Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 86, № 7 (2020)
Скачать выпуск PDF

КОЛОНКА РЕДКОЛЛЕГИИ

АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВА

7-11 45
Аннотация

Проведено сравнение метода масс-спектрометрии ЭРИАД (электрораспылительная ионизация при атмосферном давлении с атомизацией в источнике ионов) с рядом других распространенных методов масс-спектрометрического анализа для определения бериллия в растворах, показаны преимущества масс-спектрометрии ЭРИАД. Экспериментально изучена возможность регистрации аналитического сигнала бериллия в различных химических формах методом масс-спектрометрии ЭРИАД: для анализа использовали растворы сульфата, нитрата и хлорида бериллия. Приведена схема и описан принцип работы малогабаритного масс-спектрометра МИ-20 «LowMass» («МС-Био», Россия), предназначенного для определения бериллия в растворах. Предложена методика пробоподготовки раствора соли бериллия с использованием внутреннего стандарта — соли лития. В результате измерений получены масс-спектры, содержащие пики бериллия и лития, причем разрешение прибора позволило разделить изотопы лития (6Li и 7Li). Показано, что при анализе хлорида и нитрата бериллия его зарегистрированные пики имеют близкие значения интенсивности. Полученный предел обнаружения для раствора хлорида бериллия в данных измерениях составил ~1 – 2 · 10–8 моль/л. В то же время аналитический сигнал бериллия не удается зарегистрировать при электрораспылении раствора его сульфата ни при каких экспериментальных условиях. Обосновано предположение, что данный эффект может быть связан с особенностями растворения сульфата бериллия, в частности, с гидролизом и образованием комплексных соединений с сульфатом, в том числе, сложных полимерных и коллоидных форм.

12-19 99
Аннотация

Лавинообразное развитие методов статистической обработки данных, вычислительных мощностей, техники хромато-масс-спектрометрического анализа и омиксных технологий в последние десятилетия так и не привело к созданию унифицированного протокола для ненаправленного профилирования. Влияние систематических ошибок снижает воспроизводимость и достоверность результатов исследования, одновременно затрудняя объединение и анализ данных масштабных многодневных хромато-масс-спектрометрических экспериментов. В работе предложен алгоритм проведения омиксного профилирования для выявления потенциальных веществ-маркеров в образцах сложного состава на примере анализа образцов мочи разных клинических групп пациентов. Профилирование проведено методом жидкостной хромато-масс-спектрометрии. Выбор маркеров проводили методами многомерного анализа, в том числе машинного обучения и отбора переменных. Тестирование подхода выполняли с использованием независимого набора данных алгоритмами кластеризации и проецирования на главные компоненты.

20-26 41
Аннотация

С учетом недостатков существующих методов определения ароматических углеводородов (АУВ) в компонентах дизельного топлива предложена методика контроля содержания АУВ в средних дистиллятах с использованием ИК-Фурье-спектрометрии. В качестве объекта исследования был выбран один из компонентов для компаундирования дизельных топлив, получаемый в АО «АНХК» при гидроочистке сырья в жестких условиях (30 МПа, 380 – 400 °C). Зарегистрировав спектр поглощения очищенного компонента, выбрали условия ИК-спектрометрического анализа (значение волнового числа — 1606,5 см–1, материал кюветы — NaCl, толщина поглощающего слоя — 0,1 см). Для построения градуировочной зависимости в образцах исследуемого гидрогенизата, отобранных в разные моменты времени и содержащих в среднем 1 – 8 % АУВ (в зависимости от параметров непрерывно работающей установки), определяли суммарное содержание АУВ методом ВЭЖХ, а затем методом ИК-спектрометрии — соответствующее значение оптической плотности образца. Метрологические характеристики предложенной методики оценили в соответствии с требованиями РМГ 76–2014. Правильность полученных результатов определения АУВ подтвердили путем сравнения с данными независимого метода анализа (титриметрического). Для использования разработанной методики при анализе других компонентов дизельного топлива необходимы дополнительные исследования по определению мешающих веществ и оценке их влияния на точность определения АУВ.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ

