Процессный подход при оценке сопротивления импульсному разрушению металлических материалов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

14. Экономическая стратегия фирмы / Под ред. А.П. Градова. 4-е Изд., перераб. СПб.: Специальная литература. 2003. 959с.

15. Бринза В.В., Коровин А.В., Лосицкий А.Ф., Рождественский В.В., Филиппов В.Б. Технический комплекс металлургического завода: моделирование перспектив развития // Национальная металлургия. 2003. №1. С.87-94.

16. Бринза В.В., Юрьев А.Б., Коровин А.В., Кузнецов И.С. Прогнозирование результатов технического перевооружения металлургических предприятий // Национальная металлургия. 2002. №4. С.46-56

17. Бринза В.В. Менеджмент качества металлургической компании как объект прогностическо-

го моделирования // Качество в обработке материалов. 2014. №1. С.9-20

18. Гун Г.С. Управление качеством высокоточных профилей. М.: Металлургия. 1984. 152с.

19. Рубин Г.Ш., Чукин М.В., Гун Г.С., Гун И.Г. Развитие квалиметрии метизного производства // Инновационные процессы обработки металлов давлением: Сб. докл. международной научно-технической конференции. М.: НИТУ «МИСиС». 2011. С.320-325.

20. Корчунов А.Г., Чукин М.В., Гун Г.С., Полякова М.А. Управление качеством продукции в технологиях метизного производства. / М.: Издательский дом «Руда и металлы». 2012. 164с.

УДК 658.56

Атрошенко С.А., Грибанов Д.А.

процессный подход при оценке сопротивления

импульсному разрушению металлических

материалов

Аннотация. Определены основные квалиметрические показатели металлических материалов испытанных при коротком времени нагружения (Т =1 мкс) с помощью высокоскоростного расширения магнитно-импульсным методом. Предложена методика квалиметрической оценки сопротивления разрушению металлических материалов, испытанных магнитно-импульсным методом.

Ключевые слова: оценка качества; магнитно-импульсный метод растяжения; кольцевые образцы; диаграмма сравнения показателей качества, планирование эксперимента

В ряде областей новой техники выбор материала для изделий и элементов конструкций в виде труб, эксплуатация которых предполагается в условиях возникновения импульсных нагрузок, должен быть рациональным, обоснованным с точки зрения формирования необходимых эксплуатационных характеристик изделий. В связи с этим объективное определение рационального уровня характеристик применяемых материалов является важной, актуальной задачей, способной повысить рентабельность производственных процессов, экономики предприятия, региона и страны в целом. Для решения поставленной задачи использовались методы статистического анализа информации, квалиметрические инструменты оценки качества объектов, экспериментальные методы исследования металлических материалов. Предложена методика квалиметрической оценки сопротивления разрушению металли-

ческих материалов, эксплуатируемых в условиях возникновения ударного воздействия. В ней предложено увеличить число показателей качества по сравнению с традиционно используемыми, в данных условиях эксплуатации изделий. Предлагаемый способ исследования материалов путем испытания кольцевых образцов на магнитно-импульсной установке в комплексе с инструментами квалиметрической оценки (в отличие от экспертных) увеличивает объективность оценки, позволяет смоделировать дорогостоящие натурные испытания деталей и дает положительный экономический эффект.

Методика магнитно-импульсного нагружения. Магнитно-импульсное нагружение кольцевых образцов проводилось по методике, описанной в работе [2].

Методика квалиметрической оценки. Разработанная методика проведения оценки

сопротивления разрушению металлических материалов реализована трехуровневым алго-

ритмом с применением процессного подхода (рис. 1).

