СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ ИЗ ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/04 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) деталей из токопроводящих материалов и может быть использовано в условиях производства и ремонта машин и механизмов для измерения остаточных напряжений (σ_ост) в поверхностном слое (ПС) деталей как при отработке режимов технологических процессов финишной обработки деталей (точение, шлифование, различные методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД), химико-термической обработкой (ХТО) и пр.), так и в процессе изготовления и ремонта деталей для контроля стабильности технологических процессов их обработки.

В условиях эксплуатации машин и механизмов способ может быть использован для измерения σ_ост., накопленных от эксплуатационных воздействий, величины и глубины расположения которых являются необходимыми данными для оценки остаточного ресурса силовых элементов конструкций, которые ограничивают технический ресурс изделий в целом.

В настоящее время ни у нас, ни за рубежом способов НК σ_ост. не существует. σ_ост. проверяют только в материалах плоских деталей, например лопатки компрессоров и турбин газотурбинных двигателей (ГТД), методом Н.Н.Давиденкова прибором измерения остаточных напряжений ПИОН-2 [1]. Из деталей вырезают электроэрозионным методом плоский образец, односторонне стравливают его ПС, поэтапно измеряя толщину стравленного слоя и прогиба образца (образовавшегося в результате удаления ПС с σ_ост.), по которым рассчитывают σ_ост., а знак напряжения определяют по направлению прогиба образца. Недостатки этого способа: контроль разрушающий, выборочный (по σ_ост. в малой разрушаемой выборке деталей судят о состоянии всей контролируемой партии деталей), трудоемкий. При вибродинамическом ППД крупногабаритных фрагментов изделий в разных точках вибростенда располагают плоские образцы-свидетели из материала фрагментов, которые контролируют методом Давиденкова. Это долго, дорого, недостоверно. После ППД силовых деталей сложной формы эффективность упрочнения контролируют также выборочно циклическими нагружениями. По числу циклов до разрушения и амплитуде нагружения судят о результатах упрочнения ППД или ХТО. Это очень длительно, энергоемко и недостоверно.

Необходимость 100%-го ПК σ_ост. силовых деталей всех изготавливаемых и эксплуатируемых машин и механизмов диктуется потребностями высокой их долговечности и надежности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является «Способ электрического неразрушающего контроля токопроводящих материалов и устройство для его осуществления» [2], который позволяет выявлять наличие дефектов по толщинам ПС. Прототип позволяет послойно измерять электросопротивление (R_п), исключая влияние на его величину оксидного слоя и других покрытий с высоким электросопротивлением. Величина R_п связывается с плотностью дефектов, накопленных при циклическом нагружении деталей [3], т.е. является дефектоскопическим параметром.

Недостатками прототипа являются:

- дефектоскопический параметр относительный и количественно не нормирован по плотности дефектов, т.е. для выяснения в результате ПК детали годна или не годна требуются эталоны;

- значения магнитной проницаемости (μ) и удельной электропроводности (σ), которые входят в формулу скин-эффекта для расчета частоты тест-сигнала (ω), определяющего толщину контролируемого слоя (х), для конструкционных материалов в литературе отсутствуют, что делает прототип нереализуемым.

Цель изобретения:

Предложить высокопроизводительный, количественный способ НК величины σ_ост., по глубине контролируемых силовых деталей, и оценки работоспособности детали по величине и глубине расположения (σ_ост.)_max и глубине перемены знака σ_ост.

Данная цель достигается следующим путем.

Экспериментальным путем строится зависимость σ_ост.=f(R_п) по глубине материала выборки деталей из партии контролируемых. Для этого нужно знать абсолютную магнитную проницаемость μ_а и удельную электропроводность σ сплава детали, чтобы по формуле скин-эффекта [4] определять частоты ω тест-сигналов для каждой глубины х

В справочной литературе значения μ_а для конструкционных сплавов отсутствуют, а по [5] для ее измерения предлагаются различные сложные методы и устройства, не позволяющие измерять μ_а и σ непосредственно на деталях. Поэтому предлагается следующая методика измерения μ_а и σ. Согласно [6] индуктивность (L) длинного соленоида равна

где μ_воз. - относительная магнитная проницаемость воздуха, μ₀ - магнитная постоянная, N - число витков соленоида, S - площадь поперечного сечения соленоида, l - длина соленоида.

Из выборки контролируемых деталей электроэрозионным методом на щадящих режимах вырезают цилиндр с отношением его длины l к диаметру d l/d≥5. На цилиндр плотно наматывают катушку из изолированного провода так, чтобы торцы катушки совпадали с торцами цилиндра, и измеряют индуктивность катушки с сердечником.