27-32 69
Аннотация

Кварцевые оптические волокна (ОВ) с диаметром световедущей сердцевины 400 – 800 мкм, изготовленные из биосовместимых материалов, широко применяют в лазерной медицине. В работе представлены результаты исследования оптических параметров кварц-полимерного ОВ со светоотражающей оболочкой из термопластичного сополимера тетрафторэтилена с этиленом и влияния на эти параметры условий нанесения оболочки. Покрытие из расплава полимера наносили на поверхность кварцевого волокна фильерным способом на вытяжной установке непосредственно во время вытяжки. Числовую апертуру определяли по распределению выходящего из ОВ лазерного излучения в дальнем поле, оптические потери — по распределению рассеянного светоотражающей оболочкой излучения по длине ОВ. Параметры рассеяния проходящего по ОВ лазерного излучения оценивали по интенсивности и индикатрисе рассеяния. Исследовали образцы ОВ с кварцевой сердцевиной (диаметр — 400 мкм) и светоотражающей оболочкой (толщина — 70 – 90 мкм) длиной до 50 м, у которых светоотражающая оболочка выполняла одновременно и защитную функцию. Выявили, что качество нанесенного покрытия и оптические параметры волокна зависят от скорости вытяжки ОВ (скорости нанесения покрытия) Vd. При Vd ≤ 2 м/мин формировалось гладкое покрытие, при Vd > 2 м/мин — шершавое, которое (при Vd = 6 м/мин) переходило в так называемую «акулью кожу». Установили также, что рассеяние проходящего по ОВ излучения вызвано структурой полимера, которая в своем составе имеет кристаллическую и аморфную фазы с различными показателями преломления. Наименьшее рассеяние фиксировали у образцов ОВ с гладким покрытием. Суммарные оптические потери на длине волны λ = 532 нм у них составили 300 – 720 дБ/км, номинальная числовая апертура — 0,44. Кроме того, полученные данные показали, что короткие (1,5 – 3 м) образцы обеспечивают пропускание 80 – 93 % введенной мощности.

33-38 98
Аннотация

При воссоздании изделий, полученных с помощью аддитивных технологий, основанных на послойном плавлении металлического порошка концентрированными потоками энергии, используют методы, минимизирующие плавление исходного порошка и снижающие структурную неоднородность в материале. Один из таких методов — холодное газодинамическое напыление с интенсификацией процесса лазерным излучением (ХГНЛ). Многослойные ХГНЛ-покрытия имеют гомогенную структуру металла. Вместе с тем значительная шероховатость поверхности обусловлена размером частиц исходного порошка. В работе представлен способ постобработки многослойных ХГНЛ-покрытий, позволяющий получать упрочненный слой на их поверхности. Упрочненный слой формируется путем внедрения порошковых частиц карбида бора ВС в расплавленную лазером область на поверхности покрытия (использовали нержавеющую сталь 316L). Акустическая волна, вызванная «микровзрывом», инициированным лазерным импульсом над поверхностью, толкает частицы карбида в различных направлениях. Часть из них внедряется в «ванну» расплава на поверхности покрытия. Таким образом осуществляется лазерное микродетонационное шаржирование поверхности ХГНЛ-покрытия. В результате исследования упрочненного слоя установлено высокое содержание в нем таких элементов, как B, C, Cr, Fe, Ni. Кроме того, в структуре слоя формируются твердые карбиды ромбической формы. Химический и элементный анализы показали, что ромбообразные карбиды — карбиды типа (Fe, Cr)xBy — содержат высокую концентрацию Cr, Fe и относительно небольшой процент С. Вероятно, они формируются за счет взаимодействия хрома, входящего в состав исходного упрочняемого покрытия, с бором, который высвобождается с поверхности частиц BC при взаимодействии с лазером. При упрочнении поверхности ХГНЛ-покрытия предложенным способом осуществляется плавление поверхности покрытия лазером с одновременной подачей частиц BC, что обеспечивает высокую твердость получаемого упрочненного слоя. Представленный способ упрочнения может быть использован с применением различных порошковых материалов.

39-44 42
Аннотация

Толщина — один из ключевых параметров, характеризующих качество и функциональные свойства покрытий. Для ее измерения чаще всего на практике используют различные косвенные методы (электромагнитные, радиационные, оптические), основанные на функциональной зависимости того или иного физического параметра системы основание — покрытие от толщины последнего. Основное ограничение точности при этом — чувствительность способов определения к свойствам покрытий. Поэтому актуально развитие и внедрение подходов, включающих непосредственное измерение геометрических параметров покрытия. Однако они зачастую относятся к разрушающим методам, требующим специального оборудования, и должны проходить метрологическую аттестацию (ГОСТ Р 8.563–2009). В статье предложен способ определения толщины покрытий методом абразивного шарового истирания. Приведены технические режимы необходимого испытательного оборудования, алгоритм проведения измерений и расчетные формулы. Представлены результаты оценки показателей точности предлагаемой методики расчетным и экспериментальным способами (в обоих случаях относительная погрешность не превышала 6 %). Показано, что методика применима для широкого спектра материалов покрытий (от мягких металлов до сверхтвердых керамик) толщиной от единиц до сотен микрометров и может быть рекомендована не только для технологического и выходного контроля, но и в качестве референтного подхода для метрологической аттестации мер и настроечных образцов для различных типов толщиномеров.

МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬ

45-54 49
Аннотация

Рассмотрены вероятностные аспекты многомасштабного моделирования разрушений гетерогенных структур. Предложен комбинированный подход к решению задач оценки вероятностей разрушения структурно-неоднородных материалов, сочетающий методы гомогенизации с феноменологическими и численными моделями механики разрушения. Сформулирована модель обобщенной гетерогенной структуры, состоящей из разнородных материалов и областей разных масштабов, содержащих трещины и трещиноподобные дефекты. Связь масштабов осуществляется с использованием кинематических условий и многомасштабного принципа виртуальных сил. Вероятность разрушения сформулирована как условная вероятность последовательных вложенных событий разрушения структур разных масштабов. В качестве основных источников разрушений рассмотрены трещины и трещиноподобные дефекты, распределение которых представляется в виде пуассоновских ансамблей. Критические напряжения в вершинах трещин описываются моделью Вейбулла. Получены аналитические выражения для вероятностей разрушения многомасштабных гетерогенных структур с многоуровневыми предельными состояниями. Для оценки вероятностей разрушения с учетом реальной морфологии гетерогенных структур предложен подход на основе модифицированного метода статистического моделирования Монте-Карло. Особенность предлагаемого метода заключается в использовании трехуровневой схемы разрушения с численным решением задач на микро-, мезо- и макромасштабах. В качестве основных переменных используются обобщенные силы продвижения трещин и сопротивления росту трещин. Размеры трещин рассматриваются как обобщенные координаты. Для снижения размерности задача механики разрушения переформулируется в задачу устойчивости гетерогенной структуры под нагрузкой при вариациях обобщенных координат с анализом виртуальной работы обобщенных сил. Получены выражения для оценки вероятностей разрушения многомасштабных гетерогенных структур модифицированным методом Монте-Карло. Отмечены перспективы решения задач риск-анализа гетерогенных структур с помощью указанных подходов.

