Повышение точности автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе выявления взаимосвязей между их параметрами и пористостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Матросов, Александр Евгеньевич

• Матросов, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матросов, Александр Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Существующие методы и средства автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов на основе оценки их пористости.

1. 1. Анализ зависимости физико-механических свойств материалов от их пористости.

1. 1.1. Металлокерамика.

1. 1.2. Керамика.

1. 2. Сравнительный анализ существующих автоматизированных средств измерения пористости материалов на технологических потоках производств.

1. 3. Цель исследования и постановка задач.

Глава 2. Теоретическое обоснование взаимовлияния структуры пористых материалов, их физико-механических свойств и параметров пористости, фильтрации, проницаемости, диффузии растворимости газа.

2.1. Теоретическое обоснование двумерной модели фильтрации газа через пористые материалы.

2.2. Выводы по главе.

Глава 3. Обоснование способов и разработка устройств автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов по параметрам пористости.

3.1. Теоретическое обоснование способов автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов.

3. 1. 1 Теоретическое обоснование взаимосвязей структуры и коэффициентов пористости, проницаемости материалов.

3. 1.2. Теоретическое обоснование взаимосвязи величины максимальных размеров пор от структуры пористых материалов.

3.2 Разработка устройств автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов.

3.2.1 Автоматизированное устройство для определения коэффициентов пористости, проницаемости, фильтрации, диффузии, растворимости газа.

3. 2.2 Автоматизированное устройство для определения максимальных размеров пор.

3.3. Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное подтверждение теоретических зависимостей параметров пористости, коэффициентов проницаемости, фильтрации, диффузии, растворимости газа, максимального размера пор от структуры керамических изделий.

4.1. Экспериментальное подтверждение теоретической зависимости пористости, коэффициентов фильтрации, диффузии, проницаемости и растворимости газа при прохождении его через материал от структуры сложных керамических систем.

4.1.1. Экспериментальное подтверждение теоретической зависимости пористости, коэффициентов фильтрации, диффузии, проницаемости и растворимости газа при прохождении его через материал от структуры сложных керамических систем на основе двумерной модели течения газа через материал.

4.1.2. Экспериментальное подтверждение теоретической зависимости пористости, проницаемости от структуры сложных керамических систем.

4.1.3. Сравнительный анализ экспериментальных зависимостей пористости, проницаемости от толщины материала при двумерной и одномерной моделях течения газа через материал.

4. 2 Экспериментальное подтверждение теоретической зависимости максимального размера пор от структуры сложных керамических систем.

4. 3. Выводы по главе.

Глава 5. Методики контроля физико-механических свойств пористых материалов при автоматизированном неразрушающем контроле.

Опыт использования устройств.

5.1 Обоснование методики контроля параметров, характеризующих коэффициенты пористости, проницаемости, фильтрации, диффузии, растворимости газа при прохождении его через материал при автоматизированном неразрушающем контроле физико-механических свойств.

5.2 Обоснование методики контроля параметров, характеризующих максимальный размер пор пористых материалов при автоматизированном неразрушающем контроле физико-механических свойств пористых материалов.

5. 3. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе выявления взаимосвязей между их параметрами и пористостью»

Пористость - это параметр, характеризующий отношение объема пор в теле к общему объему тела.

К пористым материалам относится керамика, металлокерамика и керамика со сложной структурой, т. е. сложные керамические системы, а также бетон, древесина и др.

Керамика представляет собой неорганическое вещество с ионной и ковалентной межатомной связью [70]. К традиционным керамикам относятся как изделия керамической промышленности — глиняная посуда, фарфор, фаянс, черепица и кирпичи, а также плотные простые оксиды, карбиды и нитриды, графит, цемент и бетон.

Высокая механическая прочность и твердость керамических материалов позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов в машиностроении, инструментальной промышленности и приборостроении. В деталях из керамики реализуются, кроме механической прочности, отличные электрофизические характеристики материала. Керамика, применяемая в электротехнике и радиотехнике, обладает уникальным набором электрических и магнитных свойств. Химическая устойчивость и радиационная стойкость керамики используются в химическом машиностроении и атомной энергетике.

Металлокерамикой называют материалы, созданные из металлических элементов, которые могут значительно отличаться по температуре плавления и не сплавляться между собой, а также совмещать в одном материале металлы с компонентами неметаллической природы.[25].

