НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ КОЧАРОВА Э.А. ЭКСПРЕССНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ С МАКСИМАЛЬНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ Российский патент 2008 года по МПК G01L1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля и выявления зон с максимальными значениями приложенных и остаточных напряжений и может быть использовано при производстве, ремонте и эксплуатации металлоконструкций с целью выявления наиболее нагруженных (предрасположенных к разрушению) зон, в том числе при оценке работоспособности и остатка ресурса изделий и сооружений.

В настоящее время неразрушающих методов контроля напряжений не существует. Приложенные упругие (монтажные и эксплуатационные) напряжения контролируют тензометрированием [1]. По деформации приклеенного датчика, зная модуль упругости материала, рассчитывают величину напряжений. Остаточные напряжения определяют только разрушающим методом Н.Н.Давиденкова [2, 3, 4]. На выборке деталей из партии контролируемых (изготовленных или изъятых из эксплуатируемых изделий) вырезают узкие длинные плоские образцы. При их одностороннем стравливании измеряют толщину стравленного слоя и величину прогиба образцов образовавшегося при этом, по значениям которых рассчитывают средние напряжения в поверхностном стравленном слое.

Недостатки существующих методов

Методы тензометрии: низкая точность; метод не учитывает предысторию нагружения (деформации), до того как был наклеен датчик на деталь; место наклейки датчика определяют экспериментально по местам разрушения аналогичных деталей.

Методы Давиденкова Н.Н.: метод разрушающий, выборочный и не учитывает возможные разбросы остаточных напряжений в деталях всей изготовленной (особенно эксплуатируемой) партии; не учитывает флюктуации напряжений по поверхности деталей, узкие плоские образцы могут быть вырезаны не в самом нагруженном месте и результаты напряжений будут занижены; выдает средние напряжения по длине образца, в то время как детали ломаются по участкам наибольших напряжений; не позволяет оценить даже осредненные упругие (монтажные) напряжения в деталях, находящихся в изделиях, т.к. при демонтаже с изделий упругие напряжения релаксируются; применим только для контроля плоских по форме деталей.

Цель изобретения

Предложить неразрушающий экспрессный метод, позволяющий быстро и точно выявлять на деталях (в том числе на доступных участках деталей, находящихся в собранных и эксплуатирующихся изделиях) опасные зоны с максимальными как упругими, так и остаточными напряжениями.

Указанное позволяет правильно выбирать зоны выреза плоских образцов при контроле напряжений методом Н.Н.Давиденкова на вновь изготавливаемых деталях. На деталях, находящихся в изделиях, метод позволит точнее выявить места наклейки тензодатчиков или измерять величину остаточных напряжений, разрабатываемыми ныне неразрушающими методами [3], доведенными до практического применения, с наименьшими трудозатратами и только на опасных участках с максимальными напряжениями.

Данная цель достигается путем измерения величины работы выхода (РВ) неразрушающим методом контактной разности потенциалов (КРП) [5] и выявлением зон, где РВ максимальная (КРП минимальная) путем сканирования по поверхности контролируемой детали датчиком прибора типа «Поверхность» [6, 7].

Научные основы способа заключаются в нижеследующем. Согласно электронной теории твердого тела РВ (ϕ) [5, 8, 9]

где Е_а - энергия потенциального барьера на поверхности твердого тела;

Е_F - энергия, соответствующая уровню Ферми.

Если Е_F определяется структурой вещества и его температурой, то E_a зависит от состояния поверхности, в том числе от наличия и толщины оксидного слоя.

С накоплением усталостных повреждений, а также при упрочнении деталей поверхностным пластическим деформированием, возрастает плотность дислокации в поверхностном слое материала деталей, что сопровождается возникновением усталостных [10] и наведенных [11] остаточных напряжений. Одновременно повышение плотности дислокации активизирует поверхность металла, уменьшая его РВ [12], причем чем сильнее активирована поверхность (чем меньше РВ), тем быстрее она пассивируется (окисляется), что приводит к росту РВ [12, 13].

