Контроль механічних характеристик конструкційних сталей за їх питомим електричним опором

Abstract

Дисертація присвячена питанню визначення механічних характеристик конструкційних сталей, що використовуються в базових галузях вітчизняної промисловості. Досліджено взаємозв'язок питомого електричного опору з їх механічними характеристиками. Розроблено метод визначення механічних характеристик сталей, який полягає у комплексному врахуванні двох інформативних параметрів (питомого електричного опору та твердості). Розроблено математичну модель процесу контролю питомого електричного опору контактним чотиризондовим методом. Встановлено аналітичний вираз для геометричної функції поправки, яку необхідно вводити у формулу розрахунку питомого опору. Проведено експериментальні випробування експериментальної установки. Розроблено та виготовлено дослідний взірець установки для визначення механічних характеристик сталей. Розроблено проект нормативного документу (СОУ) визначення механічних характеристик сталей.

Диссертация посвящена вопросу определения механических свойств конструкционных сталей, используемых в базовых отраслях отечественной промышленности. В первом разделе проведен анализ методов и средств определения механических свойств сталей. Представлены их преимущества и недостатки. Анализ показал, что современные методы неразрушающего контроля (магнитный, акустический, термоэлектрический, вихретоковый) при их индивидуальном применении не позволяют достаточно точно определять механические свойства сталей, кроме того применения того или иного метода контроля механических свойств ограничивается, как правило, определенными марками или группами прочности сталей. Решение данной проблемы может быть найдено путем применения комплексного подхода, который предусматривает измерение нескольких информативных параметров. Обоснован выбор в качестве информативного параметра контроля механических свойств конструкционных сталей удельного электрического сопротивления как структурно чувствительной физической характеристики, которая регламентируется в нормативной документации на стали. Проанализированы существующие методы измерения удельного электрического сопротивления сталей и обоснован выбор электроконтактного четырехзондового метода измерения. Второй раздел посвящен теоретическим исследованием нового метода определения механических характеристик конструкционных сталей, который заключается в учете нескольких информативных параметров и использовании искусственных нейронных сетей для установления взаимосвязей между исследуемыми характеристиками. В частности путем корреляционного и графического анализа, а также теоретических исследований как информативные параметры контроля предела текучести, выбрано следующий комплекс параметров: твердость и удельное электрическое сопротивление. Используя отклонения в законе Видемана-Франца для иностранных марок сталей, показано, что удельное электрическое сопротивление лучше коррелирует с механическими свойствами в пределах отдельных структур. Приведено теоретическое объяснение взаимосвязей между механическими свойствами и удельным электрическим сопротивлением. Проведено математическое моделирование процесса контроля удельного сопротивления электроконтактным четырехзондовым методом, что позволило рассчитать расстояния между зондами измерительного преобразователя для повышения чувствительности метода, а также установить аналитическую зависимость для геометрической функции поправки, которую необходимо учитывать при расчете удельного электрического сопротивления плоских образцов правильной геометрической формы. Аналитическая зависимость для геометрической функции поправки получена, используя метод зеркальных отображений. Показано, что, если размеры образца намного крупнее линейных размеров системы зондов, то геометрическая функция поправки сводится к конкретному числу, которое зависит только от соотношения расстояний между зондами. Анализ возможности измерения выбранных параметров показал, что с удовлетворительной точностью измерения твердости можно выполнять серийными динамическими твердомерами типа ТД-32, а для измерения удельного электрического сопротивления сталей необходимо, в первую очередь, разработать четырехзондовый контактный механизм по результатам математического моделирования. В третьем разделе приведены методика и результаты экспериментальных исследований с целью проверки разработанного метода контроля механических характеристик конструкционных сталей. Разработана экспериментальная установка для определения удельного электрического сопротивления сталей, реализующая четырехзондовый метод, в частности предложено техническое решение по конструкции контактной механизма, разработанного по результатам математического моделирования. Установлено экспериментальным путем, что разработана математическая модель контроля удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом адекватна реальному процессу контроля, в частности зависимость геометрической функции поправки от ширины объекта контроля повторяет теоретическую кривую. Проведены экспериментальные исследования по проверке разработанного метода на примере 14 образцов из конструкционных сталей. Результаты исследований (погрешность определения предела текучести составляет 26 МПа) подтверждают ранее сделанные теоретические выводы относительно выбора комплекса параметров (твердость, удельное электрическое сопротивление) как оптимальных для определения предела текучести. Проведено метрологическую оценку результатов многократных косвенных измерений предела текучести на базе алгоритмов искусственных нейронных сетей. Приведенная к диапазону погрешность определения предела текучести образцов из конструкционных сталей согласно предложенным методом не превышает 2.5% при Рзад = 0.95. Четвертый раздел посвящен разработке, изготовлению и апробации опытного образца установки в промышленных условиях. Описанная конструкция установки, устройство и работа основных узлов. Разработан и представлен алгоритм работы программного обеспечения для обработки измерительной информации. Проведена апробация установки в условиях промысла ООО "Ивано-Франковский "Вторчермет" и ООО "Захидхимлис". Разработан проект Стандарта организации Украины (методики) неразрушающего контроля механических свойств сталей в промышленности.

It is investigated the relation between electrical resistivity and their mechanical properties. The method of steels' mechanical properties determining is developed. This method is based on considering two informative parameters (electrical resistivity and hardness). It is developed the mathematical model of electrical resistivity control using four-point technique. The analytical expression for geometrical function of correction that should be putted in the electrical resistivity formula is developed. The experimental investigations of experimental facility were carried out. The experimental sample of the facility for mechanical properties determining is developed and manufactured. A draft of normative document (SOU).