Вихрострумовий спосіб визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів

Реферат: Винахід належить до неруйнівного контролю і може бути використаний для визначення залишкового ресурсу конструкцій в авіації, енергетиці, хімічній промисловості тощо. За вихрострумовим способом визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів за допомогою обмотки індуктивності збуджують в контрольованому матеріалі вихрові струми, вимірюють параметри результуючого електромагнітного поля, за якими визначають питому електропровідність матеріалу, яку використовують при визначенні його структурно-механічного стану. Згідно з винаходом попередньо виготовляють випробувальні зразки із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції в стані постачання. Піддають виготовлені зразки впливу деградаційних факторів, що імітують температурно-силові умови експлуатації конструкції за різних інтенсивності і часу впливу. Визначають механічні параметри і значення питомої електропровідності зразків, підданих впливу деградаційних факторів, за якими будують кореляційні залежності механічних параметрів і питомої електропровідності деградованого матеріалу. А ступінь деградації матеріалу експлуатованої конструкції визначають за значенням його питомої електропровідності. Спосіб забезпечує підвищення якості та достовірності контролю при визначенні та прогнозуванні залишкового ресурсу контрольованих конструкцій довготривалої експлуатації без їх руйнування. UA 101424 C2 (12) UA 101424 C2 UA 101424 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до неруйнівного контролю матеріалів елементів конструкцій довготривалої експлуатації. Визначення зміни структури і механічних параметрів дозволить прогнозувати залишковий ресурс конструкцій в авіації, енергетиці, хімічній промисловості тощо. Відомий спосіб визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів, який полягає у виготовленні випробувальних зразків, вирізаних з експлуатованої конструкції, випробуванні зразків на стендах, що імітують умови експлуатації і визначенні параметрів тріщиностійкості матеріалу, які чутливі до експлуатаційної деградації матеріалу [1]. Недоліком відомого способу є можливість його реалізації тільки на стадії ремонту або виведення конструкції з експлуатації. Тобто, відомий спосіб є руйнівним і не дозволяє забезпечити контроль матеріалу експлуатованої конструкції. Крім того, відомий спосіб має обмежену локальність, так як дає інтегральну характеристику матеріалу в об'ємі зразка. Відомий спосіб контролю ступеня деградації конструкційних матеріалів, який полягає визначенні твердості або мікротвердості матеріалу на поверхні експлуатованої конструкції. Спосіб полягає у вдавлюванні під дією заданого навантаження індентора у формі піраміди в добре оброблену поверхню матеріалу контрольованої конструкції і визначенні твердості матеріалу за розмірами відбитка [2]. Спосіб є відносно неруйнівним, оскільки не вимагає вилучення матеріалу із контрольованої конструкції. Недоліком відомого способу є необхідність спеціальної підготовки поверхні експлуатованої конструкції, а також видалення лакофарбових чи інших покриттів за їх наявності. Це обмежує можливість його застосування, наприклад, для контролю ступеня деградації матеріалів авіаційних конструкції безпосередньо в експлуатації. Більш того, авіаційні конструкції із алюмінієвих сплавів часто плаковані тонким шаром алюмінію (наприклад обшивка планера), який має вищу пластичність порівняно з конструкційним алюмінієвим сплавом і мало змінюється під час експлуатації. Крім того, останні дослідження показали, що твердість слабо корелює із структурними змінами, які є характерними для деградованих алюмінієвих сплавів [1]. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є спосіб, який полягає в збудженні за допомогою змінного струму обмотки індуктивності в матеріалі контрольованої конструкції вихрових струмів, вимірюванні параметрів результуючого електромагнітного поля на поверхні контрольованого виробу, за якими визначають питому електропровідність контрольованого матеріалу. Питома електропровідність сплавів при вимірюванні вихрострумовим методом залежить від структурного і напружено-деформованого стану підповерхневого шару матеріалу. Тому вихрострумовий метод використовується для контролю якості термічної обробки, наявності перепалу, впливу повторного несанкціонованого нагріву тощо. Для конструкційних алюмінієвих сплавів існують відповідні кореляційні залежності між механічними властивостями (зокрема, границею міцності і пластичністю) і питомою електропровідністю, які дозволяють оцінювати механічні властивості неферомагнітних матеріалів під час термообробки неруйнівним вихрострумовим методом [3, 4]. Недоліком цього способу є можливість його використання для виявлення тільки термоактивованих змін в матеріалі. Спосіб не може бути використаний для визначення ступеня експлуатаційної деградації матеріалів, зокрема, алюмінієвих сплавів в довготривало експлуатованих авіаконструкціях, так як деградаційні зміни властивостей цих сплавів не корелюють із встановленими для термооброблених алюмінієвих сплавів. Задачею запропонованого способу є забезпечення можливості визначення ступеня деградації конструкційних матеріалів, зокрема алюмінієвих сплавів, в процесі довготривалої експлуатації без руйнування контрольованих конструкцій, що підвищує якість та достовірність