Рис 1. Методика проведения квалиметрической оценки сопротивления разрушению металлических материалов, испытанных магнитно-импульсным методом

При анализе процесса организации оценки качественных характеристик кольцевых образцов получено следующее разделение её на процессы и подпроцессы:

Процесс I. Выбор марки металлического материала (вход (ВХ) - требования нормативных документов и заказчика, выход (В) - фактические характеристики металлического материала);

Подпроцесс:

а) подготовка кольцевых образцов к испытаниям (ВХ - нормы по технологическому процессу изделия, В - условия испытаний маг-

нитно-импульсным методом (длительность импульса действующей нагрузки на образец, поперечное сечение кольцевого образца));

б) проведение испытаний кольцевых образцов металлических материалов магнитно-импульсным методом;

в) формирование совокупности показателей качества, по которым будет произведена квалиметрическая оценка (твердость, растягивающее напряжение, количество вязкой составляющей в изломе, время до разрушения, размер зерна, количество пор);

г) проведение исследований кольцевых образцов металлических материалов и определение значений показателей качества.

Поверхности разрушения алюминиевых образцов в виде колец после испытаний исследовались на оптическом микроскопе Axio-Observer-Z1-M в темном поле. Количество вязкой составляющей в изломе (В, %) определялось по формуле, приведённой в ГОСТ 30456-97 [1]. Площадь хрупкой составляющей определялась измерением площади хрупкого излома по фотографии. Микротвердость определялась на микротвердомере SHIMADZU серии HMV-G по методу восстановленного отпечатка четырехгранной алмазной пирамиды с углом 136о между гранями и квадратным основанием (по методу Виккерса).

Процесс II. Определение квалиметриче-ских инструментов оценки (ВХ - в зависимости от цели оценки качества изделий предложены следующие основные инструменты ква-лиметрической оценки - диаграмма сравнения показателей качества, функция желательности, планирование эксперимента, причинно-следственная диаграмма Исикавы, диаграмма Парето. В случае необходимости проведения более детальной оценки, предложены дополнительные инструменты оценки с учетом весовых коэффициентов - секторные диаграммы, горизонтальные гистограммы, а также дополнительные инструменты детальной оценки с учетом связей свойств металлических материалов - корреляционный анализ по диаграмме разброса и регрессионный анализ, В - инструмент квалиметрической оценки).

Процесс III. Оценка сопротивления разрушению и анализ металлических материалов (ВХ - значения показателей сопротивления разрушению металлических материалов, В -наиболее подходящий металлический материал для изделия, эксплуатация которого предполагается в условиях возникновения ударного воздействия).

Современные квалиметрические инструменты качества адаптированы к задаче оценивания сопротивления разрушению металлических материалов, эксплуатация которых предполагается в условиях возникновения ударного воздействия, а именно: функции желательности Харрингтона, диаграммы сравнения показателей качества, планирования эксперимента, корреляционного анализа по диаграмме разброса, секторных диаграмм, горизонтальных гистограмм, регрессионного анализа. Так, например, проведена оценка качест-

венных характеристик кольцевых образцов с помощью планирования эксперимента.

При планировании в соответствии с методикой [3], был реализован полный двухфак-торный эксперимент. Параметром оптимизации являлось время до разрушения алюминиевого образца, факторами оптимизации были выбраны длительность импульса и площадь поперечного сечения образца. Исходные данные для планирования эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1 Исходные данные для планирования

№ п/п Длительность импульса Т, мкс Площадь поперечного сечения S, мм2 Время до разрушения t, мкс

1 7,5 0,12 13,4

2 7,5 0,15 13,4

3 1,0 0,042 2,65

4 1,0 0,023 4,17

В выбранной линейной модели, для построения аппроксимирующей функции:

y = f (Xi, Х2, ... xk)

(1)

где у - критерий оптимизации, величина которого контролируется в ходе эксперимента;

- факторы, которые решено варьировать при проведении эксперимента, которая строится в виде полинома:

y = bo + bixi + ¿2X2

(2)

где ¿о, ¿1, ¿2 - коэффициенты регрессии функции отклика, определены основной уровень хо по формуле (3) и интервал варьирования I по формуле (4) управляющего параметра х¡.

