CC BY
13
УДК 543.423 389.6 д. ц ОДИНЕЦ
А. Л. КУЗНЕЦОВ Д. С. ШИШКИН
Омский государственный технический университет
Омский государственный университет путей сообщения
ОАО «Омский агрегатный завод»
РАЗРАБОТКА НОВЫХ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ МАТЕРИАЛОВ СПЕКТРАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ АНАЛИЗА
Рассматривается метод определения структурных особенностей материалов, который может быть применен для рентгеноструктурных способов количественного анализа. Особенностью метода лежит моделирование процессов, происходящих в низкотемпературной плазме и отражающих энергетическое состояние источника этой плазмы.
Совершенствование систем анализа и контроля качества материалов во многом определяет качество выпускаемой промышленной продукции. Особое значение уровня развития систем контроля качества производимой продукции приобретает при производстве и последующей эксплуатации узлов и агрегатов авиационного, железнодорожного и других видов транспорта. Успешное решение этой проблемы определяет не только качество выпускаемой продукции, но и позволяет прогнозировать сроки ее безаварийной эксплуатации.
Эффективность развития методов атомно-эмис-сионного спектрального анализа определяется не только совершенствованием традиционных способов количественного анализа, но и внедрением других, ранее не используемых, областей его практического применения. К их числу можно отнести возможность контроля структурных особенностей, определяющих физико-механические свойства материалов и изделий.
Используемые методы преобразования входных измеряемых параметров в искомый выходной с помощью градуировочных графиков является по своей сути прямым способом преобразования, не позволяющим решать вопросы исследования структурных особенностей. Определяющая роль должна принадлежать новым, более совершенным методикам и программному обеспечению на этапе математической обработки результатов измерений [1-2]. В основе создания таких методик лежит физическое моделирование процессов, происходящих в низкотемпературной плазме (НТП), отражающих энергетическое состояние источника этой плазмы, т.е. исследуемого образца.
В силу сказанного, использование косвенных способов преобразования на конечных этапах обработки информации, обязаны решать ряд следующих важных задач аналитического контроля:
• повышать точность результатов спектрального анализа, проводимого на отечественном и зарубежном оборудованииданного назначения;
♦ повышать экономическую эффективность контроля за счет использования минимального числа используемых стандартных образцов и сокращения времени выполнения текущих производственных анализов;
♦ осуществлять новые виды атомно-эмиссионной диагностики, например такие, как входной контроль, определение марок неизвестных материалов и определение физико-механических свойств материалов на базе исследования структурных свойств испытуемых образцов.
Актуальность перечисленных проблем очевидна, особенно в тех случаях, когда выпускаемое изделие работает в режиме высоких динамических нагрузок. В этих случаях структурные отличия материалов, выражающиеся в деформации кристаллической решетки либо изменении зернистости или других особенностей приводит в процессе эксплуатации к появлению внутренних напряжений. В последующем данное обстоятельство приводит к резкому увеличению градиента напряжений. Это является одной из причин возникновения на поверхности (или в подповерхностном слое) дефектов нарушений сплошности (трещин, раковин и волосовин). Происходит разрушение материала.
С целью уменьшения возможности появления таких факторов необходимо иметь набор надежных средств контроля не только химсостава материалов, но и их структурных отличий, вызывающих изменения механических свойств изделий.
Методы решения таких вопросов рассматриваются в данной работе. Исследования проводятся на основе физического моделирования, изложенного в работе [3]. При этом выделяется та часть, в которой рассматривается взаимозависимость многопарамет-ровых функций, обуславливающих изменение энергетических параметров НТП с изменением совокупности входных параметров элемента пробы Рх, Рхс1„ ХРК, ДРХ и контрольного эталона (стандартного образца) Р„ Р.кр, 1Р3, ДР-,. Эти параметры плазмы являются отображением энергетических состояний исследуемого и стандартного образцов.
