Оценка степени неоднородности структурно-напряженного состояния материала нахлесточных сварных соединений методом акустической эмиссии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.179

Е.Н. Лахова, В. В. Носов

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА НАХЛЕСТОЧНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Для повышения надежности деталей машин и конструкций необходимо получать достоверные оценки их текущего состояния и остаточного ресурса. Эта задача может быть решена путем интерпретации данных акустико-эмиссионных испытаний подобных объектов с использованием микромеханической модели акустической эмиссии (АЭ) [1, 2]. При этом необходимо учитывать неоднородность распределения прочностных свойств и напряжений по объему материала. С этой целью в микромеханической модели акустической эмиссии гетерогенного материала (ММАЭГМ) введено распределение показателя состояния структурных элементов по объему, учитывающее одновременно оба эти фактора. В предлагаемой статье рассматривается вопрос о возможности раздельной оценки влияния на прочностные свойства изделия неоднородности макронапряженного состояния и неоднородности структуры (в качестве примера рассматриваются образцы нахлес-точных сварных соединений). Решение этой проблемы может способствовать оптимизации технологии изготовления деталей. Например, уменьшить неоднородность структуры можно проведением соответствующей термообработки, снизить неоднородность макронапряжен-ного состояния — введением конструктивных изменений, понижением концентрации напряжений.

В ММАЭГМ [1, 2] твердое тело представляется в виде связанных между собой структурных элементов. Являясь событием случайным, разрушение связей происходит в различных точках тела, координаты которых на начальной стадии процесса (когда количество разрушенных связей меньше 1 %) равномерно рассеяны по всему телу. Концентрация С микротрещин (разрушенных структурных элементов — атомных или молекулярных связей, волокон, кристаллов, зерен, ячеек и др.) изменяется при этом во времени I по закону

С(о=

1-ехр

' * Л ^

-Н

(1)

где С(0) — начальная концентрация структурных элементов в материале до разрушения, 0ср — среднестатистическое время ожидания разрушения одного структурного элемента, задаваемое формулой Журкова, при начальном условии С(0) = 0.

Формула Журкова [4] устанавливает связь времени т до разрушения с величиной напряжения о:

т = т0ехр

КТ

(2)

где т0 = 10-12—10-14 с — величина, сопоставимая с периодом атомных колебаний; ио — энергия активации процесса разрушения (ее значение постоянно для конкретного материала); у — структурно-чувствительный параметр; К— постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

В некоторый момент времени I = т* концентрация С достигает критической величины С*, при которой разрушение каждого структурного элемента уже существенно влияет на напряженное состояние вокруг соседнего, ранее разрушенного [2]. Достижение критической концентрации микротрещин приводит к их объединению и образованию кластера — области разрушенных связей, размеры которой связаны с размерами объединяемых структурных элементов. Если размеры кластера не опасны, то дальнейшее разрушение переходит на следующий, более крупномасштабный этап дисперсного разрушения в виде накопления концентрации кластеров данного размера. Этот этап разрушения описывается аналогичными закономерностями и также лимитируется моментом накопления критической концентрации областей разрушения с размером как у рассматриваемого кластера. Этапы дисперсного разрушения

сменяют друг друга до тех пор, пока размер очередного кластера не станет опасным, т. е. таким, при котором дальнейшее разрушение локализуется и происходит в виде прорастания опасного кластера (трещины) в поле создаваемых им перенапряжений вплоть до полного разделения тела на части.

Принято считать, что твердое тело разрушено, если количество разрушенных структурных элементов составляет 0,01—0,1 от числа начальных, т. е. когда С = 0,01-0ДС|) [4].

Из-за неоднородности структурного и напряженного состояний материала среднестатистические значения времени разрушения структурных элементов тела в общем случае неодинаковы. Для характеристики неоднородности состояния материала в [2] введена функция плотности распределения значений величины ю = уо/КТ по структурным элементам.

Оценка характеристик прочности и ресурса состоит в прогнозировании времени т0СТ, оставшегося до момента накопления критической концентрации микротрещин С, путем определения параметров и решения следующей системы уравнений [2]:

N(t) = kAEC(t),

coq +ДСО

J ччш)

щ>

1-ехр

dt

1 т0ехр

кт

//

^ост ^ ^пр>

где т^ — предварительно потерянный объектом ресурс; Юц и ю^Ч- Аю — соответственно минимальная и максимальная величины параметра ю.

