производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр
Метод визначення гетерогенної структурної неоднорідності.  Патент на корисну модель № 137100.

Винахідник(и):

Скобло Тамара Семенівна (UA), Сідашенко Олександр Іванович (UA), Романюк Світлана Павлівна (UA), Александрова Наталія Михайлівна (UA), Клочко Оксана Юріївна (UA), Муратов Ренат Муратович (UA), Демченко Сергій Володимирович (UA), Бєлкін Юхим Львович (UA), Рибалко Іван Миколайович (UA)

Власник(и):

Скобло Тамара Семенівна,
вул. Кооперативна, 13/2, кв. 52, м. Харків-3, 61003 (UA)



Спосіб визначення структурної неоднорідності робочого шару виробів, згідно з коефіцієнтом анізотропії, в якому оцінку структурної неоднорідності виконують протягом всього життєвого циклу виробів в залежності від складу сплаву, технології виробництва та умов експлуатації, і для цього використовують три способи вимірювань на макро-, мікро-, нанорівнях за коефіцієнтом анізотропії:

Корисна модель належить до методів оцінки структурної неоднорідності, виявленню дефектів, напруженого стану, що визначаються залежно від поставлених завдань в галузі машинобудування на різних етапах використання. Спосіб може бути використано при якісній, кількісній оцінці неоднорідності розподілу структурних складових у виробах з литих сплавів, металопрокату, покриттів, в тому числі і нанорозмірних зміцнюючих фаз. Ці показники рекомендовано використовувати для оцінки якості та прогнозування споживчих властивостей виробів.

При аналізах макроструктури виробу за допомогою неруйнівних методів слід використовувати оцінку ступеню мінливості неоднорідності і простежити її вплив на зміну фазових складових при різних обробках металу неруйнівним контролем за зміною показників. Це можливо, наприклад, вимірюванням коерцитивної сили в процесі виготовлення, зміцнення та експлуатації, щоб потім прогнозувати параметри довговічністі виробів та характер розвитку деградаційних явищ металу, а також коригувати технологічні процеси їх виробництва.

Відомо спосіб виявлення дефектів магнітним неруйнівним методом в масивних виливках прокатних валків з легованих чавунів та вуглецевих литих сталей [1,2] за оцінкою рівня показань відповідно до типу дефектів, які формуються. Такий підхід не прогнозує розвиток зон пошкоджуваності, а тільки фіксує кінцевий результат і не передбачає оцінку поведінки виявлених зон зі структурною анізотропією фаз, за якими слід спостерігати в процесі експлуатації або в період технічного огляду та фіксувати зміни в процесі всього життєвого циклу деталі (нової, при технічному обслуговуванні, доступному огляді та ремонті).

Для виявлення макроструктурної неоднорідності та її мінливості при виробництві, експлуатації, згідно коерцитивної сили, використовували прилад КРМ-Ц-К2М з автоматичною фіксацією змін показань в зонах з відхиленнями. Це дозволило фіксувати в періоди розробки технології виробництва, експлуатації підвищення цього показника, потім деяку його зміну та подальше істотне зниження (в період розвитку дефектів), а в ряді випадків і при порушенні суцільності. Використання такого підходу також дозволяє запобігати виникненню аварійної ситуації при експлуатації деталей.

Оцінку мікроструктурної неоднорідності рекомендується використовувати для коригування технологічних параметрів виробництва, наплавлення і термічної обробки виробів. Відомо, що наявність структурної мікронеоднорідності впливає на механічні та експлуатаційні властивості. Це знижує зносостійкість, збільшує схильність до пошкоджуваності окремих фаз, які потім є концентраторами локальної деградації при експлуатації.

Відомо метод виявлення неоднорідності мікроструктури по статистичній оцінці показань методом визначення мікротвердості [3]. Однак, цей стандартизований метод не визначає ступінь вкладу такого відхилення в розвиток пошкоджуваності робочого шару.

Рекомендується оцінку мікронеоднорідності проводити за змінами показань коефіцієнта анізотропії співвідношенням мінливості діагоналей відбитка поперечного до подовжнього напряму. Спостереження за зміною анізотропії по діагоналях відбитків мікротвердості рекомендується проводити в процесі стендових випробувань, що дозволить коригувати склад сплаву та параметри зміцнення, які забезпечують мінімальну неоднорідність структури металу необхідну для підвищення експлуатаційних властивостей. Такий метод дозволяє оцінити схильність металу робочого шару до деформації, мікроструктурної деградації, виникненню дефектів.

Для підвищення експлуатаційних властивостей при нанесенні нанопокриттів використовують введення одного або декількох зміцнюючих компонентів. В цьому випадку для оптимізації частки зміцнюючих фаз, які можуть забезпечити істотний ефект підвищення стійкості, міцності виробів і їх стабільну експлуатацію, рекомендується проводити на основі стендових або виробничих випробувань з оцінкою зміни фаз, їх ступеню деградації оптико-математичним методом, згідно з коефіцієнтом K. Для коригування складу, параметрів технологічного процесу, способу обробки і визначення оптимальної частки зміцнюючих фаз, їх стабільності рекомендується оцінювати схильність покриття до деградації.

