litceysel.ru
добавить свой файл
1

Диагностика структурных повреждений…


В.И. СУРИН, Т.Н. ЗОРИНА, Е.П. ВАРЯТЧЕНКО

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»


ДИАГНОСТИКА СТРУКТУРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ

ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ МАТЕРИАЛОВ АТОМНОЙ ТЕХНИКИ


Моделирование кривой малоцикловой усталости для материалов атомной техники выполнено на основе измерения дифференциальной контактной разности потенциалов и определения числа гармоник в спектре КРП. В интервале циклов 103–105 установлено линейное соотношение между величиной пластической деформации за один период испытаний и числом гармоник в спектре КРП с коэффициентом пропорциональности, равным 1,32·10–6.


Разработка материалов, обеспечивающих надежную и долговечную работу деталей машин, механизмов и оборудования, требует знаний о процессах накопления повреждений в них под воздействием длительных циклических нагрузок для оценки длительной прочности.

Одним из перспективных методов технической диагностики состояния материалов и изделий является метод дифференциальной контактной разности потенциалов (КРП), на основе которого определяются количественные характеристики волн поверхностной деформации [1]. Применение данного метода для изучения распределения электрического потенциала вокруг макроскопического поверхностного дефекта, в частности вблизи вершины трещины, дает возможность осуществлять непрерывный мониторинг за ростом этой трещины.

При исследовании закономерностей структурных повреждений на различных стадиях циклического деформирования применен подход, основанный на представлении о волновом характере поверхностной деформации. В этом случае источник волн пластической деформации представляется гармоническим осциллятором определенной частоты. Число источников определяется с помощью фурье-анализа. Одновременное действие многих таких источников, стохастически распределенных в объеме образца, в том числе и зародышевых микротрещин, создает поле внутренних деформаций (напряжений) в объеме и формируют профиль волнистости и шероховатости на поверхности образца.


В условиях циклического деформирования разработанный метод позволяет исследовать стадии повреждаемости материалов, определять области формирования усталостных зон мезо- и макропластической деформации, а следовательно, устанавливать те зоны или участки испытуемого изделия, на которых происходит или может произойти зарождение или развитие усталостной трещины.



Рис. 1. Изменение контактной разности потенциалов на начальной стадии циклических испытаний

пластины из Х18Н10Т с концентратором напряжений (дискретность измерений составляет 15 с)


Изменения дифференциальной КРП в процессе усталостных испытаний имеют характерный вид, представленный на рис. 1.

Прогнозирование сроков службы элементов машин, механизмов, конструкций или оборудования является важной современной задачей обеспечения технической безопасности. Полученные в настоящей работе результаты позволяют производить оценку накопленной пластической деформации, определять степень структурных повреждений и тем самым прогнозировать физическое состояние испытуемого объекта.

На рис. 2 в двойных логарифмических координатах построены расчетная кривая усталости и кривая изменения числа гармоник в спектре КРП, построенная для сплава Д16Т на основе результатов усталостных испытаний. Для удобства сравнения результатов кривая lg Nω смещена вниз по шкале y на 5,8 ед. Изменение числа гармоник коррелирует с основными стадиями кривой усталости. Из представленного рисунка видно, что при числе циклов 103 и выше данные для двух указанных кривых практически совпадают. Таким образом, зная экспериментальное значение дифференциальной КРП на выбранной стадии циклирования, можно по разработанной методике провести спектральный анализ и определить среднее значение числа гармоник на данной стадии, а затем, используя результаты рис. 1 как градуировочную зависимость, определить значение деформации и остаточный ресурс работы или долговечность изделия. Аналитически кривую малоцикловой усталости при числе циклов от 103 до 5·105 можно определить, используя уравнение


,

где ­ – размах пластической деформации в k-м полуцикле нагружения; – расчетное число гармоник в спектре КРП; – среднее значение коэффициента пропорциональности, равное в указанном интервале 1,32·10–6.




Рис. 2. Моделирование кривой усталости для сплава Д16Т на основе результатов

измерения контактной разности потенциалов:

1 – функция lg ε; 2 – функция lg Nω. Показана погрешность определения Nω при большом числе циклов


На начальной стадии циклирования, которая как правило менее важна с точки зрения технической безопасности объекта, наблюдаются особенности изменения электрофизических и акустико-эмиссионных характеристик [2], заключающиеся в их быстром росте, прохождении максимального значения и последующем спаде.

