Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ»На правах рукописи
ВАСИЛЬКОВ СЕРГЕЙ ДМИТРИЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ И ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 05.11.01 – Приборы и методы измерений (по видам измерений) (механические величины)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Валетов Вячеслав Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Марусина Мария Яковлевна кандидат технических наук, доцент Кудряшов Эдуард Алексеевич
Ведущая организация: ОАО «Техприбор», 196084, Россия, Санкт Петербург, Варшавская ул., д.5а
Защита состоится 20 апреля 2010 г. в 15:30 час. в аудитории 461 на заседании диссертационного совета Д.212.227.04 при Санкт Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО) по адресу:
197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.
Автореферат разослан марта 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.227. кандидат технических наук, доцент Киселёв С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Обеспечение требуемых качественных показателей изделий является актуальной задачей. При этом остаточные напряжения в поверхностных слоях относятся к числу факторов, существенно влияющих на многие характеристики качества изделий. Качественное и количественное влияние их на целый ряд функциональных свойств изделий ещё недостаточно изучено. Одной из причин этого является отсутствие серийно выпускаемых простых, надёжных и приемлемых по стоимости средств измерений и контроля остаточных напряжений.
Большой опыт эксплуатации изделий в различных областях техники и многочисленные эксперименты показывают, что остаточные напряжения влияют на износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и долговечность изделий. Особенно велико их влияние на геометрическую точность изделий со всеми вытекающими последствиями.
В современной промышленности определение остаточных напряжений осуществляется методами разрушающего и неразрушающего контроля. При этом эксплуатационные свойства изделия определяются как величиной остаточных напряжений на поверхности, так и характером их распределения по глубине поверхностного слоя. Недостатки разрушающих методов общеизвестны и не требуют комментариев. Существующие неразрушающие методы имеют ряд ограничений, не позволяющих применять их при определении остаточных напряжений в изделиях из алюминиевых, никелевых и других сплавов. Требуется создание новых методов и средств неразрушающего контроля, что является актуальной проблемой для современного приборостроения и машиностроения.
Работа выполнялась в соответствии с государственным контрактом 5514р/7878 ФСР МП НТС, а также грантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным и прикладным исследованиям (2006- г.г.). Аппаратный комплекс выполненных в рамках данной работы исследований по разработке средств неразрушающего контроля остаточных напряжений удостоен серебряной медали 50-го Салона изобретений «Брюссель-Эврика» за 2006 год.
Цель работы. Создание соответствующего по основным показателям неразрушающего метода контроля остаточных напряжений и его метрологическое обеспечение.
Задачи работы:
- анализ существующих методов и средств измерений и контроля остаточных напряжений (ОН);
- разработка теоретического обоснования метода;
- разработка методик по определению ОН, подготовке поверхности при использовании аппаратуры;
- изготовление аппаратуры и практические результаты работы с измерительным комплексом.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
- предложен новый экспериментально-расчетный метод определения остаточных напряжений в изделиях из металлов и сплавов, основанный на измерении эффективного удельного сопротивления (ЭУС) электроконтактным методом;
- разработаны, смоделированы и изготовлены конструкции датчиков для определения ЭУС, защищённые патентами РФ;
- разработана методика определения остаточных напряжений в лабораторных и цеховых условиях;
- выполнен комплекс исследований по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.
Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:
- реализованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде измерительного комплекса СИТОН-ТЕСТ, которые показали в реальных условиях приемлемую точность, производительность и себестоимость изготовления;
- результаты исследований используются в учебном процессе в образовательных программах бакалавров, специалистов, магистров и в исследованиях аспирантов.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общепринятых положений физики твердого тела, метрологии, современной вычислительной техники;
удовлетворительным совпадением результатов теоретических расчетов и результатов экспериментов;
положительным эффектом внедрения разработанной методики, измерительного комплекса и его использования в производственных условиях.
Реализация в промышленности. Метод неразрушающего контроля определения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий при различных видах изготовления и условий эксплуатации в действующем производстве. Выполненные работы приняты к внедрению на предприятиях машиностроения России (ОАО «НПО «Сатурн», НПП «Сигма-Тест», ОАО «Пермские моторные заводы» и др.).
