rmjournalЭталоны. Стандартные образцыMeasurement Standards. Reference Materials2687-0886D. I. Mendeleyev Institute for Metrology10.20915/2687-0886-2021-17-4-13-21rmjournal-317Research ArticleСтандартные образцыReference materialsРазработка стандартных образцов для обеспечения прослеживаемости измерений механических напряжений акустическим видом неразрушающегоEngineering of reference materials for providing traceability of measurements of mechanical stresses by acoustic type of nondestructive checkМатвееваИ. Н.MatveevaI. N.

Матвеева Илона Николаевна - научный сотрудник лаборатории менеджмента риска и метрологического обеспечения безопасности технологических систем УНИИМ - филиал ФГУП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

620075, Екатеринбург, ул. Красноармейская, д. 4

Ilona N. Matveeva - Researcher, Laboratory for Risk Management and Metrological Safety Assurance of Technological Systems.

4 Krasnoarmeyskaya str., Yekaterinburg, 620075

sertif@uniim.ruТолмачевВ. В.TolmachevV. V.

Толмачев Владимир Валерьянович - кандидат физико-математических наук, заведующий лаборатории менеджмента риска и метрологического обеспечения безопасности технологических систем.

620075, Екатеринбург, ул. Красноармейская, д. 4

Vladimir V. Tolmachev - PhD (Physical and mathematical sciences), Head of the Laboratory for Risk Management and Metrological Safety Assurance of Technological Systems.

4 Krasnoarmeyskaya str., Yekaterinburg, 620075

sertif@uniim.ruУральский научно-исследовательский институт метрологии - филиал ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. МенделееваРоссияUNIIM - Affiliated Branch of the D.I. Mendeleev Institute for MetrologyRussian Federation2021170120221741321Copyright © Матвеева И.Н., Толмачев В.В., 20222022Матвеева И.Н., Толмачев В.В.Matveeva I.N., Tolmachev V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rmjournal.ru/jour/article/view/317

Статья посвящена разработке набора стандартных образцов механических свойств сталей. В настоящее время при измерении механических напряжений прослеживаемость результатов измерений обеспечивается к эталону времени, а не механических напряжений, системный подход к обеспечению единства измерений механических напряжений требует разработки основы для сравнения.

Цель исследования - разработка и аттестация стандартных образцов специальной формы, прослеживаемых к единицам СИ - силе и длине, предназначенных для передачи единицы величины механических напряжений средствам измерений, реализующим временной метод акустического вида неразрушающего контроля, основанный появлении акустоупругости.

В статье рассматриваются ключевые этапы процесса разработки стандартных образцов: выбор исходного материала стандартных образцов; исследование однородности исходного материала; проведение экспериментальных исследований с использованием образцового средства измерений (государственного эталона единицы силы 1 разряда) и установление на основе этих исследований метрологических характеристик стандартных образцов.

В результате испытаний с целью утверждения типа был утвержден набор стандартных образцов механических свойств сталей ГСО 11544-2020/11545-2020. Аттестованными характеристиками стандартных образцов набора являются напряжение σпц, предел пропорциональности; напряжение σ0,2, предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации 0,2 %; напряжение σв, предел прочности (временное сопротивление); приращение напряжения при приращении относительного удлинения 1 % (модуль упругости II рода). Границы допускаемых значений относительной погрешности аттестованных значений при доверительной вероятности 0,95 стандартных образцов набора не превышают 12 %. Авторы считают, что набор стандартных образцов механических свойств сталей ГСО 11544-2020/11545-2020 обеспечит метрологическую прослеживаемостъ резулътатов измерений механических напряжений средствами измерений, реализующими временной метод акустического вида неразрушающего контроля, при использовании ГСО в качестве основы для сравнения в поверочной схеме.

The article presents the investigation of a certified reference material (CRM) of the steels mechanical properties. At present traceability of measurement results of mechanical stresses is ensured to the standard of time, but not mechanical stresses, and a metrological approach to ensuring the uniformity of measurements of mechanical stresses requires the development of a basis for comparison.