Окисление металлов на воздухе происходит практически мгновенно. Так, мономолекулярный слой оксида на воздухе образуется за 2,4 наносекунды [14]. А так как активными центрами хемосорбции кислорода являются дефекты кристаллического строения, и в первую очередь дислокации [15], то с ростом плотности дислокаций, т.е. с ростом напряжений толщина оксида и РВ практически мгновенно возрастают [12].

Причина увеличения РВ окисленных металлов заключается в том, что на границе фаз металл-оксид образуется двойной электрический слой, отрицательным зарядом направленный в сторону ювинильной поверхности металла [13], увеличивающий Е_а (1) и РВ в целом.

Таким образом, чем больше остаточные напряжения в поверхностном слое металлов, тем больше РВ.

Одним из наиболее распространенных неразрушающих методов измерения РВ является метод КРП [5, 16, 17], по которому бесконтактно измеряется разность РВ (U_к) измерительного электрода (ϕ_э) с известной РВ и исследуемой поверхности деталей (ϕ_∂):

Согласно (2) чем больше РВ детали (ϕ_∂), тем меньше U_к. т.е. КРП.

Таким образом, по участкам поверхности деталей, где U_к минимальна, можно выявить зоны с максимальными напряжениями.

Экспериментальное подтверждение возможности применения предлагаемого метода получено нами на образцах из никелевой стали ЭП742, подвергнутых различными методами финишной обработки, вызывающих повреждение поверхностного слоя различной интенсивности.

В таблице приведены результаты статистической обработки измерений РВ четырех партий образцов из стали ЭП742 (по 20 штук в каждой), подвергнутых различным видам энергетического воздействия при финишной обработке. Измерения проводились методом КРП относительно измерительного электрода, выполненного из чистого никеля с РВ ϕ_э=4500 мэВ [8]. Средние значения измеренных остаточных напряжений (σ_ост), выполненных разрушающим методом [4] на глубине 40 мкм также приведены в таблице.

№ партии образцов1234Финишная обработкаТонкое (щадящее) шлифование с обильной СОЖВиброшлифование на установке «Рёслер» (диаметр шариков 0,8 мм)Чистовое точение с доводкойЧистовое точениеМатематическое ожидание М_РВ, мэВ4385,54413,44579,54615,4СКО, мэВ7,9214,623,837,68Коэффициент вариации, %0,170,330,520,17КРП, мэВ114,586,6-79,5-115,4(σ_ост), МПа12172933

Из таблицы видно, что наибольшие остаточные напряжения вызывает чистовое точение (РВ=4615 мэВ; КР1Т=-115,4 мэВ), а наименьшее - тонкое (щадящее) шлифование с обильной СОЖ (РВ=4385,5 мэВ, КРП=114,5 мэВ).

Таким образом, способ позволяет не только выявлять на деталях одной финишной обработки (или режимов эксплуатации) зоны с максимальными повреждениями, суть остаточными напряжениями, но и контролировать стабильность результатов одного и того же технологического процесса механической обработки.

Среднее время измерения одного КРП приборами типа «Поверхность» составляет (с учетом времени сканирования по объекту контроля и обезжиривания петролейным эфиром) 10 секунд, т.е. можно выполнить до 6 измерений в 1 минуту (в 6 зонах по одному измерению).

Порядок работы

1. Металлическая поверхность объекта контроля протирается тампоном, смоченным петролейным эфиром.

2. Через 5-7 секунд выдержки датчик прибора «Поверхность» прикладывается к различным (наиболее нагруженным) местам объекта контроля и измеряется КРП.

3. Зоны, где КРП минимальна, нагружены наибольшими напряжениями.

Применение предложенного изобретения позволяет на порядок повысить производительность труда при выявлении на объекте контроля опасных участков, за которыми необходимо следить в процессе эксплуатации изделия (контролировать методами неразрушающего контроля [1] возможность появления трещины). А в условиях производства и ремонта деталей - выявлять зоны на их поверхности, из которых следует вырезать образцы для измерения остаточных напряжений методом Н.Н.Давиденкова [2, 4], а также контролировать стабильность технологических процессов обработки деталей по флюктуациям измеренных значений КРП.