В этом случае элемент пробы и эталона представляются единой изолированной неравновесной системой в виде следующих уравнений физической модели:
' U0 = {tg[(n/2) (Р„/Р0) )/tg[(*/2) (Р,ср/Рв) ]} ■
■{1д[(я/4)(£Рж + ДР3)/Р0]/
Лд[(я/4)(ЕРх-ДРэ)/Р0]}; < (1) иэх = {tg[(jt/2) (P/PJ ]/tg [ (тг/2) (Рхр/Р„) ]} •
•{1д[(я/4)(£Р3 + ДРх)/Р„]/ v. Лд[(я/4) (ЕР., -ДРХ)/РЦ]}.
Г LXJ = (2/7t) arctg{ [Рх (1Рх-ДР:,]/[Р>ср (ХРх + ДР3]; \ (2) L:)X = (2/n) arctg{[Р, (ZP:J-APK]/[Рэср (£Р:1 +ДРХ].
где Р„ - максимально возможное значение измеряемого параметра,
U,-, и U^ - параметры усиления спектрального излучения элемента пробы относительно эталона и соответственно эталона относительно пробы, Lx;, и Lax - задающие энергетические параметры элемента пробы относительно эталона и соответственно элемента эталона относительно пробы.
При этом рассматриваемые энергетические состояния изолированной системы определяются количественной взаимосвязью данных относительных параметров. Причем для данного состояния конкретных исследуемых образцов i и j эту взаимосвязь можно характеризовать в виде следующих уравнений:
J и„ • и„ = и,, = const;
L Lx:, + L„ = Ц = const.
Если изолированная система измерений в виде элемента пробы и эталона является равновесной, то при этом выполняется закон сохранения импульса силы и количества вещества, и система уравнений (3) может быть переписана в виде:
' U'„ • = U',, = 1;
J L'x3 + L'.,x = L\, = 1 ; (4)
JP', =SP'., =ZP' = const.
Причем справедливость этих уравнений сохраняется для любых элементов, независимо от разновидностей источников излучения.
Если в равновесных системах сохраняется импульс силы, то изменение количества движения A[X(mv)k] атомов и ионов для каждого элемента в плазме остается постоянным, и можно считать, что запас энергии такой системы (U'^.U'J, определяется запасом суммарной кинетической энергией атомов и ионов. Если же по отношению к контрольному эталону в испытуемом образце возникают структурные отличия, то их можно характеризовать появлением в облаке плазмы некоторой дополнительной энергией взаимодействия между частицами излучения. В результате этого возникает потенциальная энергия взаимодействия AW,, характеризующая наличие дополнительной структурной составляющей в образце,
обуславливаемой изменением его внутренней энергии. Тогда можно записать
= (и'х,+и',х)г(и„+и:,х)„
или через составляющие энергетического параметра Ц соответственно для равновесной и неравновесной изолированных систем
АЩ = (Ь'х:1 + 1Л,,),-(1,„ + Ь:1Х); =
= 1-1:ц=дц. (5)
Очевидно, что мерой такого изменения может служить возникающий фазовый сдвиг Ч* = - фи) между суммарными составляющими углов параметров и Ц в равновесных и неравновесных системах измерений. То есть
47 = (1(р;-Е(рь)1 = + Ь»), =
= 90" Д Ц. (6)
Физика явления возникновения дополнительных составляющих излучения в облаке плазмы за счет структурных различий пробы и контрольного эталона объясняется наличием в них для каждого элемента своей работы выхода частиц с поверхности исследуемых образцов. Поэтому для решения этой проблемы необходимо разделить составляющие спектрального излучения Ц, обусловленные количественной и структурной составляющих.
Для описания процессов в термодинамической системе с точки зрения структурной составляющей излучения следует рассматривать влияние процессов взаимодействия на атомном уровне на угловые распределения. При таком подходе к решению проблемы одним из основных параметров, описывающим данные угловые распределения, являются орбитальные моменты р при упругих и неупругих столкновениях в облаке плазмы.
Для спектрального излучения систему обобщенных импульсов р, и координат представляет фазовое пространство, в котором осуществляется расчет фазовых характеристик. При этом изменение состояния системы представляется как движение точки по некоторой траектории, называемой фазовой траекторией.