The aim of the work was the characterization and certification of standard samples of a special form, traceable to SI units-force and length, intended for transferring a unit of magnitude of mechanical stresses to measuring instruments that implement a temporary method of acoustic type of nondestructive check based on the phenomenon of acoustoelasticity. The article discusses the key stages of the development of reference materials: selection of the source material for reference materials; study of the homogeneity of the source material; carrying out experimental studies with the use of reference device (the state standard unit of strength of the 1st category) and establishing the metrological characteristics. As a result of type approval tests CRM was registered in the State Register of CRM’s as GSO 11544-2020/11545-2020. The certified characteristics of the CRM are proportional limit mechanical stress σpl; proof strength σ02 (plastic extension 0,2 %); tensile strength σв; modulus of elasticity E. Limits of the relative error of the certified values at a confidence level of 0,95 do not exceed 12 %. The authors believe that the CRM of the mechanical properties of steels GSO 11544-2020/11545-2020 will provide metrological traceability of the results of measurements of mechanical stresses by measuring instruments that implement the by acoustic type of nondestructive check, when using the GSO as a basis for comparison in the verification scheme.

механические свойства сталинапряженно-деформированное состояниевременной метод акустического вида неразрушающего контроляявление акустоупругостипредел пропорциональностипредел текучести условный с допуском на величину пластической деформации 02 %предел прочности (временное сопротивление)модуль упругостистандартный образецmechanical properties of steelstress-strain statetentative method of acoustic type of nondestructive testingacoustoelasticitylimits of proportionalityproof strength (plastic deformation 02 0%)tensile ultimate tensile strengthelasticity modelreference materialАвторы выражают благодарность заместителю генерального директора по развитию ООО «ИНКОТЕС» Пасманику Льву Абрамовичу, руководителю сектора научных исследований в области измерений силы и массы больших значений ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» к. т. н. Шмигельскому Илье Юрьевичу за обсуждение в ходе разработки стандартных образцов; рецензентам за ценные замечания, касающиеся терминологии в области НКReferencesМотова Е. А., Никитина Н. Е. О возможности ультразвукового контроля компрессорных лопаток после эксплуатации и ремонта // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2011. Т. 10. № 3-2. C. 52-56. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2011-0-3-2(27)-52-56Motova E. A., Nikitina N. Y. The possibility of ultrasonic testing of compressor blades after exploitation and repair. VESTNIK of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2011 ;10(3-2):52-56. (In Russ.). https://doi.org/10.18287/2541-7533-2011-0-3-2(27)-52-56Никитина Н. Е., Мотова Е. А., Тарасенко Ю. П. Неразрушающий контроль рабочих компрессорных лопаток авиационного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2012. Т. 11. № 3-1. C. 291-295. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2012-0-3-1(34)-291-295Nikitina N. E., Motova E. A., Tarasenko Y. P. Nondestructive testing of the working compressor blades of the aviation engine. VESTNIK of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2012;11(3-1):291-295. (In Russ.). https://doi.org/10.18287/2541-7533-2012-0-3-1(34)-291-295Никитина Н. Е., Камышев А. В., Казачек С. В. Применение метода акустоупругости для определения напряжений в анизотропных трубных сталях // Дефектоскопия. 2015. № 3. С. 51-60Nikitina N. Y., Kamyshev A. V., Kazachek S. V. The application of the acoustoelasticity method for the determination of stresses in anisotropic pipe steels. Defektoskopiya. 2015;(3):171-178. (In Russ.).Никитина Н. Е., Камышев А. В., Казачек С. В. Использование явления акустоупругости при исследовании напряженного состояния технологических трубопроводов // Дефектоскопия. 