ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОЗВ ЯЗКУ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК, МІКРОСТРУКТУРИ ТА ІНФОРМАТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ - PDF

Description
УДК ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОЗВ ЯЗКУ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК, МІКРОСТРУКТУРИ ТА ІНФОРМАТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ М. О. КАРПАШ, канд. техн. наук (Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України)

Please download to get full document.

View again

of 7
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Religious & Philosophical

Publish on:

Views: 14 | Pages: 7

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
УДК ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОЗВ ЯЗКУ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК, МІКРОСТРУКТУРИ ТА ІНФОРМАТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ М. О. КАРПАШ, канд. техн. наук (Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України) Встановлено залежність між механічними характеристиками, мікроструктурою та інформативними параметрами неруйнівного контролю. Запропоновано метод визначення межі плинності та межі витривалості шляхом послідовного вимірювання теплопровідності, питомого електричного опору, визначення мікроструктури за їх значеннями та розрахунку механічних характеристик за допомогою нейронних мереж. Article aimed on establishment of relationship between mechanical properties, microstructure and informative parameters of non-destructive testing. Method for determination of yield strength and tensile strength using sequential measurement of thermal conductivity, electric resistivity, determination of microstructure using these values and calculation of mechanical properties using neural networks. Можливість визначення фактичних механічних характеристик матеріалу металоконструкцій тривалої експлуатації чи їх зміни, як правило, цікавить фахівців, які відповідають за безпечність експлуатації. Це особливо важливо для попередження аварій, надзвичайних ситуацій техногенного та природного характеру, що можуть призвести до руйнувань та пошкоджень відповідальних металоконструкцій (ТЕС, АЕС, нафтогазове устаткування для робіт на суші, шельфі та значній глибині тощо). Серед фахівців превалює думка [1], що існуючі методи НК ще не можуть забезпечити достовірного визначення міцнісних характеристик в експлуатаційних умовах. Слід сказати, що інструментарій розроблених методів та засобів НК механічних характеристик (твердість, межа плинності та межа витривалості) є доволі небагатим, обмежується, як правило, визначенням твердості поверхневого шару матеріалу, коерцитивної сили, магнітної проникності та не може в повній мірі відповідати вимогам, що постають у цій сфері [2]. Очевидно, що вказані обставини дають підстави змінити підхід до розв язання задачі контролю механічних характеристик і перевести його в площину досліджень щодо встановлення їх взаємозв язку із мікроструктурним станом та інформативними параметрами НК. Питання взаємозв язку мікроструктури сталей та їх механічних характеристик може бути розглянуте з позицій використання залежностей, що його описують, для вирішення актуальних на даний момент задач визначення фактичних фізикомеханічних характеристик (ФМХ) матеріалів. Особливо це важливо для тих ситуацій, коли єдиною альтернативою визначення ФМХ є застосування неруйнівних методів. М. О. Карпаш, 2012 Відомо, що саме ця ситуація відповідає стану справ із згаданими потенційно небезпечними об єктами тривалої експлуатації, до яких застосовними є виключно методи НК, а також доведеними є процеси зміни їх ФМХ в часі. Слід зауважити, що з огляду на значну кількість чинників впливу характер таких змін важко пояснити, а їх прогнозування за таких умов стає практично неможливим [3]. Відомо також, що зміні ФМХ передує зміна мікроструктурного стану, яка на етапі виготовлення конструкцій визначається хімічним складом сталі та технологічною послідовністю термомеханічного оброблення. Метою даної