Новые требования к методам и средствам диагностики напряженно-деформированного состояния материалов

д.т.н., профессор Дубов А.А.

Проблемой контроля напряжений и деформаций в работающих конструкциях с целью оценки их состояния в настоящее время занимаются все ведущие диагностические центры мира. Однако известно, что эффективность методов контроля напряжений остается низкой при их использовании на практике. Особое значение приобретает повышение эффективности неразрушающего контроля (НК) напряженно-деформированного состояния (НДС) технических объектов при оценке их ресурса.
В настоящее время накопился большой арсенал методов и средств неразрушающего контроля остаточных напряжений (ОН) в изделиях машиностроения и напряженно-деформированного состояния (НДС) промышленных объектов в условиях эксплуатации. Однако при использовании их на практике возникает много научно-технических проблем, среди которых следует отметить отсутствие научно-обоснованной метрологической базы для сертификации и поверки средств измерений характеристик НДС изделий.
В частности, одна из важнейших проблем метрологического характера заключается в том, что большинство методов и средств НК НДС проходят калибровку при испытании образцов на растяжение, ориентируясь на условные механические характеристики, и затем, полученные таким образом зависимости, переносятся на реальное оборудование без учета масштабного фактора, локальности, времени и скорости развития повреждений.
На основе экспериментальных и теоретических исследований закономерностей распределения физических деформаций на стандартных образцах различных сталей и накопленного опыта разработки и практического применения метода магнитной памяти металла в статье отмечается несоответствие реальных физических параметров внутренних напряжений "привычным" условным механическим характеристикам материалов.
Представленные в статье результаты исследований указывают на необходимость разработки новой нормативно-метрологической документации в области НК НДС с целью устранения вскрытого несоответствия. Разработанные автором в сотрудничестве со специалистами ТК-132 Ростехрегулирования новые национальные стандарты, устанавливающие общие требования к различным методам и средствам НК НДС являются первым и важным шагом на пути повышения эффективности оценки фактического состояния оборудования и конструкций.

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 [1] 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.

Рис.1. Соотношение относительного удлинения (εвр) при разрушении (сплошная кривая) и фактических значений средней деформации в областях: неравномерного (εнер - точки выше кривой) и равномерного (εравн - точки ниже кривой) деформирования для различных материалов.

Исследования деформационно-силовых характеристик 98 различных сталей и сплавов показали (рис.1), что средние значения деформаций при растяжении образцов в областях неравномерного и равномерного деформирования существенно (в разы) отличаются от значений предельных механических деформационных характеристик материала (εвр). При этом, локальные значения деформаций отличаются уже на порядки! 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.

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.

На рис.2 последовательно показано, как внешняя удельная сила, "расщепляясь" на составляющие, воздействует на материал, деформируя его в разных направлениях (скольжения, нормальное, широтное) 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 (εпр - продольная и εпоп - поперечная), - это алгебраические суммы проекций векторов внутренних физических деформаций на привычные нам направления - вдоль и поперек оси приложенной силы.

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 испытании 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. 

Результаты экспериментальных и теоретических исследований, полученные в [1], 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 элементов конструкции, ни от условий его нагружения;
• предельное состояние элемента конструкции определяется соотношением размеров локальной области, в которой материал достиг предельного состояния, и размерами элемента конструкции, в которой расположена это 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.

Более того, теперь можно говорить, что внутренние напряжения - это особая, единая энергетическая характеристика равновесного состояния материала, которая определяется (см. рис.2) семейством физических деформационно-силовых параметров, отображающих самые разнообразные варианты изменения внутренней энергии при различных вариантах воздействия на материал, воплощенный в конкретную форму.

Любой материал обладает собственной внутренней энергией, характеризуемой средней плотностью энергии, которая может быть представлена двумя тензорами нулевого ранга - скалярным и векторным потенциалам. 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 (тензор 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 объектов, в которую воплощен исследуемый материал.

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).

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?

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!

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 10 мм), 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, безусловно, методик калибровки средств диагностики НДС.