Начиная с 1930 г. применение в промышленности изделий, полученных методом порошковой металлургии, быстро растет. Появились крупные специализированные цеха и заводы порошковой металлургии в Москве, Киеве и в других городах. В 1966 г. более 80 заводов выпускали различные металлокерамические изделия, удовлетворяя потребность сотен предприятий различного профиля. Потребность машиностроения в конструкционных деталях, полученных методами порошковой металлургии, составляет более 60 % всей потребности в металлокерамических изделиях.[24]. Металлокерамические изделия изготавливают методами холодного и горячего прессования. Потребность в машиностроительных изделиях, получаемых холодным прессованием, составляет 64 %, в изделиях электротехнического назначения - 36 %, в других изделиях - 10 % от всего объема металлокерамической промышленности [24].

Самым широким классом изделий, изготавливаемых методами порошковой металлургии, являются конструкционные детали на основе железных порошков и, в меньшей степени, на основе порошков цветных металлов: меди и ее сплавов, никеля, титана и т. д. (поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, фильтры, подшипники различного профиля и т. д.).

Детали на основе металлокерамики имеют следующие преимущества по сравнению с деталями из конструкционных материалов. Прежде всего, это экономия материала, меньшая трудоемкость при изготовлении изделий, меньшие затраты при механической обработке. Во вторых - возможность изменения в широком диапазоне структуры и физико-механических свойств материалов и изделий, полученных с использованием порошковой технологии. По мере развития порошковой металлургии все большее внимание уделяется созданию новых материалов в композиции с повышенным уровнем эксплуатационных свойств.

К недостаткам изделий из металлокерамики можно отнести их высокую стоимость по сравнению с прокатом, сложность и высокую стоимость оборудования и оснастки, а так же специфику оборудования, прежде всего прессового и печного. Кроме того, можно отнести высокую чувствительность конечных свойств спеченных деталей к изменению технологических параметров прессования и спекания. Следует отметить, что затраты в производстве резко возрастают при большом объеме контроля металлокерамических и керамических материалов и изделий из них, так как он связан с разрушением готовых изделий. Именно поэтому требуется непрерывный автоматизированный неразрушающий контроль качества изделий из керамики и металлокерамики.

Отличительной чертой многих промышленных, металлокерамических материалов является то, что при одном и том же химическом составе материала, но различной пористости в широком диапазоне изменяются их физико-механические свойства. В то же время наличие пористости в изделиях из порошковых материалов для определения тех или иных свойств требует разработки специальных методик испытаний.

При определении физико-механических свойств керамических, металлокерамических изделий, таких как механическая прочность, которая оценивается по совокупности четырех пределов прочности (на статический и динамический изгиб, растяжение, сжатие), жесткость, термостойкость, ударную вязкость и т. д. обычными способами, происходит разрушение дорогостоящей продукции, причем точно определить качество изделия по одному испытываемому образцу невозможно. Требуется испытать не менее двадцати образцов, что вызовет в производстве значительные нерациональные расходы. Только неразрушающий метод автоматизированного контроля деталей по их пористости позволит быстро, эффективно и без значительных затрат надежно контролировать качество изделий, а существующие методы требуют повышения точности и достоверности контроля.

Следовательно, возникает задача совершенствования методов автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств газопроницаемых материалов.

Научная новизна работы заключается:

1. В теоретическом обосновании газодинамического метода автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе двумерной модели течения газа, учитывающего взаимовлияние структуры и параметров пористости материалов.

2. В обосновании способа контроля физико-механических свойств материалов, основанного на измерении и последующем определении коэффициентов пористости, проницаемости газа при прохождении через материал.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке устройств автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе теоретически обоснованных способов по коэффициентам пористости, проницаемости, фильтрации, диффузии, растворимости газа при прохождении через материал.

2. В создании устройств для определения величины максимальных размеров пор материалов и контроля их физико-механических свойств.

3. В разработке обоснованных методик контроля параметров, характеризующих пористость и определяющих физико-механические свойства изделий из пористых материалов при автоматизированном неразрушающем контроле.

4. В использовании установок в производстве при контроле физико-механических свойств пористых материалов.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Матросов, Александр Евгеньевич

5. 3. Выводы по главе.

