Спосіб оцінки деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень

Реферат: Спосіб оцінки деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень включає нанесення на поверхню виробу подряпини дряпаючим індентором, який пересувають по поверхні виробу при постійному значенні навантаження, і вимірюють параметри, за якими визначають характеристику деградації металевого матеріалу виробу, при переміщенні впровадженого в матеріал дряпаючого індентора дискретно виконують бааторазові, рівноточні вимірювання і визначають найбільші і найменші за алгебраїчною величиною значення зміни положень вершини дряпаючого індентора для кожного вимірювання щодо її початкового положення, яке приймають за точку відліку. Як характеристику деградації матеріалу приймають параметри розсіювання виміряних значень зміни положень вершини дряпаючого індентора і шляхом порівнювання, визначених для початкового стану параметрів розсіяння значень переміщення вершини дряпаючого індентора з їх значеннями після напрацювання, оцінюють поточний ступінь деградації металевого матеріалу. UA 115814 U (12) UA 115814 U UA 115814 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів дослідження твердих матеріалів, а саме до способу оцінки деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень шляхом вимірювання характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів при вивченні процесів руйнування на стадії накопичення розсіяних пошкоджень. Відомий спосіб оцінки деградації матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень за методом дряпання, що містить в собі операції вимірювання значень такої характеристики матеріалу як твердість, і визначення стану пошкоджуваності матеріалу за параметрами розсіювання вимірюваних значень цієї характеристики [Деклараційний патент на винахід № 52107 А, Україна, МПК (2006) G01N 3/00, G01N 3/40 (2006.01). Опубл. 16.12.2002, бюл. № 12/2002]. Відомо, що розсіювання характеристик властивостей матеріалу притаманне всім матеріалам, але ступінь розсіювання залежить від ступеня неоднорідності його структури. За параметр, що характеризує ступінь пошкодження матеріалу, прийнято коефіцієнт гомогенності Вейбулла, що корелюється з структурним станом матеріалу. Чим більше неоднорідність структури матеріалу конструктивного елемента, тим гірше його експлуатаційні можливості, тим більше розсіювання значень твердості. До переваг згаданого способу належить незалежність оцінки стану матеріалу за пошкоджуваністю від методу отримання значень твердості. Основним недоліком відомого способу, що базується на визначені великої кількості значень твердості, за якими визначають деградацію матеріалу, є недостатня продуктивність праці. Останнім часом знаходить розповсюдження відомий спосіб склерометричних досліджень визначення твердості за методом дряпання [Хрущев М.Н. Склерометрия. - М.: Наука, 1968. 205 с.]. Метод склерометричних досліджень полягає у нанесенні подряпини на поверхню виробу дряпаючим індентором, що перебуває під постійним навантаженням, і вимірювання параметрів подряпини, які ставлять у відповідність до значень твердості. Особливість методу дряпання полягає у можливості отримання на невеликій довжині подряпини безлічі значень параметрів подряпини, що дозволяє замінити необхідні для проведення оцінки деградації матеріалу шляхом статистичної обробки результатів випробування дуже багатьох експериментальних вимірювань значення твердості. Найближчим аналогом є спосіб оцінки деградації матеріалу виробу [заявка на корисну модель № u201609932 від 27.09.2016 на "Спосіб оцінки неоднорідності матеріалу конструктивного елемента"]. Відповідно до згаданого способу на поверхню елемента виробу, що знаходиться в експлуатації, наносять дряпаючим індентором подряпину. Далі по довжині подряпини проводять вимірювання її глибини або ширини і по розсіюванню отриманих значень визначають коефіцієнт гомогенності Вейбулла, за яким оцінюють ступінь деградації матеріалу. Недоліком способу є вплив на вимірювання значень глибини впровадження дряпаючого індентора рельєфу поверхні, який вздовж подряпини є різним. Тому відомий спосіб є прийнятним для отримання приблизної оцінки ступеня пошкоджуваності матеріалу виробу. Глибину подряпини в різних зонах по її довжині можна визначати і по ширині перерізу подряпини в цих зонах шляхом перерахунку по куту при вершині дряпаючого індентора, який, як правило, виконують у вигляді конуса або піраміди. Однак точність визначення глибини подряпини буде недостатньою через вплив витісненого дряпаючим індентором на поверхню по берегах подряпини відвалу матеріалу, який дещо спотворює результати вимірювань. В основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого способу оцінки деградації матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень, який би при високій продуктивності праці мав би і високу достовірність оцінки деградації матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень. При прямолінійному переміщені по матеріалу дряпаючий індентор здійснює осьові зворотнопоступальні переміщення, а його вершина переміщується всередині матеріалу по спотвореній синусоїді, у якій значення найбільшої і найменшої амплітуди в місці вимірювання залежать від неоднорідності структури полікристалічного матеріалу, тобто ступеня його пошкодження. Відповідні переміщення вершини дряпаючого індентора приймаються як дані для розрахунку коефіцієнтів гомогенності. Чим більша неоднорідність структури матеріалу, тим більше