close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gordienko Nerazrush kontr6

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет»
В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, В. А.НОРИН,
А. П. ОРЛОВ, О. В. КУЗЬМИН, В. И. НОВИКОВ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА
Лабораторный практикум. Ч. VI
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2013
1
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
УДК 621.753.1/2:389(076)
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. С. А. Евтюков (ФГБОУ ВПО СПбГАСУ);
д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
Гордиенко, В. Е.
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум.
Ч. VI: учеб. пособие / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, В. А. Норин,
А. П. Орлов, О. В. Кузьмин, В. И. Новиков; СПбГАСУ. – СПб.,
2013. – 104 с.
ISBN 978-5-9227-0438-0
Приведены краткие теоретические сведения о различных методах контроля состояния металла сварных конструкций. Описаны устройство и принцип действия: прибора пассивного феррозондового контроля ИКНМ-2ФП,
ультразвукового твердомера 54-459М, твердомера Роквелла ТК-2, металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-22. Подробно описан порядок настройки
приборов и методики проведения измерений при выполнении лабораторных
работ.
Предусмотрено проведение серий прямых многократных, однократных,
косвенных измерений с последующей обработкой полученных результатов
наблюдений в логической последовательности. Приведено описание поэтапной обработки результатов измерений с нахождением грубых, переменных
систематических погрешностей, с проверкой нормальности распределения
результатов наблюдений, с определением оценки границ неисключенной систематической погрешности результатов измерений. Приведены примеры решения типовых задач.
Пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация».
Введение
Настоящее пособие призвано помочь студентам ознакомиться
с приборами и средствами измерения, применяемыми в практике
неразрушающего контроля качества изделий и элементов строительных конструкций, и приобрести необходимые навыки работы с ними.
В результате выполнения всего комплекса лабораторных работ студент должен знать принципиальное устройство и назначение приборов и средств измерений, имеющихся в лаборатории, и уметь с их
помощью выполнять измерения и производить обработку полученных результатов измерений. Каждая лабораторная работа рассчитана на 4 часа.
Табл. 21. Ил. 26. Библиогр.: 4 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия
ISBN 978-5-9227-0438-0
© В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, В. А. Норин,
А.П. Орлов, О.В. Кузьмин, В.И. Новиков, 2013
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2013
2
3
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 41
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
РАССЕЯНИЯ ПРИБОРОМ ИКНМ-2ФП И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ГРУБЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Цель лабораторной работы – изучение методик проведения измерений с применением пассивного феррозондового метода и обнаружения грубых погрешностей с применением критериев Романовского, Шарлье и Диксона.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) изучить пассивный феррозондовый метод контроля и его технологические возможности при определении локальных зон концентрации напряжений (КН) (зон с экстремальными значениями магнитного параметра Н р ) в элементах металлических конструкций
(МК), претерпевших пластическую деформацию на разную степень;
2) ознакомиться с устройством и принципом работы прибора
ИКНМ-2ФП с двухканальным феррозондовым преобразователем;
3) изучить порядок работы и калибровки прибора;
4) освоить методику пассивного феррозондового контроля образцов из конструкционных сталей;
5) провести магнитное сканирование поверхности образцов,
претерпевших в некоторых зонах пластическую деформацию на разную степень и получивших разную степень упрочнения (наклеп);
6) по экстремальным значениям магнитного параметра Н р выявить зоны КН и провести в них многократные измерения;
7) обработать полученные результаты исследований.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование – измеритель концентрации напряжений магнитометрический ИКНМ-2ФП с двухканальным феррозондовым
преобразователем, молоток, наковальня, измерительная линейка,
штангенциркуль;
4
Лабораторная работа № 41
материалы – сварные соединения из стали Ст3, образцы из
конструкционных сталей 08пс, Ст3, 09Г2С, 10ХСНД, 45 и 65;
справочная литература – паспорт прибора, выписка из инструкции по устройству и эксплуатации ИКНМ-2ФП, ГОСТы, плакаты, нормативно-техническая документация.
1. Физические основы метода измерения
При диагностировании технического состояния сварных металлических конструкций область применения классических методов
контроля сводится, в основном, к поиску уже развитых дефектов
и уточнению их размеров (параметров). В то же время основными
источниками повреждений в металлических конструкциях, приводящих к авариям, являются зоны концентрации напряжений (КН),
которые возникают в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций. Поэтому определение зон КН является одной из
важнейших задач при диагностике технического состояния МК. Один
из перспективных методов выявления зон КН и определения действующих внутренних напряжений в наиболее опасных из них – пассивный феррозондовый метод контроля [1].
Отличительная особенность используемого в данной работе
пассивного феррозондового метода – контроль по способу остаточной намагниченности без предварительного намагничивания и подготовки поверхности контроля, являющийся с этой точки зрения достаточно привлекательным. Применяемый метод позволяет измерять
напряженность магнитных полей рассеяния, возникающих на поверхности элементов конструкций в условиях естественного намагничивания в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) в процессе
их изготовления и эксплуатации.
2. Устройство и принцип действия прибора ИКНМ-2ФП
Реализация пассивного феррозондового метода контроля осуществляется прибором ИКНМ-2ФП с двухканальным феррозондовым преобразователем, который представлен на рис. 1.
Конструктивно прибор состоит из измерительного блока с аккумуляторами, феррозондового преобразователя и соединительного
кабеля. Прибор малогабаритен, имеет автономное питание, прост
5
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
в работе и настройке, позволяет
проводить измерения в труднодоступных местах. Принцип действия прибора основан на регистрации напряженности магнитного
поля рассеяния Н р на контролируемой поверхности объекта при
его намагничивании в слабом магнитном поле Земли (область
Рэлея) и выявлении аномального
поведения магнитного поля рассеяния в зонах концентрации напряжений. ИКНМ-2ФП имеет цифровую и звуковую индикацию измеряемых данных. Технические
характеристики прибора приведены в табл. 1.
Рис. 1. Внешний вид прибора
ИКНМ-2ФП
Таблица 1
Характеристика
Диапазон измерения величины Н р , А/м
Показатели
±1999
Основная относительная погрешность измерения, %
Дополнительная абсолютная погрешность измерения,
А/м
5
Количество каналов измерения величины Н р
2
Время одного измерения, мкс
Время непрерывной работы прибора от двух
аккумуляторов 1300 мА ∙ ч, ч
Номинальное напряжение питания, В
Рабочий температурный диапазон, °С
Диапазон относительной влажности, %
Габаритные размеры, мм:
прибора
датчиков
длина кабеля «датчик-прибор»
Вес с аккумуляторами, кг
10
6
5
Лабораторная работа № 41
3. Порядок работы и калибровка прибора
При подготовке к проведению измерений необходимо:
1) подключить феррозондовый преобразователь к измерительному блоку;
2) включить прибор, нажав на клавишу ВКЛ. При этом на экране прибора должны загореться цифровые индикаторы измерения поля,
индикатор режима работы «П» или «Г» (полемер или градиентометр
соответственно), а также индикатор состояния батарей питания;
3) выдержать прибор во включенном состоянии («прогрев»)
в течение 15 мин;
4) провести калибровку прибора.
Порядок проведения калибровки прибора следующий:
1) установить индикатор режима работы прибора в состояние
«П» – полемер;
2) нажать клавишу КАЛИБР, при этом прибор переходит в режим калибровки;
3) установить необходимое калибровочное значение магнитного поля, соответствующее магнитному полю Земли (по умолчанию
для средней полосы России равно 40 А/м). При этом на экране индуцируется информация «Н1 »;
4) установить датчик прибора зондом вверх (поле «+») и нажать
клавишу ВВОД. Далее на экране индуцируется информация «Н1 »;
5) установить датчик зондом вниз (поле «–») и нажать клавишу
ВВОД, калибровка окончена;
6) в случае необходимости выход из режима калибровки обеспечивается нажатием клавиши ОТМЕНА.
8
4. Проведение пассивного феррозондового контроля
2,4
–20…+60
45…80
Магнитный контроль поверхности объекта проводят непрерывным или точечным сканированием с помощью феррозондового преобразователя, который располагают перпендикулярно поверхности
образца. Особое внимание при сканировании уделяется тем зонам,
в которых значения напряженности магнитного поля рассеяния Н р
отличаются от средних как в большую, так и в меньшую сторону.
Выявленные зоны с экстремальными значениями Н р соответствуютт
предполагаемым зонам концентрации напряжений.
120×60×25
5×5×30
1500
0,25
7
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 41
5. Порядок проведения работы
но. При многократных измерениях для обнаружения промахов используют статистические критерии, такие как критерий Романовского, критерий Шарлье, критерий Диксона.
Практическая часть работы состоит в освоении методики проведения пассивного феррозондового контроля сварных соединений
и элементов МК, выявлении зон КН, проведении в них многократных измерений и обработке экспериментальных данных с использованием критериев Романовского, Шарлье и Диксона.
В процессе освоения методики проведения магнитного контроля необходимо:
1) изучить разделы 3 «Порядок работы и калибровка прибора»
и 4 «Проведение пассивного феррозондового контроля»;
2) подключить феррозондовый преобразователь к измерительному блоку;
3) включить прибор и провести его калибровку;
4) на лабораторных образцах провести сканирование поверхности контроля и отметить (карандашом, мелом) зоны с аномальными значениями (положительными и отрицательными, минимальными и максимальными) магнитного параметра;
5) на одном из образцов с помощью молотка нанести механические метки;
6) в зонах с введенными искусственными дефектами провести
повторный магнитный контроль, выбрать зону с максимальными изменениями напряженности магнитного поля Н р ;
7) в наиболее опасной зоне провести многократные измерения
Н р в количестве, определенном преподавателем (6–30 измерений).
Результаты измерений записать в таблицу;
8) провести обработку результатов измерений с определением
грубых погрешностей с привлечением методик их исключения, описанных ниже в п. 6 «Грубые погрешности и методы их исключения».
6. Грубые погрешности и методы их исключения
6.1. Критерий Романовского
Критерий Романовского применяется, если число измерений
n < 20. При этом вычисляется отношение
β=
( xi − x )
,
Sx
где xi – проверяемое значение; x – среднее арифметическое значение измеряемой величины; Sx – среднее квадратическое отклонение.
Далее расчетное значение сравнивается с критерием т,
выбранным по табл. 2. Если
, то результат xi считается промахом
т
и отбрасывается.
Значения критерия Романовского
q
0,01
0,02
0,05
0,10
n =4
1,73
1,72
1,71
1,69
n =6
2,16
2,13
2,10
2,00
= f(n)
т
Таблица 2
n = 8 n = 10 n = 12 n = 15 n = 20
2,43
2,62
2,75
2,90
3,08
2,37
2,54
2,66
2,80
2,96
2,27
2,41
2,52
2,64
2,78
2,17
2,29
2,39
2,49
2,62
Пример решения
При шестикратном измерении получены следующие результаты: 25,155; 25,150; 25,165; 25,165; 25,160; 25,180 м. Последний результат вызывает сомнения. Производим проверку по критерию Романовского, не является ли он промахом.
Найдем среднее арифметическое значение
x=
1 n
150,975
xi =
= 25,163 м.
∑
n i =1
6
Грубая погрешность, или промах, – это погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для
данных условий резко отличается от остальных результатов этого
ряда. При однократных измерениях обнаружить промах невозмож-
Определяем среднее квадратическое отклонение. Для удобства
вычислений составим табл. 3.
8
9
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Обработка результатов измерений
xi
25,155
25,15
25,165
25,165
25,16
25,18
x =
– 0,008
– 0,013
0,002
0,002
– 0,003
0,017
1 n
∑ xi = 25,163 м
n i =1
Оценка СКО – S x =
Вычисляем
0,000064
0,000169
0,000004
0,000004
0,000009
0,000289
n
∑
i =1
1
n −1
n
∑ ( xi − x ) 2
i =1
Таблица 3
( xi − x ) 2
xi − x
( x i − x ) = 0 , 000539
2
= 0,0107 м.
для сомнительного результата:
β=
Лабораторная работа № 41
( xi − x )
0,017
=
= 1,58 .
0,0107
Sx
Критическое значение при уровне значимости 0,05 и n = 6
составляет 2,1. Поскольку 1,58 < 2,1, результат не является промахом
и не исключается из результатов измерений.
6.2. Критерий Шарлье
Критерий Шарлье используется, если число измерений велико
(n > 20). Пользуясь данным критерием, отбрасывается результат, для
значения которого выполняется неравенство
xi − x > K Ш ⋅ S x.
Пример решения
Результаты измерений и вычислений представлены в табл. 4.
Обработка результатов измерений
№
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
xi
2
23,67
23,68
23,66
23,67
23,67
23,68
23,67
23,68
23,67
23,68
23,66
23,67
23,67
23,68
23,68
23,68
23,67
23,68
23,68
23,67
23,68
23,67
23,67
23,67
23,68
23,66
23,68
23,67
23,67
23,68
xi − x
( xi − x ) 2
3
0
0,01
–0,01
0
0
0,01
0
0,01
0
0,01
–0,01
0
0
0,01
0,01
0,01
0
0,01
0,01
0
0,01
0
0
0
0,01
-0,01
0,01
0
0
0,01
4
0
0,0001
0,0001
0
0
0,0001
0
0,0001
0
0,0001
0,0001
0
0
0,0001
0,0001
0,0001
0
0,0001
0,0001
0
0,0001
0
0
0
0,0001
0,0001
0,0001
0
0
0,0001
∑ = 0,0016
x = 23,67
10
Таблица 4
11
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 41
Обработка результатов измерений
Находим СКО S x =
1
n −1
n
∑ ( xi − x ) 2 =
i =1
0,0016
= 0,0074 м.
29
Проверяем сомнительный результат измерения – 23,66. Для этого значения не выполняется неравенство
где KШ = 2,13 (см. табл. 5).
xi − x > K Ш ⋅ S x ,
Таблица 5
Значения критерия Шарлье
n
KШ
5
1,3
10
1,65
20
1,96
30
2,13
40
2,24
50
2,32
100
2,58
т. е. 23,66 − 23,67 < 2,13 ⋅ 0,0074 . Таким образом, проверяемое значение
23,66 не является промахом и не отбрасывается.
6.3. Критерий Диксона
При использовании данного критерия полученные результаты
измерений записываются в вариационный возрастающий ряд x1 < x2
< … < xn. Расчетное значение критерия определяется как
KД =
xn − xn −1
xn − x1 .
В случае, если расчетное значение критерия будет больше критического значения Zq, то проверяемое значение считается промахом
и отбрасывается. Критические значения критерия приведены в табл. 6.
Пример решения
Было проведено шесть измерений. Получены следующие результаты: 25,1; 25,2; 24,9; 25,6; 25,1; 25,2 м. Результат 25,6 м существенно отличается от остальных. Проверим, не является ли он промахом.
12
Значения критерия Диксона
n
4
6
8
10
14
16
18
20
30
Z q при q , равном
0,05
0,02
0,76
0,85
0.56
0,64
0,47
0,54
0,41
0,48
0,35
0,41
0,33
0,39
0,31
0,37
0,3
0,36
0,26
0,31
0,1
0,68
0,48
0,4
0,35
0,29
0,28
0,26
0,26
0,22
Таблица 6
0,01
0,89
0,7
0,59
0,53
0,45
0,43
0,41
0,39
0,34
Составим вариационный возрастающий ряд из результатов измерений: 24,9; 25,1; 25,1; 25,2; 25,2; 25,6 м. Для крайнего члена этого
ряда 26,6 м расчетный критерий Диксона
KД =
25,6 − 25,2
= 0,57.
