CC BY
10
УДК 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-444-448
ОЦЕНКА ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
С.А. Мотевич
Задача определения степени накопленной поврежденности для металлоконструкций ответственных машин является актуальной задачей, так как напрямую влияет на безопасность их эксплуатации. При этом существует достаточно большое количество способов и методов проведения диагностики, но получить однозначно объективные данные, пользуясь только одним из методов, невозможно. В статье предлагается подход, основанный на использовании оценки оптических характеристик поверхности материала, испытывающего циклические нагружения.
Ключевые слова: усталость, циклические нагрузки, оптические свойства, автокорреляционный интервал, среднеквадратическое отклонение.
Если рассматривать информацию, которую можно получить с поверхности материала, испытывающего циклические нагружения, то необходимо отметить, что наибольшие проявления усталости можно наблюдать именно в поверхностном слое [1, 2].
При этом световой поток, который зеркально и диффузно рассеивается этой самой поверхностью, должен фиксироваться фотодатчиками рефлектометрических преобразователей, что позволяет говорить о том, что мы получаем информацию не о всей поверхности, а лишь с малой ее части.
С одной стороны, это является минусом, так как объективность оценки при этом снижается. С другой стороны, параметры, влияющие на изменение оптических свойств поверхности, например, среднеквадратическое отклонение высот микронеровностей, достаточно малы по своим геометрическим характеристикам, что позволяет говорить о том, в пределах измеряемой области статистика является достаточно полной и репрезентативность оценки может быть обеспечена.
Получить точную детерминированную модель электромагнитного поля, которое отражается от контролируемой поверхности металлоконструкции, задача практически невозможная, так как возникает необходимость решения дифференциальных уравнений со стохастическими краевыми ограничениями.
В нашем случае более правильным является подход, описанный в [3], где автором предлагается использование теории рассеяния волн стохастически неоднородной поверхностью. Данная теория позволяет связать случайные характеристики поверхности и отраженного от нее поля, не затрагивая структуры полей в области границы двух однородных сред.
С достаточной точностью можно использовать метод Кирхгофа, исходя из допущения, что размеры высот микронеровностей значительно больше длины волны электромагнитного излучения.
Таким образом, рассеяние электромагнитного поля сводится к оценке в видимом диапазоне волн, что позволяет применять математическую модель Бекмана, которую характеризует рис. 1 [4, 5], где показана схема падения и диффузного рассеивания света от контролируемой поверхности.
Интегральное световое излучение, которое фиксируется фотоприемниками рефлекто-метрического преобразователя, является функцией следующих параметров: коэффициента яркости, среднеквадратического отклонения высот микронеровностей, корреляционного интервала [6].
При этом среднеквадратическое отклонение характеризует высоту или глубину экструзий или интрузий, возникающих в процессе накопления и развития усталостных явлений, а корреляционный интервал позволяет оценить угол наклона их граней. Необходимо также отметить, что эти параметры будут зависеть как от микрорельефа бездефектной поверхности, так и от дефектов, возникших в результате развития усталости.
Причем, этими дефектами будут являться не только экструзии и интрузии, но и полосы скольжения, полосы Чернова-Людерса, а также усталостные микро- и макротрещины.
Перечисленные дефекты развиваются стадийно. Отдельно выделим среди них полосы Чернова-Людерса, которые характерны для пластического течения материала не только при статическом нагружении, но и при циклическом, что можно наблюдать в экспериментах [7, 8]. Основным условием появления таких полос является переход в упругопластическое нагруже-ние и, соответственно, в малоцикловую область усталости.
Пример таких развитых полос на лабораторном образце показан на рис. 2.
Рис. 2. Лабораторный образец с полосами Чернова-Людерса
Таким образом, поверхность материала в зоне накопления усталостных повреждений представляет собой некоторое подобие плоскости с определенным рельефом.
Как уже было сказано выше, усталость носит стадийный характер, и каждому её периоду соответствуют свои изменения рельефа этой плоскости. На поверхности последовательно получают развитие и рост следующие дефекты: экструзии и интрузии, полосы скольжения и пачки полос скольжения, микро- и макротрещины.
Отметим, что эти усталостные явления, как правило, совпадают по направлению с действующими касательными напряжениями. При этом переход от стадии рассеянной повре-жденности к стадии локальной происходит при переходе трещины через границу зерна и её дальнейшим распространением в плоскости перпендикулярной приложенной нагрузке. Соответственно, с допущениями, можно говорить о плоскодеформированном напряженном состоянии в вершине трещины.
Необходимо заметить, что на контролируемой поверхности будет наблюдаться образование бороздчатости при низких значениях коэффициента интенсивности напряжений. И наибольшие изменения рельефа поверхности будут наблюдаться в зоне концентрации напряжений.
