CC BY
45
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.771.23.09 НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ Максимов Александр Борисович, доцент, к.т.н.к, Ерохина Ирина Сергеевна, старший преподаватель
Керченский государственный морской технологический университет,
г.Керчь, Россия (e-mail: aleksandrmks@yandex.ru)
Неразрушаюший контроль механических свойств стали позволяет определить уровень механических свойств стали и ресурс изделия при эксплуатации. В работе на основании литературных данных рассмотрено влияние процесса усталости металла на изменение коэрцитивной силы. В процессе эксплуатации стальная конструкция испытывает многократные знакопеременные нагрузки в упругой области. Это приводит к изменению дислокационной структуры стали. При появлении полосовой дислокационной структуры начинают формироваться первые очаги обратимой повреждаемости то есть те которые со временем могут «залечиваться. Затем при дальнейшей деформации изделия в процессе эксплуатации возникают необратимая повреждаемость то есть дефекты которые могут развиться в магистральную трещину. Целью настоящей работы является обоснование необходимости и возможности определения механических свойств и остаточного ресурса металла в процессе эксплуатации с помощью коэрцитивной силы. В качестве критерия безаварийной работы стальной конструкции выбрана область обратимой повреждаемости. В соответствии с линейной теорией накопления повреждаемости (ipt) выбрана величина равная отношению числа циклов деформации (п¡) к общему количеству циклов деформации при данной амплитуде деформации или нагрузки (Np). Предложено считать, что в области обратимой повреждаемости, должно выполняться условие ^ < (0,15 — 0,30). Таким образом, для определения границы начала образования необратимых дефектов в стали при эксплуатации изделия достаточно определить значение равномерного удлинения стали в данном структурном состоянии при растяжении. Верхняя граница допустимого значения коэрцитивной силы коэрцитивной силы при деформации составляющей (0,15 — 0,30)5р. Проанализировано влияние величины зерна на значение коэрцитивной силы.
Ключевые слова: коэрцитиметрия, деформация, металл, коэрцитивная сила, конструкционная сталь, напряжения, ресурс стали, усталость, обратимая повреждаемость, необратимая повреждаемость.
Целью настоящей работы является обоснование необходимости и возможности определения механических свойств и остаточного ресурса металла в процессе эксплуатации с помощью коэрцитивной силы.
В процессе эксплуатации любая конструкция испытывает кроме постоянных нагрузок и знакопеременные. Знакопеременные нагрузки с течением времени приводят к усталости металла и в конечном итоге к его разрушению. Усталость металла состоит в накоплении дефектов структурного состояния в процессе знакопеременных нагрузок. Величина и интенсивность знакопеременных нагрузок, зачастую, являются случайными и непрогнозируемыми характеристиками. Поэтому оценить влияние случайных характеристик на изменение микроструктуры стали конструкции можно только очень приблизительно. Изменение приводит к ее разрушению. Характерно, что усталостное разрушение происходит внезапно, без видимых следов предварительной пластической деформации. Прочностные свойства конструкционных сталей в процессе усталостного испытания вначале немного повышаются, затем достигая некоторого максимального значения резко снижаются и происходит разрушение. Дислокационная структура стали при усталости изменяется также как при статическом растяжении. Вначале происходит увеличение плотности отдельных дислокаций. Затем, достигая определенной плотности, отдельные дислокации перестраиваются в стенки, образуя ячеистую структуру. При дальнейшем деформировании ячеистая дислокационная структура перестраивается в полосовую. Считается [1], что образование полосовой структуры является началом развития необратимой повреждаемости. В работах [2 - 4] показано, что граница между обратимой и необратимой повреждаемости стали можно оценивать при деформации растяжением составляющей 0,15 - 0,20 от равномерной деформации.
Металл конструкции может безопасно работать в области обратимой повреждаемости. Допустимая эксплуатация металла может быть до определенной степени развития необратимой повреждаемости, после чего дальнейшая эксплуатация может привести к внезапному непрогнозируемому разрушению.
Определение границы обратимой и необратимой повреждаемости и допустимой достигается исследованием микроструктуры и механических свойств образцов, вырезанных из определенных мест конструкции. Обычно это места конструкции, где действуют наибольшие напряжения.
Воздействия на конструкцию в процессе всего времени эксплуатации в общем случае носит стохастический характер. Однако, условия эксплуатации какой-либо конкретной конструкции можно с большой степенью вероятности рассматривать распределенными по нормальному закону, то есть как детерминированную систему. Вследствие этого, накопление повреждаемости металла, по-видимому, достаточно описывать линейной моделью Пальмгрена - Майнера [1]:
= 1
(1)
где щ - количество циклов;
- количество циклов до разрушения при постоянной амплитуде деформации или напряжения.