Здесь следует подчеркнуть, что диагностика НДС конструкционных материалов представляет собой следующую за дефектоскопией, более высокую ступень диагностики, и требует новой идеологии, новой научно-обоснованной методологии, определяющей цели, задачи диагностики и критерии оценки фактического напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов.

Дело в том, что отсутствие общих требований к измеряемым характеристикам НДС, отсутствие метрологической базы для сертификации и поверки средств измерения характеристик НДС материалов приводят к неоднозначности исходных требований и ошибочности методического подхода к разрабатываемым средствам, что влечет за собой не только недопустимо низкую достоверность результатов измерений (хотя, как было показано ранее, в этом контексте о ней, вообще, нельзя говорить), но, часто, и невозможность правильной идентификации измеренного параметра используемого физического поля и измеряемой физической характеристики исследуемого материала.

Вступивший в действие в 2005 году ГОСТ Р 52330-2005 "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие положения" является первым и важным шагом на пути превращения методов и средств диагностики НДС конструкционных материалов в эффективный и действительно необходимый и полезный инструмент оценки фактического состояния конструкционных материалов и самих конструкций.

Одним из главных общих требований ко всем методам и средствам НК НДС в укзанном национальном стандарте обозначена необходимость определения в элементах конструкций зон концентрации максимальных напряжений (ЗКН) - источников развития повреждений. ЗКН - это не только заранее известные области, где особенности конструкции создают различные условия для распределения напряжений, создаваемых внешней рабочей нагрузкой, но и случайно расположенные области, где в силу начальной неоднородности металла в сочетании с нерасчетными дополнительными рабочими нагрузками возникли большие локальные деформации.

В ноябре 2008 года Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ от 13.11.2008 №309-ст. утвержден и введен в действие новый стандарт ГОСТ Р 53006-2008 "Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования".

К экспресс-методам отнесены пассивные методы НК, использующие внутреннюю энергию металла конструкций:

• метод акустической эмиссии (АЭ);
• метод магнитной памяти металла (МПМ);
• тепловой контроль.

Эти методы получили в настоящее время наибольшее распространение на практике для ранней диагностики повреждений оборудования и конструкций. Принципиальным отличием такого подхода к оценке ресурса является выполнение 100% обследования ОК с выявлением всех потенциально опасных зон концентрации напряжений (ЗКН) - источников возникновения повреждений при дальнейшей эксплуатации оборудования.

В новом национальном стандарте ГОСТ Р 53006-2008 отражены также следующие основные положения:

• в качестве основных критериев предельного состояния металла предлагается использовать фактические энергетические характеристики, которые можно определить методами МПМ, АЭ и тепловым;
• предложена структурная схема определения остаточного ресурса с акцентом на современные экспресс-методы технической диагностики;
• поверочные расчеты на прочность с оценкой остаточного ресурса предлагается выполнять для ЗКН, остающихся в эксплуатации, с учетом фактических структурно-механических свойств металла, выявленных при обследовании;
• учтены рекомендации национального стандарта ГОСТ Р 52330-2005.

В 2010 году Ростехрегулированием утверждены два новых национальных стандарта [2, 3], устанавливающих общие требования к классификации и порядку выбора методов НК НДС.

В заключении необходимо отметить, что в отличие от нормативно-метрологических проблем - объективных проблем, путь решения которых понятен и отмечается в данной статье, психологические проблемы, которые необходимо преодолеть специалистам в области НК НДС, носят уже субъективно-массовый характер. Насколько быстро будут преодолены психологические проблемы в восприятии широким кругом специалистов новых требований к средствам и методам НК НДС, настолько быстро мы приблизимся к объективной оценке ресурса оборудования и конструкций.

Литература

1. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса "деформация-разрушение". М.: ЗАО "Тиссо", 2007. 517с.

2. ГОСТ Р 53966-2010. Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния материала конструкций. Общие требования к порядку выбора методов.

3. ГОСТ Р 53965-2010. Контроль неразрушающий. Определение механических напряжений. Общие требования к классификации методов.