контролю їх залишкового ресурсу. Поставлена задача вирішується тим, що при реалізації способу визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів за допомогою обмотки індуктивності в контрольованому матеріалі збуджують вихрові струми, вимірюють параметри результуючого електромагнітного поля, за якими визначають питому електропровідність матеріалу і використовують її при визначенні структурно-механічного стану матеріалу. При цьому, попередньо виготовляють випробувальні зразки із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції в стані постачання, і піддають виготовлені зразки впливу деградаційних факторів, що імітують температурно-силові умови експлуатації конструкції за різних інтенсивності і часу впливу. Після цього визначають механічні параметри і значення питомої електропровідності д зразків, підданих впливу деградаційних факторів, за якими будують кореляційні залежності механічних параметрів і питомої електропровідності д деградованого матеріалу. А ступінь деградації матеріалу експлуатованої конструкції визначають за значенням його питомої електропровідності. 1 UA 101424 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для деградації матеріалу зразків їх можна піддавати одночасному впливу циклічного навантаження і підвищеної температури. При цьому як механічний параметр, що визначає ступінь експлуатаційної деградації матеріалу, приймають характеристики циклічної тріщиностійкості. Як характеристики циклічної тріщиностійкості можна вибрати номінальний поріг втоми Кth, ефективний поріг втоми Кtheff або циклічну в'язкість руйнування Кfc. При реалізації способу можна додатково виміряти питому електропровідність п матеріалу експлуатованої конструкції в стані постачання. Визначити різницю між питомою електропровідністю п в стані постачання і питомою електропровідністю д після впливу деградаційних факторів =д-п. Побудувати кореляційні залежності  від механічного параметра, а ступінь експлуатаційної деградації матеріалу експлуатованої конструкції визначити за значеннями його питомої електропровідності. При реалізації способу із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції, можна виготовляти N=k  n зразків, де k - кількість зразків в комплекті, що підлягає впливу деградаційних факторів однакової інтенсивності і часу дії і складає не менш ніж три штуки, n кількість комплектів зразків, що підлягають різному впливу деградаційних факторів за інтенсивністю і часом дії від початкового стану постачання до максимального. В цьому випадку питому електропровідність і механічний параметр при визначенні відповідної залежності визначають як середнє із вимірюваних параметрів кожного комплекту із к зразків. На кресленні представлено кореляційну залежність між ефективним порогом втоми Кtheff і питомою електропровідністю д деградованого алюмінієвого сплаву Д16чТ. Розглянемо приклад реалізації запропонованого способу на прикладі визначення ступеня експлуатаційної деградації алюмінієвого сплаву Д16чТ, який широко використовують в авіаційних конструкціях. Із листів алюмінієвого сплаву типу Д16чТ, які отримано безпосередньо зі складу (тобто в стані постачання), виготовляють гладкі зразки (без концентраторів напружень). Розміри зразків слід вибирати відповідно до можливостей випробувальної машини. Встановлюють виготовлені зразки в випробувальну машину і піддають впливу циклічно-розтягальних навантажень з номінальним напруженням 80 МПА з частотою 5-10 Гц. Для прискорення деградації зразок нагрівають до температури190 °C. Зразки піддають циклічному навантаженню з різною 5 кількістю циклів від 0 до 10 . Вимірюють питому електропровідність і параметри тріщиностійкості кожного зразка, що підлягали випробуванням з різною кількістю циклів. Питому електропровідність вимірюють вихрострумовим методом за допомогою вимірювача електропровідності типу ВЕП-21. Суть вихрострумового методу полягає в збуджені в контрольованому матеріалі вихрових струмів, для чого використовують встановлену на його поверхню обмотку збудження вихрострумового перетворювача, яку живлять змінним струмом (в нашому випадку 85 кГц). Параметри вихрових струмів залежать від характеристик вихрострумового перетворювача і питомої електропровідності контрольованого матеріалу. Вихрострумовий вимірювач електропровідності вимірює питому електропровідність шляхом вимірювання фази вихідного сигналу вимірювальної обмотки вихрострумового перетворювача, який визначається результуючим електромагнітним полем (сумарне електромагнітне поле обмотки збудження і вихрових струмів контрольованого матеріалу). За рахунок застосування фазового методу зменшується додаткова похибка при змінах зазору між вихрострумовим перетворювачем і контрольованою поверхнею. Для визначення механічних параметрів матеріалу зразків (в нашому випадку - характеристик циклічної тріщиностійкості) із отриманих деградованих зразків вирізають зразки з концентратором, які піддають стандартним випробуванням на циклічну тріщиностійкість за відомими методиками [5]. В результаті проведених механічних випробувань зразків з концентратором визначають характеристики циклічної тріщиностійкості, які за результатами наших досліджень є чутливими до деградації матеріалів (в нашому випадку алюмінієвих сплавів). Це може бути номінальний поріг втоми Кth, ефективний поріг втоми Кtheff aбо циклічна в'язкість руйнування Кfc. Розглянемо випадок, коли як параметр