RU2505799C2 - Способ оценки технического состояния деталей - Google Patents

Способ оценки технического состояния деталей Download PDF

Info

Publication number
RU2505799C2
RU2505799C2 RU2012107603/28A RU2012107603A RU2505799C2 RU 2505799 C2 RU2505799 C2 RU 2505799C2 RU 2012107603/28 A RU2012107603/28 A RU 2012107603/28A RU 2012107603 A RU2012107603 A RU 2012107603A RU 2505799 C2 RU2505799 C2 RU 2505799C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stress
concentrator
strain
value
residual compression
Prior art date
Application number
RU2012107603/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012107603A (ru
Inventor
Наталья Александровна Яблокова
Алексей Владимирович Яблоков
Артур Иванович Берестевич
Владимир Андреевич Кочетков
Ирина Викторовна Семенова
Александр Маркович Портер
Ольга Владимировна Коваленко
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"
Priority to RU2012107603/28A priority Critical patent/RU2505799C2/ru
Publication of RU2012107603A publication Critical patent/RU2012107603A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2505799C2 publication Critical patent/RU2505799C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Изобретение относится к неразрушающим способам контроля и может быть использовано для оценки технического состояния деталей авиационной техники. Способ включает снятие с детали рентгенограммы, по которой определяют остаточные напряжения сжатия, определение управляющего критерия и сравнение его с предельным значением. При этом для оценки многоцикловой усталости в качестве управляющего критерия используют параметр напряженного состояния для концентратора напряжения, .который определяется как отношение остаточного напряжения сжатия в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений концентратора напряжений к остаточному напряжению сжатия в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия концентратора напряжений. Далее сравнивают значение параметра напряженного состояния с предельным значением для данного вида концентратора напряжений, полученное экспериментальным путем. При этом деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния больше предельного значения в концентраторе напряжений, или деталь подвергают детальному исследованию в зоне пониженного значения параметра напряженного состояния, когда параметр напряженного состояния меньше или равен предельному значению и деталь в концентраторе напряжений находится в предельном состоянии на стадии образования дефекта. Также на поверхности вблизи концентратора напряжений, расположенной в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, параметр напряженного состояния определяется как отношение остаточного напряжения сжатия в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на поверхности вблизи концентратора напряжений, к остаточному напряжению сжатия в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на поверхности вблизи концентратора напряжений. Затем сравнивают полученное значение с предельным значением параметра напряженного состояния, полученное экспериментальным путем. При этом деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния на поверхности вблизи концентратора напряжений меньше предельного значения, или же подвергают детальному исследованию, если значение параметра напряженного состояния больше или равно предельному значению, то есть деталь находится в предельном состоянии на поверхности вблизи концентратора напряжений. Технический результат заключается в возможности оценки технического состояния деталей в концентраторах напряжений или на поверхностях, близких к концентраторам напряжений. 5 ил.

Description

Изобретение относится к неразрушающим способам рентгеноструктурного контроля и может быть использовано для оценки технического состояния деталей авиационной техники, например лопаток, шестерен, дисков, при многоцикловой усталости с помощью рентгеноструктурного анализа, как на стадии изготовления детали, так и в процессе ее ремонта.
Известен теоретический способ определения коэффициента концентрации напряжений на деталях газотурбинных двигателей (ГТД), под которым понимают отношение максимального радиального напряжения к окружному напряжению (Г.С. Скубачевский «Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей», М., Машиностроение, 1981., с. 550 - стр. 211).
Недостатком данного способа является то, что способ является приближенным, не учитывающим физическое состояние материала поверхности детали, а данные, полученные данным способом, требуют верификации.
Известен способ определения ресурса работоспособности металла, заключающийся в том, что методом рентгеноструктурного анализа определяют значение структурно-чувствительного параметра, в качестве которого используется ширина рентгеновской линии, в исходном и постдеформационном состоянии, определяют деформационно-прочностные характеристики металла, а именно зависимости истинных напряжений и ширины рентгеновской линии от степени относительной остаточной деформации, и сравнивают деформационно-прочностные характеристики с допустимыми значениями, тем самым определяя работоспособность металла (RU 2261436 от 28.06.2004 МПК G01N 23/00, G01N 33/20, опубл. 27.09.2005 Бюл. №27).
Недостатком данного способа является то, что способ позволяет определять ресурс работоспособности детали только при условии, что известны результаты измерения в исходном состоянии, при этом для получения объективных значений ширины рентгеновской линии необходимо использовать одинаковые режимы рентгеносъемки и применять эталонные образцы.
Наиболее близким к заявленному является способ оценки технического состояния деталей, имеющих концентраторы напряжений, включающий снятие с детали рентгенограммы, по которой определяют остаточные напряжения сжатия, определение управляющего критерия и сравнение его с предельным значением (US 5625664 от 29.04.1997, МПК G01N 23/20).
Недостатком данного способа является то, что способ дает оценку технического состояния только в непосредственной зоне концентратора напряжений, при этом применение данного способа для металлических деталей ограничено в связи с тем, что в зонах концентрации напряжений деформация не линейна. Так же существует трудность применения способа для деталей сложной конструкции, где концентраторы напряжений расположены в труднодоступном месте.
Техническим результатом, на достижение которого направлен способ, является оценка технического состояния деталей в концентраторах напряжений или на поверхностях, близких к концентраторам напряжений, расположенных в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, на любой стадии, как изготовления, так и ремонта детали, а так же повышение точности получаемых результатов для непосредственных концентраторов напряжений, где деформации изменяются не по линейному закону.
Технический результат достигается тем, что способ оценки технического состояния деталей, имеющих концентраторы напряжений, включающий снятие с детали рентгенограммы, по которой определяют остаточные напряжения сжатия, определение управляющего критерия и сравнение его с предельным значением.
Новым в изобретении является то, что при многоцикловой усталости в качестве управляющего критерия используют параметр напряженного состояния
Figure 00000001
 для i-ого концентратора напряжения, который определяется как
Figure 00000002
 отношение остаточного напряжения сжатия
Figure 00000003
 в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений i-ого концентратора напряжений к остаточному напряжению сжатия
Figure 00000004
 в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия i-ого концентратора напряжений, далее сравнивают значение параметра напряженного состояния
Figure 00000001
 с предельным значением
Figure 00000005
 для данного вида концентратора напряжений, полученное экспериментальным путем, деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния больше предельного значения
Figure 00000006
 в i-м концентраторе напряжений, или деталь подвергают детальному исследованию в зоне пониженного значения параметра напряженного состояния
Figure 00000007
 когда
Figure 00000008
 , то есть деталь в i-м концентраторе напряжений находится в предельном состоянии на стадии образования дефекта, на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений, расположенной в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, параметр напряженного состояния
Figure 00000009
 определяется как
Figure 00000010
 отношение остаточного напряжения сжатия
Figure 00000011
 в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений, к остаточному напряжению сжатия
Figure 00000012
 в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-oro концентратора напряжений, сравнивают полученное значение с предельным значение параметра напряженного состояния
Figure 00000013
 , полученное экспериментальным путем, деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений меньше предельного значения
Figure 00000014
 , или же подвергают детальному исследованию если значение параметра напряженного состояния больше или равно предельному значению
Figure 00000015
 , то есть деталь находится в предельном состоянии на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений. На фигурах показаны:
Фиг. 1 - Деталь с концентраторами напряжений (от 7 до n) и с поверхностями вблизи концентраторов напряжений (от 1' до m).
Фиг. 2 - i-й концентратор напряжений на детали.
Фиг. 3 - j-я поверхность вблизи i-ого концентратора напряжений, расположенная в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла.
Фиг. 4 - График распределения параметра
Figure 00000016
 на заднем торце обода первого диска со стороны правого паза после ресурсных испытаний.
Фиг. 5 - График распределения параметра
Figure 00000016
 на заднем торце обода второго диска со стороны правого паза после ресурсных испытаний.
Способ осуществляется следующим образом.
Деталь с n количеством концентраторов напряжений и с т количеством поверхностей вблизи концентраторов напряжений (фиг. 1) подвергают рентгеновскому излучению. Затем снимают рентгенограмму для концентраторов напряжений (фиг. 2) и для поверхностей вблизи концентраторов напряжений (фиг. 3), расположенных в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла.
Поверхности вблизи концентраторов напряжений (фиг. 3), расположенные в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, характеризуются более простой геометрией профиля, разным характером изменения напряженного состояния в отличие от поверхности с концентратором напряжений.
По рентгенограмме определяют остаточные напряжения сжатия для этих характерных зон.
