Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий
METHOD FOR DETERMINING THE STAGES OF CYCLIC FATIGUE AND RESIDUAL OPERATING LIFE OF METAL ITEMS

Изобретение относиться к области технической диагностики и неразрушающего контроля металлических конструкций. Способ позволяет определять стадии циклической усталости по характерным признакам стадийного накопления повреждений, выявленным при совместном использовании методов акустической эмиссии и магнитной памяти металлов.
Известен способ определения стадий накопления повреждений по признакам различной степени активности идентифицированных типов источников акустической эмиссии (Башков О.В., Панин С.В., Семашко Н.А., Петров В.В., Шпак Д.А. Идентификация источников акустической эмиссии при деформации и разрушении стали 12Х18Н10Т// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - №10. - С. 51 - 57).
Способ обладает высокой достоверностью, но для выявления остаточного ресурса изделия необходимо вести постоянный мониторинг изделия или конструкции в процессе эксплуатации.
Известен метод магнитной памяти металла (ГОСТ Р 52005-2003), который используется для ранней диагностики усталостных повреждений и оценки ресурса оборудования и конструкций. Метод магнитной памяти основан на измерении и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния металла изделий, отражающих их структурную и технологическую наследственность, включая сварные соединения. При контроле используют естественную намагниченность, сформировавшуюся в процессе изготовления изделия в магнитном поле Земли. Для оборудования, находящегося в эксплуатации, магнитная память проявляется в необратимом изменении намагниченности металла в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок.
Метод позволяет определять напряженно-деформированное состояние отдельных областей конструкций, но не позволяет определить остаточный ресурс.
Задачей изобретения является разработка метода определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделия на ферромагнитной основе методом магнитной памяти металла в процессе эксплуатации без постоянного мониторинга.
Решение задачи достигается за счет последовательного определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса изделия методами акустической эмиссии и магнитной памяти и установления корреляционной связи между зарегистрированными в процессе эксплуатации изделия значениями параметров акустической эмиссии и напряженностью магнитного поля.
Технический результат заключается в возможности определения прогнозного значения остаточного ресурса изделий методом магнитной памяти без постоянного мониторинга накопления повреждений методом акустической эмиссии.
Для определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий предварительно из партии изделий отбирается серия образцов для испытаний на циклическую усталость. Испытания на усталость проводят с дополнительным использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла на установке для циклических испытаний на заданной базе испытания. Акустическая эмиссия (АЭ) используется как метод регистрации накопления повреждений в течение всего периода испытания. Образцы доводят до разрушения, но с периодическими остановками. Число и периодичность остановок могут варьироваться в зависимости от задач исследования. В периоды остановок методом магнитной памяти регистрируют значения напряженности магнитного поля в заданных в начале испытаний местах на образце.
Регистрируемые в процессе испытания сигналы АЭ разделяют по типам источников АЭ с использованием частотно-энергетического критерия. По изменению активности источников АЭ различного типа определяют стадии циклической усталости и усталостного разрушения образцов изделия. По окончании испытаний корреляционным анализом определяют зависимости между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н, зарегистрированными при заданном числе циклов n в периоды остановок испытания в заданных местах на образце.
По полученным значениям коэффициента корреляции выбирают зависимость H(n), соответствующую максимальному значению модуля коэффициента корреляции между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н. Выбранную зависимость H(n) используют для установления соответствия стадий циклической усталости значениям Н при определении прогнозируемого значения остаточного ресурса исследуемого материала изделия.
После проведенных исследований и установления соответствия Н стадиям циклической усталости контроль остаточного ресурса изделий проводят только с использованием метода магнитной памяти.
Способ был реализован на примере серии образцов стали 45 с термической обработкой (закалка и низкий отпуск), вырезанных из изделий. Образцы имели технологические вырезы, являющиеся концентраторами напряжений, расположенными на рабочей части образцов. На фиг. 1 приведен чертеж образца и расположение сечений сканирования при измерении напряженности магнитного поля Н.
