книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

щие. Такому контролю (часто в совокупности с другими мето­ дами контроля) подвергаются обычно газовые баллоны, раз­ личные силовые цилиндры гидравлических и пневматических систем, стволы охотничьих ружей, многие детали транспорт­ ных и подъемных механизмов и др.

После контроля нагружением целесообразно проконтроли­ ровать деталь приемлемым для нее неразрушающим методом контроля, так как могли вскрыться или появиться трещины. Если эти трещины своевременно не обнаружить, то в дальней­ шем в процессе эксплуатации они могут явиться причиной усталостного разрушения детали.

Разрушающим испытаниям могут подвергаться образцы, заготовки, детали, узлы, машины в целом и системы машин. Разрушающие испытания позволяют получать показатели наз­ начения, надежности и технологичности продукции. Получение показателей надежности машин и их элементов методом раз­ рушающих испытаний является сложной задачей и рассматри­ вается в специальной литературе.

Многие показатели назначения и технологичности мате­ риалов, заготовок и деталей машин определяются стандартны­ ми методами разрушающих испытаний.

Оценка качества материалов основывается на знании их свойств. Показателями качества конструкционных материалов являются их механические свойства, определяемые при меха­ нических испытаниях. Механическими испытаниями выявляет­ ся способность металла сопротивляться деформации или де­ формироваться под действием нагрузки; определяются преде­ лы, до которых металл способен выдерживать внешние на­ грузки без разрушения.

Определение показателей механических свойств материа­ лов проводится с целью контроля качества материалов, приме­ няемых в производстве, контроля качества деталей на различ­ ных стадиях технологического процесса их изготовления.

Показатели механических свойств материалов зависят от конкретных условий, при которых они получены. В связи с этим применяются различные виды и методы механических испытаний металлов, позволяющие характеризовать их свой­ ства в различных условиях, по возможности близких к усло­ виям, в которых они эксплуатируются.

В зависимости от характера действующей на металл на­ грузки механические испытания подразделяются на следую­ щие: статические, динамические (ударные); испытания при~ повторно-переменном нагружении (испытания на выносли­ вость); кратковременные и длительные. В зависимости от тем­ пературы испытаний их подразделяют на испытания при низ­ ких, обычных и высоких температурах.

221

В отдельную группу выделяют технологические испытания: измерение твердости, определение пластичности и др. Иногда проводят натурные испытания механических свойств изделии на стендах, однако такие испытания трудоемкие и дорогостоя­ щие, им всегда предшествуют определения механических свойств материалов на образцах.

При разрушающих испытаниях детали подвергаются раз­ рушению под действием механических нагрузок или разреза­ ются, чтобы можно было исследовать деталь внутри. Чаще при разрушающих методах контроля испытаниям подвергается часть детали. Так, при испытаниях на растяжение образец вы­ резают из детали.

Естественно, что детали, которые в дальнейшем будут ис­ пользоваться в изделиях, не могут подвергаться контролю раз­ рушающими методами.

Преимущество разрушающих методов контроля заключает­ ся в том, что они дают возможность получить количественные характеристики. Правда, при каждом испытании получают обычно одну характеристику (например, предел выносливо­ сти, твердость и т. д.).

Для получения при разрушающем контроле достоверных данных о всей партии деталей необходимо, чтобы свойства контролируемых деталей не имели заметного различия. В про­ тивном случае результаты разрушающего контроля могут не соответствовать поведению деталей в эксплуатации.

При использовании разрушающих методов контроля невоз­ можно в партии отделить хорошие детали от бракованных. Если партия целиком бракуется по результатам разрушающего контроля, то в ней оказываются забракованными и хорошие детали. В этом случае, если стоимость хороших деталей в за ­ бракованной партии значительна, целесообразно провести сор­ тировку партии с помощью неразрушающих методов контроля.

Разрушающие методы контроля являются выборочным контролем. Но в настоящее время выборочный контроль ответ­ ственных деталей, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, не может гарантировать их эксплуатационную на­ дежность и поэтому является недостаточным. Надежные ре­ зультаты при контроле таких деталей, рассчитанных с мини­ мальным запасом прочности, могут быть получены лишь при сплошном контроле неразрушающими методами.

