучшей
освещенности отпечатка окно лупы располагают в направлении к источнику света.
Значение твердости находят из таблиц или рассчитывает по
формуле (2) Н/м2
(2)
Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном
испытании (D
= 10 мм, P
= 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других
условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что
означает - число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм
под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.
При измерении твердости по методу Бринелля необходимо
выполнять следующие условия:
Ø образцы с твердостью выше
HB 450 кгс/мм2
(4500 МПа) испытывать запрещается;
Ø поверхность образца
должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
Ø диаметры отпечатков
должны находиться в пределах 0,2D£d£0,6D;
Ø образцы должны иметь
толщину не менее 10 - кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);
Ø расстояние между центрами
соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не
менее 4d.
Твердость по Роквеллу - HRB, НRC
Испытания твердости на этом приборе могут производиться
вдавливанием закаленного шарика (D =I, 588 мм), алмазного конуса. При этом
алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ - 2500 МН/м2).
Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине
вдавливания (h) в 0,002 мм, 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 HRB, HRC. [2]
Рис. 1.3. Схема проведения измерения твердости по Роквеллу с
применением алмазного наконечника: 1 - поверхность образца; 2- исходная линия
измерения, 3 - шкала твердости
Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы
индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем
меньше h, тем больше твердость.
Соотношение между твердостью и глубиной вдавливания
определяется выражениями для алмазного конуса
для шарика
Перед началом испытания необходимо выбрать шкалу измерения,
т.е. нагрузку, шкалу отсчета и индентор (шарик или конус). 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.
Поверхность испытуемого образца должна быть очищена шлифовкой
от окалины и других посторонних веществ.
Перпендикулярность приложения нагрузки обеспечивается за счет
создания параллельности опорных поверхностей образца.
Минимальная толщина образца должна быть не меньше
восьмикратной глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. На
обратной стороне образца не должно быть заметно после измерения твердости
следов деформации. Расстояние от края образца или между соседними отпечатками
должно быть не менее 3 мм.
Отсчет результатов измерения твердости производится в целых
делениях шкалы индикатора с точностью 0,5 единицы шкалы. За число твердости
принимается результат отдельного измерения. Причем на каждом образце должно
быть произведено не менее трех измерений.
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.
Твердость по методу Роквелла можно измерять:
- алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость
измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом
определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней
твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;
- алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость
измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки
твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и
тонколистового материала;
стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс.
Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют
твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.
При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы
на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо
контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и
устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть
не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.
Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце,
усредняя полученные результаты.
Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля
и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла
фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает
необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.
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.
Метод измерения микротвердости
При определении микротвердости четырехгранная алмазная пирамида (с
углом между противоположными гранями при вершине 135°) вдавливается в
испытуемый материал под очень небольшой нагрузкой от 0,05 до 5 Н.
Рис. 1.5. Измерение микротвердости
Число твердости выражается в величинах твердости Н и определяется
по формуле (5).
Среднее значение микротвердости Н вычисляем по формуле (6),
(6)
где n - число измерений,
Нi - текущее измерение
Испытание на микротвердость применяют для контроля качества
материала очень мелких деталей, а также для определения твердости структурных
составлявших, твердости покрытий и весьма тонких поверхностных слоев.
Поверхность образца для определения микротвердости подготавливают так же, как и
для микроисследования. Полирование рекомендуется электролитическое во избежание
наклепа в тонком поверхностном слое. Для определения микротвердости применяют
прибор ПМТ - 3. Это вертикальный микроскоп 1 с нижним положением столика,
Принцип измерения твердости такой же, как и по Виккерсу, только пирамида отличается
более высокой точностью изготовления.
Выбор нагрузки зависит от задачи измерения. Центр отпечатка должен
быть удален от края шлифа или от края соседнего отпечатка не менее чем на две
диагонали отпечатка. Если отпечаток получен слишком близко к краю, то
вдавливание индентора облегчается и поэтому значение твердости оказывается
заниженным. Если первый отпечаток расположен слишком близко от второго, то
второй отпечаток будет находиться в зоне, уже наклепанной от первого
вдавливания, поэтому твердость получается завышенной. [3]
При малой нагрузке велика относительная погрешность в измерении
отпечатка и сильнее сказывается качество шлифа, поэтому желательно брать
наибольшую нагрузку.
