УДК 620.179
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ
КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ 20X13 И ЕЕ КОМПОЗИЦИЙ С НАПЛАВЛЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ МЕТОДОМ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ
А.Ю. Быдзан, C.B. Панин
Проведены измерения частоты свободных колебаний образцов стали 20X13 и ее композиций с наплавленными покрытиями при усталостных испытаниях. Исследована динамика изменения частотного спектра образцов при развитии усталостной трещины. Показано, что динамика изменения частоты свободных колебаний образцов тесно связана с кинетикой усталостного разрушения. Отмечены особенности изменения частотного спектра свободных колебаний в образцах с наплавленными покрытиями, характеризующихся сложной кинетикой развития усталостной трещины. Приведены результаты анализа возможностей диагностики усталостного разрушения изделий из металлических материалов и композиций с покрытиями с использованием метода свободных колебаний.
1. ВВЕДЕНИЕ
Многообразие механизмов усталостного разрушения и усталостных явлений определяет существование большого количества методов исследования и диагностики усталости металла [1,2]. Анализ тех или иных изменений в материале, прежде всего, нарушения сплошности, изменения его структуры и свойств, происходящих в условиях многократно повторяющихся нагрузок, положен в основу разного рода методов экспериментального исследования усталости, а также дефектоскопии изделий, работающих в условиях переменного нагружения. Вместе с тем высокая степень локализации усталостного разрушения, а также сравнительно малая степень изменения свойств материала и его структуры, прежде всего на начальных стадиях развития усталостной трещины, накладывает определенные ограничения в отношении применимости тех или иных методов. Во многих случаях основным препятствием для использования метода является необходимость разрушения изделия, сложность и трудоемкость подготовки его поверхности, а также самого процесса диагностики. Как правило, проблема еще более усложняется в случае применения материалов с высокой степенью неоднородности, в частности композиционных материалов. По этой причине проблема поиска новых методов, либо усовершенствования традиционных, остается актуальной.
В настоящее время в литературе [1, 2] указывается на перспективность развития акустических методов исследования и диагностики усталостного разрушения. Акустические методы в общем случае не оказывают разрушающего воздействия на материал, не требуют сложной подготовки изделия (либо не требуют таковой вообще), обладают высокой чувствительностью и во многих случаях просты в реализации. Одним из подвидов акустических методов являются низкочастотные акустические методы и в частности метод свободных колебаний (МСК) [3].
Метод свободных колебаний широко применяется для исследования вибраций в технике [4], конструирования деталей машин и технических сооружений [4—7] (в том числе энергетических установок [6, 7]). Метод с успехом применяется для оценки механических свойств материалов, для контроля качества изделий из многослойных и композиционных материалов,, в том числе неметаллических [1—3]. В литературе приведены данные об использовании данного метода для исследования и диагностики кинетики роста усталостных трещин в металлических изделиях [7, 8], а также для выявления усталостных трещин в болтовых и заклепочных соединениях [9].
В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований с использованием МСК усталостного разрушения образцов стали 20X13, применяемой для изготовления лопаток паровых турбин энергетических установок, а также композиций данной стали с двумя типами функциональных покрытий, применяемых для защиты изделий от износа и коррозии. Проведенные исследования позволили установить связь между изменением частоты свободных колебаний и кинетикой усталостного разрушения этих материалов и отметить особенности динамики изменения частотного спектра композиций с наплавленными покрытиями при усталостном разрушении. Проведен анализ возможностей применения полученных в работе результатов для диагностики усталостного разрушения реальных деталей и конструкций.
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводили с использованием образцов стали 20X13 и ее композиций с износо- и коррозионно-стойкими покрытиями на основе порошковых составов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01, полученными с применением технологии электронно-лучевой наплавки в вакууме [10]. Размеры образцов показаны на рис. 1.
80
II
12
и
65
20x13
20x13
ПГ-10Н-01 или ПГ-12Н-01
и-1 сч" II
Рис. 1. Образцы для экспериментальных исследований:
/ — область закрепления образца в неподвижном захвате; II — область закрепления образца в подвижном захвате; пунктирной линией обозначена плоскость локализации усталостного разрушения.
Образцы испытывали в многоцикловой области усталости при количестве циклов до разрушения А/р в пределах 5-104—7-104. В качестве схемы нагружения применяли плоский консольный изгиб с симметричным синусоидальным циклом изменения амплитуды деформации. В процессе циклического испытания контролировали количество циклов нагружения N и длину усталостной трещины Ь, развивающейся в теле образца. При регистрации количества циклов нагружения фиксировали характерные моменты развития усталостной трещины: — возникновение трещины в образце без покрытия; А^тпокр — возникновение трещины в покрытии; /Утподл — возникновение трещины в подлож-
ке; /Урпокр — разрушение покрытия; — разрушение образца. Для измерения длины усталостной трещины боковую грань образцов предварительно полировали, и с использованием оптического микроскопа измеряли длины трещин /, и /2 (рис. 2), которые затем суммировали: Ь = + /2. На основании проведенных измерений строили кривые роста усталостной трещины Ь = ДЛ/).