Методы контроля без разрушения или повреждения конт­ ролируемого объекта включают все методы определения или измерения свойств или характеристик материалов, деталей или изделий, которые не ухудшают их эксплуатационную надеж­ ность. К таким методам относятся не только те, которые при­ нято называть физическими методами контроля, но также и

222

другие, дающие возможность получать ту или иную информа­ цию об изделиях (пли их деталях) без их разрушения или повреждения.

Методы контроля без разрушения или повреждения конт­ ролируемого объекта включают:

внешний осмотр невооруженным глазом или с помощью оптических приборов;

испытание агрегатов машин и машин в целом на стендах, специализированных установках и приспособлениях для опре­ деления степени изменения рабочих параметров и выявления причин, приводящих к этим изменениям;

контроль качества поверхности; контроль формы и геометрических параметров деталей, уз­

лов и изделий в целом путем обмера; определение толщины металлических и неметаллических

листов, труб, тонкостенных деталей, толщины металлических и неметаллических покрытий физическими методами контроля; выявление несплошности материала деталей и узлов (тре­

щин, раковин, неметаллических включений и т. д.); определение структуры металла, его твердости, прочности,

электропроводности, коэрцитивной силы ферромагнитных ме­ таллов, правильности выполнения процесса термической обра­ ботки сплавов, сортировку сплавов по маркам и т. п. с по­ мощью физических методов контроля.

К неразрушающим методам контроля в настоящее время относят все перечисленные методы контроля за исключением испытаний агрегатов изделий и изделий в целом с целью опре­ деления их рабочих параметров, контроля качества поверхно­ сти и контроля геометрических параметров путем обмера.

Качество поверхности деталей машин — важный фактор, з значительной степени определяющих их надежность и долго­ вечность, особенно после более или менее длительной эксплуа­ тации. К сожалению, до последнего времени из многочислен­ ных факторов, входящих в понятие «качество поверхности» (шероховатость поверхности, степень наклепа поверхностного слоя, наличие и характер остаточных напряжений и т. д.), практически определяется только шероховатость поверхности, да и то не всегда.

Несоответствие геометрических параметров деталей (их размеров, формы, взаимного расположения поверхностей) нор­ мативной докуметации может возникнуть как в процессе про­ изводства, так и в процессе эксплуатации из-за износов, де­ формаций и пр. Определение характера и величины изменения геометрических параметров деталей производится с помощью измерительных инструментов и приборов с необходимой для каждого конкретного случая точностью.

233

К отклонениям формы деталей относятся: неплоскостность, непрямолинейность. овальность, конусообразность, бочкообразность, седлообразность, изогнутость и т. п. К отклонениям расположения поверхностен относятся: непараллельность пло­ скостей, непараллельность осей поверхностей вращения, тор­ цевое биение, радиальное биение, несоосность и т. п.

Обмером также определяется характер и величина дефор­ мации деталей и агрегатов, размеры повреждений, величина люфтов, отклонение регулировочных данных машин от уста­ новленных техническими условиями величин, величина зазора в сочленении и т. д. Этим же способом производится нивели­ ровка машин.

Под неразрушающими методами контроля понимаются фи­ зические методы контроля, включающие методы обнаружения или измерения основных свойств или рабочих характеристик материалов, полуфабрикатов, деталей, узлов, агрегатов и из­ делий с целью установления их пригодности для определен­ ных целей с помощью испытаний, не уменьшающих их при­ годности к применению.

При использовании перазрушающих методов контроля должен быть установлен уровень качества (нормы браковки) так как при его отсутствии возможны случаи необоснованного забракования или. наоборот, пропуска в эксплуатацию деталей с дефектами. Неразрушающие методы контроля не изменяют качество изделий. Их назначение заключается в том, чтобы спо­ собствовать поддержанию заданного уровня качества, а в слу­ чае необходимости они могут способствовать его повышению.

