Структурно-механическая модель процесса разрушения, изложенная в работе [1], позволяет на базе сведений о стандартных механических характеристик металла (Ϭвр , Ϭ0,2 , φ , m) и размеров структурных элементов определить критерии конструктивной прочности элементов Kth, K1c – пороговый и критический коэффициент интенсивности напряжений соответственно.
Расчетная схема работоспособности сварных конструкций с использованием указанных критериев предполагает, что методы и аппаратура неразрушающей технической диагностики должны обладать такими функциональными возможностями, которые позволяли бы более полно проводить измерение и анализ параметров, сопутствующих процессу деформирования при статическом и динамическом нагружении элементов конструкции.
Одним из важных критериев для неразрушающих методов является критерий информативности, то есть качественная и количественная оценка контролеспособности объекта (металла). С этих позиций на первое место можно поставить металлографические методы. Ценность оптических исследований с помощью светового микроскопа состоит в их статистической глубине, в возможности оценки общей структуры, характерной для всего объема металла. Наблюдение структурных изменений на поверхности металла с помощью микроскопа дает исключительно “динамическую” информацию о происходящих усталостных процессах в металле.
Применение метода металлографии для диагностики сварных элементов конструкций в эксплуатационных условиях ограничивают следующие причины: трудность проведения наблюдений, сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость проведения подготовительных операций (шлифовка, полировка, травление). Однако имеются возможности по их устранению.
В настоящее время приготовление микрошлифов непосредственно на конструкции производится с использованием шлифовки и механической (электрической) полировки. Для приготовления шлифов непосредственно на трубах пользуются переносной шлифовальной машинкой с гибким валом. Шлифование выполняется войлочным кругом с наклеенным на него слоем абразивного порошка. Полировку производят войлочным кругом с применением пасты ГОИ или алмазных паст.
Один из способов электрохимической полировки на поверхности конструкции заключается в том, что к поверхности через кольцевую изолирующую прокладку прижимается сосуд, являющийся электролизером. Стенки этого сосуда образуют катод, а анодом служит полируемое изделие. В дне электролизера имеется отверстие, размер которого соответствует площади шлифа.
При другом способе используется электролиз в тонкой пленке электролита между полируемой поверхностью и накладным катодом. Катод представляет собой стержень или пластину из нержавеющей стали. Используемые переносные приборы состоят из блока питания, тампона с катодом и кюветы для электролита. Данный способ дает возможность получать микрошлифы на участках деталей и конструкций самой различной конфигурации.
Необходимую информацию о структуре в любой точке конструкции можно получить, используя метод реплик. Метод реплик состоит в том, что с поверхности объекта с помощью какого-либо вещества получают отпечаток, воспроизводящий рельеф поверхности. Практическая значимость этого метода определяется, с одной стороны, тем, что позволяет получить информацию о структуре реальной, работающей конструкции, а с другой — широким диапазоном размеров составляющих структуры, выявляемых репликой от микрон (оптическая микроскопия) до сотен ангстрем (растровая и просвечивающая электронная микроскопия).
Процедура получения реплик состоит из следующих операций:
-металлографической подготовки, включающей шлифование, полирование, травление;
— подготовки самой реплики;
— отделения ее от объекта.
При этом к качеству шлифов, предназначенных к исследованию с помощью реплик, предъявляются следующие требования:
- На поверхности шлифа не должно быть наклепанного слоя, наличие которого при последующем травлении не позволит четко выявить мелкие детали структуры металла и получить конкретное изображение.
- При полировании и травлении шлифов не допустимы выкрашивания частиц избыточных фаз карбидных, интерметаллидных и неметаллических включений.
- Поверхность шлифа должна быть чистой от посторонних частиц и каких-либо продуктов травления, которые могут привести к загрязнению реплик и внесению дополнительных данных, не относящихся к структуре исследуемого материала.
- На поверхности шлифа после травления должен быть рельеф, точно соответствующий структуре исследуемого объекта.
Для усиления контраста обычно специально оттеняют рельеф лаковой реплики косым напылением тяжелого металла в вакууме. При этом основное преимущество способа — простота — теряется. Поэтому метод лаковых реплик заменяется другим, более совершенным методом.
Когда необходимо оценить процесс образования вторичных фаз, а также появление микронесплошностей в силовых элементах реальных конструкций, наиболее эффективен метод двусторонней реплики. Он состоит в том, что сначала получают отпечаток первой ступени, затем на него в вакууме напыляют металл или уголь. После этого отпечаток первой ступени растворяют и полученную металлическую или угольную пленку (собственно реплику) которую исследуют с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Разрешающая способность у этих реплик такая же, как у лаковых и полистироловых.