Рис. 2. Схема измерения длины усталостной трещины.
В процессе усталостного разрушения образцов измеряли их частотный спектр с использованием метода свободных колебаний. Для этих целей образец извлекали из испытательной машины и подвешивали на тонкой легковесной нити. С помощью металлического ударника в область средней части образца по боковой грани наносили удар, возбуждающий в нем упругие колебания, вызывающие акустические колебания воздушной среды. Акустический сигнал регистрировали бесконтактным способом с помощью электретного микрофона, устанавливаемого вблизи об-
t, МКС
Рис. 3. Регистрируемый акустический сигнал.
разца. Данный сигнал, преобразованный в электрический, оцифровывали посредством цифрового осциллографа и записывали в память компьютера в виде одномерного массива данных А = F(t). В полученном мае-
сиве данных выбирали наиболее информативную область фиксированной длительности Дг, отсекая при этом часть начального неустановившегося сигнала и часть сигнала, значительно ослабленного в результате затухания колебаний (рис. 3). Для выбранной последовательности измере-
А/Ап
0,0
1
/з
/.Гц
Рис. 4. Частотный спектр регистрируемого акустического сигнала.
О
ний амплитуды сигнала выполняли прямое преобразование Фурье и получали распределение амплитуды сигнала по частоте А = (рис. 4). Полученный частотный спектр нормировали арифметическим делением значений амплитуды на ее максимальное значение: А/Атях. В частном спектре определяли частотное положение наиболее интенсивных пиков нормированной амплитуды (резонансные частоты). Процедуру измерения резонансных частот выполняли в различные моменты циклического испытания и определяли зависимости измеренных резонансных частот от длины усталостной трещины/ = Р(Ь) и количества циклов нагру-жения /1 = ДЛО.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 3.1. Исследование усталостного разрушения стали 20X13
Кинетика усталостного разрушения стали 20X13 имеет типичный для усталости металлов характер. Изменение длины усталостной трещины в интервале количества циклов нагружения от до Ыр описывается кривой Ь = ДАО, показанной на рис. 5. На рис. 6 приведен соответствующий данному образцу частотный спектр, который в процессе усталостного испытания претерпевает определенные изменения.
Изменение частотного спектра при циклическом испытании состоит в том, что с увеличением длины усталостной трещины Ь и соответственно количества циклов нагружения N резонансные частоты, обозначенные/,, /2, /3, закономерно уменьшаются. Как можно видеть на графиках f¡ = Р(Ь) (рис. 7) и/ = ДАО (рис. 8), это уменьшение происходит с нарастающим темпом. Причем в связи с тем, что зависимость Ь = ДАО имеет непропорциональный характер, тенденция нарастающего темпа уменьшения частоты на графике/• = ^(АО выражена сильнее по сравнению с/ = /"(/,).
3.2. Исследование усталостного разрушения композиции 20Х13-ПГ-10Н-01
В связи с неоднородностью материалов подложки и покрытия кинетика усталостного разрушения композиции 20Х13-ПГ-10Н-01 несколько
1500
1200
900
s и s
^600
300
о
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 WNp
Рис. 5. Кривая роста усталостной трещины в образце стали 20X13.
отличается от кинетики усталостного разрушения материала без покрытия. Развитие усталостной трещины в подложке в интервале от Л^одл до
5
10
25
30
s
~х
li 050 s„ li 150 -J LI 250 L1350 LI 400 LI 440 LI 460 LI 480.
15 20 /, Ю3 Гц
Рис. 6. Частотный спектр образца стали 20X13.
происходит аналогично разрушению образца 20X13 (см. п. 3.1). Однако развитие усталостной трещины в покрытии происходит скачком, что
связано с хрупким растрескиванием материала покрытия данного типа [11] по всей толщине. На рис. 9 можно видеть, что кривая роста устало-
Л = т
Л
27,00
26,75
26,50
о
26,25
26,00
25,75 .
25,50
/з
5,85 -1
\
\
\
5,80
5,75 -
5,70'
5,65
15,60 ■
0
—I—'—
500 1000 1500
\
15,00-
14,75-
14,50-
14,25'
14,00'
13,75'
/2
••V
\
1
т
\
0 500
-I-1—I—г
1000 1500
0 500 1000 1500 мкм
Рис. 7. Зависимость резонансных частот образца стали 20X13 от длины усталостной
трещины.
стной трещины Ь = Р{Ы) при Л'„покр имеет скачкообразное изменение длины трещины на величину = 5п0кр. Эта особенность усталостного разру-
27,00-1
26,75'
26,50
сг и
26,25
26,00
25,75 .
25,50
/з
5,84 5,82 • 5,80 5,78 5,76 " 5,74 5,72 5,70
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.