розсіювання значень осьових положень вершини впровадженого в матеріал дряпаючого індентора, тим гірше експлуатаційні можливості виробу. В однорідному матеріалі траєкторія переміщення вершини індентора уявляється прямою лінією. Поставлена задача вирішується тим, що у пропонованому способі оцінки деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень, як і відомий спосіб, містить операції нанесення на поверхню матеріалу при постійному навантаженні подряпини дряпаючим індентором, який пересувають по поверхні виробу при постійному значенні 1 UA 115814 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 навантаження і вимірювання параметрів, за якими визначають характеристику деградації матеріалу, згідно з корисною моделлю, при переміщенні впровадженого в матеріал дряпаючого індентора дискретно виконують багаторазові, рівноточні вимірювання і визначають найбільші і найменші за алгебраїчною величиною значення зміни положень вершини дряпаючого індентора для кожного вимірювання щодо її початкового положення, яке приймають за точку відліку, а як характеристику деградації матеріалу приймають параметри розсіювання виміряних значень зміни положень вершини дряпаючого індентора і шляхом порівняння визначених для початкового стану параметрів розсіяння значень переміщення вершини дряпаючого індентора з їх значеннями після напрацювання проводять оцінку ступеня деградації металевого матеріалу. Таким чином, згідно з пропонованим способом, при проведенні оцінки деградації металевого матеріалу виробу в процесі напрацювання як параметр пошкодження матеріалу приймається не глибина подряпини, а розсіяння значень положення вершини дряпаючого індентора відносно його положення у впровадженому в матеріал стані на початку подряпини, завдяки тому, що такий ряд значень положення вершини дряпаючого індентора підпорядковується нормальному закону розподілу і може бути оброблений відповідно до вимог математичної статистики, що дозволить визначити середньо статистичний стан деградації (пошкоджуваності) матеріалу. Спосіб дозволяє виявити найбільш слабкі місця конструктивних елементів виробу за ступенем пошкодження матеріалу, проаналізувати структурно-деформаційну неоднорідність поверхневого шару матеріалу в цих місцях, зробити оцінку працездатності виробу і підвищити обсяг інформації про стан структури матеріалу виробу при підвищеній продуктивності праці. Пропонований спосіб підвищує точність проведення діагностики стану матеріалу оскільки при порівнянні з прототипом в пропонованому способі дряпаючий індентор при проведенні вимірювань постійно знаходиться у впровадженому у матеріал стані, і тому на одержувані результати рельєф поверхні матеріалу не робить ніякого впливу. Завдяки підвищеній точності спосіб дозволить провести діагностику матеріалів, для яких характерна слабка чутливість значень зміни при напрацюванні фізико-механічних характеристик до їх пошкоджуваності. До переваг способу належить ще те, що відпадає необхідність при діагностиці пошкодження матеріалу визначати дійсні (абсолютні) значення параметрів подряпини, наприклад, глибини подряпини чи її ширини. Дослідженнями встановлено, що параметр розсіяння вимірюваних значень положень вершини дряпаючого індентора, добро корелюють з деградацією матеріалу, що виникає внаслідок накопичення пошкоджень в процесі експлуатації виробу. Оскільки ступінь розсіювання залежить, в основному, від структурного стану, то про деградацію досліджуваного матеріалу внаслідок випадкового перевантаження чи за рахунок накопичення розсіяних пошкоджень, чи старіння під робочим навантаженням в завданих умовах роботи, можна судити, зіставляючи поміж собою вихідні і поточні розрахункові значення коефіцієнтів гомогенності Вейбулла, що визначені за вимірюваними значеннями положення дряпаючого індентора при переміщенні по матеріалу. Суть процесів, які проходять в відповідності з операціями запропонованого способу і їх послідовність, полягає у наступному. Дряпаючий індентор орієнтують за перпендикуляром до досліджуваної поверхні або до дотичної до поверхні виробу, якщо остання має кривизну. До дряпаючого індентора прикладають задане осьове зусилля, внаслідок чого дряпаючий індентор, впроваджується в поверхню досліджуваного виробу. В цьому положенні дряпаючий індентор переміщується по досліджуваному виробу. Внаслідок неоднорідності матеріалу, що виникає при напрацюванні, вершина дряпаючого індентора здійснює осьові повторно-поступальні переміщення, що постійно змінюються. При переміщенні впровадженого в матеріал дряпаючого індентора дискретно виконують вздовж подряпини багаторазові, рівноточні вимірювання і визначають найбільші і найменші за алгебраїчною величиною значення зміни положень вершини дряпаючого індентора для кожного вимірювання щодо її початкового положення, яке приймають за точку відліку. Як характеристику пошкодження матеріалу приймають параметри розсіювання виміряних значень зміни положень вершини дряпаючого індентора. Далі шляхом порівняння визначених для початкового стану параметрів розсіяння значень переміщення вершини дряпаючого індентора з їх значеннями після напрацювання проводять оцінку ступеня деградації металевого матеріалу. Чим більша пошкоджуваність структури матеріалу, тим більшим буде розкид значень виміряних значень положення вершини дряпаючого індентора, за розкидом яких визначається ступінь деградації матеріалу, для чого використовується комп'ютер з відповідним програмним 2 UA 115814 