Хп

Х + x

Лшах 1 Лш1п

2

(3)

где Хтах - верхний уровень фактора; -нижний уровень фактора;

j _ Хшах Xmin

" 2

(4)

Для упрощения планирования эксперимента, кодирование реальных (натуральных)

уровней хI значений факторов проведено с помощью следующего преобразования:

Таблица 2

х.

х_х

I,

(5)

где х^ - натуральное значение фактора; I, - интервал варьирования; х0 - основной уровень; х, - кодированное значение.

В результате х, принимает значения на границах х, = ±1, на основном уровне х, = 0.

По значениям факторов оптимизации (основной уровень (х0), интервал варьирования

(I), верхний уровень (Хтах), нижний уровень

(ХтШ )) для проведенных экспериментов строится матрица планирования экспериментов.

Коэффициенты регрессии функции отклика рассчитаны по формуле:

N

Е ху

Ь = и=1

N

(6)

Факторы Длительность импульса Т, мкс Площадь поперечного сечения 5", мм2

Код XI Х2

Основной уровень (х0) 4,25 0,0865

Интервал варьирования (I,) 3,25 0,0635

Верхний ур°вень (Хтах) 7,5 0,15

Нижний уровень ( хтп ) 1,0 0,023

В табл. 3 приведена матрица планирования экспериментов.

Таблица 3

Номер опыта Факторы (х,) Время до разрушения t, мкс

Хо Х1 Х2 у

1 +1 +1 +0,53 13,4

2 +1 +1 +1 13,4

3 +1 -1 -0,70 2,65

4 +1 -1 -1 4,17

где уи - параметр состояния в и-том опыте; N - общее число опытов.

В табл. 2 приведены значения факторов оптимизации для проведенных экспериментов.

Коэффициенты регрессии функции отклика рассчитанные по формуле (6) приведены ниже.

ь _ (+1)-13,4 + (+1)-13,4 + (+1)• 2,65 + (+1)• 4,17 =8405 0 4 ,

ь _ (+1)• 13,4 + (+1)• 13,4 + (-1)• 2,65 + (-1)• 4,17 =4995

1 4 ,

_ (+0,53) • 13,4 + (+1) • 13,4 + (-0,70) • 2,65 + (-1) • 4,17 =

3 , 6 1 9

2 4

Уравнение регрессии, рассчитанное по формуле (2), имеет следующий вид:

у = 8,405 + 4,995х1 + 3,619х2

Таким образом, достижение максимальных значений времени до разрушения алюминиевого образца возможно при приближении значений факторов к верхнему уровню выбранного интервала варьирования.

По результатам проведенного планирования эксперимента можно сделать следующие выводы:

- значения времени до разрушения алюминиевого образца возрастают при повышении длительности импульса и увеличении площади поперечного сечения образца в выбранных интервалах варьирования;

- сопоставление коэффициентов регрессии при соответствующих факторах показывает, что наибольшее влияние в проведенных экспериментах имеет длительность импульса.

Проведена оценка качественных характеристик кольцевых образцов с помощью диаграммы сравнения показателей качества. Дифференциальным методом определяется, соответствует ли качество оцениваемого образца качеству базового образца в целом, и какие показатели свойств оцениваемого образца превосходят или не соответствуют показателям базового образца, а также, на сколько, отличаются аналогичные показатели свойств. При этом учитываются наиболее значимые свойства объекта и условно считаются как равнозначимые.

В соответствии с методом оценки [4], рассчитаны отдельные относительные показатели уровня качества оцениваемой продукции

Ч/ по прямой формуле (7) и обратной (8):

ние 1-го единичного показателя свойства оцениваемой продукции.

Прямая формула (7) применялась для расчета относительных показателей качества, когда повышение качества образца характеризуется уменьшением показателей - размер зерна. Обратная формула (8) применялась для расчета относительных показателей, когда повышение качества характеризуется увеличением показателей - твердость, количество вязкой составляющей в изломе.

