Разработка основ методики неразрушающего контроля состояния металла, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Мещеряков, Денис Евгеньевич

• Мещеряков, Денис Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мещеряков, Денис Евгеньевич

Введение.

Глава I. Деградация свойств металла и её оценка.

1.1 Диагностирование технического состояния металлоконструкций.

1.1.1 РазвитиеНК.

1.1.2 Совершенствование средств и методов НК.

1.1.3 Классификация методов НК.

1.2 Деградация механических свойств конструкционных сталей.

1.2.1 Разупрочнение.

1.2.2 Упрочнение.

1.2.3 Охрупчивание, оценка сопротивления хрупкому разрушению.

1.2.3.1 Обратимая отпускная хрупкость.

1.2.3.2 Необратимая отпускная хрупкость.

1.2.3.3 Водородная хрупкость.

1.2.3.4 Деформационное старение.

1.2.3.5 Другие виды факторов охрупчивания.

1.3 Оценка деградации механических свойств металла.

1.3.1 Оценка свойств по образцам свидетелям.

1.3.2 НК механических свойств по твёрдости.

1.3.3 Метод оценки механических свойств с использованием кинетической диаграммы твёрдости (КДТ).

1.4 Метод НК на основе явления акустической эмиссии.

1.4.1 Развитие метода акустической эмиссии.

1.4.2 Информативные параметры метода АЭ.

1.4.3 Анализ параметров АЭ.

1.4.4 Источники АЭ.

1.4.5 Области применения метода АЭ.

Выводы.

Глава II. Методика экспериментов, описание образцов.

2.1 Нагруженне и сбор АЭ данных.

2.2 Материалы и образцы.

2.3 Методика наводороживания образцов для исследования.

2.4 Методика цифрового анализа данных.

Глава III. Исследование влияния техники эксперимента на параметры АЭ при индентировании.

3.1 Оценка влияния скорости нагружения.

3.1.1 На примере углеродистой стали.

3.1.2 На примере легированной стали.

3.2 Оценка влияния тина нндентора.

3.2.1 На примере углеродистой стали.

3.2.2 На примере легированной стали.

3.3 Оценка влияния характеристик датчика АЭ на результаты измерения.

Выводы.

Глава IV. Оценка сопоставимости результатов анализа параметров

АЭ при растяжении и индентировании.

4.1 По форме кривой спектральной плотности сигналов АЭ.

4.2 В поле признаков «энергия — медианная частота».

4.3 По зависимости общего счёта сигналов АЭ основных типов при увеличении нагрузки и их амплитудному распределению.

4.4 По RMS АЭ при увеличении нагрузки.

Выводы.

Глава V. Исследование связи между структурой (состоянием) стали и параметрами АЭ при индентировании.

5.1 Чувствительность энергетических параметров АЭ к НОХ.

5.1.1 Сталь 20 с различной температурой отпуска.

5.1.2 Сталь 40 с различной температурой отпуска.

5.1.3 Сталь 35Г2 с различной температурой отпуска.

5.2 Влияние наводороживания на параметры АЭ на примере легированных сталей.

5.2.1 Оценка изменения энергетических параметров у1Э.

5.2.2 Оценка изменения спектральных характеристик АЭ.

5.3 Влияние предварительной деформации на параметры сигналов АЭ при индентировании образцов углеродистой стали 20.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка основ методики неразрушающего контроля состояния металла, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии»

Актуальность темы. В настоящее время задача оценки ресурса работы оборудования приобретает качественно новый характер. Вопрос «сломается конструкция или нет?» сегодня звучит некорректно. Правильней будет спросить «когда она сломается?». Поэтому расчёт на надёжность вновь вводимого оборудования и оценка остаточной работоспособности уже работающего сводится к принятию критериев приемлемого уровня риска. Наука подходит к уровню развития, когда безопасность не просто обеспечивается, а происходит управление безопасностью (рисунок 1.1) [1, 2]. И, как это не цинично звучит, все отказы и поломки оборудования уже фактически запланированы в нормативно-технической документации (таблица 1).