Чем выше степень несовершенства структуры материала и значения напряжений, тем больше величина параметра ю. Таким образом, определив параметры функции Т(ю) при известных значениях т0, ио, Т, Тщ, и отношения С/С0, мы получаем возможность прогнозировать разрушения материала и оценивать остаточный ресурс объекта.

Определение параметров функции Т(ю) возможно на основе использования метода акустической эмиссии, так как, согласно ММАЭГМ [2], число зарегистрированных сигналов акустической эмиссии пропорционально числу разрушенных связей С(?):

где кАЕ — коэффициент пропорциональности (акустико-эмиссионный коэффициент).

Оценка параметров функции Т(ю) может быть осуществлена на основе акустико-эмис-сионного наблюдения за микротрещинообра-зованием в материале, например при его на-гружении с постоянной скоростью роста напряжений. В таком случае

со=

yat

~КТ'

С*

xdiв=—; 0>

где д — скорость роста напряжений, и для характеристики неоднородности структурно-напряженного состояния материала может быть использована функция плотности распределения по структурным элементам параметра

ю [2] или &-уд (при условии постоянства

температуры по объему тела).

Нами были проведены испытания образцов нахлесточных сварных соединений разного типа с различным положением и числом дефектов швов (рис. 1). Пластины образцов первого типа соединены лобовым швом, второго типа — лобовым и двумя фланговыми швами, третий тип имеет два фланговых шва. Материал пластин — сталь СтЗпс, толщина пластин 6 мм, сварные швы Н1-катет 6 мм по ГОСТ 14771-80, сварочная проволока СВ08Г2С ОМ 0 1,2 мм, углекислота по ГОСТ 8050-85. В различных местах швов были просверлены отверстия диаметром 6 мм. Верхняя часть каждого образца закреплялась в неподвижном захвате испытательной установки, нижняя — в подвижном, образцы испытывались на растяжение при постоянной

Тип 1 Тип 2 Тип 3

Рис. 1. Образцы нахлесточных сварных соединений

скорости перемещения второго захвата. В процессе нагружения при помощи компьютеризированной двухканальной измерительной акус-тико-эмиссионной системы проводилась регистрация сигналов акустической эмиссии.

С использованием пакета ЛКБУЗ [5] для каждого из образцов была создана модель сварного соединения, состоящая из двух пластин и одного или нескольких швов. Сварной шов рассматривался как твердое тело, прикрепленное двумя своими гранями к соответствующим граням пластин. Для всех элементов сварного соединения был выбран один и тот же однородный изотропный материал с модулем упругости Е = 2Д-1011 Па и коэффициентом Пуассона V = 0,3. Рассматривался случай растяжения образца единичной силой. На рис. 2 показано полученное при этом для образца первого типа распределение эквивалентных напряжений (по Мизесу). Для данного типа образцов максимальные напряжения возникают в нижней части шва в месте его соединения с двумя пласти-

нами. Напряженное состояние характеризуется высокой неоднородностью.

По данным, полученным при расчете эквивалентных напряжений в образцах нахлес-точных сварных соединений, были построены распределения относительной величины напряжений по объему сварного шва ¥До/отах), где о — максимальное напряжение в шве

max г

(рис. 3). Из графика следует, что для каждого образца существует значение напряжения, испытываемое максимальным числом элементов, и чем выше напряжение, тем меньшему числу структурных элементов оно соответствует. Максимальные же напряжения сосредоточены в очень небольшом объеме.

В данной работе рассматривается нагру-жение образцов только в пределах упругого участка, когда величина напряжения пропорциональна величине деформации и в первом приближении можно принять, что скорость роста напряжения в какой-либо точке тела пропорциональна величине напряжений в этой точке. Исходя из принятых допущений, для материала сварного шва можно определить функцию плотности распределения по объему скорости роста эквивалентных напряжений ^о(<5).

