Способ диагностики состояния поверхностного слоя твердотельной мишени под действием внешних нагрузок
METHOD FOR DIAGNOSING THE STATE OF THE SURFACE LAYER OF A SOLID TARGET UNDER THE ACTION OF EXTERNAL LOADS

Изобретение относится к области контроля и диагностики эксплуатационных свойств износостойких материалов и изделий и может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях, а также для покрытий, находящихся в условиях циклического нагружения, связанных, прежде всего, с эрозийной стойкостью поверхности.
Известен способ диагностики качества конструкционных материалов (Патент RU №2518590, заявл. 22.01.2013, опубл. 10.06.2014 г. Бюл. №16, кл. G01N 19/06 (2006.01)). Способ включает воздействие на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350-380 Мпа при скорости 800-850 м/с. При этом на испытуемый образец устанавливают один или несколько датчиков акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости. Оценку качества конструкционного материала образца осуществляют путем сравнения относительных значений массового уноса материала параметров акустической эмиссии с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов.
Недостатками известного способа является принципиальная невозможность детально-дискретного изучения специфики процессов гидроконтактного взаимодействия отдельного одного зерна высокоскоростной струи суспензии, например, абразивно-жидкостной или гидродинамического характерного возмущения гидроструи в виде пиковой пульсации давления в ней на соответствующие изменения параметров состояния поверхностного слоя и характеристик микрорельефа твердотельной мишени под действием этих элементарных гидрофизических импульсно-силовых факторов.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является способ контроля и диагностики устойчивости покрытия к действию внешних нагрузок (Патент RU №2583332). Способ включает воздействие индентором на образец с износостойкими покрытиями деформирующей нагрузкой до разрушения покрытия и оценку результатов воздействия. Воздействие осуществляют с помощью высокоскоростной струи жидкости, используемой в качестве индентора, со скоростью 300-1000 м/с на образцы, предварительно прошедшие циклическое нагружение, имеющее волновой нестационарный характер, а оценивают результаты воздействия по скорости струи, при которой начинается интенсивное разрушение покрытия, или по длине гидрокаверны от точки начала воздействия до точки полного разрушения покрытия или по глубине и ширине гидрокаверны.
Недостаток способа состоит в возможности только интегральной оценки влияния совокупности ударно-силовых гидроимпульсов со стороны высокоскоростной гидроструи или струи суспензии, например, в виде абразивно-жидкостной струи, на информационно-диагностические характеристики исследуемой поверхности - глубину и форму образующейся на ней гидрокаверны, количества распределения частиц гидро- или гидроабразивной эрозии поверхностного слоя твердотельной мишени и других параметров, однозначно связанных с физико-механическим состоянием исследуемой поверхности.
Таким образом, детальное исследование результата единичного ударно-силового воздействия на изучаемую поверхность одного зерна и/или частички суспензии или энергетически характерного импульса гидроволнового возмущения гидроструи делается невозможным, что снижает достоверность показателей устойчивости поверхности покрытия к внешним деформирующим нагрузкам.
Анализ известных технических решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств, предназначенных для оценки триботехнических показателей материалов и изделий, особенно в отраслях промышленности, где данные показатели являются определяющими при эксплуатации изделий, например, в машиностроении, в авиационной и ракетно-космической отраслях.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширить возможности контроля и диагностики устойчивости покрытия к действию внешних нагрузок для определения остаточного ресурса материалов и конструкций, в том числе покрытия твердотельной мишени.
Для решения указанной проблемы и достижения заявленного результата в способе получения информации о состоянии поверхностного слоя твердотельной мишени к действию внешних нагрузок, включающем воздействие на образец с износостойким покрытием деформирующей нагрузкой до разрушения покрытия, при этом воздействие осуществляют с помощью высокоскоростной струи жидкости, используемой в качестве индентора, в качестве которого используют сверхскоростную струю гидросуспензии с частицами абразива, которой воздействуют на вращающуюся горизонтальную плоскость образца в виде дискообразной мишени в направлении от периферии к центру образца, с угловой скоростью, обеспечивающей гидроскрайбирующий режим перемещения гидроструи относительно исследуемого образца, при котором локальные изменения его поверхностного слоя, под действием единичных ударов твердофазных частиц струи суспензии находятся на расстоянии друг от друга, по которым судят о состоянии поверхности образца.