На основе проведенного анализа полученных результатов построена кривая изменения числа гармоник Nω на базе 5·105 циклов для сплава Д16Т (рис. 3, точки). На этом же рисунке показано изменения числа волн поверхностной пластической деформации NS, рассчитанное по модифицированной модели Орована [3].

Макроскопическое явление пластической деформации и разрушения элемента объема представляет собой совокупность большого числа микроскопических элементарных актов (процессов) взаимодействия точечных и линейных дефектов кристаллической структуры в поле внешних сил (механических, электрических и др.), активируемых флуктуациями тепловой энергии [4]. В теории дислокаций выделяются две наиболее характерные группы механизмов, контролирующих процессы ползучести, связанные с постепенным накоплением дефектов и искажений структуры, и тепловыми эффектами. Первая группа определяется как процесс деформационного упрочнения (или наклеп), а вторая – как динамический возврат (или отдых). Исследование противоборствующих процессов деформационного упрочнения и динамического возврата было проведено с использованием параметра условной электрической мощности W [5]. Как показал анализ полученных результатов, изменение данного параметра от числа циклов близко к аналогичному изменению числа гармоник, и он может быть также использован для оценки степени усталостных повреждений материалов и элементов конструкций. На рис. 4 показано изменение мощности на различных стадиях циклирования.





Рис. 3. Изменение числа гармоник в спектре КРП Nω (точки) и числа волн поверхностной пластической

деформации NS (пунктирная кривая) в зависимости от числа циклов N при усталостных испытаний

сплава Д16Т



Рис. 4. Стадийность накопления усталостных повреждений в сплаве Д16Т. Показаны граничные значения условной мощности сигнала в зависимости от числа циклов усталостных испытаний


На рис. 5 представлено изменение числа гармоник в спектре КРП сплава Д16Т на всем протяжении усталостных испытаний (от начальных стадий циклирования до разрушения пластины), полученное путем экстраполяции данных (в интервале от 5·105 циклов до 107 циклов). Результаты, соответствующие разрушению, получены на пластинах с концентраторами напряжений. Подобный характер изменения имеют также амплитуда КРП и условная мощность.

Амплитудно-частотные характеристики спектров КРП в условиях циклического нагружения пластин из сплавов Д16Т и Х18Н10Т с концентраторами напряжений показывают, что при образовании и росте усталостной трещины в зоне действия разрушающих напряжений существенно изменяется не только амплитуда КРП, но и число гармоник в спектре КРП. Отношение числа гармоник в спектре КРП при разрушении пластины к числу гармоник, полученному на начальной стадии циклирования пластины с концентратором напряжений, составляет более десяти.



Рис. 5. Изменение числа гармоник в спектре КРП сплава Д16Т на всем протяжении усталостных испытаний

В представленной работе исследовано также распределение неоднородной пластической поверхностной деформации методом разнесенных электрических контактов. Экспериментально подтверждается, что образование пластической деформации наиболее интенсивно происходит в зоне максимальных изгибных напряжений. Отношение амплитуд КРП, измеренных с помощью контактов, установленных в зоне максимальных изгибных напряжений, и контактов, один из которых находится в зоне максимальных изгибных напряжений, а другой вынесен на значительное расстояние из указанной зоны, составляет более четырех.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Сурин В.И.,Евстюхин Н.А. Электрофизические методы неразрушающего контроля и исследования реакторных материалов. М.: МИФИ, 2008.

2. Пенкин А.Г., Терентьев В.Ф. // Металлы. 2004. № 3. С. 78.

3. Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов / Пер. с англ. Под ред. В.М. Розенберга. М.: Металлургия, 1968.

4..Панин В.Е., Федоров В.В., Ромашов Р.В. и др. / Синергетика и усталостное разрушение металлов. Сб. трудов. М.: Наука, 1989. С. 29.

5. Сурин В.И., Оборин С.Б., Зорина Т.Н. // Научная сессия МИФИ-2008. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2008. Т. 4. С. 98.