2010' к /БезоЛ уласносты^ Управление безопасностью

1990 VI Приемлемые риски отказов, аварий и катастроф

1980 V / Живучесть \ Трещиностойкость

1960 IV / Надежность \ Отказоустойчивость

1900 III / Ресурс \ Долговечность

1800 п / Жесткость, устойчивость \ Сохранение размеров и формы

1600 I / Прочность \ Неразрушаемость

Годы а II Л| Базовые требования Практический результат

Ж Ж Ж Ж Ж х о> га

S- Т

01 о ' ^ z х

X * а-s

5 4

Направления развития

Рисунок 1.1 - Общая структура обеспечения работоспособности объектов техносферы [2J Таблица 1 - Вероятность крупных аварии на различных объектах техники [1]

Объект Вероятность, 1/год

Требуемая Реальная

Реакторы, активная зона ю-7 2 • Ю-3

Реакторы, первый контур 10"6 5 • 10"3

Ракетно-космические системы ю-3 5 • 10"3

Турбогенераторы ю-4 3 • 10"3

Летательные аппараты ю-4 5 • 10'3

Трубопроводы (по 1000 км) 2 • 10"3 10'3

При развитии в элементе конструкции каких-либо повреждений и, тем более, трещин сразу же возникает вопрос о соответствии механических свойств материала проекту и условиям эксплуатации. Конструкция должна работать при соблюдении проектных условий (напряжение, температура, скорость нагружения, среда и т.п.) и преждевременное ее повреждение или выход из строя (отказ) свидетельствует, что элемент выполнен не из того материала, были нарушены технология его изготовления или допущены ошибки в расчетах на прочность. Сегодня к этим причинам отказа оборудования добавляется его эксплуатация за пределами расчетного ресурса [4].

С 1991 г. Госгортехнадзор России, отстаивая государственные интересы безопасности на производстве, стимулировал поиск возможностей продления ресурса безопасной эксплуатации поднадзорных объектов. В последние годы стало возможным выстроить базу оценки технического состояния конструкций на основе достоверного дефектоскопического контроля, надежного определения напряженно-деформированного состояния и, наконец, объективной диагностики состояния материалов - вот «три кита», обеспечивающие надежную и достоверную оценку технического состояния конструкции [4].

Учитывая актуальность вышеописанной проблемы, настоящая работа посвящена разработке и созданию экспериментальной установки и методики для диагностики состояния конструкционных материалов, позволяющей оценивать характеристики механических свойств металла и степени их деградации на момент обследования.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является повышение информативности и надежности оперативного контроля состояния металла неразрушающим способом на основе сочетания методов акустической эмиссии и индентирования.

Для достижения цели требовалось решить следующие задачи

1. Оценка влияния техники эксперимента по индентированию (скорости внедрения и типа индентора, характеристик канала измерения и т.д.) на параметры АЭ.

2. Оценка сопоставимости результатов анализа параметров АЭ при растяжении и индентировании.

3. Исследование связи между структурой (состоянием) стали и параметрами (энергетическими и спектральными) АЭ при индентировании.

Научная новизна: на основе комплексного исследования поведения ряда конструкционных сталей получены следующие новые результаты, относящиеся к объёму исследуемых материалов:

- установлено, что среднее квадратическое значение (RMS) АЭ при индентировании линейно зависит от скорости внедрения индентора в материал, но при этом общее количество регистрируемых дискретных сигналов АЭ, вид средней спектральной плотности и их распределение в координатах «энергия - медианная частота» от скорости (в диапазоне 0,04.4,0 мм/мин) не зависит;

- показано, что вид индентора (конус, шарик и усеченный конус) не оказывает существенного влияния на спектральные характеристики АЭ при индентировании;

- установлено, что спектральный состав основных групп сигналов АЭ при растяжении и индентировании образцов стали 20 качественно одинаков, следовательно, соответствующие им источники АЭ при данных схемах испытаний имеют одну й ту же природу происхождения;

- на примере стали 20, 40 и 35Г2 показано, что энергетические характеристики АЭ при индентировании являются структурно чувствительным к явлению необратимой отпускной хрупкости;

- на примере сталей 13ХФА, 08ХМФЧА, 13ХФЧА показано, что спектральные и энергетические характеристики АЭ при индентировании являются чувствительными к изменениям в структуре стали после выдержки образцов в сероводородной среде.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Полученные результаты сопоставления двух видов механических испытаний с одновременной регистрацией АЭ и практические результаты, показывающие чувствительность данного метода к структурным изменениям стали, позволяют говорить о возможности перехода от разрушающих методов определения характеристик металла и оценки его состояния (степени деградации) к неразрушающим, путем совмещения методов АЭ и кинетического индентирования с применением спектрального анализа сигналов.