роботи є спроба встановлення залежності між мікроструктурним станом конструкційних сталей, інформативними параметрами НК та їх ФМХ. Раніше [4] автором під час пошуку нових інформативних параметрів для визначення НК ФМХ було виявлено цікаве явище, яке полягає у наступному. Здійснювалось перевіряння закону Відемана Франца та закону Грюнайзена [5] на відомостях про фізичні властивості та механічні характеристики наступних іноземних марок нержавіючих сталей: 301, 304, 310, 321, 347, 409, 410, 416, 420, 430, 430F, 440, 431, 630, 904L, UR52N+, 2205, 3CR12, 253МА. За мікроструктурним станом вони представляли мартенситні, феритні, аустенітні та дуплексні (феритно-аустенітні) сталі. Було встановлено, що значеннями відношення коефіцієнта температурного розширення до теплоємності (відповідно до закону Грюнайзена) та відношення теплопровідності до питомого електричного опору (за законом Відемана Франца) сталі розподілились за мікроструктурними групами мартенситні та феритні, дуплексні та аустенітні (рис. 1). Таке припущення підтверджується аналогічним розподілом на структурні 42 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, 1,2012 Рис. 1. Розподіл структурних груп сталей за відношеннями теплопровідності до питомого електричного опору та коефіцієнта теплового розширення до теплоємності групи сталей за значеннями коефіцієнта теплопровідності та питомого електричного опору (рис. 2). Характерною особливістю показаних розподілів на рис. 1 та 2, є те, що для різних структурних груп різними є діапазони значень межі плинності (як базової механічної характеристики), а також візуальна відмінність залежностей цієї характеристики від інформативних параметрів. Очевидно, що дане явище дозволяє стверджувати, що фізичні властивості сталей (особливо питомий електричний опір та теплопровідність) можуть бути використані як структурно-чутливі, а отже як інформативні для контролю ФМХ сталей. З метою встановлення залежностей між межею плинності та межею міцності, з одного боку, та твердістю, питомим електричним опором і теплопровідністю, з другого, було вирішено звернутись до нормативних документів на виготовлення сталей. На жаль, у вітчизняних джерелах [6] відомості про механічні та фізичні характеристики щодо основних конструкційних сталей носять неоднозначний характер вказується діапазон значень того чи іншого параметра, а не конкретне число; щодо деяких фізичних параметрів відомості взагалі відсутні. Тому було використано відомості щодо ряду зі 142 іноземних марок сталей [7], які були вибрані з різними типами структур: 1) аустенітні (вибрано 88 марок); 2) феритні (вибрано 12 марок); 3) дуплексні (вибрано 26 марок); 4) мартенситні (вибрано 16 марок). Для вказаних сталей згідно з системою нормативних документів серії ASTM нормуються такі величини: межа міцності, межа плинності, твердість, густина, коефіцієнт теплового розширення, теплопровідність, теплоємність і питомий електричний опір. Рис. 2. Розподіл структурних груп сталей за значеннями питомого електричного опору та теплопровідності ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, 1, Таблиця 1. Результати розрахунку коефіцієнта K Структура сталей Середнє значення коефіцієнта K 10 6, ум.од Діапазон значень коефіцієнта K 10 6, ум.од Аустенітна 12,05 9,9 13,6 Дуплексна 12,55 11,8 13,6 Мартенситна 15,45 13,7 18,0 Феритна 15,72 14,0 17,7 Наведемо діапазони зміни вибраних параметрів: межа міцності МПа; межа плинності МПа; твердість НВ ; теплопровідність 9,1 32,3 Вт/м К; питомий електричний опір ном м. Неоднозначність характеру залежностей вказаних параметрів наштовхнула на припущення про структурну чутливість цих параметрів та можливість дослідження взаємозв язку мікроструктури із механічними характеристиками. Відомості щодо досліджуваних марок сталей також містили і тип їх мікроструктури (мартенситна, феритна, аустенітна та дуплексна). Далі, відповідно до раніше запропонованого підходу [12], було запропоновано розрахувати деякий усереднений коефіцієнт К для всіх марок сталей для кожної структури окремо за формулою: K = ρλ, (1) де ρ питомий електричний опір, Ом м; λ коефіцієнт теплопровідності, Вт м K. Таким чином, розмірність данного коефіцієнта Вт Ом K. Введення коефіцієнта має за мету дослідити можливість якісної оцінки структури контрольованих сталей. Результати розрахунку введеного коефіцієнта K наведено в табл. 1. Як видно з табл. 1, значення коефіцієнта K відрізняється для різних типів структури сталей. Причому найбільше абсолютне значення даного коефіцієнта відповідає феритним сталям, а найменше аустенітним. Проте чітко ідентифікувати приналежність певної марки сталі до тієї чи іншої структури можна тільки для двох груп сталей. До першої належать аустенітні та дуплексні сталі, до другої мартенситні та феритні сталі. Про взаємозв язок електропровідності та теплопровідності металів було відомо давно [5], що пояснюється тим, що обидві ці властивості металів зумовлені, в основному, рухом електронів провідності. Проте, закон Відемана Франца виконується тільки для чистих металів і його не можна використовувати для сталей, які є складною механічною сумішшю заліза, вуглецю та легуючих елементів. Різниця в розрахованих значеннях введеного коефіцієнта К для різних структур наштовхнула на думку про доцільність застосування додаткових методів оброблення інформації для встановлення наявності взаємозв язку між механічними характеристиками (межею плинності та межею міцності) та вибраними параметрами для всіх типів структур окремо. Значення коефіцієнтів кореляції між досліджуваними параметрами розраховані в середовищі MATLAB для всіх типів структур і подані в табл. 2. Аналіз одержаних коефіцієнтів кореляцій показав, що: коефіцієнти кореляції досліджуваних параметрів для окремих типів структур (за винятком мартенситних сталей) в цілому виявилися кращими за коефіцієнти кореляції для всіх марок сталей разом; знак свідчить про те, що залежність коефіцієнта теплопровідності від межі міцності, межі плинності є обернено пропорційною; найкраща кореляція коефіцієнта теплопровідності і питомого електричного опору з межею міцності/плинності та твердістю спостерігається для феритних та дуплексних сталей; загалом невисокі значення коефіцієнтів кореляції можуть пояснюватися нелінійністю взаємозв язків між досліджуваними параметрами. Враховуючи те, що вказана нелінійність пояснюється сумісним та нерівномірним впливом багатьох чинників, доцільно застосовувати алгоритми штучних нейронних мереж (ШНМ) для вирішення задачі багатопараметрової апроксимації Таблиця 2. Коефіцієнти кореляції досліджуваних параметрів для досліджуваних мікроструктурних груп сталей Структурна група між теплопровідністю та межею плинності між теплопровідністю та межею міцності Кореляція між питомим електричним опором та межею плинності між питомим електричним опором та межею міцності Всі структурні групи 0,1344 0,0379 0,1381 0,0532 Аустенітна 0,1241 0,1813 0,2901 0,3748 Дуплексна 0,6820 0,6848 0,7597 0,7294 Феритна 0,6939 0,7404 0,8034 0,8248 Мартенситна 0,0238 0,0204 0,2335 0, ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, 1,2012 Таблиця 3. Результати тестування нейронної мережі Номер сталевого зразка Похибка тестування Набір даних абсолютна, МПа відносна, % Дійсні значення межі плинності 1-й: реальні виходи нейронної мережі 2-й: реальні виходи нейронної мережі 3-й: реальні виходи нейронної мережі ,3 1, ,6 4, ,1 19,1 межі плинності/міцності від таких інформативних параметрів, як коефіцієнт теплопровідності, твердість та питомий електричний опір. Детально про можливості та доцільність застосування алгоритмів штучних нейронних мереж вказувалося раніше [8]. З усіх марок сталей було сформовано три окремих набори тренувальних та тестових даних: 1-й набір включає аустенітні та дуплексні сталі (кількість марок для тренування мережі 90, для тестування 5); 2-й набір включає феритні та мартенситні сталі (кількість марок для тренування мережі 37, для тестування 3); 3-й набір включає сталі всіх типів структур (кількість марок для тренування мережі 127, для тестування 8); Необхідно зазначити, що зг
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks