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

Радиоактивные излучения широко применяются в про­ изводственной практике при контроле качества изделий. Для выявления трещин используют рентгено- и гаммапросвечивание с фиксацией результатов на фотопленку, визуальным наблюдением по флуоресцирующему экрану,- ксерографическим или электрографическим методами, ис­ пользующими полупроводниковый электрически заря­ женный слой с металлической подложкой и ионизацион­ ную камеру, а также с фиксацией степени ионизации счетчиком Гейгера — Мюллера или сцинтилляцнонными счетчиками.

С помощью рентгеновских аппаратов и изотопных ус­ тановок можно осуществлять контроль стальных изде­ лий, толщина которых не превышает 300 мм. Использо­ вание же бетатронпых дефектоскопов позволяет осуще­ ствлять контроль изделий толщиной до 600 мм.

При использовании бетатронов благодаря высокой энергии лучей и острому фокусу (порядка 0,01 мм2) обеспечивается высокая чувствительность к дефектам. При толщине изделия из стали до 300 мм выявляются дефекты диаметром 0,8 мм.

Аппараты для гамма-графировапия представляют со­ бой свинцовые контейнеры-кожухи с механизмом для от­ крывания и перемещения радиоактивного препарата. Се­

ли пришли к выводу, что большинство материалов, при­ меняемых в авиационных конструкциях, обладает такой большой пластичностью, что наличие микроскопических усталостных трещин не сказывается на их механических свойствах. Оказалось, что рентгеновские и другие неразрушающие методы при анализе относительно простых конструктивных элементов в ряде случаев являются бо­ лее показательными, чем испытания на растяжение. При­

48

с выходом на флюоресцирующий экран (/); просвечи­ вание с использованием электролюминесцентного экрана (яркость повышается в 30—100 раз, чувствительность также увеличивается) (2); просвечивание в комбинации с использованием электронно-оптических преобразова­ телей (ЭОП)—усилителей [яркость на экране'•наблю-

Рис. 20. Схемы различных методов рентгеноскопии

дали в 1000 раз выше, чем на первом экране (3)]; на­ блюдение рентгеновского изображения с обычного флю­ оресцирующего экрана на кинескопе телевизора (эта схема допускает применение излучений с большой энер­ гией), вместо экрана используются люминофоры, крис­ таллы йодистого натрия и др; создаются условия для хорошей защиты от излучения (4); то же, но в схему включен электронно-оптический усилитель (5), устройст­ во, позволяющее превращать изображение в видеосиг­ налы и передавать их на телевизионный экран (6); устройство со специальной рентгеновской трубкой, у кото­ рой с помощью отклоняющей магнитной катушки катод­ ный луч обегает анод и развертывает рентгеновский луч по объекту контроля, синхронно с разверткой луча на телевизионном экране (7). Приемный экран измеряет

интенсивность развертывающего рентгеновского луча за объектом и передает видеосигналы на экран телевизора. Стереорентгенография позволяет определять глубину за­ легания дефекта в исследуемом материале. Она успешно применяется для контроля литья и сварных Соединений.

Получение рентгеновского изображения методом элек­ трографин (ксерографии) заключается в использовании фотопроводимости полупроводников и электростатиче­ ских явлений иа поверхности заряженного полупроводни­ ка. НИИ электрографии (г. Вильнюс) для промышлен­ ной рентгенбдефектоскопии разработал три промышлен­ ных электрорентгеиографических аппарата «ЭРГА-С». Один такой аппарат обеспечивает производительность в пять—шесть раз большую, чем достигается при фотохи­ мическом способе получения рентгеиоснимков. Способ рекомендуется для контроля качества сварных швов и может быть использован для целей наблюдения за рос­ том трещин.

При помощи р а д и о и з о т о п н ы X м е т о д о в поверх­ ностные дефекты выявляют путем смачивания радиоак­ тивной жидкостью, проникающей в трещины. Наиболее точная регистрация меченых атомов достигается при ис­ пользовании авторадиографии, позволяющей обнаружи­

на использовании двух явлений. Во-первых, при цикличе­ ском деформировании происходит выделение тепла, при­ чем интенсивность этого процесса на ранних стадиях ус­ талости коррелирует с интенсивностью нарастания уста­ лостных повреждений. Во-вторых, усталостные трещины и другие дефекты изменяют термическое сопротивление материала, локализуя при этом тепловую энергию, пода­ ваемую извне. В работе [19] при исследовании кинетики усталостного разрушения температурным методом ис­ пользован принцип дифференциальной термопары, поз­ воляющий благодаря высокой чувствительности улавли­ вать разность температур порядка десятых и даже со­ тых долей градуса. Исследовалось изменение разности температур (по т. э. д. с) в двух точках плоского образ­ ца при симметричном нагружении. Схема дифференци­ альной термопары, составным элементом которой являет­ ся испытываемый образец, показана иа рис. 21, а. К кон-

50

7здс,"яР

Рис. 21. Принципиальная схема измерительного элемента (а) и кривая изме­ нения температуры — т. э. д . с. (б):

/ — образец; 2 — проводники — электроды

ключены к гальванометру фоторегистрирующего пиро­ метра Курнакова. На рис. 21,6 приведена кривая изме­ нения температуры (т.э. д . с ) , полученная при испытании образца из стали 08кп при 0=1,20 _ і . По форме кривая хорошо коррелирует с-полученной при анализе внутрен­ него трения, а также является зеркальным отражением кривой изменения прогиба для технического железа. Кри­ вая состоит из трех основных участков: криволинейного, соответствующего начальной стадии нагружения; поло­ гого линейного участка, изменяющегося по линейному за­ кону, и крутого, соответствующего стадии, предшествую­ щей окончательному разрушению образца. Преимущест­ вом этого метода является то, что благодаря высокой его чувствительности температурный эффект (разность тем­ ператур в точках В и С) может быть зафиксирован, на­ чиная с первых же циклов нагружения.