25,6 − 24,9
Как следует из табл. 6, по этому критерию результат 25,6 м может быть отброшен как промах при уровне значимости q = 0,05.
Содержание отчета
1. Цель и задачи работы.
2. Методика пассивного феррозондового контроля.
3. Сравнение результатов измерений контролируемого магнитного параметра до и после нанесения механических меток.
4. Обнаружение грубых погрешностей с использованием критериев Романовского, Шарлье и Диксона.
5. Выводы по работе.
13
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 42
Лабораторная работа № 42
материалы – образцы из конструкционных сталей 08пс, Ст3,
09Г2С, 10ХСНД, 45, 65 в состоянии поставки, набор фрагментов
немагнитного материала различной толщины (оргстекло);
справочная литература – паспорт прибора, выписки из инструкции по устройству и эксплуатации ИКНМ-2ФП, ГОСТы, плакаты, нормативно-техническая документация.
ВЫЯВЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ МНОГОКРАТНЫХ МАГНИТНЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ
1. Защитные покрытия элементов сварных
металлических конструкций
Цель лабораторной работы – освоить методику нахождения переменных систематических погрешностей многократных измерений
при определении границ применения метода пассивного феррозондового контроля элементов сварных конструкций без удаления защитного немагнитного покрытия по величине остаточной намагниченности металла.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) ознакомиться с устройством и принципом работы прибора
ИКНМ-2ФП (измеритель концентрации напряжений магнитометрический с двухканальным феррозондовым преобразователем);
2) изучить порядок работы и калибровки прибора;
3) освоить методику пассивного феррозондового контроля поверхности металла в зонах контроля при наличии на ней немагнитного защитного покрытия;
4) провести исследования по выявлению характера изменения
напряженности магнитного поля рассеяния Н р с увеличением толщины немагнитного защитного покрытия;
5) представить результаты наблюдений в табличной форме;
6) выявить наличие (отсутствие) переменных систематических
погрешностей результатов наблюдений;
7) сделать вывод о наличии или отсутствии переменных систематических погрешностей результатов наблюдений.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование – измеритель концентрации напряжений магнитометрический ИКНМ-2ФП с двухканальным феррозондовым
преобразователем, измерительная линейка, штангенциркуль, штатив;
Пассивная защита элементов МК и сварных соединений предполагает применение антикоррозионных покрытий, снижающих вероятность возникновения и развития коррозионных процессов. При
диагностике технического состояния металлоконструкций классические неразрушающие методы контроля (ультразвуковой, коэрцитивный и др.) требуют обязательной предварительной подготовки поверхности, что предусматривает удаление защитного покрытия.
По виду материалов защитные покрытия металлических конструкций могут быть классифицированы как лакокрасочные, металлические, оксидные, изоляционные. Возможны также комбинации различных видов покрытий.
Лакокрасочные покрытия в зависимости от вида пигмента обеспечивают барьерную, комбинированную или протекторную (электрохимическую) защиту стали.
В настоящие время из всех видов покрытий наиболее распространенными, доступными и достаточно эффективными являются
лакокрасочные. Для защиты строительных конструкций от коррозии
рекомендуют более 70 различных марок лакокрасочных материалов.
Выбор состава покрытий является технико-экономической задачей, при решении которой учитываются стоимость защитного покрытия, его долговечность, трудоемкость нанесения и другие факторы. Долговечность защитного покрытия в условиях производственной среды устанавливают обычно из опыта эксплуатации покрытий
в аналогичных средах или экспериментальным путем.
Удаление покрытия для проведения исследований требует его
восстановления после окончания работы, что связано с привлечением материальных и трудовых затрат. Преимуществом пассивного
14
15
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 42
феррозондового метода является отсутствие необходимости в предварительной подготовке поверхности контроля. Принцип действия
прибора основан на регистрации величины остаточной намагниченности (напряженности магнитного поля рассеяния Н р ) на поверхно-
2. Пассивный феррозондовый метод контроля
сти объекта при его намагничивании в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) и выявлении аномального поведения магнитного
поля рассеяния в зонах концентрации напряжений [2].
На рис. 1 показан один из примеров оценки влияния толщины
удаления немагнитного защитного покрытия на изменение величины напряженности магнитного поля рассеяния при проведении пассивного феррозондового контроля.
440
Нр, А/м
Все значения диаппазона от 400 до -400
0
– 60
– 400
40
200
360
280
200
– 10
– 100
10
60
400
– 20
– 200
20
100
120
40
–40
–120
Пассивный феррозондовый метод контроля и его отличительные особенности, устройство и принцип действия прибора ИКНМ2ФП, порядок работы и калибровка прибора, проведение пассивного
феррозондового контроля рассмотрены в лабораторной работе № 41
«Измерение напряженности магнитного поля рассеяния прибором
ИКНМ-2ФП и определение грубых погрешностей» в разделах 2–4.
3. Порядок проведения работы
Практическая часть работы состоит в освоении методики проведения пассивного феррозондового контроля сварных соединений
и элементов МК и оборудования и в выявлении характера изменения
напряженности магнитного поля рассеяния Н р с увеличением толщины немагнитного защитного покрытия.
В процессе исследования необходимо:
1) изучить разделы 2–4 лабораторной работы № 41;
2) подключить феррозондовый преобразователь к измерительному блоку;
3) включить прибор и провести его калибровку;
4) на лабораторных образцах провести сканирование поверхности контроля и отметить (карандашом, мелом) зоны с аномальными значениями (положительными и отрицательными, минимальны-
–280
ми и максимальными) магнитного параметра Н р ;
5) на одном из образцов выбрать зону контроля с экстремальными (максимальными положительными и отрицательными) значе-
–360
ниями Н р . Поместить образец на штатив-прибор и провести иссле-
–200
Рис. 1. Изменение напряженности магнитного поля рассеяния Н р с увеличением толщины немагнитного защитного покрытия для стали 09Г2С в
состоянии поставки при различных исходных значениях Н р
дование изменения значения магнитного параметра Н р при ступенчатом увеличении величины зазора (от 0 до 4 мм с шагом 1 мм) между
образцом в зоне контроля и феррозондовым преобразователем путем введения между ними пластинок оргстекла. Для каждого этапа
исследования (0, 1, 2, 3, 4 мм) провести 6–30 измерений (количество
измерений определяется преподавателем);
6) результаты измерений внести в табл. 1;
16
17
–440
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15
t, мм
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 42
Способ последовательных разностей
(критерий Аббе)
Таблица 1
Напряженность магнитного поля рассеяния Н р ,
Толщина покрытия t, мм
0
1
2
3
4
Относительное изменение
значений Н р , %
0
1
2
3
4
А/м
Нр1
Нр2
Нр3
Нр4
…
Нрn
Суть данного метода заключается в следующем. Дисперсия результатов измерений оценивается двумя способами: обычным
1 n
σ 2 [x ] =
( xi − x ) 2
∑
n − 1 i =1
и вычислением суммы квадратов последовательных разностей
Q 2 [x ] =
1 n−1
∑ ( xi +1 − xi ) 2 .
2(n − 1) i =1
Q 2 [x ]
.
σ 2 [x ]
Если расчетное значение критерия Аббе меньше критического q,
то в результатах измерений обнаруживается переменная систематическая
погрешность. Критические значения критерия Аббе приведены в табл. 2.
Определяется расчетное значение критерия Аббе υ =
7) вычислить относительное изменение значений Н р в процентах. Достоверность измерения магнитного параметра Н р оправданна при изменении начальных значений Н р не более чем на 20 %;
Значения критерия Аббе
8) представить зависимость Н р (t ) в графическом виде;
9) провести обработку полученных экспериментальных данных
по методике, описанной ниже в п. 4 «Определение наличия переменной систематической погрешности»;
10) сделать выводы о максимально допустимой толщине немагнитного защитного покрытия, при которой возможно получение достоверных результатов при проведении пассивного феррозондового
контроля.
4. Определение наличия переменной
систематической погрешности
Переменными систематическими погрешностями называются
систематические погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Они делятся на монотонно изменяющиеся, периодические
и изменяющиеся по сложному закону. Для обнаружения переменных
систематических погрешностей существуют такие способы, как способ последовательных разностей, дисперсионный анализ и др.
18
n
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Таблица 2
q
υq при q, равном
0,00
0,18
0,19
0,20
0,221
0,241
0,26
0,278
0,295
0,311
0,327
0,341
0,355
0,368
0,381
0,393
0,01
0,28
0,31
0,33
0,354
0,376
0,396
0,414
0,431
0,447
0,461
0,474
0,487
0,499
0,51
0,52
19
0,05
0,45
0,47
0,49
0,512
0,531
0,548
0,564
0,578
0,591
0,603
0,614
0,624
0,633
0,642
0,65
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Пример решения
Используя способ последовательных разностей, определить,
присутствует ли переменная систематическая погрешность в ряду
измерений, приведенных в табл. 3.
23,67
23,68
23,66
23,67
23,67
23,68
23,67
23,68
23,67
23,68
23,66
23,67
23,67
23,68
23,68
23,68
23,67
23,68
23,68
23,67
x=
n
∑ xi
xi +1 − xi
( xi+1 − xi )2
xi − x
0,01
– 0,02
0,01
0
0,01
– 0,01
0,01
– 0,01
0,01
– 0,02
0,01
0
0,01
0
0
– 0,01
0,01
0
– 0,01
0,0001
0,0004
0,0001
0
0,0001
0,0001
0,0001
0,0001
0,0001
0,0004
0,0001
0
0,0001
0
0
0,0001
0,0001
0
0,0001
0
0,01
– 0,01
0
0
0,01
0
0,01
0
0,01
– 0,01
0
0
0,01
0,01
0,01
0
0,01
0,01
0
n −1
= 23, 67
i =1
∑ xi =1 + xi = 0,002
i =1
Q 2 [ x] =
( xi − x )2
0
0,0001
0,0001
0
0
0,01
0
0,0001
0
0,0001
0,0001
0
0
0,0001
0,0001
0,0001
0
0,0001
0,0001
0
n
∑ ( xi − x )2 = 0,0011
i =1
1 n −1
( xi =1 − xi ) 2 = 0,002 / 2 ⋅ 19 = 0,000053.
∑
2(n − 1) i =1
Находится расчетное значение критерия Аббе
Таблица 3
Обработка результатов измерений
xi
Лабораторная работа № 42
υ=
Q 2 [x ] 0,000053
=
= 0,91.
σ 2 [x ] 0,000058
Если < q , то в результатах измерения обнаруживается
переменная систематическая погрешность. В нашем случае расчетное
значение критерия = 0,91 больше критического q = 0,65, т. е.
в результатах измерения не обнаруживается переменной систематической погрешности.
Дисперсионный анализ
(критерий Фишера)
Суть данного метода состоит в следующем. Проводится N измерений, далее их необходимо разбить на s серий (s > 3) по nj результатов измерений в каждой серии. Затем устанавливается, имеется или
отсутствует систематическое расхождение между результатами наблюдения в различных сериях. Рассеяние результатов измерений
в пределах каждой серии отражает только случайные влияния, характеризует лишь случайные погрешности измерений в пределах этой
серии. Характеристикой случайных внутрисерийных погрешностей
будет средняя сумма дисперсий результатов измерений, вычисленных отдельно для каждой серии, т. е.
2
σ вс
=
Определяется дисперсия результатов измерений обычным способом
σ 2 [ x] =
1 n
∑ ( xi − x )2 = 0,0011 / 19 = 0,000058.
n − 1 i =1
1
где x j =
nj
n
1 s j
∑∑ ( xij − x j )2 ,
N − s j= 1 =i 1
nj
∑ xij ; xij – результат i-го измерения в j-й серии.
i =1
Определяется дисперсия вычислением суммы квадратов последовательных разностей
При этом рассеяние x j различных серий обусловливается не
только случайными погрешностями измерений, но и систематическими различиями (если они существуют) между результатами изме-
20
21
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 42
рений, сгруппированными по сериям. Таким образом, усредненная
межсерийная дисперсия
1 s
2
σ мс
=
n j ( x j − x )2 ,
∑
s − 1 j =1
лить, присутствует ли в результатах измерения, приведенных в табл. 5,
переменная систематическая погрешность.
Внутрисерийная дисперсия
где x =
1
N
s
∑ n j ⋅ x j , выражает силу действия фактора, вызывающегоо
F=
2
σмс
2
σ вс
.
Если расчетное значение критерия F будет больше критического Fq, то в результатах измерения обнаруживается переменная систематическая погрешность. Значения Fq для различной доверительной
вероятности приводятся в табл. 4.
Таблица 4
Значения критерия Фишера
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
30
n
1 s j
0,0011
=
( xij − x j ) 2 =
= 0,000069.
∑∑
N − s =j 1 =i 1
16
j =1
систематические различия между сериями.
Критерием оценки наличия систематических погрешностей
является дисперсионный критерий Фишера
k2
2
σ вс
1
18,51
7,71
5,99
5,32
4,96
4,75
4,60
4,49
4,41
4,35
4,17
2
19,00
6,94
5,14
4,46
4,10
3,88
3,74
3,63
3,55
3,49
3,32
Fq при k1 , равном
4
5
6
3
19,16
6,59
4,76
4,07
3,71
3,49
3,34
3,24
3,16
3,10
2,92
19,25
6,39
4,53
3,84
3,48
3,26
3,11
3,01
2,93
2,87
2,69
19,30
6,26
4,39
3,69
3,33
3,11
2,96
2,85
2,77
2,71
2,53
19,33
6,16
4,28
3,58
3,22
3,00
2,85
2,74
2,66
2,60
2,42
8
19,37
6,04
4,15
3,44
3,07
2,85
2,70
2,59
2,51
2,45
2,27
12
19,41
5,91
4,00
3,28
2,91
2,69
2,53
2,42
2,34
2,28
2,09
16
19,43
5,84
3,92
3,20
2,82
2,60
2,44
2,33
2,25
2,18
1,99
Примечание: k1 = s – 1; k2 = N – s.
Пример решения
Было проведено 20 измерений четырьмя различными инструментами. Каждым из них проводилось по пять измерений. Опреде22
Пример расчета
xi
( x ji − x j ) 2
x ji − x j
1
23,67
0
0
2
23,68
0,01
0,0001
3
23,66
–0,01
0,0001
4
23,67
0
0
5
23,67
0
x1 =
1
2
3
4
5
1
nj
x2 =
2
3
4
5
∑ x ji = 23,67
i =1
2
3
4
5
0,0001
0
0,0001
0
0,0001
nj
2
∑ ( x 2 i − x 2 ) = 0 ,0 0 0 3
i =1
0
0
0,01
0,01
0
0
0,0001
0,0001
1 nj
∑ x ji = 23,67
n j i =1
23,67
23,68
23,68
23,67
x4 =
0,01
0
0,01
0
0,01
1 nj
∑ x ji = 23,67
n j i =1
23,67
23,67
23,68
23,68
x3 =
0
nj
2
∑ ( x1i − x1) = 0,0002
i =1
nj
23,68
23,67
23,68
23,67
23,68
Таблица 5
nj
2
∑ (x3i − x3 ) = 0,00 03
i =1
0
0,01
0,01
0
1 nj
∑ x ji = 23,67
n j i=1
0
0,0001
0,0001
0
nj
2
∑ ( x4i − x4 ) = 0,0003
i =1
23
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Здесь
x=
1
N
s
∑ n j ⋅ x j = 23,67.
j =1
Определяется расчетное значение критерия Фишера
σ2
0
F = мс
=
= 0.