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 статком, що забезпечує проведення статистичної обробки великої кількості експериментальних даних. Приклад. Проводили оцінку деградації матеріалу виробів - двох конструктивних елементів, один з яких був виготовлений з алюмінієвого сплаву Д16 у стані поставки, а другий - після термічної обробки. На поверхні конструктивного елемента дряпаючим індентором, який знаходився під постійним навантаженням 30 Н, наносили подряпину довжиною 30 мм. Як дряпаючий індентор використовували конусний алмазний індентор, що має кут при вершині 90°. Проводили три експерименти. В першому експерименті після нанесення подряпини вздовж її довжини дискретно виконували багаторазові вимірювання ширини перерізу подряпини. За отриманими даними розраховували відповідні значення глибини подряпини. У другому експерименті вдовж подряпини дискретно виконувалися від поверхні матеріалу в місці вимірювання визначення глибини подряпини. Третій експеримент проводився за пропонованим способом - в стані впровадження дряпаючого індентора в матеріал в процесі його переміщення по матеріалу виконувалися багаторазові, наступні один за одним, рівноточні вимірювання положень вершини дряпаючого індентора. При другому і третьому експерименті дряпаючий індентор був сполучений з чутливим елементом індуктивного датчика переміщень. Реєстрацію значень вимірювання проводили за допомогою комп'ютерної програми. Результати статистичної обробки 150-ти вимірюваних значень ширини перетину подряпини і осьових переміщень дряпаючого індентора показали суттєву зміну параметрів гомогенності, які характеризують ступінь деградації матеріалу, після термічної обробки, порівняно з їх значеннями для матеріалу у стані поставки, при незначній зміні абсолютних значень ширини перерізу подряпини - від 58 мкм до 70 мкм для матеріалу у стані поставки, що відповідає розрахунковим значенням глибини подряпини від 29 мкм до 35 мкм і ширини від 31 мкм до 40 мкм після термообробки, що відповідає розрахунковим значенням глибини подряпини від 17 мкм до 21 мкм. Вимірювання в другому експерименті показали значення глибини подряпини від 27 мкм до 31 мкм для матеріалу у стані поставки і від 15 мкм до 19 мкм після термообробки. При третьому експерименті за пропонованим способом були отримані наступні значення положень вершини дряпаючого індентора - від 18 мкм до 23 мкм для матеріалу у стані поставки и від 9 мкм до 12 мкм після термообробки. За визначеними значеннями глибини подряпини і переміщень вершини дряпаючого індентора розраховували коефіцієнти гомогенності матеріалу до термообробки і після неї. Відповідно, для першого експерименту значення коефіцієнтів гомогенності становили m1=124; m2=130. Для другого експерименту m1=129; m2=141. Для третього експерименту m1=139; m2=156. Чим більш високі значення коефіцієнта гомогенності, тим менша пошкоджуваність матеріалу. Наведені вище результати показують, що отримані більш високі значення коефіцієнта гомогенності свідчать про поліпшення структури матеріалу після термічної обробки у порівнянні з її початковим станом, а результати значень коефіцієнта гомогенності, що отримані за визначеними значеннями зміни положень вершини дряпаючого індентора, обсяг даних про які отримано в однакових умовах вимірювань, показують більш об'єктивні дані про стан структури матеріалу до і після термічної обробки у порівнянні з відомими способами. Описані вище результати, що показують чутливість пропонованого способу до трансформації структури в процесі напрацювання, тобто до змін пошкоджуваності матеріалу, підтверджуються діагностикою деградації матеріалу, що була проведена на ультразвуковій апаратурі. Спосіб має значні переваги, оскільки на оцінку деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень за методом дряпання виключається вплив рельєфу поверхні досліджуваного матеріалу. Також відсутня необхідність отримання зображення подряпини, виключається вплив ефекту пружного відновлення ширини подряпини після нанесення подряпини і вплив сформованого під час нанесення подряпини відвалу по її краям на проведення діагностики за зміною глибини подряпини. Таким чином, даний спосіб при високій продуктивності праці дозволяє підвищити достовірність оцінки деградації матеріалу виробу. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Спосіб оцінки деградації металевого матеріалу виробу внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень, під час якого на поверхню виробу наносять подряпину дряпаючим індентором, який пересувають по поверхні виробу при постійному значенні навантаження, і вимірюють 3 UA 115814 U 5 10 параметри, за якими визначають характеристику деградації металевого матеріалу виробу, який відрізняється тим, що при переміщенні впровадженого в матеріал дряпаючого індентора дискретно виконують багаторазові, рівноточні вимірювання і визначають найбільші і найменші за алгебраїчною величиною значення зміни положень вершини дряпаючого індентора для кожного вимірювання щодо її початкового положення, яке приймають за точку відліку, а як характеристику деградації матеріалу приймають параметри розсіювання виміряних значень зміни положень вершини дряпаючого індентора і шляхом порівнювання, визначених для початкового стану параметрів розсіяння значень переміщення вершини дряпаючого індентора з їх значеннями після напрацювання, оцінюють поточний ступінь деградації металевого матеріалу. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4