СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАГНИТОУПРУГОСТИ
METHOD FOR PREVENTION OF FATIGUE FAILURE BASED ON MAGNETOELASTICITY

Предлагаемое изобретение относится к области прочности деталей машин и элементов инженерных конструкций из ферромагнитных материалов в условиях циклически изменяющихся напряжений и может найти применение в машиностроении, на транспорте, в производстве и контроле ответственных металлоконструкций.
Известны методы муаровых полос, сеток, реплик, используемые при изучении деформирования поверхности деталей, в том числе в зонах концентрации напряжений; при измерении пластических деформаций в зоне надреза или трещины в процессе деформирования предельных состояний или развития разрушений.
Вместе с тем ни один из этих методов не позволяет в общем случае контролировать кинетику напряженно-деформированных состояний и развитие разрушений на всех этапах исследования [1, стр.58, 59].
Эти методы требуют, чтобы исследуемая поверхность была плоской, без царапин и выбоин и тщательно обезжиренной [1, стр.66], чего в условиях реального производства достичь затруднительно. Кроме этого, необходимы предварительные операции подготовки эмульсий и растворов и их нанесения на рабочие поверхности, а также мероприятия по защите рисок сеток.
Известен также способ определения механических напряжений [2], включающий определение магнитоупругим датчиком углов направлений главных напряжений в точках (узлах) координатной сетки, нанесенной на исследуемую поверхность. Однако этот способ не дает возможности оценить усталостную (т.е. при циклически меняющихся напряжениях) прочность производственных объектов.
Наиболее близким по технической сущности является метод оптической корреляции, использующий лазерную технику и голографию [1, стр.100, 101, 103]. Метод применяют в реальном масштабе времени для изучения развития процесса усталости в материале. При испытаниях строят график сигнала корреляции, зависящего от среднего значения всех изменений структуры освещенной зоны диаметром 50 мм при расстоянии от образца до голограммы около 1 м. График имеет три участка: снижения интенсивности сигнала в начальном периоде в несколько тысяч циклов, соответствующего процессу упрочнения; постоянной интенсивности в течение значительного числа циклов, соответствующий инкубационному периоду зарождения трещин; непрерывное снижение интенсивности с момента достижения трещинами критических размеров.
Однако этот метод, требующий использования стационарного, дорогостоящего, прецизионного оборудования, практически не может быть реализован для контроля процессов усталостного разрушения в деталях и конструкциях, геометрия которых препятствует ходу световых волн и получению голограмм для закрытых мест концентрации напряжений, а также для проведения исследований в реальных производственных и, особенно, в полевых условиях.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение номенклатуры контролируемых изделий путем доступа к ранее закрытым для исследования местам концентрации напряжений, а также обеспечение возможности контроля в реальных производственных, в том числе полевых, условиях.
Поставленная задача решается за счет того, что в ходе эксплуатации машин и элементов конструкций, испытывающих циклические нагрузки, наносят координатную сетку на поверхность детали в местах концентрации напряжений, проводят измерения в узлах координатной сетки магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений, строят график изменения значений углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений, с участками, соответствующими различным периодам в процессе накопления усталости металла, определяют три участка: первый - нестабильный - релаксации остаточных напряжений от воздействия циклических внешних эксплуатационных нагрузок, второй - стабильных напряжений после релаксации, третий - ступенчатого изменения значений измеряемых углов, соответствующий этапу зарождения и развития трещины, а после регистрации начала третьего участка эксплуатацию контролируемого изделия прекращают, предупреждая его последующее разрушение.
На основании патентного поиска, проведенного по доступным источникам информации, отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, не обнаружено.
В связи с этим данное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Пример. Определение усталостного ресурса образцов в виде стальных прямоугольных пластин с размерами 600×90×12 мм, вырезанных гильотинными ножницами из стали Ст3.
На образцах создавали геометрические концентраторы напряжений в виде двух расположенных симметрично относительно продольной оси пропилов глубиной 7 мм и шириной 1 мм поперек пластины. На ее поверхность наносили координатную сетку с шагом 15×15 мм вблизи концентраторов (фиг.1).
Конструкция установки (фиг.2), в которой консольно закрепленный образец подвергали циклическому нагружению, состоит из массивного основания с установленным на нем кронштейном 1 с ярмом электромагнита 2. К пластине 3 прикреплен якорь электромагнита 4 и установлен магнитоупругий датчик 5. На свободном конце образца закреплен груз 6 для создания инерционных сил при колебаниях пластины, возбуждаемых электромагнитом. Количество циклов нагружения регистрировали счетчиком колебаний с герконовым датчиком 7.
Замеры углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений производили через каждые 50 тыс. колебаний в узлах координатной сетки магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством. При этом использовали датчик измерителя механических напряжений ИМН-4М разработки Воронежского государственного технического университета.
По результатам измерений был построен график изменения значений углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений по ходу испытаний с выделенными тремя характерными участками (фиг.3). Из графика видно, что протяженность первого нестабильного участка релаксации остаточных напряжений от проката соответствует 1550 тыс. колебаний; протяженность второго участка со стабильным после релаксации напряженным состоянием - от 1550 до 2650 тыс. колебаний. Далее начинается ступенчатое изменение значений углов, характерное для третьего участка. В рассматриваемом 4 узле IV сечения (фиг.1) значение угла наклона касательной с 38 градусов на стабильном участке возрастает вначале до 50 градусов, затем до 70, 78, 84, 88 и 92 градусов. Количество циклических нагружений, соответствующее ступенчатому изменению углов касательных, привело к видимому проявлению выходящих от концентраторов усталостных трещин с размерами на поверхности образца: правая - 23×0,04 мм, левая - 43×0,08 мм (ширина трещин указана средней).
Всего образец воспринял 4400 тысяч циклов. До полного разрушения он не доводился, так как это могло привести к повреждению установки.
Другой аналогичный образец, снятый с испытаний при количестве циклов нагружения, соответствующем концу второго стабильного участка и началу третьего со ступенчатым изменением углов касательных к изостатам, по данным последующих исследований трещин и других дефектов не имел.
Положительный эффект предложенного способа состоит в том, что он позволяет своевременно до опасного накопления металлом усталости снять изделие с эксплуатации для замены или восстановительного ремонта (с использованием всего временного ресурса).
Литература
1. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с., ил. (Основы проектирования машин).
2. А.с. SU 1543255 А1, кл. G01L 1/12, опубл. 15.02.1990.