2
σ вс 0,000069
Критическое значение Fq = 3,24 (табл. 4). Таким образом F < Fq,
т. е. в результатах измерения отсутствует переменная систематическая погрешность.
Межсерийная дисперсия
2
σ мс
=
1 s
∑ n j ( x j − x ) 2 = 0.
s − 1 j =1
Содержание отчета
1. Цель и задачи работы.
2. Краткая характеристика немагнитных защитных покрытий
сварных металлических конструкций.
3. Методика пассивного феррозондового контроля.
4. Таблица значений Н р по результатам измерений и графические зависимости Н р (t) .
5. Установление факта наличия переменных систематических
погрешностей результатов наблюдений.
6. Выводы по работе.
24
Лабораторная работа № 43
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ХОЛОДНОЙ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ
ОЦЕНКА ВИДА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
НАБЛЮДЕНИЙ
Цель лабораторной работы – освоение методики предварительной оценки вида распределения результатов наблюдений на примере
измерения твердости конструкционных сталей после холодной пластической деформации на разную степень.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) уяснить сущность понятия деформации металлов и сплавов;
2) освоить методику измерения твердости металла с помощью
твердомера Роквелла;
3) провести многократные измерения твердости образцов, деформированных на разную степень;
4) провести предварительную оценку вида распределения результатов наблюдений.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование: твердомер Роквелла ТК-2;
материалы: образцы из конструкционных сталей 08ПС,
09Т2С и 10ХСНД, прокатанные на различную степень деформации;
коллекция микрошлифов конструкционных сталей 08ПС, 09Т2С
и 10ХСНД, деформированных на различную степень.
инструменты: штангенциркули, микрометры, индикаторные
головки;
плакаты: диаграмма состояния Fe–Fe3C, классификация
и свойства малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей после холодной пластической деформации;
справочная литература: стандарты, справочники, учебные
пособия.
25
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
1. Деформация металлов и сплавов
лограммах силы на квадратный миллиметр (1 кгс/мм2 = 9,806665 МПа
10 МПа).
В наклонном сечении растягиваемого стержня (рис. 2) действующая сила Р не перпендикулярна плоскости сечения. Вызванные ею
напряжения можно разложить на две составляющие: нормальное напряжение (перпендикулярное плоскости сечения), обозначаемое ,
и касательное напряжение, действующее в плоскости сечения, обозначаемое .
Деформацией называется изменение размеров формы тела под
действием приложенных к нему сил. Деформацию вызывают внешние силы (приложенные к телу нагрузки), а также различные физико-механические процессы, происходящие в самом теле, например,
неоднородное расширение (сжатие) тела при нагреве (охлаждении)
в связи с наличием температурного градиента, изменение объема при
фазовых превращениях и др.
Различают упругую и пластическую деформации. Упругой называется деформация, которая устраняется после снятия нагрузки.
Остаточных изменений структуры и свойств металла упругая деформация не вызывает. Пластической называют такую деформацию,
которая устраняется после снятия нагрузки. Пластическая деформация вызывает необратимое изменение структуры и свойств металла.
На появление того или иного вида деформации большое влияние оказывают дейP
F
ствующие в теле напряжения, которые зависят от значения приложенных сил (чем
эти силы больше, тем бóльшие возникают
напряжения) и от размеров тела (чем больше площадь поперечного сечения тела, тем
меньшие напряжения в нем возникают при
одном и том же значении приложенных
сил). В случае осевого растяжения стержня
(ðèñ. 1) í àï ðÿæåí èå в его поперечном сеP
чении определяется отношением действующей (перпендикулярной к сечению) расРис. 1. Схема определе- тягивающей силы Р к площади поперечнония напряжения
го сечения F:
σ=
P
.
F
а)
б)
P
Полное
напряжение
σ
Fα
F0
P
Рис. 2. Образование нормальных (а) и касательных (б) напряжений
в сечении, наклонном к оси стержня
Нормальные напряжения делят на растягивающие и сжимающие. Под действием этих напряжений расстояние между частицами
материала увеличивается (частицы отдаляются одна от другой) или
уменьшается (частицы сближаются). Это может привести к разрушению материала в результате отрыва или сдвига частиц.
2. Физическая сущность процесса деформации
В системе СИ единицей напряжения является паскаль Па (Н/м2).
В практических расчетах удобнее измерять напряжение в МПа
(Н/мм2). В технике часто используют размерность напряжений в ки-
При деформировании кристалла сначала возникает упругая деформация, но с увеличением напряжений происходит сдвиг одной
части кристалла относительно друго, что вызывает пластическую,
26
27
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
остаточную деформацию. Сдвиг происходит под действием касательных напряжений, когда они превышают определенное критическое
значение кр.
Сдвиг одной части кристалла относительно другой может осуществляться путем скольжения или путем двойникования. Схема
деформации скольжением и двойникованием показана на рис. 3.
3. Пластическая деформация поликристаллического металла
а)
б)
θ
θ1 = θ
Двойники
Рис. 3. Схемы пластической деформации скольжением (а)
и двойникованием (б); – угол сдвига
В большинстве случаев используемые в различных отраслях
промышленности металлы и сплавы являются поликристаллическими. На развитие пластической деформации в поликристаллическом
металле влияют различная ориентация зерен в пространстве и наличие межзеренных границ. В связи с различной ориентацией зерен
пластическая деформация в поликристаллическом металле не может
начинаться одинаково и одновременно во всех зернах. В первую очередь сдвиг начинается в зернах, ориентированных под углом
30–70° к направлению действующей силы, а затем постепенно,
с увеличением степени деформации изменяется ориентация плоскостей всех зерен. При большой пластической деформации возникает
преимущественная ориентировка плоскостей и направлений в зернах. Преимущественная ориентировка зерен относительно внешних
сил деформирования называется текстурой деформации (рис. 4).
Образование текстуры деформации приводит к тому, что поликристаллический металл становится анизотропным (свойства его меняются в зависимости от направления).
а)
б)
Скольжение – это перемещение одной части кристалла параллельно другой вдоль плоскости, называемой плоскостью сдвига или
скольжения. При скольжении сдвиг слоев кристалла по параллельным плоскостям происходит на одинаковое расстояние. В результате
этого кристаллографическая ориентация деформированного кристалла остается неизменной.
Скольжение является результатом необратимых смещений атомов по определенным кристаллографическим плоскостям и в определенных направлениях. Скольжение легче всего происходит по тем
плоскостям, в которых плотность упаковки атомов наибольшая. Между соседними параллельными плотноупакованными плоскостями
расстояние больше, а силы межатомной связи меньше, чем между
плоскостями, менее плотно упакованными атомами. Поэтому сопротивление сдвигу получается меньшим, что и облегчает сдвиг.
Все внутренние изменения, которые происходят при пластической деформации (искажение кристаллических решеток, увеличение
плотности дислокаций и вакансий, изменение микро- и макроструктуры от полиэдрической у литого металла до волокнистой у деформированного металла, появление текстуры деформации), вызывают
упрочнение металла. Прочностные характеристики металла, такие
28
29
Рис. 4. Влияние пластической деформации на микроструктуру стали:
а – до деформации; б – после деформации
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
как временное сопротивление, предел текучести, твердость, повышаются, а пластические – снижаются (рис. 5).
деформации не изменяется, то можно по внешнему виду разрушенного образца или детали определить вид разрушения. Так, при растяжении, если плоскость разрушения перпендикулярна нормальным
напряжениям, разрушение хрупкое, а если под углом к нормальным
напряжениям – вязкое.
Оба вида разрушения включают в себя две стадии: зарождение
трещины и ее распространение. Как при вязком, так и при хрупком
разрушении трещины возникают преимущественно в местах наибольшей концентрации напряжений. При этом образованию трещины
предшествует некоторая пластическая деформация, в процессе которой движущиеся дислокации скапливаются перед какими-либо препятствиями (границами зерен, скоплениями других дислокаций и др.).
Это приводит к сильной локальной концентрации напряжений и образованию зародышевой микротрещины.
На стадии распространения трещины хрупкое и вязкое разрушения существенно различаются. Для хрупкого разрушения характерна острая трещина, которая распространяется с большой скоростью (лавинообразно) в отсутствие пластической деформации. Для
вязкого разрушения характерно затупление трещины, малая скорость
ее распространения и значительная пластическая деформация при
ее развитии.
Характер разрушения металла определяется с помощью методов макроскопического изучения изломов, изучения микрорельефа
поверхности разрушения с помощью электронного микроскопа,
а сопротивление металла разрушению определяется методами испытаний механических свойств.
Учитывая, что в элементах сварных металлоконструкций и сварных соединениях могут встречаться опасные локальные зоны концентрации напряжений, в которых прошла или проходит пластическая деформация на ту или иную степень, такие зоны, выявленные
пассивным феррозондовым методом контроля по методикам кафедры, требуют уточнения их размеров и местонахождения методами
металлографического анализа и твердометрии, что представляет немалый научно-практический интерес [1]. Измерение твердости сталей проводилось с помощью метода Роквелла.
σ,
δ
σв
σ0,2
δ
ε, %
Рис. 5. Влияние степени пластической деформации
на характеристики прочности и пластичности металла
Упрочнение металла под действием пластической деформации
называют наклепом. Наклеп широко используют как способ
упрочнения деталей, изготовление которых включает холодную
обработку давлением.
Пластическая деформация приводит к изменению физических
свойств металла: повышению электросопротивления, уменьшению
плотности, изменению магнитных свойств. Наклепанные металлы
более склонны к коррозийному разрушению при эксплуатации.
4. Хрупкое разрушение металлов
Любой процесс деформации при увеличении напряжений заканчивается разрушением. Разрушение может быть хрупким (в металлах квазихрупким) и вязким (пластичным). Хрупкое разрушение
происходит путем отрыва в результате действия нормальных растягивающих напряжений, без заметной пластической деформации; вязкое разрушение – путем сдвига под действием касательных напряжений. Вязкое разрушение наступает после значительной пластической деформации. Если схема напряженного состояния в процессе
30
31
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
5. Устройство твердомера Роквелла ТК-2
6. Сущность измерения твердости методом Роквелла
Твердомер Роквелла (рис. 6) оснащен индикатором часового
типа, шкала которого разделена на 100 частей. Каждое деление шкалы соответствует осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
Индикатор имеет две шкалы с одинаковой ценой деления, которые
размещены на одном циферблате: черную (наружную) для производства испытаний с алмазным (коническим) наконечником при нагрузках 60 или 150 кгс и красную (внутреннюю) для производства испытаний с шариковым наконечником при нагрузке 100 кгс. Красная
шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на
30 делений. Необходимость смещения вызвана тем, что при испытании шариком с нагрузкой 100 кгс глубина отпечатка не бывает меньше 0,06 мм и, следовательно, перемещение стрелки по циферблату
не бывает меньше 30 делений. Кроме того, глубина вдавливания
часто достигает 0,26 мм, т. е. стрелка делает поворот более чем на
100 делений.
Измерение твердости методом Роквелла производится вдавливанием индентора (алмазного конуса с углом при вершине 120°
и радиусом закругления 0,2 мм или стального закаленного шарика
диаметром 1,588 мм) в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок (предварительной и общей).
Общая нагрузка Р равна сумме предварительной Р0 и основной Р1.
Предварительное нагружение проводится с целью исключения влияния упругой деформации и шероховатости поверхности на результаты измерений. Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах, соответствующих осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 7.
F1
F0
F
F
h
h0
F0
Рис. 7. Схема измерения твердости методом Роквелла
Индентор вначале вдавливается в испытуемый материал на глубину h0 под действием предварительной нагрузки Р0. При приложении основной нагрузки Р1 в течение 2…6 с индентор вдавливается
на глубину h1. После снятия основной нагрузки остается глубина
вдавливания h. Величину твердости по Роквеллу можно определить
по формуле
Рис. 6. Твердомер Роквелла ТК-2:
1 – индентор; 2 – стол; 3 – маховик; 4 – установочное кольцо; 5 – пусковая
клавиша; 6 – грузы; 7 – сигнальная лампа; 8 – выключатель, 9 – индикатор
32
HR =
tmax − (h − h0 )
,
0,002
33
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
где tmax – постоянная величина, устанавливаемая в зависимости от
вида индентора (для алмазного конуса – 0,2 мм, а для стального шарика – 0,26 мм).
Числа твердости по Роквеллу определяются с использованием
индикатора по формулам:
при измерениях по черной шкале с нагрузкой 60 кгс (шкала А)
7. Порядок работы и методика проведения испытаний
HRA = 100 −
h − h0
;
0,002
при измерениях по красной шкале с нагрузкой 100 кгс (шкала В)
HRB = 130 −
h − h0
;
0,002
при измерении по черной шкале с нагрузкой 150 кгс (шкала С)
h − h0
.
0,002
Шкала А используется для измерения твердости тонких изделий и очень твердых материалов (например, инструментальных твердых сплавов).
Шкала В служит для испытания материалов средней твердости.
Шкала С служит для измерения твердости закаленных или цементованных изделий.
При измерении твердости поверхность образца или изделия
должна быть плоской. Испытание образцов с криволинейными поверхностями допускается только при радиусе кривизны не менее 15 мм.
В противном случае на образце делают лыску. Минимальная толщина образца должна быть не менее восьмикратной глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки Р1. Она зависит от
ожидаемой твердости образца и меняется от 2 мм (при самой низкой
твердости по шкале В) до 0,4 мм (при самой высокой твердости по
шкале А). На обратной стороне испытуемого образца после измерения твердости не должно быть заметно следов деформации. Расстояния между центрами двух соседних отпечатков или от центра отпечатка до края образца должны быть не менее 3,0 мм.
HRC = 100 −
34
1. С помощью твердомера Роквелла необходимо определить
твердость исследуемых образцов, имеющих разную степень предварительной холодной пластической деформации.
2. Для проведения исследований требуется подготовить твердомер Роквелла ТК-2 (см. рис. 6) к работе, для чего в зависимости от
условий испытаний установить соответствующий наконечник 1, необходимый груз 6, включить электродвигатель прибора, нулевое значение черной шкалы индикатора установить в строго вертикальное
положение.
3. Установленный на столе 3 образец вращением маховика 3 по
часовой стрелке нужно привести в соприкосновение с индентором 1
и дальнейшим подъемом стола вместе с образцом приложить предварительную нагрузку Р0 = 10 кгс. Установку предварительной нагрузки считать законченной при совмещении малой стрелки с красной точкой на индикаторе 9. При этом большая стрелка не должна
отклоняться от вертикального положения более чем на 5 делений
в ту или другую сторону. В случае большего отклонения предварительная нагрузка должна быть снята, а измерение твердости должно
производится в другой точке образца. При отклонении большой стрелки индикатора от нулевого значения менее чем на 5 делений их совмещают перемещением установочного кольца 4 (см. рис. 6).
