Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Васильков, Сергей Дмитриевич

• Васильков, Сергей Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильков, Сергей Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Анализ состояния проблемы. Цель и задачи исследования.

1.1. Современное представление о напряжённо-деформированном состоянии изделий.

1.1.1. Остаточные напряжения и их классификация.

1.1.2. Возникновение остаточных напряжений при различных видах обработки.

1.1.3. Способы обработки поверхностей деталей.

1.2. Методы исследования напряженно-деформированного состояния деталей и их ограничения.

1.3. Сравнительные метрологические характеристики существующих методов определения остаточных напряжений.

Глава 2. Разработка резистивного электроконтактного метода неразрушающего определения остаточных напряжений.

2.1. Теоретическое описание метода.

2.2. Особенности конструкции первичных преобразователей.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка и метрологическая оценка средств измерения напряжённого состояния в поверхностном слое металла.

3.1. Принцип работы измерительного комплекса СИТОН.

3.2. Методика определения напряжений.

3.3. Метрологические свойства разрабатываемого метода и устройства

3.4. Программный комплекс определения остаточных напряжений.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Апробация и реализация резистивного электроконтактного метода неразрушающего контроля остаточных напряжений.

4.1. Напряженно-деформированное состояние изделий из ферромагнитных сплавов.

4.2. Напряженно-деформированное состояние изделий из никелевых сплавов.

4.3. Напряженно-деформированное состояние изделий из титановых сплавов.

4.4. Напряженно-деформированное состояние изделий из алюминиевых сплавов.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение»

Во многих промышленных отраслях важную роль имеет качество изготовление деталей: геометрическая точность, шероховатость, наличие дефектов и микротрещин, напряжённо-деформированное состояние. Высокие требования предъявляются к ответственным деталям машиностроения, приборостроения, авиационной, атомной, энергомашиностроительной, автомобильной отраслей для повышения безопасности, увеличения срока эксплуатации. При этом важно контролировать требуемые параметры на каждом этапе технологического процесса изготовления деталей [1, 40-43].

В настоящее время существует большое количество различных физических методов и средств контроля для обеспечения качества деталей. Все более важным аспектом является контроль механических характеристик материалов во всем объёме деталей, а также в поверхностном слое после различных технологических воздействий, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и внутренних рабочих напряжений. Поэтому на первый план выходят методы технической диагностики, с помощью которых изучаются и устанавливаются признаки или причины дефектов деталей, применяя разрушающий или неразрушающий контроль, основанные на положениях металловедения, физики твердого тела, метрологии и пр. Здесь, прежде всего, важно отметить методы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) [39, 44, 45].

Задачами измерений механических напряжений, в частности остаточных, в работающих деталях и конструкциях с целью оценки их состояния в настоящее время занимаются многие компании по всему миру. Однако до сих пор эффективность различных методов и средств контроля напряжений зачастую остается невысокой при их использовании непосредственно на оборудовании.

Актуальность. Обеспечение требуемых качественных показателей изделий является актуальной задачей. При этом остаточные напряжения (ОН) в поверхностных слоях относятся к числу факторов, существенно влияющих на многие характеристики качества изделий. Качественное и количественное влияние их на целый ряд функциональных свойств изделий ещё недостаточно изучено. Одной из причин этого является отсутствие серийно выпускаемых простых, надёжных и приемлемых по стоимости средств измерения и контроля остаточных напряжений [46].

Большой опыт эксплуатации изделий в различных областях техники и многочисленные эксперименты показывают, что остаточные напряжения влияют на износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, долговечность изделий и другие свойства. Они оказывают влияние на точность изготовления маложестких изделий [13, 47].

В современной промышленности определение остаточных напряжений осуществляется методами разрушающего и неразрушающего контроля. При этом эксплуатационные свойства изделия определяются как величиной остаточных напряжений на поверхности, так и характером их распределения по глубине поверхностного слоя. Недостатки разрушающих методов общеизвестны и не требуют комментариев. Существующие неразрушающие методы имеют ряд ограничений, не позволяющих применять их при определении остаточных напряжений в изделиях из алюминиевых, никелевых и других сплавов. Требуется создание новых методов и средств неразрушающего контроля, что является актуальной проблемой для современного приборостроения и машиностроения.

Работа выполнялась в соответствии с государственным контрактом 5514р/7878 ФСР МП НТС, а также грантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным и прикладным исследованиям (2006-2009 J г.г.). Аппаратный комплекс неразрушающего контроля остаточных напряжений, выполненный в рамках данной работы, удостоен серебряной медали 50-го Международного Салона изобретений «Брюссель-Эврика» за 2006 год.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- предложен новый экспериментально-расчетный метод определения остаточных напряжений в изделиях из металлов и сплавов, основанный на измерении эффективного удельного сопротивления (ЭУС) электроконтактным методом;

- разработаны, исследованы и изготовлены конструкции датчиков для определения ЭУС, защищенные патентами РФ;

- разработана методика определения остаточных напряжений в лабораторных и цеховых условиях;

- выполнен комплекс исследований по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.

