Способ определения усталостной поврежденности местабильных аустенитных сталей
METHOD FOR DETERMINING FATIGUE DAMAGE OF METASTABLE AUSTENITIC STEELS

Изобретение относится к способам исследования или анализа материалов и может быть использовано для оценки фактического состояния эксплуатируемых промышленных объектов и деталей машин, в частности для определения накопленных повреждений в оболочке ядерных энергетических установок, изготовленных из нержавеющих метастабильных сталей аустенитного класса, которые подвергаются циклически повторяющимся деформациям.
Известен способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования, заключающийся в том, что определение времени задержки поверхностной волны производят на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента, а затем определяют критерий поврежденности эксплуатируемого элемента (см. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования: патент на изобретение RU 2231057: G01N 29/20 / А.Н. Смирнов, Н.А. Хапонен; Автономная некоммерческая организация "Кузбасский центр сварки". - Заявка №2002112593; приор. 13.05.2002; публ. 20.06.2004, бюл. №17).
Недостатком указанного способа является то, что поверхностные волны чувствительны к геометрии поверхности (например, изменение радиуса кривизны), а также к микрогеометрии поверхности (шероховатости, волнистости). Эти характеристики поверхности могут меняться в процессе эксплуатации объекта и оказывать значительный эффект, тем самым влияя на точность измерений.
В качестве прототипа выбран способ оценки поврежденности материала конструкций, заключающийся в измерении времени задержки поверхностной, продольной и сдвиговых волн на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента (см. Способ оценки поврежденности материала конструкций: патент на изобретение RU 2507514: G01N 29/04 / А.А. Хлыбов, А.Л. Углов; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)". - Заявка №2012131725; приор. 24.07.2012; публ. 20.02.2014, бюл. №5).
Недостатком указанного способа является необходимость применения трех типов волн, что делает задачу трудоемкой. Так как в способе применяются поверхностные волны, он не лишен и предыдущего недостатка, описанного выше, хотя этот недостаток и минимизирован применением других типов волн.
Известно, что в метастабильных аустенитных сталях при силовом воздействии могут происходить фазовые превращения (часть исходного аустенита становится деформационным мартенситом). В указанных выше способах не учитывается влияние изменения фазового состава на параметры распространения поверхностной, продольной и сдвиговых волн, что является существенным недостатком и может значительно снизить точность определения поврежденности в метастабильных аустенитных сталях.
Предлагаемый способ позволяет избежать вышеперечисленных недостатков.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности определения поврежденности в метастабильных аустенитных сталях.
Способ поясняется следующими материалами.
0
2
1
02
01
a
а
b
На фиг. 1 приведены результаты расчетов значения изменения количественного содержания деформационного мартенсита Ф-Ф, разности отношения временных задержек t/t и t/t и поврежденности, соответствующей относительному числу циклов n/N, для образцов, использованных для вычисления коэффициентов  и , и тестового образца, для которого рассчитывалась усталостная поврежденность Ψ; диапазон амплитуд деформаций цикла ε составлял 0,3÷0,7%.
На фиг. 2 приведена сравнительная диаграмма усталостной поврежденности ψ, рассчитанной по данным ультразвуковых и вихретоковых исследований, с поврежденностью, соответствующей относительному числу циклов n/N.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
0
01
02
До эксплуатации в контролируемой зоне изготовленного из метастабильной аустенитной стали элемента конструкции, подвергающегося циклически повторяющемуся нагружению, определяют количественное содержание деформационного мартенсита Ф. Затем в той же зоне возбуждают сдвиговые волны, поляризованные вдоль направления действия прикладываемой нагрузки, и определяют временную задержку t; возбуждают сдвиговые волны, поляризованные поперек направления действия прикладываемой нагрузки, и определяют временную задержку t.
1
2
Затем в процессе эксплуатации в той же зоне определяют количественное содержание деформационного мартенсита Ф, возбуждают сдвиговые волны, поляризованные вдоль направления действия прикладываемой нагрузки, и определяют временную задержку t; возбуждают сдвиговые волны, поляризованные поперек направления действия прикладываемой нагрузки, и определяют временную задержку t.
Усталостную поврежденность ψ в относительных единицах рассчитывают по формуле:
,
а
b
где ψ=0 - металл без повреждений, ψ=1 - появление усталостной трещины,  и  -коэффициенты, определяемые экспериментально.
Значение поврежденности, при котором объект должен выводиться из эксплуатации, устанавливается нормативными документами предприятия. В общем случае при достижении поврежденности значения 0,7 и выше эксплуатация объекта считается опасной. Пример применения.
a
Обучающий эксперимент для определения коэффициентов а и b проводился на образцах, вырезанных из листового проката метастабильной аустенитной стали марки 12Х18Н10Т. Каждый образец подвергался циклическому одноосному растяжению-сжатию с постоянной амплитудой деформации цикла ε до появления макротрещины. Диапазон амплитуд деформаций цикла составлял 0,3÷0,7%.
0
01
02
1
2
0
2
1
02
01
В контролируемой зоне до испытаний количественное содержание деформационного мартенсита Ф измерялось вихретоковым прибором МВП-2М, временные задержки t и t сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления действия прикладываемой нагрузки соответственно, измерялись с помощью акустической установки с ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем PanametricsV157. Затем проводилось циклическое одноосное растяжение-сжатие образцов. Периодически испытания останавливались, и в той же зоне проводились исследования. Измерялось количественное содержание деформационного мартенсита Ф и временные задержки t и t сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления действия прикладываемой нагрузки соответственно. Были рассчитаны значения изменения количественного содержания деформационного мартенсита Ф-Ф и отношения временных задержек t/t и t/t.
Результаты исследований приведены на фиг. 1.
а
b
а
b
0
На основе экспериментальных данных с помощью множественной линейной регрессии были определены параметры  и . При расчете зависимой переменной являлась поврежденность, соответствующая относительному числу циклов n/N (n - текущее число циклов нагружения, N - циклическая долговечность), независимыми переменными являлись изменение количественного содержания деформационного мартенсита Ф-Ф и изменение отношения временных задержек , свободный член отсутствовал. Значения коэффициентов составили: =32, =164,8.
a
0
01
02
1
2
0
а
b
Затем еще один изготовленный из той же стали образец, тестовый, подвергался циклическому одноосному растяжению-сжатию с постоянной амплитудой деформации цикла ε=0,3% до появления макротрещины. До испытаний в контролируемой зоне измерялось количественное содержание деформационного мартенсита Ф и временные задержки t и t сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления действия прикладываемой нагрузки соответственно. Периодически испытания останавливались, и в той же зоне измерялось количественное содержание деформационного мартенсита Ф и временные задержки t и t сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления действия прикладываемой нагрузки соответственно. Рассчитывались Ф-Ф и . С использованием ранее полученных значений коэффициентов  и  рассчитывалась усталостная поврежденность Результаты исследований тестового образца приведены на фиг. 1.
С целью верификации способа определения усталостной поврежденности метастабильных аустенитных сталей проведено сравнение усталостной поврежденности, рассчитанной по данным ультразвуковых и вихретоковых исследований, с поврежденностью, соответствующей относительному числу циклов n/N. Для наглядности на фиг. 2 приведена точечная диаграмма в координатах Ψ(n/N), прямая линия соответствует полному совпадению расчетной и экспериментальной поврежденности, т.е. = n/N. Полученное численное значение коэффициента корреляции между Ψ и n/N равно 0,99, что свидетельствует о высокой достоверности предлагаемого способа.