где μ_сер. - относительная магнитная проницаемость сердечника.

Затем катушку осторожно без деформаций удаляют с сердечника и измеряют ее индуктивность с воздушным «сердечником»

где μ_воз.=1,00000036≈1.

При делении (3) на (4) получим

Абсолютная магнитная проницаемость сердечника

Замерив R вырезанного цилиндра и зная его l и d, определяем удельную электропроводность сплава.

Однако согласно литературным данным [7] значения μ и σ при пластических деформациях изменяются. Для оценки ошибок расчетов по (1) ω по заданным х проведены следующие эксперименты. Из никелевого сплава ЭП742 в разном состоянии ПС вырезают образцы: №1 - виброабразивное полирование после виброшлифования, №2 - после фрезерования тонкое шлифование; №3 - тонкая токарная обработка после чистового точения; №4 - чистовое точение. Математические ожидание R_п в ПС (ω=10 кГц) и по всей толщине образца (ω=12 Гц) распределились так: у образцов №1 - 199,1 и 198,9; №2 - 264,8 и 184,5; №3 - 581,0 и 324,0 и №4 - 621,0 и 367,0. Итак: а) при всех видах финишной технологической обработки дефектность в ПС больше, чем в среднем по всему образцу толщиной 2,2 мм; б) с ростом энергетического воздействия от образца №1 к №4 растет R_п и дефектность ((-σ_ост.) растет), изменяется и μ (падает).

На образцах из никелевого сплава ЭИ691А, расположенных в последовательности: отожженные - одностороннее ППД - прокатывание, измерение удельного электросопротивления ρ и μ, а также расчеты по ним х дали следующие результаты: относительный рост ρ: 100%→104%→109%, относительное уменьшение μ: 0→5%→7%; в результате относительные изменения рассчитанных х: 0→2%→15%.

Даже измерения μ_а и σ на одной и то же шестерне маслонасоса ДЦН-80 из СтДН39 в диске шестерни μ_a=8,05·10^-6 Гн/м, σ=0,19·10⁶ См/м, а по вершине зубцов μ_а=8,9·10^-6 Гн/м, σ=0,178·10⁶ См/м (рост μ_а на 10,6% и уменьшение σ на 6,7%), что не может не привести к ошибкам расчетов по (1) ω для выбранных толщин х.

Таким образом, измерения μ_a и σ необходимо выполнять на той же выборке деталей (из партии контролируемых) и в тех же местах, выбранных для измерения R_п и σ_ост. и построения зависимости между ними.

Для построения зависимости σ_ост.=f(R_п) по толщинам материалов детали после измерения R_п в выбранных (опасных, наиболее нагруженных) местах деталей по выбранным толщинам х_необходимо в этих же толщинах арбитражным (наиболее точным, экспрессным и дешевым) методом измерить σ_ост. В качестве арбитражного предназначается единственный, прошедший метрологическую аттестацию кулонометрический метод МерКулОн и установка «Тензор-3» [8], в основе которого лежит метод Н.Н.Довиденкова [1], доведенный до полуавтоматического состояния и автоматически строящий эпюры σ_ост. по толщине материала от ПС.

После построения для ряда толщин х зависимости σ_ост.=f(R_п) по выборке деталей из партии контролируемых все остальные детали партии контролируют НК измерением R_п в ранее определенных местах на тех же выбранных толщинах, и по значениям R_п и зависимостям σ_ост.=f(R_п) для выбранных толщин оценивают σ_ост. в этих толщинах и строят эпюры значений σ_ост. по глубинам h (нижним кромкам толщин) материала деталей. Затем по непрерывной эпюре σ_ост.=f(h) определяют положение h, величину (σ_ост.)_max и h, при которой σ_ост. меняет знак, и по этим данным определяют работоспособность каждой детали.

Например, для лопаток турбин и компрессоров ГТД допустимая величина σ_ост. и характер их распределения по глубине лопатки для каждого типа ГТД нормируются техническими условиями [9]. Согласно ТУ-361101 р.3 НИАТ-65 годные к эксплуатации лопатки после их изготовления или ремонта (после ППД лопаток компрессоров и после ХТО лопаток турбин) должны соответствовать следующим нормам (табл.1):

Таблица 1Нормы годности по ТУ-361101 р.3Нормируемый параметрДля лопаток турбиныДля лопаток компрессоровХарактер σ_ост. в ПССжатие (-)Сжатие (-)(σ_ост.)_max в ПС-25 кгс/мм²-70 кгс/мм²Глубина расположения(σ_ост.)_max(20...30) мкм(20...50) мкмГлубина перехода σ_ост. сжатия (-) в σ_ост. растяжения (+)≥10 мкм≥100 мкм(σ_ост.)_max растяжения (+) на глубине15 кгс/мм²15 кгс/мм²

Если хотя бы один нормируемый параметр не соответствует требованиям ТУ, всю партию, из которой произведена выборка для разрушающего контроля, бракуют.

