Тестирование материалов и гарантия качества

Предел прочности на разрыв, условный предел текучести, относительное удлинение при разрыве

Определение условного предела текучести 0.2 % не осуществляется на алюминиевой фольге. Необходимо определить в соглашении место проведения и программу испытаний, порядок которых не описывается в стандартах, применимых к механическим испытаниям. Основная ось испытуемого образца совпадает с короткой поперечной линией  (ST). То есть перпендикулярна направлению проката, листа и пластин, или параллельно направлению экструзии или вытяжки (L) продуктов, полученных таким способом. Для штамповки следует различать образцы, которые располагаются параллельно направлению отливки металла и перпендикулярно направлению штамповки (L), и образцы , которые не располагаются параллельно направлению отливки металла, но перпендикулярно направлению штамповки (T) При открытой штамповке используется короткое поперечное направление (ST), которое совпадает с направлением штамповки, ноне параллельно направлению отливки металла.

Направления ST и LT могут использоваться для листа, пластины и экструдированного профиля, который применяется в аэрокосмической промышленности. При литье в песчаные формы и при непрерывном литье следует различать образцы, отрезанные от литой формы, испытуемые болванки, которые являются частью литья или испытуемые болванки, которые отливаются отдельно. Для пресс-литья и точной отливке комплексного экструдированного профиля, плавленым или формованным листовым компонентам, часто представляется возможным отрезать мелкие нестандартные образцы от компонента. В таких случаях

Испытания механических свойств при комнатной температуре

Предел прочности на разрыв, условный предел текучести 0.2 %, относительное удлинение при разрыве и твердость являются механическими свойствами, которые обычно определяются во время испытаний. Условный предел текучести 0.2 % - напряжение, которое необходимо для остаточной деформации 0.2 % в зависимости от длины измерительного устройства. Данное свойство используется вместо предела текучести для материалов, которые не являются пластичными, например алюминий,  никелеево-хромовая сталь, сталь и медь. Условный предел текучести 0.2 % часто называется пределом текучести. Определение твердости по Роквеллу обычно используется для алюминия и его сплавов. Измерение твердости выполняется для получения статистических данных и не является частью приемочных испытании. Определение твердости по Викерсу определяется для низких нагрузок

Испытания материалов методом измерения проводимости

Увеличение прочности, обусловленное холодной обработкой или старением, сопровождаются обычно изменением количества дефектов кристаллической решетки, например, холодная обработка приводит к значительному увеличению плотности дислокаций, а старение приводит к осаждению и тем самым к уменьшению концентрации растворимых атомов в растворе. Это приводит к изменениям электропроводности. Для определенного состава материала можно проверить качество обработки материала неразрушающим методом при помощи измерения электропроводности или сопротивления.

Такой метод испытаний применяется для полуфабрикатов, предназначенных для аэрокосмической промышленности, например, WL 3 4364 (AlZnMgCul 5, AA 7075) и MIL-A-22771. Проверка электропроводности проводится методом вихревых потоков.

Испытания продуктов из первичного алюминия. Разрушающие испытания внутренних дефектов

Разрушающие испытания применяются для выявления внутренних дефектов или определения структурных условий, для этого проводится анализ образца, на котором наносятся зазубрины инструментом, у образца поперечное сечение должно быть ограниченным вследствие сверления или желоба, который выполнен во время производственного процесса (например, угловой сварной шов с одной стороны). Образец испытывается до разрушения, затем разрушенная поверхность исследуется металлургически. Сварные швы исследуются при помощи стандартных испытаний, соединение испытывается до разрушения.

Испытания продуктов из первичного алюминия. Неразрушающие испытания для выявления внутренних дефектов

Внутренние дефекты, например, вкрапления, поры, каналы или структурные дефекты, относительно редко встречаются в деформируемом алюминии и полуфабрикатах из алюминиевых сплавов. Формовочные изделия (прокатанные или экструзионные заготовки) склонны к таким дефектам, которые выявляются методом ультразвукового исследования или дефектоскопией методом вихревых токов на ранней стадии, тем самым отбраковывается дефектный материал. Горячий прокат или экструзия алюминиевых материалов не способствует расслоению или образованию пор, пузырей или каналов, которые возникают по тем же причинам в стальном листе. Во время обработки данные дефекты «свариваются».