Усталость - это накопление некоторой суммы повреждений в циклах пластической деформации. При многоцикловой усталости накопление идет только в пластической зоне образовывающегося дефекта (Штремель М.А. О единстве в многообразных процессах усталости, «Деформация и разрушение материалов» №6-2011. стр. 1-12).
Для оценки технического состояния детали для i-ого концентратора напряжений при многоцикловой усталости по полученной рентгенограмме определяют остаточные напряжение сжатия
Figure 00000017
 в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений, и остаточные напряжения сжатия
Figure 00000018
 в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия (фиг. 2), то есть в точке, где значение остаточного напряжения практически не меняется. Далее находят управляющий критерий при многоцикловой усталости, которым является параметр напряженного состояния
Figure 00000019
 и который определяется по формуле (1), для каждого i-ого концентратора (фиг. 2) напряжений (i = 1…n):
Figure 00000020
Для непосредственной оценке технического состояния детали параметр напряженного состояния
Figure 00000021
 для i-ого концентратора напряжения сравнивают с предельным значение параметра напряженного состояния
Figure 00000022
 . Предельное значение параметра напряженного состояния
Figure 00000023
 для i-ого концентратора напряжения определяется экспериментальным путем в процессе исследования различных видов концентраторов напряжений для различных металлов и сплавов. Деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния больше предельного значения
Figure 00000024
 в i-м концентраторе напряжений. Деталь подвергают детальному исследованию в зоне пониженного значения параметра напряженного состояния
Figure 00000025
 когда
Figure 00000026
 , то есть деталь в i-м концентраторе напряжений находится в предельном состоянии на стадии образования дефекта.
Для оценки технического состояния на j-й поверхности (j=1'…m) вблизи i-ого концентратора напряжений (фиг. 3), расположенной в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, параметр напряженного состояния KJ определяется по формуле (2):
Figure 00000027
где
Figure 00000028
 - остаточное напряжение сжатия в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений (фиг. 3);
Figure 00000029
 - остаточное напряжение сжатия в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений (фиг. 3), то есть в точке, где остаточные напряжения практически не меняются.
При этом точки с большей и с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений на j-й поверхности могут располагаться на одной плоскости (например, для замков лопаток) или на разных плоскостях (например, для лопаточных дисков компрессоров). Выбор j-й поверхности определяется экспериментальным путем в процессе проектирования и расчета детали (пример).
Далее сравнивают полученное значение параметра напряженного состояния
Figure 00000030
 на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений с предельным значение параметра напряженного состояния
Figure 00000031
 для j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений, полученное экспериментальным путем.
В случае, если значение параметра напряженного состояния
Figure 00000030
 на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений меньше предельного значения
Figure 00000032
 , то деталь возвращают в эксплуатацию.
В случае, если значение параметра напряженного состояния больше или равно предельному значению
Figure 00000033
 , то деталь находится в
предельном состоянии на у'-й поверхности вблизи z-oro концентратора напряжений и ее подвергают детальному исследованию.
Оценка технического состояния деталей данным способом позволит определять техническое состояние детали, как в непосредственных концентраторах напряжений, так и на поверхностях, близких к концентраторам напряжений, расположенных в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, на любой стадии, как изготовления, так и ремонта детали, при этом повышается точность получаемых результатов для непосредственных концентраторов напряжений, где деформации изменяются не по линейному закону.
Пример.
Оценка технического состояния дисков КНД при многоцикловой усталости.
Диск компрессора низкого давления (КНД) является ответственной деталью газотурбинного двигателя (ГТД). На дисках КНД, в местах максимальной нагруженности деталей в эксплуатации (в опасных зонах концентраций напряжений), вид и уровень напряженного состояния известны. Экспериментально установлено, что на торцах обода дисков КНД уровень остаточных напряжений отличается не более чем 1,5 раза. С увеличением наработки диска и степени повреждения диска происходит перераспределение напряженного состояния и релаксация напряжений (на стадии образования дефектов) на торцах обода диска. Наибольшее изменение параметров напряженного состояния на дисках КНД происходит в зонах концентраторов напряжений, а именно на заднем торце обода диска с правой стороны паза.
Для оценки технического состояния двух дисков КНД детали подвергли рентгеновскому излучению. Для регистрации рентгеновского спектра применяли ψ-модифицированный дифрактометр при следующих режимах рентгеносъемки: используемое излучение - титановое излучение Ti - Кα с фазой α-Ti и напряжением 25 кВ, током 6 мА, угол дифракции (угол Вульфа-Брегга) 2θ(11.0)=139°, осцилляция угла между падающим рентгеновским лучом и нормалью к поверхности исследования Δψ=±4°. Для измерения показателя отражения от атомной плоскости (П.О) кристаллической решетки гексагональной фазы α-Ti и остаточных напряжений сжатия использовали дугу гониометра 75 мм и коллиматор 5 мм, и рентгеновскую постоянную упругости E/(1+ν) = 83 ГПа, с функцией обработки пика-Пирсона 7 при параболической функции вычитания фона.
По методу sin2 у/ определяем остаточные напряжения сжатия на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений (фиг. 3). При этом оба диска имеют одинаковое количество пазов 31. Определяем остаточные напряжения сжатия на заднем торце обода со стороны паза
Figure 00000034
 , как напряжения с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений, и определяем остаточные напряжения сжатия на переднем торце обода со стороны паза
Figure 00000035
 как напряжения с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия. При этом передний и задний торец обода формируют общую j-ю поверхность вблизи i-ого концентратора напряжений (то есть лопаточного паза).
Далее определяем значение параметра напряженного состояния KJ дисков согласно формуле (2) после ресурсных испытаний (фиг. 4, фиг. 5). При этом значения параметра напряженного состояния
Figure 00000036
 дисков КНД равно:
Figure 00000037
Согласно экспериментальным данным предельное значение параметра напряженного состояния для дисков КНД
Figure 00000038
 на j-й поверхности вблизи i-ого концентратора напряжений. На представленных фиг. 4-5 на некоторых пазах дисках видно, что значение показателя напряженного состояния больше допустимого значения 1.6, то есть в этих местах диск находится в предельном состоянии и требуется детальное их исследование.

