30 Дек

ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

При всём многообразии существующих методов неразрушающего контро­ля ответственных конструкций, работающих в условиях циклического наг­ружения, невозможно выделить хотя бы один, в полной мере отвечающий требованиям высокой информативности, достоверности результатов, низкой трудоёмкости и безвредности.

Эффект Баркгаузена известен около ста лет, однако практи­ческое использование его для оценки состояния ферромагнитных конструк­ционных материалов началось лишь в последнее время [1], а при­менительно к циклически нагружаемым конструкциям он практически не ис­пользовался.

Магнитошумовой метод (МШМ) диагностирования основан на регистра­ции изменений информативных параметров магнитного шума (МШ), возникающего при взаимодействии переменного электромагнитного поля с ферромагнитным материалом, и сочетает в себе признаки магнитного и токовихревого методов контроля. Использование гармонического анализа блоков скачков Баркгаузена (СБ) приближает его к методу высших гармоник  [2].Однако, дифференцированное отражение потоком СБ различных механизмов перемагничивания, наличие постоянной компоненты в спектре информатив­ного сигнала, а также локальность СБ в пространстве позволяют говорить о его физической самостоятельности.

Известна чувствительность параметров МШ к уровню действующего в металле напряжения [3], однако их связь со степенью пластического де­формирования материала, а также с уровнем его циклического повреждения практически не исследована.

В данной работе сделана попытка на качест­венном уровне установить наличие такой связи и, при положительном ре­зультате, возможность использования МШМ для оценки выработанного и прогнозирования остаточного ресурса циклически нагружаемых конструкций.

Характерным примером такой конструкции может служить клеесварная лопасть несущего винта вертолета, основу которой составляет лонжерон, нагруженный продольной центробежной растягивающей силой и знакопере­менным изгибающим моментом в плоскости тяги. Лонжерон выполнен из ста­ли 40ХН2М АУ-Ш в виде трубы переменного сечения. Плоские образцы с размерами 300х50х4 мм вырезали из комлевой, наиболее нагруженной части лонжерона и подвергали гомогенизирующему отжигу для снятия поверхност­ного наклепа (после отжига:   sв=755 МПа;   s0,2=475 МПа;  y=20%). В рабочей части ширину образца доводили до 30 мм за счет радиусных выточек. Для снижения вероятности возникновения трещин от краёв образцов производи­ли наклеп и шлифовку их боковых граней.

   По существующим представлениям ответственными за усталостную прочность металла являются поверхностные слои, в которых локализуются и накапливаются микропластические деформации и дефекты структуры. С другой стороны, в МШМ намагничиваются и диагностируются именно поверх­ностные слои металла на глубину от 0,5 до 3 мм, в зависимости от характеристик прибора.  Сказанное послужило основанием для выбора схемы нагружения образцов, которое осуществляли на установке эксцентрикового типа консольным, симметричным, жестким изгибом с амплитудой деформаций в центральной зоне образца 0,4% и частотой 85 Гц.

В качестве информативного параметра МШ использовали интегральную амплитуду СБ, полученных при одном акте перемагничивания материала и преобразованных после селекции и детектирования в пульсирующую ЭДС. Данный параметр, названный «уровнем МШ», регистрировали в процессе ис­пытаний периодически с помощью прибора ИТ-2 в центральной части пол­ностью разгруженного образца, на обеих его поверхностях. В отдельных случаях измерения проводили в нескольких сечениях по длине образца. До и после каждого измерения проверяли калибровку прибора на эталонном образце. В качестве результата измерения принимали среднее значение уровня МШ, полученное по трем замерам на каждой стороне образца. Влия­ние естественного разброса фонового шума на разных образцах исключа­ли, подсчитывая приращение МШ по отношению к исходному его уровню в данной точке. Испытания, как правило, прекращали после обнаружения при осмотре образца с помощью инструментального микроскопа МПБ-3 на одной из его сторон макротрещин.

Зависимость приращения МШ от числа циклов нагружения N аппроксимиро­вали методом наименьших квадратов полиномом второго порядка

На кривой (рисунок 1) можно выделить четыре характерных участка. В течение первых нескольких циклов нагружения (участок 1) наблюдается интенсив­ное нарастание уровня МШ. На участке 2, составляющем не более 15% общей долговечности  образца,  темп  нарастания  уровня МШ существенно снижается. В дальнейшем величина МШ  монотонно  возрастает  вплоть  до максимального значения (участок 3). Этот период составляет, как прави­ло, 80-90% общей долговечности и заканчивается резким спадом уровня МШ (участок 4).

Рисунок 1 — Зависимость приращения МШ от числа циклов нагружения N

С позиций механизма накопления повреждений и развития разрушения описанную кинетику МШ в процесе циклического нагружения образца можно, на наш взгляд, интерпретировать следующим образом. Существенное увели­чение уровня МШ на первых циклах нагружения может быть обусловлено де­формационным упрочнением материала. В пользу этого говорит и соотноше­ние предела текучести и предела прочности материала, близкое в данном случае к 0,7, что позволяет отнести его к циклически упрочняемым. Именно этим можно было бы объяснить и последующий спад в нарастании уровня МШ: снижение размаха деформаций в упрочненном материале умень­шает темп накопления повреждений, локализованных в поверхностных слоях металла. В дальнейшем накопление повреждений протекает монотонно вплоть до критического уровня, однако очевидно, что гипотеза их линей­ного суммирования в данном случае не справедлива. Точка перегиба на рассматриваемой кривой может свидетельствовать о качественном измене­нии механизма разрушения: циклическое повреждение материала переходит с микро- на макроуровень с образованием на поверхности первых уста­лостных трещин. Резкий спад уровня МШ на последней стадии испытаний можно объяснить значительным ухудшением условий перемагничивания мате­риала вследствие нарушения его физической сплошности в поверхностных слоях.

Подтверждением информативности параметров МШ в отношении процесса циклического повреждения материала может служить качественная корреля­ция между уровнем МШ и величиной максимальных напряжений на поверхности образца:  наибольшая  интенсивность  шума зафиксирована на наиболее нагруженном, а значит и наиболее циклически поврежденном участке мате­риала. Именно здесь во всех случаях возникали и развивались трещины.

Таким образом, наличие функциональной связи между параметрами МШ и степенью циклической поврежденности металла позволяет говорить о перспективности этого метода для целей диагностирования состояния от­ветственных конструкций из ферромагнитных материалов, работающих при циклических нагрузках, а также для прогнозирования их остаточного ре­сурса.

                                                   Литература

  1. Венгринович В.Л. Магнитошумовая структуроскопия. Минск: Наука и техника, 1991. 190 с.
  2. Ломаев Г.В., Малышев В.С., Дегтярев А.П. Обзор применения эф­фекта Баркгаузена в неразрушающем контроле. //Дефектоскопия. 1984,N3,с.15.
  3. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. Перевод с японского. М.:Мир, 1987. 420 с.
    ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
    Written by: Годунова Людмила Николаевна, Гончаров Алексей Васильевич, Воробьев Сергей Александрович, Решенкин Андрей Станиславович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 06/15/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)
    Available in: Ebook