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

ций. В основном же их применение пока ограничивается лабораторными исследованиями процесса усталости.

Определение количества накопленного усталостного повреждения реальной конструкции возможно: 1) не­ посредственным замером физико-механических свойств без разрушения образца; 2) определением тех же свойств после разрушения образца и 3) использованием записи истории нагружения.

По изменению электросопротивления тензодатчиков в процессе циклического нагружения (первый из пере­ численных способов) можно установить начало накопле­ ния необратимых повреждений, определить предел вы­ носливости и построить полную диаграмму усталостного разрушения. Способ применим для разных материалов при всех видах и частотах нагружения, различной форме образцов и типах машин, но для каждого случая иеоб-. ходимо иметь тарировочные кривые изменения электро­ сопротивления материала тензодатчика и клеевого шва.

Анализ способа оценки сопротивления усталости по данным испытаний сопровождающего образца — «сви­ детеля» показал, что для его освоения необходимо пред­ варительное изучение изменений физико-механических свойств образцов и элементов конструкции при случай­ ном нагружении; конструирование образцов и машины, автоматически повторяющей реальный режим нагруже­ ния; тарировка контролируемого параметра по остаточ­ ной долговечности и, наконец, методика учета рассеяния. Третьим способом определения остаточной долговечнос­ ти является по существу аналитическое построение вто­ ричных кривых усталости.

Электрические свойства

М е т о д э л е к т р и ч е с к о г о с о п р о т и в л е н и я . Измерение длины трещины в листовых образцах основа­ но на пропускании через образец электрического тока и измерений электрического сопротивления на участке об­ разца с трещиной или разности потенциалов между дву­ мя точками по обе или по одну сторону трещины. Для компенсации начального напряжения между этими двумя точками образец включают в одно из плеч мостойой схе­ мы или используют напряжение от дополнительного весь­ ма стабильного источника.

Одним .из свойств металлов и сплавов, чувствительных

55

к самым незначительным изменениям структурного со­ стояния, в частности к образованию характерного «раз­ рыхления» в микрообъемах поверхности образцов, подвергаемых испытанию на усталость, является их элект­ рическое сопротивление. Изменение электросопротивле­ ния зависит как от структурных преобразований и изме­ нения плотности материала при циклических нагрузках, так и от уменьшения площади сечения образца по мере развития трещины.

Измерение электросопротивления фактически фикси­ рует не длину трещины, а ее площадь. Когда трещина имеет значительные размеры, ее приведенная длина, по­ лученная путем деления площади трещины на толщину образца, практически равна действительной. Метод элект­ рического сопротивления также позволяет определять глубину трещины локальным способом, не прибегая к оценке изменения общего электрического сопротивления детали или образца.

На кривых электрического сопротивления рабочей зо­ ны образцов в начальный момент усталостного нагруже­ ния наблюдается незначительное изменение, которое уве­ личивается в момент образования микротрещин. С об­ разованием микротрещины сопротивление рабочей зоны образца резко возрастает. Методом электросопротивле­ ния показана трехстадийность процесса многоцикловой усталости [23].

Расчет электрического сопротивления рабочей зоны

Изменения напряжения на образце в процессе его ис­ пытания иа усталость регистрируются по шкале зеркаль­ ного гальванометра.

Методом электрического сопротивления изучено раз­ витие трещин в листовых образцах из дуралюмина Д16АТ толщиной 3 мм с центральным отверстием при напряже­

56

этих условиях трещины развивались быстро, длину их определяли без остановки пульсатора. Для этого через образец в нужные моменты на короткое время пропуска­ ли переменный ток 25 а. Около отверстия (на расстоя­ нии 5 мм от его краев) вдоль оси образца зачеканивали контакты, с которых снимали величину падения напря­ жения в металле с помощью усилителя ИМ-28 и шлейфового осциллографа ІТ-700. По мере роста трещины из­ меряли значение падения напряжения. Таким образом, по заранее полученному графику можно было в любой момент определить длину трещины.

С помощью прибора ИЭ (испытатель электропровод­ ности) и самописца типа ЭПП-0,9 можно выявлять тре­ щины и следить за их ростом на ранней стадии разви­ тия при циклическом нагружении образцов или деталей и до их разрушения. Прибор ИЭ-1М эффективно исполь­ зуют для контроля кольцевой зоны барабанов колес тя­ желых самолетов [25]. С его помощью в поверхностных слоях барабанов из магниевого сплава выявляют поверх­ ностные дефекты металлургического происхождения и трещины.

Прибор ИЭ-11 применяется для выявления усталост­ ных трещин в сварных швах камер сгорания двигателя. С его помощью можно обнаруживать также скопления плен, засоров, участки рыхлот, трещины и другие подоб­ ные дефекты в деталях из сплавов на никелевой основе протяженностью не менее 4 мм, расположенные в поверх­ ностном слое глубиной до 0,8 мм.

