СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к области механических испытаний конструкционных материалов, а точнее к способам определения времени до разрушения.

Известны способы, например авт. св. СССР №901887, оценки времени до разрушения по результатам испытаний образцов материала. Их недостаток - малая достоверность - обусловлен влиянием масштабного фактора на исходное состояние и на кинетику развития поврежденности.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ [авт. св. СССР №1647356 А1], заключающийся в том, что для изделия и образцов из материала изделия неразрушающим методом оценивают начальное предельное напряжение (предельное напряжение отвечает одной из предельных нагрузок L: либо максимальной разрушающей при заданном темпе нагружения - L_макс, либо наибольшей неразрушающей (пороговой) нагрузке L₀, без превышения которой при длительном нагружении прочность изделия, в частности само значение L₀, не снижается во времени. При этом долговечность изделия бесконечна, так как первая фаза разрушения (микрорастрескивание) еще не переходит во вторую фазу (образование трещины, способной к развитию в магистральную трещину). При линейном напряженном состоянии материала в изделии значению L_макс отвечает временное сопротивление σ_в или предел кратковременной прочности σ_пч, а значению L₀ - предел длительной прочности σ₀. Значение L₀ можно определить только неразрушающим способом [см., например, авт. св. СССР № 1620930 А1 или заявку № 2005131106/20(034875) от 3.10.2005]. Значение L_макс определяют обычным монотонным нагружением до разрушения либо неразрушающим способом, например, по авт. св. CCCP № 879444, 1536251, 1663535, 1769122 и др.) σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с различными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от начального отношения Х напряжения σ к предельному напряжению (Х_н=σ/σ_пр) и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия.

Недостаток прототипа - невозможность его использования для тех материалов, у которых дефект, определяющий длительную прочность, зарождается не при изготовлении материала, а при его нагружении, т.е. для большинства пластичных материалов. Если дефекты хрупких материалов, определяющие их долговечность, зарождаются при изготовлении изделия (спекании, охлаждении, обработке), то у пластичных материалов, как правило, зарождению магистральной трещины при нагружении предшествует период ее формирования (П_ф), который сопровождается постепенным увеличением концентрации микротрещин (трещин в размер зерна) и заканчивается объединением нескольких микротрещин в зародыш магистральной трещины.

Цель изобретения - определение времени до разрушения изделий из пластичных материалов после наработки гарантированного ресурса.

Цель достигают тем, что, как и в прототипе, для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения Х действующего напряжения σ к предельному напряжению и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения. Но в отличие от прототипа образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию (АЭ) перед окончанием разгрузки, при наличии такой АЭ определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии АЭ остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. АЭ перед окончанием плавной разгрузки с напряжения σ возникает, если σ≥σ₀, т.к. в этом случае в вершине трещины возникают пластические деформации, которые приводят к взаимному смещению поверхностей трещины у ее вершины, не совпадению микрорельефа поверхностей при разгрузке, т.е. к эффекту Эльбера "закрытие трещины" и к АЭ трения микрорельефа (АЭ "зубного скрежета"). Наличие АЭ в конце плавной разгрузки с рабочего напряжения σ указывает на то, что Х=σ/σ_пр≥1; а отсутствие АЭ - на то, что Х=σ/σ_пр<1. Иными словами, АЭ в конце плавной разгрузки доказывает наличие трещин, способных к развитию в магистральную, а отсутствие АЭ - отсутствие такой трещины. Возникновение АЭ в конце плавной разгрузки указывает на переход от периода формирования трещины к периоду развития трещины П_р до фрагментации изделия. Отношение П_ф/П_р зависит от чувствительности метода, использованного для улавливания границы между П_ф и П_р. Чувствительность АЭ метода обеспечивает П_ф<П_р (см. таблицу), что позволяет при отсутствии АЭ в конце контрольного разгружения повторять суммарную наработку изделия, не исследуя режим нагружения изделия, а лишь сохраняя его прежним. При наличии АЭ перед окончанием разгрузки можно количественно определить σ_пр, не превышая σ (см. авт. св. №1620930, от. 15.01.1991), и рассчитать Х=σ/σ_пр≥1. Рассчитав Х=σ/σ_пр для изделия после зарождения трещины, по значению Х следует войти в зависимость остаточного ресурса от X, полученную на образцах, и определить остаточный ресурс изделия.