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались в течение на научно-технических 2006-2009г.г.
конференциях, совещаниях и семинарах в г.г. Иваново, Рыбинск, Москва, а также в учебных заведениях: ПИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ), СПбГУ ИТМО, ИвГУ.
Апробация проведена на ОАО «ПМЗ», ФГУП «ЦНИИ им.А.Н.Крылова», ОАО «НИАТ», ОАО «Техприбор», ПИМаш, ГАЗПРОМ. В автореферате в качестве примера представлены исследований на ОАО «ПМЗ», ОАО «НИАТ», ФГУП «ЦНИИ им.А.Н.Крылова».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 работы в реферируемых журналах и 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунка, 11 таблиц, список литературы, включающий 85 наименований, 2 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, проанализированы существующие методы определения остаточных напряжений.
В первой главе выполнен анализ существующих современных методов и средств измерений и контроля напряжённо-деформированного состояния материалов изделий. Известно, что технологические остаточные напряжения могут возникнуть в результате механических, термических и термомеханических воздействий на изделия из металлов и сплавов.
Среди важных достижений в исследовании остаточных напряжений можно выделить результаты, представленные в работах И.А.Биргера, Н.Н.Давыденкова, А.А.Дубова, М.И.Евстигнеева, С.Ю.Иванова, А.И.Исаева, В.В.Клюева, Э.А.Кочаров, Б.А.Кравченко, А.А.Маталина, Ж.А.Мрочека, А.Н.Овсеенко, И.А.Одинга, В.В.Трофимова и др.
Установлено, что последействие технологических остаточных напряжений при превышении допустимых значений в изделиях с высокой жесткостью в поверхностном слое могут возникнуть трещины, а с малой жесткостью – остаточная деформация, приводящая к короблению с соответствующей потерей точности формы или взаимного расположения поверхностей. При уровне напряжений в пределах допустимых значений видимых изменений не произойдет, но при совпадении знака эксплуатационных нагрузок со знаком напряжений произойдет разрушение изделия при нагрузках, меньших расчетных.
Существующие методы определения остаточных напряжений делятся на неразрушающие и разрушающие. К первым методам относятся акустический, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный и др. Перечисленные методы имеют целый ряд ограничений по исследуемым материалам (алюминиевые, титановые, никелевые и сложнолегированные сплавы) и по возможности построения эпюры механических напряжений.
К разрушающим методам относятся химический, рентгеновский, Давиденкова-Биргера и др. Разрушающим методом не представляется возможным проводить сплошной контроль деталей, поскольку требуется полное или частичное их разрушение. Громоздкость аппаратуры не позволяет использовать её в полевых условиях. Тем не менее, данная аппаратура находит применения на крупных предприятиях, где есть научно-исследовательские лаборатории.
На основании выполненного анализа состояния проблемы и в соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:
1. разработка метода неразрушающего контроля и определения ОН для любых металлов и сплавов с возможностью построения эпюры;
2. теоретическое обоснование метода и его апробация в реальных производственных условиях;
3. разработка измерительной аппаратуры с необходимыми средствами технологического оснащения;
4. метрологическая оценка разработанных средств измерения ОН;
5. проведение комплекса экспериментальных исследований для обоснования полученных теоретических результатов и выводов;
6. разработка и внедрение технологических рекомендаций по применению измерительной аппаратуры и методик на промышленных предприятиях РФ.
Во второй главе изложены теоретические обоснования метода по определению остаточных напряжений (ОН) неразрушающим способом, названным резистивным электроконтактным. При этом ОН являются частным случаем механических напряжений, которые и рассматриваются в дальнейшем.
Одной из важных задач исследования поверхностных свойств металлов и сплавов является измерение распределения механических технологических напряжений по толщине h поверхностного слоя материала изделия. Наиболее распространённым методом изучения эпюр (h) является разрушающий метод на образцах, вырезаемых из исследуемого изделия, и по измеренной деформации образцов при удалении напряженных слоев судят о механических напряжениях в них.
Разработанный способ определения напряжений в изделиях из металлов и сплавов основан на использовании связи между электрическими и механическими свойствами проводников и явления скин-эффекта в них.