2009. № 12. С. 53-59.Nikitina N. Y., Kamyshev A. V., Kazachek S. V. Using the phenomenon of acoustoelasticity in the study of the stress state of technological pipelines. Defektoskopiya. 2009;(12):53-59. (In Russ.).Никитина Н. Е., Камышев А. В., Миронов Н. А. Измерение напряжений в технологических трубопроводах методом акустоупругости // Газовая промышленность. 2009. № 5. С. 64-67.Nikitina N. E., Kamyshev A. V., Mironov N. A. Measurement of stresses in technological pipelines by the method of acoustoelasticity. GAS Industry of Russia. 2009;(5):64-67. (In Russ.).Electromagnetic-acoustic structural analysis of rolled bars / O. V. Muravieva [et al.] // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC. 2016. Vol. 1785. no. 1. P. 030017. https://doi.org/10.1063/1.4967038Muravieva O. V., Muraviev V. V., Gabbasova M. A., Petrov K. V., Zorin V. A. Electromagnetic-acoustic structural analysis of rolled bars. AIP Conference Proceedings. 2016;1785(1):030017. https://doi.org/10.1063/14967038Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / В. В. Муравьев [и др.] // Дефектоскопия. 2011. № 8. С. 16-28.Muravyev V. V., Muravyeva O. V., Strizhak V. A., Pryakhin A. V., Balobanov E. N., Volkova L. V. Evaluation of residual stresses in rims of wagon wheels using the electromagnetic-acoustic method. Defektoskopiya.2011 ;47(8):512-521.Мотова Е. А., Никитина Н. Е. Исследование акустической анизотропии конструкционных материалов при переменном нагружении // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной научно-технической конференции, Самара, 22-24 июня 2016 г. Самара: Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева. 2016. С. 1617.Motova E. A., Nikitina N. Ye., Tarasenko Ur. P. Study of acoustic anisotropy of structural materials under variable loading. In: Problems and prospects for the development of engine building: materials of reports of the international scientific and technical conference, Samara, June 22-24 2016. Samara: Samara National Research University named after academician S. P. Queen. 2016.S. 16-17. (In Russ.).Исследование разрушения при статическом нагружении сварных соединений акустическим методом / В. В. Мишакин [и др.] // Тяжелое машиностроение. 2009. № 7. С. 27-30.Mishakin V. V., Gonchar A. V., Knrashkin K. V., Danilova N. V. The joint weld destruction study after static loading by acoustic method. Russian journal of heavy machinery. 2009;(7):27-30. (In Russ.).Application of the acoustic anisotropy approach for technical diagnostics of structures with large plastic deformations / A. K. Belyaev [et al.] // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1785. № 1. P. 030004. https://doi.org/10.1063/1.4967025Belyaev A. K., Polyanskiy V. A., Grishchenko A. I., Lobachev A. M., Mansyrev D. I., Modestov V. S. et al. Application of the acoustic anisotropy approach for technical diagnostics of structures with large plastic deformations. AIP Conference Proceedings. 2016;1785(1):030004. https://doi.org/10.1063/14967025Estimating the plastic strain with the use of acoustic anisotropy / A. K. Belyaev [et al.] // Mechanics of Solids. 2016. Vol. 51. no. 5. P. 606-611. https://doi.org/10.3103/S0025654416050149Belyaev A. K., Lobachev A. M., Modestov V. S. et al. Estimating the plastic strain with the use of acoustic anisotropy. Mechanics of solids. 2016;51:606-611. https://doi.org/10.3103/S0025654416050149Experimental investigation of the acoustic anisotropy field in the sample with a stress concentrator / A. I. Grishchenko [et al.] // St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics. 2017. Vol. 3, no. 1. P. 77-82. https://doi.org/10.1016/j.spjpm.2017.02.005Grishchenko A. I., Modestov V. S., Polyanskiy V. A., Tretyakov D. A., Shtukin L. V. Experimental investigation of the acoustic anisotropy field in the sample with a stress concentrator. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics. 2017;3(1):77-82. https://doi.org/10.1016Zj.spjpm.2017.02.005Оценка напряженно-деформированного состояния и растрескивания атмосферостойкой конструкционной стали методом акустоупругости / Е. Л. Алексеева [и др.] // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 12. С. 33-44.Alekseeva E., Alhimenko A., Belyaev A., Lobachev A., Polyanskiy V., Rostovykh G. et al. Evaluation of stress-strain state and cracking of weather-proof structural steel by acoustoelasticity. Construction of Unique Buildings and Structures. 