WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 9 05;08;12 Ультразвуковой контроль накопления усталостных повреждений и восстановление ресурса деталей © Л.Б. Зуев, В.Я. Целлермаер, В.Е. Громов, В.В. Муравьев Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, Россия (Поступило в Редакцию 8 июля 1996 г.) Описана методика контроля изменения прочностных свойств сталей в процессе усталостных испытаний с помощью измерения скорости распространения ультразвука. Установлена возможность обнаружения опасной стадии развития усталостных повреждений на отдельных деталях. Предложен способ восстановления работоспособности изделий с помощью обработки мощными импульсами электрического тока. Показано, что подобная обработка существенно повышает ресурс работы и может предотвратить усталостное разрушение.

Введение том, что эта величина определяется модулем упругости (G — для поперечных волн) и плотностью материала, Хорошо известно, какой сложной проблемой являетт. е. Vt = (G/)1/2, не вполне отражает глубину прося предсказание остаточного ресурса деталей в случае блемы [5]. Выяснилось [4], что практически все струкусталостного нагружения. Данные о пределе усталости, турные изменения, вызванные термической обработкой получаемые при построении так называемой кривой Веили деформацией, приводят к малым, но измеримым лера [1], дают возможность оценить только усредненные изменениям СУЗ. Перспективным оказалось применение характеристики материала, ничего не сообщая о таком методики измерения СУЗ для диагностики материала важном, надежностном показателе индивидуального изпри усталостном нагружении. На рис. 1 представлены делия, как срок службы (ресурс) [2]. Подобное полоданные о изменении СУЗ в ходе усталостного испытания жение существенно ограничивает прогресс в повышении образцов из стали 45 по схеме изгибных колебаний. Ананадежности машин и механизмов. К тому же разрушение логичные зависимости были получены и для образцов из при усталости обычно носит внезапный характер, его рельсовой стали М76. Измерения, проведенные методом приближение не сопровождается какими-либо заметныавтоциркуляции звуковых импульсов на несущей частоте ми внешними признаками. Микроскопические исследо2.5 МГц с помощью прибора ИСП-12 [4], указывают на вания [1,3] показывают, что при усталости происходит качественно одинаковый для всех испытанных образцов постепенное накопление микроповреждений, затем мевид зависимости скорости поперечных ультразвуковых дленное скрытное подрастание усталостной трещины, волн от числа циклов нагружения n. Во всех случаях переходящее в катастрофический рост магистральной Vt(n) состоит из трех последовательных стадий снижения разрушающей макротрещины. Существование такой длиСУЗ, но уровень и темп количественных изменений тельной подготовительной стадии наводит на мысль о для каждого конкретного образца индивидуален (рис. 1).

том, что подходящим воздействием можно попытаться Характерно, что трехстадийная кинетика изменения незадержать переход к финальному этапу процесса.

которых свойств металлов при усталостных испытаниях Таким образом, в прикладных исследованиях процесса усталости металлов и сплавов видятся две проблемы:

выбор и обоснование достоверного и достаточно информативного признака наступления опасной стадии структурных изменений, ведущих к разрушению; разработка пригодных для применения непосредственно на деталях машин или изделиях методов задержки развития дефектов, рост которых за короткое время может привести к разрушению. Некоторые подходы к этим вопросам и рассмотрены в настоящей работе.

О возможности диагностики усталостного разрушения Очень удобной величиной, несущей достоверную информацию о структуре материала и ее изменениях, является скорость распространения ультразвука (СУЗ) Рис. 1. Относительное изменение СУЗ в ходе усталостных в металлах и сплавах [4]. Справедливое представление о испытаний образцов из стали 45.

124 Л.Б. Зуев, В.Я. Целлермаер, В.Е. Громов, В.В. Муравьев когда в структуре материала уже произошли серьезные изменения, в частности, как показывают микроскопические исследования, появились трещины опасного размера.

Восстановление ресурса деталей после усталостных испытаний Методика своевременного обнаружения начала критической стадии усталости наводит на мысль о возможности восстановления ресурса деталей за счет залечивания микротрещин под влиянием каких-либо специфических внешних факторов [12], поскольку оставляет время для их применения. Наиболее перспективным в этом отношеРис. 2. Зависимость изменения СУЗ на 1 цикл испытания от нии представляется действие мощных импульсов элекчисла циклов.

трического тока. Так, авторы [13–15] высказали мысль о том, что пластификация сплавов в условиях электропластического эффекта связана с залечиванием микротрещин при пропускании цуга импульсов электрического отмечалась и при использовании других методик. Так, тока с плотностью j 103 МА/м2. В рамках настоящей в [6] было показано, что аналогично меняется модуль работы сделана попытка применить этот эффект к стальЮнга стали (см. также [7]), в [8] обнаружен подобный ным образцам, состояние которых после усталостных ход электросопротивления, а в [9,10] отмечены близкие закономерности в изменениях амплитуды прогиба образ- испытаний соответствовало началу стадии 3 зависимости цов при изгибных колебаниях. Понимание существа про- Vt(n), зафиксированному по данным об изменении СУЗ.

Схема эксперимента была следующей. Образцы из цессов, ответственных за подобную стадийность кривых, рельсовой стали М76 подвергались усталостным испыдостигается при микроструктурном анализе металла, таниям по схеме от нулевого цикла нагружения с амподвергнутого усталостным испытаниям. Оказывается, на стадиях 1 и 2 в микроструктуре еще практически неза- плитудой 1.6 МПа с одновременным измерением СУЗ с помощью прибора ИСП-12. В исходном состоянии велиметны какие-либо изменения, но по мере приближения чина СУЗ составляла 2910 м/с. Образцы в таких условиях стадии 3 появляются следы пластической деформации, разрушались после 3150 циклов нагружения (среднее а сразу после начала крутого спада зависимости Vt(n) по 8 образцам), а начало существенного падения СУЗ отмечены признаки разрушения в виде микротрещин (до величины 2890 м/с) отмечалось уже после 300 циразмером 0.01 мм.

