Изучение методов и средств определения качества металлопродукции

Предел текучести

 

где — нагрузка; соответствующая площадке текучесги,

F₀ — начальная площадь поперечного сечения образна.

Условный предел текучести (при отсутствии площадки текучести на кривой растяжения)

где Р_0,2 — нагрузка, вызывающая остаточную относительную деформацию 0,2% от l₀ — начальной длины образца.

Временное сопротивление разрыву или предел прочности

Аналогично  определяют предел пропорциональности, соответствующий переходу от линейного участка кривой напряжение- деформация к криволинейному, а также предел упругости, характеризующийся условным напряжением, при снятии которого остаточная деформация не превышает тысячных долей процента.

Характеристики  пластичности:

Относительное удлинение определяется как отношение абсолютного удлинения деформированного образца к его начальной длине, выраженное в процентах, т. е. относительное удлинение

где — конечная длина образца в момент его окончательного разрыва.

Относительное сужение определяется как отношение разности площадей начального (исходного) сечения F₀ и минимального конечного сечения F_l образца при разрушении к площади его исходного сечения, выраженное в процентах, т. е. относительное сужение

Площади поперечных сечений образцов до и после испытаний  определяют по соответствующим диаметрам образцов.

Определение ударной вязкости

Вязкость твердых  тел есть свойство необратимо поглощать механическую энергию при их пластической деформации. Обычно вязкость материала определяют динамическими испытаниями образцов на изгиб ударом маятниковым копром. Характеристику ударной вязкости и находят по формуле

где КС — характеристика ударной вязкости, Дж/см2 (кге ■  м/см2);

 — работа разрушения  образца;

— запасенная копром энергия (работа);

 — остаточная (неизрасходованная)  часть энергии;

F — площадь  поперечного сечения образца в месте надреза.

Образцы для  испытаний на ударную вязкость имеют вид, изображенный на рис. 4.

Рис. .4. Схема действия копра при разрушении образца

Надрезы у образцов могут быть с круглой (U-образной) и острой (V-образной) вершиной, а  также в форме выращенной трещины. В этих случаях ударная вязкость обозначается присоединением соответствующей буквы: KCU, KCV и КСТ.

Определение сопротивления усталости

Выносливость  или сопротивление усталости  есть способность материала выдерживать циклические нагрузки. Явление разрушения металлов под действием повторных или циклических знакопеременных напряжений, значительно меньших пределов прочности (σ_в) и упругости (σ_у), называется усталостью металлов.

Характеристикой циклической долговечности является предел выносливости (или предел усталости). Пределом выносливости называется максимальное переменное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при N нагружениях, где N — заданное техническими условиями число циклов переменной нагрузки, т. е. выбранная база испытаний. Обычно база испытаний устанавливается равной N = 10•10⁶ циклов для черных металлов (сталей и чугунов) и N = = (50... 100) • 10⁶ — для цветных металлов и сплавов.

Испытаниям  подвергают 8—10 образцов при различных  амплитудах напряжений или деформаций. По результатам испытаний строят кривую усталости в нормальных или логарифмических координатах напряжение σ — число циклов N.

Пределом выносливости называется наибольшее значение амплитуд напряжений, которые выдерживает образец материала, не разрушаясь при заданном (базовом) числе нагружений.

Пределом усталости  называют наименьшее циклически действующее напряжение, которое приводит к разрушению испытываемого образца материала до числа циклов нагружений, равного выбранному (базовому). Значения пределов усталости и выносливости сходятся и практически равны. Поэтому их обозначают одинаково как s с индексом, обозначающим симметричность или асимметричность амплитуд нагружений. Так, например, при испытаниях знакопеременными (растяжение — сжатие) симметричными силовыми воздействиями, предел усталости (выносливости) обозначают σ_-1

Разновидностью  механических испытаний являются разнообразные  технологические пробы, выполняемые несложными способами. Назовем некоторые из них.

Испытанию на изгиб  в холодном или нагретом состоянии подвергаются стальные листы и полосы или образцы, вырезанные из них. Образцы, изогнутые на определенный техническими условиями угол, не должны иметь трещин, надрывов и расслоений.

Испытание на сплющивание  труб заключается в сплющивании отрезка труби между двумя параллельными плоскостями. Труба должна выдержать сплющивание до значения, определенного техническими условиями, без образования трещин.

Проба на навивание  проволоки дает возможность определить способность проволоки диаметром до 6 мм принимать заданную форму.

Проба на выдавливание листового металла (метод Эриксена) определяет способность материала подвергаться вытяжке при холодной штамповке. Метод основан на вдавливании сферического пуансона в образец, зажатый между матрицей и прижимным кольцом. Признаком окончания испытания является начало образования видимой на просвет трещины в испытуемом материале.

Неразрушающие методы контроля

Эффективный контроль дефектов, нарушающих сплошность, однородность макроструктуры металла и отклонений химического состава можно проводить с помощью физических методов неразрушающего контроля-дефектоскопии, основанных на исследовании изменений физических характеристик материала.

В соответствии с ГОСТ 18353—73 методы неразрушающего контроля, в зависимости от физических явлений, на которых они основаны, подразделяются на 10 основных видов: акустический, капиллярный, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновой, тепловой, течеисканием, электрический, электромагнитный (вихревых токов). Для этих целей промышленность выпускает большую гамму приборов.

При использовании  неразрушающих методов контроля устанавливаются нормы браковки, в противном случае изделия могут незаслуженно выбраковываться или, наоборот, проникать в эксплуатацию с дефектами. Применять методы неразрушающего контроля необходимо с учетом их возможности, чувствительности, производительности, эффективности.

В контроль без  разрушения контролируемого объекта входят: внешний осмотр невооруженным глазом или с помощью оптических приборов; испытание агрегатов и машин на стендах, установках, в приспособлениях для определения степени соответствия фактических рабочих характеристик проектным, выявления причин, породивших отклонения; контроль качества поверхности визуально, с помощью измерительных средств и приборов; контроль формы и геометрических пара метров деталей, узлов, агрегатов, изделий в целом путем обмера; определение толщины металлических и неметаллических листов, труб, профилей проката, тонкостенных деталей, металлических и неметаллических покрытий физическими методами контроля; обнаружение несплошности материала деталей и узлов (трещин, раковин, неметаллических включений и т. д.); определение структуры металла, его твердости, прочности, электропроводности, коэрцитивной силы, ферромагнитных сплавов, правильности выполнения процесса термической обработки сплавов; сортировка сплавов по маркам с помощью физических методов контроля.

Неразрушающий контроль качества весьма эффективен. Он позволяет снижать трудоемкость контрольных операций, резко повышать производительность труда контролеров. Так, например, металлографический анализ структуры образца занимает 2—3 ч, а автоматические средства контроля (АСК) за 1—2 с выявляют аналогичные дефекты. Применение методов неразрушающего контроля качества дает весомую экономию средств за счет отбраковки недоброкачественных материалов и заготовок перед дорогостоящей механической обработкой.

Неразрушающий контроль дает возможность проверить  качество деталей до вовлечения их в сборку и тем самым не допустить использования дефектных деталей в конструкциях машин, а следовательно, предотвратить. аварии и катастрофы. Данные о дефектах, полученные на ранних стадиях производства, позволяют техническим службам предприятия совершенствовать технологические процессы, улучшать режимы обработки материалов в горячем и холодном состоянии. Применяя методы неразрушающего контроля, можно уменьшить массу деталей и всего изделия в целом путем уменьшения коэффициентов запаса прочности.

Классификация и анализ дефектов материалов и деталей

Применение  неразрушающих методов контроля возможно только при правильной классификации  дефектов. Разделение всей продукции  или ее частей по дефектности позволяет удешевить анализ этой продукции, а также упростить и уменьшить объем контроля.

