Файл: Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла.pdf

ревых токов с полем катушки вызывает уменьшение ин­

и электропроводность металла, тем меньше глубина про­ никновения вихревых токов.

При использовании способа накладной катушки воз­ буждающие катушки устанавливаются торцом па конт­ ролируемое изделие; по способу проходной катушки де­ таль помещают внутрь катушки, а при экранном спосо­ бе— между возбуждающей и приемной катушками. Используют три метода регистрации сигнала с измери­ тельных катушек: амплитудный, фазовый и амплитуднофазовый. Весьма эффективно применение метода вихре­ вых токов для выявления трещин усталости на деталях в условиях эксплуатации. Чувствительность по длине со­ ставляет 0,8—1 мм, по глубине 0,1 мм. Подповерхност­ ные трещины выявляются на глубине до 1 мм. Метод вихревых токов позволяет обнаруживать трещины при

уменьшается диаметр датчика, возрастает чувствитель­ ность к протяженности трещин. На частотах более 2 мгц используют амплитудно-частотные приборы, работающие по принципу срыва колебаний автогенератора.

Отличительной чертой дефектоскопа ДНМ-15 являет­ ся его полная нечувствительность к зазору между дат­ чиком и поверхностью образца. При использовании токовихревого датчика этого дефектоскопа для слежения за концом трещины его прижимают к образцу пружиной.

Индуктивный метод, помимо выявления трещин в по­ верхностных слоях, позволяет в определенных пределах измерять глубину протяженных трещин, а также иссле­ довать кинетику их развития. Для оценки глубины тре­ щины рекомендуются накладные датчики с П-образным сердечником.

С помощью прибора ДНМ-15 проводили определения момента возникновения трещин и продолжительности жизни образцов. Испытания натурных образцов лонже­ ронов и отсеков металлических лопастей проводили на вибраторах типа РНВ с постепенным увеличением ампли­ туды через каждые 2-107 циклов.

42

Оригинальную методику оценки скорости развития трещин и получения заданного напряжения при повтор­ ном (повторно-статическом или усталостном) нагружении, основанную на принципе слежения за концом раз­ вивающейся трещины с помощью токовихревого датчика дефектоскопа ДНМ-15 (для алюминиевых сплавов), раз­ работали В. М. Маркочев и Б. А. Дроздовский [13]. (Для титановых сплавов используется датчик дефекто-

300

Р

Рис. 17. Схема установки д л я автоматической записи длины трещины

скопа ДНМ-500). Предложенная ими установка позволя­ ет автоматически записывать длину трещины во време­ ни и регулировать нагрузку для получения постоянного напряжения в сечении нетто (рис. 17).

Для циклического нагружения образцов / была ис­ пользована гидравлическая машина ГРМ-1. Контактные контрольные стрелки 2 и 3 на силоизмерителе 4 устанав­ ливали соответственно в положение Р т а х и Р т щ . Испы­ тания проводили с частотой 4—6 минг1. Слежение' за концом развивающейся трещины осуществляли с помо­ щью токовихревого датчика 5 диаметром 6 мм. Сигнал от последнего, возникающий в результате роста трещи­ ны, поступал на исполнительное устройство, перемещаю­ щее датчик таким образом, что он всегда остается на конце трещины.

Принцип следящего датчика позволяет получить за­ пись диаграмм длина трещины — число циклов не толь­ ко в условиях заданной амплитуды нагрузки или дефор-

43

мации, но п при заданном среднем напряжении в сече­ нии, в котором происходит развитие трещины.

Для плоских образцов шириной w и толщиной b сред­ нее напряжение будет постоянно, если выполнено условие

Рі

0"ср =

Для автоматического поддержания постоянного зна­ чения сгСр датчик кинематически связан с расположенной

рес, поскольку позволяет получить характеристику, по­ стоянную для конкретного материала (при данных на­ пряжении и толщине образца).

В работе [14] установлена возможность определения

44

ранней стадии усталостного повреждения хромистой ста­

ковихревым дефектоскопом Д-3 с накладным датчиком при частоте 600 кгц, соответствующей проникновению вихревых токов на глубину 40 мкм. Результаты контроля оценивали в относительных величинах потерь на вихре­ вые токи а по показаниям миллиамперметра и регистри­ ровали па самописце ЭПП-09М1.