Существует взаимосвязь между удельной электрической проводимостью и механическими напряжениями, она определяется формулой (1):
e 2 En = d, (1) mkTVT N где e – заряд электрона, Кл;
m – масса покоя электрона, кг;
n0 – число электронов проводимости в единице объема;
Е – напряженность поля, В/м;
k – постоянная Больцмана, Дж/К;
Т – абсолютная температура, К;
VT – скорость теплового движения электронов, м/c;
N0 – число атомов в единице объема;
d – период кристаллической решетки, м. Известна связь удельной электрической проводимости с удельным электрическим сопротивлением = 1/.
При отсутствии механических напряжений металл имеет номинальное значение периода решетки и соответствующее d номинальное значение удельной электрической проводимости 0. Под действием изменения механических напряжений имеет место изменение периода решетки металла d. В зоне упругих деформаций это изменение можно считать пропорциональным механическому напряжению и, в соответствии с (1), изменения электропроводности также пропорциональны механическим напряжениям по формуле (2):
= K, (2) где К – экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий свойства материала.
Таким образом, измеряя электрические свойства проводящих материалов изделий, можно определять механические напряжения в них.
При этом необходимо измерять электрические параметры и определять механические напряжения на различных глубинах в поверхностных слоях, т.е. определять эпюру распределения напряжений в материале изделия.
Для измерения распределения удельного сопротивления по глубине используется явление скин-эффекта, при котором токи высокой частоты сосредотачиваются у той поверхности проводника, которая является ближайшей к источникам поля, вызывающим появление токов. На основании решения системы уравнений Максвелла для проводящего полупространства глубина проникновения тока h в таком проводнике определяется выражением (3):
h=, (3) fµ где f – частота тока, Гц;
– магнитная проницаемость материала, Гн/м;
– удельная электропроводность материала, Ом-1.
Величина плотности тока экспоненциально уменьшается с увеличением глубины, а h представляет значение глубины (3), на которой плотность тока падает в "е" раз по сравнению с исходным значением тока на поверхности. По определению h – глубина проникновения тока в проводник, т.е. толщина поверхностного слоя, в котором распространяется основная часть тока.
Использование явления скин-эффекта позволяет послойно исследовать поверхностный слой изделия путем подачи в него тока различной частоты и измерения сигнала-отклика, параметры которого связаны с изменением напряженного состояния материала изделия.
Уменьшая в соответствии с формулой (3) частоту посылаемого в изделие переменного тока, увеличивается глубина исследуемого слоя. Выбор рабочих частот обеспечивает требуемый диапазон глубин изделия.
Рассмотрим участок плоского проводника с протекающим по нему током I от какого-либо внешнего устройства (см. рис.1). Сопротивление R такого проводника для постоянного тока выражается формулой:
l R=, (4) S где удельное электрическое сопротивление материала – проводника, Омм;
l и S – соответственно длина и площадь сечения проводника, м;
S = b h, м2, где h – высота проводника, м, b – ширина проводника, м.
Сопротивление проводника R = U/I, где U – падение напряжения на нем. Измерив U и I и определив R, по формуле (4) при известных размерах l, b и h, можно вычислить значение.
Аналогичным образом поступаем и для переменных токов, в том числе высокочастотных. В случае скин-эффекта формула будет также справедлива, если считать, что площадь сечения проводника S представляет собой произведение глубины проникновения поля в проводник h на ширину b, причем h и b зависят от частоты тока и материала проводника.
U I h S l b Рисунок 1 – Схематическое изображение элемента изделия с током:
b, l, h – линейные размеры, S – площадь сечения проводника, I – ток через элемент, U – падение напряжения на элементе.
Введём понятие эффективного удельного электрического сопротивления (ЭУС) материала изделия э:
l э =. (5) b ЭУС зависит от материала изделия и от частоты тока, поскольку частота тока зависит от ширины его прохождения, его можно измерять на разных задаваемых нами частотах fi, также, как и на постоянном токе:
U i hi эi =, (6) Ii где индекс i означает, что измерения тока и напряжения произведены на i ой частоте (i = 1, 2…m), а значения hi вычислены по формуле (3) для частоты fi.