Поскольку ю — произведение структурно-чувствительного параметра у на величину скорости роста напряжений, вид функции Ч'щСсо) плотности распределения ю по структурным элементам зависит как от характеристик напряженного состояния материала, так и от степени несовершенства его структуры. В качестве функции Ч^ю) в зависимости от степени неоднородности состояния материала может

Рис. 2. Распределение эквивалентных напряжений (по Мизесу) в образце нахлесточного сварного соединения типа 1

Рис. 3. Функция плотности распределения эквивалентных напряжений по объему шва образца нахлесточного сварного соединения

быть использовано равномерное, логарифмически-нормальное или двухпрямоугольное распределение [2]. Рационально для образцов на-хлесточных сварных соединений выбрать логарифмически-нормальное распределение.

В том случае, когда уже построены кривые распределения двух величин (ш и о), нахождение кривой распределения величины, равной их отношению (у=ю/6), не составляет большого труда и может быть осуществлено по методу Монте-Карло. Для этого в соответствии с распределением Ч^ю) случайным образом выбирают п значений га, аналогично в соответствии с распределением ^0(о) выбирают п

„ . га

значений а, из соотношения у=— определяют

а

п случайных значений у и по ним строят кривую распределения у по структурным элементам — Ту(у).

Построение кривой ¥(у) дает возможность оценивать структурную неоднородность состояния материала объекта, а по кривой распределения ^До/ашах) (или ¥о(а)) можно судить о степени неоднородности его напряженного состояния.

Временная зависимость логарифма числа импульсов АЭ И(?) (рис. 4), полученная для образцов нахлесточных сварных соединений, имеет три характерных участка, сопоставление которых с диаграммой нагружения позволяет считать их участками кинетически неоднородного разрушения (а—Ь), где происходит разрушение небольшого числа наиболее поврежденных структурных элементов материала, кинетически однородного разрушения

ln N,

200

400

600

800

Рис. 4. Зависимость логарифма числа импульсов АЭ от времени для образца нахлесточного сварного соединения

(Ь—с) и пластического разрушения (с—ф, когда скорость нагружения начинает снижаться, увеличивается средняя длительность сигналов и коэффициент их перекрытия [1].

При использовании метода акустической эмиссии для неразрушающего контроля прочность объекта контроля может быть оценена по параметрам зависимости логарифма числа импульсов АЭ от времени 1п(И()) на этапе кинетически-однородного разрушения. На этом этапе зависимость 1п(И(0) линейна (рис. 4), и, поскольку он соответствует упругим деформациям материала, для образцов нахлесточных сварных соединений в случае перемещения подвижного захвата нагружающего устройства с постоянной скоростью линейна также зависимость нагружающей силы от времени ¥(1). Исходя из этого в данной работе значение концентрационно-кинетического показателя кУЛЕ [3], характеризующего прочность образца, определялось как отношение углового коэффициента линейного участка зависимости 1п(И(0) к угловому коэффициенту зависимости ¥{(), определенному на том же промежутке времени.

Прочность нахлесточных сварных соединений конкретного типа зависит от числа и расположения дефектов в швах (в данном случае отверстий), определяющих величину максимальных напряжений. Рассмотрим изменение максимальных эквивалентных напряжений и показателя кУм для различных образцов на-хлесточных сварных соединений. На графике (рис. 5) образцы каждого типа размещены в порядке возрастания числа дефектов и опасности

— g is

40

о о

>Y 1

-V О

Тип ,1

i

г

Л

Тип 2

Тип 3

N

юоо t с Рис. 5. Значения концентрационно-кинетического

показателя kY.r и максимальных эквивалентных

AE

напряжений omax для образцов нахлесточных сварных соединений

-■- о ; -♦-Y

max' Ae

их расположения, что соответствует постепенному росту максимальных эквивалентных напряжений (на оси абсцисс приведены номера образцов). Увеличение числа отверстий в шве от 0 до 4 приводит к увеличению максимальных напряжений в 3,2 раза в образце первого типа, для образцов второго и третьего типов напряжения повышаются менее значительно (соответственно на 17 и 5 %). Коэффициент корреляции значений показателя kYE и величин максимальных напряжений, вычисленный для всех 15 образцов, оказался равен 0,93, что говорит о высокой чувствительности характеристик прочности к макрогеометрии (тип образца).