4. Далее необходимо создать общую нагрузку нажатием клавиши 5. После окончания вдавливания основная нагрузка автоматически снимается, большая стрелка индикатора указывает на соответствующей шкале число твердости по Роквеллу.
5. Вращением против часовой стрелки маховика 3 стол 2 опускают, освобождая образец.
6. Каждый образец испытывают 15 раз.
7. Результаты измерений заносят в таблицу.
8. Проводят предварительную оценку вида распределения результатов измерений.
35
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 43
8. Предварительная оценка вида распределения
результатов наблюдений
Результаты измерений
Для предварительной оценки вида распределения по полученным данным строим гистограмму распределений или полигон распределения. В начале проводим группирование – разделение данных
î ò í àèì åí üø åãî xmin до наибольшего xmax на r интервалов. Для количества измерений от 30 до 100 рекомендуемое число интервалов –
от 7 до 9. Ширину интервала выбираем постоянной для всего ряда
данных, при этом следует иметь в виду, что ширина интервала должна быть больше погрешности округления при записи данных. Ширину интервала вычисляем по формуле
h=
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
xmax − xmin
.
r
Вычисленное значение h обычно округляют. Например, при
h = 0,0187 это значение округляют до h = 0,02. Установив границы
интервалов, подсчитываем число результатов измерений, попавших
в каждый интервал. При построении гистограммы или полигона распределения масштаб этих графиков рекомендуется выбирать так,
чтобы высота графика относилась к его основанию примерно как 3 к 5.
xi
№
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
25,04
25,05
25,04
25,06
25,05
25,01
25,07
25,05
25,03
25,05
25,03
25,06
25,07
25,05
25,06
25,03
25,07
25,09
25,06
25,05
Таблица 1
xi
25,04
25,05
25,06
25,03
25,06
25,05
25,05
25,04
25,06
25,05
25,04
25,05
25,06
25,05
25,05
25,04
25,06
25,05
25,06
25,05
Пример решения
Построить гистограмму и полигон распределения по полученным экспериментальным данным, приведенным в табл. 1.
Определяется ширина интервала
h=
xmax − xmin 25,09 − 25,01
=
= 0,011 мм.
r
7
Необходимо построить гистограмму распределений (рис. 8),
подсчитав число экспериментальных данных, попавших в каждый
интервал.
12
8
4
25,01 25,021 25,032 25,043 25,054 25,065 25,076 25,09 мм
Рис. 8. Гистограмма распределений результатов наблюдений
36
37
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Далее строится полигон распределения (рис. 9), который представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию искомой функции
плотности распределения результатов наблюдений.
Лабораторная работа № 44
12
ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА ЗЕРЕН СТАЛЕЙ
ПОСЛЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО ОТЖИГА
И ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ О НОРМАЛЬНОМ
РАСПРЕДЕЛЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
8
4
1. Цель и задачи работы.
2. Краткие сведения о деформации металлов и сплавов.
3. Устройство и метрологические характеристики твердомера.
4. Порядок работы и методика проведения исследований.
5. Предварительная оценка вида распределения результатов
наблюдений.
6. Выводы по работе.
Цель лабораторной работы – освоить методику проверки гипотезы о нормальном распределении результатов наблюдений на примере исследования структуры образцов из конструкционных сталей,
подвергнутых рекристаллизационному отжигу.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) ознакомиться с видами рекристаллизационного отжига;
2) ознакомиться с методами определения среднего диаметра
зерен структуры конструкционных сталей, полученной в процессе
рекристаллизационного отжига;
3) ознакомиться с устройством и характеристиками инвертированного металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-22, получить навыки работы на нем;
4) определить средний размер (диаметр) зерен на микрошлифах
(исследуемых образцах) после их рекристаллизационного отжига;
5) проверить гипотезу о нормальном распределении результатов наблюдений.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование: металлографический микроскоп МЕТАМ РВ-22;
материалы: коллекция микрошлифов и микроструктур малоуглеродистой стали 08пс и низколегированных сталей 09Г2С
и 10ХСНД после рекристаллизационного отжига;
плакаты: структура и свойства конструкционных сталей
после предварительной холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига;
справочная литература: стандарты, справочники, учебные
пособия.
38
39
25,01
25,021 25,032 25,043
25,054 25,065
25,076
25,09 мм
Рис. 9. Полигон распределения результатов измерения
Содержание отчета
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
1. Предпосылки для получения в конструкционных сталях
мелкозернистых структур, обладающих повышенными
прочностными свойствами
2) изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;
3) изменение внутреннего строения каждого зерна.
Формоизменение металла при обработке происходит вследствие
пластической деформации каждого зерна. Основное изменение их
формы состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной
деформации растяжения (например, в направлении прокатки или
волочения).
С повышением степени холодной пластической деформации,
например, степени обжатия при прокатке, зерна все более вытягиваются, и структура приобретает волокнистый характер, при этом кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку – в металле, обработанном давлением,
возникает текстура деформации.
Изменения формы и размеров зерен хорошо выявляются при
травлении поверхности металла, на макрошлифе или же под микроскопом.
Мелкозернистая структура оказывает значительное влияние на
конструкционную прочность. Железо и другие металлы с объемноцентрированной (ОЦК) решеткой склонны к переходу из вязкого состояния в хрупкое при определенной температуре испытаний на растяжение и низких скоростях деформации. При температурах ниже
порога хрупкости образец разрушается без образования шейки при
низких показателях пластичности. Ударная вязкость стали Jn-744
значительно зависит от размера зерна. Так, при изменении размера
зерен от 2 до 25 мкм температура перехода от вязкого разрушения
к хрупкому смещается в сторону повышенных температур от –130
до –45 °С. Наблюдающееся различие в свойствах стали обусловлено
исключительно различием дисперсности структуры, так как химический состав фаз мелкозернистого и крупнозернистого материала
был одинаков.
Так, при низких температурах с уменьшением размера зерен
увеличиваются пределы текучести, прочности, твердость, усталостная прочность и ударная вязкость, поэтому получение мелкозернистой структуры имеет самостоятельное значение для повышения прочностных свойств металлов.
В связи с этим возрастает и роль более точного определения
среднего диаметра зерен после различных видов обработки, позволяющих получить из крупнозернистой исходной структуры более
мелкозернистую. Одним из таких способов получения ультрамелкозернистой структуры металла является рекристаллизационный
отжиг, который проводится после предварительной холодной пластической деформации.
3. Изменение свойств металла при холодной
пластической деформации
Пластическая деформация вызывает в металлах и сплавах структурные изменения, которые условно можно разделить на три группы:
1) изменение формы и размеров кристаллов (зерен);
При пластической де- σ,
формации с увеличением ее δ
степени показатели сопротивσв
ления деформированию (предел прочности, предел текучести и твердость) возрастают,
σ0,2
а показатели пластичности
(относительное удлинение и
сужение) падают (рис. 1). Это
δ
явление называется упрочнением металла, или наклепом.
При деформировании металла
ε, %
со степенью деформации боРис. 1. Влияние степени пластической
лее 50…70 % предел прочнодеформации на характеристики
сти и твердость обычно увепрочности и пластичности металла
личиваются в полтора-два,
40
41
2. Изменение структуры металла при холодной
пластической деформации
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
а иногда и в три раза в зависимости от природы и вида обработки
давлением.
Небольшие деформации (до 10 %), как правило, значительно
сильнее влияют на предел текучести, чем на предел прочности. При
больших степенях деформации у некоторых металлов и сплавов предел текучести может возрасти в 5…8 раз и более.
Относительное удлинение резко уменьшается уже при сравнительно небольших деформациях (рис. 1). Увеличение степени деформации повышает предел прочности и твердость в полтора раза, снижает относительное удлинение в 10…20 раз, а иногда и в 30…40 раз
и более, что делает практически невозможной дальнейшую пластическую деформацию. Для восстановления первоначальной структуры, а следовательно, и механических свойств обычно назначается
отжиг, который называется рекристаллизационным.
При нагреве деформированного металла происходит изменение
структуры и механических свойств. На рис. 2 показано влияние температуры нагрева на прочность и пластичность металла после холодной пластической деформации.
Возврат
Рекристаллизация
4. Рекристаллизация металлов и сплавов
Рекристаллизационный отжиг проводится только после предварительной холодной пластической деформации. Рекристаллизация
подразделяется на первичную (рекристаллизацию обработки), собирательную и вторичную.
Первичная рекристаллизация включает в себя образование
и рост новых недеформированных зерен за счет окружающих их деформированных. Ее движущей силой является повышенная внутренняя энергия, накопленная металлом при холодной пластической деформации. Наименьшая температура нагрева, при которой появляются рекристаллизованные зерна, называется температурой начала
рекристаллизации. Она зависит от длительности нагрева, степени
предварительной деформации, продолжительности нагрева, чистоты металла, величины зерен до деформации и других факторов. Температуру начала рекристаллизации можно определить по формуле
σв
σ0,2
δ
Тн.р = а Тпл,
Температура
где а – коэффициент чистоты металла, который меняется от 0,4 (для
чистых металлов) до 0,8 (для сплавов); Тпл – температура плавления
по абсолютной шкале температур.
Рис. 2. Влияние температуры нагрева на структуру и свойства металла
после холодной пластической деформации
42
43
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Первичная рекристаллизация приводит к полному снятию упрочнения, созданного при пластической, деформации, и формированию мелкозернистой структуры. Начиная с некоторой температуры
пластичность плавно снижается, что объясняется образованием чрезмерно крупных зерен за счет других соседних. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией. Рост зерен происходит
в результате перехода атомов от одного зерна к другому, крупные
зерна растут за счет более мелких. Если какие-то из новых зерен
имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. При этом зерна, растущие с большей скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые
центры.
В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен. Если
при вторичной рекристаллизации возникает разнозернистость, то
пластичность металлов и сплавов снижается. Из рассмотрения видов рекристаллизации следует, что в процессе рекристаллизации
можно получить как мелкозернистую, так и крупнозернистую структуру, однако для получения мелкозернистой структуры наиболее приемлемой является первичная рекристаллизация.
Следует отметить, что рекристаллизационный отжиг стали позволяет не только снять наклеп, но и получить при первичной рекристаллизации мелкозернистую структуру, при этом при эксплуатации
в условиях низких температур с уменьшением размера зерен увеличиваются пределы текучести и прочности, твердость, ударная вязкость и усталостная прочность, вследствие чего получение мелкозернистой структуры имеет самостоятельное значение для повышения прочностных свойств металлов и сплавов [1].
Размер зерен после предварительной холодной пластической
деформации и последующей рекристаллизации может быть больше
или меньше исходного размера зерна. Величина зерен зависит от температуры рекристаллизационного отжига (рис. 3, а), продолжительности нагрева (рис. 3, б), степени и дробности предварительной пластической деформации (рис. 3, в), химического состава сплава, исходного размера зерен, наличия нерастворимых примесей и ряда
других факторов.
44
Лабораторная работа № 44
а)
б)
в)
Рис. 3. Влияние температуры (а), времени нагрева (б) и степени
деформации (в) на размер зерен после рекристаллизации (t1 < t2 < t3)
При одной и той же степени холодной пластической деформации с повышением температуры и увеличением продолжительности
отжига размер кристаллизованных зерен возрастает (рис. 3, а, б).
Размер зерен тем меньше, чем больше степень холодной предварительной деформации (рис. 3, в). Это связано с тем, что при высоких степенях деформаций скорость образования зародышей рекристаллизации превышает скорость их роста, что и предопределяет образование мелких зерен. При уменьшении исходного размера зерен
рекристаллизованные зерна (при одной и той же степени деформации) оказываются мельче. Скорость нагрева до заданной температуры также оказывает значительное влияние: чем она больше – тем
меньше получаемое зерно. Дробная холодная пластическая деформация, в свою очередь, способствует получению структуры с большей степенью дисперсности.
5. Методы выявления границ зерен
Согласно ГОСТ 5639–82 границы зерен металлов и сплавов
выявляются следующими методами:
травления;
цементации;
окисления;
сетки феррита или цементита;
сетки перлита (троостита);
вакуумного термического травления.
45
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
Метод выбирают в зависимости от химического состава стали
и цели испытания. Для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей применяют метод травления.
изображение в окуляре микроскопа, на матовом стекле или фотоснимке.
Средние численные значения площади зерна, числа зерен в 1 мм2,
соответствующие эталонам шкалы G (–3…14), приведены в табл. 1.
Если размер зерна в образце выходит за пределы эталонов шкал с номерами 1–10, пользуются другими увеличениями. Для перевода номера эталона при увеличении 100 рекомендуется пользоваться табл. 2.
6. Методы определения величины зерна
Зерна металлов – это отдельные кристаллы поликристаллических конгломератов, разделенные между собой смежными поверхностями, называемыми границами зерен. Зерна могут быть равноосными и неравноосными.
Величина зерна – средняя величина случайных сечений зерен
в плоскости металлографического шлифа – определяется следующими методами (ГОСТ 5639–82):
визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, приведенных в прил. 1, с определением номера зерна;
подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых с определением среднего условного диаметра;
подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, с определением среднего диаметра и средней площади зерна;
измерения длин хорд под микроскопом или с использованием микрофотографий с определением относительной доли зерен определенного размера;
ультразвуковым методом.
Указанные методы применяют для оценки величины зерна, имеющего форму, близкую к равноосной (в случае неравноосных зерен
подсчитывается количество зерен в 1 мм3). Метод подсчета пересечений границ зерен применяется для оценки величины зерна удлиненной формы. Наиболее широкое применение находят первый
и второй методы.
6.1. Метод определения величины зерна сравнением
с эталонными шкалами
Величину зерна методом сравнения определяют при увеличении 100 (допускается применение увеличения 90…105). После просмотра всей площади шлифа выбирают несколько типичных мест
и сравнивают с эталонами. Сравнение можно проводить, наблюдая
46
Таблица 1
Средняя
Число зерен на площади m,
Среднее
1 мм2
число
Номер площадь
зерна
G
сечения
зерна а,
мм2
минимальное
среднее
максимальное
зерен Nv,
3
в 1 мм
Средний
Средний
диаметр условный
зерна dm,
диаметр
мм
зерна dL,
мм2
–3
1
0,75
1
1,5
1
1,0
0,875
–2
0,5
1,5
2
3
2,8
0,707
0,650
–1
0,25
3
4
6
8
0,5
0,444
0
0,125
6
8
12
22,6
0,353
0,313
1
0,0625
12
16
24
64
0,250
0,222
2
0,0312
24
32
48
181
0,177
0,157
3
0,156
48
64
96
512
0,125
0,111
4
0,00781
96
128
192
1448
0,088
0,0783
5
0,00390
192
256
384
4096
0,062
0,0553
6
0,00195
384
512
768
11 585
0,044
0,0391
7
0,00098
768
1024
1536
32 768
0,031
0,0267
8
0,00049
1536
2048
3072
92 682
0,022
0,0196
9
0,000244
3072
4096
6144
262 144
0,015
0,0138
10
0,000122
6144
8192
12 288
741 485
0,011
0,0099
11
0,000061
12 288
16 384
24 576
2 097 152
0,0079
0,0069
12
0,000030
24 576
32 768
49 152
5 931 008
0,0056
0,0049
13
0,000015
49 152
65 536
98 304
0,0039
0,0032
14
0,000008
98 304
131 072
196 608
0,0027
0,0027
47
16 777
216
47 449
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
Таблица 2
7.1. Назначение микроскопа
Номера зерен при 100-кратном увеличении
Увели-
чение –3 –2 –1 0
6
1
2
3
4
5
7
8
9 10 11 12 13 14
–
–
–
–
–
–
–
×25
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 –
×50
–
–
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 –
–
–
–
–
–
×200
–
–
–
–
–
–
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
–
–
×400
–
–
–
–
–
–
–
–
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6.2. Метод подсчета пересечений границ зерен
Метод состоит в подсчете зерен, пересеченных отрезком прямой, и определении среднего условного диаметра – в случае равноосных зерен или количества зерен в 1 мм3 – в случае неравноосных
зерен.