Вместо определения числа твердости по формуле обычно пользуется
таблицами, рассчитанными для нагрузок 0,2; 0,5; 1 и 2 Н. Но если нужно измерить
твердость отдельного зерна, приходится снижать нагрузку, пока отпечаток не
окажется настолько малым, чтобы до краев зерна оставалось не менее двух
диагоналей. Даже отпечаток, далеко отстоящий от видимой границы зерна, может
давать завышенное (или заниженное) значение твердости из-за того, что под ним
на небольшой глубине под поверхностью шлифа залегает другая фаза (более твердая
или более мягкая). Индентор «упирается» в нее или, наоборот, «проваливается»
сквозь твердую корку в мягкую подложку. Поэтому разброс измеренных значений
микротвердости, как правило, гораздо больше, чем при обычных измерениях
твердости. Измерения микротвердости имеют ценность только при правильной
статистической обработке диагонального числа размеров.
1.3 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,
Приборы для измерения микротвердости
Измерение микротвёрдости производят в соответствии с
требованиями ГОСТ 9450-76 измерение микротвердости методом вдавливания в
испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием
четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие
отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки. Микротвердомер
представляет собой измерительный микроскоп, служащий для определения
микротвердости различных материалов путем вдавливания в материал алмазного
наконечника.
) Для определения микротвердости применяют прибор ПМТ - 3.
Это вертикальный микроскоп 8 с нижним положением столика,
который имеет два сменных объектива с увеличением и окуляр - микрометр 7 для
измерения диагонали отпечатков. Вращением столика 13 выбранное место на шлифе
11 подводят под индентор-пирамиду. Принцип измерения твердости такой же, как и
по Виккерсу, только пирамида отличается более высокой точностью изготовления
-механизм макроподачи; 2-механизм микроподачи; 3 - стойка; 4
- механизм нагружения; 5 - предмет; 6 - станина; 7 - окулярный микрометр; 8 -
вертикальный микроскоп; 9 - центрировка; 10 - осветитель; 11 - шлиф; 12 -
алмазная пирамида; 13 - столик
Технические характеристики:
Диапазон нагрузки, Н: от 0,02 до 5,0
Увеличение микроскопа микротвердомера: 130, 500, 800
Габаритные размеры, мм (не более)
х290х470
Масса, кг (не более) 22
Преимущества:
. измерение микротвердости материалов, сплавов, стекла,
керамики и минералов
2. Микроскоп микротвердометра позволит осуществлять просмотр
испытуемого объекта в темном и светлом поле.
Недостатки:
) Длительность измерений
2. Проведение механических испытаний на твердость
для определения трубных свойств
2.1 Статистические методы обработки результатов
механических испытаний
Структура реальных металлов и сплавов и распределение ее
дефектов неодинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические
свойства, определяемые структурой и дефектами, строго говоря, различны для
разных объемов одного образца. В результате те характеристики механических
свойств, которые мы должны оценивать при испытаниях, являются
среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее
вероятную характеристику всего объема образца, который принимает участие в
испытании. Даже при абсолютно точном замере механических свойств они будут
неодинаковы у разных образцов из одного и того же материала. Инструментальные
ошибки определения характеристик свойств, связанные с измерением нагрузок,
деформаций, размеров и т.д., еще более увеличивают разброс экспериментальных
результатов. Основные задачи статистической обработки результатов механических
испытаний - оценка среднего значения свойств и ошибки в определении этого
среднего, а также выбор минимально необходимого числа образцов (или замеров)
для оценки среднего с заданной точностью. Эти задачи являются стандартными для
статистической обработки результатов любых измерений. Основные положения
методов обработки результатов измерений и оценки их погрешностей сформулированы
в ГОСТ 8.207-76 и подробно рассмотрены в различных руководствах.
Обычно мы определяем численное значение механического
свойства по результатам нескольких измерений. Совокупность из n значений этого
свойства для испытываемого материала есть статистическая выборка, которая
должна быть частью генеральной совокупности значений свойства, объем которой
теоретически бесконечно велик. Объем выборки при механических испытаниях может
меняться в широких пределах: от 3 - 5 до нескольких десятков и даже сотен
измерений, когда обрабатываются, например, результаты испытаний какого-нибудь
изделия на заводе за длительный период времени.