Для выявления типов источников АЭ, используемых при определении стадий циклической усталости на основе метода АЭ, предварительно были выполнены статические испытания на растяжение плоских образцов из того же материала с тем же видом термической обработки с одновременной регистрацией АЭ во время испытания. Преобразователь АЭ во время испытаний устанавливался непосредственно на образец вблизи его рабочей части со стороны одного из захватов. Для регистрации АЭ была использована АЭ система, позволяющая выполнять регистрацию и расчет основных параметров сигналов АЭ (суммарная АЭ, медианная частота сигналов АЭ, энергия сигналов АЭ и другие).
После испытания выполнялся анализ зарегистрированных сигналов АЭ по двум параметрам АЭ: «энергия» (Е) и «медианная частота» (f). Для этого выполнялось построение двухпараметрического распределения сигналов АЭ в координатах «энергия» - «медианная частота». На плоскости двухпараметрического распределения были выделены три группы сигналов АЭ (фиг. 2), регистрируемых при генерации тремя типами источников, характеризуемых различными видами повреждений структуры металла при деформации:
2
группа сигналов I включает сигналы АЭ с 10<Е<100 мВс, обозначена на фиг. 2 ромбом;
2
группа II включает сигналы АЭ с Е>100 мВс и f<200 кГц, обозначена на фиг. 2 треугольником;
2
группа III включает сигналы АЭ с E>100 мВс и f>200 кГц, обозначена на фиг. 2 квадратом.
Для разделения сигналов АЭ на группы были использованы рекомендации, приведенные в работе (Башков О.В., Панин С.В., Семашко Н.А., Петров В.В., Шпак Д.А. Идентификация источников акустической эмиссии при деформации и разрушении стали 12Х18Н10Т// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - №10. - С. 51-57). Согласно данным рекомендациям группа сигналов I регистрируется на стадии текучести и начала деформационного упрочнения и соответствует преимущественно источникам пластической деформации (источники типа I), группа сигналов II регистрируется на стадии микротекучести (упругости) и на стадии деформационного упрочнения и характеризует образованием микротрещин (источники типа II), группа сигналов III регистрируется преимущественно на стадии предразрушения и разрушения и характеризуется образованием макродефектов типа трещин (источники типа III).
Разделение сигналов по типам источников позволило повысить достоверность определения стадий циклической усталости при последующих циклических испытаниях на основании раздельного анализа изменений активности сигналов АЭ для установленных типов источников.
Циклические испытания на усталость выполняли по методу знакопеременного консольного изгиба на электромеханической установке с регулируемой амплитудой деформации. Амплитуда деформации позволяла задавать расчетное значение амплитуды напряжения в цикле. Усталостная установка позволяет выполнять испытания с одновременной регистрацией АЭ. Для этого предусмотрена установка преобразователя АЭ непосредственно на неподвижную часть образца.
Циклические испытания на изгиб проводили до разрушения образцов и фиксировали число циклов. Далее выполняли анализ и разделение зарегистрированных сигналов АЭ на три группы по установленным при статических испытаниях критериям разделения для параметров «энергия» и «медианная частота».
Далее строили диаграммы накопления суммарной АЭ N и накопления суммарной энергии АЭ Е от числа циклов испытания раздельно для каждого из трех типов зарегистрированных сигналов. Графики накопления суммарной АЭ N(n) и суммарной энергии АЭ Е(n) для одного из испытаний приведены на фиг. 3. Обозначения I, II, III соответствуют различным типам сигналов и источников АЭ. По графикам N(n) и Е(n) были установлены изменения активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа в зависимости от числа циклов испытания.
На основании анализа графиков (фиг. 3) можно полагать, что процесс накопления дефектов различается по активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа. Для каждого из исследуемых образцов отмечено следующее изменение активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа. Для сигналов АЭ типа I повышение активности (фиг. 3а) наблюдается после первых 10000 циклов, что связано с микропластической циклической деформацией материала. Далее отмечено снижение активности АЭ до 220000 циклов, характеризуемое циклическим упрочнением, и последующее резкое увеличение активности АЭ, которое длится до разрушения образца и связано с пластической деформацией в устье образовавшейся магистральной трещины. Аналогичным образом изменяется зависимость накопления энергии АЭ (фиг. 3б). Зависимости накопления сигналов и энергии АЭ для сигналов типа II и III существенно отличаются от зависимости для сигналов типа I: наступление значительной активности сигналов типа II и III, связанное с развитием магистральной трещины, наблюдается за 4000-5000 циклов до разрушения.
