Энергодиагностика
+7-498-661-92-81
+7-498-661-61-35
Метод Магнитной Памяти Металла
Энергодиагностика
Метод Магнитной Памяти Металла
Реклама
Новости
15 января 2020 г.
Получены положительные отзывы на книгу Власова В.Т. и Дубова А.А. «Физические основы метода МПМ» от ведущих ВУЗов РФ
23 мая 2019 г.
Состоялась встреча международной группы специалистов по методу магнитной памяти металла Международного комитета по неразрушающему контролю (ICNDT), объединяющая 18 специалистов из 14 стран мира
23 мая 2019 г.
Третья международная конференция по диагностике оборудования и изделий машиностроения с использованием метода магнитной памяти металла состоялась 22-23 мая 2019 года в Праге, Чехия

О взаимосвязи магнитных, акустических и механических характеристик, оцененных в процессе растяжения стальных образцов

Дубов А.А., Семашко Н.А., Привалов В.Ю. (ООО «Энергодиагностика»)
Ботвина Л.Р., Цепелев А.Б. (ИМЕТ РАН)

Введение

Для оценки остаточного ресурса узлов и деталей в процессе эксплуатации используют методы неразрушающего контроля напряженного состояния, большинство из которых позволяют получать информацию лишь о среднем уровне внутренних напряжений, который, как правило, не превышает предела текучести. В то же время известно, что разрушение материала чаще всего происходит в локальных зонах концентрации напряжений, в которых интенсивно развиваются процессы коррозионного и усталостного повреждения. Размер таких зон меняется от микрометров до единиц миллиметров, а величина внутренних напряжений в них может значительно превышать не только предел текучести, но и предел прочности материала.

Для выявления зон концентрации напряжения в нагруженных конструкциях перспективно использовать методы магнитной памяти металла (МПМ) [1] и акустической эмиссии (АЭ) [2], но для практического применения этих методов необходимо установить взаимосвязь магнитных и акустических параметров с прочностными характеристиками, включающими пределы пропорциональности (σп.ц.), текучести (σ0,2) и прочности (σв).

Ранее, в работах [1, 3] при испытании образцов из конструкционных сталей была установлена взаимосвязь отношения значений градиентов магнитного поля (|ΔH|), измеренных при достижении предела текучести (|ΔHт|) и предела прочности (|ΔHв|) с отношением предела прочности к пределу текучести:

Соотношение (1), отражающее эту взаимосвязь, было названо «энергетическим» [3, 4], поскольку градиент напряженности магнитного поля |ΔH| характеризует плотность магнитной энергии Wm, обусловленной механической энергией деформации при нагружении Wc:

|ΔH| ~ Wm(Wc).

В данной работе проведены механические испытания конструкционной углеродистой стали 20 в условиях растяжения при одновременном мониторинге магнитных и акустических свойств образцов методами МПМ и АЭ. Целью работы было определение корреляционных соотношений между МПМ- и АЭ-параметрами и прочностными характеристиками (σв, σт) стали.

Методика эксперимента

Исследования проводились на образцах из конструкционной углеродистой качественной стали 20 (ГОСТ 1050-88) в виде двойной лопатки с сечением рабочей части 10 × 2,33 мм (рис.1).

Рис.1. Форма и размеры образца: I, II, III, IV – номера и места установки (+) трехкомпонентных датчиков МПМ (Нх, Ну, Нz); Ο – места установки датчиков АЭ; 1 и 2 – каналы измерений

Испытания на растяжение выполняли на разрывной машине 1958У-10-1 при скорости перемещения подвижного зажима образца 2,5 мм/мин. Измерения собственного магнитного поля образца осуществляли по методике [1] с помощью четырех трехкомпонентных датчиков, установленных вдоль рабочей части образца в непосредственной близости от его поверхности на равном расстоянии друг от друга (рис.1). МПМ-датчики подключали к магнитометру типа ИКН-5М-32 с регистрирующим устройством и блоком памяти. По результатам, полученным с помощью трехкомпонентных датчиков, и соотношению

рассчитывали напряженность результирующего магнитного поля в каждой точке образца.