В частности полученные результаты позволяют создать методику экспресс диагностики необратимой отпускной хрупкости конструкционной стали.

На защиту выносятся:

- Результаты оценки влияния на параметры АЭ при индентировании техники эксперимента (скорости внедрения и типа индентора).

- Сопоставление результатов анализа энергетических и спектральных параметров АЭ при двух видах нагружения образцов стали 20: одноосном растяжении и индентировании.

- Результаты оценки чувствительности методики, совмещающей кинетическое индентирование и АЭ с применением спектрального анализа, к водородной повреждаемости на примере сталей 13ХФА, 08ХМФЧА, 13ХФЧА и явлению необратимой отпускной хрупкости на примере сталей 20, 40 и 35Г2.

Достоверность полученных результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, использованием современных методов измерения и обработки; сопоставлением полученных результатов между собой и с результатами, полученными другими авторами, а также известными физическими явлениями.

Апробация

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 9 конференциях разного уровня: XVIII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», 6-10 февраля, Тольятти; XVI Петербургские чтения по проблемам прочности, 14-16 марта 2006 г., Санкт-Петербург; III Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», 18-20 апреля 2006 г., Москва; XVI международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», 26-29 июня, Самара, 2006 г.; «Актуальные проблемы прочности», 45 международная конференция, Белгород, 2006 г.; «Фазовые превращения и прочность кристаллов», международная конференция, 4-8 сентября 2006 г., Черноголовка; «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», XIX Уральская школа металловедов-термистов, Екатеринбург, 2008 г.; 47-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», 1—5 июля 2008 г., г. Нижний Новгород; Progress in acoustic emission XIV, the Japanese Society for NDI, 2008.

Публикации: основное содержание работы отражено в 15 публикациях, в том числе в двух статьях журналов, рекомендованных ВАК.

Работа выполнена при поддержке целевой программы «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов» и гранта РФФИ 08-02-99043-рофи.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Мещеряков, Денис Евгеньевич

Основные выводы

1. Изменение скорости нагружения на два порядка (0,04.4,0 мм/мин) при фиксированном значении конечной нагрузки (до 1500 Н) в пределах погрешности экспериментов не приводит к изменению количества регистрируемых дискретных сигналов АЭ, вида средней спектральной плотности и их распределения в координатах «энергия — медианная частота».

2. Средняя спектральная плотность дискретных сигналов АЭ и их распределение в координатах «энергия — медианная частота» практически не зависят от формы инденторов, использованных в рамках данной работы: конус, шарик, «усечённый» конус.

3. RMS непрерывной АЭ зависит от типа индентора и прямо пропорционально скорости внедрения индентора в материал, т.е. уровень энергетических параметров АЭ определяется объёмом материала, вовлекаемого в деформационный процесс в единицу времени.

4. В процессе индентирования количество сигналов дискретной АЭ и число основных групп, устанавливаемых путем их сортировки по форме спектральной плотности, при регистрации АЭ датчиками различных производителей (с близкой чувствительностью и при одинаковом усилении) отличается не существенно.

5. Спектральный состав сигналов АЭ при растяжении и индентировании образцов стали 20 для наиболее представительных групп качественно одинаков, что свидетельствует о единой природе происхождения основных источников АЭ при этих схемах испытания. По сравнению с индентированием при растяжении наблюдается более широкий набор типов сигналов АЭ, т.е. механизмы деформации и разрушения более разнообразны. Пик АЭ при растяжении формируется высокоэнергетическими сигналами типа 1, которые при индентировании имеют значительно меньшее значение энергии.

6. Энергетические характеристики АЭ для закалённых образцов стали 20 для двух видов испытаний в зависимости от температуры отпуска ведут себя схожим образом: зависимости среднего уровня RMS при индентировании и высоты пика RMS при растяжении от температуры отпуска имеют экстремум в одном и том же диапазоне температур 250-350 °С. Указанный диапазон температур совпадает с интервалом температур проявления необратимой отпускной хрупкости, т.е. энергетические характеристики АЭ чувствительны к охрупчиванию металла.