55-58 41
Аннотация

Эффект Баушингера является одним из фундаментальных свойств большинства металлических сплавов при их пластическом деформировании в условиях немонотонного нагружения. Поэтому в теории пластичности придается важное значение разработкам методов количественной оценки этого эффекта. Знание параметра, характеризующего указанный эффект, необходимо для определения напряженного состояния в пластически деформируемых заготовках при обработке металлов давлением. Для определения этого параметра чаще всего проводят стандартные испытания образцов на растяжение с последующим их сжатием. Его величину находят как отношение условного предела текучести при сжатии к значению напряжения предварительного растяжения. При этом, как правило, испытывают на растяжение-сжатие цилиндрические образцы (~10 шт.). Согласно традиционному способу предварительно растягивают длинномерные стандартные образцы до различных степеней пластических деформаций, после чего из этих образцов вырезают короткие образцы для испытания на сжатие согласно стандарту в целях определения условного предела текучести на сжатие с допуском на пластическую деформацию 0,2 %. Выполнение таких испытаний связано с большими затратами времени и материалов. В данной работе предложен новый способ оценки эффекта Баушингера, заключающийся в испытании одного длинномерного образца на растяжение с последующим сжатием его в специальном устройстве, позволяющем деформировать предварительно растянутый образец без искривления в условиях линейного напряженного состояния. Указанное устройство спроектировано, изготовлено и прошло соответствующие испытания. Устройство включает в себя поддерживающие элементы в виде секторов конической формы, препятствующих искривлению при сжатии длинномерного цилиндрического образца с соотношением длины рабочей части к диаметру в пределах от 5 до 10. Представлены результаты экспериментального определения параметра β, характеризующего указанный эффект. Результаты сопоставления значений параметра β, полученных новым и традиционным способами позволяют сделать вывод о допустимости его определения однообразцовым способом. В целях уменьшения трудоемкости выполнения испытаний, связанных с определением параметра, предлагается аппроксимация его в виде экспоненты как функции величины пластической деформации. При этом достаточно определить одно значение β0 при пластических деформациях, больших 0,05. В связи с этим β0 можно рассматривать как новую характеристику материала. Расчетные данные достаточно хорошо согласуются с опытными. Определены значения β0 для ряда исследованных марок сталей.

59-64 44
Аннотация

Цель работы — изучение процесса усталостного циклического разрушения стали. Изготовлена установка, предназначенная для наведения усталостных трещин, а также для изучения кинетики развития усталостной трещины, рост которой фиксировали методом разности потенциалов. Кинетику роста трещины обрабатывали с помощью компьютера, программ LGraph2 и электронных таблиц Excel. Для изучения кинетики развития усталостной трещины к краям исходного надреза исследуемого образца припаивали электроды и в процессе роста трещины регистрировали с помощью компьютера зависимость разность потенциалов — время. Для расшифровки данных эксперимента использовали тарировочный график в координатах разность потенциалов (U) — длина трещины (Lтр), построенный на основе показаний милливольтметра, в соответствии с размерами сечения образца, протекающим через него током и длиной усталостной трещины. Установлено, что рост трещины происходит ступенчато, т.е. в процессе циклического нагружения образца сначала возникает зона пластической деформации металла, а после накопления в ней напряжений определенной величины происходит их релаксация в виде возникновения трещины и скачкообразного ее роста. Далее экспериментальные данные обрабатывали, в результате чего получали график скорости роста усталостной трещины, на котором хорошо видны этапы ее скачкообразного роста. С помощью графического редактора КОМПАС строили график, который характеризует рост усталостной трещины от числа циклов усталостных испытаний на изгиб. Таким образом, с помощью созданной установки можно выращивать усталостные трещины для ударных испытаний и определять работу распространения трещины, изучать кинетику ее развития, а также проводить компьютерную обработку данных эксперимента.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

