УДК 620.179.16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ОБРАЗЦАХ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ СТАЛИ 20, ИМЕЮЩИХ ЛИТУЮ СТРУКТУРУ
Г.А. Бигус, А.А. Травкин
Приведены результаты экспериментальных исследований поведения усталостных повреждений в процессе циклических и статических испытаний с помощью метода акустической эмиссии. При проведении исследовательских работ образцы с концентратором напряжения, имеющие литую структуру стали 20, подвергали воздействию циклической нагрузки. Процесс распространения усталостной трещины фиксировали двумя преобразователями акустической эмиссии. Определен состав волнового пакета сигнала акустической эмиссии, генерируемого ростом трещины, зафиксированы изменения его спектральных характеристик. Образцы с усталостными повреждениями подвергали статическим испытаниям. Сформулированы дефектоскопические признаки обнаружения усталостной трещины в процессе статических испытаний. Проведен фактографический анализ изломов, устанавливающий связь с данными акустической эмиссии.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, усталостная трещина, отливка, литейный дефект, микроструктура, образец, деформация.
Большинство ответственных технических устройств опасных производственных объектов в процессе эксплуатации испытывают циклические нагрузки. В этих условиях критерием наступления предельного состояния объекта является нарушение его целостности за счет развития усталостных повреждений. Таким образом, одним из необходимых условий обеспечения эксплуатационной живучести конструкции, работающей в условиях циклического нагружения, является своевременное обнаружение усталостных повреждений с размерами, не превышающими критические значения.
Среди методов неразрушающего контроля, используемых для определения наличия усталостных повреждений в эксплуатируемых конструкциях при проведении работ по оценке возможности дальнейшей безопасной эксплуатации технических устройств, особое место занимает метод акустической эмиссии [1], основанный на регистрации у.з. колебаний, генерируемых развивающимися дефектами, он позволяет с высокой чувствительностью обнаруживать повреждения, оказывающие влияние на целостность конструкции, во всем объеме контролируемого объекта без значительных трудозатрат.
Цель проведенной работы — определение дефектоскопических признаков обнаружения усталостных повреждений методом акустической эмиссии при статическом нагружении литых объектов, изготовленных из стали 20. Литую структуру стали 20 имеет большое количество машин и механизмов, в том числе и ответственных, среди которых следует выделить литые детали тележки грузового железнодорожного вагона и крупногабаритную трубопроводную запорную арматуру.
Для разработки дефектоскопических признаков обнаружения усталостных повреждений были проведены экспериментальные исследования, в задачи которых входило выращивание усталостных трещин в образцах под действием циклических нагрузок и испытание образцов с усталостной трещиной в условиях квазистатического нагружения. Экспериментальные работы проводили на базе кафедры "Технологии сварки и диагностики"
Георгий Аркадьевич Бигус, доктор техн. наук, профессор кафедры "Технологии сварки и диагностики" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тел. 8(916)488-91-90. E-mail: gabigus@mail.ru
Андрей Александрович Травкин, аспирант кафедры "Технологии сварки и диагностики" МГТУ им. Н.Э. Баумана, руководитель группы оценки соответствия организаций в области промышленной безопасности и неразрушающего контроля ФГАУ "НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана". Тел. 8(926) 594-65-24. E-mail: travkin1@yandex.ru
МГТУ им. Н.Э. Баумана на установке, в состав которой входили разрывная машина 1п81гоп 300БХ, акустико-эмиссионная система ЛЬте-32Б, экстензо-метр для определения локальных деформаций (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид испытательной установки.
Первый этап экспериментальных исследований — циклические испытания образцов — моделировал процесс развития усталостных трещин в конструкции под действием эксплуатационных нагрузок. Образцы для испытаний были вырезаны из объекта, имеющего литую структуру, и подвержены механической обработке. В рабочей области образца эрозионным способом был нанесен концентратор напряжения, моделирующий металлургический дефект в объекте, изготовленном литьем (рис. 2).
Рис. 2. Образец для испытаний.
На образец на расстоянии 60 мм от концентратора напряжений были установлены широкополосные преобразователи акустической эмиссии марки ОТЗОО, принимающие сигналы в процессе испытаний (рис. 3).
Начальный этап циклических испытаний соответствовал накоплению повреждений в области концентратора. Данные процессы генерируют акустико-эмиссионные сигналы с амплитудами, не превышающими амплитудного порога дискриминации. Начиная с некоторого количества циклов система фиксирует сигналы с амплитудами выше амплитудного порога дискриминации (рис. 4).
Рис. 3. Образец, зажатый захватами испытательной машины, с установленным экстензоме-тром и преобразователями акустической эмиссии.
Амплитуда, дБ/Время, с
100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0
0,000 3175,999 6351,998 9527,997 12703,997 Рис. 4. Появление сигналов акустической эмисии после 3000 циклов нагружения.