Действительно, если амплитуда деформации или напряжения существенно различны (в несколько раз), то уравнение (1) не выполняется. В зависимости от последовательности величин амплитуд напряжений или деформаций выражение в левой части уравнения (1) может быть больше или меньше единицы [5]. Согласно теории Новожилова [6 - 8], для расчета повреждаемости при нестационарном нагружении, если амплитуда деформации или напряжения изменяется незначительно, то достаточно использовать линейное правило суммирования.
Таким образом, величину ^, определяемую по формуле можно считать количественной характеристикой повреждаемости, соответствующей при П1 количествах циклов:
= (2)
Согласно работы [2], обратимая повреждаемость ограничена деформацией равной (0,2-0,3) 6р, где 6р - относительное удлинение при равномерной деформации. Тогда наибольшая величина обратимой повреждаемости с учетом выражения (2) имеет вид:
^тах.о = (0,2 - 0,3), (3)
На рис.1 представлено изменение коэрцитивной силы от величины повреждаемости для стали 09Г2 при растяжении до разрушения.
В этой связи применение неразрушающих методов исследования структуры и свойства сталей имеет практическое значение. Коэрцитивная сила металла является наиболее чувствительной характеристикой к изменению микроструктуры. Так, например, при деформации растяжением конструкционной стали на (4-5) % коэрцитивная сила увеличивается на (50 - 80) % [9 - 14]., при этом акустические свойства (скорость упругих волн), электросопротивление возрастают на (2 - 5) % [15,16].
Не,
Рисунок 1 - Определение области повреждаемости стали по значению коэрцитивной силы
Применение коэрцитивной силы стали для определения микроструктурных параметров и механических свойств разрешено рядом нормативных документов: ГОСТ 30415-96. Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом, ОСТ 14-1-184-65, ТУ-14-1016-74 и др.
В настоящее время приборная база приборов для измерения коэрцитивной силы - коэрцитиметров представлено довольно разнообразно. Основная часть коэрцитиметров имеет накладной датчик с размерами сечения полюсов 12х28 мм. Это соответствует намагничиванию металла на глубину до 5 мм. Коэрцитиметр КИФМ-1Н имеет размер сечения полюсов 20х40 мм, что соответствует глубине намагничивания на глубину не менее 10 мм.
Большинство коэрцитиметров имеют автономный режим работы (от сети и от встроенных аккумуляторов). Масса приборов не превышает двух килограммов. Это позволяет применять их не только в лабораторных условиях, но и в полевых.
Коэрцитивная сила линейно связана с пределом текучести и временным сопротивлением разрыву [15 - 19]:
от = ляс, (4)
где от- предел текучести стали, МПа.
ов = 5ЯС, (5)
ав - временное сопротивления разрыву, МПа;
Нс - коэрцитивная сила, А/м;
А и В - коэффициенты, определяемые эмпирически, зависящие от химического состава стали.
С величиной зерна коэрцитивная сила связана соотношением [20]:
Ис = Нсо + (6)
где й - величина зерна;
Нсо - коэрцитивная сила монокристалла;
С - коэффициент, зависящий от марки стали.
Для конструкционной стали величина й соответствует диаметру феррит-ного зерна.
Заключение
На основании проведенных исследований и анализа литературных данных следует, что имеется достаточная теоретическая и экспериментальная база зависимости коэрцитивной силы от структуры стали. Структура стали определяет комплекс механических свойств. Поэтому измеряя коэрцитивную силу стали конструкции, позволяет проводить мониторинг прочности и остаточного ресурса неразрушающим методом.
Список литературы
1. Иванова В. С. Природа усталости металлов / В.С. Иванова,В. Ф. Терентьев. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
2. Ровинский Б.М., Рыбакова Л.М. Напряжения, деформация и структурные изменения в техническом железе при циклической пластической деформации / Б.М. Ровинский, Л.М. Рыбакова // Изв. АН СССР. Металлы. 1965. № 3 - С. 101 - 112.
3. А. С. 1433990 СССР. Способ обработки листового проката / М.С. Подгайский, А.Б. Максимов, Т.М. Наливайченко. Опубл. 30. 10. 88. Бюл. № 40.
4. Потапова Л.Б., Ярцев В.П. Механика материалов при сложном напряженном состоянии/ Л.Б. Потапова, В.П. Ярцев. М. Машиностроение. 2005. С. 244.
5. Максимов А.Б. Влияние степени разовой деформации при бинарной деформационной обработке на долговечность стали / Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении // А.Б. Максимов. 2009. № 2. С. 83 - 86.
6. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел / В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. И. Томашевский. М.: Наука - 1974. - 560 с.
7. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов / В. И. Владимиров. -М.: Металлургия, 1984. - 280 с.
8. Дронов В. С., Селиверстов Г. В. Кинетика развития усталостной повреждаемости в малоуглеродистой стали / В. С. Дронов, Г. В. Селиверстов. // Изв. Тул. ГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула: Изд-во Тульск. гос. ун-та, 2006. Вып. 7. -С.207-212.