Исследуемое фазовое состояние определяется только характером взаимного расположения атомов отдельных элементов в облаке НТП. То есть фазовое состояние элементов плазмы отображает структурные изменения, происходящие в самой пробе. Поэтому общее фазовое состояние НТП может служить характеристикой структурных особенностей металла,
0 lTe U,k Ulk X
Рис.1. Количественные UIK, U,K и структурная L'c составляющие при анализе.
Опытные и расчетные данные для условных аналитических систем
Таблица 1
пробы N Р, Р яср Р, Р-Р к. К Л ДЬ Т"
РИС I РИС 1 70 50 70 50 0,5 0,5 45 + 45 1 0 0
2 70 50 50 70 0,7 0,3 63 + 27 1 0 0
НС II РИС I 140 100 50 70 0,6543 0.2185 58,9+19,7 0,8727 0,1273 11,4
2 140 100 во 100 0,6543 0,2999 58,9 + 27.0 0,9542 0,0458 4,12
3 140 100 92 100 0,6253 0,3457 56,3 + 31.1 0,9710 0,029 2,60
4 116 76 92 100 0,6543 0,3457 58,9 + 31,1 1,00 0 0
НС III РИС 1 100 140 70 50 0,3463 0,7820 31,1+70,4 1,1283 -0,1283 -11.5
2 100 140 160 140 0,3463 0,6249 31,1+56,3 0,9712 0,0288 2,59
3 100 140 180 140 0,3005 0,6537 27.0 + 58,9 0,9542 0,0458 4,10
4 140 180 180 140 0,3463 0,6537 31,1 + 58,9 1,00 0 0
НС IV РИС 1 220 230 90 90 0,4861 0,5361 43,7 + 48.3 1,0222 -0,0222 -2,00
2 220 230 230 230 0,4861 0,5141 43,7 + 46,3 1,0002 -0,0002 -0,02
3 220 230 229 230 0,4875 0,5139 43,8 + 46,2 1,0014 -0,0014 -0,12
4 219 230 229 230 0,4861 0,5139 43,8 + 46,2 1,00 0 0
являющегося источником взаимодействующих элементов в облаке плазмы.
Таким образом, в спектральном анализе появляется возможность исследования фазовых характеристик отдельных элементов НТП, как совокупности термодинамической системы, одинаковых по физико-химическим свойствам и независящих от количественного состава вещества. В данном случае сосуществующие фазы отделены друг от друга поверхностями раздела электроды НТП с избыточной поверхностной энергией. При этом в неоднородном поле неоднородностью фаз пренебрегают при условии, что ее размеры невелики и допускаемые при этом ошибки находятся в пределах точности измерений.
Если в идеальных изолированных системах для выбранного элемента) сумма углов между направлениями М,(гг и М*, составляет 90° и остается неизменной, то в неравновесных системах возникают дополнительные фазовые сдвиги (фазовое смещение) ДЧ'", обусловленные структурными особенностями материала пробы относительно используемого стандартного образца.
В дальнейшем параметры ]-го элемента равновесных изолированных систем будем обозначать со штрихами, а неравновесных - без штрихов.
Тогда из (6) в целом длят элементов плазмы имеем:
т
ДЧ", = ^=ДЧ/"1. (7)
1 = 2
На рис. 1 в полярных координатах изображены количественные и1к, и211 и структурная ис составляющие, расположенные на полярной оси X. Их значение определяют координаты Р1(р|,а,) от заданной точки полюса 0 в виде радиусов-векторов
Как следует из описанных выше законов сохранения энергии для неравновесных изолированных систем, структурная составляющая существует только в том случае, если сумма углов количественных составляющих отличается от 90°, тогда сумма углов
(аи + агк + ас) = 90"1
где ас = ДЧ^, а значения а,к определяются в соответствии с (2) по формуле
a,2K = tg(7t/2)[P,(ZP,-AP2)]/[Plcll(ZPl + ДР2)]. (8)
Если при этом (a)K + а2к)<90°, то значение ДЧ7, будет положительным (Ч-ДЧ^), если же (а1к + а2к)>90", то значение ДЧ*, - отрицательно (-ДЧ*,).
