Енергетичний d-метод оцінювання пошкодженості металу за дії змінного силового навантажування згідно з розподілом фази ортогональних деформацій поверхневого шару металоконструкції

Реферат: Енергетичний Δ-метод оцінювання пошкодженості металу за дії змінного силового навантажування згідно з розподілом фази ортогональних деформацій поверхневого шару металоконструкції, під час якого до поверхні контрольованого об'єкта притискають індентор датчика, у поверхневих шарах матеріалу контрольованого об'єкта ініціюють зондувальну пружну хвилю деформування, реєструють сигнали з датчика, що відповідають поперечним та поздовжнім типам деформаційній взаємодії елементів структури в ортогональних напрямках у точці поверхні контактної взаємодії індентора з контрольованим об'єктом, а за значеннями кута зсуву фази ортогональних векторів змінних деформацій у локальних зонах в околі дискретних точок поверхні контрольованого об'єкта визначають стан пошкодженості матеріалу, за допомогою електромеханічного актуатора позиціонують індентор у межах від 1 мкм до 100 мкм, датчик покроково пересувають по поверхні контрольованого об'єкта до наступних позицій і у заданих точках повторно реєструють сигнали з датчика, що відповідають деформаційній взаємодії елементів структури контрольованого об'єкта від дії зондувальної хвилі поверхневого деформування. UA 83732 U (12) UA 83732 U UA 83732 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до методів дослідження нелокалізованого пошкодження металоконструкцій, а більш точно - до способу визначення у локальних зонах ступеня пошкодження поверхні контрольованого об'єкта внаслідок дії циклічного чи непропорційного статичного навантаження і, як наслідок, дозволяє визначити ступінь накопичення пошкодження від циклічного чи статичного навантажування, наприклад у таких відповідальних конструкціях, як робочі лопатки газотурбінних двигунів, компресорів тощо. Відомий метод визначення ступеня пошкодження структури у локальній зоні поверхні конструкційного матеріалу внаслідок дії експлуатаційного навантажування, згідно з яким поверхню контрольованого об'єкта сканують пружною хвилею, створюваною у матеріалі резонансним високочастотним збудженням стержневого датчика, та реєструють зсув фази між коливанням джерела збудження та деформацією, яку воно спричиняє, і є наслідком взаємодії зондувальної хвилі з пошкодженими у локальних мікрооб'ємах елементами структури навантаженого матеріалу [Майло А.Н. Резонансный метод контроля неупругости конструкционных материалов /А.Н. Майло // Пробл. прочности, 2009. - №3. - С. 124-133]. Недоліком описаного методу є те, що сканування поверхні контрольованого об'єкта пружною хвилею здійснюють у неперервному режимі, зокрема, й під час переміщання індентора стержневого датчика по поверхні контрольованого об'єкта, що збільшує похибку визначення рівня пошкодженості структури поверхні конструкційного матеріалу. Під час проведення патентно-інформаційних досліджень для підготовки цієї заявки авторами не було виявлено методів оцінювання ступеня пошкодженості контрольованого об'єкта внаслідок дії експлуатаційного навантажування шляхом послідовного визначення фази ортогональних деформацій після переміщення індентора у наступне місце вимірювання на поверхні контрольованого об'єкта із забезпеченням покрокового нанопозиціювання індентора датчика з довжиною кроку, яка співвимірна з розміром структурного елемента, тому в основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого методу. Пропонований енергетичний Δ-метод оцінювання пошкодженості згідно з розподілом фази ортогональних деформацій у локальних зонах поверхневого шару конструкційного матеріалу здійснюють так: до поверхні контрольованого об'єкту нормованим зусиллям притискають індентор датчика, у поверхневих шарах матеріалу контрольованого об'єкта ініціюють поздовжню зондувальну пружну хвилю деформування, реєструють сигнали з датчика, що відповідають контактній взаємодії індентора датчика з елементами структури контрольованого об'єкта від зондувальної хвилі у ортогональних напрямках поверхні деформування, а за значеннями кута зсуву фази визначають часову відмінність ортогональних циклічних деформацій, що діють у певній точці контрольованого об'єкта. Далі, індентор датчика, за допомогою електромеханічного лінійного актуатора, що дозволяє контрольовано позиціонувати індентор датчика у межах заданої дискретності (від 1 мкм до 100 мкм), пересувають уздовж поверхні контрольованого об'єкта до наступної точки вимірювання, де