Спосіб оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання, “lm-метод твердості”

1 Спосіб оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання, що містить операції вимірювання твердості матеріалу, визначення його деградації шляхом порівняння характеристик твердості на різних стадіях напрацювання, який відрізняється тим, що оцінку деградації матеріалу проводять за параметрами розсіювання значень твердості 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що як параметр розсіювання значень твердості використовують коефіцієнт гомогенності Вейбула, який розраховують за формулою Гумбеля Винахід відноситься до способів дослідження матеріалів, зокрема до вимірювання характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів при вивченні процесів руйнування на стадії накопичення розсіяних пошкоджень Абревіатура "І_М" у назві винаходу може бути розкрита, як ініціали прізвищ авторів винаходу латинськими літерами ВІДОМІ способи оцінки ступеню пошкоджуваності матеріалу в процесі напрацювання за результатами прямих (методи металографи, виважування та ін,) і побічних (акустичної емісії, омічного опору та ш ) вимірювань [Дрозд М О Определение механических свойств металла без разрушения М Металлургия 1965 -С 147-156] Застосування цих способів для оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання призводить до великих похибок, оскільки зв'язок між вимірюваними параметрами і характеристиками структурного стану для широкого класу матеріалів неоднозначний, крім того, в деяких випадках для реалізації таких способів потрібно виготовляти зразки шляхом їх вирізання з конструкції, яка досліджується, що не завжди можливо зробити Із відомих способів оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання найбільш близьким за своєю технічною суттю є спосіб, що містить в собі операції вимірювання твердості матеріалу конструкції на окремих стадіях напрацювання, далі, припускаючи наявність кореляції характеристик твердості з параметрами структури судять про ступінь пошкоджуваності матеріалу [Статистические закономерности малоциклового разрушения / Н А Махутов, В В Зацаринннй, Ж Л Базарас и др - М Наука 1969 -С 236-238] Описаний спосіб є недостатньо інформативним і точним, оскільки кореляція між твердістю матеріалу і його "пошкоджуваністю" дуже слабка і не завжди однозначна В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання, який би дозволив підвищити інформативність і точність Ця задача вирішується шляхом визначення ступеню пошкоджуваності матеріалу не за абсолютними значеннями твердості, а за параметрами розсіювання її значень, як більш показними, ніж сама твердість, характерне m = 0,4343dr n1 де d n - коефіцієнт, що залежить від числа вимірювань, п - число вимірювань, пНін-15, И, - значення твердості по і-му вимірюванню, Н - середнє значення твердості за результатами вимірювань, 1 п Ід Н =-уідН, " 1 О ю 52107 тиками по відношенню кореляції з пошкоджуваністю, що забезпечує підвищення інформативності і точності оцінки деградації матеріалу Вказаний технічний результат досягається завдяки тому, що пропонований, як і відомий спосіб оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання містить операції вимірювання твердості матеріалу, визначення його деградації шляхом порівняння характеристик твердості на різних стадіях напрацювання, а, ВІДПОВІДНО до винаходу, оцінку деградації матеріалу проводять за параметрами розсіювання значень твердості Особливістю пропонованого способу є і те, що як параметр розсіювання значень твердості використовують коефіцієнт гомогенності Вейбула, який розраховують за формулою Гумбеля т ~ 0.43434. 