Энергодиагностика
+7-498-661-92-81
+7-498-661-61-35
Метод Магнитной Памяти Металла
Энергодиагностика
Метод Магнитной Памяти Металла
Реклама
Новости
30 июня 2017 г.
ООО "Энергодиагностика" приняло активное участие в работе Конгресса, выставки, заседаниях Международного общества по мониторингу состояния (ISCM) 13-16 июня 2017 года в Лондоне, Великобритания.
28 апреля 2017 г.
В апреле 2017 года в ООО "Энергодиагностика" проведена специальная оценка условий труда.
2 марта 2017 г.
На семинаре по методу МПМ представлено более 60 отзывов организаций, диагностических фирм и промышленных предприятий об эффективности метода МПМ по результатам практической диагностики оборудования.

Физические критерии оценки напряженно-деформированного состояния материалов и элементов конструкций

к.т.н. Власов В.Т., д.т.н., профессор Дубов А.А.

Мы уже неоднократно обращали внимание на парадоксальность сложившейся ситуации в решении острейшей проблемы оценки напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и остаточного ресурса сложных технических объектов: с одной стороны, современная диагностика предлагает "целый арсенал" средств измерения механических характеристик материалов, внутренних напряжений и даже остаточного ресурса, использующих различные неразрушающие физические методы, что вполне соответствует остроте проблемы, а, с другой стороны, при чрезвычайно высоком спросе на средства оценки реально сложившегося состояния материала – практически полный отказ специалистов в области механики разрушения от использования предлагаемых средств при определении остаточного ресурса. Причем, мотивация отказа совершенно справедлива и основана на известных и малоизвестных объективных причинах.

Многолетний экспериментально-практический опыт, накопленный в процессе разработки и практического применения метода магнитной памяти при диагностике различных объектов, выявил и доказал объективность "несоответствия" реальных значений физических параметров внутренних напряжений "привычным" предельным значениям механических характеристик, например, пределу временной прочности.

Результаты теоретических исследований закономерностей распределения физических деформаций позволили объяснить наблюдаемые "несоответствия" и доказали ошибочность известного критерия оценки истинного состояния материала в локальных зонах развивающегося повреждения по степени близости к справочным предельным механическим характеристикам материала.

Собственно это давно известно, поскольку по изменению формы деформированного образца можно легко судить о неравномерности распределения деформаций на образце (см. рис.1). Однако это не позволяло говорить о количественных соотношениях деформаций в разных областях образца. Нам удалось решить эту задачу.

Рис.1. Области равномерного, неравномерного деформирования и "шейка" разрушенного образца: εпр – предельная деформация в области шейки; εср – средняя деформация по всей длине образца; εр – равномерное деформирование по длине Lр; εнр – неравномерное деформирование по длине Lн.

Исследования деформационно-силовых характеристик девяносто семи образцов различных сталей и сплавов (см. таблицу 1) показали, что значения предельных внешних удельных сил, приведенных к областям неравномерного и равномерного деформирования, будут заметно отличаться от средних значений для всего образца.

Таблица 1.

NN Особенности группы Марки металлов и сплавов Источник параметров Кол-во металлов и образцов
1. разные марки сталей Ст.3; Ст.6; Ст.8; Ст.10; Ст.15; Ст.20; Ст.25; Ст.30; Ст.35; Ст.40; Ст.45; Ст.60; Fe справочные данные 13
2. разные марки сплавов X13; 20X; 38XA; 40X; 30XM; 34XMA; 35XM; 40XФ; 40ХН; 1Х18Н9Т; 12X1МФ; 15Х1МФ справочные данные 12
3. разные марки сплавов 1X17H2; 12ХН3А; 30ХН3А; 30ХГСА; 25Х2ГМТА; 34ХН3МА; 40ХН3МА; 18Х2Н4МА; 38Х2МЮА; 50ХФА; 60С2 справочные данные 11
4. разные образцы одной марки рельсовая сталь (для Р-50) эксперимент 27
    алюминиевый сплав АМг6 эксперимент 22
    титановый сплав ВТ8 эксперимент 12
    Общее количество:   97

На рис.2 и 3 показаны значения отношений предельной нагрузки в областях неравномерного и равномерного деформирования к пределу временной прочности в зависимости от средней величины максимальной деформации в области неравномерного деформирования.