Выражение (5) определяет физический смысл введенного параметра э: на низких частотах токи на поверхности проводника вокруг подающих электродов имеют распределение, близкое к аксиально-симметричному, при этом b l и э. По мере увеличения частоты f подаваемого в изделие тока происходит сжатие диаграммы распределения токов в плоскости изделия и по его глубине, т.е. ширина b уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к тому, что на высоких частотах э оказывается существенно большим, чем.
Таким образом, задавая последовательность подаваемых токов различных частот fi, измеряя ток Ii и напряжение Ui, вычисляя эi и его распределение по глубине материала изделия, можно определять распределение механических напряжений i в нем. Для этого в исследуемое изделие через подающие электроды засылают ток различной частоты, измеряют силу поданного тока на каждой из заданных частот, измеряют напряжение сигнала-отклика изделия на каждой из заданных частот, вычисляют распределение ЭУС по глубине материала изделия, снимают калибровочную зависимость между ЭУС и механическими напряжениями в материале исследуемого изделия на глубинах, соответствующих глубинам проникновения тока на заданных частотах, и на основании снятой зависимости вычисленное распределение ЭУС преобразуют в распределение механических напряжений по глубине исследуемого материала изделия.
Вычисленное распределение э по глубине изделия (рис.2,а) содержит информацию как об изменении удельного сопротивления поверхностного слоя материала изделия, зависящего от изменений механических напряжений по его глубине, так и об изменении сечения проводника (т.е. слоя, в котором распространяется ток). В соответствии с формулой (5) э пропорционально и обратно пропорционально b.
Основное изменение э при изменении частоты тока связано с изменением сечения проводника, а изменение э, связанное с механическими напряжениями, т.е. рассматриваемые аномалии, примерно на 1-2 порядка ниже. Механические напряжения определяются с помощью калибровочной зависимости (рис.2,б).
г) 500 Ki, МПа/мОм*мкм 450 -2, 350 -2, Ro, мОм*мкм -1, -1, -0, 0, 0 20 40 60 80 9,5 19,0 38,0 75,0 150,0 300, h, мкм h, мкм (а) (б) Рисунок 2 – Эпюра ЭУС (а) и коэффициента калибровки (б) от глубины.
Имеется возможность выделить эти небольшие аномалии ЭУС на фоне значительных изменений, связанных с видом зависимости ЭУС, что может существенно повысить точность измерений. Для этого предлагается дополнительно вычислить распределение по глубине приращений ЭУС э исследуемого изделия относительно ЭУС изделия из того же материала с известными механическими напряжениями, снять калибровочную зависимость между этими приращениями и механическими напряжениями материала исследуемого изделия на глубинах, соответствующих заданным частотам, и, используя снятую зависимость, вычисленное распределение приращений ЭУС преобразовать в распределение механических напряжений по глубине материала исследуемого изделия.
В третьей главе изложена разработанная методика определения напряжений и принцип работы измерительного комплекса СИТОН.
Для измерения и расчёта напряжений необходимо произвести следующие операции.
1. Пропускается ток через подающие электроды на различных частотах.
2. Измеряется сила поданного тока на каждой из частот.
3. С помощью приёмных электродов измеряется падение напряжения сигнала-отклика изделия на каждой из заданных частот.
4. Вычисляется ЭУС по глубине материала изделия.
5. Снимается калибровочная зависимость между ЭУС и механическими напряжением материала исследуемого изделия на глубинах, соответствующих заданным частотам.
6. Используя снятую зависимость, вычисленное распределение ЭУС по п.4 преобразуется в распределение механических напряжений по глубине материала исследуемого изделия.
Снятие калибровочной зависимости между ЭУС и механическими напряжениями производится следующим образом. Любым из известных способов разрушающего контроля, например, методом Давиденкова Биргера для образцов из материала исследуемого изделия строится распределение напряжений по глубинам, соответствующим частотам электрических измерений. Этому распределению сопоставляется распределение ЭУС (или его приращения) по тем же глубинам. В результате получается калибровочный график между ЭУС и напряжениями в материале изделия. При последующих исследованиях изделий из этого же материала полученная калибровочная зависимость используется для преобразования данных электрических измерений в распределение напряжений. Например, криволинейную калибровочную () зависимость iкал кал можно аппроксимировать набором прямолинейных эi отрезков, каждый из которых имеет угловой калибровочный коэффициент:
К i = iкал кал, (7) эi где iкал, кал – соответственно приращение механических напряжений и эi ЭУС в материале изделия.