Рассмотрим теперь каждый тип образцов в отдельности. В образцах типа 1 увеличение числа отверстий и соответствующее увеличение максимальных расчетных напряжений сопровождалось повышением значений показателя kYAE, причем корреляция между двумя последними величинами составила 92 %. Для образцов третьего типа она значительно ниже (39 %), для образцов второго типа коэффициент корреляции оказался отрицательным.

Величины ш и kYE связаны между собой, в простейшем случае однородного структурно-напряженного состояния материала, когда й)=const, в соответствии с формулами (1), (2) и (3):

уа

(О

KTF KTF

Шов 6-го образца не имеет отверстий; в шве девятого образца просверлены три отверстия, что приводит к увеличению расчетных напряжений. Скорость нагружения 9-го образца при проведении эксперимента также была выше скорости нагружения 6-го. Учет этих двух факторов приводит к повышению расчетного среднего значения скорости роста напряжений в 9-м образце в 1,25 раза по сравнению с 6-м. В то же время среднее значение й) для 9-го образца более чем в 2 раза ниже этой же величины для 6-го образца. Построим для данных образцов кривые

б) ¥

где F — скорость роста нагружающей силы. Поскольку в данной работе рассматривается нагружение в пределах упругого участка, при заданной в эксперименте постоянной скорости деформирования о = const и F = const.

Аналогично связи между kYE и omax коэффициент корреляции между средним значением (О и величиной средней скорости роста напряжений оказался максимальным для образцов на-хлесточных сварных соединений первого типа (0,73), для образцов третьего типа его значение меньше (0,55), для второго типа образцов коэффициент корреляции отрицателен.

Коэффициент корреляции между средним значением ю и величиной средней скорости роста напряжений минимален для образцов на-хлесточного сварного соединения второго типа. Рассмотрим кривые Ч'юСсЬ) и ^0(6), построенные для двух образцов данного типа (рис. 6).

Рис. 6. Кривые распределения параметров ю (б), у (в) и скорости роста напряжений о (а) по структурным элементам для двух образцов (— образец 9; --- образец 6) нахлесточного сварного соединения второго типа

распределения ^(у) (см. рис. 6). Кривая ^(у) 6-го образца по сравнению с 9-м сдвинута в область больших значений у, средняя величина структурно-чувствительного параметра 6-го образца превышает среднюю величину у 9-го образца более чем в 3 раза. Такое значительное повышение величины у говорит о наличии в материале 6-го образца скрытых дефектов, которые не учитывались при расчете напряжений. При внимательном осмотре образца в сварном шве был обнаружен подрез.

По найденным распределениям Ч,а,(й)), ^о(ст) и ^Т(У) были определены средние значения величин ю, ст и у для каждого из образцов. Для каждого типа образцов вычислялись средние квадратичные отклонения (стй, стй и ду) и коэффициенты вариации (ию, ио и ио) средних значений й), ст и у (см. таблицу). Среднее квадратичное отклонение средних значений как ю, так и ст для второго и третьего типов образцов меньше, чем для первого типа, но при этом стй уменьшается в 2—3 раза значительнее Это можно объяснить большей величиной для второго и третьего типов образцов по сравнению с первым типом. Коэффициент вариации средних значений у превышает коэффициент вариации средних значений ст в 1,8 раза для первого типа образцов; для второго и третьего типов отношение и /и значительно больше

у ' о

и составляет соответственно 3,7 и 5,1. Таким образом, изменение параметра ю для последних двух типов образцов в более значительной степени определяется изменением параметра у, чем ст. Этим и можно объяснить отмеченное ранее для образцов второго и третьего типов ухудшение корреляции величины максимальных напряжений с величиной параметра кУм (см. рис. 5).

Таким образом, подводя итоги исследования, можно утверждать следующее.

Построение на основе результатов акусти-ко-эмиссионных испытаний кривой распределения параметра ю (ш) по структурным элементам позволяет оценить степень неоднородности структурно-напряженного состояния материала. Чем большие значения принимает ю, тем ниже прочностные характеристики объекта и его остаточный ресурс. Найдя распределение ю по структурным элементам (данные акустико-эмиссионных испытаний) и распределение напряжений по объему (расчет по методу конечных элементов) и применив метод Монте-Карло, можно получить подобное распределение параметра у и оценить степень структурной неоднородности материала объекта.