1 де d n - коефіцієнт що залежить від числа вимірювань, п - число вимірювань, пНін - 15, _Н| - значення твердості по і-му вимірюванню, Н - середнє значення твердості за результатами вимірювань, Методика, запропонована Гумбелем, дає стабільні показники при пНін - 15 Таким чином, зіставляючи розрахункові значення коефіцієнта гомогенності Вейбула, можливо оцінити ступінь деградації структурного стану матеріалу, яка відбувається за рахунок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання Окрім згаданого методу для вирішення поставленої задачі можна використати і ІНШІ статистичні параметри, що комплексно характеризують розсіяння результатів вимірювань, але коефіцієнт гомогенності Вейбула, за даними авторів, є зручною і найбільш інформативною характеристикою Фізичне обгрунтування перспективності пропонованого способу полягає в тому, що розсіювання, принаймні механічних характеристик, властиве всім матеріалам, а ступінь розсіювання залежить, в основному, від структурного стану Отже, про змінювання структурного стану, тобто деградацію матеріалу в заданих умовах роботи, у тому числі за рахунок старіння під навантаженням, можна судити за розсіюванням характеристики його механічних властивостей В якості такої характеристики при діагностуванні стену матеріалу в процесі напрацювання зручно використовувати твердість, визначення якої в досить великому обсязі проводиться без руйнування виробу і не потребує використання складної апаратури Механічний аспект практичного використання цієї ідеї міститься в виборі параметра, що інтегрально характеризує структурний стан матеріалу щодо його гомогенності, і в основі раціонального методу обробки результатів масових випробувань на твердість з метою визначення зазначеного параметра Оцінку структурної неоднорідності матеріалу за наявності досить великої сукупності даних про його властивості і відображаючої їх розсіювання, можливо провести тільки методами математичної статистики на основі фізично обгрунтованих законів розподілу Очевидно, що нормальний закон розподілу у даному випадку неприйнятний, через те, що він не виключає наявність зразків з від'ємною твердістю, що неможливо В той же час існує великий досвід використання в механіці матеріалів, зокрема, при побудові статистичних теорій МІЦНОСТІ, розподілу Вейбула [Weibul I W А statistical distribution function of wide applicability // J ofAppI Mechanics -v 18 - N3 -p 293-297] JULY де m, к - параметри розподілу, при цьому параметр m - це коефіцієнт гомогенності, відображаючий ступінь розсіяння характеристик досліджуваної властивості, його можна визначити за формулою Гумбеля [Гумбель Э Статистика экстремальных значений М Мир 1965 - 450с , Писаренко Г С , Трощенко ВТ Статистичні теорії МІЦНОСТІ та їх застосування до металокерамічних матеріалів - Київ Видавництво Академії наук Української РСР, - 106с], яка ВІДПОВІДНО ДО випробувань на твердість має вигляд і Тут величину m визначають в залежності від числа п вимірювань, причому п має бути не менше 15 Великим значенням коефіцієнта m відповідає низький рівень розсіяння характеристик твердості і, ВІДПОВІДНО, краща організація структури, низький рівень пошкоджуваності, меншим значенням, і навпаки, більш високий рівень пошкоджуваності Зазначимо, що рівню розсіяння визначуваної властивості, в тому числі твердості, можна ставити у ВІДПОВІДНІСТЬ ІНШІ статистичні критерії, а саме, надійний інтервал, коефіцієнт варіації та ІНШІ Суть процесів, які проходять в ВІДПОВІДНОСТІ з операціями запропонованого способу і їх ПОСЛІДОВНІСТЬ полягають у наступному Роблять, по можливості, велику КІЛЬКІСТЬ (не менше 15) вимірювань твердості матеріалу, наприклад, в початковому стані і після напрацювання Далі визначають параметри розсіяння значень твердості (не менше 15) та їх середні значення також в початковому стані і після напрацювання, за якими розраховують коефіцієнти гомогенності Вейбула m і шляхом їх зіставлення судять про деградацію структури матеріалу в процесі напрацювання Пропонований спосіб дозволить збільшити КІЛЬКІСТЬ інформації про стан структури матеріалу і підвищити точність оцінки рівня пошкоджуваності за рахунок використання більш сталої кореляції значень твердості, які знаходять шляхом простих вимірювань, з параметрами, характеризуючими стан структури Описаний вище спосіб може бути використаний при дослідженні накопичення розсіяних пошкоджень у зв'язку з