Рис.2. Отношения предельных значений удельной нагрузки в области неравномерного деформирования к пределу временной прочности для разных материалов.

Рис.3. Отношения предельных значений удельной нагрузки в области равномерного деформирования к пределу временной прочности для разных материалов.

Если же говорить о деформациях при растяжении образцов, то средние значения деформаций в областях неравномерного и равномерного деформирования отличаются от справочных значений относительных деформаций материала при временной прочности еще сильнее. На рис.4 представлены величины отношений средних продольных деформаций в области неравномерного деформирования образца к средним значениям в области равномерного деформирования при величине внешней нагрузки, соответствующей пределу временной прочности, а на рис.5 - отношения поперечных деформаций.

Рис.4. Отношение средних продольных деформаций в области неравномерного деформирования к значениям в области равномерного деформирования.

Рис.5. Отношение средних поперечных деформаций в области неравномерного деформирования к значениям в области равномерного деформирования.

При этом, в локальных областях значения деформаций будут отличаться уже на порядки! Об этом свидетельствуют не только экспериментальные данные, но и полученные нами функции распределения локальных деформаций по толщине образца (см. рис.6). А это значит, что критерии предельного состояния, полученные при простых механических испытаниях образцов, не могут отражать предельное состояние материала и, тем более, предельное состояние элемента конструкции.

Рис.6. Зависимость отношения максимальных значений деформации в локальной области зарождающегося разрушения к средней деформации от величины локальной области.

Но чтобы осознать это, необходимо преодолеть укоренившееся представление о внутренних напряжениях и вспомнить, что те напряжения - "сигмы", к которым мы все так привыкли, не являются напряжениями - это внешняя удельная сила, приложенная к образцу конкретной формы и меняющая внутренние напряжения, - это условный эквивалент внутренних напряжений!

"Условный" - поскольку непременными условиями являются: определенная форма образца и определенный порядок испытаний.

Только разобравшись в физике процесса сопротивляемости материала деформированию, можно понять, что такое внутренние напряжения, как и где они возникают. Здесь на помощь приходит известное из механики разрушения понятие структурный элемент - элементарный объем, в котором и происходят характерные изменения материала при его деформировании.

На рис.7 последовательно показано, как внешняя удельная сила, "расщепляясь" на составляющие, воздействует на материал, деформируя его в разных направлениях (скольжения, нормального, широтного) и поворачивая в пространстве, вызывая тем самым соответствующие внутренние силы сопротивления материала деформированию, что и определяет, в конечном счете, затраты собственной энергии материала на противостояние внешней нагрузке. Очевидно, что те деформации, которые мы можем измерить (продольная и поперечная) - это алгебраические суммы проекций векторов внутренних физических деформаций на привычные нам направления - вдоль и поперек оси приложенной силы.

Рис.7. Деформация структурного элемента при одноосном растяжении.

Схематически процесс сопротивляемости материала внешней нагрузке можно представить следующим образом (см. рис.8). Любое внешнее воздействие (от простого одноосного до самого сложного) на конкретный объект из исследуемого материала, будь то образец или сложная деталь, всегда "расщепляется" в материале на три силовые и три моментные (вращательные) составляющие (только при одноосном нагружении цилиндрического образца – на две силовые и одну моментную). В приведенной схеме показано, что внутренние напряжения - разность плотности внутренней энергии в локальной и смежной с ней областях - разность потенциалов.

Более того, теперь можно говорить, что внутренние напряжения – это особая, единая энергетическая характеристика равновесного состояния материала, которая определяется (см. рис.8) семейством физических деформационно-силовых параметров, отображающих разнообразные варианты изменения внутренней энергии, в результате различных вариантов воздействия на материал, воплощенный в конкретную форму.

Рис.8. Реакция материала на внешнее силовое воздействие: 1 – внешняя удельная сила; 2 – силовые составляющие внешнего воздействия внутри материала; 3 – совокупность локальных деформаций и сопротивляемости материала внешним воздействиям – параметры внутренних напряжений; 4 – внешние характеристики реакции материала; 5 – внутренние напряжения – изменения плотности внутренней энергии.