Ультразвуковое исследование применяется для тестирования прокатных и экструзионных заготовок. Экструзионные заготовки обрезаются до длины менее 1 м и тестируются в продольном направлении. Прокатные заготовки исследуются в поперечном направлении. Крупные дефекты выявляются перед обработкой поверхности. Более высокая ультразвуковая частота необходима для выявления сегрегации. Следует отметить, что продольная скорость звука в заготовках непрерывного литья может значительным образом отличаться от скорости в деформируемых заготовках. Стандарт LN 29 765 требует проведения ультразвукового исследования всех пластин толщиной более 12 мм, которые используются в аэрокосмической промышленности. Это требование касается штампованных и экструзионных изделий с поперечным сечением более 650 мм2 и толщиной более 6 мм. Испытания проводятся методом погружения, пластины и крупные штампованные изделия полностью погружаются в резервуар с жидкостью. Датчик перемещается в постоянном положении по поверхности компонента вручную или механическим способом в соответствии с программой испытаний.

Зоны, в которых выявлены неровности структуры, отмечаются и исследуются более мелким датчиком для определения глубины дефекта с использованием эталонов с плоскими отверстиями. Ультразвуковое исследование литых изделий ограничено в особых случаях, для исследования сварных швов данный метод позволяет выявить дефекты плавления и трещины. Недостатком ультразвукового метода, в отличие от рентгеновского метода, является невозможность точного определения места расположения дефекта в заготовке. Преимуществом является низкая стоимость и отсутствие опасности радиологического облучения операторов.

Для алюминиевых материалов рентгеновское исследование применяется для тестирования высококачественных литых изделий и сварных швов. Рентгеновские трубки используются в качестве источников излучения. Радиоактивные изотопы иногда используются для литых изделий с толстыми стенками. Рентгеноскопия используется для подтверждения безопасности при эксплуатации компонентов оборудования. В особых случаях рентгеновские снимки выполняются для литых изделий, которые подвергаются высокой нагрузке. Применяются различные методы исследования:

-Простейшим способом является установка экрана на стенку рентгеновского кабинета или будки. Данный способ подходит для выявления крупных дефектов, так как для него характерна низкая чувствительность и малое разрешение

-Смотровые экраны с низкоуровневой телевизионной камерой позволяют отобразить картинку, изображение может быть усилено. Однако данный способ не подходит для частей с небольшой разницей по толщине

-Смотровые экраны оснащаются телевизионной камерой высокого разрешения, которая используется для тестирования алюминиевых литых изделий, даже при наличии большой разницы по толщине

-Рентгеновские снимки и усилением изображения используются для  сверхпоглощающих материалов, например сталь и медные сплавы

-Сканеры с электронными камерами, чувствительными к рентгеновским лучам, позволяют исследовать компоненты без экрана, снимки увеличиваются в до 30 раз с высоким разрешением. Такие системы обычно используются для исследования малых литых изделий, в которых необходимо выявить мелкие дефекты.

Стандарт EN 462 (Неразрушающее тестирование – качество изображения рентгеновских снимков) и EN 444 (Неразрушающее тестирование – общие принципы исследования металлических материалов при помощи рентгеновского и гамма-излучения) применяются для анализа алюминиевых сварных изделий

Испытания продуктов из первичного алюминия. Задачи испытаний и методы испытаний

Часть стандартов полуфабрикатов определяет допустимые отклонения от номинальных размеров, от параметров, определяющих прямолинейность, плоскостность, углы. Для штампованных и литых изделий определяются или размеры для формованных и неформованных компонентов и допустимые отклонения. Точность размеров определяется при помощи методов, которые не зависят от материала, например, при помощи рулетки, датчиков, прочих измерительных инструментов или шаблонов (линеек).

