СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ В МЕТАЛЛЕ МИКРОТРЕЩИН
METHOD FOR DETECTION OF MICROCRACKS IN METAL

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности, к способу обнаружения в металле конструкции микротрещин, в том числе в процессе ее эксплуатации.
Для обеспечения требуемого уровня безопасности при эксплуатации различных металлических конструкций необходимо достоверное определение технического состояния металла конструкции.
В процессе изготовления металлических конструкций, а также в процессе их эксплуатации в металле может происходить накопление поврежденности, вызываемое протеканием пластической деформации, воздействием нестационарных нагрузок и другими процессами. Накопление металлом поврежденности сильно сказывается на изменении эксплуатационных характеристик металла, и в результате может привести к разрушению конструкции под действием проектных нагрузок.
В стадийности процесса накопления металлом конструкции поврежденности ключевым моментом является образование в металле микротрещин, поскольку с этого момента остаточный ресурс конструкции будет определяться процессом развития микротрещин. Кроме того, возникновение микротрещин вызывает резкое снижение эксплуатационных характеристик металла.
Для обнаружения трещиноподобных дефектов неразрушающим способом известен ряд методов неразрушающего контроля: ультразвуковой (ГОСТ 23667-85), вихретоковый (ГОСТ 26697-85), магнитопорошковый (ГОСТ 21105-87) и др. Недостаток данных методов заключается в том, что их чувствительность позволяет обнаруживать трещиноподобные дефекты размером от ≈1 мм в глубину и более, что является уже относительно поздней стадией развития трещины.
Известен метод акустико-эмиссионной диагностики (ГОСТ Р 52727-2007 «Национальный стандарт РФ. Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика»), при котором регистрируют переменное поле упругих напряжений от развивающихся дефектов (в том числе на уровне структуры). Недостатком данного метода является сложность обработки и интерпретации получаемых результатов, кроме того, для регистрации сигналов акустической эмиссии необходимо обязательное нагружение конструкции.
Известен способ обнаружения усталостных микротрещин, который заключается в нанесении на конструкцию металлической пленки (например алюминиевой). По образованию локальных темных зон на поверхности пленки (или по нарушению сплошности пленки) после нагружения фиксируют появление в исследуемом металле микротрещин (RU 2390753 C1, G01N 3/32, 27.05.2010). Недостатками данного метода являются необходимость наличия пленки на конструкции в течение всего срока ее эксплуатации, а также необходимость применения специального увеличительного оборудования для идентификации полученных результатов.
Известен способ определения циклической прочности металла конструкций, который заключается в циклическом нагружении локальной области металла с помощью индентора и одновременном намагничивании и измерении намагниченности в зоне воздействия индентора (RU 2122721 C1, G01N 3/32, 27.11.1998). В процессе испытания регистрируют зависимость «усилие вдавливания - намагниченность», по изменению которой оценивают степень повреждения металла. Недостатком данного способа является то, что величина намагниченности металла является индикатором, реагирующим на накопление металлом поврежденности, и не может зафиксировать момент образования в металле микротрещин.
Известен способ определения поврежденности объекта, в котором для определения накопленной металлом поврежденности используется метод определения значений микротвердости и обработка получаемого распределения с помощью аналитических зависимостей (RU 2315971 C1, G01N 3/42, 27.01.2008). Данный способ принят за наиболее близкий аналог изобретения. Недостатком данного метода является отсутствие физической интерпретации получаемых коэффициентов поврежденности металла и невозможность определения реального технического состояния металла (в частности наличие или отсутствие микротрещин).
Задачей изобретения является создание неразрушающего способа качественной оценки наличия в металле конструкции (в конкретной наиболее нагруженной зоне) микротрещин размером порядка диаметра зерна металла и более, в том числе в процессе эксплуатации конструкции.
Для этого в способе обнаружения в металле конструкции микротрещин, включающем воздействие на участок конструкции индентором с заданными нагрузкой и шагом и определение микротвердости металла, сначала на подготовленную поверхность образца из металла, аналогичного металлу исследуемой конструкции, по крайней мере, в трех различных зонах воздействуют индентором в форме пирамиды, осуществляя в каждой серии замеров не менее 50 вдавливаний с величиной нагрузки, при которой отпечаток индентора по размерам не превосходит размеры зерна металла, и с шагом перемещения индентора, обеспечивающим исключение воздействия деформационных полей предыдущего вдавливания на последующее, определяют распределение значений микротвердости, из которого определяют минимальное значение микротвердости, которое принимается как базовое минимальное значение для данного металла, затем аналогично выполняют замеры микротвердости на рассматриваемом участке исследуемой конструкции из того же металла, по результатам измерений определяют распределение значений микротвердости, которое сравнивают с полученным базовым минимальным значением микротвердости, при этом более низкие значения микротвердости в металле исследуемой конструкции по сравнению с базовым минимальным значением микротвердости свидетельствуют о наличии микротрещин на участке исследуемой конструкции.
На фиг.1 представлены сводные гистограммы распределения базовых значений микротвердости металла и распределения микротвердости в металле после первичного нагружения, на фиг.2 - сводные гистограммы распределения базовых значений микротвердости металла и распределения микротвердости в металле после повторного нагружения.