Если в процессе производства и ремонта эти параметры хотя бы выборочно проверяются (с каждого ГТД разрушаются по 2-3 лопатки с каждой ступени компрессора и турбины, изготавливаются образцы в виде плоских балочек и контролируются методом Н.Н.Давиденкова прибором ПИОН-2), то в условиях эксплуатации этот контроль вообще не проводится (в случаях повреждений лопаток, не приведших к тяжким последствиям, их заменяют на новые).

Для контроля работоспособности предлагаемого способа был выполнен следующий эксперимент. Пластина из Ст.10895 после отжига была подвергнута ППД пневмодинамическим методом (шарик диаметром 3 мм, давление воздуха 25 кгс/см²) с ручным сканированием по ПС. Из пластины был вырезан на электроэрозионном станке цилиндр длиной 20 мм и диаметром 3 мм и по вышеизложенной методике измерили μ_а и σ. Затем из пластины были вырезаны на электроэрозионном станке 16 образцов размером 20×2×4 мм. По центру образцов на базе 8 мм были измерены (R_п.) на глубинах 275, 297, 318 и 337 мкм с помощью датчика [2]. В качестве омметра и измерителя индуктивности использовался измеритель иммитанса LCR-817/RS. Затем в НИИДе (НИИ технологии и организации производства двигателей) в лаборатории НК на установке «ТЕНЗОР-3» были измерены σ_ост. на приблизительно тех же глубинах 270, 300, 320 и 340 мм. Абсолютное несовпадение глубин объясняется частотными возможности прибора LCR-817/RS.

Результаты эксперимента и их корреляционного анализа, выполненные с доверительной вероятностью 0,95, представлены в табл.2 и на фиг.1 и 2.

Из табл.2 видно, что R_r весьма высоки. Они были бы еще выше, если бы глубины измерения R_п и σ_ост. точно совпадали и сканирование по образцам при ППД было бы не ручным, а автоматическим.

Уравнения линейной корреляции по сечениям - на глубине.

275 мкм у=-0,304х+133,74; R₂=0,7149;

297 мкм у=-0,1928х+148,32 R₂=0,7972;

Таблица 2Результаты корреляционного анализа между R_п и σ_остГлубина измерения Rп, мОмГлубина измерения σ_ост, МПаобразцы275 мкм297 мкм318 мкм337 мкм270 мкм300 мкм320 мкм340 мкмRr, stress№1170169164171-99-94-84-102-0,98516№2160160159163-71-66-39-30-0,9894№3164170160164-85-98-63-60-0,81483№4170167167167-128-115-116-91-0,66655№5176180179170-160-161-141-126-0,70461№6172174169160-157-160-135-116-0,96508№7207183195190-221-173-215-198-0,91189№8178172170166-164-152-142-126-0,97825№9174179175174-146-153-150-150-0,8044№10181169172175-170-111-138-142-0,97211№11180176177172-169-146-153-151-0,7126№12174179178172-150-153-152-147-0,97236№13170176166160-127-140-119-110-0,99575№14173177170160-145-155-133-131-0,86158№15192186163164-144-160-128-108-0,81208№16212182183211-206-172-174-206-0,99953          Rr-,84551-0,89288-0,9058-74584     сред178,3125174,9375171,6875171,1875-146,375-138,063-130,125-124,75 СКО14,173776,7967529,32179313,0497439,3528931,4737341,7482544,37642 ДОВ6,9450113,3303424,5675886,39424819,2825315,4218220,4562421,74401 ср+185,2575178,2678176,2551177,5817-127,092-122,641-109,665-103,006 ср-171,3675171,6072167,1199164,7933-165,658-153,484-150,581-146,494 ДИСП200,895846,1958386,89583170,29581548,65990,59581742,9171969,267 К_{вариации}, °7,94883,88525,42957,623126,88522,796832,083235,5723 R_r - коэффициенты парной корреляции между R_п и σ_ост.;сред - математические ожидания R_п и σ_ост.;СКО - средние квадратичные отклонения R_п и σ_ост.;ДОВ - доверительные интервалы R_п и σ_ост.;ср+, ср- верхние и нижние значения математических ожиданий R_п и σ_ост.;ДИСП - дисперсия R_п и σ_ост.;К_{вариации} - коэффиценты вариации R_п и σ_ост.;R_r stress - общие по всем глубинам коэффициенты корреляции R_п и σ_ост. каждого образца

318 мкм у=-0,2023х+145,37; R₂=0,8205;

337 мкм у=-0,2193х+143,83; R₂=0,5583.