Испытания поверхности включают определение степени неровностей (экструзия, вытяжка или прокат), зон отслаивания и трещин на полуфабрикатов, выявление пор, усадочных раковин, каналов, налета и целостности контура литых изделий. Обычно это определяется визуальным осмотром при помощи увеличительного стекла.

Метод красок применяется для выявления признаков трещин в литых, штампованных изделиях, сварных соединениях, обработанных компонентах, которые предназначены для более значительного применения. Полуфабрикаты обычно исследуется при помощи дефектоскопии методом вихревых токов или ультразвукового тестирования.

Метод красок предполагает использование жидкости низкой вязкости, которая наносится на поверхность и проникает в любые имеющиеся трещины. Если поверхность протереть, жидкость остается в трещинах, проникая через капилляры. Данные следы жидкости вступают в реакцию со второй жидкостью, которая затем наносится на поверхность, в результате получается яркий цвет, или поверхность исследуется в ультрафиолетовом свете. Проникновение усиливается методом погружения компонента в ультразвуковую ванну

При магнитно-индуктивных процессах образцы подвергаются воздействию электромагнитного поля, которое образуется переменным током и создает вихревые токи для исследования материалов. Вихревые токи создают электромагнитное поле, которое накладывается на поле катушки. В последующем импеданс тестовой катушки изменяется, оба компонента импеданса, то есть индукция и активное сопротивление характеризуется свойствами испытуемого материала. Оба параметра являются решающими для цветных металлов, которые подвергаются воздействию вихревых токов,  электропроводности и размеров образца.

При выявлении трещин и пор используется дифференциал или метод экспериментальной катушки. Дифференциальная катушка однократной циркуляции (самокомпенсация) применяется для испытания проволоки, прутка, балок, труб и выявления дефектов. Данный метод позволяет сопоставить свойства испытуемого образца обеих катушек. Самокомпенсация незначительных изменений в проводимости или диаметре испытуемых образцов позволяет выявить места дефектов.

Метод экспериментальной катушки предполагает использование катушки переменного тока соответствующей частоты, которая может регулироваться в диапазоне 50 кГц – 10 МГц в зависимости от технических условий испытаний. Когда катушка размещается на заготовке, создаются вихревые токи, токи прерываются, если в образце имеются трещины. Метод применяется для проведения неразрушающих испытаний и позволяет выявить трещины, их расположение и глубину.

Для определения глубины трещин данный метод является достаточно точным, точность определяется степенью неровности поверхности, могут быть выявлены трещины,  в пять раз превышающие глубину неровностей поверхности.

Небольшие размеры измерительного устройство позволяет установить детекторы шириной 2 мм. Метод может применяться для выявления трещин по углам или краям. Метод используется также для проверки отверстий для болтов или заклепок в самолетах, автомобилях, приводных валов реактивных двигателей, двигательных блоков охладителей. При проведении автоматических испытаний образец поворачивается (например, болты, кольца, штыри) или измерительное устройство устанавливается на поворотную головку, которая вращается вокруг образца с большой скоростью (например, пруток, балки, трубы).

Испытания продуктов из первичного алюминия, полуфабрикатов и литых изделий

Продукты из первичного алюминия используются в качестве восстановителей в сталелитейной промышленности (deoxidisers in the steel industry (девятикратные слитки, гранулы, продукты нестандартной формы), в данном случае проводится анализ расплава.

Если речь идет о слитках  и базовых сплавах, контроль должен проводиться перед поставкой. Кроме химического анализа, формы (слитки для проката, экструзии или проволки) подвергаются дополнительным испытаниям, объем испытаний определяется соглашением между потребителем и поставщиком. Испытания могут включать анализ структуры продольного и поперечного сечения (методом макротравления), ультразвуковое тестирование  для анализа пор, каналов, вкраплений и оценки литой структуры.