Обоснованы методики измерения параметров, характеризующих пористость и определяющих физико-механические свойства деталей и изделий из пористых материалов при автоматизированном неразрушающем контроле, включающие:

• методику контроля параметров, характеризующих коэффициенты пористости, фильтрации, диффузии, проницаемости, растворимости газа при автоматизированном неразрушающем контроле;

• методику контроля параметров, характеризующих максимальный размер пор материалов при автоматизированном неразрушающем контроле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе выявления взаимосвязей между их свойствами и пористостью при двумерной модели истечения газа, включающий:

• Обоснование взаимовлияния структуры пористых материалов, их физико-механических свойств и параметров пористости, фильтрации, проницаемости, растворимости, диффузии газа;

• обоснование взаимосвязей коэффициентов пористости, проницаемости, величины максимальных размеров активных пор и структуры материала.

2. Разработаны методики контроля параметров, характеризующих пористость и определяющих физико-механические свойства изделий из пористых материалов при автоматизированном неразрушающем контроле:

• методика контроля параметров, характеризующих пористость, коэффициенты фильтрации, диффузии, проницаемости, растворимости газа при автоматизированном неразрушающем контроле; методика измерения параметров, характеризующих максимальный размер пор материалов при автоматизированном неразрушающем контроле.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матросов, Александр Евгеньевич, 2004 год

1. Аксенов Г. И., Забаров Р. 3. О теплофизических константах пористых металлокерамических материалов. «Порошковая металлургия», 1967, № 6, с. 39-43 с ил.

2. Балкевич В. Л. Техническая керамика, Изд. Литературы по строительству, Москва 1968, 200 с.

3. Баргафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука 1972 г. С. 408.

4. Белов C.B. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение. 1991. С. 247.

5. Бэррер Р. Диффузия в твердых телах. М.: Иностранная литература. 1948. С. 326.

6. Власов О.В. Физические основы теории морозостойкости // Труды НИИ Стройфизика. Вып. 3. 1967 г. 163-178 с.

7. Воевода Г.Ф., Алимов A.A., Воронин В.В., Ефимов Б.А. Контроль морозостойкости бетона в процессе производства // Бетон и железобетон. 1979. № 10 с. 35-37.

8. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. М.: Госэнергоиздат. 1950. С. 346.

9. Вязников Н. Ф., Ермаков С. С., Металлокерамические материалы и изделия, Ленинград, «Машиностроение», 1967, С. 224

10. Ю.Гегузин Я.Е. Пузыри. М.: Наука. 1985 г. С. 173.

11. П.Горчаков Г.И. и др. Зависимость морозостойкости бетонов от их структуры и температурных деформаций // Бетон и железобетон. 1972. № 10 с.7-10.

12. Горчаков Г. И., Кепкин М.М., Скромтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. М.: Стройиздат, 1965 г. 195 с.

13. З.Горчаков Г.И. Повышение морозостойкости и прочности бетона. М.: Промстройиздат. 1956 г. 107 с.

14. Горчаков Г.И. и др. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат. 1976. С. 145.

15. Горчаков Г.И. и др. Ускоренное прогнозирование морозостойкости ячеистых бетонов // Бетон и железобетон. 1975. № 9 с. 22-25.

16. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977, С.479.

17. Гуськов О.В. Гидродинамическое взаимодействие пузырей и жидкости при малых числах Re. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: МИФИ. 1980 г. С. 236.

18. Дворкин Л.И. Оптимальное проектирование составов бетона. Львов: Вища школа, 1981 г. 160 с.

19. Де-Бур. Динамический характер адсорбции. М.: Иностранная литература, 1982 г. С. 231.

20. Добролюбов Г., Ратипов В.Б., Розенберг Т.И. Прогнозирование долговечности бетона с добавками. М.: Стройиздат, 1983 г. 212 с.

21. Дорофеев Ю. Г. Динамическое горячее прессование в металлокерамике, Изд. «Металлургия», Москва 1972, 176 с.

22. Драйпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Т.1, т.2. М.: финансы и статистика, 1986г.

23. Дубинин М.М. Адсорбция газов и паров и структура адсорбентов //Методы исследования структуры высокодисперсных и пористых тел. М.: Издательство АН СССР. 1953.

24. Дьяченко И. М. Эффективность развития порошковой металлургии, Москва: Металлургия, 1979, С. 52.

25. Ермаков С. С., Вязников Н. Ф. Металлокерамические детали в машиностроении. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975 г., 232 с.

26. Ефимов Б.А. Получение цементных бетонов заданной морозостойкости с учетом характеристик строения: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., МИСИ. с. 192.

