CC BY
240
АППАРАТУРА СИТОН НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ И ЕЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
В.А. Валетов, Д.В. Васильков, С.Ю. Иванов
Неразрушающий контроль технологических остаточных напряжений (ТОН) в деталях приборов и машин - важнейшая теоретическая и практическая проблема. Многолетние попытки решения этой проблемы пока не получили приемлемого решения. Наиболее перспективным направлением представляется использование метода так называемого АФЧХ тестирования, разработанного авторами доклада.
Аппаратура СИТОН [1] позволяет осуществлять измерение механических напряжений (технологических, остаточных и эксплуатационных) в металле поверхностного слоя изделия неразрушающим методом АФЧХ-тестирования. Аппаратура включает переносной модуль, специальный электроконтактный датчик и персональный компьютер (рис. 1). Метод АФЧХ-тестирования реализуется путем пропускания электрического тока переменной частоты через исследуемый участок поверхности. Переносной модуль управляет в автоматическом режиме частотой измерительного сигнала. Специальный алгоритм позволяет по измеренным электрическим величинам определить величину средних напряжений в Л-слое с последующим пересчетом в интеграл напряжений и действительные напряжения. Сканирование осуществляется на 3-24 ступенях в зависимости от модификации прибора. Имеется достаточно большой опыт применения аппаратуры на машиностроительных предприятиях различного профиля.
Аппаратура СИТОН имеет следующие основные назначения.
• Определение неразрушающим методом остаточных и эксплуатационных напряжений о, МПа в поверхностном слое металлов и сплавов на глубинах И1, к2, ... , Итах .
• Сплошной неразрушающий контроль ответственных изделий; контроль стабильности технологии; отбраковка изделий; контроль качества сварных соединений.
• Повышение безопасности эксплуатации и паспортизация напряженно-деформированного состояния высоконагруженных металлоконструкций, прогнозирование остаточного ресурса.
В настоящее время аппаратура имеет два базовых исполнения.
Стационарный прибор СИТОН-АРМ - многофункциональный переносной прибор (рис. 1), соединенный с компьютером. Число ступеней сканирования для базового исполнения - 24. Расчетная погрешность определения механических напряжений 20-40 Мпа. База замера - 35 мм. Максимальная глубина определения напряжений - 2,5 мм (для сталей). Электронный блок может работать в режиме сборщика данных. Для этого он имеет встроенный блок автономного питания. В данном режиме может быть принято до 250 измерений.
Переносной прибор СИТОН-ПП - автономный прибор (рис. 2), работающий в режиме сборщика данных с последующей передачей их в компьютер. Число ступеней сканирования для базового исполнения - 4. Расчетная погрешность определения механических напряжений 20-60 Мпа. База замера - 35 мм. Максимальная глубина определения напряжений - 2 мм (для сталей). Время автономной работы - 2 часа.
О характере распределения остаточных напряжений свидетельствует эпюра напряжений (рис. 3). Для сопоставления эпюр как функций необходимо применение специального математического аппарата [2], позволяющего вычислять метрические соотношения и функционалы. Для практических целей удобнее параметризовать эпюру напряжений путем введения ряда параметров, представленных на рис. 3. Указанные параметры достаточно полно отображают характер напряженного состояния металла поверхностного слоя изделия.
Рис.1. Внешний вид аппаратуры СИТОН-АРМ
Рис. 2. Внешний вид прибора СИТОН-ПП
Рис. 3. Особые точки на эпюре остаточных напряжений: сП - напряжения на поверхности, МПа; аПП1 -напряжения максимальные подповерхностные 1 до точки перехода нуля, МПа; аПП2 - напряжения максимальные подповерхностные 2 после точки перехода нуля, МПа; аМ - напряжения на выбеге эпюры, МПа; ИО - точка перехода нуля эпюры
напряжений, мкм
Рассмотрим применение аппаратуры СИТОН при проведении усталостных испытаний балки со сварным соединением. Основным видом испытаний являлось циклическое воздействие на образец на испытательной машине МУП-50 с периодическим контролем остаточных напряжений неразрушающим методом АФЧХ-тестирования аппаратурой СИТОН-АРМ. Испытывалась на усталостный изгиб сварная балка из стали ЕН40 (ат = 390 МПа; ав = 550 - 650 МПа), частота приложения нагрузки (пульсации)
500 циклов/мин. Геометрические характеристики балки и схема приложения нагрузки даны на рис. 4 (в мм). Прикладываемое усилие Р изменялось в диапазоне (2-24) т.
Р > Сварной шов
Ж/А
4 \ 5 ■ <-> 4 3 2 1 ^ <->
350 37,5 37,5 355 99,4
Рис. 4. Схема балки и пять (1-5) точек измерения: точки 1 и 5 - вне зоны сварного шва; точка 3 - сварной шов; точки 2 и 4 - граница сварной шов-балка
В процессе испытаний в указанных на рис. 4 областях точек (1-5) (рис. 4, 5) проводились измерения остаточных напряжений с помощью аппаратуры СИТОН-АРМ через каждые 100000 циклов нагружения (104200, 189700, 303000, 397000, 431800). По полученным эпюрам остаточных напряжений был проведен анализ, который показал следующие результаты.
Рис. 5. Датчик установлен в область 4-ой точки
1. Общий характер распределения остаточных напряжений (эпюра) сохранялся во всех точках (1,2,4,5) до 303000 циклов нагружения (рис. 6).
2. После 397000 циклов нагружения в области точки 2 наблюдались заметное снижение уровня остаточных напряжений на глубине более 150 мкм - с 60-75 МПа до 25-30 МПа и в дальнейшем, при 431800 пульсациях - разрушении балки - зафиксированы остаточные напряжения от 0 до 25 МПа.
Рис. 6. Характерная эпюра остаточных напряжений до 303000 циклов нагружения
Рис. 7. Релаксация эпюры остаточных напряжений после 397000 циклов нагружения
3. После 397000 циклов нагружения в области точки 4 до появления видимых дефектов наблюдалась значительная аномалия в эпюре остаточных напряжений - значительная релаксация напряжений практически по всей эпюре (рис. 7). 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.
4. 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.
5. После разрушения образца аномальный характер эпюры остаточных напряжений сохранился.
Результаты усталостных испытаний показали, что неразрушающий метод АФЧХ-тестирования, реализованный в аппаратуре СИТОН-АРМ, 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 100000 циклов нагружения эпюра практически не менялась, что свидетельствовало о целостности образца, подтверждении его ресурсных характеристик и возможности продолжения испытаний до следующего измерения
Литература
1. Васильков Д.В. Иванов С.Ю. Васильев Д.В. Применение аппаратуры СИТОН для исследования технологической наследственности при изготовлении деталей летательных аппаратов. // Инструмент и технологии. 2004. № 19-20. С. 24-30.
2. Валетов В.А., Третьяков С.Д. Исследование изменения микрогеометрии в парах трения-скольжения. / Сборник докладов Международной научно-практической конференции. 24-26 июня 2003 года. С. 40-43.