напрацюванням в умовах тривалого статичного та циклічного навантаження, а також у залежності від рівня пластичних деформацій при короткочасному навантаженні Приклад В процесі експлуатації діючого тру 52107 бопроводу визначали твердість Н за допомогою алу Як в умовах тривалого статичного і циклічного твердометра Вікерса алмазною пірамідою з кутом навантаження, описаних вище, твердість в процесі при вершині 136° і навантаженням на індентор статичного короткочасного деформування практи150Н за стандартною методикою чно не змінюється при суттєвій ЗМІНІ характеристики розсіяння її значень - параметра Вейбула, змеПриклад Дослідження виконано на трубі діюншення якого при розвинених пластичних чого продуктопроводу, яка виготовлена зі сталі деформаціях досягало більш ніж 70% Х46 (виробництва США), в початковому стані і після тривалої (більше 20 років) експлуатації труби Описані вище результати показують, що ме(ЗОВНІШНІЙ діаметр 355,6мм, товщина стінки 7,2мм) тод твердості в його класичному виконанні є слапри номінальному тиску продукту близько бочуттєвим до трансформації структури в процесі 10,5МПа напрацювання, тобто до змін пошкоджуваності матеріалу Більш показним параметром стосовно Результати вимірювання досліджуваного маінформативності і вірогідності є характеристика теріалу показали, що напрацювання призводить розсіяння абсолютних значень твердості, обсяг до несуттєвого (близько 7%) підвищення твердоданих про які отриманий в однакових умовах вимісті В цей час значення коефіцієнта гомогенності рювань з використанням однакових твердомірів т , що характеризує ступінь однорідності матеріаОтримані дані підтверджують, що такою характелу, який розраховано за вищенаведеною формуристикою може бути коефіцієнт гомогенності Вейлою, суттєво (на 35%) знизилося в процесі напрабула, який знаходиться за результатами масових цювання випробувань методом, запропонованим Гумбелем Аналогічні результати, що свідчать про більш високу чутливість до напрацювання характеристик Пропонований спосіб є простим і може бути розсіяння твердості, ніж середні значення її абсореалізований безпосередньо на елементі конструлютних величин, що отримані на матеріалах, які кції, що підлягає випробуванню працювали в умовах змінного навантаження Так Таким чином, даний спосіб дозволяє збільшидослідженню підлягала трубна сталь 17Г1С у поти обсяг інформації про стан структури матеріалу і чатковому стані і після напрацювання в умовах підвищити точність оцінки ступеню її пошкоджувазнакозмінного згину до руйнування при а 3 = 35МПа ності і ІЧц = 0,57 107 і без руйнування при а 3 = 28МПа і Джерела інформації ІЧц = 107 Визначено, що при напрацюванні в умо1 Дрозд М О Определение механических свойств вах циклічного навантаження, спостерігається, як і металла без разрушения М Металлургия 1965 в випадку тривалого статичного навантаження, С 147-156 небезпечне збільшення твердості, тобто низька 2 Статистические закономерности малоциклового чутливість твердості до напрацювання, що свідразрушения / Н А Махутов, В В Зацаринннй, Ж Л чить про слабку кореляцію цієї важливої механічБазарас и др - М Наука 1989 -с 236-238 ної характеристики властивостей і структурного 3 Weibull W A statistical distribution function of wide стану металу в умовах втомного навантаження В applicability//J of Appl Mechanics -v 18 - N3 - p цей час змінювання коефіцієнта гомогенності Вей293 - 297 була досягали 50% Спеціально проведенні ви4 Гумбель Э Статистика зкстремальннх значепробування з використанням методу твердості ний М Мир 1965 -460с показали, що достатній для більш точної оцінки 5 Пюаренко Г С , Трощенко В Т Статистичні теорії однорідності матеріалу обсяг випробувань, склаМІЦНОСТІ та їх застосування до металокерамічних, дає п = 15 -ь ЗО вимірів матеріалів - Київ Видавництво Акадамм наук Української РСР, - 106с Накопичення пошкоджень в матеріалі добре корелюється з параметром Вейбула також і при короткочасному статичному навантаженні матері ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71