В случае, когда полученное распределение параметра у говорит о низкой неоднородности структуры материала, изменение ю в основном определяется изменением макронапряженного состояния объекта, что позволяет проводить оценку его прочности по результатам расчета напряжений (первый тип образцов нахлесточ-ных сварных соединений). Когда же вариации структурно-чувствительного параметра у становятся существенными, корреляция напряжений и ю ухудшается, и появляется необходимость учета структурной неоднородности материала (второй и третий тип образцов).

Сравнение распределений параметра у и напряжений позволяет оценить степень влияния изменения этих величин на изменение прочностного параметра ю. Такая оценка дает возможность выбора наиболее эффективного для конкретного случая пути снижения степени неоднородности структурно-напряженного

Характеристики параметров й), у, ст как случайных величин, рассчитанные по их распределениям, полученным экспериментально для образцов нахлесточных сварных соединений

Тип Среднеквадратические отклонения 5« Коэффициенты вариации и / и -у о

образцов о* м3-Па/(моль-с) 6* МПа/с дт м3-Па/(моль-с) 5У1 и ю и о и т

1 34,4 0,43 2,03 1 1 1 0,74 0,37 0,66 1,8

2 11,8 0,07 2,25 0,34 0,16 1,11 0,31 0,12 0,44 3,7

3 28,9 0,11 2,43 0,84 0,26 1,20 0,99 0,17 0,86 5,1

состояния материала и, таким образом, повышения прочности детали или конструкции. Неоднородность структуры может быть снижена, например путем проведения соответ-

ствующей термообработки, а неоднородность напряженного состояния — путем введения конструктивных изменений, снижения концентрации напряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Носов, В.В. Микромеханика акустической эмиссии гетерогенных материалов [Текст] / В.В. Носов; Санкт-Петербургский политехнический ун-т // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2006. — № 3. — С. 20-27.

2. Носов, В.В. Методология оценки прочности и ресурса технических объектов с помощью метода АЭ [Текст] / В.В. Носов; Санкт-Петербургский политехнический ун-т // Труды СПбГПУ. — № 504. — 2007. — С. 119-132.

3. Носов, В.В. Оценка прочности и ресурса сварных конструкций с помощью метода акустической эмиссии [Текст] / В.В. Носов // Дефектоскопия. — 2009. — № 2. — С. 58-66.

4. Регель, В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел [Текст] / В.Р. Регель, А.И. Слуц-кер, Э.Е. Томашевский. — М.: Наука, 1974.

5. Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров [Текст]: справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. — М.: Машиностроение-1, 2004. — 512 с.

УДК 621.719.048.4

Н.Б. Кириллов, С.Д. Васильков, В. И. Новиков

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Состояние поверхности деталей и конструкций во многом определяет их срок службы. Под качеством поверхностного слоя деталей машин принято понимать совокупность характеристик, т. е. не только шероховатость поверхности, но и физико-механические свойства металла [1].

К важнейшим параметрам качества поверхностного слоя изделия относятся микроструктура и технологические остаточные напряжения (ОН). Их изменение на последнем этапе обработки может повлечь изменение сроков эксплуатации изделия. Величина, знак ОН на поверхности и характер распределения эпюры по глубине существенно влияют на усталостную и коррозионно-усталостную прочности как при малоцикловом, так и при многоцикловом нагружении, а также на ударно-циклическую прочность и коррозионную стойкость. При наличии в поверхностном слое остаточно-

го напряжения растяжения происходит интенсивное растрескивание элементов конструкций, работающих в коррозионной среде, даже если отсутствуют внешние нагрузки.

Велика роль ОН в зарождении и развитии трещин, при наличии в зоне дефекта критических ОН растяжения трещины зарождаются и начинают развиваться практически после первых циклов нагружения. Когда же дефекты располагаются в зонах ОН сжатия, началу зарождения трещин предшествует значительный инкубационный период, а дальнейшее развитие трещины тормозится и происходит с меньшей скоростью.

Одним из перспективных методов формирования поверхностей с заданными свойствами считается процесс электролитно-плазменно-го полирования (ЭПП). В отличие от химического и электрохимического полирований технология ЭПП позволяет обрабатывать детали