Материалом для приготовления односторонней реплики служит полистирол. Полистирол нарезают на квадраты 10´10 мм и тщательно обмывают в спирте. После этого полистирол помещают в бензол до размягчения верхнего слоя, а затем накладывают на подготовленную поверхность исследуемой области конструкции при некотором давлении. После высыхания отпечаток отделяют от конструкции простым сдиранием и на него в вакууме напыляют металл.
Полистироловые реплики имеют важное значение при металлографическом исследовании зернограничной структуры, крупных включений, пор, трещин, а также при необходимости качественного изучения одного и того же участка структуры в диапазоне увеличений от 100 до 20000 в растровом электронном микроскопе.
Для получения двусторонних реплик применяют двухступенчатый способ. Для приготовления пластического отпечатка первой ступени используется основа рентгеновской пленки. Пленку отмывают от фотографической эмульсии в горячей воде, а затем промывают в спирте. На пленку наносят несколько капель ацетона и через 20-30 секунд накладывают на поверхность исследуемой области конструкции при некотором давлении. После затвердевания размягченного слоя пленка легко отделяется.
Отпечаток второй ступени представляет собой угольную пленку, которую получают на установке ВУП-5 распылением угольных электродов в вакууме 1-10-4мм рт.ст.
Исследование некоторых физических процессов и целого ряда технических задач сводится к анализу микроструктурных изображений, то есть изображений, содержащих множество однотипных элементов, линейные размеры которых малы по сравнению с областью анализа. В качестве примера на рис. 1 приведена структура комплекса оборудования для оценки размера структурного элемента.
Вышеперечисленные методики дают возможность устранить некоторые недостатки металлографического метода и сделать его пригодным для диагностических целей. Основным недостатком метода является то, что для принятия решения о состоянии конструкции требуется наличие моделей разрушения и расчетных схем, куда, как исходные данные, должны входить измеренные напряжения, определить которые в местах концентрации на реальной конструкции довольно сложно. Если даже принятая модель достаточно совершенна, но при расчете использовались приближенные исходные данные, то можно говорить лишь о расчетной приближенной оценке ресурса.
Рисунок 1. Схема оценки размера структурного элемента
Необходимо отметить, что в настоящее время еще не разработан надежный метод, который был бы лишен указанного недостатка.
Металлографический метод является основой для построения экспериментального закона распространения длин поверхностных микротрещин. Подготовленную для микрошлифа поверхность можно обрабатывать методами люминесцентной или цветной капиллярной дефектоскопии, которые выявляют поверхностные трещины длиной в несколько десятков микрон.
Весьма успешно и интенсивно в настоящее время развивается метод акустической эмиссии. Некоторые исследователи предполагают, что в будущем после совершенствования теоретической и технико-методической базы этот метод позволит без многоступенчатых расчетов выдавать окончательное решение о состоянии объекта.
Отметим, что глубокие фундаментальные исследования, вскрывающие сущность процесса образования и развития разрушения, требуют больших интеллектуальных и материальных затрат и поэтому трудно ожидать законченного решения задачи для практики в ближайшее время.
С другой стороны, экспериментально установленные четкие корреляционные связи между процессами, протекающими в материалах при их деформировании, и акустическими сигналами, сопровождающими эти процессы, дают возможность выбрать определенные характерные признаки, определяющие степень повреждения металла, которые могут использоваться для распознания состояния конструкции.
Широко используемый на практике для обнаружения дефектов ультразвуковой метод может также применяться и для оценки физико-механических свойств металлов: модулей упругости, текстуры, величины зерна, предела прочности и текучести и т.д. Использование метода основано на корреляционной зависимости свойств материала с его акустическими характеристиками. Однако существующая аппаратура обеспечивает надежную работу только в области обнаружения дефектов.
Перечисленные методы имеют свои недостатки и преимущества, но при всем многообразии методов контроля максимальный эффект достигается совместным их использованием, когда решения принимаются на основе применения разных методов с учетом информации, получаемой от нескольких средств контроля.
Список литературы:
- Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей.- Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2001.- 202 с.[schema type=»book» name=»ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ» description=»Предложена методика и технология металлографического метода неразрушающего контроля для получения реальной информации о структуре металла работающей конструкции, с целью определения исходных данных для расчета остаточного ресурса. » author=»Лютарь Виталий Станиславович, Гаркаев Евгений Александрович, Бражников Александр Алексеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-07″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_29.08.15_08(17)» ebook=»yes» ]