Способ определения охрупчивания материала
METHOD OF DETERMINING EMBRITTLEMENT OF MATERIAL

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля состояния материала, в частности, к способу определения охрупчивания материала, в том числе в процессе эксплуатации конструкции.
В практике эксплуатации опасных производственных объектов чрезвычайно остро стоит проблема оценки текущего состояния металла конструкций, определяющего их несущую способность и сопротивляемость разрушению. В большинстве случаев использование для решения указанной проблемы традиционных разрушающих методов невозможно, ввиду необходимости нарушения целостности конструкции и вывода ее из эксплуатации. Как следствие, единственной возможностью получить необходимую информацию о металле, в части накопленной им в процессе эксплуатации поврежденности, является использование неразрушающих методов.
Известны способы измерения твердости (ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75), микротвердости (ГОСТ 9450-76), кинетической твердости (ГОСТ Р 8.748-2011). Несмотря на то, что экспериментально установлена взаимосвязь между определяемыми с помощью указанных способов параметрами и прочностными характеристиками металла, тем не менее зафиксированный факт упрочнения металла ничего не говорит о запасе его пластичности, или, что тоже самое, о степени охрупчивания.
Известен способ №2122721С1, заключающийся в циклическом нагружении локальной области металла с помощью индентора и одновременном намагничивании и измерении намагниченности в зоне воздействия индентора. В процессе испытания регистрируют зависимость «усилие вдавливания - намагниченность», по изменению которой оценивают появление трещины и, как следствие, степень повреждения металла. Главным недостатком данного способа является сложность интерпретации полученных результатов, поскольку образование трещин при циклическом нагружении не происходит скачкообразно, а начинается с микроскопической стадии и носит множественный характер, следовательно изменения намагниченности также будут происходить плавно и четко отделить стадию накопления пластической деформации металла от стадии образования в нем трещины (или микротрещин) будет чрезвычайно сложно. Кроме того, накопленное в процессе эксплуатации упрочнение металла, а также какие-либо структурные изменения в нем будут определять другую интенсивность накопления пластической деформации в процессе индентирования при фиксированной нагрузке, что также внесет погрешности в получаемые результаты.
Известен способ RU2122719C1, заключающийся во вдавливании в металл индентора с одновременным намагничиванием металла в зоне отпечатка, в ходе чего устанавливают зависимость усилие вдавливания -намагниченность. Момент возникновения начальной пластической деформации определяют по возникновению остаточной намагниченности после разгрузки индентора или по началу изменения хода зависимости усиление вдавливания - намагниченность. С помощью данного способа могут быть определены упругие характеристики металла (например, предел текучести), которые только косвенно свидетельствуют о его упрочнении и не дают представления об остаточной пластичности металла, т.е. степени его охрупчивания.
Известен способ RU2128330C1, заключающийся в ударном вдавливании индентора в испытуемый материал и регистрации кинематических характеристик такого вдавливания: глубины проникновения, максимальных отрицательных и положительных скоростей и ускорений проникновения. Значения указанных характеристик сопоставляют с механическими свойствами и полученные зависимости в последствии используют для оценки механических свойств эксплуатируемых изделий. С помощью данного способа не может быть корректно определено охрупчивание металла, поскольку растрескивание металла в результате вдавливания индентора, очевидно, не окажет такого влияния на его кинематические характеристики, по которым данный процесс мог бы быть безошибочно идентифицирован.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ №2724584С1, где степень охрупчивания металла определяется по результатам серии индентирований в исходном и анализируемом состоянии в диапазоне нагрузок на индентор от 0 до 500 гс. При этом, факт образования трещины в зоне отпечатка фиксируется визуально, а снижение нагрузки на индентор, при которой произошло растрескивание, относительно значения для металла в исходном состоянии, свидетельствует о его охрупчивании. Недостатком данного способа является то, что для оценки охрупчивания необходимо производить серию индентирований с разными нагрузками, причем шаг, с которым меняется нагрузка на индентор выбирается произвольно. Таким образом, при большом шаге снижается точность результатов, а при маленьком - существенно возрастает трудоемкость исследований.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и снижении трудоемкости определения охрупчивания материала по результатам поверхностного индентирования.
Предлагаемый способ заключается в следующем. На первом этапе выполняют индентирование на поверхности изделия (образца) в исходном состоянии, гарантированно соответствующего нормативным требованиям (без эксплуатации, с подтвержденными механическими свойствами и т.д.). Получаемые при этом характеристики материала принимаются как базовые.