клов нагружения. Достигшие такого состояния образцы Таким образом, есть надежные основания считать, что были подвергнуты обработке токовыми импульсами с переход к стадии 3 зависимости СУЗ от числа циклов нагружения сигнализирует о приближении катастрофи- частотой 20 Гц и амплитудой 20 кА в течение 30 мин.

Продолжение усталостных испытаний показало, что таческой стадии усталости и исчерпании ресурса изделия.

Поскольку измерения СУЗ с помощью прибора ИСП-12 кая обработка не только практически восстанавливала или другого, подобного ему [4], достаточно просты, то первоначальное значение СУЗ, что указывает на возони могут быть проведены практически без ограничений вращение к первоначальной структуре материала, но и на работающих в условиях знакопеременного нагруже- позволяла образцам выдержать до разрушения дополниния конструкциях и машинах. Это дает возможность за- тельно 1000... 1500 циклов нагружения, т. е. эффект был благовременно улавливать признаки наступления крити- достаточно заметным.

ческого состояния материала изделий непосредственно в Таким образом, электрическая обработка материалов условиях эксплуатации. после наступления критической стадии накопления устаПредставляется, что подобный вид зависимости Vt(n) лостных повреждений может ощутимо повысить ресурс может быть полезен для объяснения известного в тео- работы образцов, а в случае использования реальных изрии надежности [11] U-образного характера зависимости делий продлить срок их эксплуатации. Наиболее вероятинтенсивности отказов (их числа в единицу времени) ной причиной такого возрастания ресурса можно считать от времени эксплуатации t. Действительно, U-образной залечивание зародышевых микротрещин, формирующихявляется показанная на рис. 2 зависимость dVt/dn от n ся в процессе усталостного нагружения, за счет локаль(очевидно, n t), построенная по данным рис. 1: в ных разогревов материала в области концентрации литерминах теории надежности [2,11] ее начальный этап ний тока у их концов, затупления последних вследствие соответствует приработочным отказам, стадия медленно- релаксации напряжений и соответствующего снижения го спада СУЗ — периоду внезапных отказов (нормальная уровня концентрации напряжений в этих зонах. Эффекты эксплуатация), а быстрый спад СУЗ сигнализирует о пе- такого сорта широко обсуждались в литературе [12–14] реходе к наиболее опасному периоду износовых отказов, безотносительно проблемы усталости.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Ультразвуковой контроль накопления усталостных повреждений и восстановление ресурса деталей Заметим, что большую роль играет в этом случае режим электрической обработки. Так, авторы [16] сделали аналогичную попытку повысить усталостную прочность за счет предварительной обработки стали электрическими импульсами. Это, однако, не привело к повышению работоспособности усталостных образцов, содержащих заранее выращенные трещины разной длины (1.5... 2.0мм), уменьшив только разброс данных от одного образца к другому. Возможно, это связано с формой использованных электрических импульсов, которые представляли собой быстрозатухающую синусоиду, характерную для разряда конденсатора на малоиндуктивный контур, в то время как известно [15,17], что максимальный электропластический эффект наблюдается при использовании униполярных импульсов специального генератора.

Таким образом, сочетание методики непосредственного слежения за состоянием металла при усталостных испытаниях с помощью измерения СУЗ и обработки электрическими импульсами создает принципиальную возможность восстановления срока службы (ресурса) изделий, работающих в условиях усталостного нагружения, и может дать вклад в повышение надежности машин и механизмов.

Список литературы [1] Кеннеди А.Дж. Ползучесть и усталость в металлах. М.:

Металлургия, 1965.

[2] Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988.

[3] Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1980.

[4] Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996.

[5] Tokuoka T., Iwashimizu Yu. // Int. J. Solids Structures. 1968.

Vol. 4. P. 383–389.

[6] Karius A., Gerold E., Shulz E.H. // Archiv f. Eisenhuettenwesen. 1944. H. 5/6. S. 113–120.

[7] Иванов В.С. Усталость металлов. М.: Металлургия, 1963.

[8] Баш В.Я. Исследование напряжений и деформаций термоэлектрическим методом. Киев: Наукава думка, 1984.

[9] Зуев Л.Б., Коротких Н.К., Муратов В.М. // Изв. вузов.

Черная металлургия. 1980. № 10. С. 81–86.

[10] Зуев Л.Б., Коротких Н.К. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1984. № 10. С. 80–83.

[11] Дилон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.: Мир, 1984.

[12] Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977.

[13] Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков А.А. // ДАН СССР.

1976. Т. 227. № 4. С. 848–851.

[14] Климов К.М., Новиков И.И. // ДАН СССР. 1981. Т. 260.

№ 6. С. 1360–1362.

[15] Sprecher AF., Mannan S.L., Conrad H. // Acta Metall. 1986.

Vol. 34. N 7. P. 1145–1162.

[16] Степанов Г.В., Бабуцкий А.И. // Проблемы прочности.

1995. № 5–6. С. 74–78.

[17] Громов В.Е., Сташенко В.И., Троицкий О.А. // Изв.

АН СССР. Металлы. 1991. № 2. С. 154–158.

Журнал технической физики, 1997, том 67, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.