СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных, преимущественно ферромагнитных, материалов магнитными методами и может быть использовано для измерения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов и сварных соединений в деталях различных конструкций ответственного назначения, например, в сварных и клепаных фермах, в стенках трубопроводов, сосудах высокого давления и других объектах энергетической, химической, машиностроительной отраслей промышленности и различных видов транспорта, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.

Современная диагностика имеет большой арсенал разновидностей средств и методов измерения механических характеристик материалов, причем основное место в этом арсенале занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений. Все известные магнитные методы диагностики конструкционных материалов можно разделить на две группы: активные - с созданием в материале исследуемой детали "принудительного" магнитного поля заданной ориентации и пассивные - использующие остаточную намагниченность изделия, вызванную внешними магнитными полями естественного или искусственного происхождения [1, 2].

Недостатки известных активных магнитных методов диагностики состояния конструкционных материалов заложены в самой физической сути этих методов и выражаются в полной нечувствительности к аномалиям материала, расположенным в глубине детали, а также к аномалиям (даже трещинам), расположенным на поверхности детали, но ориентированным вдоль силовых линий магнитного поля.

Известные пассивные магнитные методы определения напряженно-деформированного состояния ферромагнитных конструкционных материалов представляют более тонкий инструмент, поскольку позволяют качественно отслеживать изменение остаточных напряжений под действием внешних сил.

Недостатками пассивных магнитных методов являются низкая чувствительность к аномалиям, расположенным в глубине материала, и неоднозначность результатов определения напряженно-деформированного состояния. Эти методы основаны на зависимости магнитных характеристик материала от его структуры или фазового состояния, которые определяются технологической или эксплуатационной предысторией материала и начинают заметно изменяться только при больших значениях пластических деформаций, соответствующих околопредельным уровням механических напряжений.

Более того, известные в настоящее время средства диагностики измеряют лишь некие параметры используемых физических полей, связанные в общем случае не с механическими напряжениями в чистом виде, а с совокупностью характеристик напряженно-деформированного состояния материала, причем связанные недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными зависимостями. А это значит, что измеренные параметры не могут достоверно характеризовать состояние материала.

Наиболее близким является способ определения зон остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитного материала, заключающийся в том, что измеряют нормальную и тангенциальную составляющие напряженности магнитного поля рассеяния в каждой из заданного множества точек на поверхности исследуемого объекта, сравнивают измеренные значения составляющих напряженности магнитного поля и по точкам, в которых нормальная и тангенциальная составляющие напряженности равны, определяют границы зоны остаточных напряжений [3].

Недостатком этого способа определения зон остаточных напряжений является большая погрешность, обусловленная значительной размытостью границ равенства нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля вследствие сильной зависимости величины тангенциальной составляющей от расстояния до поверхности исследуемого объекта и направления ее измерения.

Однако главным недостатком этого и всех других известных способов определения характеристик напряженно-деформированного состояния материала деталей конструкций является невозможность получения абсолютных значений исследуемых характеристик, показывающих количественную степень близости фактически существующего в материале конструкции напряженно-деформированного состояния к критическому.

Кроме того, необходимо заметить, что в большинстве случаев термин "остаточные напряжения" применяется некорректно, поскольку в любой эксплуатируемой конструкции остаточные напряжения действуют в совокупности с рабочими нагрузочными напряжениями и напряжениями, возникающими в процессе старения и деградации материала, поэтому следует говорить о "внутренних напряжениях".

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются получение количественных характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов (преимущественно ферромагнитных металлов) при одновременном повышении чувствительности, точности и достоверности результатов за счет использования собственных магнитных полей, создаваемых микродефектами структуры - дислокациями и их скоплениями. Разработанный способ обеспечивает:
- получение количественных характеристик внутренних напряжений;
- получение количественной информации о степени опасности или активности зарождающихся и развивающихся трещин;
- реконструкцию скалярных и векторных полей распределения внутренних напряжений;
- возможность прогнозирования динамики изменения напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов в реальных условиях эксплуатации.

Решение поставленных задач достигается тем, что в способе определения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов деталей и конструкций, заключающемся в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по изменению которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений, измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности, вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала.

Кроме того, дополнительно определяют направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеряют ее абсолютную величину и вычисляют вектор максимума внутренних напряжений.