27. Житников Ю. 3., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. Определение пористости материалов.//Контроль. Диагностика. 2004 г. № 4. с. 40-43.

28. Идельчик И.Е. Некоторые интересные эффекты и парадоксы в аэродинамике и гидравлике. М.: Машиностроение. 1982. С. 92.

29. Керамика и ее спаи с металлом в технике. В. А, Преснов, М. JL Любимов, В. В. Строганова, М. А. Рубашев, Г. И. Бердов, И. Г. Дуд еров, В. И. Мосолова, Атомиздат, Москва 1969, 232 с.

30. Кингери У. Д. Введение в керамику. М., Стройиздат,1964.

31. Козлова С.Н. Исследования и оценка физических констант адсорбции при определении пористости древесных материалов газодинамическим методом //Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Ковров: 1999. - 223 С.

32. Кривицкий М.Я., Левин H.H., Макаричев В.В. Ячеистые бетоны (технология, свойства и конструкции). М.: Стройиздат, 1972, 135 с.

33. Кунцевич О.В., Батраков В.Г., Бертов В.М., Жуков Ю.А. Морозостойкость производственного бетона // Сборник научных трудов ДИИЖТА. Применение бетонов повышенной прочности и долговечности в железнодорожном строительстве 1983. С. 20-23.

34. Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. Л.: Стройиздат, 1983 г. 132 с.

35. Кунцевич О.В., Мегомедэминов И.И. Исследование прочности и морозостойкости растворов с комплексными добавками // Межвузовский сборник научных трудов МИИТа, вып. 62, 1980 г. С. 26-34.

36. Леонов Л.В. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность. 1984.С. 349.

37. Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. Автоматизированный неразрушающий контроль качества металлокерамических изделий.// Автоматизация и современные технологии. 2003 г.№ 6. с. 31-39.

38. Матросова Ю. Н., Козлова С. Н., Косоруков В. П., Матросов А. Е. Автоматизированный неразрушающий контроль качества сварных соединений.// Контроль. Диагностика. 2004 г. № 8.- с. 49-53.

39. Мацумото Ю. Динамические характеристики пневмотрубопровода, имеющего на конце емкость // Япония (Кэйсоку дзидо сэйге Гоккай ромбупсю). 1976. Т. 12. № 6. С. 711. 718.

40. Методические рекомендации по испытанию дорожного бетона на коррозионную стойкость против совместного действия хлористых солей и мороза. М.: Союздор НИИ, 1975. С. 10.

41. Методические рекомендации по прогнозированию морозостойкости бетонов. Рига.: ЛатНИИстроительства, 1982. с. 10.

42. Миронов С.А., Легойда A.B. Бетоны, твердеющие на морозе. М.: Стройиздат, 1975. 263 с.

43. Можегов H.A. Автоматические средства измерения объема, уровня и пористости материалов. М.: Энергоатомиздат. 1990 г. 127 с.

44. Можегов H.A. Газодинаический метод измерения объема и активной пористости материалов // Механизация и автоматизация производства. 1989. №8. С. 19.24.

45. Можегов Н. А. Газодинамический метод определения проницаемости плохопроницаемых древесных материалов. Научные труды. М.:МЛТИ. Вып. 247. 1991. с. 88-112.

46. Можегов Н. А., Ильиных Ю. П., Козлова С. Н. Измерение пористости изделий из металлокерамики.// Стекло и керамика. 1996. №11. с. 28-30.

47. Можегов H.A. Измерение пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов на технологических потокахгазодинамическим методом. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЛТИ. С. 575.

48. Можегов H.A. К определению пористости материалов газодинамическим методом // Заводская лаборатория. 1986 г. Т. 52. № 4 С. 50.52.

49. Можегов H.A. Пневматическое измерение объемов материалов в герметизированных емкостях// Механизация и автоматизация производства. 1986. № 8. С. 33.34.

50. Москвин В.М., Голубых Н.Д. Расчетно-экспериментальные методы оценки морозостойкости бетона // Бетон и железобетон. 1976. № 9. С. 1922.

51. Мощанский H.A., Путляев И.Е. и др. Химически стойкие мастики, замазки и бетоны на основе термореактивных смол. -М.: Стройиздат,1968 г. 187 с.

52. Невиль A.M. Свойства бетона.- М.: Стройиздат. 1972. С. 344.

53. Нейман В.Г. Решение научных, инженерных и экономических задач с помощью ППП STATGRAPHICS. -М.: МП "Память", 1993, С.88.

