RU2772839C1 - Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий - Google Patents
Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772839C1 RU2772839C1 RU2021118245A RU2021118245A RU2772839C1 RU 2772839 C1 RU2772839 C1 RU 2772839C1 RU 2021118245 A RU2021118245 A RU 2021118245A RU 2021118245 A RU2021118245 A RU 2021118245A RU 2772839 C1 RU2772839 C1 RU 2772839C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic emission
- stages
- determining
- magnetic field
- magnetic memory
- Prior art date
Links
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 claims abstract description 50
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 4
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic Effects 0.000 claims description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static Effects 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 2
- 210000001503 Joints Anatomy 0.000 description 1
- 229920000426 Microplastic Polymers 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Использование: для определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий с использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют определение параметров напряженности магнитного поля методом магнитной памяти металла и параметров сигналов акустической эмиссии в процессе испытаний на циклическую усталость и устанавливают взаимосвязь между этими параметрами. При этом осуществляют предварительные испытания на нескольких образцах из партии изделий для установления корреляционной зависимости между параметрами акустической эмиссии и напряженности магнитного поля. Затем полученная корреляционная зависимость используется для контроля всей партии методом магнитной памяти без постоянного мониторинга изделий методом акустической эмиссии. Технический результат: обеспечение возможности определения стадий циклической усталости и прогнозируемого остаточного ресурса металлических изделий или элементов конструкций в процессе эксплуатации методом магнитной памяти без постоянного мониторинга методом акустической эмиссии. 5 ил.
Description
Изобретение относиться к области технической диагностики и неразрушающего контроля металлических конструкций. Способ позволяет определять стадии циклической усталости по характерным признакам стадийного накопления повреждений, выявленным при совместном использовании методов акустической эмиссии и магнитной памяти металлов.
Известен способ определения стадий накопления повреждений по признакам различной степени активности идентифицированных типов источников акустической эмиссии (Башков О.В., Панин С.В., Семашко Н.А., Петров В.В., Шпак Д.А. Идентификация источников акустической эмиссии при деформации и разрушении стали 12Х18Н10Т// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - №10. - С. 51 - 57).
Способ обладает высокой достоверностью, но для выявления остаточного ресурса изделия необходимо вести постоянный мониторинг изделия или конструкции в процессе эксплуатации.
Известен метод магнитной памяти металла (ГОСТ Р 52005-2003), который используется для ранней диагностики усталостных повреждений и оценки ресурса оборудования и конструкций. Метод магнитной памяти основан на измерении и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния металла изделий, отражающих их структурную и технологическую наследственность, включая сварные соединения. При контроле используют естественную намагниченность, сформировавшуюся в процессе изготовления изделия в магнитном поле Земли. Для оборудования, находящегося в эксплуатации, магнитная память проявляется в необратимом изменении намагниченности металла в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок.
Метод позволяет определять напряженно-деформированное состояние отдельных областей конструкций, но не позволяет определить остаточный ресурс.
Задачей изобретения является разработка метода определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделия на ферромагнитной основе методом магнитной памяти металла в процессе эксплуатации без постоянного мониторинга.
Решение задачи достигается за счет последовательного определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса изделия методами акустической эмиссии и магнитной памяти и установления корреляционной связи между зарегистрированными в процессе эксплуатации изделия значениями параметров акустической эмиссии и напряженностью магнитного поля.
Технический результат заключается в возможности определения прогнозного значения остаточного ресурса изделий методом магнитной памяти без постоянного мониторинга накопления повреждений методом акустической эмиссии.
Для определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий предварительно из партии изделий отбирается серия образцов для испытаний на циклическую усталость. Испытания на усталость проводят с дополнительным использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла на установке для циклических испытаний на заданной базе испытания. Акустическая эмиссия (АЭ) используется как метод регистрации накопления повреждений в течение всего периода испытания. Образцы доводят до разрушения, но с периодическими остановками. Число и периодичность остановок могут варьироваться в зависимости от задач исследования. В периоды остановок методом магнитной памяти регистрируют значения напряженности магнитного поля в заданных в начале испытаний местах на образце.
Регистрируемые в процессе испытания сигналы АЭ разделяют по типам источников АЭ с использованием частотно-энергетического критерия. По изменению активности источников АЭ различного типа определяют стадии циклической усталости и усталостного разрушения образцов изделия. По окончании испытаний корреляционным анализом определяют зависимости между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н, зарегистрированными при заданном числе циклов n в периоды остановок испытания в заданных местах на образце.
По полученным значениям коэффициента корреляции выбирают зависимость H(n), соответствующую максимальному значению модуля коэффициента корреляции между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н. Выбранную зависимость H(n) используют для установления соответствия стадий циклической усталости значениям Н при определении прогнозируемого значения остаточного ресурса исследуемого материала изделия.