Claims (1)

  1. Способ оценки технического состояния деталей, имеющих концентраторы напряжений, включающий снятие с детали рентгенограммы, по которой определяют остаточные напряжения сжатия, определение управляющего критерия и сравнение его с предельным значением, отличающийся тем, что при многоцикловой усталости в качестве управляющего критерия используют параметр напряженного состояния
    Figure 00000001
     для i-го концентратора напряжения, который определяется как
    Figure 00000002
     отношение остаточного напряжения сжатия
    Figure 00000003
     в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений i-го концентратора напряжений к остаточному напряжению сжатия
    Figure 00000004
     в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия i-го концентратора напряжений, далее сравнивают значение параметра напряженного состояния
    Figure 00000001
     с предельным значением
    Figure 00000039
     для данного вида концентратора напряжений, полученное экспериментальным путем, деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния больше предельного значения
    Figure 00000040
     в i-м концентраторе напряжений, или деталь подвергают детальному исследованию в зоне пониженного значения параметра напряженного состояния
    Figure 00000041
     когда
    Figure 00000042
     то есть деталь в i-м концентраторе напряжений находится в предельном состоянии на стадии образования дефекта, на j-й поверхности вблизи i-го концентратора напряжений, расположенной в плоскости вдоль направления распространения предполагаемого дефекта вглубь металла, параметр напряженного состояния
    Figure 00000009
     определяется как
    Figure 00000010
     отношение остаточного напряжения сжатия
    Figure 00000011
     в точке с большей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-го концентратора напряжений, к остаточному напряжению сжатия
    Figure 00000012
     в точке с меньшей интенсивностью изменения остаточных напряжений сжатия на j-й поверхности вблизи i-го концентратора напряжений, сравнивают полученное значение с предельным значение параметра напряженного состояния
    Figure 00000043
     полученное экспериментальным путем, деталь возвращают в эксплуатацию, если значение параметра напряженного состояния на j-й поверхности вблизи i-го концентратора напряжений меньше предельного значения
    Figure 00000044
     или же подвергают детальному исследованию, если значение параметра напряженного состояния больше или равно предельному значению
    Figure 00000045
     то есть деталь находится в предельном состоянии на j-й поверхности вблизи i-го концентратора напряжений.
RU2012107603/28A 2012-02-28 2012-02-28 Способ оценки технического состояния деталей RU2505799C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012107603/28A RU2505799C2 (ru) 2012-02-28 2012-02-28 Способ оценки технического состояния деталей