Кроме того, дополнительно одним из известных способов измеряют расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычисляют величину накопленной в этой зоне энергии, по которой судят о степени активности зарождения и роста трещины.

Кроме того, измерения проводят по всей поверхности исследуемого объекта, выполняют необходимые вычисления и строят скалярные или векторные поля распределения внутренних напряжений.

И, наконец, измерения проводят повторно, через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают поля распределения внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по характеру изменения полей определяют зону и направление возможного разрушения.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании малоизвестных и неизученных в аспекте практического применения свойствах дефектов кристаллической структуры металлов - дислокаций. Дислокация как реально существующий объект обладает вполне реальными физическими свойствами, обусловленными несбалансированностью электромагнитных полей, вызванной локальным разрушением элементов кристаллической атомной решетки [4]. В случае ферромагнитного материала, элемент решетки представляет собой куб с атомами в его углах, а вся решетка - строгую пространственную структуру. Разрушение такого порядка проявляется как появление полуплоскости, являющейся своеобразным клином, на границах которого оказываются "оторванные" электрические заряды и спиновые моменты. Наличие избыточного количества свободных электронов по обе стороны границ позволяет компенсировать несбалансированность электрических зарядов, однако, "новые" электроны не в состоянии компенсировать разность спиновых моментов, что приводит к появлению элементарного магнитного момента - источника собственного магнитного поля дислокации. Поскольку в материале, даже в ненапряженном состоянии, существует значительное количество дислокаций, то материал представляет собой совокупность произвольно ориентированных "магнитиков", создающих собственное интегральное магнитное поле материала. В идеальном - однородном изотропном материале напряженность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами дислокаций, будет равно нулю. Но любая неоднородность материала, свойственная всем реальным материалам, вызывает перемещения и группирование дислокаций [5], что приводит к появлению скоплений дислокаций, которые имеют существенно большие магнитные моменты. Это и является причиной неравномерности напряженности магнитного поля. Поскольку магнитное сопротивление ферромагнитных материалов мало, то магнитные потоки, создаваемые скоплениями дислокаций, векторно суммируясь, будут распространяться во всем объеме исследуемого материала с минимальными потерями, что дает возможность регистрировать скопления дислокаций, находящихся не только на поверхности исследуемой детали, но и в толще материала, и даже на противоположной стороне детали. Этим объясняется высокая чувствительность нового способа.

Таким образом, принципиальное отличие предлагаемого способа от известных магнитных способов заключается в том, что измеряются параметры собственных магнитных полей дислокаций и их скоплений, тогда как все известные магнитные методы измеряют поля рассеяния, т.е. отклонения искусственно созданных магнитных полей, вызванные неоднородностями исследуемого материала. При этом искусственно создаваемые поля, обладая гораздо большей энергией, чем собственные поля скоплений дислокаций, практически полностью подавляют последние.

Следует отметить, что предлагаемый способ принципиально может быть применен и для диагностики диамагнитных материалов. Однако здесь имеются серьезные осложнения технического характера, связанные с большим магнитным сопротивлением этих материалов и приводящие к необходимости обеспечения высокой чувствительности приемного тракта и глубокой компенсации внешних магнитных полей. В случае парамагнитных материалов применение предлагаемого способа невозможно вследствие того, что элементом их кристаллической структуры является гране- или объемноцентрированный куб, разрушение которого не приводит к разбалансу магнитных моментов [4].

Реализуют способ следующим образом. Перемещая датчик напряженности магнитного поля по поверхности исследуемого объекта, по показания прибора находят глобальный или локальный максимум и измеряют значение нормальной составляющей напряженности - H_z, затем одним из известных способов [1, 2] измеряют абсолютную магнитную проницаемость μ_a материала в зоне максимума. Если применяемый прибор измеряет относительную магнитную проницаемость μ, то абсолютную вычисляют по формуле:
μ_a = μ₀•μ, (1)
где μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Поскольку дислокация или их скопление является магнитным диполем, то сила, действующая на концы диполя - границы дефекта элемента кристаллической структуры - края будущей трещины, определяется следующей формулой:
F_z = B_z•H_z•S_д, (2)
где B_z - проекция магнитной индукции на нормаль к поверхности изделия в зоне максимума напряженности, причем:
B_z = μ_a•H_z; (3)
здесь S_д - площадь поверхности, пронизываемая магнитным потоком.