Детальный анализ этих сигналов показал, что они регистрируются каждые 15 с, что соответствует времени одного цикла при значении нагрузки, составляющей 80 % от максимального значения нагрузки цикла. На основании данных фрактографического анализа было обнаружено, что данные сигналы соответствуют процессу распространения усталостной трещины на величину усталостной бороздки, составляющей 0,25 мкм (рис. 5).
50,0 47,0 44,0 41,0 38,0 35,0
Амплитуда, дБ /Время, с
Л
= 0,8а |
АЭ 5 max |
Т Т
У
Л^Л\ЛЛЛ
1832,2 1850,541 1868,820 1887,0991905,378
--Линия нагружения
■ — Сигнал АЭ на канале № 1 • — Сигнал АЭ на канале № 2
Рис. 5. Процесс регистрации сигналов акустической эмиссии при циклических испытаниях (вид А на рис. 4) (а) и электронная топограмма усталостной зоны излома образца, показывающая бороздчатый микрорельеф (б).
б
а
Таким образом, подсчет количества сигналов позволяет контролировать приращение усталостной трещины в режиме реального времени. Регистрация сигналов акустической эмиссии от роста трещины позволила определить пороговый коэффициент интенсивности напряжений. Значение коэффициента интенсивности напряжения КАЭ, определяемое значением нагрузки, при которой регистрируются сигналы акустической эмиссии, соответствует пороговому коэффициенту интенсивности напряжений К к [2]. Оценка порогового коэффициента интенсивности напряжений по результатам
эксперимента дает следующие результаты: 16,5 МПа/М.
Второй этап экспериментальных исследований, включающий статические испытания образцов с усталостными трещинами, моделировал создание локального напряженно-деформированного состояния в вершине усталостной трещины, возникающего при проведении акустико-эмиссионного контроля. В процессе проведения акустико-эмиссионного контроля эксплуатационные циклические нагрузки заменяются статическим нагруже-нием. Максимальное напряжение при статических испытаниях, как правило, на 25 % превышает максимальные напряжения при рабочих нагрузках. Было обнаружено, что минимальный размер усталостного повреждения в образце из стали 20, выявляемого при статических испытаниях методом акустической эмиссии, составляет 0,25 мм (рис. 6).
Рис. 6. Усталостная трещина в образце (1 и 2 стороны образца) перед проведением
статических испытаний.
Были определены дефектоскопические признаки определения усталостной трещины минимального размера в условиях статических испытаний (рис. 7). К ним относятся регистрация сигналов акустической эмиссии в процессе предварительного статического нагружения, регистрация сигналов акустической эмиссии при превышении статических напряжений уровня, соответствующего циклическим испытаниям, наличие сигналов при сбросе нагрузки (см. таблицу).
Рис. 7. График изменения амплитуды сигналов акустической эмиссии от времени с наложенным графиком нагружения при статическом испытании образца с усталостной трещиной.
Дефектоскопические признаки обнаружения усталостной трещины длиной 0,25 мм в образце, имеющем литую структуру стали 20
№
Дефектоскопический признак
Амплитуда, дБ
Количество сигналов
Наличие сигналов в процессе предварительного нагружения
Наличие сигналов в процессе превышения эксплуатационной нагрузки
Наличие сигналов на сбросе нагрузки
37,5 37,5 41
19
3
4
В процессе проведения экспериментальных исследований на основании данных спектрального анализа сигналов акустической эмиссии от роста усталостной трещины при статических испытаниях на разных этапах ее развития было обнаружено увеличение доли высокочастотной составляющей по мере развития усталостного повреждения (рис. 8).
а б
615 | £492
А _о
369
р 246 о§ 123
^ к 1,1 Л = 0,13
А
/ А
1 1 1 \1
г _
100 200 300 400 Частота, кГц
690
¡Ъ 414 р 276
ет
о§ 138
И А = 0,17 =
А1 А
] А2
1 1 \
||ПП1 " т\\ нрщгэд
100 200 300 400 Л Частота, кГц
.370
на , .у296 ч й р 222
т 148
с §
°с 74 0
180
100 200 300 400 Частота, кГц
100 200 300 400 Частота, кГц
д
125 § & 100 5 £ 75
ет с 2
4 1,39 ^ i
.Гг Л г
_ 1 1Г к А.- р
■■И 1 ■пни 1
100 200 300 400 Частота, кГц
0
0
0
0
к
г
0
0
0
Рис. 8. Спектральная плотность сигнала акустической эмиссии от процесса развития усталостной трещины на различных этапах ее роста: а — после 6500 циклов, длина трещины 0,15 мм; б — после 7600 циклов, длина трещины 0,45 мм; в — после 8200 циклов, длина трещины 0,55 мм; г — после 9000 циклов, длина трещины 0,7 мм; д — после 9200
циклов, длина трещины 0,9 мм.
Таким образом, определив коэффициент, равный отношению спектральной плотности сигнала акустической эмиссии, приходящейся на высокочастотную составляющую, к спектральной плотности сигнала, приходящейся на низкочастотную составляющую, представляется возможным определять размер усталостного повреждения.
С помощью вейвлет-анализа было установлено [3], что при распространении трещины проис
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.