Общее для всех сечений

у=-0,2532х+139,64; R₂=0,6996,

где R₂ - величины достоверности аппроксимации.

На фиг.1 представлены кривые зависимости σ_ост.=f(R_п) для каждого сечения и общая по всем сечениям, построенные по уравнениям линейной корреляции. На фиг.2 представлена эпюра σ_ост. по глубине Ст.10895, откуда видно, что изменение знака σ_ост. с(-) на (+) у образца №3 (дробь №3) происходит на глубине 326 мкм, у №2 - при 330 мкм, у №12 - при 396 мкм. Глубина залегания (σ_ост.)_max находится в пределах 20...50 мкм (один выброс настроечный).

Порядок работы

1. При контроле деталей впервые.

1.1. Из партии контролируемых деталей делают выборку из n деталей, достаточную для последующей статистической обработки результатов измерений с выбранной доверительной вероятностью.

1.2. Электроэрозионным методом вырезают из идентичных зон выбранных деталей цилиндрические образцы для измерения μ_a и σ предложенным методом и плоские образцы для измерения R_п и σ_ост. арбитражным методом.

1.3. По формуле скин-эффекта (1) и полученным значениям μ_а и σ рассчитывают значения частот ω_i тест-сигналов для измерения (R_п)_i на выбранных глубинах х_i

1.4. Измеряют на плоских образцах на постоянной базе (R_п)_i на выбранных глубинах х_i и рассчитанных соответствующих им частотах ω_i.

1.5. На этих же образцах и тех же глубинах х_i арбитражным методом измеряют (σ_ост.)_i.

1.6. С заданной доверительной вероятностью выполняют расчеты по оценке тесноты корреляционной зависимости между R_п и σ_ост. на каждой глубине, составляют уравнения линейной корреляции и строят зависимости σ_ост.=f(R_п) по сечениям х_i для данных деталей и конкретной их финишной обработки.

1.7. При НК всей партии деталей на каждой детали измеряют (R_п)_i на разных глубинах х_i от ПС и по ранее построенным зависимостям σ_ост.=f(R_п) для каждой х, определяют значения σ_ост.=f(x), по которым строят эпюру напряжений.

1.8. По эпюре σ_ост.=f(x) определяют значение (σ_ост.)_max и соответствующее х, а также определяют х, где σ_ост. меняет свой знак.

2. При НК других партий идентичных деталей, изготовленных из того же сплава, по той же технологии с той же финишной обработкой, выполняются только операции 1.7 и 1.8.

Применение способа позволяет:

- повысить надежность и долговечность машин и механизмов путем стопроцентного охвата НК работоспособности их силовых деталей, ответственных за ресурс изделий в целом;

- исключить при производстве и ремонте изделий машиностроения длительные трудо- и энергоемкие усталостные выборочные испытания силовых элементов, подвергнутых упрочнению методами ППД или ХТО, чем на 15-20% снизить стоимость их производства и ремонта.

Источники информации

1. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах. Журнал технической физики, т.1. Вып.1, 1931.

2. Кочаров Э.А., Тараканов Ю.В. Способ электрического неразрушающего контроля токопроводящих материалов и устройство для его реализации. Патент РФ №2256906, 20.07.2005 г. Бюл. №20.

3. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургиздат, 1963.

4. Физический энциклопедический словарь. - М.: "Советская энциклопедия", 1983, с.690-691.

5. Кифер И.И. Испытание ферромагнитных материалов. - М.: «Энергия», 1969.

6. Справочник радиолюбителя. P.M.Терещук, К.М.Терещук, А.Б.Чаплинский, Л.Б.Фукс, С.А.Серов. - Киев: «Наукова думка», 1967.

7. Мирошнеченко Ф.Д. Влияние пластической деформации на некоторые магнитные и электрические свойства никеля. - В кн.: Исследования по физике металлов и неразрушающим методом контроля. / Под ред. Н.С.Акулова. - Минск: Наука и техника, 1978, с.209-215.