Параллельно проводившиеся исследования микро­ структуры стали 08кп при циклическом нагружении [19] показали, что начальный криволинейный участок темпе­ ратурной кривой соответствует стадии активного образо­ вания полос скольжения, которая заканчивается при пе­ реходе к линейному участку. После этого усталостное

разрушение переходит в стадию количественного нара­ стания накопленных повреждении, вплоть до разрушения образца. Па этой стадии металлографически наблюдает­ ся разрыхление как отдельных полос, так и областей, захваченных ими. Новые полосы скольжения, как уста­ новлено в работе [19], после наступления последней ста­ дии почти не образуются. Второй перегиб па кривой со­ ответствует моменту образования трещины.

Изучение подъема температуры перед трещиной при циклическом нагружеипн было проведено на образцах изполиметнлметакрилата (ОММА), поликарбошітной ре­ зины, поливинилхлорида и аустенитной нержавеющей стали 18—8 [20]. Полимерные образцы имели размеры 525X100X5 мм, стальные— 165X70X1 мм с централь­ ным отверстием диаметром 5 мм и двумя Ѵ-образными надрезами в диаметральном направлении по внутренним кромкам отверстия. Установлено, что наибольший подъ­ ем температуры наблюдается при значительном распро­ странении трещины, когда вследствие повышения факти­ ческих напряжений интенсивно нарастают пластические деформации. Большое влияние оказывает частота испы­ тания. Вследствие большой теплопроводности наиболь­ ший подъем температуры у вершины трещины на сталь­

Оборудование для проведения теплового контроля со­ стоит из источника тепла (ксеноновая дуговая лампа), ин­ фракрасного радиометра и оптической сканирующей си­ стемы [21]. Тепловой луч фокусируется на поверхности в виде пятна диаметром 9,5 мм. Повышение температуры, свидетельствующее о наличии трещины, улавливается радиометром, движение которого синхронизировано с ис­ точником тепла. Радиометр фокусируют таким образом, чтобы он получал отражение от пятна диаметром 7,5 мм, вписываемого в пятно теплового луча. Высокоскорост­ ная сканирующая система обеспечивает регистрацию воз­ никающих тепловых градиентов, их преобразование в электрические сигналы и последующую запись. Для соз­ дания слоя, имеющего постоянную эмиссию, исследуе­ мую поверхность покрывают водным раствором черной краски. Время контроля площади размером 30,5X30,5 см

52

составляет 3 мин. Сообщено об использовании метода для выявления усталостных трещин в самолетных и ра­ кетных конструкциях.

И з м е р е н и е ч а с т о т ы с о б с т в е н н ы х к о л е б а- н и й образца позволяет наблюдать за процессами, про-

Рис. 22. Блок-схема установки (а) ц кривые изменения частоты собственных колебаний плоских образцов из стали 20 при ци­ клическом нагруженнн с различной величиной заданной д е ф о р ­ мации (б)

исходящими в металле при повторном нагружении и изу­ чать скорость распространения усталостных трещин. Вследствие разрушения части зерен и развития устало­ стной трещины частота собственных колебаний уменьша­ ется [22]..

Установка (рис. 22) можетработать в автоколеба-

53

телыюм режиме или с возбуждением от звукового гене­ ратора / (ЗГ-10А). Автоколебательную систему образу­ ют образец 2, защемленный в зажиме 3, датчик 4, фазо­ вращатель 5, усилитель 6 (МРТУ-100) и электромагнит 7 переменного токае раздвижными башмаками.Частоту собственных колебан-ий определяют с помощью пишуще­ го частотомера 8 или звукового генератора 1 и осцилло­ графа 9 (ЭО-7). При работе от генератора резонансный режим поддерживают настройкой. Необходимый режим

го нагрузку на образец. Динамометром служит комель образца. Датчик 4 замеряет амплитуду колебаний, про­ порциональную нагрузке на образец. Показания датчика фиксируются гальванометром 11.

3. МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ФИКСАЦИИ ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

При повторном действии напряжений происходит из­ менение многих свойств материала, дающее косвенное представление о накоплении усталостных повреждений. О некоторых изменениях, например, ударной вязкости и других механических свойств, а также плотности можно судить по образцам, вырезаемым из исследуемого объек­ та. Оценка же изменения электрического сопротивления, электрического импеданса, магнитных свойств, декремен­ та затухания, модуля упругости, оптических свойств поверхности, затухания и отражения УЗК в связи с струк­ турными изменениями, а также построение деформациоонной диаграммы усталости производится непосредствен­ но на испытуемом образце и не влияет на ход основного процесса испытания на усталость.

Установление зависимости между изменениями физи­ ческих свойств и усталостной долговечностью имеет це­ лью создать необходимые предпосылки для нахождения критериев, которые в дальнейшем позволят отказать­ ся от длительных и трудоемких усталостных испы­ таний.

Только некоторые из перечисленных методов (оценка по выделению тепла, изменению электрического сопро­ тивления, оптических свойств поверхности) могут быть в настоящее время применены для реальных конструк-

54