Неразрушающий способ выявления зон концентрации напряжений в изделиях из металлов и сплавов
NON-DESTRUCTIVE METHOD FOR DETECTING VOLTAGE CONCENTRATION ZONES IN PRODUCTS MADE OF METALS AND ALLOYS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в диагностике изделий из металлов и сплавов по параметрам поля вихревых токов для выявления зон концентрации внутренних механических напряжений в изделиях и конструкциях.
Известен способ вихретокового контроля напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов (Сахабудинов Р.В., Чукарин А.В. Применение метода вихревых токов для контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций машиностроения при диагностике // «Известия ЮФУ. Технические науки». 2008. №2(79). С: 25-30, УДК: 621.376.3), согласно которому по эмпирической зависимости механического напряжения σ от напряжения вихретокового измерителя U контролируется напряженно-деформированное состояние конструкций. Для применения способа необходимо на исследуемом материале провести серию предварительных испытаний образцов на сжатие, состоящих в измерении параметра U при разных уровнях приложенной нагрузки и определении зависимости уровня механических напряжений σ от напряжения вихретокового измерителя U:
где А, K - эмпирические коэффициенты, рассчитанные по результатам предварительных испытаний. С использованием полученных зависимостей можно определять механические напряжения, возникающие в материале конструкции.
Недостатками данного технического решения являются низкие производительность и информативность результатов измерения из-за необходимости проведения серии предварительных механических испытаний на сжатие и возможности осуществления только интегральной оценки напряженно-деформированного состояния металла в контролируемом объеме изделия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов (патент РФ RU №2327124, публ. 20.06.2008, МПК G01L 1/20), основанный на явлении скин-эффекта и послойном исследовании электрофизических свойств деформированного металла. Способ основан на возбуждении в контролируемом изделии электропотенциальным методом переменного тока различной частоты и измерении сигнала-отклика, по которому регистрируют распределение эффективного удельного сопротивления проводника в зависимости от глубины проникновения электромагнитного поля на заданных частотах. Полученное распределение сопоставляют с заранее известными значениями механических напряжений на глубинах, соответствующих заданным частотам, и на основании полученной калибровочной зависимости между эффективным удельным сопротивлением и механическими напряжениями выявляют распределение механических напряжений по глубине контролируемого изделия.
Недостатками данного технического решения являются низкая производительность и ограниченная область применения способа из-за необходимости контактных измерений, а также проведения предварительных разрушающих испытаний для определения механических напряжений на различной глубине контролируемого изделия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является возможность выявления зон концентрации напряжений бесконтактным способом неразрушающего контроля без проведения предварительных разрушающих испытаний.
Технический результат заключается в повышении производительности и расширении области применения способа.
0
вн
0
вн
вн
m
вн
вн
t
Это достигается тем, что в известном неразрушающем способе выявления зон концентрации напряжений в изделиях из металлов и сплавов, основанном на подаче в исследуемое изделие электромагнитного поля различных частот тока возбуждения ƒ с регистрацией сигнала-отклика на каждой из частот ƒ и вычислении распределения составляющих сигнала-отклика по толщине изделия, на его бездефектной зоне определяют значения напряжения U, индуцируемого полем вихревых токов при различных частотах тока возбуждения ƒ далее в контролируемой области изделия непрерывно регистрируют напряжения U, индуцируемые полем вихревых токов при различных частотах тока возбуждения ƒ, и получают зависимости амплитуды вносимого напряжения |U|=|U-U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| от частоты тока возбуждения ƒ, и при равенстве нулю амплитуды вносимого напряжения |U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| во всем диапазоне частот тока возбуждения ƒ делают вывод об отсутствии зон концентрации напряжений в исследуемой области изделия, а при выраженном увеличении амплитуды вносимого напряжения |U| и появлении локального максимума зависимости отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| на частоте ƒ делают вывод о наличии в исследуемой области зоны концентрации напряжений.
вн
вн
вн
вн
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена зависимость амплитуды вносимого напряжения |U| от частоты тока возбуждения ƒ для изделия с зоной концентрации напряжений, на фиг. 2 показана зависимость отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| от частоты тока возбуждения ƒ для изделия с зоной концентрации напряжений, на фиг. 3 изображена схема вихретокового контроля зоны концентрации напряжений, полученной от вдавливания шара, на фиг. 4 представлена зависимость амплитуды вносимого напряжения |U| от частоты тока возбуждения ƒ, полученная при вихретоковом контроле зоны концентрации напряжений, полученной от вдавливания шара, на фиг. 5 изображена зависимость отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| от частоты тока возбуждения ƒ при вихретоковом контроле зоны концентрации напряжений, полученной от вдавливания шара.
Осуществление предлагаемого неразрушающего способа выявления зон концентрации напряжений в изделиях из металлов и сплавов осуществляется следующим образом.