Специально для "гурманов" можно предложить следующие определения состояния материала. Любой материал обладает собственной внутренней энергией, характеризуемой средней плотностью энергии, которая может быть представлена двумя тензорами нулевого ранга – скалярным и векторным потенциалами. Распределение энергии в объеме даже "изотропного" материала неоднородно, но характеризуется строгим порядком по каждому из возможных, вполне определенных направлений изменения величины начальной энергии – тремя линейными (обычными) векторами (тензоры первого ранга) и одним аксиальным (вращательным) вектором. Все это – индивидуальные качества или свойства материала, определяемые одной характеристикой – средней плотностью энергии, не зависящей ни от формы объекта, ни от характера внешнего воздействия. Но при этом, "вполне определенные" линейные направления изменения величины начальной энергии – нормальное, сдвиговое и широтное, определяемые положением плоскости скольжения в пространстве силового или иного внешнего поля уже зависят от формы объекта, в которую воплощен исследуемый материал.

Противодействуя внешнему воздействию, материал использует собственную энергию, затраты которой можно оценить по работе внешнего поля – деформационно-силовым параметрам, которые выражаются двумя полными тензорами второго ранга (силовым и деформационным), или двумя парами линейных (симметрических) и вращательных (кососимметрических) тензоров. Заметим, что потеря кососимметрического вращательного тензора в теории сопротивления материалов привела к глубоко ошибочному представлению о существовании "главных напряжений" и "главных деформаций". Ни теоретически (если, конечно, не допустить ошибки), ни в реальных условиях нельзя найти такую "площадку, на которой отсутствовали бы сдвиговые силы" и вращательные моменты! Это проще понять физически: энергия материала складывается из двух, практически равных по величине составляющих – потенциальной (электростатической), определяющей "отталкивание" атомов, и квантовой, определяющей "стягивание" атомов. А отсюда следует, что при любом воздействии на материал, в любой его области всегда "работают" оба поля – квантовое (притяжения) и потенциальное (отталкивания). Так вот, пара кососимметрических тензоров, которую "сопромат" потерял, как раз и описывает затраты квантовой составляющей внутренней энергии материала на сопротивление внешнему воздействию. Да и, вообще, что бы осталось от материала, если бы действительно отбросили силы, притягивающие атомы друг к другу?!

Полученные нами результаты исследований позволяют "увидеть" как сопротивляется материал внешнему воздействию.

Изменения внутренних сил сопротивления материала в области неравномерного деформирования образца внешней растягивающей силе показаны на рис.9, где для сравнения помещен график изменения внешней удельной силы.

Рис.9. Зависимость внутренних сил сопротивления упругим и пластическим деформациям Ст.6 от удельной силы в области неравномерного деформирования: σвнш – напряжения от удельной силы внешней нагрузки; σпродПвнутр – график напряжений от нормальной продольной пластической (механической) деформации; σnПвнутр – график напряжений от нормальной продольной пластической (физической) деформации; σnc Пвнутр – график изменения среднего по образцу значения внутренней силы сопротивляемости продольной деформации; МнαПвнутр – момент сопротивления пластическому изменению угла скольжения.

Как видим, силовые физические характеристики сопротивляемости материала деформированию зависят от внешней удельной силы, которую принимают за внутренние напряжения, имеют очень не простой вид и далеко не пропорциональны ей! Более того, особые или критические точки, которые можно увидеть на показанных графиках, трудно связать с пределом текучести или пределом временной прочности.

Если вернуться к самым последним представлениям классической механики разрушения о процессе развития разрушения, сложившимся к 80-тым годам ХХ века и основанным на различных экспериментальных и теоретических исследованиях, то можно увидеть, что, "мягко говоря", они тоже не опираются на известные механические характеристики материалов (хотя за неимением другого, используют их в расчетах).

Заметим, что самое страшное последствие укоренившегося заблуждения в понимании сути внутренних напряжений, можно сказать коварство заблуждения, начинает проявляться только теперь, когда остро встала задача определения состояния материала, его работоспособности – важной составляющей проблемы оценки остаточного ресурса сложных технических объектов.

Опасность заключается в том, что механические характеристики, получаемые при испытаниях образцов – справочные предельные значения деформаций образцов и удельных сил – условных эквивалентов внутренних напряжений, стали считать собственными характеристиками материала, определяющими его способность противостоять любым внешним нагрузкам независимо от формы изделия, в которую воплощен этот материал. Это и явилось источником принципиальной ошибки, свойственной всем без исключения методам "измерения" внутренних напряжений.