Подсчитывают пересечения в обоих случаях на матовом стекле
микроскопа или микрофотографиях, на которых проводят несколько
отрезков произвольной длины (например, 80 или 100 мм при увеличении 100, что соответствует длине 0,8 или 1 мм на шлифе). Длину
отрезков выбирают с таким расчетом, чтобы каждый из них пересекал не менее 10 зерен, при этом увеличение подбирают так, чтобы на
исследуемой поверхности было не менее 50 зерен. Подсчитывают
точки пересечений отрезков прямых линий с границами зерен. Зерна
на концах прямой, не пересеченные ею целиком, принимают за одно
зерно.
Далее определяют суммарную длину отрезков L, выраженную
в миллиметрах натуральной величины на шлифе, и суммарное число
пересечений зерен N. Измерения проводят не менее чем в пяти характерных местах шлифа. В случае измерения размера зерен при
бульших увеличениях применяют объект-микрометр.
Для исследования структуры металлов и сплавов применяются
металлографические микроскопы. В нашем случае исследования
проводятся на инвертированном металлографическом микроскопе
МЕТАМ РВ-22.
48
7. Устройство и принцип действия микроскопа МЕТАМ РВ-22
Микроскоп металлографический агрегатный ЕС МЕТАМ РВ-22
предназначен для визуального наблюдения микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете
при прямом освещении в светлом и темном поле, а также для исследования объектов в поляризованном свете и методом дифференциально-интерференционного контраста.
Микроскоп применяется в металлографических лабораториях
научно-исследовательских институтов, а также в учебных заведениях. Возможно применение в других областях науки и техники.
7.2. Технические характеристики микроскопа
Увеличение микроскопа:
. . . . . . . . . . . .от 50 до 1000
Диапазон перемещения предметного столика, мм:
в продольном направлении . . . . . . . . . . . . .от 100 до 150
в поперечном направлении . . . . . . . . . . . . .от 0,1 до 0,002
Цена деления шкал, мм:
предметного столика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
нониуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,1
механизма микрометрической фокусировки . . . . . . 0,002
Максимальная нагрузка, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Габаритные размеры, мм . . . . . . . . . . . . . .370 290 280
Масса микроскопа, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Источник света — лампа накаливания РН8-20-1.
Питание микроскопа осуществляется от сети переменного тока
напряжением (220 ± 22) В, частотой (50,0 ± 1,0) Гц.
7.3. Устройство и работа микроскопа
Микроскоп позволяет наблюдать микроструктуру объекта
в светлом и темном поле при прямом освещении, в поляризованном
свете и методом дифференциально-интерференционного контраста.
При наблюдении в светлом поле лучи от источника света 1 (рис.
4) проходят через линзу 2, теплофильтр 3, осветительную линзу 5,
ирисовую диафрагму 6, отражаются от плоскопараллельного полу49
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
9
10
8
11
12
7
13
6
5
4
14
15
3
16
17
2
20
19 18
1
Рис. 4. Оптическая система микроскопа МЕТАМ РВ-22:
1 – зеркало; 2 – матовое стекло; 3 – фотоокуляры; 4 – окуляр;
5 – зеркало; 6 – ахроматическая линза; 7 – плоскопараллельная отражательная пластинка; 8 – объектив; 9 – микрошлиф; 10 – линза;
11 – пентапризма; 12 – полевая диафрагма; 13 – фотозатвор;
14 – линза; 15 – апертурная диафрагма; 16 – линза; 17 – коллектор;
18 – лампа (источник света); 19 – светофильтр; 20 – зеркало
50
Лабораторная работа № 44
прозрачного отражателя 7 и направляются через объектив 9 на объект 11.
Лучи, отраженные от поверхности объекта, снова проходят через объектив и отражатель, попадают на зеркало 18 и сводятся линзой 17
в фокальную плоскость окуляра 13, где создается действительное обратное и увеличенное изображение объекта.
С помощью призмы 15 изменяется направление оптической оси
микроскопа. Призменный блок 14 бинокулярной насадки разделяет
пучок лучей.
Свет, пройдя через диафрагму 19, отражается от кольцевого
отражателя 8 и попадает на параболический конденсор 10, который
собирает пучок лучей на объекте.
Лучи, диффузно отраженные от неровностей объекта, попадают в объектив. В поле зрения микроскопа неровности объекта изображаются светлыми на общем темном фоне.
Для получения равномерного освещения исследуемого объекта
в светлом поле в ход лучей вводится осветительная линза 5 с матированной поверхностью, а для повышения контрастности изображения объекта вводится светофильтр 4.
Для получения равномерного освещения в темном поле в ход
лучей вводится заглушка ТП.
При наблюдении в поляризованном свете в ход лучей вводятся
отражатель 7, анализатор 16 и поляризатор 20.
При наблюдении методом дифференциально-интерференционного контраста в ход лучей вводятся отражатель 7, анализатор 16,
поляризатор 21 и призма 12.
Линейно поляризованный свет, выходящий из поляризатора,
отражается от отражателя 7, попадает на двоякопреломляющую призму 12, ориентированную в пространстве таким образом, что угол
между плоскостью поляризации поляризатора 20 и осью призмы 12
равен 45є, и, проходя через призму, расщепляется на два луча. Лучи,
выходящие из призмы 12, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющие равные интенсивности, проходят через объектив 9 и попадают на объект 11, при отражении от которого
возникает разность фаз этих лучей из-за неровностей поверхности.
Отразившись от объекта и вновь пройдя через объектив и призму, лучи соединяются в плоскости локализации призмы, которая
совмещена с задней фокальной плоскостью объектива. При вводе
51
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
анализатора 16, плоскость поляризации которого расположена под
углом 45º к оси призмы, достигается интерференция лучей. Получается двойное изображение объекта, однако раздвоение настолько
незначительное (близкое к пределу разрешения объектива), что практически его не видно и объект воспринимается рельефным.
Общий вид микроскопа МЕТАМ РВ-22 представлен на рис. 5.
4) рукоятки грубого перемещения тубуса и микрометрической
фокусировки выведены с двух сторон штатива и также расположены
на одном оси; обеспечивается быстрый и удобный переход от одного
метода наблюдения к другому.
7.4. Настройка освещения и работа в светлом поле
Конструкция микроскопа характеризуется следующими особенностями:
1) микроскоп базируется на унифицированном штативе с агрегатно-модульными узлами;
2) штатив современной формы имеет повышенную жесткость;
3) рукоятки продольного и поперечного перемещения предметного столика расположены вертикально на одном оси;
1. Опустить тубус 7 до упора с помощью рукоятки 4 грубого
перемещения.
2. Установить револьвер 5 с объективами или держатель 1
с объективом так, чтобы штифт попал в паз гнезда, расположенного
в верхней части тубуса. Закрепить револьвер или держатель винтом 3.
3. Установить объект на предметный столик 2 и закрепить пружинными клеммами 3.
4. Установить столик в среднее положение: совместить нониусы шкал 7 по шкале 8 продольного перемещения с числовой отметкой «35», а по шкале 6 поперечного перемещения — с числовой отметкой «25».
5. Включить осветитель.
6. Ввести в ход лучей плоскопараллельный отражатель, для чего
вдвинуть рукоятку 1 в тубус до упора.
7. Открыть ирисовую диафрагму поворотом за винт 13.
8. Вдвинуть направляющую 12 в корпус осветителя до упора.
9. Вставить окуляры 9 в бинокулярную насадку 10 и сфокусировать микроскоп на объект рукоятками 4, 5, наблюдая в левый окуляр.
При установке окуляра со шкалой для исключения ошибки глаза наблюдателя следует, смотря в окуляр на свет, перемещением первой линзы на резьбе сфокусировать ее на резкое изображение шкалы
окуляра.
Пользуясь диоптрийным механизмом правой окулярной трубки, сфокусировать правый окуляр на объект. Установить окулярные
трубки в соответствии с расстоянием между глазами, при этом поля
зрения левой и правой трубок должны совместиться.
Перемещением патрона 16 с лампой и вращением центрировочных винтов 18 добиться наиболее яркого и равномерного освещения объекта.
Для общего обзора исследуемого объекта целесообразно применять объектив малого увеличения F = 25, A = 0,17, для более под-
52
53
Рис. 5. Общий вид металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-22:
1 – основание; 2 – корпус (унифицированный штатив); 3 – бинокулярная
насадка; 4 – окуляры; 5 – предметный столик; 6 – исследуемый образец
(микрошлиф); 7 – клеммы (прижимы); 8 – объектив; 9 – рукоятка перемещения столика; 10, 11 – ручка регулировки; 12 – регулятор освещенности
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
робного изучения объекта — объективы F = 16, A = 0,30; F = 6,3,
A = 0,60 и F = 4,0, A = 0,85.
Для контроля металлов по балльным шкалам предназначены
специальные окулярные диафрагмы 5, ограничивающие поле зрения
в плоскости объекта до 0,8мм при увеличении 100.
Диафрагмы ввертываются снизу в корпуса окуляров 12,5. На
диафрагмах нанесено обозначение «12,5».
10. Для повышения контрастности изображения установить в паз
14 на корпусе осветителя светофильтр 3 в оправе.
В процессе исследований необходимо:
1) освоить методику работы на металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-22;
2) рассмотреть указанные преподавателем микроструктуры
шлифов и структуры конструкционных сталей после рекристаллизационного отжига;
3) используя металлографический микроскоп, зарисовать (схематично) микроструктуру образцов, указанных преподавателем;
4) с применением метода эталонных шкал (прил. 1) и путем
подсчета пересечений границ зерен на фотографиях микрошлифов
(прил. 3–5) определить средний диаметр зерен, используя объектмикрометр (прил. 2). Результаты измерений свести в таблицу;
5) провести проверку гипотезы о нормальном распределении
результатов наблюдений по методике, изложенной в п. 9, 10 настоящей лабораторной работы;
6) сделать выводы по работе.
7.5. Определение цены деления шкалы окуляра
В поле зрения окуляра 10 установлена шкала для измерения
величины отдельных составляющих объекта. Длина шкалы – 10 мм,
цена деления – 0,1 мм.
Перед измерением объекта необходимо определить цену деления
шкалы окуляра в плоскости объекта для каждого объектива. Для этого
установить на предметный столик объект-микрометр, вставить в одну
из трубок бинокулярной насадки окуляр 10 со шкалой и, наблюдая
в окуляр, сфокусировать микроскоп на резкое изображение шкалы
объект-микрометра в плоскости шкалы окуляра; поворотом окуляра
добиться параллельности штрихов обеих шкал; выбрать в центре поля
определенное число делений шкалы объект-микрометра и подсчитать,
сколько делений шкалы окуляра укладывается в выбранном числе
делений шкалы объект-микрометра.
Цену деления шкалы окуляра вычислить по формуле
Е = (a T)/A,
9. Проверка гипотезы о нормальном распределении
результатов наблюдений
Нормальный закон распределения, называемый часто распределением Гаусса описывается зависимостью
p ( x) =
 ( x − x )2 
1
exp −
,
σ 2π
2σ 2 

Практическая часть работы состоит в освоении методики проверки гипотезы о нормальном распределении результатов наблюдений на примере исследования структуры образцов из конструкционных сталей, подвергнутых рекристаллизационному отжигу.
где – параметр рассеивания распределения, равный среднему
квадратическому отклонению.
Широкое использование нормального распределения на практике объясняется теоремой теории вероятностей, утверждающей, что
распределение случайных погрешностей будет близко к нормальному всякий раз, когда результаты наблюдений формируются под действием большого числа независимо действующих факторов, каждый
из которых оказывает лишь незначительное действие по сравнению
с суммарным действием всех остальных.
При количестве измерений n < 10 проверить гипотезу о виде
распределения результатов измерения невозможно.
54
55
где а — число делений объект-микрометра; Т — цена деления шкалы объект-микрометра, равная 0,005 мм; A — число делений шкалы
окуляра.
8. Порядок проведения работы
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
При числе данных 10 < n < 50 также трудно судить о виде распределения. Поэтому для проверки соответствия распределения данных нормальному распределению используют составной критерий.
Если гипотеза о нормальности отвергается хотя бы по одному из критериев, считают, что распределение результатов измерения отлично
от нормального.
Критерий 1. Вычисляем значение d по формуле
Критерий 2. Гипотеза о нормальности распределения результатов измерения подтверждается, если не более m разностей ( xi − x )
n
d=
∑
xi − x
i =1
n⋅ S
*
n
превзошли значения S
Значения доверительной вероятности Р
n
m
где S – смещенное СКО;
*
n
S* =
i =1
n
1,00
q⋅100% 2,00
5,00
.
10
1
0,98
0,98
0,96
11–14 15–20 21–22
1
1
2
0,99
0,99
0,98
0,98
0,99
0,97
0,97
0,98
0,96
d1− q < d < d q ,
где d1− q и d q − процентные точки распределения значений d, которые находятся по табл. 3.
Таблица 3
Значения процентных точек q для распределения d
1– q/2
q/2
99,0
95,0
90,0
10,0
5,0
1,0
11
0,67
0,72
0,74
0,89
0,91
0,94
Число результатов измерений
16
21
26
31
36
41
0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,72
0,72 0,73 0,74 0,74 0,74 0,75
0,74 0,75 0,75 0,76 0,76 0,76
0,87 0,86 0,86 0,85 0,85 0,84
0,89 0,88 0,87 0,86 0,86 0,85
0,91 0,90 0,89 0,88 0,88 0,87
56
23
2
0,98
0,98
0,96
Таблица 4
24–27 28–32 33–35 36–49
2
2
2
2
0,98
0,99
0,99
0,99
0,98
0,98
0,98
0,99
0,97
0,97
0,98
0,98
Пример решения
Гипотеза о нормальности подтверждается, если
Уровень значимости q, %
i =1
; zp/2 – верхняя
n −1
100 · P/2-процентная точка нормированной функции Лапласа.
Значения доверительной вероятности P выбираются из табл. 4.
,
∑ ( xi − x ) 2
zp/2. Здесь S =
∑ ( xi − x ) 2
В табл. 5 приведены результаты измерения угла одним оператором, одним и тем же теодолитом, в одних и тех же условиях. Проверить, можно ли считать, что приведенные в табл. 5 данные принадлежат совокупности, распределенной нормально.
Оценка измеряемой величины равна
x = x0 + a = 17  56′ + 40,699′′ = 17  56′40,70′′.
Средние квадратические отклонения S и S* найдем по формулам:
46
0,72
0,75
0,76
0,84
0,85
0,87
n
S=
∑ ( xi − x ) 2
i =1
n −1
=
136,931497
≈ 3,245′′,
13
=
136,931497
≈ 3,127′′ .