Количественно величины итоговых показателей качества образцов, т.е. уровень качества (Ук) рассчитаны как средние арифметические значения всех уровней учитываемых свойств (^г), сопоставляемых (оцениваемого и базового) образцов по формуле:

„ _ Р/баз

= Р. /оц

Р. = юц

/баз

(7)

(8)

где q7 - относительный показатель качества, оцениваемый по 7-му свойству; Р7баз - значение 1-го показателя базового образца; Р7оц - значе-

1 п

У = - £ Ч/ ■

к пг =1 г

(9)

Приведено описание результатов экспериментальных исследований алюминиевых кольцевых образцов, испытанных магнитно-импульсным методом, характеристики сопротивления разрушению которых приведены в табл. 4. В табл. 5 приведены результаты расчетов уровней качеств алюминиевых образцов.

Таблица 4

Значения показателей качества кольцевых образцов_

№ п/п Наименование показателя качества Базовые значения №1 Значение показателя качества образца

№2 №3 №4 №5

при испытании с длительностью импульса Т, мкс

38 7,5 5,5 7,5 1

1. Размер зерна В3, мкм 4,6 8,2 0,45 1,2 3

2. Твердость по Виккерсу НУ, МПа 1175 1461 992 1098 1202

3. Количество вязкой составляющей в изломе В,, % 80 98,2 92,3 96,5 91,5

Таблица 5

Оценки уровней качеств алюминиевых образцов_

№ п/п Наименование показателя качества Обозна чение, qi Относительное значение показателя качества образца

№1 №2 №3 №4 №5

при испытании с длительностью импульса Т, мкс

38 7,5 5,5 7,5 1

1. Размер зерна ql 1 0,56 10,22 3,83 1,53

2. Твердость по Виккерсу q2 1 1,24 0,84 0,93 1,02

3. Количество вязкой составляющей в изломе qз 1 1,23 1,15 1,21 1,14

Уровень качества образца У ■ ^ К7 1 1,01 4,07 1,99 1,23

Для более точной и информативной оценки технического уровня, характеризующего качество образцов, построена диаграмма сравнения показателей качества (рис. 2), на которой наглядно видно, по какому показателю следует принимать управленческие и технические решения.

При анализе диаграммы сравнения показателей качества (рис. 2) и на основе итоговых значений показателей качества для образцов, испытанных по разным режимам, можно сделать следующие выводы:

- в материале образца, испытанного по режиму №3, наблюдается улучшение по всем показателям, за исключением параметра «Твердость по Виккерсу»;

- площадь многоугольника, занимаемая показателями режима №3 значительно больше площади многоугольников, занимаемых показателями режимов №1, №2, №4 и №5 что свидетельствует о превосходстве режима №3;

- при существенно более коротком импульсе ударного воздействия (режим №3) об-

разец имеет максимальное значение Ук3 = 4,07, по сравнению с Ук2 = 1,01, Ук4 = 1,99, Ук5 = 1,23, что указывает на преимущество использования этого режима для проведения испытаний кольцевых материалов.

Список литературы

1. ГОСТ 30456-97 Металлопродукция. Прокат листовой и трубы стальные. Методы испытания на ударный изгиб.

2. Морозов В.А., Петров Ю.В., Лукин А.А., Атрошенко С.А., Грибанов Д.А. Разрыв металлических колец при ударном нагружении магнитно -импульсным методом // Журнал технической физики. - 2014. - №9. - С. 78-85.

3. Новик, Ф.С., Арсов, Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. - М.: Машиностроение, София, Техника, 1980. - 304 с.

4. Федюкин В.К. Квалиметрия: учебное пособие. - СПб.: СПбГИЭУ, 2009. - 365 с.

Режим №1

-Режим №2

Режим №3 —«—Режим №4 -«-Режим №5

Рис. 2. Диаграмма сравнения показателей качества