Электрический потенциал металла является функцией его 'термодинамического состояния. Величина потенциа­ ла на отдельных участках хорошо коррелирует со значе­ ниями упругой деформации в этих местах. Возмущение, вносимое появлением трещины или изменением ее длины в распределение потенциалов электрического тока, про­

ческого поля вокруг трещины. Измеряют разность потен­ циалов между двумя точками образца, расположенными по одну или по обе стороны от развивающейся трещины. Длина трещины при этом определяется по тарировочной кривой, построенной по данным замеров разности потен-

57

цналов il длины трещины, создаваемой . искусственно в аналогичном образце.

В работе [2ü| предложен простои способ автомати­ ческой регистрации длины распространяющейся трещи­ ны, основанный на измерении разности потенциалов меж­ ду двумя точками образца, расположенными по одну сторону от трещины. Способ обладает всеми преимуще­ ствами мостового метода. Поскольку разность потенциа­ лов в любых (не только осевых) точках образца однозначно определяет длину центральной трещины, предложено выбирать эти точки такими, чтобы исходная разность потенциалов, соответствующая длине началь­ ной трещины (или надреза); была равна нулю, т. е. что­ бы они находились на одной эквипотенциальной линии

длины трещины. Образец О электрически изолирован от машины. Через него пропускается ток до 20 а от выпря­ мителя ВСА-6А. Напряжение разбаланса £ 1 2 усиливается усилителем Ф-116/2 и подается на вход х двухканального самописца ПДС-021. Нагрузку Р фиксируют тензо-

самописцем ПДС-021. Для питания образца допускается

наруживать трещины, но и определять их глубину. Раз­ работаны способы, использующие два электрода, распо­ лагаемые по обе стороны трещины, и четыре электрода, попарно располагаемые также по обе стороны трещины.

Предложен прибор [27], основным элементом кото­ рого является сборка из четырех электродов. Для гаран­ тии соприкосновения с поверхностью каждый контакт подпружинен. При расстоянии между электродами 4 мм прибор позволяет охватить наиболее часто встречающий­

размеров, расстояние между контактами должно быть уменьшено или увеличено. Два крайних электрода слу-

58

жат для ввода тока в металл, а два других для обнару­ жения изменения потенциала у трещины.

àО'/о

Рнс. 23. Распределение эквипотенци­ альных линий на образ це с централь­ ной трещиной (а) н блок-схема уста­ новки для наблюдения за ростом тре­ щин методом разности потенциалов (б)

WO У.

ропроводности, при' этом длина трещины должна быть больше ее глубины.

Метод может быть использован для наблюдения за распространением трещин в круглых и плоских образ^ цах. При необходимости измерения особо мелких трещиіі и при проведении исследований без остановки испыта­ ния рекомендуется разновидность описанного метода, в котором используется не постоянный, а переменный ток:

59

Возможно определение глубины трещин и наблюдение за их развитием в труднодоступных местах, например на внутренней стороне днища цилиндра и большого ре­ зервуара. Тщательная обработка поверхности не требу­ ется, измерение возможно при любой толщине днища.

Отмечая трудоемкость обычной процедуры получения градуировочной кривой с использованием серии образ­ цов с различными трещинами, авторы работы [28] пред­ лагают для этой цели использовать электроинтегратор ЭГДА, предназначенный для моделирования потенциаль­ ных полей на электропроводящей бумаге. Методика ос­ нована на получении серии градуировочных кривых по обе стороны трещины и построения зависимости между их разностью от длины центрального разреза (трещины). Для заданной геометрии образца и расположения токо­ вых H потенциальных контактов градуировочная кривая не зависит от исследуемого материала.

Магнитные свойства материала также изменяются при циклическом нагружении. Контроль по искажениям магнитных свойств применен для повышения надежности высокопрочных стальных деталей [29]. Установка для неразрушающего магнитного контроля обеспечивает воз­ можность одновременного проведения усталостных ис­ пытаний, магнитных измерений и микроскопического ис­ следования появления и развития усталостных повреж­ дений. Магнитные сигналы, регистрирующие усталост­ ные повреждения, показывают увеличение амплитуды с увеличением числа циклов нагружения, изменяются, в зависимости от программы испытания и других факто­ ров. Между результатами магнитного и металлографи­ ческого анализов имеется определенная корреляция.

Исследование процесса усталостного разрушения ме­ таллов м е т о д о м п о т е р ь на магнитный гистерезис [30] и вихревые токи показало, что при напряжениях выше предела выносливости показания прибора (ото­ бражающие величину суммарных потерь в металле на гистерезис и вихревые токи) изменялись не монотонно: вначале они уменьшались, а затем увеличивались. При этом можно отметить четыре периода: уменьшение по­ казаний, затем подъем, за которым следует замедленный подъем, переходящий в некоторый спад и, наконец, — крутой подъем показаний. Микротвердость сначала уве­ личивалась, а затем уменьшалась. Сопоставление ука-

60