14
n
S* =
∑ ( xi − x ) 2
i =1
n
57
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Оценка параметра d составит
n
d=
∑
xi − x
i =1
n⋅ S
*
=
Проверяем критерий 2. Выбрав уровень значимости q = 0,05
для n =14 из табл. 2, находим Р = 0,97. Из табл. 6 определяется
zp/2 = 2,17.
Тогда
S zp/2 = 3,245 2,17 = 7,042.
38,530
= 0,8798 ≈ 0,88.
14 ⋅ 3,13
Значения Р-процентных точек нормированной функции Лапласа
xi
xi − x
( xi − x ) 2
17˚56΄45,00˝
17˚56΄36,25˝
42,50˝
45,00˝
37,50˝
38,33˝
37,50˝
43,33˝
40,63˝
36,25˝
42,50˝
39,17˝
45,00˝
40,83˝
4,301˝
– 4,449˝
1,801˝
4,301˝
– 3,199˝
– 2,369˝
– 3,199˝
2,631˝
– 0,069˝
– 4,449˝
1,801˝
– 1,529˝
4,301˝
0,131˝
18,498601
19,793601
3,243601
18,498601
10,233601
5,612161
10,233601
6,922161
0,004761
19,793601
3,243601
2,337841
18,498601
0,017161
∑ = 569,786˝
∑ = 38,530˝
∑ = 136,931497
569,786′′
= 40,699′′ .
14
Уровень значимости критерия 1 принимается q = 2%. Из табл. 1
находится d1% = 0,92 и d99% = 0,68. При определении d1% и d99% используется линейная интерполяция ввиду того, что значение n = 14 в таблице отсутствует. Критерий 1 выполняется, так как d1− q < d < d q .
В нашем случае это – 0,68 < 0,88 < 0,92.
58
Таблица 6
Таблица 5
Результаты исследований
а=
Лабораторная работа № 44
Р⋅100%
90
95
96
97
98
99
zp/2
1,65
1,96
2,06
2,17
2,33
2,58
Согласно критерию 2, не более одной разности xi − x может
превзойти 7,042. Из данных табл. 3 следует, что ни одно отклонение
xi − x не превосходит 7,042.
Следовательно, гипотеза о нормальности распределения данных подтверждается. Уровень значимости составного критерия:
q 0,02 + 0,05 = 0,07, т. е. гипотеза о нормальности распределения
результатов измерения подтверждается при уровне значимости не более 0,07.
Содержание отчета
1. Цель и задачи работы.
2. Краткие сведения о рекристаллизации металлов и сплавов.
3. Порядок работы и методика проведения наблюдений на инвертированном металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-22.
4. Методика и основные этапы определения среднего диаметра
рекристаллизованных зерен конструкционных сталей.
5. Результаты проверки гипотезы о нормальном распределении
результатов наблюдений.
6. Выводы по работе.
59
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
Приложение 1
Эталонные шкалы для определения величины мелкого зерна
Приложение 2
Объект-микрометр, используемый в работе при увеличении 650
для определения величины мелкого зерна
11
9
12
10
13
11
14
12
×400
×650
60
61
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 44
Приложение 3
Изменение структуры стали 08пс при рекристаллизационном отжиге,
650: в состоянии поставки (а), после прокатки на = 50 % (б), после
прокатки на = 50 % и отжига при 600, 700, 800 и 900 оС (в–е)
Приложение 4
Изменение структуры стали 09Г2С при рекристаллизационном отжиге,
650: в состоянии поставки (а), после прокатки на = 50 % (б), после
прокатки на = 50 % и отжига при 650, 725, 800 и 900 оС (в–е)
а
б
а
б
в
г
в
г
д
е
д
е
62
63
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Приложение 5
Изменение структуры стали 10ХСНД при рекристаллизационном
отжиге, 650: в состоянии поставки (а), после прокатки на = 50 % (б),
после прокатки на = 50 % и отжига при 650, 725, 800 и 900 оС (в–е)
а
б
Лабораторная работа № 45
ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА ЗЕРЕН СТАЛЕЙ
ПОСЛЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И
ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ
МНОГОКРАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
в
г
д
е
64
Цель лабораторной работы – освоить методику обработки прямых многократных измерений на примере результатов, полученных
в результате проведения термоциклической обработки конструкционных сталей по различным режимам.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) ознакомиться с сущностью и видами термоциклической обработки (ТЦО) металлов и сплавов, позволяющей получать ультрамелкозернистую структуру в малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталях;
2) ознакомиться с методами определения среднего диаметра
зерен ультрамелкозернистой структуры, полученной в результате
проведения ТЦО;
3) определить средний размер (диаметр) зерен на микрошлифах (исследуемых образцах) после ТЦО конструкционных сталей
с различной исходной микроструктурой;
4) обработать результаты прямых многократных измерений.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование: инвертированный металлографический микроскоп МЕТАМ РВ-22;
материалы: коллекция микрошлифов малоуглеродистой стали 08пс и низколегированных сталей 09Г2С и 10ХСНД (в двух структурных состояниях: состоянии заводской поставки и предварительно отожженных при 900 °С), подвергнутых ТЦО по следующему
режиму: 1–5-кратный нагрев сталей до температуры 770 °С с последующим охлаждением на воздухе после каждого цикла;
65
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
ростру;
Лабораторная работа № 45
плакаты: диаграмма состояния Fe–Fe3C, фотографии миксправочная литература: справочники, ГОСТы.
1. Влияние термоциклической обработки на структуру
малоуглеродистых и низколегированных сталей
В лабораторной работе № 44 (п. 1) было показано, что наличие
мелкозернистой структуры в металлах и сплавах повышает их ударную вязкость, прочность, твердость, предел текучести и усталостную прочность. Поэтому получение мелкозернистой структуры имеет самостоятельное значение для повышения прочностных свойств
металла. В связи с этим значительно возрастает и роль более точного
определения среднего диаметра зерен после различных видов обработки, позволяющих получить из исходной крупнозернистой структуры более мелкозернистую. В лабораторной работе № 44 был рассмотрен один из способов получения мелкозернистой структуры –
рекристаллизационный отжиг.
Другим эффективным способом получения микроструктуры
с заданной степенью дисперсности является термоциклическая обработка, которая состоит из периодически повторяющихся нагревов
и охлаждений по режимам, учитывающим внутреннее строение материала: разницу в теплофизических характеристиках фаз, объемный эффект фазовых превращений и др. Такой подход делает возможным за довольно короткое время сформировать в материалах
оптимальную мелкозернистую структуру.
По данным [1] механические свойства строительных конструкционных сталей после высокотемпературного отжига и последующей 1–10-кратной ТЦО повышаются значительным образом
(табл. 1).
Это явление можно использовать при усилении несущих элементов металлоконструкций зданий, сооружений и технических устройств в опасных зонах концентрации напряжений (КН) за счет измельчения структуры с помощью ТЦО.
66
Таблица 1
Марка
материала
08пс
Ст3
10ХСНД
Механические
свойства
Число циклов ТЦО
0
1
2
3
4
5
7
10
σ0,2,
МПа
166,0 172,0 181,5 188,0 190,5 193,0 193,5 195,0
σв, МПа
281,5 295,5 301,0 309,5 315,0 317,5 320,0 323,5
δ, %
24,0
23,5
σ0,2,
МПа
233,0 242,5 250,0 255,5 259,0 262,5 263,0 263,5
σв, МПа
418,0 441,5 451,0 468,5 471,5 476,0 477,5 484,5
22,5
23,0
22,0
23,0
22,0
23,5
22,5
23,0
22,0
23,0
22,0
23,0
δ, %
23,0
21,5
σ0,2,
МПа
385,0 400,5 416,0 423,5 428,5 435,0 434,0 435,0
σв, МПа 503,0 538,0 538,0 563,5 568,5 573,5 568,5 583,5
δ, %
19,0
18,0
19,0
18,5
19,0
18,5
18,5
18,0
2. Виды термоциклической обработки
В настоящее время разработаны и применяются на практике
несколько разновидностей ТЦО сталей и сплавов, различающихся
температурно-скоростными параметрами. К ним относят маятниковую, средне- и высокотемпературную ТЦО сталей и чугунов (рис. 1).
Маятниковую ТЦО используют для измельчения зерна сталей феррито-перлитного класса. Так как у нас стали относятся к ферритоперлитному классу, то наиболее подходящей является маятниковая
ТЦО. Маятниковая потому, что температурный интервал термоциклирования находится вблизи температур перекристаллизации.
На конечную структуру сталей при ТЦО оказывают влияние
следующие основные факторы:
химический состав стали;
скорость нагрева в интервале превращения стали;
максимальная температура нагрева;
продолжительность выдержки при максимальной температуре;
67
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
минимальная температура охлаждения;
скорость охлаждения;
число циклов нагрев-охлаждение;
особенности кинетики многократных структурных (и фазовых) превращений;
исходная микроструктура.
Наибольшее влияние на изменение структуры и механических
свойств конструкционных сталей оказывает число циклов ТЦО
и скорость нагрева (рис. 2).
3. Методы выявления границ зерен
а) T
4. Методы определения величины зерна
См. в описательной части лабораторной работы № 44 (п. 6).
5. Устройство и принцип действия микроскопа МЕТАМ РВ-22
См. в описательной части лабораторной работы № 44 (п. 7).
в) T
б) T
См. в описательной части лабораторной работы № 44 (п. 5).
6. Порядок проведения работы
τ
τ
τ
Рис. 1. Схемы ТЦО сталей:
а – маятниковая; б – среднетемпературная; в – высокотемпературная
а) d, ASTM
б) σ0,2, МПа
n
n
Рис. 2. Влияние числа циклов n и скорости нагрева на размер зерна d
аустенита (a) и условный передел текучести 0,2 стали,
содержащей 5 % Ni (б)
68
Практическая часть работы состоит в освоении методики обработки прямых многократных измерений среднего диаметра зерна
после 1–5 циклов ТЦО.
В процессе исследований необходимо:
1) рассмотреть указанные преподавателем микроструктуры
шлифов и структуры конструкционных сталей после различных видов термоциклической обработки;
2) используя металлографический микроскоп, зарисовать (схематично) микроструктуру образцов, указанных преподавателем;
3) с применением метода эталонных шкал (прил. 1) и путем
подсчета пересечений границ зерен на фотографиях микрошлифов
(прил. 3–8) определить средний диаметр зерен, используя объектмикрометр (прил. 2). Измерения повторить 15 раз. Результаты измерений свести в таблицу;
4) провести обработку полученных результатов прямых многократных наблюдений в соответствии с методикой, изложенной в п. 7
настоящей лабораторной работы;
5) сделать выводы по работе.
7. Обработка результатов прямых
многократных наблюдений
Последовательность обработки результатов прямых многократных наблюдений состоит из ряда этапов.
69
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
7.1. Определение точечных оценок закона распределения
результатов измерений
Здесь tP – коэффициент Стьюдента, приведенный в табл. 2,
n – количество измерений.
На этом этапе определяется среднее арифметическое значение
x измеряемой величины, СКО результатов наблюдений Sx .
В соответствии с критериями исключаются грубые погрешности, после чего проводится повторный расчет оценок среднего арифметического значения и его СКО.
7.2. Определение закона распределения результатов
измерений или случайных погрешностей
Здесь по результатам измерений и проведенным расчетам строится гистограмма или полигон распределения результатов наблюдений. По виду построенных зависимостей оценивается закон распределения результатов измерений.
7.3. Оценка закона распределения по статистическим
критериям
При числе измерений n > 50 для идентификации закона распределения используем критерий Пирсона. При 50 > n > 15 для проверки нормальности закона распределения применяем составной критерий. При n < 15 принадлежность экспериментального распределения к нормальному не проверяется.
7.4. Определение доверительных границ
случайной погрешности
Если удалось идентифицировать закон распределения результатов измерений, то с его использованием находится квантильный
множитель zp при заданном значении доверительной вероятности Р.
В этом случае доверительные границы случайной погрешности
∆ = ± z p ⋅ S x . Здесь S x – СКО среднего арифметического значения.
При n < 30 часто применяют распределение Стьюдента, при этом
Таблица 2
Величина tP при различных уровнях значимости
n
2
3
4
5
6
7
8
0,2
3,08
1,84
1,64
1,53
1,48
1,44
1,41
0,1
6,31
2,92
2,35
2,13
2,02
1,94
1,89
0,05
12,71
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
Уровни значимости
0,02
0,01
0,005
31,82
63,66 127,32
6,96
9,99
14,09
4,54
5,84
7,45
3,75
4,60
5,60
3,36
4,03
4,77
3,14
3,71
4,32
3,00
3,50
4,03
0,002 0,001
318,30 636,61
22,33 31,60
10,21 12,92
7,17
8,61
5,89
6,87
5,21
5,96
4,74
5,41
7.5. Определение границ неисключенной систематической
погрешности результатов измерений
Под этими границами понимают найденные нестатистическими методами границы интервала, внутри которого находится неисклю-ченная систематическая погрешность. Границы неисключенной
систематической погрешности принимаются равными пределам допускаемых основных и дополнительных погрешностей средств измерений, если их случайные составляющие пренебрежимо малы.
7.6. Определение доверительных границ погрешности
результатов измерений
Данная операция осуществляется путем суммирования границ
случайной составляющей S x и границ неисключенной систематической составляющей в зависимости от соотношения θ/ S x .
7.7. Запись результатов измерений
доверительные границы случайной погрешности ∆ C = ± t P ⋅ S x / n .
Любая измерительная информация – результаты (в том числе
результаты, полученные в различных лабораториях) и погрешности
измерений, эмпирические зависимости и т. д. – должна сопровож-
70
71
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
даться показателями точности измерений. В целях единообразия отражения результатов и погрешностей измерений необходимо применять однотипные формы представления результатов измерений
и показателей точности измерений. При этом любой результат измерения величины принято записывать с указанием соответствующей
абсолютной погрешности измерения, которая выражается в тех же
единицах, что и сама величина. Например, при измерении силы тока
в амперах результат измерения записывают так: I = (0,25 ± 0,02) А,
где I = 0,02 А – модуль абсолютной погрешности измерения.
При записи результата измерения важным вопросом является
сохранение оптимального количества значащих цифр результата измерения и абсолютной погрешности.
Значащими цифрами числа считаются все цифры от первой слева, не равной нулю, до последней справа цифры (включая нули), при
этом нули, записанные в виде множителя 10n, не учитываются.
Например:
– число 12,0 имеет три значащие цифры;
– число 30 имеет две значащие цифры;
– число 120 103 имеет три значащие цифры;
– число 0,514 102 имеет три значащие цифры;
– число 0,050 имеет две значащие цифры.
В записи результата измерения необходимо ограничивать число
значащих цифр. Необходимо также пользоваться основным правилом:
погрешность, получаемая в результате вычислений, должна быть на
порядок (в 10 раз) меньше суммарной погрешности измерений.
При округлении (округление числа представляет собой отбрасывание значащих цифр справа до определенного разряда с возможным
изменением цифры этого разряда) результата измерений необходимо
использовать следующие правила теоретической метрологии.
