Основные этапы, методы и информационные параметры оперативной диагностики структурно-механического состояния материалов

Контроль конструкций и элементов оборудования физическими методами
2
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»
Акустические методы
Принципиальная схема реализации метода АЭ
Контроль трубопровода методом АЭ
Метод акустической эмиссии (АЭ)
Ультразвуковой контроль (УЗК)
Схема ультразвуковой дефектоскопии:
ИГ – искательная головка; КО – контролируемый объект; Д - дефект
Ультразвуковая толщинометрия на отрезке экранной трубы котла (ГОСТ Р ИСО 16809-2015)

Контроль конструкций и элементов оборудования физическими методами
3
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»
Магнитные методы
Магнитная память металла (УЗК)
Магнитограмма кольцевого сварного соединения с выявлением зон концентрации напряжений
Коэрцитиметрия
(измерение коэрцитивной силы)
Магнитно-механическая аналогия: магнитная петля гистерезиса (а) и деформационная петля гистерезиса при циклическом нагружении (б)

Образцы для испытаний растяжением
Разрушающие испытания. Испытания растяжением (ГОСТ 1497-84)
Плоские образцы
Цилиндрические образцы
«Короткие»:
«Длинные»:
Кратность образца:
4
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Схема машины для испытания на растяжение
1 – основание; 2 – винт грузовой; 3 – нижний захват (активный); 4 – образец; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 – индикатор нагрузок; 9 – рукоятки управления; 10 – диаграммный механизм; 11 – кабель
5
Разрушающие испытания. Испытания растяжением (ГОСТ 1497-84)
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения
а – образец до испытания (l0 и d0— начальные длина и диаметр);
б – образец, растянутый до максимальной нагрузки;
в – образец после разрыва (lк – конечная длина; dк – минимальный диаметр в месте разрыва)
а б в
6
Разрушающие испытания. Испытания растяжением (ГОСТ 1497-84)
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Схемы машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
Характеристики прочности
Характеристики пластичности
Физический предел текучести
σт = Pт/F0
Условный предел текучести
σ0.2 = P0.2/F0
Временное сопротивление
(предел прочности)
σВ = Pmax/F0
МПа
Относительное конечное удлинение
δк = (Δlк/l0) ·100 = [(lк – l0)/l0]·100, %
Относительное конечное сужение
ψк = (ΔFк/F0) ·100 = [(F0 – Fк)/F0] ·100, %
7
Разрушающие испытания. Испытания растяжением (ГОСТ 1497-84)
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Образцы для испытаний растяжением до и после испытаний
8
Разрушающие испытания. Испытания растяжением (ГОСТ 1497-84)
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Испытания на твердость
Метод Бринелля (ГОСТ 9012–59)
D = 1; 2; 2,5; 5 или 10 мм
Для сталей P = 30D2
Пример записи числа твердости по Бринеллю:
225 HB 2,5/187,5/10
Твердость,
кГс/мм2
Время под
нагрузкой, с
Нагрузка,
кГс
Диаметр индентора, мм
9
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Испытания на твердость
Метод Бринелля (ГОСТ 9012–59)
Твердомер Бринелля ТШ-2М
Инденторы Бринелля разных диаметров в оправках
10
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Испытания на твердость
Метод Виккерса (ГОСТ 2999–75)
Пример записи числа твердости по Виккерсу:
135 HV 2/10
Твердость,
кГс/мм2
Время под
нагрузкой, с
Нагрузка,
кГс
P = 1; 2; 3; 5; 10; 20; 30 или 50 кГс
11
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Испытания на твердость
Метод Роквелла (ГОСТ 9013–59)
12
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78)
Схема образцов для испытаний на ударный изгиб
а − образец с U-образным надрезом; б − с V-образным надрезом; в − с усталостной трещиной
13
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Схема испытания на ударный изгиб
а − схема маятникового копра (1 − корпус; 2 − маятник; 3 − образец); б – расположение образца
Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца
К = G (h1 – h2),
G – вес маятника; h1, h2 – высота подъема маятника до испытания и после него.
Ударная вязкость:
KCU, KCV, KCT = K/F
F - площадь поперечного сечения образца в надрезе
Испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78)
14
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Образцы на ударный изгиб до и после испытаний
Испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78)
15
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Проблемы диагностики фактического состояния металла энергетического оборудования и трубопроводов
16
отсутствие «универсального» физического метода выявления дефектов и зон концентрации напряжений в металле;
отсутствие надежных портативных приборов и методик, позволяющих производить оценку комплекса физико-механических свойств металла в промышленных условиях.
Портативные приборы
Приборы механического действия
Приборы физического действия
Приборы физико-механического действия
Со статическим вдавливанием индентора
С динамическим вдавливанием индентора
Акустические
Электромагнитные
Вихретоковые
Импедансные
Акустико-механические
Магнито-механические
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Некоторые представленные на рынке портативные приборы для оценки механических свойств металла
17
Inatest-D
ТЭМП-4
Преимущества:
Малая масса (до 1 кг), удобство и простота использования.
Высокая производительность испытаний.
Недостатки:
Косвенные способы оценки твёрдости, основанные на корреляции твёрдости с различными физическими параметрами.
Зависимость результатов испытаний от массы и жёсткости изделий, а также от ориентации их в пространстве.
Оценка фактических значений физико-механических свойств металла с достаточной точностью возможна только при использовании твердомера прямого действия, обеспечивающего необходимые параметры испытания согласно действующим нормативным документам.
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Приборы для определения механических свойств металла, разработанные в МЭИ
18
МЭИ-Т7
МЭИ-Т12
МЭИ-Т8
а)
б)
в)
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Прибор МЭИ Т-7 на трубе (Конаковская ГРЭС)
19
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Применение методов индентирования для определения механических свойств материалов (методика НИУ «МЭИ»)
Определяемые характеристики прочности и пластичности:
Условный предел текучести σ0.2:
Временное сопротивление σВ:
Предельное равномерное удлинение δр.
Условная диаграмма растяжения в координатах «σ – δ» (а) и диаграмма вдавливания шара в координатах «твердость по Бринеллю НВ – средняя контактная деформация Ψвд» (б)
Возможности индентирования для определения механических свойств материалов
Проведение входного экспресс-контроля качества материалов.
Определение механических свойств на этапе производства, на готовых изделиях, после эксплуатации.
δр = f(σВ/σ0.2)
20
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»

Переносные приборы прямого механического действия
Преимущества:
Определение твёрдости прямым способом под нагрузкой, регламентированной ГОСТ.
Возможность регистрации диаграмм вдавливания и преобразования их в диаграммы растяжения.
Возможность определения твёрдости и комплекса других механических характеристик (E, σ0.2, σB и др.).
Обеспечение требуемой точности.
Недостатки:
Сравнительно большая масса (5 – 25 кг).
Необходимость использования специальных приспособлений для жёсткого крепления к изделиям.
Сложность использования в труднодоступных местах.
Сравнительно низкая производительность испытаний.
21
НИЛ «Механико-технологических испытаний и оперативной диагностики материалов» НИУ «МЭИ»