Для решения последующей практической задачи определения изменения физико-механических свойств материала необходимо построить градуиро-вочные характеристики, определяющие характер изменения исследуемого параметра, например твердости Т, в зависимости от изменения структурных особенностей, т.е. значений углов ДУ, рассчитываемых по выражению (7).
Градуировочные графики Т(ДЧ"') строятся по испытаниям опытных образцов, изготавливаемых на предприятии. Эти зависимости могут быть представлены также в виде расчетных таблиц.
Следует иметь в виду, что данный контроль можно проводить либо по изменению общего параметра о по нескольким элементам пробы (7), либо по одному параметру ДЧ'", элемент которого наиболее полно отражает изменение контролируемого значения. Выбор числа контролируемых элементов определяется работой выхода атомов и ионов этих элементов с поверхности материала. В зависимости от концентраций элементов выбираются элементы с большими или меньшими значениями работ выхода.
В табл. 1 для наглядности приведен численный пример четырех произвольно выбранных состояний изолированной системы. Два из них (1 и 2) определяют параметры равновесной системы, а состояния 3 и 4 характеризуют неравновесную систему.
Первый образец представлен параметрами входных сигналов Рх, PXC(J, Рэ, Рэср соответствующих равно-. весной изолированной системе (РИС). Для трех других образцов исходные данные соответствуют неизолированным системам (НС). Д ля этих проб на первых этапах данные эталонов преобразуются к параметрам линий однородной интенсивности (при Рср = const). Это соответствует следующей строке в таблице. Затем полученная система данных преобразуется в изолированную неравновесную систему, для которой справедлив только закон сохранения внугреннего энергетического параметра Ц по (4) и, наконец, преобразуется в равновесную изолированную систему (РИС), для которой дополнительно справедлив закон сохранения импульса силы.
Исходя из матрицы полученных данных, определяются значения фазовых смещений для оценок структурных отличий, а также набор данных, по которым определяются количественные содержания отдельных элементов.
При анализе полученных данных следует иметь в виду, что в любом случае при произвольном соотно-
шении входных сигналов для элемента пробы и контрольного эталона всегда должно выполняться соотношение
> АР« •
При проведении особо точных или контрольных испытаний для уменьшения влияния условий проведения эксперимента и изменения параметров внешней среды на первых этапах математической обработки полученных результатов измерений следует провести первый уточняющий этап вычислений при многоступенчатой обработке измерительной информации. В качестве этого уточняющего этапа можно также использовать известные традиционные методы обработки результатов.
Предлагаемый метод определения структурных особенностей материалов может быть применен также для рентгеноструктурных методов количественного анализа. Вследствие отсутствия процессов самопоглощения спектрального излучения и увеличения вследствие этого линейности выходных характеристик точность определения механических свойств материалов и готовых изделий будет увеличиваться.
Библиографический список
1. Морозов Н. А, Совершенствование методов атомно-эмис-сионного спектрального анализа металлов и сплавов с помощью ЭВМ//Заводская лаборатория. -1991.-N9 8.-С. 22.
2. Бродский В. 3., Иоффе Г. Р. и др. Разработка пакета прикладных программ "Математико-статистические методы обработки экспериментальных данных": В сб. Алгоритмическое и программное обеспечение математико-статистических методов планирования и анализа эксперимента в цветной металлургий/ М.: ВНИКИ, "Цветметавтоматика", 1983. - С. 33-42.
3. Никитенко Б.Ф., КаэаковН.С. Информационно-измерительные системы в атомно-эмиссионном спектральном анализе: 4.1 "Автоматизированный методконтрольного эталона для всего диапазона анализа"// - Дефектоскопия.-1998. - № 10. - С. 64-88.
ОДИНЕЦ Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета. КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения.
ШИШКИН Дмитрий Сергеевич, технический директор ОАО «Омскагрегат».