Литература

1. Неразрушающие испытания. Справочник. Кн. II. / Под ред. Р. Мак-Мастера. - М. - Л., Изд. «Энергия», 1965, с.465-492.

2. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах. / Журнал технической физики, т.1, вып.1, 1931.

3. Контроль напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования и металлоконструкций при оценке остаточного ресурса. Сб. материалов Международного семинара. / Под ред. А.А.Дубова. 1-2 декабря 2005 г. - М.: Изд. «Энергодиагностика», 2005.

4. Меркулова Н.С. Контроль поверхностных остаточных напряжений в металлах и покрытиях путем электрохимического травления на установке «ПОВКОН «ТЕНЗОР». / Научно-технические достижения. Межотраслевой научно-технический сборник. №5, 1995, с.27-35.

5. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов. - М.: Гостехтеориздат, 1955.

6. Кочаров Э.А., Вишняков В.Н., Санников А.А., Хурошвили Ш.Г. Оценка возможности использования прибора «Поверхность - 2» для контроля тонких пленок на примере силицидов тугоплавких металлов. // В сб. Научно-методические материалы. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского. / Под ред. Н.В.Моисеенкова. - М.: Изд. ВВИА, 1984, с.44-47.

7. Осипян Р.И., Кочаров Э.А., Санников А.А. Конденсаторный способ измерения разности потенциалов Осипяна Р.И. и Кочарова Э.А. и устройство Осипяна Р.И. и Кочарова Э.А. для его осуществления. А.С. СССР №1157022, бюл. №19, 23.05.85.

8. Работа выхода. Физический энциклопедический словарь. - М.: Сов. Энциклопедия, 1983, с.600-601.

9. Поверхностные свойства твердых тел. / Под ред. М.Грина. - М.: «Мир», 1972.

10. Иванова B.C. Усталостные разрушения металлов - М.: Металлургиздат, 1963, с.90-102.

11. Смелянский В.М. Механизм упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 2002.

12. Кочаров Э.А., Димитриенко Л.Н. Оценка уровня активации поверхностным пластическим деформированием перед нанесением защитных покрытий. // ФХММ, 1987, №1, с.89-92.

13. Гримли Т. Окисление металлов. // Химия твердого состояния. / Под ред. В.Гарнера. - М.: Изд. Ин. Лит., 1961, с.446-486.

14. Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки. Изд. 2-е. - М.: Машиностроение, 1975, с.211.

15. Стоун Ф. Электронный фактор в химосорбции и катализе. // Химия твердого состояния. / Под. ред В.Гарнера М.: Изд. Ин. Лит., 1961, с.487-535.

16. Кочаров Э.А. Установка для измерения контакной разности потенциалов в различных газовых средах. / Труды ВВИА им. проф Н.Е.Жуковского. Вып. 1279, 1971, с.112-125.

17. Кочаров Э.А. Измерение работы выхода в нестационарных средах методом контактной разности потенциалов с вибрирующим электродом. / В сб. «Доклады 1-ой Всесоюз. Науч. конференции по экзоэлектронной эмиссии». - Свердловск: Изд. УПИ, 1979, с.157-161.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. Сущность: измеряют неразрушающим методом на поверхности деталей физический параметр, по значениям которого судят о величине напряжений в соответствующей зоне измерения. В качестве физического параметра принимается работа выхода, измеренная неразрушающим методом контактной разности потенциалов, по минимальной величине которой выявляется зона на поверхности детали с максимальными напряжениями. Технический результат: возможность быстро и точно выявлять на деталях опасные зоны. 1 табл.

Неразрушающий способ экспрессного выявления зон на поверхности деталей с максимальными напряжениями, заключающийся в неразрушающих измерениях на поверхности деталей физического параметра, по значениям которого судят о величине напряжений в соответствующей зоне измерения, отличающийся тем, что в качестве физического параметра принимается работа выхода, измеренная неразрушающим методом контактной разности потенциалов, по минимальной величине которой выявляется зона на поверхности детали с максимальными напряжениями.