7. На примере стали 13ХФА показана высокая чувствительность метода АЭ при индентировании к водородной повреждаемости: в условиях наводороживания под напряжением образцов уже в первые 48 часов происходит снижение RMS и энергии сигналов АЭ, а также смещение спектра сигналов АЭ в сторону низших частот.

Заключение

Полученные результаты сопоставления двух видов механических испытаний с одновременной регистрацией АЭ и практические результаты, показывающие чувствительность данного метода к структурным изменениям стали, позволяют говорить о возможности перехода от разрушающих методов определения характеристик металла и оценки его состояния (степени деградации) к неразрушающим, путем совмещения методов АЭ и кинетического индентирования.

Данная работа завершена во многом благодаря научному руководителю Мерсону Дмитрию Львовичу. Кроме своего участия в роли наставника он постоянно морально подбадривал меня, и желание всё бросить так и не осуществилось (даже не произнесено вслух). Также слова благодарности выражаю Черняевой Елене Васильевне, с которой были проведены не один десяток совместных экспериментов и чьи многие идеи легли в основу работы. Отдельное спасибо сотрудникам испытательного центра ГОУ ВПО ТГУ, которые если и не напрямую, но косвенно помогали работать над диссертацией. Слова признательности хочется адресовать Всеволоду Вадимовичу Патлань, Александру Александровичу Разуваеву и Михаилу Юрьевичу Надточему. С помощью программного обеспечения, разработанного этими людьми, была обработана огромная часть данных по результатам экспериментов. Слова признательности выражаю начальнику отдела доводки кузова ОАО «АВТОВАЗ» Байбакову Александру Ивановичу за умеренную нагрузку по основному месту работы и возможность заниматься научно-исследовательской деятельностью.

Отдельное спасибо родителям, жене и дочке, которые терпели моё отсутствие и не всегда хорошее настроение по причине усталости.

ОГРОМНОЕ ВСЕМ СПАСИБО!

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мещеряков, Денис Евгеньевич, 2009 год

1. Гетман, А. Ф. Ресурс эксплуатации сосудов и трубопроводов АЭС / А. Ф. Гетман. — М.: Энергоатомиздат, 2000. - 427 с.

2. Махутов, Н. А. Роль механических испытаний в обосновании прочности, ресурса и безопасности / Н. А. Махутов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2007.-№9.-С. 56-63.

3. Горицкий, В.М., Диагностика металлов / В. М. Горицкий. М.: Металлургиздат, 2004. - 408 с.

4. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03) М: Госгортехнадзор России, 2003.

5. Власов, В. Т. Физические основы метода магнитной памяти металла / В. Т. Власов, А. Л. Дубов. М.: ЗАО "ТИССО", 2004. - 424 с.

6. Гетман, А. Ф. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления / А. Ф. Гетман, Ю. И. Козин. М. Энергоатомиздат, 1997. -288 с.

7. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / под. ред В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1995.-488 с.

8. Поведение стали при циклических нагрузках / пер. с нем. под ред. В. Даля. М.: Металлургия, 1983. - 568 с.

9. ГОСТ 23273-78. Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору). Введ. 1980-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1985. - С. 4.

10. Колмаков, А. Г. Методы измерения твёрдости. Справочное издание. / А. Г. Колма-ков, А. Ф. Терентьев, М. Б. Бакиров. М.: «Интермет Инжиниринг», 2000. - 128 с.

11. Инструкция по техническому надзору и эксплуатации сосудов, работающих под давлением, на которые не распространяются Правила Госгортехнадзора (ИТНЭ-93) -Волгоград: ВНИКТИ нефтехимоборудование, 1994. 61 с.

12. Инструкция по техническому надзору, методам ревизии и отбраковке трубчатых печей, резервуаров, сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств (ИТН-93) Волгоград: ВНИКТИ нефтехимоборудование, 1995. - 172 с.14.

13. ГОСТ 22761-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия. Введ. 1979-01-01. М. : Изд-во стандартов, 2003.-С. 8.

14. ГОСТ 22762-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара. — Введ. 1979-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1977. — С.12.

15. Материаловедение: Учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003.-648 с.

16. Матюнин, В. М. Механико-технологические испытания и свойства конструкционных материалов: Учебное пособие / В. М. Матюнин. М.: МЭИ, 2005. - 140 с.

17. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. Введ. 1979-01-01. М. : Изд-во стандартов, 2002.-С. 12.20