8. Меркулова Н.С., Иванова Т.О., Гринченко М.И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация. // «Упрочняющие технологии и покрытия», №3(15), 2006, с.35-42.

9. Технические условия ТУ-361101 р.3. Нормы на величины и характер распределения остаточных напряжений для каждого вида лопаток по типам изделий, НИАТ-65.

Способ электрического неразрушающего контроля остаточных напряжений в деталях из токопроводящих материалов включает послойное измерение электросопротивления контролируемого участка материала предварительным прокалыванием оксидного слоя и других покрытий с большим электросопротивлением до контакта с поверхностью контролируемого материала острыми щупами датчика, подключенного к омметру переменного тока, о чем судят по резкому падению сопротивления, зарегистрированного омметром, настроенным на самую высокую его частоту, а измерение электросопротивления контролируемого участка материала проводят на частоте, обеспечивающей контроль необходимой толщины его поверхностного слоя. Предварительно на выборке из партии контролируемых идентичных деталей, подвергнутых одинаковому технологическому или эксплуатационному воздействию, на ряде толщин поверхностного слоя вначале измеряют электросопротивление на постоянной базе, а затем арбитражным кулонометрическим методом измеряют остаточные напряжения на тех же толщинах поверхностного слоя. Строят для данных деталей зависимости остаточных напряжений от электросопротивлений для каждой толщины поверхностного слоя материала детали, затем при неразрушающем контроле данных деталей по измеренным значениям электросопротивления на той же постоянной базе и по тем же построенным зависимостям определяют остаточные напряжения в толщинах, в которых измеряли электросопротивления и остаточные напряжения при построении зависимости между ними. Изобретение обеспечивает повышение производительности количественного контроля величины остаточных напряжений по глубине контролируемых силовых деталей. 2 з.п ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ электрического неразрушающего контроля остаточных напряжений в деталях из токопроводящих материалов, включающий послойное измерение электросопротивления контролируемого участка материала предварительным прокалыванием оксидного слоя и других покрытий с большим электросопротивлением до контакта с поверхностью контролируемого материала острыми щупами датчика, подключенного к омметру переменного тока, о чем судят по резкому падению сопротивления, зарегистрированного омметром, настроенным на самую высокую его частоту, а измерение электросопротивления контролируемого участка материала проводят на частоте, обеспечивающей контроль необходимой толщины его поверхностного слоя, отличающийся тем, что предварительно на выборке из партии контролируемых идентичных деталей, подвергнутых одинаковому технологическому или эксплуатационному воздействию, на ряде толщин поверхностного слоя вначале измеряют электросопротивление на постоянной базе, а затем арбитражным кулонометрическим методом измеряют остаточные напряжения на тех же толщинах поверхностного слоя, строят для данных деталей зависимости остаточных напряжений от электросопротивлений для каждой толщины поверхностного слоя материала детали, затем при неразрушающем контроле данных деталей по измеренным значениям электросопротивления на той же постоянной базе и по тем же построенным зависимостям определяют остаточные напряжения в толщинах, в которых измеряли электросопротивления и остаточные напряжения при построении зависимости между ними.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения магнитной проницаемости и удельной электропроводности для расчета частот тест-сигналов омметра, обеспечивающих измерение электросопротивлений в заданных толщинах поверхностного слоя, предварительно определяют на той же выборке деталей и в тех же выбранных местах, где будут измерять электросопротивления и остаточные напряжения для построения зависимостей между ними, для чего из этих же мест электроэрозионным методом вырезают сердечники соленоидов в виде цилиндров длиной l боле пяти диаметров d, наматывают на них катушки из изолированного электропровода до совпадения торцов катушек с торцами сердечников, измеряют индуктивности катушек с сердечниками (L_к.с), удаляют сердечники без деформации катушек, измеряют индуктивность катушек на воздухе (L_к.воз) и по формуле μ_сер.=L_к.с.μ_воз./L_к.воз. определяют магнитную проницаемость материала деталей в месте вырезки сердечников, а измерив электросопротивление R сердечника, рассчитывают удельную электропроводность по формуле σ=4l/πRd².3. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимости остаточных напряжений от электросопротивления строят до толщины, при которой остаточные напряжения поменяют знак, а при неразрушающем контроле каждой изготовленной или эксплуатируемой детали по измеренным значениям электросопротивлений и этим зависимостям строят эпюру остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя контролируемой детали, определяют по эпюре значение и глубину расположения максимального остаточного напряжения и нижнюю границу толщины поверхностного слоя, где остаточные напряжения меняют знак, по которым судят о работоспособности каждой детали.