Для полуфабрикатов и литых изделий испытания проводятся для подтверждения качества и соответствия действующим стандартам, техническим условиям поставки или требованиям, определенным соглашением сторон. Испытания являются частью системы контроля качества, которая позволяет выявить и устранить возможные дефекты. Испытания и анализы проводятся как для сырья, так и для конечного продукта (полуфабрикаты, литые изделия). Во время производственного процесса проводятся промежуточные мероприятия по анализу образцов, которые подвергаются термообработке. Продукты осматриваются визуально (общий осмотр и поверхностный осмотр).

Какие стандарты используются

Результаты механических испытаний используются для определения минимального и максимального значения предела прочности на разрыв и условного предела текучести 0.2% в соответствии с применимыми стандартами. Оборудование для испытаний должно соответствовать требованиями применимых стандартов, например, BS EN 10 002, в том числе:

-EN 10 002-1:1990 Методы испытаний при температуре окружающей среды.

-EN 10 002-2:1992 Подтверждение системы измерения сил оборудования испытания  на растяжение.

-EN 10 002-3'1995 калибровка инструментов подтверждения силы, которые используются на оборудование испытания на неосевое растяжение.

Испытания являются одним из факторов, определяющих стоимость. Количество и объем испытаний поэтому должны определяться в разумных пределах. Цель испытаний определяется на этапе определения требований к продукту или при определении применимых стандартов. Системы контроля качества, например, EN ISO 9000 ff, являются способом устранения дефектов и минимизации ошибок путем подбора соответствующего подхода на всех этапах производственного процесса. Требования потребителей постоянно увеличиваются, поставщики должны обеспечивать соответствие конечного продукта требованиям систем контроля качества.

Контрольная партия – определенное количество продукта, который подвергается испытаниям для определения его свойств. Материал, который входит в контрольную партию, должен быть подготовлен в соответствии с единым стандартом, если испытания проводятся для подтверждения состава материала, причем образцы должны пройти один и тот же процесс обработки (литье, обработка в растворе, частичное деформационное упрочнение или естественное или искусственное старение). За исключением продуктов, для которых стандарты уже существуют, например, полуфабрикаты для сосудов высокого давления, контрольная партия может включать образцы из разных производственных циклов или разных партий термообработки.

Как производится тестирование

Программа испытаний определяет количество образцов, которые необходимо отобрать для контрольной партии. Контрольная партия должна обеспечивать уверенность в том, что полученные значения могут быть применимы ко всей партии товара и что он соответствует определенным стандартам для его применения. Если специальные требования отсутствуют, образцы отбираются из контрольной партии через определенный промежуток и в соответствии с правилами проведения статистического контроля качества.

Если порядок отбора образцов не определяется стандартом, который описывает механические свойства материалов, стандартом для данного применения продукта (например, Werkstoff-Leistungsblatter, AD-W6/1) или специальным соглашением, отбор осуществляется в любой момент конечного этапа обработки, когда продукт готов к отправке. Для литых изделий определяется при необходимости точка литья, в которой осуществляется забор образцов.

Если образцы  отбираются во время отливки, точки забора отмечаются на соответствующем чертеже. Испытания литых изделий особенно дорогостоящи,  так как при заборе образцов разрушается продукт (а потребитель должен заплатить за данный испорченный продукт). Кроме того, результаты, полученные после таких испытаний, редко позволяют сделать конкретное заключение о производственных свойствах данного компонента. Более надежными являются результаты испытаний, которые проводятся на компонентах под нагрузкой, причем такие испытания более полезны, чем испытания на растяжение образцов, которые являются частью литого изделия. Стандарт  ISO 2142 определяет порядок отбора образцов для механических испытаний деформируемого алюминия и алюминиевых сплавов, а также полуфабрикатов.