Индентирование может выполняться как при уровне нагрузок, обеспечивающих получение значений твердости материала, так и при уровне нагрузок, обеспечивающих получение значений микротвердости. Последний вариант целесообразен при исследовании сталей и сплавов, поскольку позволяет определить охрупчивание отдельных структурных составляющих изделия (образца), их границ и других локальных зон, что повышает чувствительность оценки охрупчивания всего изделия (образца).
Перед выполнением индентирования производится подготовка поверхности. Требования к подготовке поверхности определяются исходя из выбранного уровня нагрузки и формы индентрора (например, требования ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75, ГОСТ 9450-76 и т.д.).
При выполнении травления (в случае исследования охрупчивания отдельных структурных составляющих сталей и сплавов в диапазоне нагрузок на индентор, соответствующих уровню микротвердости) следует руководствоваться требованиями ГОСТ 5639-82.
Индентирование выполняется с записью диаграммы в координатах «усилие на индентор - глубина внедрения индентора» или «глубина внедрения индентора - время». Применяемое устройство для индентирования должно обеспечивать плавность и стабильность приложения нагрузки, а также высокую частоту записи параметров, входящих в выбранную диаграмму индентирования. Индентирование выполняется до достижения заданного уровня нагрузки, после чего выполняется выдержка индентора под нагрузкой, а также ее снятие в соответствии с требованиями нормативных документов, регламентирующих выполнение измерений значений твердости или микротвердости (ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75, ГОСТ 9450-76 и т.д.).
Растрескивание изделия (образца) при индентирований определяется из анализа диаграммы индентирования по наличию резких скачков на диаграмме или резких изменений в ее конфигурации. При этом, из диаграммы определяется нагрузка, при которой произошло растрескивание. В случае, если на диаграмме присутствуют несколько вышеуказанных признаков, свидетельствующих о растрескивании изделия (образца), то нагрузка определяется по первому в хронологическом порядке признаку на диаграмме. Если при индентирований производится запись диаграммы в координатах «глубина внедрения индентора - время», то сначала определяется время растрескивания по рассмотренным выше признакам, а затем, используя заданную в устройстве функцию скорости приложения нагрузки, определяют величину нагрузки в момент растрескивания.
Корректность установления факта растрескивания по диаграмме индентирования может быть проверена путем анализа зоны отпечатка с использованием металлографического микроскопа.
Количество индентирований и величины используемых максимальных нагрузок при установлении базового охрупчивания могут варьироваться в широких пределах и определяются в зависимости от исследуемого материала и решаемой задачи.
В качестве базовых характеристик охрупчивания изделия (образца) может приниматься либо минимальная нагрузка на индентор, при которой зафиксировано растрескивание, либо относительное количество индентирований, приведших к растрескиванию, либо оба данных параметра.
На втором этапе выполняется индентирование на поверхности анализируемого изделия (образца) из того же материала. При этом методика проведения индентирования должна в точности повторять реализованную при получении базовых характеристик охрупчивания.
Ухудшение характеристик охрупчивания изделия (образца) в анализируемом состоянии, в сравнении с базовым (снижение величины нагрузки, при которой наблюдается растрескивание (или вообще появление растрескивания), увеличение относительного количества индентирований, приведших к растрескиванию) свидетельствует о его повышенном охрупчивании.
На примере определения охрупчивания конструкционной стали способ реализуется следующим образом.
Сначала исследуется образец из изделия в исходном состоянии. Для стали целесообразно оценивать охрупчивание отдельных структурных составляющих, поэтому индентирование выполняется в микродиапазоне нагрузок. Подготовка поверхности производится в соответствии с ГОСТ 9450-76. Травление поверхности выполняется в соответствии с ГОСТ 5639-82.
Затем производится серия целенаправленных индентирований в различные структурные составляющие стали, их границы и т.д., с записью диаграмм индентирования в координатах «усилие на индентор - глубина внедрения индентора». После каждого индентирования из диаграммы индентирования определяются признаки, свидетельствующие о растрескивании стали. При наличии указанных признаков определяется нагрузка, при которой зафиксирован первый в хронологическом порядке признак. После этого с использованием металлографического микроскопа изучается отпечаток на предмет возникновения в зоне индентирования трещин. При подтверждении трещинообразования определенная из диаграммы величина нагрузки, при которой произошло индентирование, записывается в протокол.
В результате определяются базовые характеристики охрупчивания стали:
- минимальная нагрузка на индентор, при которой зафиксировано растрескивание;
- относительное количество индентирований, приведших к растрескиванию.
После этого исследуется образец из изделия в анализируемом состоянии, из той же стали. Повторяются описанные выше процедуры, определяются характеристики охрупчивания стали и сравниваются с базовыми характеристиками. По результату сравнения судят о величине дополнительного охрупчивания изделия в анализируемом состоянии.