Большинство неразрушающих методов контроля предназ­ начено для определения качества или некоторых эксплуата­ ционных характеристик контролируемого изделия (детали). С помощью перазрушающих методов контроля дефекты, как правило, выявляются косвенным путем. В местах расположе­ ния дефектов изменяются обычно физические характеристики материала детали. Выявление дефектов с помощью исследова­ ния этих изменений и является физической основой неразру­ шающих методов контроля. Измеряемые характеристики часто не оказывают существенного влияния на эксплуатационные характеристики контролируемого объекта. Например, при ис­ пользовании магнитных методов контроля для выявления де­ фектов типа несплошности материала определяется наличие или отсутствие магнитных полей рассеяния. При этом магнит­ ные поля рассеяния сами по себе не оказывают влияния, на­ пример, на срок службы детали, но несплошности, выявляемые при этом, оказывают на него весьма существенное влияние.

Большинство неразрушающих методов контроля позволяет, помимо исследования наружной поверхности, определять нару-

224

шепия сплошности материала детали, скрытые во внутренних областях. Это способствовало расширению их применения в промышленности.

С помощью неразрушающих методов контроля выявляют­ ся дефекты, возникающие в процессе производства, ремонта или эксплуатации изделий. Чаще всего эти методы применя­ ются для выявления несплсшностей в материале полуфабри­ катов п деталей: трещин различного происхождения, раковин, рыхлот, неметаллических включений в металлах и металличе­ ских в неметаллах и т. д. Методы неразрушающего контроля применяются для контроля сварных, клеевых, паяных и диффу­ зионных соединений, при этом выявляются непровары, рако­ вины, трещины, включения в сварных соединениях, непропай, иепроклей и т. д. Эти же методы дают возможность выявлять расслоения в слоистых неметаллических материалах.

Контроль геометрических параметров также можно произ­ водить с помощью неразрушающих методов, например: конт­ роль размеров заготовок и деталей, если их прямое измерение трудно или невозможно осуществить, контроль диаметров прутков, труб (внутреннего и наружного) даже в поточной линии, контроль толщины листов и стенок труб при односто­ роннем подходе, контроль толщины гальванических и неметал­ лических покрытий, контроль толщины неметаллических пле­

Неразрушающие методы контроля позволяют производить сортировку металлов по маркам, выявлять отклонения хими­ ческого состава, определять качество термической обработки, измерять толщину слоя цементации, поверхностной закалки п т. п., глубину наклепанного слоя, выявлять зоны структур­ ной неоднородности, определять электропроводность (бескон­ тактно) и коэрцитивную силу и т. д.

Указанные свойства могут определяться абсолютно, отно­ сительно или дифференциально.

Следует учитывать, что нет универсальных методов нераз­ рушающего контроля. Каждый имеет свою область применения и используется для выявления определенных видов дефектов.

Вполне понятно, что, кроме выявления дефекта и его ха­ рактера, следует оценить степень его влияния на надежность и долговечность изделия.

Следует иметь в виду, что при неразрушающих методах контроля нельзя получить данные о влиянии различных дефек­ тов на надежность и долговечность изделий. Такого рода дан­ ные могут быть получены с помощью разрушающих методов контроля.

Большинство результатов, получаемых при неразрушающих методах контроля — качественные, а не количественные, по­

этому контролер должен обладать достаточной квалификаци­ ей, чтобы расшифровать эти результаты.

Многие из неразрушающих методов контроля уже получи­ ли широкое распространение в промышленности. Этому спо­ собствовали многие факторы: усложнение конструкции изде­ лий и технологических процессов их изготовления; увеличение действующих напряжений (ввиду увеличения нагрузок на из­ делия и стремления к уменьшению их массы), частоты дейст­ вующих нагрузок и многие другие.

Требования к повышению качества материалов, необходи­ мость контроля состояния деталей в процессе эксплуатации также способствуют более широкому использованию этих ме­ тодов.