После проведенных исследований и установления соответствия Н стадиям циклической усталости контроль остаточного ресурса изделий проводят только с использованием метода магнитной памяти.
Способ был реализован на примере серии образцов стали 45 с термической обработкой (закалка и низкий отпуск), вырезанных из изделий. Образцы имели технологические вырезы, являющиеся концентраторами напряжений, расположенными на рабочей части образцов. На фиг. 1 приведен чертеж образца и расположение сечений сканирования при измерении напряженности магнитного поля Н.
Для выявления типов источников АЭ, используемых при определении стадий циклической усталости на основе метода АЭ, предварительно были выполнены статические испытания на растяжение плоских образцов из того же материала с тем же видом термической обработки с одновременной регистрацией АЭ во время испытания. Преобразователь АЭ во время испытаний устанавливался непосредственно на образец вблизи его рабочей части со стороны одного из захватов. Для регистрации АЭ была использована АЭ система, позволяющая выполнять регистрацию и расчет основных параметров сигналов АЭ (суммарная АЭ, медианная частота сигналов АЭ, энергия сигналов АЭ и другие).
После испытания выполнялся анализ зарегистрированных сигналов АЭ по двум параметрам АЭ: «энергия» (Е) и «медианная частота» (f). Для этого выполнялось построение двухпараметрического распределения сигналов АЭ в координатах «энергия» - «медианная частота». На плоскости двухпараметрического распределения были выделены три группы сигналов АЭ (фиг. 2), регистрируемых при генерации тремя типами источников, характеризуемых различными видами повреждений структуры металла при деформации:
группа сигналов I включает сигналы АЭ с 10<Е<100 мВ2с, обозначена на фиг. 2 ромбом;
группа II включает сигналы АЭ с Е>100 мВ2с и f<200 кГц, обозначена на фиг. 2 треугольником;
группа III включает сигналы АЭ с E>100 мВ2с и f>200 кГц, обозначена на фиг. 2 квадратом.
Для разделения сигналов АЭ на группы были использованы рекомендации, приведенные в работе (Башков О.В., Панин С.В., Семашко Н.А., Петров В.В., Шпак Д.А. Идентификация источников акустической эмиссии при деформации и разрушении стали 12Х18Н10Т// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - №10. - С. 51-57). Согласно данным рекомендациям группа сигналов I регистрируется на стадии текучести и начала деформационного упрочнения и соответствует преимущественно источникам пластической деформации (источники типа I), группа сигналов II регистрируется на стадии микротекучести (упругости) и на стадии деформационного упрочнения и характеризует образованием микротрещин (источники типа II), группа сигналов III регистрируется преимущественно на стадии предразрушения и разрушения и характеризуется образованием макродефектов типа трещин (источники типа III).
Разделение сигналов по типам источников позволило повысить достоверность определения стадий циклической усталости при последующих циклических испытаниях на основании раздельного анализа изменений активности сигналов АЭ для установленных типов источников.
Циклические испытания на усталость выполняли по методу знакопеременного консольного изгиба на электромеханической установке с регулируемой амплитудой деформации. Амплитуда деформации позволяла задавать расчетное значение амплитуды напряжения в цикле. Усталостная установка позволяет выполнять испытания с одновременной регистрацией АЭ. Для этого предусмотрена установка преобразователя АЭ непосредственно на неподвижную часть образца.
Циклические испытания на изгиб проводили до разрушения образцов и фиксировали число циклов. Далее выполняли анализ и разделение зарегистрированных сигналов АЭ на три группы по установленным при статических испытаниях критериям разделения для параметров «энергия» и «медианная частота».
Далее строили диаграммы накопления суммарной АЭ N и накопления суммарной энергии АЭ Е от числа циклов испытания раздельно для каждого из трех типов зарегистрированных сигналов. Графики накопления суммарной АЭ N(n) и суммарной энергии АЭ Е(n) для одного из испытаний приведены на фиг. 3. Обозначения I, II, III соответствуют различным типам сигналов и источников АЭ. По графикам N(n) и Е(n) были установлены изменения активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа в зависимости от числа циклов испытания.
На основании анализа графиков (фиг. 3) можно полагать, что процесс накопления дефектов различается по активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа. Для каждого из исследуемых образцов отмечено следующее изменение активности накопления числа сигналов АЭ каждого типа. Для сигналов АЭ типа I повышение активности (фиг. 3а) наблюдается после первых 10000 циклов, что связано с микропластической циклической деформацией материала. Далее отмечено снижение активности АЭ до 220000 циклов, характеризуемое циклическим упрочнением, и последующее резкое увеличение активности АЭ, которое длится до разрушения образца и связано с пластической деформацией в устье образовавшейся магистральной трещины. Аналогичным образом изменяется зависимость накопления энергии АЭ (фиг. 3б). Зависимости накопления сигналов и энергии АЭ для сигналов типа II и III существенно отличаются от зависимости для сигналов типа I: наступление значительной активности сигналов типа II и III, связанное с развитием магистральной трещины, наблюдается за 4000-5000 циклов до разрушения.