Микрозонд

Электроннолучевой микрозонд, функционирующий на базе фазового дисперсионного анализа рентгеновских лучей, применяется для анализа нетравленных образцов или для химического анализа структурных компонентов на плоской поверхности. Оборудование позволяет осуществить качественный и количественный анализ материала в небольшом объеме примерно 1 mм3 для всех элементов от бора до урана. Кроме того, «аналитический» пучок электронов создается вдоль определенной линии или по определенной зоне поверхности. Это дает возможность анализа концентрации или распределения определенных элементов. Метод успешно применяется для идентификации интерметаллических фаз в алюминиевых материалов и для исследования процессов сегрегации и диффузии. Таким образом исследуются слои примесей и оксидов более 1 mм2, например, покрытия консервных банок, дефекты поверхности.

Просвечивающая электронная микроскопия(TEM)

Просвечивающая электронная микроскопия проводится на металлической пленке, толщина которой не превышает 0,1 mм. Дисковый метод широко применяется для подготовки образцов для анализа 1) Диски со стартовой толщиной примерно 0,5 мм и диаметром 3 мм (в зависимости от конструкции крепления образца) уменьшаются электролитическим методом до необходимой толщины. (см.Таблицу). Утончение выполняется относительно легко при помощи обычного оборудования.

Прочие методы утончения, например, ионное утончение, должны адаптироваться для литых алюминиевых  сплавов с большим содержанием легирующих элементов.

Состав электролита для утончения алюминия (источник: Heimendahl и Hornbogen и др.)

Электролит Состав Рабочая температура Ток                Напряжение Комментарий
Раствор азотной кислоты 33 мл HN03
65 мл метанола
около 4°C
(ледяная вода)
Плотность тока     8-10 В
0,5-1 A/см2
Применяется для деформируемых алюминиевых сплавов
Раствор перхлорной кислоты 3 мл HCICU
147млC2H5OH
(чистая)
<20°C
(tводопроводная холодная вода)
Плотность тока     15-20В
0,2 A/см
Взрывоопасно при температуре выше 25°C, используйте охлаждение
Применяется для деформируемых алюминиевых сплавов

Обычная просвечивающая электронная микроскопия позволяет обеспечить увеличение в 3000-300000 раз (разрешение > 0.5 nm). Такой анализ проводится для определения структурных свойств элементов размером менее  1 mм длиной, например, вторичные осаждения (интерметаллические фазы с содержанием Cr, Mn or Zr), которые образуются во время термообработки. Фазы твердения сплавов AI-Mg-Si, AI-Cu-Mg, AI-Zn-Mg(Cu) и AI-Li-Cu-Mg видны только под электронном микроскопом. Дислокации изучаются методом просвечивающей электронной микроскопии, этот метод наиболее подходит для изучения деформации, восстановления и рекристаллизации.

Дифракция электронов позволяет определить направления кристаллов и проникающие фазы. Микроскоп может  быть оснащен устройством STEM и спектрографом энергетической дисперсии (EDX) для анализа методом TEM микродифракции и EDX размером более 20 nm .

Растровая электронная микроскопия (SEM)

Подготовка образца для SEM не вызывает затруднений, образец обрезается по определенным размерам (диаметр 10-30 мм), в зависимости от устройства крепления образца. На непроводящие или плохо проводящие образцы наносится слой золота, осажденный из паровой фазы. Метод растровой электронной микроскопии позволяет обеспечить большую глубину фокуса и высокий топологический контраст при увеличении в диапазоне 10x - 50,000x. Растровая электронная микроскопия  применяется для анализа морфологии поверхности, в особенности поверхности трещин, механических повреждений, коррозии. Растровая электронная микроскопия   позволяет отобразить структуру и распределение фаз в трехмерном измерении, если алюминиевую матрицу подвергнуть травлению. Данный метод подходит только для крупных фаз, например в литых сплавах и в материалах с усиленными волокнами, более мелкие элементы разрушаются при травлении. Растровая электронная микроскопия  может проводиться с рентгеновским спектрографом, который позволяет идентифицировать структурные компоненты более 0,1 mм (продукты коррозии. Если применяется отраженный электронный детектор, возможно проведение анализа плоских микросечений.