0
Вихретоковым преобразователем с многочастотным возбуждением, подключенным в вихретоковому дефектоскопу, подают электромагнитное поле с различными частотами тока возбуждения ƒ в исследуемое изделие с регистрацией сигнала-отклика на каждой из частот тока возбуждения ƒ и определяют значение напряжения U, индуцируемое полем вихревых токов от бездефектной зоны изделия при различных частотах тока возбуждения ƒ. Диапазон частот выбирают исходя из необходимой глубины проникновения вихревых токов, соизмеримой с толщиной исследуемого объекта [Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 2. кн. 1. М.: Машиностроение, 2003].
вн
вн
0
вн
Далее вихретоковый преобразователь перемещают в контролируемую область изделия и регистрируют напряжения U, индуцируемые полем вихревых токов при различных частотах тока возбуждения ƒ. Затем проводят расчет значений амплитуд вносимого напряжения |U| при различных частотах тока возбуждения ƒ, по которым производят построение зависимостей амплитуды вносимого напряжения |U|=|U-U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| от частоты тока возбуждения ƒ.
Известно, что в процессе деформирования металлов и сплавов отмечается изменение межатомных расстояний кристаллической решетки, приводящее к изменению концентрации и подвижности электрических зарядов, что оказывает влияние на значение электрической проводимости материала. При появлении в материале локальной зоны концентрации напряжений изменяются электромеханические свойства материала контролируемого изделия в этой зоне. При этом зона концентрации напряжений характеризуется градиентом деформационных полей и соответствующим градиентом электрической проводимости металла. В связи с наличием такой неоднородности электромеханических свойств материала, эффективным является получение распределения электрической проводимости по всей толщине изделия, которое позволяет оценить значения градиентов электропроводности и коррелирующих с ними значений градиентов деформаций, тем самым выявляя локализованные зоны концентрации напряжений в контролируемом изделии.
вн
вн
вн
вн
вн
t
Экспериментально установлено, что в недеформированном металле, характеризующемся малым уровнем внутренних напряжений во всем объеме объекта контроля, значение удельной электрической проводимости является постоянной величиной, в связи с чем значение вносимого напряжения |U| не будет зависеть от частоты тока возбуждения ƒ, а значение отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| будет равно нулю. Также установлено, что при наличии в объекте контроля зоны концентрации напряжений значения электрической проводимости, вносимого напряжения |U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| будут изменяться в зависимости от глубины проникновения вихревых токов, при этом максимальное значение отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| будет соответствовать такой частоте ƒ, на которой глубина проникновения вихревых токов достигает области с максимальным градиентом механических напряжений.
вн
вн
вн
вн
t
Таким образом, согласно предлагаемому способу, при равенстве нулю амплитуды вносимого напряжения |U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| во всем диапазоне частот тока возбуждения ƒ делают вывод об отсутствии зоны концентрации напряжений, а при выраженном увеличении амплитуды вносимого напряжения |U| и появлении локального максимума зависимости отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| на частоте ƒ делают вывод о наличии в исследуемой области зоны концентрации напряжений.
Реализация предлагаемого способа показана на примере выявления зоны концентрации напряжений под отпечатком от внедрения стального шара диаметром 15 мм на глубину 3 мм в поверхность алюминиевой пластины толщиной 15 мм (фиг. 3). Схема вихретокового контроля зоны концентрации напряжений, полученной от вдавливания шара, содержит обмотку возбуждения вихретокового преобразователя 1, измерительную обмотку вихретокового преобразователя 2, а также отпечаток от вдавливания шара 3 с прилегающей к нему зоной концентрации напряжений (зона интенсивной пластической деформации) 4 и остальной недеформированный материал 5.
вн
вн
вн
вн
вн
вн
Установка вихретокового преобразователя осуществлялась с противоположной относительно отпечатка стороны алюминиевой пластины. Многочастотное возбуждение электромагнитного поля проводилось в диапазоне частот от 50 до 3000 Гц. В результате проведенных испытаний зарегистрированы зависимости амплитуды вносимого напряжения |U| (фиг. 4) и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| (фиг. 5) от частоты тока возбуждения ƒ, и было выявлено выраженное увеличение амплитуды вносимого напряжения |U| и появление локального максимума зависимости отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| в зоне концентрации напряжений, сформировавшихся в процессе упругопластического деформирования металла вдавливанием шара. На недеформированных участках алюминиевой пластины значения амплитуды вносимого напряжения |U| и отношения приращения амплитуды вносимого напряжения к приращению частоты |ΔU/Δƒ| были близки к нулю на всех исследованных частотах тока возбуждения ƒ.
Предлагаемый бесконтактный способ выявления зон концентрации напряжений позволяет проводить контроль изделий и конструкций с различным состоянием поверхности, при этом имеется возможность проведения контроля при отсутствии двустороннего доступа к изделию. Также данный способ может быть реализован в лабораторных и промышленных условиях для контроля металла действующего оборудования, в том числе для мониторинга кинетики накопления внутренних повреждений в наиболее нагруженных элементах технических устройств.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить производительность способа контроля уровня внутренних напряжений в изделиях из металлов и сплавов и расширить область его применения, поскольку предлагаемый способ с высокой точностью выявляет наличие локальных зон концентрации напряжений бесконтактным способом по всей толщине контролируемого изделия без проведения предварительных испытаний разрушающими методами.