Но поскольку эта поверхность является поверхностью, на которую действует сила магнитного поля, то можно определить величину проекции напряжения, действующего в зоне дислокации или их скопления:
σ_z = F_z:S_д = μ_a•(H_z)². (4)
Таким образом получается количественная оценка величины внутренних напряжений, действующих в зоне зарождающегося или растущего дефекта. В таком варианте способ целесообразно применять при определении напряженно-деформированного состояния материала тонких изделий, испытывающих одноосные нагружения. Проводя аналогичные операции в точках, определяемых заданной или выбранной координатной сеткой, можно построить скалярное поле распределения внутренних напряжений.

Для получения более полной характеристики напряженно-деформированного состояния материала объемных изделий или в случае сложного нагружения необходимо дополнительно измерять тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля в тех же точках, где измерялась нормальная составляющая. Для этого необходимо, поворачивая датчик напряженности, найти максимальное значение тангенциальной составляющей - H_ϕ, измерить ее величину и угол - ϕ между направлением максимума тангенциальной составляющей и одной из осей используемой системы координат. При этом вектор напряженности магнитного поля определяется модулем - |H| и направляющими углами - ϕ и ξ. Для вычисления модуля - |H| и угла в плоскости, нормальной к поверхности обследуемого объекта, - ξ используют следующие формулы:
|H| = [(H_z)²+(H_ϕ)²]^0,5 (5)
ξ = arctg(H_z:H_ϕ). (6)
Затем, проведя вычисления, аналогичные приведенным выше, можно получить полные характеристики вектора внутреннего напряжения в отдельной точке (локальной зоне) и построить векторные поля распределения внутренних напряжений в исследуемом изделии.

Кроме того, если измерить каким-либо подходящим из известных методов (например, ультразвуковым) расстояние до аномальной зоны L и ее толщину ΔL, a по координатам этой зоны на карте распределения полей напряжений вычислить площадь зоны S₃, то можно рассчитать W₃ - величину энергии, запасенной в скоплении дислокаций и определяющей активность зарождения или роста трещины:
W_з = 0,5•μ_a•|H|²•S_з•ΔL. (7)
Следует отметить, что приведенные формулы показывают методику расчета параметров характеристик напряженно-деформированного состояния материала и могут служить для приближенных расчетов в объектах простой формы. При исследовании реальных объектов, а также для получения более точных результатов необходимо учитывать геометрию объекта и зоны, что отразится на формулах введением функций, описывающих геометрию и характер распределения напряженности магнитного поля и переходом к интегрированию по поверхности для внутренних напряжений и по объему для энергии. При этом для однотипных объектов могут быть разработаны специальные программы.

Источники информации, принятые во внимание
1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, Т. 2, -М,: Машиностроение, 1986 г.

2. Неразрушающий контроль. , Кн. 3., Электромагнитный контроль, -М.: Высшая школа, 1992 г.

3. Патент РФ, М. кл. G 01 L 1/12, N 1727004, 1990 г.

4. Ч. Киттель, Элементарная физика твердого тела, -М.: Наука, 1969 г.

5. Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, Ч. 1., Деформация и разрушение, Изд. "Машиностроение", Москва, 1974 г.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик материалов. Способ заключается в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта и определении зоны скопления дислокаций, соответствующих аномальным зонам внутренних напряжений. Измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности и вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. Дополнительно можно определить направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измерить ее абсолютную величину и вычислить вектор максимума внутренних напряжений. Дополнительно можно одним из известных способов измерить расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычислить величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой можно судить о степени активности зарождения и роста трещин. Изобретение дает возможность получать количественные характеристики внутренних напряжений. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ определения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов деталей и конструкций, заключающийся в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по измерению которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений, отличающийся тем, что измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности, вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеряют ее абсолютную величину и вычисляют вектор максимума внутренних напряжений. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно одним из известных способов измеряют расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычисляют величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой судят о степени активности зарождения и роста трещин. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что измерения проводят по всему телу исследуемого объекта и после соответствующих вычислений строят картину распределения скалярных или векторных полей внутренних напряжений. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что измерения проводят повторно через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают картины распределения полей внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по изменению картины полей определяют зону и направление возможного разрушения.