Для регистрации и обработки акустических импульсов использовали акустико-эмиссионную систему СДС 1008, которая включает в себя системный блок и персональный компьютер с программным обеспечением (ПО «Maestro»). Датчики АЭ устанавливали между зажимами испытательной машины и рабочей частью образца в точках 1 и 2 (рис.1).

Результаты и обсуждения

На рис.2 показан график изменения во времени результирующего магнитного поля Н в ближайшей точке к месту разрыва образца (А – исходное состояние образца при нагрузке P=0).

Рис.2. Временная зависимость результирующего магнитного поля Н, построенная по данным измерения трехкомпонентным датчиком в ближайшей точке к месту разрыва образца

С увеличением нагрузки напряженность магнитного поля Н резко снижается (на участке А–В, рис.2), достигает двух минимумов в точках В, D и промежуточного максимума в точке С. Было обнаружено, что точки В, D соответствуют пределу пропорциональности и пределу текучести материала, оцениваемых путем анализа кривой деформации. Точка С соответствует зубу текучести на кривой деформации малоуглеродистой стали.

Дальнейшее увеличение напряженности поля Н на участке D-E происходит в области равномерной деформации образца вплоть до достижения предела прочности σв. После этого наблюдается быстрый (степенной) рост значений H на участке Е-F до разрыва образца. Точка F на рис.2 соответствует истинному предельному значению напряжений σпр, которое можно оценить с учетом уменьшения площади поперечного сечения образца перед разрушением.

В работах [3–5] было показано, что по максимальному изменению (по модулю) напряженности магнитного поля |ΔH| на участке АВ можно определить место локализации деформации и, соответственно, место образования будущей шейки. В нашем случае максимальное изменение |ΔH| на участке АВ было зафиксировано датчиком III (рис.1), который, как оказалось впоследствии, был расположен вблизи места разрыва образца. Из сопоставления измеренной зависимости H(t) с кривой нагружения σ(ε) следует, что величина σп.ц. для данного образца составляет 0,4σт.

На основе приведенных на рис.2 данных был построен график суммированных модульных значений изменения напряженности результирующего поля ∑ni=0Hi| от деформации (здесь |ΔHi| – изменение поля на выделенных (А–В, В–С и С–D) и последующих участках кривой H(t) продолжительностью по 50 секунд, n — количество участков). Построенный таким образом график, представленный на рис.3 совместно с кривой деформации для того же образца, позволил оценить модульные значения изменения суммарной напряженности магнитного поля ∑|ΔHт|, ∑|ΔHв| и ∑|ΔHпр|, отвечающие характерным точкам на кривой деформации: пределу текучести, пределу прочности и предельному значению напряжения в шейке образца в момент его разрушения.

Рис.3. Диаграмма растяжения σ=f(ε) и зависимость от деформации суммарных модульных значений изменения напряженности результирующего магнитного поля (∑ni=0Hi| )

По полученным данным был оценен «магнитный показатель» m [1]:

Значение этого показателя оказалось близким квадрату отношения предела прочности к пределу текучести:

Таким образом, значения m, полученные по магнитным и механическим характеристикам, практически совпадают. Это означает, что, используя результаты стандартных испытаний образцов на растяжение и соотношение (1), можно определить предельное значение параметра m для реальных инженерных конструкций, изготовленных из того же материала.

Рассмотрим теперь данные регистрации сигналов акустической эмиссии, полученные в процессе растяжения образца. На рис.4 представлены временные зависимости скорости счета (1) и суммарного счета импульсов АЭ (∑N) (2). На кривой 2 указаны точки, соответствующие пределу текучести σт и пределу прочности σв материала, оцененные по диаграмме растяжения.