54. Пауэрс Т.К. Физическая структура портланд-цементного теста. М.: Стройиздат. 1963. С. 501.

55. Пижурин A.A., Розенблин М.С. Исследования процессов деревообработки.М.: Лесная промышленность. 1984, С.232.

56. Пиролов Т.С., Невский В.А., Ильинский Ю.А. Способ ускоренного определения морозостойкости бетона // Бетон и железбетон. 1980. № 9, С. 16-18.

57. Пористые проницаемые материалы. Справ, изд./ под ред. Белова С. В.-М: Металлургия, 1987.-335 с.

58. Прогнозирование морозостойкости бетона при выборе его состава // Бетон и железобетон. 1979. № U.C. 25-26.

59. Ратипов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. М.:Стройиздат.1973.С. 207.

60. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства газов. М.: Энергия, 1973. С. 361.

61. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969, С.ЗЗЗ.

62. Тринкер Б.Д., Демина Г.Г., Жиц Г.М. Бетоны высокой морозостойкости для высотных железобетонных сооружений, возводимых в зимнее время // Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. М.: Стройиздат. 1975. С. 270-281.

63. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере. М.: ИНФРА-М, финансы и статистика,1995,С.384.

64. Уайэт О., Дью-Хьюз Д., Металлы. Керамики. Полимеры. Введение к изучению структуры и свойств технических материалов., М: «Атомиздат», 1979, 580 с.

65. Физические величины: Справочник / Под. Редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991 г. 1232 с.

66. Шейкин А.Е., Добшиц JIM. О связи критерия морозостойкости с реальной морозостойкостью бетонов // Бетон и железобетон. 1981. № 1. С. 19-20.

67. Шейкин А.Е., Добшиц JIM. Повышение долговечности бетонов транспортных сооружений // Физико-химическая механика, № 5. Болгарская академия наук 1987. С. 26-29.

68. Шейкин А.Е., Добшиц JIM. Цементные бетоны высокой морозостойкости. Д.: 1989 г. 127 с.

69. П1естоперов C.B. Технология бетона. М.: Стройиздат, 1977 г. 432 с.

70. П1лаян А,Г, Определение морозостойкости бетона по компенсационному фактору // Бетон и железобетон. 1979. № 10. С. 33-38.

71. Эванс А. Г., Ленгдон Т. Г. Конструкционная керамика. М: «Металлургия», 1980 г., 256 с.

72. Яворский Б.М. Детлаев A.A. Справочник по физике. М.: 1984. С. 460.

73. Газодинамический способ определения пористости материалов: A.c. 1368720 СССР, МКИ3 G01N15/08 / Можегов H.A. -Б. И. № 3, 1988.

74. Газодинамический способ определения пористости материалов: A.c. 1770837 СССР, МКИ3 G01N15/08 /Можегов H.A., -Б. И. № 39, 1992.

75. Газодинамический способ определения пористости материалов: A.c. 1784874 СССР, МКИ3 G01N15/08 / Можегов H.A., Щербаков A.C. -Б. И. № 48, 1992.

76. Поромер: Свидетельство РФ № 5256 на полезную модель. МКИ 6 G01N15/08 /Можегов Н,А„ Козлова С.Н., Кукина P.A. -Б. И. № 10, 1997.

77. Способ измерения объема емкости: A.c. 1503461/ СССР, МКИ3 G01F17/00 /Можегов H.A., Косоруков В.П., Кравец А.Н. -Б. И. № 11, 1989.

78. Способ определения пористости материалов: A.c. 1679287 СССР, МКИ3 G0INI5/02 /Таубер Б.А., Можегов H.A. -Б. И. № 35, 1991.

79. Способ определения пористости тел: A.c. 1818540 СССР, МКИ3 G0INI5/02 /Таубер Б.А., Можегов H.A. -Б. И. № 20, 1993.

80. Способ определения параметров пористости: Патент РФ № 2235308, МКИ3 G0INI5/08 /Житников Ю, 3., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е. -Б. И. № 24, 2004.

81. Способ определения активной пористости материалов: Положительное решение , МКИ3 G0INI5/08 /Житников Ю, 3., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е.

82. Способ определения проницаемости, пористости материалов: Положительное решение ,

83. МКИ3 G0INI5/08 /Житников Ю, 3., Иванов А. Н., Матросова Ю. Н., Матросов А. Е.