1. Результаты измерения округляют до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности. Если десятичная дробь в значении результата измерений
оканчивается нулями, то нули отбрасывают до того разряда, который
соответствует разряду значения погрешности. Например, результат
4,0800, погрешность ±0,001; результат округляют до 4,080. Результат 25,6341, погрешность ±0,01; результат округляют до 25,63. Тот
же результат при погрешности в ±0,015 округляют до 25,634.
2. Лишние цифры в целых числах заменяют нулями, а в десятичных дробях отбрасывают. Например, число 165 245 при сохранении четырех значащих цифр округляют до 165 200, а число 165,245 –
до 165,2.
3. Если первая из заменяемых нулями или отбрасываемых цифр
числа меньше 5, остающиеся цифры не изменяются. Если отбрасываемая цифра числа равна 5, а следующие за ней цифры нули, то последняя сохраняемая цифра не изменяется, если она четная, и увеличивается на единицу, если она нечетная. Например, число 106,4 при
сохранении трех значащих цифр округляют до 106; число 534,50 –
до 534, а число 675,50 – до 676.
4. Если отбрасываемая цифра числа равна 5, а следующие за
ней цифры больше 0, то последнюю сохраняемую цифру увеличивают на 1.
5. Погрешность позволяет определить те цифры результата
измерений, которые являются достоверными. Часто исходными данными для расчета являются нормируемые значения погрешности
используемого средства измерений, которые указывают всего с одной или двумя значащими цифрами. Вследствие этого и в окончательном значении рассчитанной погрешности не следует удерживать
более двух значащих цифр.
6. Округление проводят лишь в окончательном ответе, а все
промежуточные результаты целесообразно представлять тем числом
разрядов, которые удается получить.
При округлении расчетного значения погрешности необходимо следовать следующим правилам:
погрешность результата измерения указывают двумя значащими цифрами, если первая из них 2 или меньше;
погрешность результата измерения указывают одной значащей цифрой, если первая значащая цифра 3 и больше.
Результат измерения записывают в виде x = x ± ∆ P при довеðèòåëüí î é âåðî ÿòí î ñòè Р = Рд.
72
73
Пример решения
Обработать результаты измерений, данные которых представлены в табл. 3.
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
1. Определение точечных оценок закона распределения
результатов измерений
Определяется среднее арифметическое значение результатов
измерений
x=
1
n
11
∑ xi = 36,009 мм.
x=
Таблица 3
xi
xi − x
( xi − x ) 2
36,008
36,008
36,008
36,008
36,010
36,009
36,012
36,009
36,011
36,007
36,012
– 0,001
– 0,001
– 0,001
– 0,001
0,001
0
0,003
0
0,002
– 0,002
0,003
–
0,000001
0,000001
0,000001
0,000001
0,000001
0
0,000009
0
0,000004
0,000004
0,000009
1
∑ xi = 36,009
n i =1
11
∑ ( xi − x ) 2 = 0,000031
i =1
Среднее квадратическое отклонение результатов измерения
Sx =
1 n
1
( xi − x ) 2 =
⋅ 0,000031 = 0,00194 мм.
∑
n − 1 i =1
11 − 1
Проверяют наличие грубых погрешностей в результатах измерения по критерию Диксона.
Составляют вариационный возрастающий ряд из результатов
измерений: 36,007; 36,008; 36,009; 36,010; 36,011; 36,012.
Находят расчетное значение критерия для значения 36,012:
74
KД =
xn − xn−1 36,012 − 36,011
=
= 0,2.
36,012 − 36,007
xn − x1
Как следует из табл. 6, по этому критерию результат 36,012 не
является промахом при всех уровнях значимости.
2. Предварительная оценка вида распределения результатов
измерений или случайных погрешностей
i =1
Результаты измерений
11
Лабораторная работа № 45
При числе измерений меньше 15 предварительную оценку вида
распределения результатов наблюдений не делают.
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
При n < 15 принадлежность экспериментального распределения к нормальному не проверяется.
4. Определение доверительных границ случайной погрешности
При числе измерений n = 11 используется распределение Стьюдента, при этом доверительные границы случайной погрешности
∆C = ± t p ⋅ S x / n .
Коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности
Рд = 0,95 и при n = 11 равен 2,23.
Тогда доверительные границы случайной погрешности
∆ C = ± 2,23 ⋅
0,00194
= ± 0,0012 мм .
11
5. Определение границ неисключенной систематической
погрешности результатов измерений
Границы неисключенной систематической погрешности принимаются равными пределам допускаемых основных и дополнительных погрешностей средства измерения. Допустим, что для используемого прибора допускаемая погрешность = ± 0,4 мкм, тогда = .
75
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
6. Определение доверительных границ погрешности
результатов измерений
Согласно ГОСТ 8.207–76 погрешность результата измерения
определяется по следующему правилу. Если границы неисключенной систематической погрешности θ < 0,8 ⋅ S x , то следует пренебречь
систематической составляющей погрешности и учитывать только
случайную погрешность результата. В данном случае = 0,4 мкм, а
Sx =
Лабораторная работа № 45
Приложение 1
Эталонные шкалы для определения величины мелкого зерна
11
9
12
10
13
11
14
12
Sx
= 0,0006 мм,
n
т. е. соотношение θ < 0,8 ⋅ S x выполняется, поэтому систематической
погрешностью можно пренебречь.
7. Запись результатов измерений
Результат измерения – x = x ± ∆ P = 36,0090 ± 0,0012 при доверительной вероятности Р = 0,95.
Содержание отчета
1. Цель и задачи работы.
2. Краткие сведения о термоциклической обработке металлов и
сплавов.
3. Порядок работы и методика проведения наблюдений на инвертированном металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-22.
4. Методика определения среднего диаметра зерен конструкционных сталей после различных режимов термоциклической обработки.
5. Результаты обработки прямых многократных измерений среднего диаметра зерен.
5. Выводы по работе.
× 650
76
× 400
77
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
Приложение 2
Объект-микрометр, используемый в работе при увеличении 650
для определения величины мелкого зерна
78
Приложение 3
Изменение структуры стали 08пс при термоциклической обработке,
×650: а – состояние поставки, б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
в
г
д
е
79
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
Приложение 4
Изменение структуры стали 08пс при термоциклической обработке,
×650: а – состояние (поставка + отжиг при 900˚С),
б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
в
г
д
е
80
Приложение 5
Изменение структуры стали 09Г2С при термоциклической обработке,
×650: а – состояние поставки, б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
в
г
д
е
81
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 45
Приложение 6
Изменение структуры стали 09Г2С при термоциклической обработке,
×650: а – состояние (поставка + отжиг при 900 °С),
б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
в
Приложение 7
Изменение структуры стали 10ХСНД при термоциклической обработке,
×650: а – состояние поставки, б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
в
г
д
е
г
д
е
82
83
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Приложение 8
Изменение структуры стали 10ХСНД при термоциклической обработке,
×650: а – состояние (поставка + отжиг при 900 °С),
б–е – после 1–5 циклов соответственно
а
б
Лабораторная работа № 46
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТВЕРДОМЕРА
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТА ОДНОКРАТНОГО
ИЗМЕРЕНИЯ
в
г
д
е
84
Цель лабораторной работы – освоение методики обработки результатов однократных измерений на примере определения твердости конструкционных сталей с помощью ультразвукового твердомера 54-459М.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1) ознакомиться с устройством и характеристиками ультразвукового твердомера 54-459М;
2) освоить методику измерения твердости конструкционных
сталей с помощью ультразвукового твердомера;
3) провести однократное измерение твердости исследуемого
образца;
4) обработать полученный результат однократного измерения.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование: ультразвуковой твердомер 54-459М;
укционных сталей 08пс, 09Г2С и 10ХСНД в состоянии заводской поставки;
инструменты: штангенциркули, микрометры, индикаторные
головки;
плакаты: диаграмма состояния Fe–Fe3C, классификация
и свойства малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей;
справочная литература: стандарты, справочники, учебные
пособия.
85
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 46
1. Физические основы акустических измерений
В неразрушающем контроле встречается также понятие механического импеданса, под которым понимают отношение комплексных амплитуд гармонической возмущающей силы F и вызываемой
ею колебательной скорости v в направлении силы:
Акустическими методами называют методы, основанные на
использовании упругих колебаний и волн любых частот. Методы,
использующие частоты от 20 кГц до 100 МГц, называют ультразвуковыми.
Упругая волна представляет собой процесс распространения
возмущений в среде в результате действия механических сил, происходящий благодаря упругому взаимодействию частиц среды.
Отклонение частицы от положения равновесия называется смеdξ
– колебательной скоростью. Колебания
dt
частиц обусловлены звуковым давлением p , представляющим собой
разность между мгновенным p a и статическим p0 давлениями в данной точке среды:
p = p a − p0
щением ξ , величина v =
Важный параметр среды – ее характеристический импеданс,
или удельное волновое сопротивление. Он определяется как отношение комплексных амплитуд звукового давления p к колебательной
скорости v в гармонической бегущей волне:
z = p/v ,
обычно выражается произведением плотности ρ среды на скорость распространения волны:
z = ρc.
Для сред с небольшими потерями z можно считать действительной величиной.
Акустическим импедансом z a называют отношение комплексных амплитуд p и v в любой гармонической волне:
z a = p/v.
В общем случае z a – комплексная величина.
86
Z = F/v.
В отличие от ρc , характеризующего среду, механический импеданс является параметром конструкции.
Энергетической характеристикой упругой волны служит интенсивность. Для бегущей гармонической волны интенсивность определяется так:
j = ρcvm2 / 2 = pm2 / 2ρc,
где vm и pm – амплитуды колебательной скорости и звукового давления соответственно.
Единицы измерения рассмотренных величин в системе СИ: для
смещения – м, для колебательной скорости – м/с , для звукового давления – Па, для интенсивности – Вт/м2, для характеристического
и акустического импедансов – Па · с/м, для механического импеданса – Н · с/м.
В жидкостях и газах распространяются лишь продольные волны. В безграничных твердых телах могут существовать только продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах
направление колебательного движения частиц среды совпадает (или
противоположно) с направлением распространения волны, в поперечных – перпендикулярно этому направлению.
В ограниченных твердых телах могут распространяться также волны других типов. Из них основное значение имеют: поверхностные волны (волны Рэлея), нормальные волны в слоях (волны Лэмба), изгибные
волны, нормальные стержневые волны (волны Похгаммера).
Поверхностные волны распространяются по свободным поверхностям твердых тел в слое толщиной порядка длины волны. Частицы среды движутся по эллиптическим траекториям.
Волны Лэмба возбуждаются в слоях – листах, стенках труб
и т. п. – и имеют волноводный механизм распространения. Скорость
87
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 46
распространения этих волн зависит от толщины слоя и частоты. Симметричные s и антисимметричные a моды волн отличаются симметричным и антисимметричным движениями относительно среднего
сечения слоя (рис. 1). Различные моды волн распространяются с разными скоростями. Изгибные волны есть частный случай антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка a0 , когда длина волны намного больше толщины слоя.
го пучка. Акустическое поле излучателя обладает ближней и дальней зонами. Для круглого преобразователя радиусом a границей ближней зоны является расстояние rб = a 2 / λ . В ближней зоне ( r < rб ) звууковое давление меняется немонотонно, в дальней зоне – монотонно
убывает. На расстояниях r >> rб зависимость звукового давления отт
угла с осью излучения представляют диаграммой направленности
(рис. 2), имеющей основной и несколько боковых лепестков. Угол
раскрытия основного лепестка этой диаграммы
θ = arcsin 0,6(λ / a ).
Направленность при приеме аналогична направленности при
излучении.
Рис. 1. Деформация пластины при распространении
симметричных и антисимметричных волн
Стержневые волны во многом сходны с волнами Лэмба. Они
также делятся на симметричные и антисимметричные и имеют множество мод.
Скорости продольных, поперечных и поверхностных волн
в большинстве материалов не зависят от частоты. Скорости волн
в пластинах и стержнях зависят от произведения толщины изделия
на частоту. Это явление называют дисперсией скорости.
Скорости распространения волн всех типов определяются и ее
упругими составляющими.
При распространении в средах упругие волны ослабляются
вследствие расхождения энергии в пространстве и затухания в среде. В ультразвуковой дефектоскопии применяют высокие частоты
о( f > 0,5 МГц ) , когда отношение поперечного размера 2a преобразователя больше дины волны ( 2a > λ, где λ – длина волны).
В этом случае излучение характеризуется направленностью,
т. е. основная энергия сосредоточена в пределах относительно узко88
Рис. 2. Диаграмма направленности поля излучения
дискообразного преобразователя с 2a / λ = 5
в полярных координатах
Для возбуждения и приема упругих колебаний используют электроакустические преобразователи. Наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи. Они очень разнообразны и отличаются назначением, исполнением, рабочими частотами и другими
параметрами, рис. 3.
89
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
а)
б)
в)
Рис. 3. Конструкция пьезопреобразователей:
а – прямого совмещенного; б – наклонного; в – раздельно-совмещенного;
1 – пьезоэлемент; 2 – демпфер; 3 – протектор; 4 – слой контактной жидкости;
5 – контролируемый объект; 6 – корпус; 7 – вывод; 8 – призма; 9 – акустический экран
Прямые совмещенные преобразователи (рис. 3, а) служат для
излучения и приема продольных упругих волн. Обе эти функции
выполняет один пьезоэлемент.
В раздельно-совмещенных преобразователях (рис. 3, в) для излучения и приема продольных волн используют разные пьезоэлементы, смонтированные в общем корпусе. Применяют также раздельные преобразователи, один из которых только излучает, другой только принимает упругие волны.
Для работы поперечными, поверхностными и волнами Лэмба
служат наклонные преобразователи (рис. 3, б). Все эти волны возбуждаются в контролируемом изделии путем трансформации продольных волн, падающих на границу раздела «преобразователь –
изделие» под различными углами. При приеме происходит обратная
трансформация.
Применяют также другие пьезопреобразователи – широкополосные, с регулируемыми углами наклона, фокусирующие, многоэлементные (матричные) и т. п. Для передачи упругих волн между этими преобразователями и контролируемыми объектами необходимо
наличие материальной среды, создающей акустический контакт. Этот
контакт реализуется через:
тонкий слой жидкости (контактный способ);
слой жидкости толщиной h порядка длины волны λ в ней
(щелевой способ);
90
Лабораторная работа № 46
толстый слой жидкости h >> λ (иммерсионный способ);
слой эластичного пластика (сухой способ).
На низких частотах (до 60–100 кГц) применяют сухой точечный контакт через выпуклую поверхность наконечника преобразователя.
При решении специальных задач для излучения и приема упругих колебаний применяют бесконтактные преобразователи, в том
числе:
электромагнитно-акустические (ЭМА), основанные на эффектах электромагнитного поля;
оптические, использующие лазерное возбуждение и интерференционный прием упругих колебаний;
пьезоэлектрические, излучающие и принимающие упругие
волны через толстый ( h >> λ ) слой воздуха.
Однако по чувствительности бесконтактные преобразователи
уступают пьезоэлектрическим с жидкостной связью с контролируемым объектом.
2. Методические погрешности при акустических
измерениях твердости
Метод контактного импеданса, применяемый в твердомере
54-459М для контроля твердости, основан на оценке механического
импеданса зоны контакта алмазного индентора стержневого преобразователя, прижимаемого к контролируемому объекту с постоянной
силой. Уменьшение твердости увеличивает площадь контактной зоны,
вызывая рост ее упругого механического импеданса, что отмечается
по увеличению собственной частоты продольного колеблющегося преобразователя, однозначно связанной с измеряемой твердостью.