Найближчим аналогом запропонованого способу визначення ступеня структурної неоднорідності по анізотропії властивостей є комплексний спосіб [4], який визначає і дозволяє прогнозувати поведінку полімерного матеріалу виробів у різних напрямах: поздовжньому та поперечному. Цей спосіб передбачає пошарове вивчення змін напружено-деформованого стану виробів з такого матеріалу. Разом з тим, такий підхід для оцінки властивостей не може задовольнити потреби у визначенні ступеня мінливості експлуатаційних характеристик металевих матеріалів з гетерогенною структурою. Крім того, такий метод не дозволяє виявити зміни на початковому рівні та вихідному стані.

Суть корисної моделі полягає в тому, що комплексний спосіб контролю якості металу виробів на протязі всього життєвого циклу виробництва та експлуатації виконується згідно з коефіцієнтом К=Ппоп/Ппозд, де Ппоп - поперечний вимір, Ппозд - поздовжній вимір, на трьох рівнях контролю структурного стану металу - на першому макрорівні (в процесі кристалізації, а також в період при накопиченні порожнин, формуванні зон зміцнення та розрядження, тріщин та інших дефектів); на другому в процесі експлуатації (зміни структурного стану, що відбувається та ще не створює суттєвих дефектів) та на третьому нанорівні (вихідний стан, що характеризується ступенем неоднорідності та зародженням пошкоджуваності). Одержання такої інформації за трьома рівнями контролю структурної неоднорідності дозволяє створювати нові матеріали, корегувати параметри технологічних процесів виробництва та експлуатації виробів.

Аналіз мінливості властивостей в експлуатації матеріалів з різним ступенем анізотропії і її зв'язком зі структурою можливо обґрунтовано отримати тільки в разі підготовки в процесі виробничих або стендових, моделюючих випробуваннях, при яких відбуваються деградаційні зміни в робочому шарі виробів, на основі яких будуть запропоновані більш ефективний спосіб та параметри їх зміцнення.

Наведені приклади оцінки мінливості структури металу і показань параметра анізотропії властивостей на різних етапах життєвого циклу виробів. На фіг. 1-3 представлені зміни структуроутворення на всіх досліджених рівнях (фіг. 1 - макрорівень, фіг. 2 - мікрорівень, фіг. 3 - нанорівень. Позначка а) - на всіх фіг. Відповідає вихідному стану, б) - після термообробки або експлуатації). Це ілюструє зміни на різних матеріалах виробів де вони є найбільш значними за коефіцієнтом K, які відбуваються та контролюються запропонованими методами.

Приклад 1.

Оцінку неоднорідності макроструктури (згідно коерцитивної сили за коефіцієнтом K) проводили на високохромистому чавуні (2.74 % С, 0.98 % Si, 0.80 % Мn, 0.049 % Р, 0.023 % S, 16.4 % Сr, 1.37 % Ni, 1.21 % Mo, 0.26 % Сu, 0.03 % Mg, 0.24 % V) в литому стані та після термообробки (низькотемпературний відпал з нагрівом до різних температур у кожному циклі обробки) (табл. 1 та фіг. 1).

Таблиця 1

В даному прикладі встановлено вплив параметрів термообробки на показники анізотропії властивостей, і, серед яких є найбільш ефективний K=0,9 для температур 320-400 °C, що відповідає значенням магнітострикції легованих хромом карбідів (відбувається найбільший розпад аустеніту та структура сплаву стає більш стабільною при експлуатації). В процесі експлуатації в даному випадку коефіцієнт анізотропії є достатньо стабільним, що забезпечує високий рівень експлуатаційних показників. Суттєве підвищення коефіцієнта анізотропії свідчить про виникнення значних напружень в робочому шарі, а їх зниження менш ніж вихідного, відповідає досягненню періоду перед руйнування.

Приклад 2.

Оцінку неоднорідності мікроструктури проводили по співвідношенню по зміні діагоналей відбитків мікротвердості (згідно коефіцієнту K).

У таблиці 2 наведені дані анізотропії мікротвердості, які отримані до та після стендових випробувань у експлуатації виробу зі сталі Х12 з гетерогенною структурою (фіг. 2).