Удовлетворить всем требованиям контроля одни разруша­ ющие методы уже не в состоянии. Они не могут обеспечить надежность критических элементов современных конструкций. Очевидно, что особенно тщательно должны контролироваться детали конструкций, рассчитанных с минимальным запасом прочности. При этом необходим не выборочный, а сплошной контроль, так как в противном случае не будет гарантирован достаточный уровень качества всех деталей. А сплошной конт­ роль возможен только при использовании методов неразруша­ ющего контроля. В этих условиях неразрушающие методы контроля являются необходимой составной частью технологи­ ческих процессов.

Следует отметить, что во многих случаях неразрушающие методы контроля, хотя они и являются косвенными, обладают большей чувствительностью, точностью и надежностью, чем даже широко распространенные и более дорогостоящие пря­ мые методы — испытания для определения механических свойств.

Неразрушающие методы контроля очень эффективны и об­ ладают целым рядом достоинств.

Применение неразрушающих методов контроля способст­ вует обеспечению долговечности изделий, а в некоторых слу­ чаях и улучшению конструктивных решений.

Благодаря неразрушающпм методам контроля снижаются затраты на производство, так как дефекты выявляются на ранней стадии изготовления изделия.

Неразрушающие методы контроля можно использовать на любом машиностроительном предприятии. Необходимо уметь не только правильно выбрать метод контроля и методику его проведения, но и правильно объяснить полученные результаты. В противном случае ценность контроля заметно снижается. Для правильного толкования результатов контроля контролер помимо практического опыта должен знать существующие ме­

226

По оси абсцисс отложено удлинение образца (деформация) Д/, а по оси ординат — значение соответствующей нагрузки Р (силы сопротивления ме­

талла).

До нагрузки Р е происходит только упругая деформация'образца, меж­ ду нагрузкой и деформацией сохраняется прямолинейная зависимость. Де­ формация А1 на этом участке кривой растяжения прямо пропорциональна величине нагрузки Р и длине образца /0 и обратно пропорциональна ис­ ходной площади поперечного сечения образца F 0 и модулю нормальной упругости Е (модуль Юнга):

:

Е— = tg

т. е. модуль нормальной упругости определяется, как тангенс угла наклона первого прямолинейного участка кривой растяжения к оси абсцисс.

Модуль нормальной упругости характеризует сопротивление материала упругой деформации, его величина в значительной степени определяется составом сплава, главным образом его основой.

Максимальное напряжение, до которого в материале происходит толь-

практически определяется условный предел упругости Оо.ооа — напояжение, при котором величина остаточной деформации составляет 0,002% перво­ начальной длины образца /0.

Для большинства конструкционных материалов предел упругости прак­ тически совпадает с пределом пропорциональности ЯПц — силой сопротивле­ ния металла, до которой сохраняется прямая пропорциональность между действующей нагрузкой Р и деформацией ДI. Для материалов с перемен­ ным значением модуля £ (чугун, медь и др.) предел упругости выше преде­ ла пропорциональности.

Дальнейшее увеличение нагрузки на образец вызывает значительную его деформацию. Зависимость между Р и Д/ становится криволинейной (см. рис. 52) и не поддается описанию единым математическим уравнением. Это объясняется начавшимся в материале принципиально новым, отличным от упругой деформации, физическим процессом — пластической деформа­

цией.

В начале области пластической деформации наблюдается интенсивное увеличение деформации материала без заметного повышения нагрузки. На диаграмме растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором развивается интенсивная пластическая деформация, называется пределом текучести a s:

Fa

При растяжении легированных сталей, алюминиевых сплавов и неко­ торых других материалов площадки текучести на диаграмме растяжения

228

может и не быть. Кривая будет иметь плавный ход. Учитывая это обстоя­ тельство, введено понятие «условного предела текучести» (То,2 — напряже­ ния, при котором величина остаточной деформации составляет 0.2% перво­ начальной длины образца:

Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается развитием пластиче­ ской деформации, распределяющейся в образце приблизительно равномер­ но. При достижении максимальной нагрузки Р т а х происходит интенсивная местная пластическая деформация, появляется местное сужение образца — шейка. При дальнейшем растяжении, в силу наличия шейки, сопротивление образца действию нагрузки падает, и образец разрушается в точке К при

шаются при достижении максимальной нагрузки без заметной пластической деформации. Зная максимальную нагрузку, которую выдерживает образец, получают значение предела прочности материала при растяжении

при испытании на растяжение. Следовательно, при испытании на растяже­ ние определяются показатели упругих свойств (жесткости) и прочности — модуль нормальной упругости, пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности.