Изобретение обеспечивает возможность определения износостойкости, эрозионной стойкости и других триботехнических свойств материалов и конструкций путем воздействия струи гидросуспензии в горизонтальной плоскости в направлении от периферии к центру образца в форме диска, поверхность которого будет характеризоваться наличием множественных ударов абразивных частиц, которые будут характеризовать оценку уровня общей эрозионной стойкости того или иного материала, и в получении исчерпывающей информации об энерго-валовой структуре гидроструй или струи суспензии.
Способ включает воздействие индентором на образец с износостойкими покрытиями деформирующей нагрузкой до разрушения покрытия и оценку результатов воздействия с осуществлением относительного движения пятна гидроконтакта по поверхности мишени со скоростью, исключающей взаимовлияние результатов воздействия на нее последовательно-единичных импульсов физико-энергетических флуктуаций, например, в виде пересечения площадей от следов (отпечатков) ударов твердофазных частиц суспензии и/или импульсов (скачков) гидродавления в зоне взаимодействия струи с поверхностью мишени, за счет движения, в частности кругового, дискообразной мишени с угловой скоростью, определяемой расчетно-экспериментальным путем.
Изобретение проиллюстрировано схематически на чертеже.
c
м
м
м
r
1,
2
n.
21
2
1
32
3
2
i+1,i
i+1
1
n-1,n
n
n-1
Сверхскоростная струя гидросуспензии 1 направляется на поверхность вращающейся твердотельной мишени 2 со скоростью V таким образом, что зона гидроконтактного воздействия струи движется по поверхности мишени с линейной скоростью V=ωR, где Rрадиус дискообразной мишени, а ω-частота вращения мишени. При этом учитывается также и V- скорость радиального движения струи гидросуспензии. При применении предлагаемого способа отпечатки от действия энергетически-силовых флуктуаций 3 в зоне гидроконтактного взаимодействия струи с поверхностью мишени 2 располагаются на радиусах rr, …rПричем расстояние между отпечатками 3 увеличивается к периферии мишени, т.е. Δr=(r-r)<Δr=(r-r)<Δr=(r-r)…Δr=(r-r).
Пример конкретного выполнения.
Производили дискретно-дифференциальную диагностику выходных информационных параметров взаимодействия струи гидросуспензии с поверхностью твердотельной мишени. В соответствии с соотношением  необходимо было рассчитать значение скорости относительного движения зоны гидроконтактного взаимодействия абразивно-жидкостной струи гидросуспензии по поверхности мишени.
На первом этапе анализа определили значение , как среднюю величину  где:  расстояние между центрами соседних следов (отпечатков) от удара частиц абразива в поверхность мишени; n-число анализируемых следов (отпечатков) (обычно n=12÷15).
Основываясь на результатах прямых экспериментов по оптическому определению  а также теории ударно-контактных взаимодействий упругих тел значение  при радиусе частицы абразива d~0,2 мм:
f
3
3
.
На втором этапе определили частоту (Гц) ударов частиц абразива в поверхность мишени. Для этого вычислили количество абразивных частиц, эжектируемых в струю гидросуспензии при массовом расходе жидкости (обычно специально подготовленной технически чистой воды)  (кг/с) при массовой концентрации этих частиц с (%) в данной гидроструе. Таким образом, масса одной абразивной частицы, например, из природного кварца плотностью ρ=2,65 ⋅ 10 (кг/м) и диаметром d=0,2 мм определяется из соотношения: При  с (6 литров/мин) частота удара частиц будет оцениваться зависимостью:  при с~10%. Таким образом, скорость относительного движения пятна гидроконтакта струи по поверхности, ссылаясь на приведенные выше вычисления, составила: V~10 м/с.