знову реєструють сигнали з датчика. Послідовна реєстрація сигналів з датчика, щовідповідають деформаційній взаємодії елементів структури контрольованого об'єкта у зоні контактної дії зондувальної хвилі поверхневого деформування, дозволяє отримати розподіл фазового кута між напрямками векторів ортогональних змінних деформацій локальних зон поверхневого шару конструкційного матеріалу у точках поверхні з виокремівною здатністю, що відповідає розмірам структурних елементів матеріалу (зерен, блоків, конгломератів). Застосування нанопозиціювання індентора датчика на поверхні контрольованого об'єкта за допомогою електромеханічного лінійного актуатора, тобто багаторазове проведення періодичного вимірювання електричного сигналу датчика у статичному режимі контактної взаємодії нерухомого індентора з матеріалом певних рівнонавантажених макрооб'ємів (режим статичного тертя), дозволяє з високою виокремівною здатністю отримати дані про розподіл виміряних значень фазового кута між напрямками ортогональних векторів змінних деформацій, що виникають у визначених зонах під час навантажування поверхневого шару конструкційного матеріалу, а отже суттєво підвищити точність визначення ступеня деформаційної непружності матеріалу в локальних зонах поверхні, що відповідає ступеню пошкодження локальних об'ємів поверхні матеріалу і є визначальним чинником для подальшого оцінювання ресурсу металоконструкції. Застосування у назві заявки терміна "енергетичний метод" зумовлено наступними міркуваннями. Методи визначення величини розсіяння енергії внаслідок втоми у конструкційних матеріалах виокремлюють як деформаційні та енергетичні. У деформаційних методах основним критерієм є величина циклічної пластичної деформації, а у енергетичних - площа петлі гістерезису в координатах напруження-деформація. Тобто в останньому випадку непружність оцінюють з урахуванням циклічних напружень у матеріалі. Запропонований метод є проміжним 1 UA 83732 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 між вказаними. З одного боку його можна вважати деформаційним, адже реєструють деформаційну взаємодію. Разом з тим, оскільки метод рекомендовано застосовувати для оцінювання змін пошкодженості внаслідок дії змінного силового навантаження на елемент конструкції, його можна називати енергетичним, адже пошкодження виникає і розвивається за певного рівня циклічних напружень. Згідно із запропонованим методом порівнюють статистичні характеристики деформаційного процесу у матеріалі (наприклад, дисперсію, відхил та ін.), а тому запропонувати узагальнений математичний вираз буде некоректно. Так само не можна застосовувати у цій заявці термін "енергія пошкодження", адже безпосередньо її не визначають. Суть пропонованої корисної моделі пояснюють графічні матеріали. На фіг. 1 схематично показано здійснення пропонованого методу. На фіг. 2 показано результати визначення зсуву фаз між сигналами з датчика у дискретних місцях позиціювання індентора (горизонтальні ділянки діаграми відповідають часу вимірювання за стаціонарного положення індентора). На поверхні контрольованого об'єкту 1 - фрагменті робочої лопатки газотурбінного двигуна, де внаслідок термосилового навантажування сформувалися зміни (пошкодження) мікроструктури, - визначено точку 2, призначену для дії через неї на об'єкт 1 індентором 3 датчика 4. Індентор 3 датчика 4 притискають до поверхні контрольованого об'єкта 1 у точці 2 нормованим зусиллям Р. Датчик 4 формує знакозмінне переміщення індентора 3 щодо поверхні контрольованого об'єкта 1, зумовлене дією п'єзоелектричного ефекту, що виникає у разі подавання на датчик 4 змінного сигналу від електричного джерела збудження, яким може бути генератор звуковий, наприклад ГЗ-109. Як реєстраційний пристрій 5 сигналу з датчика 4 можна використати вимірювальну систему, описану в [Деклараційний патент на корисну модель № 17348 МПК (2006) G01N 3/00. Спосіб оцінки рівня деградації матеріалу елемента конструкції. Писаренко Г.Г., Копчевський П.М., Майло A.M.]