Для установления корреляции между накоплением повреждений, происходящих при циклической усталости, и статическим структурным состоянием образцов были проведены измерения напряженности магнитного поля Н на различных этапах циклического нагружения образцов с остановкой испытаний и последующим его возобновлением. Напряженность магнитного поля регистрировалась путем сканирования вдоль образца на длине пробега 16 мм по сечениям сканирования, приведенным на фиг. 1. При этом середина концентратора напряжений (радиальной выточки) находилась на расстоянии 8 мм от начала сканирования. На диаграммах фиг.4 приведены графики зависимости напряженности магнитного поля Н от числа циклов нагружения n для трех сечений сканирования вдоль образца. По оси X приведено число циклов испытания образцов. По оси Y приведена напряженность магнитного поля Н [А/м]. Каждый из графиков диаграммы показан для соответствующей координаты нахождения датчика измерения напряженности магнитного поля от начала его движения: фиг. 4а - сечение сканирования 1, 4б - сечение сканирования 2, 4в - сечение сканирования 3. Таким образом, координата 0 мм соответствует середине концентратора напряжений на образце.
Совокупная оценка графиков позволяет сделать вывод о неравномерности распределения напряженности магнитного поля в начальном состоянии (фиг. 4).
По результатам анализа параметров напряженности магнитного поля можно отметить, что график изменения напряженности магнитного поля от числа циклов H(n) для расположения датчика в центре концентратора (8 мм) имеет расположение на диаграмме, соответствующее наименьшему значению параметра H практически для всех сечений.
Далее был проведен корреляционный анализ между значениями суммарной АЭ N, зарегистрированной для различных типов источников, и напряженности магнитного поля Н, зарегистрированными при заданном числе циклов в периоды остановок испытания в заданных местах на образце.
Было установлено, что существует устойчивая связь между коэффициентом корреляции Xkor, рассчитанным для величин N и Н, и расстоянием от концентратора напряжений на образце до точки измерения Н. Максимальное по модулю значение коэффициента корреляции Xkor между N и Н имеют зависимости, полученные для координаты измерения Н, равной 0 мм и расположенной вблизи центральной части концентратора для всех сечений сканирования, на которых проводились измерения Н. На фиг. 5 приведены графические зависимости коэффициента корреляции Xkor(N, Н) между суммарной АЭ N для различных типов зарегистрированных сигналов и напряженностью магнитного поля Н от координаты измерения напряженности магнитного поля Н: фиг. 5а - сечение сканирования 1, фиг. 5б - сечение сканирования 2, фиг. 5в - сечение сканирования 3.
Для исследованных образцов была установлена качественная связь между зарегистрированными на различных стадиях усталости параметрами АЭ и параметрами напряженности магнитного поля Н. Были выявлены моменты значительного изменения параметров при достижении критического накопления дефектов, приводящих к смене механизмов развития повреждений. Наличие корреляции между суммарной АЭ N и напряженностью магнитного поля Н для различных расстояний регистрации магнитного поля позволяет однозначно судить о возможности использования методов магнитной памяти и АЭ для определения прогнозного остаточного ресурса изделий. Для максимального по модулю значения коэффициента корреляции устанавливается соответствие между стадиями, выявленными по параметрам акустической эмиссии и значениями напряженности магнитного поля H. По установленному соответствию диапазонов значений Н в процессе эксплуатации изделий определяется стадия циклической усталости и прогнозный остаточный ресурс.
Таким образом, в результате проведенных исследований была установлена корреляционная связь между акустико-эмиссионным методом и методом магнитной памяти, позволяющими определить стадии циклической усталости металлического материала на ферромагнитной основе. Для определения остаточного ресурса партии изделий необходимо провести предварительные испытания с использованием методов акустической эмиссии и магнитной памяти на одном контрольном образце и затем использовать полученные корреляционные зависимости для определения прогнозируемого остаточного ресурса всей партии изделий, выполняя контроль методом магнитной памяти в местах, требующих контроля, без постоянного мониторинга изделий методом акустической эмиссии.