Технология способа состоит в следующем.
Перед проведением комплекса замеров микротвердости, поверхность должна быть отполирована до шероховатости не выше Ra=1 мкм, для того, чтобы минимизировать влияние поверхностных неровностей на результаты измерений.
На первом этапе определяется базовое распределение значений микротвердости исследуемого металла, для чего на подготовленную зону металла воздействуют индентором (не менее 50 вдавливаний) с заданными нагрузкой и шагом. Форма индентора должна представлять собой пирамиду, поскольку благодаря такой форме индентор, попадая в микротрещину, будет проваливаться в нее, вызывая тем самым резкое снижение значений микротвердости. Усилие вдавливание выбирается исходя из структуры и свойств исследуемого металла, таким образом, чтобы отпечаток индентора по размерам не превосходил размеры зерна металла (к примеру для ферритоперлитных низколегированных сталей рекомендованное усилие вдавливания - 10÷50 г). Шаг перемещения индентора должен быть таким, чтобы исключить воздействие деформационных полей предыдущего вдавливания на последующее.
Для получения более достоверного распределения значений микротвердости, комплексы замеров выполняют не менее чем в трех различных зонах металла.
После выполнения комплексов замеров, определяют распределение значений микротвердости, из которого находят минимальное значение микротвердости, которое принимается как базовое минимальное значение для данного металла.
Затем аналогично выполняют замеры микротвердости на рассматриваемом участке исследуемой конструкции из того же металла. По результатам измерений определяют распределение значений микротвердости.
На заключительной стадии производится сравнение полученных значений микротвердости в металле исследуемой конструкции с базовым минимальным значением микротвердости для данного металла. В случае, если в металле конструкции обнаруживаются значения микротвердости, которые более чем на 10% ниже базового минимального значения микротвердости, то данный факт свидетельствует о наличии микротрещин в исследуемой зоне металла конструкции. Падение значений микротвердости менее чем на 10% относительно базового минимального значения может быть вызвано как наличием микротрещин на участке исследуемой конструкции, так и возможным разбросом свойств исследуемого металла.
Пример.
в
т
На листе из стали Ст3сп5 (ГОСТ 14637-89, σ=466 МПа, σ=311 МПа, δ=10 мм) были выбраны три зоны для определения базового минимального значения микротвердости. Подготовка поверхности выбранных зон включала в себя полировку до шероховатости Ra=0,5 мкм.
Для определения значений микротвердости использовался микротвердомер ПМТ-3М1. Вдавливания производились индентором в виде алмазной пирамидки с усилием в 25 г. Шаг перемещения индентора был выбран в 0,03 мм. В каждой зоне производилось по 100 вдавливаний.
2
Из полученного базового распределения значений микротвердости было найдено минимальное значение микротвердости, равное 102 кгс/мм, которое было принято как базовое минимальное значение микротвердости для данного материала.
Затем, из рассматриваемого листа был вырезан образец для проведения усталостных испытаний с размерами рабочей части: ширина - 80 мм, длина - 180 мм, толщина - 10 мм.
max
min
Испытания включали в себя усталостное нагружение образца с параметрами σ=250 МПа, σ=0 МПа в течение 10000 циклов. После испытаний в рабочей части образца была выбрана зона для измерения значений микротвердости. Подготовка поверхности и методика проведения замеров были аналогичны тем, которые применялись для получения базового распределения значений микротвердости.
Полученное распределение значений микротвердости сравнивалось с базовым минимальным значением микротвердости.
Сводная гистограмма распределения базовых значений микротвердости металла и распределения микротвердости металла образца после нагружения приведена на фиг.1.
Результаты сравнения показали, что значения микротвердости металла образца после нагружения выше, чем базовое минимальное значение микротвердости, что свидетельствует о том, что эволюция дислокационной структуры в процессе нагружения металла не привела к зарождению в нем микротрещин.
max
min
В связи с этим, исследуемый образец был повторно нагружен с параметрами σ=250 МПа, σ=0 МПа в течение 40000 циклов. После нагружения образца в его рабочей части был повторно произведен комплекс замеров микротвердости. Сводная гистограмма распределения базовых значений микротвердости и распределения микротвердости после повторного нагружения приведено на фиг.2.
Результаты сравнения показали, что после повторного нагружения образца в его металле появился массив значительно более низких значений микротвердости в сравнении с базовым минимальным значением, что свидетельствует о наличии микротрещин в металле после повторного нагружения.
Для проверки корректности предложенного критерия наличия в металле микротрещин (снижение значений микротвердости металла после нагружения по сравнению с базовым минимальным значением микротвердости), были проведены металлографические исследования, включающие электронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ металла образца после первичного и повторного нагружения, которые подтвердили наличие микротрещин размером порядка 15-20 мкм в металле образца после повторного нагружения, и отсутствие микротрещин в металле образца после его первичного нагружения.
Технический результат заключается в создании способа оперативной неразрушающей диагностики конструкции, с помощью которого появляется возможность не только оценивать накопление металлом поврежденности, но и фиксировать наличие в металле конструкции микротрещин, что позволит существенно повысить эффективность оценки технического состояния металла конструкции и прогнозирования ее эксплуатационной надежности.