эi Тогда преобразование распределения в распределение механических напряжений i по глубине исследуемого изделия можно проводить по формуле:
( ) i = iкал + К i эi кал, (8) эi где iкал – механическое напряжение с эпюры, полученной способом разрушающего контроля, которому соответствует результат электрических измерений кал на i-ой частоте измерений.
эi Реализация способа измерений представлена на рис.3. Датчик имеет две пары электродов (подающую и приёмную). Взаимное расположение двух пар электродов на измеряемой поверхности характеризуется положением осей этих пар, т.е. прямых, соединяющих центры электродов внутри каждой пары, а также величинами разносов электродов в парах – расстояниями между центрами электродов.
1 5 Рисунок 3 – Схема устройства аппаратуры СИТОН, где 1 – источника переменного тока;
2 – датчик;
3-3’ – внешняя пара электродов;
4-4’ – внутренняя пара электродов;
5 – измерительный блок;
6 – преобразователь сигнала;
7 – ЭВМ;
8 – исследуемая поверхность.
Области контактов электродов с поверхностью изделия являются областями с максимальными неоднородностями плотности тока в изделии.
Поэтому измеряемые сигналы-отклики также весьма подвержены влиянию этих неоднородностей, что понижает помехозащищённость устройства.
Кроме того, глубина исследования материала на низких частотах тем больше, чем больше расстояние между электродами, но при этом детальность исследования (разрешение) теряется.
На основании предложенных критериев для одного из вариантов конструкции датчика разнос подающей (токовой) пары был выбран в два раза больше разноса приёмной пары. При этом максимальная глубина исследования оказалась примерно равной разносу приёмной пары, т.е.
область исследования датчика стала близкой к изометричной, что улучшает качество измерений на низких частотах.
Выход источника 1 переменного тока соединен с входом датчика 2, имеющего две пары электродов: 3-3` (подающая) служит для подачи тока в исследуемое изделие, 4-4` (приемная) – для измерения напряжения сигнала-отклика на участке между приемными электродами. Выход датчика 2 подключен к измерителю 5, выход которого соединен с входом преобразователя сигнала 6, с выхода которого цифровые коды измеренных тока и напряжения поступают на вход ЭВМ 7, где производится расчет ЭУС, его распределения по глубине материала изделия 8 и преобразование снятой зависимости ЭУС в распределение статочных напряжений по глубине материала исследуемого изделия.
Процесс измерения осуществляется следующим образом. Через подающие электроды 3-3` датчика 2 на поверхность изделия 8 подают переменный ток различных частот fi в определенной последовательности.
С приемных электродов 4-4` датчика 2 снимается напряжение сигнала отклика. В измерителе 5 производится измерение поданного в изделие тока и напряжения сигнала-отклика. Аналоговые сигналы с выхода измерителя поступают в преобразователь 6, с выхода которого цифровые коды, соответствующие измеренным величинам тока Ii и напряжения Ui, поступают в ЭВМ 7, где производятся все необходимые расчёты.
В четвертой главе представлены результаты практического использования измерительного комплекса для изделий различного назначения, изготовленных из различных материалов.
Для измерений использовалась созданная аппаратура СИТОН-ТЕСТ.
Были получены необходимые метрологические характеристики аппаратуры на основе калибровочных зависимостей, рассчитанных для различных материалов и технологий.
Измерения механических напряжений в материале авиационного лабиринта (материал ЭИ698ВД). Измерения проводились с наружной стороны шлифованной поверхности исследуемого образца, вырезанного из полотна авиационного лабиринта в окружном направлении для применения разрушающего и неразрушающего (разработанного) методов. Ниже представлены результаты измерений обоих методов (рис.4).
При этом для измерений разрушающим методом вырезались три образца из одной детали.