c
м
s
м
s
м
s
м
s
Исходя из проведенных расчетов, дискретно-дифференциальное диагностирование условий гидроконтактного взаимодействия абразивно-жидкостной струи гидросуспензии (СГС) было реализовано следующим образом (фиг. 1). Движущаяся со скоростью V СГС 1, содержащая твердотельные частицы 2 имеет результирующую скорость V относительно движения пятна зоны ее гидроконтакта с поверхностью мишени 4: V=V+V, где V и V - соответственно абсолютные значения скоростей движения мишени и струи в зоне их гидроконтактного взаимодействия. При такой скорости V формируется «трассирующий» профиль микрорельефа поверхности и поверхностного слоя мишени, обусловленный раздельными ударами частиц 2. Сформированный рельеф поверхности 4 после воздействия 1 характеризуется участками не деформированного материала поверхности мишени:  где  - характерный размер элемента профиля поверхности мишени 4, например, диаметр отпечатка от удара частицы или диаметра самой частицы. В первом случае коэффициент «неперекрытия» площадей отпечатков k>1,0, а во втором варианте оценки  этот коэффициент - k<1,0. Важно отметить, что именно стабильное условие неперекрытия отпечатков от ударов частиц 2 СГС о поверхность мишени 4 обеспечивается выполнением зависимости V=V+V, которую можно уточнить неравенством вида V>V+V.
Путем анализа отличительных особенностей, сформированного с учетом описанных выше формул и расчетов профиля поверхности мишени 4 под действием СГС 1 можно определить следующие основные информационно-диагностические и физико-механические параметры (фиг. 1):
o
- геометрическая характеристика размера отпечатка от удара твердофазной частицы, обычно его диаметр-«b» или d;
- максимальная глубина отпечатка - Н;
- высота валика пластического оттеснения материала мишени от места удара частицы - h.
t
Заметим, что именно эти параметры позволяют экспериментально верифицировать расчетно-аналитические и другие модели ударно-динамических физически разнообразных взаимодействий. Кроме того, значения l характеризуют стабильность распределения частиц абразива и/или других твердофазных дисперсионных частиц в СГС. Это обстоятельство позволяет оперативно оценить качество формирования СГС и, как следствие, ее функциональные возможности. Причем анализ отклонения отпечатков от ударов частиц о поверхность мишени от прямой линии, в данном случае, вектора скорости относительного движения пятна гидроконтакта V, также позволяет проанализировать специфику формирования СГС в определенном струеформирующем элементе - фокусирующем сопле используемой технологической установки.
Таким образом, вышерассмотренные основные информационно-диагностические признаки особенностей гидроконтактного взаимодействия СГС при условии их дифференциально-дискретного анализа позволяют:
- оценивать физико-механические характеристики поверхностного слоя материала мишени, в том числе при наличии на нем защитно-функциональных покрытий. Причем эти параметры позволяют изучать именно динамические составляющие данных характеристик;
- оперативно определять качество формирования самих СГС, в частности - оперативно оценивать степень равномерности распределения твердофазных частиц в осевом и радиальном направлении высокоскоростного ядра СГС. Тем самым, открывается возможность ускоренного определения функциональной результативности различных КТР, связанных с процессом формирования эффективных СГС.
Способ получения информации о состоянии поверхностного слоя твердотельной мишени к действию внешних нагрузок за счет определенного значения результирующей скорости относительно движения струеформирующего сопла и мишени, позволяет обеспечить такой гидроскрайбирующий режим перемещения гидроструи или струи суспензии относительно мишени, при котором локальные изменения ее поверхностного слоя, под действием единичных ударов твердых частиц струи суспензии и/или пиковых значений импульсов гидродавления в гидроструе находятся на некотором расстоянии друг от друга, что позволяет не только осуществить диагностические исследования физико-механических характеристик поверхностного слоя материала мишени под действием локально-динамических ударных нагрузок (твердых частиц и/или пиковых значений импульсов гидродавления), но и получить исчерпывающую информацию об энерговолновой структуре самих гидроструй или струй суспензии.
При этом сами твердые частицы суспензии, ударяющиеся о поверхность мишени через определенные расстояния и/или импульсы гидродавления, по существу являются тонким индентирующим гидрофизическим инструментом получения различной и достаточно полной информации об объектах такого вида гидроконтактного взаимодействия - струе в мишени. Причем физико-энергетическую совокупность самих процессов взаимодействия можно трактовать, как новую информационно-диагностическую гидродинамическую технологию исследования параметров не только состояния поверхностного слоя твердого тела, но и свойств, в первую очередь, механических, твердофазных частиц суспензии, в частности - их ударно-динамической прочности и твердости, например, путем анализа результатов удара этих частиц в высокотвердую поверхность мишени (например, алмазную).
По сравнению с прототипом предложенный способ обеспечивает расширение возможностей контроля и диагностики устойчивости покрытия к действию внешних нагрузок для определения остаточного ресурса материалов и конструкций, в том числе покрытия твердотельной мишени.