65-71 48
Аннотация
Разработан метод для преобразования дискретной последовательности экстремумов в непрерывный процесс. Данная задача является актуальной, поскольку часто возникает проблема приблизительной оценки спектральной плотности для процессов испытаний при случайном (нерегулярном) нагружении. Некоторые из таких процессов стандартизированы и часто применяются при испытаниях материалов и конструкций. Соответственно, имеется обширный объем экспериментальных данных, которыми желательно воспользоваться при отработке и апробации расчетных методов оценки долговечности в многоцикловой области. Постулируя факт непрерывности случайного процесса и его первой производной, что является физически обоснованным для процесса нагружения, имеющиеся исходные точки (а именно, экстремумы случайного процесса) предлагается кусочно соединить полукосинусидами с обеспечением условия совместности в точках экстремумов. Отличительной особенностью метода является обеспечение 100 %-го совпадения величин и последовательностей экстремумов у исходного дискретного и смоделированного непрерывного процессов. Вопрос выбора величины полупериодов для данных полукосинусоид предлагается решить на основании информации, полученной из анализа реальных записей напряжений, в виде регрессионного уравнения, связывающего полупериоды и полуразмахи для некоторых реализаций случайного процесса для транспортных машин. В качестве примера показаны регрессионные зависимости полупериодов и полуразмахов напряжений изгиба (деталь железнодорожного состава) и кручения (торсионный вал гусеничной машины). Анализ корреляции двух случайных переменных полупериодов и полуразмахов по эмпирическим данным показал, что корреляция существует и является значимой для наблюдаемого числа точек. Это послужило основанием для использования регрессионной формулы для ориентировочного выбора частотного состава процесса. Дополнительно накладываются ограничения снизу на число точек (не менее 5) в полупериоде. Поскольку экстремумы исходного и смоделированного процессов совпадают в соответствии с принципом предложенного моделирования, распределение амплитуд полных циклов, а также результаты схематизации по другим известным методам у них идентичны, а следовательно, идентичны и оценки долговечности по гипотезам на основе линейной. Апробацией метода служит рассмотрение цепочки: исходный непрерывный процесс — дискретный процесс экстремумов — смоделированный непрерывный по предлагаемому методу. Вспомогательные распределения, такие как распределения максимумов, минимумов и средних значений также совпадают в соответствии с принципом моделирования. Метод можно использовать при анализе двух конкурирующих подходов к оценке нагруженности в задачах оценки долговечности, применяющих методы схематизации и методы, основанные на спектральной плотности процессов. Поскольку спектральные плотности у процессов могут быть различны из-за приближенного выбора частот на основе регрессионной формулы, методы, их использующие, могут давать оценки долговечности, отличные от полученных по методам схематизации. Для исследования данного явления требуется дальнейший вычислительный эксперимент. При планировании эксперимента данный метод может оказаться весьма полезным.
72-80 53
Аннотация

Точность систем интервальных оценок измеряется обычно при помощи длин интервалов при заданных вероятностях накрытия. Доверительные интервалы являются интервалами фиксированной ширины, если длина интервала детерминирована, т.е. не случайна, и стремится к нулю при заданной вероятности накрытия. Работа посвящена двум важным направлениям статистического анализа — последовательному интервальному оцениванию доверительными интервалами фиксированной ширины и последовательному точечному оцениванию с асимптотически минимальным риском. На примере двух простых статистических моделей изложены основные асимптотические задачи последовательного интервального оценивания доверительными интервалами фиксированной ширины и точечного оценивания. Проведен обзор данных по непараметрическому последовательному оцениванию и изложены новые результаты, полученные авторами в этом направлении. Последовательный анализ характеризуется тем, что момент прекращения наблюдений (момент остановки) является случайным и определяется в зависимости от значений наблюдаемых данных и от принятой меры оптимальности построенной статистической оценки. Поэтому для решения асимптотических задач последовательного оценивания использованы методы суммирования случайных величин. Для доказательства асимптотической состоятельности доверительных интервалов фиксированной ширины использован метод, основанный на применении предельных теорем для случайно остановленных случайных процессов. Получены общие условия состоятельности и эффективности последовательного интервального оценивания широкого класса функционалов от неизвестной функции распределения и эти условия проверены при последовательном интервальном оценивании неизвестной плотности вероятности асимптотически некоррелированного и линейного процессов. Приведены условия регулярности, обеспечивающие свойство быть оценкой с асимптотически минимальным риском для достаточно широких классов оценок и функций потерь, и эти условия проверены при последовательном точечном оценивании неизвестной функции распределения.



ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)