, МПа -100 0 50 100 - - - h, мкм Рисунок 4 – Эпюры распределения остаточных напряжений на образцах из детали «полотно лабиринта»: графики напряжений 1-3 с помощью АПООН, график напряжения 4 с помощью СИТОН.
На полотне лабиринта характер распределения остаточных напряжений при измерении на АПООН (метод Давиненкова-Биргера) и на СИТОН имеет аналогичный вид. На поверхности остаточные напряжения составляют 0…–100 МПа (сжимающие);
максимальные остаточные напряжения растяжения +500…+700 МПа.
Измерения механических напряжений в материале авиационной детали (сплав Д16). Измерения с помощью аппаратуры СИТОН проводились на алюминиевом образце с упрочнённым микрошариками поверхностным слоем. Была получена калибровочная зависимость, которая использовалась для перерасчёта полученных электрических измерений в распределений механических напряжений.
Характер эпюры остаточных напряжений (рис.5) указывает на наличие упрочняющего эффекта в поверхностном слое детали.
Образец Д16 № -50 0 50 100 150 200 - , МПа - - - - - h, мкм Рисунок 5 – Эпюра напряжений (МПа) по глубине для сплава Д16, полученная неразрушающим методом с помощью аппаратуры СИТОН Измерения механических напряжений в материале стальной балки (материал стали ЕН40). Проведены усталостные испытания балки со сварным соединением. Основным видом испытаний являлось циклическое воздействие на образец на испытательной машине МУП-50 с периодическим контролем остаточных напряжений разработанным методом аппаратурой СИТОН. Испытывалась на усталостный изгиб сварная балка, частота приложения нагрузки (пульсации) 500 циклов/мин.
Прикладываемое усилие Р изменялось в диапазоне (2-24) т.
В процессе испытаний проводились измерения остаточных напряжений с помощью аппаратуры СИТОН через каждые 100000 циклов нагружения (104200, 189700, 303000, 397000, 431800).
(а) (б) Рисунок 6 – характерная эпюра остаточных напряжений при циклах нагружения (а) и при 397000 циклах нагружения (б).
По полученным эпюрам остаточных напряжений был проведен анализ, который показал следующие результаты.
• Общий характер распределения остаточных напряжений сохранялся во всех точках до 303000 циклов нагружения (рис.6,а).
• После 397000 циклов нагружения до появления видимых дефектов наблюдалась значительная аномалия в эпюре остаточных напряжений – значительная релаксация напряжений практически по всей эпюре (рис.6,б). Подповерхностные напряжения уменьшились со 180 МПа до 125 МПа, на глубине 200 мкм наблюдается изменение знака напряжений с величиной до –50 МПа на глубине 300 мкм.
• Разрушение балки произошло по границе сварного шва в области точки 4 через 431 800 циклов, т.е. через 34800 циклов после обнаружения аномальных проявлений в эпюре остаточных напряжений.
Результаты усталостных испытаний показали, что разработанный метод позволил предсказать место и время разрушения образца.
Ограничение остаточного ресурса образца в процессе испытаний проявилось после 400000 циклов нагружения через активную релаксацию эпюры остаточных напряжений за 34800 циклов до разрушения. При измерении остаточных напряжений через каждые циклов нагружения эпюра практически не менялась, что свидетельствовало о целостности образца, подтверждении его ресурсных характеристик и возможности продолжения испытаний до следующего измерения.
ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ методов исследования напряжённо деформированного состояния по определению механических напряжений.
2. Проведены теоретические обоснования взаимосвязи электрических и механических свойств изделий из металлов и сплавов, с применением явления скин-эффекта. Показана возможность построения корреляционной зависимости этих свойств для нахождения остаточных напряжений.
3. Сформулировано определение эффективного удельного сопротивления в качестве информативного сигнала, (ЭУС) идентифицирующего изменения протекания тока в материале изделий.
4. Разработана методика определения механический напряжений, в том числе остаточных напряжений, реализованная на основе ЭУС.
5. Проведены обоснование, разработка и изготовление аппаратуры СИТОН-ТЕСТ и программное обеспечение его функционирования, которые позволили осуществить комплекс исследований напряженного состояния поверхностного слоя деталей реальных изделий.