Из рис.4 следует, что значение суммарного счета ∑N на пределе текучести равно ~ 175 импульсов, а на пределе прочности ~ 275 импульсов, а их отношение составляет: 275/175=1,57, что очень близко к величине показателя m, полученному из отношения (σв/σт)2.

Рис.4. Временные зависимости скорости счета N (1) и суммарного счета сигналов АЭ – ∑N (2)

На рис.5 показана зависимость энергетических параметров сигналов АЭ от времени при растяжении образца. Сигналы 1 на рис.5 отображают энергию единичных сигналов во времени (Е), а кривая 2 отображает суммарную энергию (∑Е) АЭ за время растяжения образца. На кривой 2 указаны точки, соответствующие пределу текучести σт и пределу прочности σв образца.

Рис.5. Временные зависимости интенсивности выделения энергии (1) и накопленной энергии АЭ (2): 3 – среднее значение суммарной энергии в зоне А – ∑срA

Значение суммарной энергии импульсов АЭ на момент достижения предела прочности σв составляет ∑Ев=0,032, а среднее значение ∑ЕсрA на участке кривой 2 от предела текучести σт до зоны А (максимального энерговыделения) составляет 0,020 (см. рис.5). Таким образом, отношение ∑Ев/∑EсрA =0,032/0,020=1,6, что также близко к значениям m, полученным из соотношения (1) по данным магнитных измерений и механических испытаний.

Поскольку для определения величины магнитного показателя m по соотношению (1) использовали значения магнитного поля в области максимальной локализации деформации, близкой к месту разрыва образца, сопоставление параметров МПМ и АЭ проведено по данным измерений в области “шейки” образца.

Анализ локационной карты излучения акустических импульсов в процессе деформации образца показал, что зона А на рис.5, зафиксированная по источникам сигналов АЭ на участке кривой ∑Е между σт и σв, совпадает с местом локализации деформации и последующего разрыва образца. Факт совпадения положения одного из магнитных датчиков с местом локализации деформации обеспечил хорошее согласие численных данных, полученных по соотношению (1) с использованием результатов измерения параметров МПМ и АЭ при растяжении одного и того же образца.

Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Российского Научного Фонда (проект № 15-19-00237).

Выводы

1. Оценены значения изменения напряженности собственного магнитного поля и параметров акустической эмиссии в процессе растяжения образца из малоуглеродистой стали.

2. Показано, что отношение модульных значений напряженности магнитного поля в области локализации деформации, соответствующих пределу прочности и пределу текучести, близко квадрату отношения самих этих характеристик (предела прочности к пределу текучести).

3. Использование метода магнитной памяти позволяет оценивать истинное предельное напряжение разрушения.

4. Оценены значения отношения суммарной энергии импульсов АЭ до предела прочности в зоне локализации деформации к среднему значению этой характеристики. Показано, что это отношение также близко квадрату отношения предела прочности к пределу текучести.

5. Установленная взаимосвязь изменений физических характеристик с механическими свойствами может составить основу для количественной оценки поврежденности материала и остаточного ресурса реальных конструкций в процессе эксплуатации.

Литература

1. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: Учебное пособие – 5-е изд. М.: ИД «Спектр», 2012. 395 с.

2. Семашко Н.А., Шпорт В.М. Акустическая эмиссия в экспериментальном машиностроении. М.: Машиностроение, 2002. 320 с.

3. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса «деформация - разрушение». Ч.I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517 с.

4. Махутов Н.А., Дубов А.А., Денисов А.С. Исследование статических и циклических деформаций с использованием метода магнитной памяти металла // Заводская лаборатория, 2008, № 3. С. 42-46.

5. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2004. 424 с.

ООО "Энергодиагностика" является разработчиком нового метода и приборов неразрушающего контроля, основанных на использовании магнитной памяти металла (МПМ)
1992-2020 © ООО "Энергодиагностика"
Рейтинг@Mail.ru
Создание сайта: ООО "Модерн Медиа"