Для установления корреляции между накоплением повреждений, происходящих при циклической усталости, и статическим структурным состоянием образцов были проведены измерения напряженности магнитного поля Н на различных этапах циклического нагружения образцов с остановкой испытаний и последующим его возобновлением. Напряженность магнитного поля регистрировалась путем сканирования вдоль образца на длине пробега 16 мм по сечениям сканирования, приведенным на фиг. 1. При этом середина концентратора напряжений (радиальной выточки) находилась на расстоянии 8 мм от начала сканирования. На диаграммах фиг.4 приведены графики зависимости напряженности магнитного поля Н от числа циклов нагружения n для трех сечений сканирования вдоль образца. По оси X приведено число циклов испытания образцов. По оси Y приведена напряженность магнитного поля Н [А/м]. Каждый из графиков диаграммы показан для соответствующей координаты нахождения датчика измерения напряженности магнитного поля от начала его движения: фиг. 4а - сечение сканирования 1, 4б - сечение сканирования 2, 4в - сечение сканирования 3. Таким образом, координата 0 мм соответствует середине концентратора напряжений на образце.
Совокупная оценка графиков позволяет сделать вывод о неравномерности распределения напряженности магнитного поля в начальном состоянии (фиг. 4).
По результатам анализа параметров напряженности магнитного поля можно отметить, что график изменения напряженности магнитного поля от числа циклов H(n) для расположения датчика в центре концентратора (8 мм) имеет расположение на диаграмме, соответствующее наименьшему значению параметра H практически для всех сечений.
Далее был проведен корреляционный анализ между значениями суммарной АЭ N, зарегистрированной для различных типов источников, и напряженности магнитного поля Н, зарегистрированными при заданном числе циклов в периоды остановок испытания в заданных местах на образце.
Было установлено, что существует устойчивая связь между коэффициентом корреляции Xkor, рассчитанным для величин N и Н, и расстоянием от концентратора напряжений на образце до точки измерения Н. Максимальное по модулю значение коэффициента корреляции Xkor между N и Н имеют зависимости, полученные для координаты измерения Н, равной 0 мм и расположенной вблизи центральной части концентратора для всех сечений сканирования, на которых проводились измерения Н. На фиг. 5 приведены графические зависимости коэффициента корреляции Xkor(N, Н) между суммарной АЭ N для различных типов зарегистрированных сигналов и напряженностью магнитного поля Н от координаты измерения напряженности магнитного поля Н: фиг. 5а - сечение сканирования 1, фиг. 5б - сечение сканирования 2, фиг. 5в - сечение сканирования 3.
Для исследованных образцов была установлена качественная связь между зарегистрированными на различных стадиях усталости параметрами АЭ и параметрами напряженности магнитного поля Н. Были выявлены моменты значительного изменения параметров при достижении критического накопления дефектов, приводящих к смене механизмов развития повреждений. Наличие корреляции между суммарной АЭ N и напряженностью магнитного поля Н для различных расстояний регистрации магнитного поля позволяет однозначно судить о возможности использования методов магнитной памяти и АЭ для определения прогнозного остаточного ресурса изделий. Для максимального по модулю значения коэффициента корреляции устанавливается соответствие между стадиями, выявленными по параметрам акустической эмиссии и значениями напряженности магнитного поля H. По установленному соответствию диапазонов значений Н в процессе эксплуатации изделий определяется стадия циклической усталости и прогнозный остаточный ресурс.
Таким образом, в результате проведенных исследований была установлена корреляционная связь между акустико-эмиссионным методом и методом магнитной памяти, позволяющими определить стадии циклической усталости металлического материала на ферромагнитной основе. Для определения остаточного ресурса партии изделий необходимо провести предварительные испытания с использованием методов акустической эмиссии и магнитной памяти на одном контрольном образце и затем использовать полученные корреляционные зависимости для определения прогнозируемого остаточного ресурса всей партии изделий, выполняя контроль методом магнитной памяти в местах, требующих контроля, без постоянного мониторинга изделий методом акустической эмиссии.