6. Проведены метрологические исследования по настройке аппаратуры для экспериментальных исследований с привязкой к стандартным средствам измерения.
7. Сопоставительные расчетные и экспериментальные исследования механических напряжений, выполненные с использованием аппаратуры неразрушающего контроля СИТОН-ТЕСТ, показали расхождение не более 15%, что является приемлемым для практического применения. Измерения на реальных изделиях из стали, алюминиевых, никелевых сплавов подтвердили такой вывод.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Васильков С.Д., Анастасиади Г. П., Юрова Г. П. Определение 1.
остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из никелевых сплавов после механической обработки // Металлообработка, №5 (47), 2008, с.4-9.
Хусравбеков Л., Чарная Е.В., Васильков С.Д., Рахимов И.К., 2.
Салахутдинов М.И., Холов А. Фазовый переход в кристалле NaBi(MoO4)2 акустические исследования // ФТТ, 2007, том 49, выпуск 3, с.493-495.
Васильков С.Д. Применение неразрушающего резистивного 3.
электроконтактного метода контроля напряженного состояния металлов и сплавов после различных технологических воздействий / Техника и технологии трибологических исследований. Тезисы докладов II международного семинара. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2009, с.45.
Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов С.Ю. Применение 4.
аппаратуры СИТОН для исследования технологической наследственности при изготовлении изделий машиностроения / Пленки и покрытия-2007:
Труды 8й международной конференции. СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та 2007, с.219-223.
Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов С.Ю. Новые подходы к 5.
оценке остаточного ресурса изделий по напряжённому состоянию неразрушающим методом АФЧХ-тестирования / Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз.сб.науч.тр. Вып.5. Иваново: Иван.гос.ун-т, 2006, с.27-29.
Бураков А.И., Гутнер А.Б., Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов 6.
С.Ю. Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов. Патент на изобретение № 2327124. ФИПС, 2006.
Бураков А.И., Гутнер А.Б., Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов 7.
С.Ю. Устройство неразрушающего определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов. Патент на полезную модель № 64755. ФИПС, 2006.
Васильков С.Д., Чарная Е.В., Беляев С.П., Волков А.Е. Изменение 8.
температур мартенситных переходов в титан-никелевом сплаве в результате термообработки. Физическая акустика. Сборник трудов XVI сессии РАО. Т.1. – М.: ГЕОС, 2005, с. 18-22.
Васильков С.Д., Александров А.С., Афанасьев И.В. Определение 9.
остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава после механической обработки // Инструмент и технологии, №30 31, 2009.
10. Васильков С.Д. Исследования по определению остаточных напряжений через удельное электросопротивление. Сб.научн.тр.
оборудование и автоматизация машиностроительного «Технология, производства» – СПб.: Изд. «Инструмент и технологии», 2008, с.28-31.
11. Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов С.Ю. Новые подходы к оценке остаточного ресурса изделий по напряжённому состоянию неразрушающим методом АФЧХ-тестирования / Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 5 / Под ред.
В.Н.Латышева. – Иваново: Иван. гос. ун-т, 2006. С. 23-25.
12. Васильков С.Д. Неразрушающий контроль остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из никелевых сплавов после механической обработки / Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня. Доклады 11-ой Международной научно-практической конференции-выставки. СПб.:
СПбГПУ, 2009.
13. Васильков С.Д. Взаимосвязь между деформирующей способностью технологических остаточных напряжений и электромагнитными свойствами металла при механической обработке и современные методы ее определения Ресурсосберегающие технологии ремонта, / восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня.
Доклады 10-ой Международной научно-практической конференции выставки. СПб.: СПбГПУ, 2008.
14. Улыбин А.В., Васильков С.Д.. Использование резистивного электроконтактного метода для контроля напряжённо-деформированного состояния элементов стальных конструкций. Научно-технические ведомости СПбГПУ. - СПб: Изд-во СПбГПУ, 2009. - N6(91). - С.155-160.
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., Тел. (812) 233 4669 объем 1,0 п.л.
Тираж 100 экз.