Claims (1)
- Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий с использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла, заключающийся в определении методом магнитной памяти металла напряженности магнитного поля и параметров сигналов акустической эмиссии в процессе испытаний на циклическую усталость, отличающийся тем, что для нескольких образцов из партии металлических изделий или элементов конструкций, выполненных из ферромагнитного материала, предварительно выполняются циклические испытания с одновременной регистрацией акустической эмиссии в течение всего испытания, образцы доводят до разрушения, но с периодическими остановками, в периоды остановок методом магнитной памяти регистрируют значения напряженности магнитного поля в местах на образце, заданных в начале испытаний, сигналы акустической эмиссии, регистрируемые в процессе испытания, разделяют по типам источников акустической эмиссии с использованием частотно-энергетического критерия, на основании построенных диаграмм накопления сигналов акустической эмиссии различного типа определяют стадии циклической усталости и усталостного разрушения образцов изделия по изменению активности источников акустической эмиссии, по окончании испытаний корреляционным анализом определяют зависимости между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н, зарегистрированными при заданном числе циклов n в периоды остановок испытания в заданных местах на образце, далее по полученным значениям корреляции выбирают зависимость H(n), соответствующую максимальной корреляции между значениями суммарной акустической эмиссии N и напряженности магнитного поля Н, выбранную при этом зависимость H(n) используют для установления соответствия стадий циклической усталости значениям Н при определении прогнозируемого значения остаточного ресурса изделий или элементов конструкций из исследуемой партии только с использованием метода магнитной памяти.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772839C1 true RU2772839C1 (ru) | 2022-05-26 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1552043A1 (ru) * | 1987-12-21 | 1990-03-23 | Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта | Способ определени остаточного ресурса работы подшипникового узла |
| CN101915364A (zh) * | 2010-07-15 | 2010-12-15 | 中国海洋石油总公司 | 基于磁记忆检测的油管无损检测装置与方法 |
| RU2526593C1 (ru) * | 2013-02-20 | 2014-08-27 | Открытое акционерное общество "Гипрониигаз" | Способ прогнозирования назначенного ресурса корпуса цельносварного шарового крана |
| RU2735130C1 (ru) * | 2020-06-29 | 2020-10-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Способ оценки ресурса подшипника качения |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1552043A1 (ru) * | 1987-12-21 | 1990-03-23 | Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта | Способ определени остаточного ресурса работы подшипникового узла |
| CN101915364A (zh) * | 2010-07-15 | 2010-12-15 | 中国海洋石油总公司 | 基于磁记忆检测的油管无损检测装置与方法 |
| RU2526593C1 (ru) * | 2013-02-20 | 2014-08-27 | Открытое акционерное общество "Гипрониигаз" | Способ прогнозирования назначенного ресурса корпуса цельносварного шарового крана |
| RU2735130C1 (ru) * | 2020-06-29 | 2020-10-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Способ оценки ресурса подшипника качения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОСТ 52005-2003. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Behnia et al. | Integrated non-destructive assessment of concrete structures under flexure by acoustic emission and travel time tomography | |
| WO2020057270A1 (zh) | 材料微裂纹扩展尺寸的超声无损检测方法 | |
| CN100573181C (zh) | 利用铁磁材料表面杂散磁场信号监测疲劳损伤的方法 | |
| US7106055B2 (en) | Fabrication of samples having predetermined material conditions | |
| RU2772839C1 (ru) | Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий | |
| Liu et al. | Estimation of the stress level on a cross section of a reinforced concrete beam via Acoustic emission Intensity Distribution (AID) analysis | |
| RU2308028C2 (ru) | Способ контроля дефектности объекта | |
| Goszczyńska et al. | Assessment of the technical state of large size steel structures under cyclic load with the acoustic emission method–IADP | |
| Cole | Using acoustic emission (AE) to locate and identify defects in composite structures | |
| Zergoug et al. | Mechanical stress analysis by eddy current method | |
| RU2204817C1 (ru) | Способ определения технического состояния материалов элементов конструкции | |
| RU2816673C1 (ru) | Способ выявления скрытых дефектов в композиционных материалах методом стоячих волн | |
| SU1460664A1 (ru) | Способ определени предела выносливости материала | |
| RU2750683C1 (ru) | Способ определения механических характеристик высокоэнергетических материалов | |
| RU2298772C1 (ru) | Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов | |
| RU2746076C1 (ru) | Способ диагностики технического состояния роторного оборудования. | |
| CN114136823A (zh) | 一种采用便携式洛氏硬度计判别钢材牌号的方法 | |
| Zaki et al. | Corrosion assessment of concrete beam using tomography techniques | |
| Hunter et al. | Advances in resonance based NDT for ceramic components | |
| JPH01311268A (ja) | 金属材料の余寿命評価法 | |
| JP2003121582A (ja) | 応力腐食割れ評価装置及び応力腐食割れ評価方法 | |
| JP2003075410A (ja) | 鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断方法および疲労損傷度診断システム | |
| CN116698993A (zh) | 金属结构件耐久评价方法 | |
| RU2553715C1 (ru) | Магнитошумовой способ контроля состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов | |
| SU1714496A1 (ru) | Акустико-эмиссионный способ определени накоплени коррозионных повреждений в железобетонных конструкци х |