2016;12(51):33-44. (In Russ.).ГОСТ Р 52330-2005 Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие требования Москва: Стандартинформ. 2005. 5 c.GOST R52330-2005 Non-destructive testing. Evaluation of deformations in industrial and vehicle structures. General requirements. Standartinform Publ.; Moscow: 2005. 5 p. (In Russ.).ГОСТ Р 53966-2010 Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния материала конструкций. Общие требования к порядку выбора методов Общие требования. Москва: Стандартинформ. 2011. 4 c.GOST R53966-2010 Non-destructive testing. Evaluation of mechanical stresses in constructions material. General requirements for the order of methods choice. Standartinform Publ.; Moscow: 2011.4 p. (In Russ.).ГОСТ Р 55043-2012 Контроль неразрушающий. Определение коэффициентов упругоакустической связи. Общие требования. Москва: Стандартинформ. 2014. 8 c.GOST R55043-2012 Non-destructive testing. Evaluation of elastic-acoustic coefficients. General requirements. Standartinform Publ.; Moscow: 2014. 8 p. (In Russ.)ГОСТ Р 56664-2015 Контроль неразрушающий. Определение напряженного состояния материала изделий машиностроения методами акустоупругости. Общие требования. Москва: Стандартинформ. 2016. 16 c.GOST R56664-2015 Non-destructive testing. Evaluation of stress state material engineering products by acoustoelastic methods. General requirements. Standartinform Publ.; Moscow: 2016. 16 p. (In Russ.).ГОСТ Р 52731-2007 Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования. Москва: Стандартинформ. 2007. 7 с.GOST R52731-2007 Non-destructive testing. Stress evaluation by ultrasound. General requirements. Standartinform Publ.; Moscow: 2007. 7 p. (In Russ.)РМГ 29-2013 Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. Москва: Стандартинформ. 2014. 60 с.RMG 29-2013 State system for ensuring the uniformity of measurements. Metrology. Basic terms and definitions. Standartinform Publ.; Moscow: 2014. 60 p. (In Russ.)Metrological traceability of the measured values of properties of engineering materials / G. Roebben [et al.] // Metrologia. 2010. Vol. 47. no. 2. P. 23-31. https://doi.org/10.1088/0026-1394/47/2/S03Roebben G., Linsinger T., Lamberty A., Emons H. Metrological traceability of the measured values of properties of engineering materials. Metrologia. 2010;47(2):23-31. https://doi.org/10.1088/0026-1394/47/2/S0321. Establishment of traceability in the measurement of the mechanical properties of materials / G. W. Bahng [et al.] // Metrologia. 2010. Vol. 47. no. 2. P. 32-40. https://doi.org/10.1088/0026-1394/47/2/S04Bahng G. W., Kim J. J., Lee H. M., Huh Y. H. Establishment of traceability in the measurement of the mechanical properties of materials. Metrologia. 2010; 47(2):32-40. https://doi.org/10.1088/0026-1394/47/2/S04Czichos H., Saito T., Smith L. Springer Handbook of Metrology and Testing. Berlin: Springer. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-16641-9Czichos H., Saito T., Smith L. Springer Handbook of Metrology and Testing. Berlin: Springer; 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-16641-9ГОСТ I SO Guide 30-2019 Стандартные образцы. Некоторые термины и определения. Москва: Стандартинформ. 2019. 9 с.GOST ISO Guide 30-2019 Reference materials. Selected terms and definitions. Standartinform Publ.; Moscow: 2019. 9 p. (In Russ.).ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Москва: ИПК Изд-во стандартов. 1997. 35 с.GOST 1497-84 Metals. Methods of tension test. PPC Izdatel’stvo Standartov; Moscow: 1997. 35 p. (In Russ.).РМГ 53-2002 ГСИ. Стандартные образцы. Оценивание метрологических характеристик с использованием эталонов и образцовых средств измерений. Москва: ИПК Изд-во стандартов. 2004. 6 с.RMG 53-2002 State system for ensuring the uniformity of measurements. Reference materials. Evaluation of metrological characteristics with the use of measurement standards and reference devices. PPC Izdatel’stvo Standartov; Moscow: 2004. 6 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.