Таблиця 2

Встановлено, що до експлуатації мікротвердість в окремих напрямах оцінювання змінюється по різному в зонах розташування карбідів та матриці сталі. Так, у карбідах сталі до експлуатації коефіцієнт анізотропії К таких фаз змінюється від 0,86-1,13, а після закінчення терміну служби досягає 0,99-1,11, тобто відбувається рівномірне стиснення та розрідження окремих зон. При цьому, в матриці ця зміна дорівнює до експлуатації 0,78-1,2, а після - 0,84-0,93. Одержані зміни показників анізотропії структури свідчать про те, що в експлуатації також відбувається подрібнення карбідної фази, а матриця стає більш однорідною. Разом з цим, встановлено, що під дією експлуатаційних напружень підвищується схильність карбідної фази до переміщення її включень з формуванням смуг під кутом 45° до робочої поверхні. Це супроводжується деформацією та зміною розміру однієї з діагоналей відбитку, що призводить до зміни коефіцієнта анізотропії K, та висвітлює процес пристосування структури до діючої деформації. На подальших етапах експлуатації виникають порушення суцільності, пов'язані з подальшим руйнуванням карбідів та появою тріщин, які відповідають упорядкованому розташуванню зміцнюючої фази та виявляються згідно вимірів коерцитивної сили.

Приклад 3.

Оцінку неоднорідності наноструктури слід проводити оптико-математичним методом по металографічним фотографіям. Розрахунок коефіцієнта анізотропії К проводили статистично на попередньо одержаних 20 електронних зображеннях до та після експлуатації (фіг. 3) тонкостінних ножів зі сталі 65Г, зміцнених багатошаровими нанопокриттями TiN, які використовували у кондитерському виробництві для подрібнення горіхів. Оцінку рекомендовано проводити оптико-математичним методом, згідно з коефіцієнтоманізотропії K, скануванням зображення по запропонованій схемі 2×10 пікселів в поперечному та поздовжньому напрямах. В таблиці 3 наведені результати розрахунків коефіцієнта анізотропії К фазового складу, де відбувається оцінювання співвідношення кольорів пікселів на зображеннях структур.

Таблиця 3

Неоднорідність фаз по схемі 2×10 пікселів

Одержані дані висвітлюють, що коефіцієнт анізотропії структури K змінюється в межах 1,02-1,13 до експлуатації та 0,94-1,09 після закінчення терміну служби. Це підтверджує таку ж пристосовуваність структури покриття, як і у змінах, відмічених в мікроструктурі. В даному випадку після експлуатації формується більш однорідна структура нанопокриттів за рахунок подрібнення нітридів, в першу чергу, нестехіометричного складу зміцнюючої фази.

Таким чином, запропонований спосіб комплексної оцінки структурної неоднорідності по її анізотропії дозволяє визначити процеси, що відбуваються в сплавах, залежно від їх складу, методів виробництва, періоду і умов експлуатації виробів на протязі всього їх життєвого циклу. Це слід використовувати при коригуванні фазового складу металу виробів, зміцнення робочих поверхонь та параметрів технологічних процесів виробництва і умов експлуатації.

Джерела інформації:

1. Патент України 95287, G01N 27/82, 25.12.14. Спосіб оцінки якості виробів неруйнівним методом.
2. Патент України 71815, G01D 21/00, G01N 3/317, 25.07.2012. Спосіб оцінки якості та 10 властивостей виробів.
3. ГОСТ 9450. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
4. Патент РФ 2 330 260 C1, G01N 1/28, G01N 3/46. 14.11.2006. Способ исследования анизотропии материала.

Формула корисної моделі

1. Спосіб визначення структурної неоднорідності робочого шару виробів, згідно з коефіцієнтоманізотропії, який відрізняється тим, що оцінку структурної неоднорідності виконують протягом всього життєвого циклу виробів в залежності від складу сплаву, технології виробництва та умов експлуатації, і для цього використовують три способи вимірювань на макро-, мікро-, нанорівнях за коефіцієнтом анізотропії:

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при оцінюванні ступеня змін неоднорідності макроструктури, яка відбувається в експлуатації виробів, використовують вимірювання рівня напружень за коерцитивною силою, згідно з коефіцієнтом анізотропії K.

3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що його використовують для оцінки неоднорідності мікроструктури при різних методах виробництва та стендових випробуваннях виробів по зміні анізотропії в залежності від параметрів технологічного процесу, згідно діагоналей відбитків індентора при вимірюванні мікротвердості за коефіцієнтом анізотропії K.

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що оцінку ступеня неоднорідності структури на мікро- та нанорівнях виконують у період розробки нових матеріалів виробів, при їх виготовленні, зміцненні, відновленні і встановленні чинників зародження дефектів у експлуатації та проводять оцінювання по зміні структури, згідно з коефіцієнтом анізотропії K, який описує сформовані фази співвідношенням кольорів пікселів.

З 2011 року науково-виробниче підприємство «УКРІНТЕХ» успішно працює і розвивається в області контролю якості матеріалів та промислових виробів.

Контакти

ТОВ НВП "Укрінтех":
м.Харків, вул.Ковтуна, буд.50, корпус "А-5"

Для пошти:
а/с 2304, Харків-1, 61001, Україна

ТОВ НВП "Укрінтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНД Лабораторія"
+38 (098) 262-48-92

Компанія

Виробництво і постачання
випробувального обладнання, устаткування для металографії, приладів НК та ін.

Сервісний центр
Ремонт, сервісне обслуговування і модернізація обладнання.

Центр незалежних досліджень

Акредитована випробувальна лабораторія.