9 Нехотящий В. А., Юхимец П.С., Безлюдько Г.Я. Использование коэрцитивной силы для оценки технического состояния конструкций работающих под давлением/ В. А. Нехотящий, Юхимец П.С., Безлюдько Г.Я.// Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2010. № 1. С. 49 - 53.
10. Безлюдько Г.Я., Елкина Е.И., Попов Б.Е., Попов В.А. Оценка текущего эксплуатационного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин по изменениям коэрцитивной силы металла / Подъемные сооружения. Специальная техника. 2002 - №1-2 -С. - 14.
11. Попов Б.Е., Котельников В.С., Зарудный А.В., Левин Е.А., Безлюдько Г.Я. Магнитная диагностика и остаточный ресурс подъемных сооружений. / Безопасность труда в промышленности. 2001 - №2 - С. - 44-50.
12. Матюк В.Ф., Кулагин В.Н. Контроль структуры, механических свойств и напряженного состояния ферромагнитныхизделий методов коэрцитиметрии / Неразрушаю-щий контроль и диагностика. 2010.№ 3. С. 4 - 14.
13. Бида В.Г., Ничипурук А. П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле. Дефектоскопия. 2000. № 10. С. 3 - 27.
14. Мацевитый В.М. Изменение коэрцитивной силы при статическом и усталостном нагружении образцов из стали ШХ15/ В.М Мацевитый , Г.Я Безлюдько, И.Б Козак, К.Б Вакуленко, Е.В Белоус.//Проблемы прочности .2012.№3 - С.151-155.
15. Лухвич А. А. Влияние дефектов на электрические свойства металлов / А. А. Лух-вич. Минск: Наука и техника. 1976. - 104 с.
16. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов // Изд. Наука. Новосибирск. Сибирская издательская фирма РАН. 1996. 184 с.
17. Бида Г. В. Размер зерна и корреляция прочностных, пластических и вязких свойств с коэрцитивной силой феррито-перлитных сталей / Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2010. № 4. С. 40 - 45.
18. Вакуленко К.В., Казак М.Б., Безлюдько Г.Я., Ярещенко В.Г., Елкина Е. И. Изменения коэрцитивной силы при усталостных испытаниях образцов из стали 40Х / Проблемы машиностроения. 2015. Т. 18. № 2. С. 66 - 71.
19. Бида Г. В. Магнитный контроль качества закаленных и отпущенных деталей из углеродистых и низколегированных сталей (Обзор) / Дефектоскопия - 2006 - №7 - С. 15-27.
20. Максимов А.Б. Связь параметров уравнения Петча - Холла с величиной коэрцитивной силы в стали // Материалы 21 Международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики». Гурзуф. 7 -10 октября 2013. С. 147.
Maksimov A.B. (Aleksandr Borisovich), candidate of technical. Sciences. Associate Professor.
Federal Public budgetary educational institution «Kerch state marine technological university».
298300 Russia, Republic of Crimea, Kerch, Frunze str., house 32. Email: aleksandrmks@yandex.ru. Yerohina I.S. (Irina Sergeevna), lecturer.
Federal Public budgetary educational institution «Kerch state marine technological universi-ty».
NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF STEEL PRODUCTS IN
MECHANICAL ENGINEERING
Non-destructive testing of the mechanical properties of steel allows you to determine the level of mechanical properties of steel and the service life of the product during operation. Based on the literature data, the influence of the metal fatigue process on the change in the coercive force is considered. During operation, the steel structure experiences multiple alternating loads in the elastic region. This leads to a change in the dislocation structure of the steel. When a band dislocation structure appears, the first foci of reversible damage begin to form, that is, those that can "heal" over time. Then, with further deformation of the product during operation, irreversible damage occurs, that is, defects that can develop into a main crack. The purpose of this work is to substantiate the necessity and possibility of determining the mechanical properties and residual life of the metal during operation using coercive force. The area of reversible damage is selected as a criterion for trouble-free operation of the steel structure. In accordance with the linear theory of damage accumulation (^i), a value is chosen equal to the ratio of the number of deformation cycles (ni_) to the total number of deformation cycles at a given strain or load amplitude (Ni). It is proposed to assume that in the region of reversible damage, the condition yi<(0.15-0.30) must be fulfilled. Thus, to determine the boundary of the beginning of the formation of irreversible defects in steel during the operation of the product, it is sufficient to determine the value of uniform elongation of steel in this structural state during tension. The upper limit of the permissible value of the coercive force of the coercive force under the deformation of the component (0.15-0.30) 5p. The influence of the grain size on the value of the coercive force is analyzed.
Keywords: coercitimetry, deformation, metal, coercive force, structural steel, stresses, steel life, fatigue, reversible damage, irreversible damage.