Цель работы. Создание соответствующего по основным показателям неразрушающего метода контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение.

Задачи работы:

- анализ существующих методов и средств измерений и контроля остаточных напряжений (ОН);

- теоретическое обоснование метода;

- разработка методик по определению ОН, подготовке поверхности при использовании аппаратуры;

- изготовление аппаратуры и практические результаты работы с измерительным комплексом.

Объекты исследования. Детали, корпусы и конструкции из токопроводящих металлов и сплавов. Основные представители сгруппированы в 3 группы: 1) ферромагнитные материалы (стали); 2) неферромагнитные материалы с высокой проводимостью (алюминиевые сплавы); 3) неферромагнитные материалы с низкой проводимостью (никелевые и титановые сплавы) [48, 49].

Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:

- реализованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде измерительного комплекса СИТОН-ТЕСТ, которые показали в реальных условиях приемлемую точность, производительность и себестоимость изготовления;

- результаты исследований используются в учебном процессе в образовательных программах бакалавров, специалистов, магистров и в исследованиях аспирантов.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общепринятых положений физики твердого тела, метрологии, современной вычислительной техники; удовлетворительным совпадением результатов теоретических расчетов и результатов экспериментов; положительным эффектом внедрения разработанной методики, измерительного комплекса и его использования в производственных условиях [50-53].

Реализация в промышленности. Метод неразрушающего контроля определения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий при различных видах изготовления и условий эксплуатации в действующем производстве. Выполненные работы приняты к внедрению на предприятиях машиностроения России (ОАО «НПО «Сатурн», ОАО «Техприбор», НПП «Сигма-Тест», ОАО «Пермские моторные заводы», и

ДР-)

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались в течение 2006-2009г.г. на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах в г.г. Иваново, Рыбинск, Москва, а также в учебных заведениях: ПИМаш (ЛМЗ-ВТУЗ), СПбГУ ИТМО, ИвГУ. Апробация проведена на ОАО «ПМЗ», ФГУП «ЦНИИ им.А.Н.Крылова», ОАО «НИАТ», ОАО «Техприбор», ПИМаш, ГАЗПРОМ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 работы в реферируемых журналах и 2 патента. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунка, 11 таблиц, список литературы, включающий 85 наименований, 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Васильков, Сергей Дмитриевич

Общие выводы по диссертации

1. Проведен анализ методов исследования напряжённо-деформированного состояния по определению механических напряжений, который показал необходимость развития неразрушающего резистивного электроконтактного метода применительно к любым металлам и сплавам, включая алюминиевые, титановые и никелевые сплавы.

2. Проведены теоретические обоснования взаимосвязи электрических и механических свойств изделий из металлов и сплавов, с применением явления скин-эффекта. Показана возможность построения корреляционной зависимости этих свойств для нахождения остаточных напряжений.

3. Сформулировано определение эффективного удельного сопротивления (ЭУС) в качестве информативного сигнала, идентифицирующего изменения протекания тока в материале изделий.

4. Разработаны методики определения и калибровки механический напряжений, в том числе остаточных напряжений, реализованные на основе ЭУС, которые апробированы в лабораторных и цеховых условиях и могут быть реализованы в условиях действующего производства.

5. Выполнены обоснование, разработка, изготовление и метрологическая проработка аппаратуры СИТОН-ТЕСТ, которые позволили осуществить комплекс исследований напряженного состояния поверхностного слоя деталей реальных изделий.

6. Разработан программный комплекс, который реализует в полном объеме методики измерений и калибровки при неразрушшощем контроле остаточных напряжений резистивным электроконтактным методом.

7. Разработана методика определения механический напряжений, в том числе остаточных напряжений, реализованная на основе ЭУС.

8. Проведены обоснование, разработка и изготовление аппаратуры СИТОН-ТЕСТ и программное обеспечение его функционирования, которые позволили осуществить комплекс исследований напряженного состояния поверхностного слоя деталей реальных изделий.

9. Проведены метрологические исследования по настройке аппаратуры для экспериментальных исследований с привязкой к стандартным средствам измерения.

10. Сопоставительные расчетные и экспериментальные исследования механических напряжений, выполненные с использованием аппаратуры неразрушающего контроля СИТОН-ТЕСТ, показали расхождение не более 15%, что является приемлемым для практического применения. Измерения на реальных изделиях из стали, алюминиевых, никелевых сплавов подтвердили такой вывод.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильков, Сергей Дмитриевич, 2010 год

1. Рыжов Э.В., Суслов А.Г. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.