Множество определенных в результате испытаний значений Хi (i =1,2,…, n) некоторого
свойства (например, числа твердости или предела текучести) обычно подчиняется
нормальному распределению (рис. 2.1.). При числе измерений n ~ 15 проверки
нормальности их распределения не проводят. Если же n > 15, ГОСТ 8.207-76
требует выполнения такой проверки с помощью специальных критериев.
При нормальном законе распределения n отдельных значений
свойства его среднее значение х в большинстве случаев рассчитывают как среднее
арифметическое по формуле (5):
(5)
Прежде чем определять среднее значение, рекомендуется проверить
совокупность полученных значений на присутствие резко выделяющихся результатов
испытаний. Они обычно являются следствием какой-либо грубой ошибки в измерениях
или наличия крупных дефектов в образце. Такие результаты следует исключить из
дальнейших рассмотрений.
Помимо грубых, различают ошибки систематические и случайные. К
систематическим относят ошибки, природа которых известна, а величина, по
крайней мере в некоторых случаях, может быть определена. Например, если после
испытаний окажется, что стрелка силоизмерителя испытательной машины была
смещена относительно нуля, то это вызовет систематическую ошибку в определении
прочностных свойств, которая должна быть устранена введением соответствующей
поправки. К сожалению, величина систематической ошибки не всегда может быть
найдена, а иногда мы даже не подозреваем об ее существовании, хотя величина ее
может бьггь существенной. Например, при испытании партии пористых образцов их
свойства могут оказаться заниженными на какую-то примерно одинаковую величину у
разных образцов, и, следовательно, мы оценим среднее значение свойства с
определенной систематической ощибкоЙ. Систематические ошибки должны быть по
возможности выявлены и учтены. Ошибки результатов измерений, исправленных
исключением грубых ошибок x-s и введением поправок на систематические ошибки,
называют случайными. Они вызываются действием большого числа факторов, влияние
которых на измеряемое свойство нельзя выделить и учесть в отдельности.
Случайные ошибки неустранимы, но с помощью методов теории вероятностей их можно
рассчитать и учесть их влияние на истинное значение измеряемой величины.
Для оценки случайной ошибки (погрешности) отдельных измерений определяют
их отклонение от среднего в виде дисперсии по формуле (6):
(6)
или среднего квадратичного отклонения (стандартного отклонения):
(7)
Важной характеристикой точности измерений является также
относительная величина среднего квадратичного отклонения - коэффициент
вариации:
(8)
Все перечисленные характеристики ошибок измерений еще ничего не
говорят о надежности полученных результатов. Наиболее точную оценку величины
ошибок дает доверительный интервал или доверительные границы в сочетании с
доверительной вероятностью.
Обозначим истинную величину измеряемого свойства через 
, погрешность ее измерения через 
, среднее арифметическое значение, которое
мы получим по результатам испытаний, 
. Предположим теперь, что вероятность отличия от на величину, не большую чем , равна:
(9)
Вероятность называется доверительной вероятностью, а
интервал значений от 
до 
доверительным интервалом.
Из анализа функции нормального распределения (см. рис. 2.1.)
следует, что около 66% всех измеренных величин отклоняются от среднего значения
менее чем на s, 95% - менее чем на 2s, а вероятность появления отклонения от
среднего значения хна 3s уже пренебрежимо мала (0,003%). Поэтому доверительные
границы погрешности измерения механических свойств при достаточном объеме
выборки не превышают ±3s и чаще всего принимаются равными ±2s. Помимо
доверительного интервала случайной погрешности результата измерения, по ГОСТ
8.207-76 должны быть вычислены доверительные границы неисключенной
систематической погрешности. В практике механических испытаний это делается
редко, поскольку считается, что неучтенные систематические ошибки переводятся в
случайные.
Среднее значение свойства можно определять по разному числу
измерений. Естественно, что среднее будет тем ближе к истинному значению
определяемой величины, чем больше будет число замеров n. Однако практически
увеличивать n невыгодно, и стремятся получить среднее с определенной точностью
при минимальном n.
