Спосіб визначення ступеня деградації структури матеріалу елемента конструкції внаслідок накопичення втомних пошкоджень під дією циклічного навантаження в процесі експлуатації

Спосіб визначення ступеня деградації структури матеріалу елемента конструкції внаслідок накопичення втомних пошкоджень під дією циклічного навантаження в процесі експлуатації, що включає навантаження елемента конструкції, реєстрацію параметрів навантаження, за якими встановлюють характеристики опору втомі матеріалу, порівнюють згадані параметри, отримані на окремих стадіях його експлуатації і визначають 3 Поставлена задача вирішується пропонованим способом, який, як і відомий спосіб визначення ступеня деградації структури матеріалу елемента конструкції внаслідок накопичення втомних пошкоджень під дією циклічного навантаження в процесі експлуатації, включає навантаження елемента конструкції, реєстрацію параметрів навантаження, за якими встановлюють характеристики опору втомі матеріалу, порівняння згаданих параметрів, отриманих на окремих стадіях його експлуатації та визначення ступеня деградації структури матеріалу елемента конструкції, а відповідно до пропозиції, попередньо визначають ділянку поверхні елемента конструкції, який досліджують на окремих стадіях його експлуатації, виконують підготовку поверхні визначеної ділянки для виконання зйомки мікроструктури матеріалу, проводять зйомку мікроструктури матеріалу поверхні визначеної ділянки і одержують її цифрове зображення, виділяють на цифровому зображенні параметр пошкодженості, як результат обробки Фур'єперетворення цифрового зображення структури матеріалу елемента конструкції, а за динамікою змін параметра пошкодженості на окремих стадіях експлуатації елемента конструкції визначають ступінь деградації структури матеріалу елемента конструкції внаслідок накопичення втомних пошкоджень під дією циклічного навантаження в процесі експлуатації. Дана характеристика є величиною визначення стану деградації матеріалу елемента конструкції, що виникає під час експлуатації, ступінь якої визначається шляхом порівняння з отриманою до початку експлуатаційного навантаження. Суть пропонованого способу пояснено графічними матеріалами, де на фіг. 1 показана залежність приросту параметра Фур'є-перетворення структури сталі 45 від кількості циклів навантаження (R = 0; 1 - а = 145 МПа, 2 - а = 159 МПа, 3 - а = 172 МПа). На фіг. 2 показана залежність коефіцієнта пошкодженості k сталі 45 від відносної довговічності: ♦-а = 192 МПа, R = -1; ▼-а = 165 МПа, R = -1; -а = 145 MПa, R = 0; -а =159 МПа, R = 0; ▲-а =172 МПа, R = 0; *-а = 118 MПa, R = 0.5 Приклад: Проводили дослідження для партії однакових зразків із сталі 45, виготовлених для випробувань на втому у відповідності до Державного стандарту [ГОСТ 25.502-79 «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость»]. Під час досліджень використовували гладкі зразки круглого перерізу типу 1, у відповідності до згаданого ГОСТу 25.502-79. Випробування зразків на втому виконували на установці МУН-1 [Установки для исследования механических свойств материалов и элементов конструкций. Каталог-справочник. Авторысоставители: Волощенко А.П., Алексюк М.М. – К.: Наукова Думка. - 1982 - С. 114-115]. Попередньо на поверхні зразка визначали ділянку (надалі ділянка). Згадану ділянку поверхні робочої частини 67514 4 кожного зразка перед випробуванням полірували та труїли до виявлення мікроструктури матеріалу. На оптичному мікроскопі робили знімки згаданої ділянки з 50-кратним збільшенням, які були вихідними зображеннями структури. Зразок закріплювали в захватах установки МУН-1, для подальшого проведення дослідження, а навантаження зразка здійснювали за наперед заданою схемою і з визначеними параметрами, а саме з частотою 120 Гц при коефіцієнтах асиметрії циклів R= -1; 0 і 0,5. Після закінчення першого етапу дослідження проводили фотографування мікроструктури матеріалу ділянки зразка на оптичному мікроскопі з 50кратним збільшенням, після чого здійснювали наступний етап циклічного навантаження зразка із наперед заданою кількістю циклів та подальше фотографування мікроструктури матеріалу зразка на оптичному мікроскопі із 50-кратним збільшенням. Такі цикли навантаження і фотографування ділянки повторювали до втомного руйнування зразка в установці МУН-1. На підставі фотографій, отриманих під час дослідження, знаходили ексцентриситет еліпса Фур'є-перетворення зображень структури є, що відображав відношення між меншою і більшою діагоналлю і був мірою анізотропії структури, яка змінюється внаслідок деградації під дією циклічного навантаження. У разі, коли зображення не має направлених структур, значення ексцентриситету неістотно відрізняється від одиниці. При збільшенні кількості періодичних, або квазіперіодичних структур із співпадаючим напрямом, значення ексцентриситету зменшується. Величину е можна розглядати як параметр, що характеризує Фур'є-образ цифрового зображення структури матеріалу. Враховуючи, що унаслідок накопичення втомних пошкоджень структура матеріалу змінюється, він кількісно визначає поточний стан структури. Як характеристику пошкодженості матеріалу розглядали різницю e поч  e між значенням ексцентриситету еліпса у вихідному стані e поч і поточним його значенням. Як приклад на фіг. 1 приведені графіки зміни e поч  e , від числа циклів вантаження n сталі 45 при різних значеннях амплітуд напружень, від початкового нульового циклу. Аналізуючи отримані дані видно, що при низьких амплітудах навантаження такі зміни менші, ніж при високих. Проте, якщо розглядати величину коефіцієнта k, e e k  поч  0,2 , max де  max - максимальна напруга циклу навантаження, а  0,2 - межа текучості матеріалу, то картина міняється. На фіг. 2 приведені графіки зміни коефіцієнта k залежно від пройденого числа циклів n, віднесеного до кількості циклів до руйнування зразка N. Видно, що даний параметр змінюється монотонно і досягає певної величини до моменту появи втомної тріщини. Для конкретного матеріалу при даній температурі він підкоряється єдиній закономірності, незалежно від амплітуди прикладеного навантаження, а також коефіцієнта асиметрії циклу, тому його можна вважати коефі 5 цієнтом, що характеризує пошкодженість матеріалу при циклічному вантаженні (коефіцієнтом пошкодженості матеріалу). Максимальне значення цього коефіцієнта, відповідне моменту появи втомної тріщини, характеризує стан структури матеріалу безпосередньо перед руйнуванням незалежно від вигляду навантаження. А тому максимальне значення даного параметра можна розглядати як структурний критерій руйнування матеріалу при дії циклічних навантажень. Використовуючи залежність зміни k від накопичення числа циклів навантаження, вдається визначити залишковий ресурс елемента конструкції, що дає можливість уникнути несподіваного руйнування конструкції унаслідок втрати матеріалом конструкції фізико-механічних властивостей. 67514 6 Таким чином використання пропонованого способу дозволило більш точно визначити строк служби елементів конструкції та конструкції взагалі, за допомогою кількісного аналізу зміни його структури, без використання руйнівних методів, що надало можливість більш точно визначити ступінь деградації структури матеріалу елемента конструкції, зокрема для елементів конструкції, виготовлених із крихких та надтвердих матеріалів із урахуванням впливу чинників робочого середовища. Отже пропонований спосіб дозволяє збільшити достовірність отриманих результатів та, як наслідок, більш точно прогнозувати ресурс конструкції, із врахуванням інформації, яка ґрунтується на безпосередній картині структури матеріалу, який піддається дії циклічних навантажень. 7 67514 8 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601