Изменения показаний а и микротвердости в зависи­ мости от N хорошо коррелируют. В начальный период циклического нагружения микротвердость возрастает за счет повышения плотности дислокаций; этот рост совпа­ дает с увеличением а. Следующий затем минимум микротвердости и потерь на вихревые токи (магнитная прони­ цаемость увеличивается) связывают с появлением полос скольжения и субмикроскопических трещин. После не­ которого роста происходит стабилизация указанных ве­ личин. Последний период характеризуется сильным раз­ рыхлением структуры поверхностного слоя, увеличением количества микротрещин и их развитием. В этот период происходит повышение микротвердости, снижение моду­ ля упругости и магнитной проницаемости, повышение а. Резкое увеличение а в конце его вызвано перераспреде­ лением вихревых токов развивающейся трещиной. В зо­ не сильной локализации разрушения микротвердость, наоборот, падает. Характер изменения модуля упругости указывает на то, что его снижение происходит уже в са­ мом начале циклического нагружения. Минимум потерь на вихревые токи практически соответствует теоретиче­ ской линии повреждаемости.

Исследование усталостной прочности образцов из стали У8А методом вихревых токов на приборе ЭМИД-4М проводили при дифференциальной схеме включения дат­ чиков [15].-Свойства исследуемого изделия сравнивали со свойствами эталона. По мере роста числа циклов на первой стадии развития усталости наблюдали резкое из­ менение разбаланса, но с увеличением числа циклов ин­ тенсивность приращения уменьшалась, и только уже в завершающей стадии развития усталости (интенсивный рост магистральной трещины) вновь наблюдали резкое увеличение разбаланса АС/.

45

Интенсивность изменения AU тем больше, чем выше величина действующего напряжения. В то же время чем больше интенсивность изменения AU (угол наклона на­ чальных ветвей кривых) на ранней стадии развития ус­ талости, тем меньше число циклов, при котором величи­ на AU достигает своего критического значения. Эта за­ висимость может служить основанием для разработки

метода оценки циклической долговечности и прогнозиро­ вания оставшегося ресурса работы.

Ультразвуковой метод основан на способности ульт­ развуковых колебаний (УЗК) распространяться в метал­ ле в виде направленных пучков на большие расстояния и отражаться на границах двух участков разной плот­ ности. Для обнаружения трещин применение получили теневой метод и импульсный эхо-метод с использовани­ ем продольных, сдвиговых и поверхностных волн. Для измерения и приема УЗК используют пьезоэлектрические преобразователи из монокристаллов кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, титаната бария и из синтетиче­ ских материалов (рис. 19).

Теневой метод связан с появлением области «звуковой тени» за дефектом. При этом методе излучающий и при­ емный щупы проектируются раздельными. О наличии трещины судят по уменьшению энергии УЗК в зоне, рас-

46

положенной за дефектом, или по изменению фазы УЗК, огибающих дефект. Импульсный эхо-метод основан на отражении УЗК от поверхности дефекта. Контроль воз­ можен при наличии доступа к изделию с одной стороны.

Чувствительность УЗК метода зависит от частоты колебаний, мощности посылаемого импульса, характе­ ристики направленности излучения, акустических харак­ теристик материала. Ультразвук позволяет следить за всем ходом усталостного процесса — от начальных цик­ лов нагружеиия до фиксации роста макротрещины.

При использовании импульсного эхо-метода [16] из­ меряют степень поглощения и скорость распространения УЗК. Отмечено, что при развитии усталостных эффектов возникают тепловые явления и многочисленные центры деформирования. Образование усталостной трещины свя­ зано с появлением в металле локального теплового взры­ ва, фиксируемого как акустический шум. Как известно, возникновение хрупких макротрещии сопровождается низкочастотным шумом. На акустическом принципе ос­ нован один из методов слежения за развитием усталост­ ных трещин. Чем меньше масштаб явления, тем более высокочастотными оказываются колебания. Так, на уров­ не кристаллической решетки возникают колебания ульт­ развуковой частоты.

Измерение рассеяния УЗК позволяет выявлять мо­ мент развития центров усталости и их распределение в металле. Применение поверхностных волн позволяет ана­ лизировать развитие конечной стадии усталостного раз­ рушения. Отмечено, что разрушение кристаллической решетки при усталостном процессе может вызвать

для записи роста трещины с целью определения вязкос­ ти разрушения при испытании образцов с краевым над­ резом), который может быть также использован при ис­ пытаниях на усталость, используется звуковая энергия, освобождающаяся в процессе развития трещины [17]. Звук улавливается чувствительным пьезокварцевым дат­ чиком, прижимаемым к поверхности образца вблизи трещины небольшой пружиной. При этом способе исполь­ зуется тот же физический принцип, что и при ультразву­ ковом контроле, но в обратном направлении.

47