Таким образом, полученные нами результаты экспериментальных и теоретических исследований позволили "материализовать" выводы, к которым уже давно, практически, вплотную подошла механика разрушения, и представить предельные состояния и основополагающие понятия, неразрывно связанные с ними, следующим образом:

  • предельное состояние материала - минимально возможная плотность внутренней энергии - предельный потенциал, определяемый только величиной средней плотности внутренней энергии, являющейся индивидуальным качеством материала, и не зависит ни от размеров элемента конструкции, ни от условий его нагружения;
  • предельное состояние элемента конструкции определяется соотношением размеров локальной области, в которой материал достиг предельного состояния, и размерами той области элемента конструкции, в которой расположена эта локальная область;
  • размеры локальной области определяются индивидуальными качествами материала, размерами элемента конструкции и условиями его нагружения и, в свою очередь, определяют характер фактического распределения локальных деформаций в объеме элемента конструкции;
  • фактическое состояние материала в локальной области – величина фактической плотности внутренней энергии – фактический потенциал, определяемый индивидуальными качествами материала, местом расположения исследуемой области в объеме элемента конструкции, размерами элемента и условиями его нагружения;
  • внутренние напряжения – разность потенциалов – разность плотности внутренней энергии в локальной и смежной с ней областях.

Как видим, общеизвестные значения предельных состояний – текучести и временной прочности, полученные при простых механических испытаниях образцов, не могут отражать предельное состояние материала и, тем более, предельное состояние элемента конструкции.

Таким образом, анализ результатов исследований приводит к известному из механики разрушения выводу, что надо говорить уже о нескольких разных критериях разрушения: предельное значение нормальной деформации при одноосном растяжении, предельное значение широтной деформации при одноосном сжатии и предельное значение сдвиговой деформации при кручении или изгибе, а также различные комбинации предельных значений при сложном нагружении.

Все это требует более внимательного подхода к диагностике напряженно-деформированного состояния материала и процедуре оценки степени близости фактического состояния материала в локальной области элемента конструкции к предельному значению, как для материала, так и для всего элемента конструкции, поскольку теперь понятно, что это далеко не одно и то же!

Совершенно очевидно, что прогнозирование возможных сроков безопасной эксплуатации элементов реальных "стареющих" конструкций (основной вариант развития разрушений) по результатам диагностики НДС материала с использованием тарировочных зависимостей, полученных при простых механических испытаниях образцов, без оценки времени или скорости развития усталостного разрушения в конкретном объекте и в конкретных условиях, не просто бесполезно, но крайне опасно!

Дело в том, что все известные методы реагируют на упругие деформации, а в реальной конструкции упругие деформации никогда не превышают значений, соответствующих пределу текучести.

Более того, учитывая острую (от единиц до нескольких десятков мкм) локальность процесса развития усталостной поврежденности, особенности распределения локальных физических деформаций и их соотношения со средними значениями деформаций можно утверждать, что, используя традиционные активные методы диагностики, имеющие большую базу усреднения (в лучшем случае 10мм), мы, скорее всего, просто не обнаружим область развивающегося повреждения, не говоря уже о возможности определения параметров развивающегося повреждения.

Полученные результаты исследований закономерностей распределения физических деформаций прямо указывают на необходимость разработки новой нормативной документации, регламентирующей проведение аттестации средств диагностики напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и методик "настройки" средств диагностики НДС.

Мы употребили термин "настройка" вместо более привычного "тарирование", желая тем самым подчеркнуть, что полученные нами результаты экспериментальных и теоретических исследований дают возможность проводить диагностику без предварительного испытания образцов, форма которых чаще всего выбирается из условий удобства размещения датчиков средств диагностики, и, как правило, не соответствует стандарту на проведение механических испытаний.

Таким образом, новый Государственный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 52330-2005 "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие положения", вступивший в действие в 2005 году, является первым маленьким, но, пожалуй, самым трудным и важным шагом на пути превращения методов и средств диагностики НДС конструкционных материалов из эффектной, но самодостаточной (а поэтому и бесполезной) области диагностики в эффективный – действительно необходимый и полезный инструмент оценки фактического состояния конструкционных материалов и самих конструкций.

ООО "Энергодиагностика" является разработчиком нового метода и приборов неразрушающего контроля, основанных на использовании магнитной памяти металла (МПМ).
1992-2017 © ООО "Энергодиагностика"
Рейтинг@Mail.ru
Создание сайта: ООО "Модерн Медиа"