2. Биргер И.А. Остаточные напряжения. — М: Машгиз. 1963, 233 с.

3. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах / Чернышев Г.Н., Попов A.JL, Козинцев В.М., Пономарев И.И. М., 1996.

4. Технология приборостроения. Учебное пособие / Валетов В.А., Кузьмин Ю.П., Орлова А.А., Третьяков С.Д., , СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 -336 с.

5. Дубоделова О.С., Ивченко Т.Г. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое детали при совместной обработке точением и обкатыванием. / Дубоделова О.С., Ивченко Т.Г.// Донецк: ДонНТУ, 2005, № 6. С. 132-135.

6. Маталин А.А. Технология машиностроения. Учебник. М.: Изд. Лань, 2008. 512 с.

7. Исследования и изобретательство в машиностроении: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / М.Ф. Пашкевич, А.А. Жолобов, Ж.А. Мрочек, JI.M Кожуро, В.М.Пашкевич; Под общ. Ред. М.Ф.Пашкевича. Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2005. - 287 с.

8. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. - 320с.

9. Вишняков Я. Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М., Металлургия, 1989, 254 с.

10. Сучков Г.М. Высокочувствительный электромагнитно — акустический преобразователь // Контроль. Диагностика. №10. 2001. с. 3032.

11. Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р Формирование технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях торсионных валов при обкатывании Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. / Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р // М.: ЗАО "Тиссо", 2007. 517с

12. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М.М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. М.: Янус-К, 2003, 296 с.

13. Валетов В.А., Мурашко В.А. Основы технологии приборостроения / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 - 180с.

14. Васильков С.Д., Александров А.С., Афанасьев И.В. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава после механической обработки // Инструмент и технологии, № 3031,2009. С. 83-85.

15. Технологические остаточные напряжения / Подзей А.В., Сулима A.M., Есвтигнеев М.И. и др. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.

16. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.

17. Меркулова Н.С., Иванова Т.О., Гринченко М.И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация // Упрочняющие технологии и покрытия, №3, 2006. С.46-48.

18. Технологические остаточные напряжения / Подзей А.В., Сулима A.M., Есвтигнеев М.И. и др. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.

19. Жуковский В.К., Гохман А.Р. Связь коэффициента линейного температурного расширения с остаточными напряжениями // ЖТФ, т.79, Вып.4, 2009. С.90-96.

20. Чернышев Г.Н., Попов A.JL, Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука, 1996. 356 с.

21. Sommer С., Christ H.J., Mugraby Н. // Alfa Met. 1991. Vol. 39. N 6. P. 1177-1187.

22. Одинцов И.Н., Щепинов В.П., Щиканов А.Ю. // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 11. С. 106-110.

23. ГОСТ Р 52891-2007 Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. Общие требования. М.: Росстандарт, 2009. 12 с.

24. Трофимов В.В., Башкарев А .Я., Краус И. Рентгеновская тензометрия это так просто // В мире неразрушающего контроля, №1(27), 2005. С.28-32.

25. Боуэн Д. К., Таннер Б. К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография. М.; Наука, 2002. 274 с.

26. Лиопо В.А., Война В.В. Рентгеновская дифрактометрия. Гродно: ГрГУ, 2003. 171 с.

27. Хейкер Д.М., Зевин JI.C. Рентгеновская дифрактометрия М.: Мир, 1985. 380 с.

28. Решенкин А. С. Магнитошумовой метод контроля состояния силовых конструкций // Автомобильная промышленность", № 8, 2005. С. 31-32.

29. Шур В.Я., Кожевников B.JL, Пелегов Д.В., Николаева Е.В., Шишкин Е.И. Скачки Баркгаузена при движении одиночной сегнетоэлектрической доменной стенки // ФТТ, т.43, вып.6, 2001. С. 10891092.

30. Эндоскопический контроль в промышленности. Электронный ресурс.: OmniScan MX ЕСА. М., [200-]. - Режим доступа http://www.mmmsystem.ru/pages/emiclm.htiTi.

31. Чернышев Г.Н. Полезные и опасные остаточные напряжения / Г.Н. Чернышев, A.JI. Попов, В.М. Козинцев // Природа. 2002. №10.

32. Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М., Металлургия, 1989, 254 с

33. Сучков Г.М. Высокочувствительный электромагнитно-акустический преобразователь // Контроль. Диагностика. №10. 2001. с. 30 -32

34. Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р Формирование технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях торсионных валов при обкатывании Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. / Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р // М.: ЗАО "Тиссо", 2007. 517с

35. Эндоскопический контроль в промышленности. Электронный ресурс.: OmniScan MX ЕСА. М., [200-]. - Режим доступа http://www.mmmsystem.ru/pages/emiclm.htm

36. Бураков А.И., Гутнер А.Б., Васильков Д.В., Васильков С.Д., Иванов С.Ю. Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов. Патент на изобретение № 2327124. ФИПС, 2006.