. Далі датчик 4 за допомогою електромеханічного актуатора 6, з дискретністю позиціонування індентора датчика у межах від 1 мкм до 100 мкм, пересувають по поверхні контрольованого об'єкта до наступної точки (напрями пересування п'єзоелектричного актуатора 6 і індентора 3 датчика 4 показано на фіг. 1 штриховими стрілками 7) і повторно реєструють сигнали з датчика. Нанопараметри дискретного пересування актуатора 6, розміщеного на нерухомій опорі 8, а значить і позиціонування індентора 3 датчика 4, задає пристрій 9. Приклад. Силозбуджувальний елемент датчика 4 налаштовують на знакозмінне переміщення щодо поверхні контрольованого об'єкта 1 індентора 3, зумовлене п'єзоелектричними властивостями силозбуджувального елемента за дії сигналу живлення від електричного джерела збудження. Контактну точку індентора 3 датчика 4 від дії актуатора 6 пересували по поверхні контрольованого об'єкта 1 із заданою дискретністю позиціонування контактної зони взаємодії, яку задавали відповідно з розмірами характерних елементів мікроструктури конструкційного матеріалу (наприклад зерна металу), а реєстраційний пристрій 5 у періоди стаціонарності (статичного тертя) у контактній зоні індентора 3 датчика 4 реєстрував різницю анізотропії непружності матеріалу в двох ортогонально зорієнтованих напрямках від дії циклічних деформацій (позначають символом Δ-«дельта») у момент навантажування поверхні у точці вимірювання і такої, яку було отримано у точці поверхні за попереднього вимірювання. Така покрокова процедура вимірювання забезпечувала отримання даних щодо розподілу Δпараметру, як ступеня анізотропії непружності матеріалу в ортогональних напрямах деформування, а отже характеризує пошкодженість у локальних зонах структурно неоднорідного, полікристалічного, пружнопластичного матеріалу контрольованого об'єкта 1 від силового навантажування (статичного, циклічного та ін.). Результати визначення зсуву фази між ортогональними векторами циклічних деформацій у локальних зонах поверхневого шару конструкційного матеріалу за допомогою реєстраційного пристрою 5 показано у вигляді діаграми на фіг. 2, де на осі абсцис зазначено номери точок вимірювання у заданих локальних зонах на поверхні контрольованого об'єкта, а на осі ординат відкладено пронормоване значення кута зсуву фази. Відомо, що існує кореляційний зв'язок параметрів випадкового розподілу локальних властивостей непружного деформування полікристалічних матеріалів з довговічністю у разі регулярного силового навантажування, названий у літературі як енергетичний метод оцінювання пошкодженості металу за параметрами силового гістерезису [Писаренко Г.Г. Исследование взаимосвязи рассеяния энергии с прочностными свойствами пъезоэлементов // Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах 2 UA 83732 U 5 10 15 20 25 нагружения. - К.: Наук. думка, 1987. - С. 188-191]. У наведеному прикладі енергетичним параметром непружного деформування локальної зони конструкційного матеріалу є зсув фази між двома ортогонально орієнтованими деформаціями поверхневого шару металу, як параметр деформаційного гістерезису. Одержані дані дозволяють визначити ступінь накопичення локального пошкодження від попереднього силового циклічного чи статичного навантажування контрольованого об'єкта 1 як функціональну залежність від неоднорідності (дисперсності) пронормованих значень кута зсуву фази і використати їх для прогнозування залишкового ресурсу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Енергетичний Δ-метод оцінювання пошкодженості металу за дії змінного силового навантажування згідно з розподілом фази ортогональних деформацій поверхневого шару металоконструкції, під час якого до поверхні контрольованого об'єкта притискають індентор датчика, який відрізняється тим, що у поверхневих шарах матеріалу контрольованого об'єкта ініціюють зондувальну пружну хвилю деформування, реєструють сигнали з датчика, що відповідають поперечним та поздовжнім типам деформаційній взаємодії елементів структури в ортогональних напрямках у точці поверхні контактної взаємодії індентора з контрольованим об'єктом, а за значеннями кута зсуву фази ортогональних векторів змінних деформацій у локальних зонах в околі дискретних точок поверхні контрольованого об'єкта визначають стан пошкодженості матеріалу, за допомогою електромеханічного актуатора позиціонують індентор у межах від 1 мкм до 100 мкм, датчик покроково пересувають по поверхні контрольованого об'єкта до наступних позицій і у заданих точках повторно реєструють сигнали з датчика, що відповідають деформаційній взаємодії елементів структури контрольованого об'єкта від дії зондувальної хвилі поверхневого деформування, визначають розподіл статистичних параметрів фазового кута зсуву ортогональних векторів змінних деформацій у локальних зонах поверхневого шару конструкційного матеріалу, за яким оцінюють ступінь пошкодженості металу за дії змінного силового навантажування. 3 UA 83732 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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