Перечисленные проявления усталости на контролируемой поверхности можно разделить на два вида дефектов.
Первый - это дефекты, которые имеют четкие границы между поверхностью без повреждений и поверхностью с проявлениями усталости (микро- и макротрещины).
Второй - это дефекты с плавными переходами к поверхности без повреждений (полосы Чернова-Людерса, полосы скольжения)
Дефекты с резкими границами можно рассматривать как аномалии микрогеометрии поверхности на фоне шумов от макрогеометрии и флуктуации яркости световой марки подсвета. Дефекты с плавным переходом - как аномалии макрогеометрии поверхности на фоне шумов от микрогеометрии и флуктуации яркости световой марки подсвета.
В качестве примера, на рис. 3 показана профилограмма поверхности лабораторного образца, показанного на рис. 2.
Рис. 3. Профилограмма поверхности лабораторного образца
На профилограмме можно наблюдать развитие экструзий и интрузий на поверхности по которой проходит фронт Чернова-Людерса, который также виден на рис. 2. Вертикальное увеличение составляет х5000, а горизонтальное х50. Соответственно в данном случае мы говорим об упругопластическом деформировании в условиях циклического нагружения.
Те повреждения, которые не нарушают целостность поверхности, можно считать аномалиями яркости падающего светового потока на фоне шумов от рельефа контролируемой поверхности.
Исследуемая плоскость с развитыми усталостными явлениями может иметь различные сочетания дефектов, которые отличны по своим размерам и геометрии [9]. В общем случае выделяют три варианта расположения дефектов.
Первый - это контролируемая поверхность имеет несколько зон, и в пределах каждой из них повреждения имеют одинаковые геометрические размеры. Такой вариант наблюдается в том случае, если накопленная поврежденность не вышла за пределы линии Френча, которая характеризует окончание стадии рассеянной поврежденности. В таком случае будут наблюдаться линии и полосы скольжения, объединенные в пачки. Микрорельеф поверхности дефектной области сильно отличается от микрорельефа области без повреждений. На основе модели Бекмана можно выделить два параметра, которые будут характеризовать повреждения. Это среднеквадратическое отклонение высот микронеровностей и корреляционный интервал.
Второй - это контролируемая поверхность имеет зону, в которой накладываются друг на друга рельеф поверхности без дефектов и некоррелируемый с ними рельеф близкий по масштабу, который вызван проявлениями усталости в поверхностном слое. Такой вариант можно наблюдать на начальном этапе выхода за линию Френча, когда микротрещины с малым раскрытием группируются на поверхности материала. В этом случае также применима модель Бекмана, и характеризующими параметрами снова являются среднеквадратическое отклонение высот микронеровностей и корреляционный интервал.
Третий - контролируемая поверхность представляет собой зону крупных дефектов, на которые наложены мелкие неровности. Такой вариант возможен в тех случаях, когда циклическое нагружение происходит в условиях упругопластического деформирования. Развитие фронта полос Чернова-Людерса сопровождается появлением на них экструзий и интрузий и развитых полос скольжения. Таким образом, крупные дефекты являются подстилающей поверхностью для мелких неровностей.
В этом случае возникает необходимость оценки оптических свойств поверхности.
Наибольшее представление об оптических свойствах дает интегральный показатель -индикатрисса рассеяния, которая характеризует плотность пространственного распределения, рассеянного поверхностью оптического излучения подсвета [10]. В качестве характеристик ин-дикатриссы, которые определяют наличие дефектов на контролируемой поверхности, обычно выделяют параметры ее формы.
Соответственно, дефекты будут влиять на отклонения отражения светового потока, попадающего на контролируемую поверхность. Изменятся углы падения и отражения и коэффициенты яркости. Отметим, что изменения углов характерны в большей степени для крупных дефектов, а коэффициенты яркости для мелких.
Как уже было отмечено [8], для мелких дефектов параметрами, влияющими на яркость излучения, которые будут характеризовать поверхность являются среднеквадратическое отклонение высот микронеровностей поверхности и корреляционный интервал, величина, характеризующая угол наклона граней микронеровностей, зависящими и от наличия на контролируемой поверхности дефектов.
Таким образом, контроль и количественная оценка этих двух параметров позволяет говорить о возможности их применения
Список литературы
1. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976. 456 с.
2. Коллинз Д. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 624 с.
3. Сорокин П.А. Основы построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий в массовых производствах. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 1996. 39 с.
4. Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Оптические способы обнаружения и классификация дефектов поверхности изделий II ВОТ. Серия 13. Комплексная автоматизация производства и роторные линии. М.: ЦНИИинформации. 1990. №11. С. 28 - 38.
5. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение, 1981. 197 с.
6. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
7. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Оптический контроль несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов II Тез. докл. Международной выставки и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». М., 2003. С. 92.
8. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Контроль накопления усталостной повреждаемости по изменению оптических свойств поверхности материала II Тяжелое машиностроение. 2003. №8. С. 8 - 10.
9. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Толоконников А.С. Проявление повреждаемости металлоконструкций в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании II Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ. 2003. С. 202 - 207.
10. Сорокин П.А., Селиверстов Г.В., Толоконников А.С. Изменение оптических свойств поверхности - как критерий усталостной поврежденности металлоконструкций грузоподъемных машин // Техническая диагностика и оценка остаточного ресурса грузоподъемных кранов: Сборник статей / Под ред. д-ра тех. наук, проф. А.В. Вершинского. Екатеринбург: ЗАО «УЭЦ», 2007. С. 124 - 137.
Мотевич Светлана Анатольевна, магистрант, veta.m231@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF OPTICAL PROPERTIES OF THE SURFACE UNDER CONDITIONS OF ACCUMULATION OF FATIGUE DAMAGE
S.A. Motevich
The task of determining the degree of accumulated damage to the metal structures of responsible machines is an urgent task, since it directly affects the safety of their operation. At the same time, there are quite a large number of methods and methods for conducting diagnostics, but it is impossible to obtain unambiguously objective data using only one of the methods. The article proposes an approach based on the use of an assessment of the optical characteristics of the surface of a material undergoing cyclic loading.
Key words: fatigue, cyclic loads, optical properties, auto correlation interval, standard deviation.
Motevich Svetlana Anatolyevna, master, veta.m231@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-448-453
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛЬНОГО УДАРНИКА И ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ, ВЫПОЛНЕННОЙ ИЗ СПЛАВА АМГ6
М.В. Житный, Э.Г. Синельников, И.В. Апевалов
Показаны результаты численного моделирования ударного воздействия стального сферического ударника на тонкую пластину, выполненную из алюминиево-магниевого сплава АМг6 при различных параметрах ударника. Приведены основные результаты численного моделирования, содержащие значения скорости ударника, при которых фиксируется нарушение тыльной целостности испытываемого образца. В качестве результата исследования приведены баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для исследуемого образца и сравнительный график функций, представляющих уравнение баллистической прочности, для ударников, выполненных из различных материалов.
Ключевые слова: космический аппарат, кинетическое ударное воздействие, численное моделирование, космический мусор, баллистическое предельное уравнение, сферический ударник.
Анализ числа наблюдаемых (каталогизированных) космических объектов, находящихся в околоземном пространстве, позволяет сделать вывод об уверенном росте их количества в последнее время. Это обстоятельство связано с повышением интенсивности запусков космических аппаратов (КА) различными государствами в целях интенсификации освоения околоземного космического пространства. В связи с этим возрастает вероятность столкновения фрагментов космического мусора (КМ) с поверхностью КА или с элементами КА, находящимися на внешней поверхности КА [1].
В зависимости от конструкции КА (герметичный или негерметичный), целевого назначения и ряда других факторов, такое столкновение может иметь различные последствия, которые влияют на способность КА функционировать с заданными характеристиками. Прогнозирование результатов такого столкновения является важным условием при разработке конструкции КА и защиты КА экранного типа. Такое прогнозирование может осуществляться как на основе результатов экспериментальных исследований, проводимых на лабораторных установках, так и на основе результатов численного моделирования.
Следует отметить, что использование пассивных экранных конструкций КА в качестве защиты от столкновения с фрагментами КА целесообразно только для малоразмерных частиц, размером менее 10 мм. Это связано с тем, что для обеспечения защиты КА от частиц большего размера в силу их высокой энергии, обусловленной высокой собственной скоростью и массой, конструкция такой защиты будет иметь значительную массу. Выбор в настоящем исследовании стали в качестве материла ударника обусловлен наличием в конструкции ракетно-космической техники (РКТ) деталей, выполненных из этого материала, что позволяет предполагать о наличии стальных частиц в составе КМ в ОКП. Кроме того, такие частицы в силу высокой плотности обладают более высокой энергией и, как следствие, высокой проникающей способностью в отличие от частиц из алюминиево-магниевого сплава аналогичного размера.
Анализ конструкции КА показывает, что при изготовлении элементов КА достаточно часто используются конструкционные материалы на основе алюминиево-магниевых сплавов. Так, например, из таких материалов изготавливаются обечайки герметичных отсеков КА, элементы радиационных теплообменников и др. Данные материалы обладают хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью, хорошо поддаются механической обработке, имеют сравнительно малую плотность, что позволяет изготавливать достаточно сложные конструкции, характеризующиеся сравнительно малой массой.
448