37. Рожков В.Н. Контроль качества при производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 2007. 416 с.

38. Палатник Е.Г., Равицкая Т.М., Островская Е.Л. Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. 160 с.

39. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах / Под ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение, 1968. Т.1, 831 е.; Т.2, 463 е.; Т.З, 567 с.

40. Суслов А.Г. Технология машиностроения. М.: Машиностроение, 2004. 400 с.

41. Ковалев А.В. Клюев В.В. Соснин Ф.Р. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник (под ред. Клюева В.В.) Изд. 3-е, перераб., доп. Изд. Машиностроение, 2005, 656с.

42. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник. / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1976, т. 2.- 326 с.

43. Поздеев А. А., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения: теория и приложения. М.: Наука, 1982.112 с.

44. Васильков Д.В., Вейд В.Л., Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: Изд-во "Инструмент", 1997.- 230 с.

45. Васильков С.Д. Исследования по определению остаточных напряжений через удельное электросопротивление. Сб.научн.тр.

46. Васильков С.Д., Александров А.С., Афанасьев И.В. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава после механической обработки // Инструмент и технологии, №3031, 2009.

47. Улыбин А.В., Васильков С.Д. Использование резистивного электроконтактного метода для контроля напряжённо-деформированного состояния элементов стальных конструкций. Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2009. - N6(91). - С.155-160.

48. Безъязычный В.Ф. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 2004.

49. Иванов С.Ю. Обеспечение геометрической точности маложестких деталей машин управлением технологическими параметрами обработки. / Автореф. канд. диссерт. Л.: СЗПИ, 1989. - 18 с.

50. Металлы и сплавы. Справочник. В.К. Афонин, Б.С. Ермаков, Е.Л. Лебедев, Е.И. Пряхин, Н.С.Самойлов, Ю.П.Солнцев, В.Г. Шипша. Под ред. Ю.П. Солнцева. Изд. «Мир и семья», 2003г. 1066с.

51. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. Машиностроение. М. 1979 г. 288 с.

52. Житомирский Г.И. Конструирование самолетов. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. 406 с.

53. Конструкционные материалы для летательных аппаратов: Учеб. пособие / П.Ф. Вербенец, В.В. Гайдачук, Я.С. Карпов, В.В. Кириченко. -Харьков; Харьк. авиац. ин-т, 1964. 109 с.

54. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1986, 359с.

55. Абраимов Н.В. Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов. М.: Высшая школа, 1988. 444 с.

56. Никитина Н.Е., Камышев А.В., Смирнов В.А., Борщевский А.В., Шарыгин Ю.М. "Определение осевых и окружных напряжений в стенке закрытой трубы ультразвуковым методом на основе явления акустоупругости". Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 49-54.

57. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов, М., 1974,400с.

58. Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. Аристова Н. А., Колобнев И. Ф. М., «Металлургия», 1977. 144 с.

59. Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин, 2 изд., М., 1969.

60. Денисов А.В., Крымов В.М., Пунин Ю.О. Исследование оптических аномалий и остаточных напряжений в базисно ограниченных ленточных кристаллах сапфира, выращенных методом Степанова // ФТТ, т.49, вып.З, 2007. С.454-459.

61. Tokuoka Т., Saito М. Elastic wave propagations and acoustical birefringence in stressed crystals // J. Acoust. Soc. Amer. 1969. - Vol. 45. - P. 1241-1246.

62. Воробьев E.A. Конструирование устройств СВЧ. П.: Судостроение, 1985.

63. Воробьев Е.А. Радиоволновой контроль судовых радиотехнических конструкций и материалов. JL: Судостроение, 1986.

64. Воробьев Е.А. Исходные точностные критерии, необходимые для конструирования измерительной аппаратуры СВЧ-диапазона / Материалы НТК «Радиоизмерения-75», t.IV. Каунас Вильнюс, 1975.

65. Власов В.Т., Дубов А. А. Физическая теория процесса «деформация разрушение». Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517с.

66. Берестецкий В.Б., Лившиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. // Теоретическая физика в 10 томах, т.4. М., «Наука». 1989. С.421.

67. И.Е.Тамм. Основы теории электричества. М., 1976. 616с.

68. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учебное пособие. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. - 664с.

69. Семенов А. С., Электроразведка методом естественного электрического поля, 3 изд., Л., 1980.

70. Кочаров Э.А., Тараканов Ю.В. Способ электрического неразрушающего контроля токопроводящих материалов и устройств его реализации. Патент на изобретение № 2256906. ФИПС, 2002.