циклічної тріщиностійкості вибирається ефективний поріг втоми Кtheff. Отримавши для зразків матеріалу з різним ступенем деградації відповідну питому електропровідність д і ефективний поріг втоми Кtheff будуємо кореляційну залежність (див. креслення). Для збільшення достовірності контролю із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції, виготовляють N=k  n зразків, де k - кількість зразків в комплекті, що підлягає впливу деградаційних факторів однакової інтенсивності і часу дії і складає не менш ніж три штуки, n - кількість комплектів зразків, що підлягають різному впливу деградаційних 2 UA 101424 C2 5 10 15 20 25 факторів за інтенсивністю і часом дії від початкового стану постачання до максимального. Питому електропровідність і механічний параметр (в нашому випадку ефективний поріг втоми Кtheff) визначають як середнє із вимірюваних параметрів кожного комплекту із k зразків. Тепер вимірюємо описаним вище вихрострумовим методом питому електропровідність матеріалу експлуатованої конструкції із сплаву Д16чТ і за кореляційно залежністю (див. креслення) визначаємо ефективний поріг втоми Кtheff, який може слугувати як кількісний критерій ступеня експлуатаційної деградації матеріалу конструкції. Запропонований спосіб має принципове значення, зокрема, для визначення експлуатаційної деградації авіаційних матеріалів. Це дозволяє прогнозувати залишковий ресурс конструкцій довготривалої експлуатації на підставі неруйнівних вимірювань питомої електропровідності вихрострумовим методом. Джерела інформації: 1. Осташ О.П., Андрейко І.М., Головатюк Ю.В. Деградація матеріалів і втомна довговічність тривало експлуатованих авіаконструкцій // Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2006.-№ 4.-С. 516. 2. Матюнин В.М. Методы твердости в диагностике материалов. Состояние, проблемы, перспективы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.-2004. - Т. 70. - № 6. - С. 37-42. 3. Дорофеев А.Л., Ершов Р.Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. Новосибирск: Наука.-1985.-183 с. 4. Наумов Н.М., Микляев П.Г. Резистометрический неразрушающий контроль алюминиевых деформируемых сплавов. - М.: Металлургия, 1974.-200 с. 5. РД 50-345-82. Методические указания. Расчеты и испытание на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении. - М.: Изд-во стандартов, 1983.-96 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 60 1. Вихрострумовий спосіб визначення ступеня експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів, за яким за допомогою обмотки індуктивності збуджують в контрольованому матеріалі вихрові струми, вимірюють параметри результуючого електромагнітного поля, за якими визначають питому електропровідність  матеріалу, яку використовують при визначенні його структурно-механічного стану, який відрізняється тим, що попередньо виготовляють випробувальні зразки із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції в стані постачання, піддають виготовлені зразки впливу деградаційних факторів, що імітують температурно-силові умови експлуатації конструкції за різних інтенсивності і часу впливу, визначають механічні параметри і значення питомої електропровідності д зразків, підданих впливу деградаційних факторів, за якими будують кореляційні залежності механічних параметрів і питомої електропровідності д деградованого матеріалу, а ступінь деградації матеріалу експлуатованої конструкції визначають за значенням його питомої електропровідності. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що зразки піддають одночасному впливу циклічного навантаження і підвищеної температури, а як механічний параметр, що визначає ступінь експлуатаційної деградації матеріалу, приймають характеристики циклічної тріщиностійкості. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що як характеристику циклічної тріщиностійкості вибирають номінальний поріг втоми Кth. 4. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що як характеристику циклічної тріщиностійкості вибирають ефективний поріг втоми Кtheff. 5. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що як характеристику циклічної тріщиностійкості вибирають циклічну в'язкість руйнування Кfc. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково вимірюють питому електропровідність п матеріалу експлуатованої конструкції в стані постачання, визначають різницю між питомою електропровідністю п матеріалу в стані постачання і питомою електропровідністю д матеріалу після впливу деградаційних факторів =д-п, будують кореляційні залежності  від механічного параметра, а ступінь експлуатаційної деградації матеріалу експлуатованої конструкції визначають за значеннями його питомої електропровідності. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що із матеріалу, який ідентичний матеріалу експлуатованої конструкції, виготовляють N=kn зразків, де k - кількість зразків в комплекті, що підлягає впливу деградаційних факторів однакової інтенсивності і часу дії і складає не менш ніж три штуки, n - кількість комплектів зразків, що підлягають різному впливу деградаційних 3 UA 101424 C2 факторів за інтенсивністю і часом дії від початкового стану постачання до максимального, а питому електропровідність і механічний параметр при визначенні відповідної залежності визначають як середнє із вимірюваних параметрів кожного комплекту із k зразків. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 4