Кроме того, испытания на растяжение позволяют получить характери­ стики пластичности — относительное удлинение б и относительное суже­

ние ЧС Относительное удлинение после разрыва определяется по формуле

h — /0 Д/

6 = — ------5- • 10096 = — - 100»6 ,

lo to

где /0 и 1а — расчетная длина образца до растяжения и после разрыва. Относительное удлинение зависит от соотношения между длиной об­

разца и его диаметром. Следовательно, для получения сопоставимых ре­ зультатов испытаний необходимо установить стандартное соотношение между длиной и площадью поперечного сечения образца. Такое соотноше­ ние было установлено на основании опытов Баушингера и закона подобия,

найти связь между расчетной длиной образца и площадью поперечного се­

229

Эти соотношения действительны для образцов любой формы сечения. Расчетная длина образца до растяжения обозначается на его рабочей ча­ сти кернами пли рисками. Для определения Д — расчетной длины образца после разрыва — части образца складывают так, чтобы их оси образовали прямую линию, и измеряют расстояние между кернами или рисками.

Если образец разрушился не посередине между кернами, то расчетную длину образца после разрыва Д определяют с отнесением места разрыва к середине.

Сопоставлять между собой можно те значения относительного удлине­ ния б, которые получены на геометрически подобных образцах. Обычно б снабжается индексом, указывающим, при каком соотношении / и d образца проводилось испытание (6ю, 6r„ 62.s).

Относительное сужение после разрыва для цилиндрических образцов определяется по формуле

формы не рекомендуется. Испытания на растяжение проводятся в соответ­ ствии с ГОСТ 1497—73. Кроме того, действуют ГОСТ 11701—66, ГОСТ 10446—63 и ГОСТ 12004—66. Эти стандарты не имеют существенных рас­ хождений с рекомендациями СЭВ и ИСО. Испытания на растяжение мо­ гут проводиться при пониженных (ГОСТ 11150—65) и повышенных (ГОСТ 9651—73) температурах. Образцы для испытаний на растяжение изготов­ ляются в соответствии с требованиями стандартов. При этом должны быть приняты меры, которые исключали бы изменение свойств материала вслед­ ствие его нагрева или наклепа (интенсивное охлаждение, снижение скоро­ сти резания и т. п.).

Измерение образцов до испытаний должно производиться с точностью не ниже 0.01 мм при диаметре образцов до 10 мм и с точностью не ниже 0,05 мм при диаметре образцов больше 10 мм.

После испытаний размеры образцов определяют с точностью не ниже 0,1 мм. Каждое измерение производят не менее чем в трех местах рабочей части образца (в середине и по краям).

Испытания на растяжение проводятся на разрывных испытательных машинах при условии соответствия их требованиям ГОСТ 7855—68.

Измерение силы, действующей на образец, производится с помощью маятникового измерения силы сопротивления образца, иногда с помощью упругих элементов, деформация которых пропорциональна действующей

силе.

Деформация образца регистрируется по перемещению одного из захва­ тов машины. Для получения более точных данных применяются тензомет­ ры, приборы, измеряющие удлинение непосредственно на рабочей части образца.

Разрывные машины обычно снабжены показывающими и записываю­ щими приборами. В результате испытаний получают диаграмму растяже­

ния. записанную в определенном масштабе.

Предел текучести (физический) может определяться по диаграмме рас­

образца /о, находят заданное остаточное удлинение (0,2% от /о). Получен­ ную величину переводят в масштаб оси абсцисс диаграммы и откладывают

230