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012107603/28A RU2505799C2 (ru) 2012-02-28 2012-02-28 Способ оценки технического состояния деталей

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013125425/28A Division RU2552601C2 (ru) 2013-05-31 2013-05-31 Способ оценки технического состояния деталей
RU2013130491/06A Division RU2536645C1 (ru) 2013-07-02 2013-07-02 Стендовая редукторная установка для испытания двигателей

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012107603A RU2012107603A (ru) 2013-12-10
RU2505799C2 true RU2505799C2 (ru) 2014-01-27

Family

ID=49682471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012107603/28A RU2505799C2 (ru) 2012-02-28 2012-02-28 Способ оценки технического состояния деталей

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2505799C2 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5625664A (en) * 1994-05-18 1997-04-29 Fatigue Management Associates Llc Methods for the design, quality control, and management of fatigue-limited metal components
RU2126523C1 (ru) * 1996-10-28 1999-02-20 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Способ неразрушающего контроля механического состояния объектов и устройство для его осуществления
RU2261436C1 (ru) * 2004-06-28 2005-09-27 Институт Машиноведения им. акад. Благонравова РАН Способ определения ресурса работоспособности металлов

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5625664A (en) * 1994-05-18 1997-04-29 Fatigue Management Associates Llc Methods for the design, quality control, and management of fatigue-limited metal components
RU2126523C1 (ru) * 1996-10-28 1999-02-20 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Способ неразрушающего контроля механического состояния объектов и устройство для его осуществления
RU2261436C1 (ru) * 2004-06-28 2005-09-27 Институт Машиноведения им. акад. Благонравова РАН Способ определения ресурса работоспособности металлов

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012107603A (ru) 2013-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Djebli et al. A non-linear energy model of fatigue damage accumulation and its verification for Al-2024 aluminum alloy
Bader et al. Mean stress correction effects on the fatigue life behavior of steel alloys by using stress life approach theories
Dini et al. The use of notch and short crack approaches to fretting fatigue threshold prediction: Theory and experimental validation
Yang et al. Characterization of shot peening properties and modelling on the fatigue performance of 304 austenitic stainless steel
RU2737127C1 (ru) Продление срока службы диска силовой турбины, подверженного коррозионному повреждению при эксплуатации (варианты)
Salari Fatigue crack growth reliability analysis under random loading
Machado et al. Multiaxial fatigue assessment of steels with non-metallic inclusions by means of adapted critical plane criteria
Hu et al. Effect of notch geometry on the fatigue strength and critical distance of TC4 titanium alloy
Singh et al. The needs of understanding stochastic fatigue failure for the automobile crankshaft: A review
Negru et al. Lifetime prediction in medium-cycle fatigue regime of notched specimens
Chadwick et al. Crack incubation in shot peened AA7050 and mechanism for fatigue enhancement
Golden et al. Probabilistic fretting fatigue life prediction of Ti–6Al–4V
Glodek et al. Numerical modelling of microstructure inhomogeneity to reproduce experimentally observed scatter in fretting fatigue lifetimes
RU2505799C2 (ru) Способ оценки технического состояния деталей
Baxevanakis et al. Data-driven damage model based on nondestructive evaluation
Enright et al. Probabilistic fretting fatigue assessment of aircraft engine disks
RU2552601C2 (ru) Способ оценки технического состояния деталей
Song et al. Numerical simulation of the effect of surface microgeometry and residual stress on conformal contact fretting fatigue crack initiation behavior
Sanaieei et al. Life estimate of a compressor blade through fractography
Liu et al. Study on the surface crack growth behavior in 14MnNbq bridge steel
Wang et al. A closure model to crack growth under large-scale yielding and through residual stress fields
Pokrovskii et al. Fatigue crack growth in the base metal and weld of the combustion chamber casing of an aircraft gas-turbine engine
Abdullah et al. Assessment of fatigue crack growth data available for materials from Portuguese bridges based on UniGrow model
Zhang Multi-resolution in-situ testing for fatigue crack growth mechanism investigation and model development
Savkin et al. Influence of crack closure and local near-tip stress on crack growth life estimation