Один из методов определения достоверного среднего при минимальном
n базируется на априорном задании возможного разброса х в пределах
доверительного интервала.
Допустим для примера, что за достоверное среднее значение числа
твердости мы нужным принять такую его величину, которая с доверительной
вероятностью 
= 0,99 не будет отклоняться от больше чем на 50 МПа (последнюю величину
выбирают, исходя из точности используемого метода). Определив 
по ряду измерений 
и постепенно увеличивая их число, с
помощью специальных таблиц находим такое, при котором:
МПа
Если из предварительных экспериментов известны характеристики
точности данного метода испытаний применительно к испытываемому материалу, то
минимально необходимое число экспериментов можно определить априори по формуле:
(10)
где 
- число испытаний в предварительных
опытах; Wm - разница между максимальным и минимальным значением результатов
предварительных испытаний; Jp - задаваемое с вероятностью Р максималное
допустимое отклонение среднего значения от истинного; Kw = [t (m - 1)] dm 
, где dm - коэффициент для оценки среднего
квадратичного отклонения по числу измерений (дается в специальных таблицах). Таким образом, степень
надежности определения по формуле (10) зависит в основном от
числа предварительных испытаний.
Механические свойства часто используют в промышленности для оценки
качества металлических материалов и изделий из них. В стандартах и технических
условиях на многие изделия из металлов оговорены минимально допустимые
(гарантируемые) значения тех или иных отдельных механических свойств или их
совокупности. Поэтому при проверке качества таких изделий на заводе надо
определять соответствующие свойства и следить за тем, чтобы минимальные их
значения были не ниже требуемого уровня.
В связи с микро и макро - неоднородностью конструкционных
материалов, колебаниями режимов технологии производства материалов и деталей
машин, изменчивостью условий испытаний характеристики механических свойств
образцов и элементов конструкций претерпевают заметное рассеяние. Степень этого
рассеяния зависит как от природы конструкционного материала, так и от формы и
размеров объектов испытаний. Таким образом, дисперсия характеристик
механических свойств является внутренней объективной оценкой качества материала
и элементов кострукций, а также стабильности технологии их произвоства
Повышение производительности и обеспечение надежности является
одной из самых важных современных научных и инженерных проблем, предусматривает
надлежащий учет рассения характеристик механических свойств на всех этапах
разработки и производства конструкционных материалов, проектирования,
изготовления и эксплуатации машин. Все это определяет необходимость
вероятностных подходов к оценке свойств материалов, несущей способности ресурса
конструкций, а также необходимость статистических методов планирования механических
испытаний и анализа их результатов. Современный уровень развития вычислительной
техники и соответствующего программного обеспечения в значительной мере
способствует решению этих задач.
Методы планирования прямых механических испытаний и статистического
анализа их результатов измерений при минимальном объеме испытаний с требуемой
точностью дают возможность надежной оценки средних значений характеристик
механических свойств и их дисперсий, обоснования вида функции распределения
вероятностей и оценки ее параметров.
Применительно к косвенным испытания (испытания на усталость,
ползучесть, длительную статическую прочность), указанные методы позволяют с
заданной степенью точности и сстатистической надежности строить семейства
кривых усталости, длительнсоти статической прочности и т.д. по параметру
вероятности разрушения, также обосновать вид функции распределения вероятностей
применительно к пределам выносливост, ползучести и длительной статической
прочности.
Обоснование функций распределения вероятностей применительно к
характеристикам прочности лементов конструкции и их нагруженности в процессе
эксплуатации открывает широкие возможности для применения наиболее
прогрессивных вероятностных методов расчета прочности и ресурса.
При выборе конструкционного материала, оптимизации технологии
производства деталей необходимо базироваться не только на средних значениях и
дисперсиях характеристик механических свойств, но и нах их взаимодействиях
путем оценки квантильных значений. Для этого важным вопросом является методика
построения доверительных интервалов для квантилей характеристик механических
свойств
В настоящее время все статистические расчеты ведутся на
компьютерах. В наиболее совершенных испытательных машинах со встроенными в них
микропроцессорами эти расчеты ведутся автоматически параллельно с расчетом
механических свойств по первичным результатам испытаний.
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.
.2 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.
2.2 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
. 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.