В практике машиностроения, как в нашей стране, так и за рубежом, различают четыре основных класса дефектов: критические, серьезные, малосущественные, побочные.

К критическим  дефектам целесообразно относить те, которые ставят под угрозу безопасность людей и окружающую среду в процессе производства и эксплуатации изделий.

Серьезными  дефектами следует считать такие, которые приводят к отказам в  работе в процессе эксплуатации или  существенно снижают потребительские  свойства (ресурс, надежность и т. п.) изделий.

Малосущественные дефекты — это дефекты, которые не снижают рабочую полезность изделия, при этом основные потребительские свойства узла остаются без изменения. Так, наличие волосовин и других продольных металлургических дефектов на отдельных деталях-нормалях не может ухудшить работу узла автомобиля, трактора, самолета, если остальные нормали в данном узле не содержат указанных дефектов, хотя последние и снижают запас прочности самой детали. В то же время сквозную волосовину в нормалях, обеспечивающих работу гидравлических пневматических систем, следует отнести к категории серьезных.

К побочным дефектам следует относить такие, которые  не снижают качество продукции, но вместе с тем нежелательны. Например, если в результате увеличения прокаливаемое стали после термической обработки шестерен редукторов незначительно увеличилось коробление, то может возникнуть повышенный шум при работе.

Однако, если изменение  размеров шестерен значительно, то возможно изменение характера зацепления и фактической нагрузки на зуб  шестерни. В этом случае рассматриваемый дефект переходит из класса малосущественных в класс серьезных, так как снижается ресурс работы агрегата. Приведенный пример показывает, что сама по себе классификация дефектов без их количественной оценки не гарантирует качества. Изменение класса дефекта существенно меняет всю технологию и объемы контроля.

Количественные  данные можно постепенно накапливать и анализировать с помощью ЭВМ, что позволяет выявить причины их возникновения и регулировать качество. На предприятиях с серийным и крупносерийным производством можно использовать рекомендации ОСТ 11.091.333—77, в котором установлены типовые формы, структура и взаимосвязь документов в системе управления качеством продукции.

       Метрологическое обеспечение качества продукции

Развитие отраслей машиностроения требует гарантированно высокого качества металла и заготовок для атомной энергетики; высокопрочных рельсов, сварных труб, используемых для нефте- и газопроводов; ответственных деталей типа шестерен, поршневых пальцев, специальных фланцев, нормалей, изготовленных холодной объемной штамповкой, и т. д.

Заданный уровень  качества продукции обеспечивает метрология. Метрология — это наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. К основным проблемам этой науки относятся: создание общей теории измерений; единиц физических величин и систем единиц; разработка методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений; создание эталонов и образцовых средств измерений, проверка мер и средств измерений. В современных условиях метрологическое обеспечение представляет собой комплекс научных и технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Дальнейшее совершенствование средств и техники измерений будет во многом определять уровень и эффективность промышленного производства, качества материалов и технических устройств. В нашей стране находится в обращении около миллиарда измерительных приборов. Они регулируют технологические процессы, автоматически выдают результаты измерений, обеспечиваю! достоверность научных исследований, способствуют рациональному расходу топливно-энергетических ресурсов, сырья, материалов.

Большое значение, особенно на этапе технической подготовки производства, имеет метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации. Метрологическая экспертиза предполагает анализ и оценку технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению, установление норм точности и обеспечение методами и средствами измерений процессов разработки, изготовления, испытания, эксплуатации и ремонта изделий.

Внедрение неразрушающих  методов контроля (обеспечивающих 100% контроль продукции) требует, во-первых установления корреляционных связей между показаниями приборов неразрушающего контроля и такими прямыми показателями качества, как структура, механические и физические свойства (кроме того, должны быть выработаны нормы браковочных признаков); во-вторых должна периодически проводиться нормативная аттестация приборов и средств неразрушающего контроля.