Способ реализовали, в частности, для оценки остаточного ресурса рабочих лопаток газовой турбины после наработки при 750°С гарантированного ресурса R_г=40000 часов и при последующих наработках (также 40000 часов) между профилактическими осмотрами. Обычно после таких осмотров все лопатки турбины, например 90 шт., меняют и отправляют в переплав, т.к. разрушение лопатки при последующей работе турбины весьма опасно. Материал лопатки - сплав ХН 65 МТЮ или ЭИ 893 (ТУ 108.02.005-76 Минэнергомаша); стоимость лопатки - 8000 р. Разработчиками лопаток экспериментально-расчетным путем установлено, что в процессе работы на турбине колебания лопатки по первому тону с частотой 800 Гц приводят к возникновению максимальных напряжений σ_макс≈100 МПа. Лабораторные испытания образцов проводили в условиях растяжения или изгиба. АЭ регистрировали с помощью прибора АФ-15, имеющего уровень собственных шумов 7 мкВ. Резонансный пьезокерамический преобразователь (600...1000 кГц) прижимали к образцу тарированной пружиной через слой смазки, улучшающий акустический контакт. Число циклов N_ф, после которого первый раз была зарегистрирована АЭ в конце плавной разгрузки, принимали за оценку периода формирования трещины в образце. Затем через каждые N_ф циклов с помощью АЭ определяли пороговое напряжение σ_пр, без превышения которого в процессе разгрузки АЭ не наблюдалась. Значение σ_пр<σ_макс постепенно снижалось с увеличением числа циклов. За полную долговечность принимали число циклов N от начала испытания образца до его фрагментации. Число циклов роста трещины рассчитывали как N_р=N-N_ф. Растяжение с σ_макс больше предела текучести σ_m (или σ₀₂) осуществляли с периодом 18 с. При изгибе образцы испытывали с частотой 50 Гц силой от нулевой по середине пролета; для определения N_ф контрольную разгрузку с σ_макс за 10 секунд проводили через каждые 3000...15000 циклов, увеличивая этот интервал пропорционально наработке так, чтобы погрешность определения N_ф не превышала 10%. Результаты испытаний приведены в таблице, где N, N_ф и N_ф/N - средние значения по результатам испытаний 8 образцов; напряжения σ даны в МПа. Индекс "-1" у некоторых значений σ_макс в таблице указывает на то, что результаты получены при изгибе балочек в условиях симметричного цикла с характеристикой цикла r=σ_мин/σ_макс=-1. Индексом "+" отмечены значения σ_макс при симметричном изгибе кольцевым пуансоном соосной пластины, опертой на кольцо (плоское напряженное состояние) знакопостоянным циклом напряжения с r=0,05. При нестационарном нагружении чередовали пакеты с максимальным напряжением σ_макс, указанным в таблице, циклов с σ_макс на 7% выше и циклов с σ_макс на 7% ниже за счет соответствующего изменения среднего напряжения. При σ_макс>σ₀₂ каждый пакет состоял из 1 цикла, при σ_макс<σ₀₂ каждый пакет включал около 300 циклов с частотой 50 Гц. Для каждого образца рассчитали несколько значений σ_пр/σ_макс и соответствующие им значения N_i/N_p, где N_i - остаточный ресурс образца после i-ой остановки для определения σ_прi. Экспериментальные точки, полученные таким образом для определенного режима нагружения, группируются в координатах lg(N_i/N_p) и lg(σ_пр/σ_макс) около прямой, тангенс угла наклона которой к оси lg(σ_прi/σ_макс) в таблице обозначен как tg. Среднее значение tg для стационарных режимов нагружения составило 1,87, для нестационарных - 1,85, а общее среднее - 1,86. Отношение N_ф/N колеблется от 0,356 до 0,41, составляя в среднем 0,387, и имеет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов до разрушения. В силу этого, если после известной наработки АЭ при плавной нагрузке не обнаружена, то можно повторить суммарную наработку без промежуточного контроля. Если же при плавной разгрузке АЭ зафиксирована, то за N_ф целесообразно принять значение N_н суммарной наработки, после которой еще не было АЭ в процессе плавной разгрузки. В этом случае можно считать N_i=N_p(σ_прi/σ_макс)^tg, N_i/N_p=(σ_прi/σ_макс)^tg, N/N_ф≅2,6,

или

Эти результаты использовали для оценки остаточного ресурса каждой из 90 лопаток, периодически снимая их с ротора и плавно разгружая в условиях консольного изгиба с σ_макс=100 МПа. После наработки первого гарантированного ресурса R_г=4000 ч при 750°С ни у одной лопатки не было зарегистрирована АЭ в процессе плавной разгрузки. После наработки второго гарантированного ресурса у трех лопаток в процессе разгрузки была зарегистрирована АЭ; получены σ_пр: 90, 72, 30 МПа; σ_пр/σ_макс: 0.90, 0.72, 0.30; , т.е. 1.3 R_г, 0.85 R_г, 0.17 R_г. Лопатки с N_i≥1,3 R_г в дальнейшую эксплуатацию не пускались. Лопатка с N_i≥1,3 R_г наработала еще один R_г при 750°С, но к очередному профилактическому осмотру имела магистральную трещину, видимую глазом, у корня пера лопатки. Из 90 лопаток 6 прошли 10 R_г и были сняты из-за сильного изменения размеров, но не по соображениям прочности. Средняя наработка лопаток без их отказов составила 5,8 R_г.

Результаты циклических испытаний образцов при комнатной температуре сплава ХН65ВМТЮ (σ_0,2=600 МПа, σ_в=910 МПа)σ_макс, МПаРежим стационарныйнестационарныйN_фNN_ф/NtgN_ф/Ntg250_-11746848521000,3601,800,3791,86250₊1808050805000,3561,810,3611,802502574061286000,4201,900,3831,89400_-1551913797000,4001,940,3941,87500₊110562834800,3901,820,3921,85700239259650,4011,970,4161,85800882130,4131,840,4081,85

Таким образом, предложенный способ позволяет полнее использовать ресурс элементов конструкции без риска ее отказа.

Изобретение относится к области механических испытаний конструкционных материалов, а точнее к способам определения времени до разрушения. Сущность: в способе образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию перед окончанием разгрузки. При наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии акустической эмиссии остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. Технический результат: способ позволяет определить время до разрушения изделия из пластичного материала после наработки гарантированного ресурса, а также позволяет полнее использовать ресурс элементов конструкции без риска ее отказа. 1 табл.

Способ определения остаточного ресурса изделия, заключающийся в том, что для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения действующего напряжения к предельному и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения, отличающийся тем, что образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию перед окончанием разгрузки, при наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии акустической эмиссии остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия.