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
- Венгринович В.Л. Магнитошумовая структуроскопия. Минск: Наука и техника, 1991. 190 с.
- Ломаев Г.В., Малышев В.С., Дегтярев А.П. Обзор применения эффекта Баркгаузена в неразрушающем контроле. //Дефектоскопия. 1984,N3,с.15.
- Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. Перевод с японского. М.:Мир, 1987. 420 с.[schema type=»book» name=»ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ» author=»Годунова Людмила Николаевна, Гончаров Алексей Васильевич, Воробьев Сергей Александрович, Решенкин Андрей Станиславович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-15″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]