Метрологический анализ источников погрешностей акустических методов измерений твердости основывается на знании процессов распространения ультразвука в различных средах. Одним из существенных источников методической погрешности измерения твердости являются дефекты материала в виде различного рода
неоднородностей (флокены, макротещины, поры, разнозернистость
и т. д.), а также напряжения, сопровождающие термообработку
и последующую механическую обработку.
91
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 46
Распространение акустических волн при измерении твердости
с помощью метода контактного импеданса сопровождается искажением измеряемого сигнала различными составляющими акустических волн.
По принципу действия твердомер является реализацией метода
UCI (Ultrasonic Contact Impedance – ультразвуковой контактный импеданс). Алмазная пирамидка закреплена на конце металлического
стержня, который колеблется под действием пьезопластины на резонансной частоте. При калиброванной нагрузке (50 Н) алмазная пирамидка внедряется в материал и изменяет резонансную частоту. Это
изменение увеличивается с ростом глубины внедрения в материал.
Суть метода поясняется рис. 5.
3. Устройство и принцип действия твердомера 54-459М
Измерения твердости при контроле технологического процесса термообработки наконечников в данной работе осуществляются
с помощью твердомера ультразвукового динамического модели
54-459М. Общий вид панели твердомера 54-459М показан на рис. 4.
Рис. 5. Схема метода ультразвукового контактного импеданса
Рис. 4. Фунукциональное назначение
клавиш твердомера 54-459М:
символы общего назначения: 0…9 – набор значений твердости при калибровке прибора; установка числа замеров, по
которому производится усреднение; номер ячейки памяти, в которую вносится
число усреднений при проведении измерений с учетом коррекции результата
по образцам; * – ВКЛ; – ВВОД; символы специального назначения: 4 – шкала временного сопротивления, 5 – шкала Шора, 6 – шкала Бринелля , 7 – шкала Роквелла, 8 – шкала Виккерса
Так как глубина внедрения алмазной пирамидки в материал является показателем прочности, то существует прямая зависимость
между изменением частоты резонанса стержня и твердостью материала. Структурная схема твердомера показана на рис. 6.
Колебания напряжения в пьезоэлектрических пластинах трансформируются преобразователем в ультразвуковые колебания стержня измерительного зонда. Электрические импульсы, возбуждающие
преобразователь, вырабатываются импульсным генератором, который управляется контроллером, CPU. После усиления в усилителе
сигнал поступает на компаратор. В компараторе происходит согласование уровня сигнала. Триггер и сумматор обеспечивают переклю-
92
93
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 46
по Виккерсу
3,0 %;
рабочие частоты твердомеров
25–80 кГц;
возможное число замеров для вычисления среднего значения – до 9;
число запоминаемых корректирующих коэффициентов для
различных материалов
12;
диапазон рабочих температур
+5...+40 °С
5. Настройка, регулировка, калибровка твердомера 54-459М
Рис. 6. Структурная схема твердомера
чение тактового генератора на счетчик при совпадении отвечающего сигнала с импульсом, поступающим от импульсного генератора.
Счетчик определяет время между импульсом, возбуждаемым преобразователем, и отвечающим сигналом. Контроллер управляет счетчиком и импульсным генератором, считывает число переполнений
счетчика, получает данные от выхода счетчика, обрабатывает данные и выводит информацию на дешифраторы. После дешифрации
двоично-десятичного кода в дешифраторе результаты измерения отображаются на индикаторе.
4. Метрологические характеристики динамического
ультразвукового твердомера 54-459М
Диапазон измерения:
по Роквеллу
по Бринеллю
по Виккерсу
Относительная погрешность:
по Роквеллу
по Бринеллю
94
20...70 HRC;
100...450 HB;
240...940 HV;
1,5 %;
4,0 %;
Требования к контролируемому изделию:
изделия массой более 1 кг и толщиной более 2 мм не требуют проведения дополнительных мероприятий;
изделия массой менее 1 кг и толщиной менее 2 мм необходимо зафиксировать на опорной плите с помощью фиксирующей
пасты (типа смазки ЦИАТИМ);
шероховатость поверхности контролируемого изделия Rа –
не более 1,6 мкм.
Калибровка твердомера осуществляется в следующем порядке:
1. Нанести тонкий слой пасты ЦИАТИМ на меру твердости
МТБ-2.
2. Установить меру на опорную плиту 120 × 120 × 50 мм и притереть ее, добиваясь плотного прилегания к плите.
3. Проверить зарядку источника питания. Для этого нажать кнопку « * » . Появление на табло «000» свидетельствует о первичной работоспособности прибора.
4. Подсоединить датчик к разъему на боковой поверхности
прибора.
5. Нажать кнопку «7», соответствующую коду шкалы Роквелла
6. Нажать кнопку «*», цифра на табло мигнет.
7. Осторожно, без удара установить датчик нормально к контролируемой поверхности. Плавно нажимая на корпус датчика, вдавить алмазный наконечник в контролируемую поверхность до касания торца насадки поверхности детали (рис. 7). При этом индикаторы гаснут. Затем без задержки снять датчик с контролируемой
поверхности. На табло появится «01».
95
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Рис. 7. Схема проведения измерений
Рис. 8. Изображение
результата измерения
твердости на индикаторе
10. Снять меру.
Весь цикл измерения от момента
касания алмазной пирамидкой поверхности меры или детали занимает не более
1,5 с, время нажатия на датчик должно
быть не менее 1 с.
8. Переместить датчик на новое место контролируемой поверхности. Провести цикл измерений еще 3 раза. На табло
появятся последовательно «02»,»03»,
«04», а затем результат измерения в выбранных единицах твердости (рис. 8).
9. Сравнить полученный результат
со значением, указанным на мере. Если
погрешность результата не превышает
допустимой, прибор готов к работе
в режиме непосредственного измерения
по данной шкале. Величина твердости
определяется средним значением из
результатов контрольных измерений
(от 1 до 4) и отображается на индикаторе
(см. рис. 8).
6. Методика и проведение измерений твердости
Лабораторная работа № 46
стержень с алмазной пирамидкой перемещается назад, испытывая
противодействие пружины. В соответствии с характеристикой пружины усилие прижатия возрастает с увеличением перемещения
и достигает калиброванного значения, когда алмазная пирамидка приближается к упору. В это время выключатель разрешает проведение
измерения твердости, т. е. измерение частоты по UCI методу.
Последовательность операций при проведении измерений:
1. Нанести пасту ЦИАТИМ на плоскую часть детали и притереть ее к плите.
2. Повторить действия, приведенные в п. 7, 8 раздела 5 настоящей лабораторной работы «Настройка, регулировка, калибровка твердомера 54-459М».
Результат измерения представлен тремя разрядами без запятой,
последний соответствует десятым долям единицы твердости.
3. Провести обработку прямого однократного измерения.
Практическая часть работы состоит в освоении методики проведения измерения твердости, проведении прямого однократного
измерения твердости на образце из конструкционных сталей ультразвуковым твердомером и обработки полученного результата экспериментальных данных.
7. Обработка прямого однократного измерения
Работа прибора проводится в двух режимах:
режим непосредственного измерения;
режим измерения с автоматической коррекцией результата
с помощью заранее определенных поправочных коэффициентов.
Режим непосредственного измерения применяется при контроле изделий из углеродистых и конструкционных сталей. Для других
материалов рекомендуется использовать второй режим. Он заключается в оперативном введении в память прибора поправочных коэффициентов, определяемых по двум образцовым мерам твердости,
изготовленным из соответствующего материала.
Для проведения измерения измерительный зонд устанавливается на контролируемом изделии и прижимается к нему. При этом
Прямые однократные измерения – самые массовые и проводятся, если: при измерении происходит разрушение объекта измерения,
отсутствует возможность повторных измерений, имеет место экономическая целесообразность. Прямые однократные измерения возможны лишь при определенных условиях:
1) объем априорной информации об объекте измерения такой,
что определение измеряемой величины не вызывает сомнений;
2) изучен метод измерения, его погрешность либо заранее устранена, либо оценена;
3) средства измерений исправны, а их метрологические характеристики соответствуют установленным нормам.
За результат прямого однократного измерения принимается
полученная величина. До измерения должна быть проведена априорная оценка составляющих погрешности. При определении дове-
96
97
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Лабораторная работа № 46
рительных границ погрешности результата измерений доверительная вероятность принимается, как правило, равной 0,95.
Методика обработки результата прямого однократного измерения приведена в рекомендациях МИ 1552–86 «ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений». Данная методика применима при выполнении следующих
условий: составляющие погрешности известны, случайные составляющие распределены по нормальному закону, а неисключенные
систематические, заданные своими границами , – равномерно.
Составляющими погрешности прямых однократных измерений
являются:
1) погрешности средства измерений (СИ), рассчитываемые по
их метрологическим характеристикам;
2) погрешность используемого метода измерений;
3) погрешность оператора.
Названные составляющие могут состоять из неисключенных
систематических и случайных погрешностей. При наличии нескольких систематических погрешностей доверительная граница результата измерения рассчитывается по формуле
Если СКО определены экспериментально при небольшом числе
измерений (n < 30), то в данной формуле вместо коэффициента zp
следует использовать коэффициент Стьюдента, соответствующий
наименьшему числу измерений.
Найденные значения и (P) используются для оценки погрешности результата прямого однократного измерения. Суммарная погрешность результата измерения определяется в зависимости от соотношения и Sx.
θ( P) = k
n
∑ θ i2 ,
i =1
где k – коэффициент, зависящий от P, равный 0,95 при P = 0,9 и 1,1 при
P = 0,95.
Случайные составляющие погрешности результата измерения
выражаются либо СКО Sx, либо доверительными границами. В первом случае доверительная граница случайной составляющей погрешности результата прямого однократного измерения определяется через его СКО:
ε(P) = z p / 2 ⋅ Sx ,
θ
S x < 0,8, то неисключенными систематическими погрешностями пренебрегают и принимают в качестве погрешности результата измерения доверительные границы случайных погрешностей.
Если
θ
S x > 8, то случайными погрешностями пренебрегаютт
и принимают в качестве погрешности результата измерения границы неисключенных систематических погрешностей.
Если
θ
S x 8, то доверительная граница погрешности результата измерений вычисляется по формуле
Если 0,8
∆ p = K [θ( p ) + ε( p )],
где K – коэффициент, значение которого для доверительной
вероятности 0,95 равно 0,76; для доверительной вероятности 0,99
значение коэффициента K равно 0,83.
Пример решения
где zp/2 – точка нормированной функции Лапласа, при вероятности Pд.
При доверительной вероятности Рд = 0,95 zp/2 принимается равным 2,0, при Р = 0,99 zp/2 = 2,6.
При однократном измерении физической величины получено показание средства измерения x = 10. Определить, чему равно значение
измеряемой величины, если экспериментатор обладает следующей
априорной информацией о средстве измерений и условиях выполнения измерений: класс точности средства измерений 2; пределы измерений 0…50; значение аддитивной поправки а = –0,5, СКО Sx = 0,1.
98
99
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Решение
1. Анализируется имеющаяся априорная информация: имеется класс точности средства измерения, аддитивная поправка, СКО.
2. При измерении получено значение: x = 10.
3. За пределы неисключенной систематической погрешности
принимаются пределы допускаемой абсолютной погрешности прибора, которые находятся как
∆=
xN ⋅ γ
100
,
Лабораторная работа № 46
Содержание отчета
1. Цель и задачи работы.
2. Устройство и принцип действия ультразвукового твердомера
54-459М.
3. Порядок работы и методика проведения измерений твердости.
4. Проведение однократного измерения твердости металла образца из конструкционных сталей.
5. Результаты обработки прямого однократного измерения твердости.
6. Выводы по работе.
где xN – нормирующее значение, в данном случае равное диапазону
измерения средства измерения xN = 50; – нормируемый предел
допускаемой приведенной погрешности, которая определяется из
класса точности средства измерения = 2,0 %:
∆=
50 ⋅ 2,0
100
= ±1.
Таким образом, = ±1.
4. Находятся границы случайной составляющей погрешности
измерения
ε( P ) = z p / 2 ⋅ S x = 2 ⋅ 0,1 = ±0,2.
5. Определяется суммарная погрешность результата измерения.
Так как > 8Sx, то за границы суммарной погрешности принимаются
границы неисключенной систематической погрешности
p
= 1
6. В результат измерения вносится поправка:
X=x+
a
= 10 + 0,5 = 10,5.
7. Записывается результат измерения: 10,5 ± 1,0; PД = 0,95.
100
101
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Оглавление
Рекомендуемая литература
1. Гордиенко, В. Е. Сварные конструкции промышленных зданий, сооружений и строительных машин. Оценка технического состояния с применением паасивного феррозондового контроля / В. Е. Гордиенко; СПбГАСУ.–
СПб., 2012. – 315 с.
2. Димов, Ю. В. Метрология, стандартизация и сертификация: учебник /
Ю. В. Димов. – 3-е изд. – М.; СПб.; Нижний Новгород; Воронеж; Ростов н/Д;
Екатеринбург; Самара; Новосибирск; Киев; Харьков; Минск: Питер, 2010. –
464 с.
3. Мишин, Ю. В. Метрология. Стандартизация. Сертификация : учебник
для студентов вузов / под ред. В. М. Мишина. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,
2009. – 495 с.
4. Радкевич, Я. М. Метрология, стандартизация и сертификация: учеб.
для вузов / Я. М. Радкевич, А. Г. Схиртладзе, Б. И. Лактионов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2007. – 790 с.
Введение .............................................................................................................. 3
Лабораторная работа № 41. Измерение напряженности магнитного поля
рассеяния прибором ИКНМ-2ФП и определение грубых погрешностей ...... 4
Лабораторная работа № 42. Выявление переменных систематических
погрешностей многократных магнитных измерений..................................... 14
Лабораторная работа № 43. Измерение твердости сталей после холодной
пластической деформации и предварительная оценка вида распределения
результатов наблюдений ................................................................................... 25
Лабораторная работа № 44. Измерение среднего диаметра зерен сталей
после рекристаллизационного отжига и проверка гипотезы о нормальном
распределении результатов наблюдений ......................................................... 39
Лабораторная работа № 45. Измерение среднего диаметра зерен сталей
после термоциклической обработки и обработка полученных
результатов прямых многократных измерений............................................... 65
Лабораторная работа № 46. Измерение твердости конструкционных
сталей с помощью ультразвукового твердомера и обработка результата
однократного измерения ................................................................................... 85
Рекомендуемая литература ............................................................................. 102
102
103
Неразрушающий контроль качества. Лабораторный практикум. Ч. VI
Учебное издание
Гордиенко Валерий Евгеньевич
Гордиенко Евгений Григорьевич
Норин Вениамин Александрович
Орлов Аркадий Парфентьевич
Кузьмин Олег Владимирович
Новиков Виталий Иванович
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Лабораторный практикум. Часть VI
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректоры М. А. Молчанова, К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 12.09.13. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 6,1. Тираж 300 экз. Заказ 100. «С» 50.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
104
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
5 054 Кб
Теги
nerazrush, kontr, gordienko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа