СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ Советский патент 2008 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества и физико-механических характеристик материалов и изделий ракетной и авиационной техники и может быть использовано при неразрушающем контроле прочности тонкостенных металлических изделий, например полых тел вращения (труб, цилиндров, конусов, сфер, резервуаров и т.д.), в различных отраслях народного хозяйства.

В настоящее время техника оценки прочности изделий основана на 100%-ных контрольно-технологических испытаниях эксплуатационной нагрузкой и последующих выборочных испытаниях до разрушения одного или нескольких изделий от партии. Выборочные испытания основаны на теории вероятности и при малых партиях изделий имеют низкую надежность.

Известен способ неразрушающего контроля прочности изделий из полимерных материалов, который заключается в определении места возможных максимальных деформаций, возбуждении в этих местах перпендикулярно поверхности изделия упругих колебаний, длина волны которых больше толщины изделия, и измерении времени распространения упругих колебаний на контролируемом участке изделия без нагружения и при нагружении, после чего о деформации судят по относительному изменению времени распространения упругих колебаний и прочность рассчитывают по математической зависимости, сравнивая данные контролируемого изделия с данными эталона [1].

Основными недостатками такого способа являются низкая точность определения прочности, большая длительность измерений и обработки результатов измерений, а также то, что не учитывается влияние всех участков изделия на поведение материала в контролируемой зоне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ оценки прочности, изложенный в [2]. Этот способ заключается в том, что в контролируемом изделии предварительно определяют сечения с максимальным напряжением и устанавливают на них струнный периметромер, который измеряет увеличение длины окружности за счет охватывающей диаметр изделия струны. При этом в сечении навивается один виток струны с предварительным натяжением. После этого изделие нагружают внутренним давлением, определяют пластическую деформацию в контролируемом сечении и соответствующее ей напряжение, по которым судят о предельной прочности контролируемого изделия.

Основным недостатком такого способа является необходимость нагружения изделия на 10-15% выше условного предела текучести, что является допустимым в очень редких случаях, т.к. в известных изделиях по ТУ оговаривается недопустимость остаточных деформаций после испытаний изделий.

С другой стороны, применение одновиткового периметромера не дает возможности расширить зону контроля деформации по длине изделия и получить более обоснованное ее значение.

Целью настоящего изобретения является повышение точности контроля прочности и сохранение эксплуатационных качеств контролируемого изделия после испытаний.

Эта цель достигается за счет того, что на изделие навивают по меньшей мере пару дополнительных витков 2, 3 симметрично относительно центрального витка 1, с шагом S, пропорциональным толщине контролируемого изделия - фиг.1, определяют интегральную упругую деформацию и эффективный модуль продольной упругости, а о истинной прочности изделия судят по соотношению

где K - коэффициент вида напряженного состояния и формы контролируемого изделия;

Е_эф - эффективный модуль продольной упругости;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура испытания, K;

α_е - коэффициент теплового расширения;

U₀ - истинная энергия активации разрушения.

Отличительная особенность способа основана на квантовом характере процесса накопления упругой потенциальной энергии материалом изделия в процессе нагружения, верхним пределом которой является истинная энергия активации разрушения U₀, а напряженно деформированное состояние определяется уравнением состояния твердого тела

где δ₀ - единичная величина макронапряжения в оболочке изделия;

γ - объем активации;

υ - постоянная Грюнайзена.

Физический смысл уравнения состояния (2) заключается в том, что, если к твердому телу приложить единичную порцию макронапряжения δ₀, то в определенной области, равной объему активации процесса γ, произойдет увеличение потенциальной энергии на величину RT/2.

Постоянная Грюнайзена υ, характеризующая изменение колебательного процесса атомов решетки при изменении объема, для большинства металлических материалов, равна примерно 2. Так, для α-железа - υ=2,10, кобальта - υ=1,95, никеля - υ=2,0, меди - υ=1,96, алюминия - υ=2,17 [3]. Поэтому с инженерной точностью уравнение состояния (1) можно записать

которое получено автором путем дифференцирования уравнения Журкова, определяющего длительную прочность при заданной долговечности

Поскольку материал обладает определенной границей прочности, определяемой энергией активации разрушения U₀, то истинное разрушающее напряжение может быть определено как:

Единичная порция макронапряжения δ₀ определяется из обобщенного уравнения I и II законов термодинамики для изотермического обратимого процесса деформирования материала

с учетом уравнения состояния (2) или (3)

где ds - изменение энтропии в процессе деформирования;

dl - произведенная работа упругой деформации;

du - изменение внутренней энергии.

Раскрывая слагаемые уравнения (5), получаем выражение для единичного макронапряжения δ₀:

где 1·10^-3 - согласующий коэффициент между макроскопическим и микроскопическим напряжениями, определенный автором для согласования теоретических и экспериментальных результатов. Уравнение (1) получается путем соединения уравнений (4) и (6), где для окружного напряжения цилиндрического изделия; K=1 - для напряжения сферического изделия [2].

Величины, входящие в уравнение (1) U₀, RT, α_e, T для конкретного случая имеют постоянные значения, за исключением эффективного модуля продольной упругости Е_эф, величина которого переменна и зависит от текстуры материала. Поэтому необходимо определять величину Е_эф с большой достоверностью, для чего по предлагаемому способу в изделии контролируют одновременно несколько параллельных сечений, лежащих в наиболее нагруженном месте изделия и определяют интегральную деформацию путем навивки по меньшей мере пары дополнительных витков, симметрично лежащих относительно центрального витка с шагом, пропорциональным толщине стенки контролируемого изделия. При этом все витки навиваются одной струной, концы которой соединяются с одним периметромером.

Известно, что деформация даже в одном направлении (по длине окружности сечения) протекает неравномерно и, как следствие, место разрушения может возникнуть на любом ее участке и не обязательно в сечении, охватываемом струной периметромера. В предельном случае было бы лучше покрыть всю цилиндрическую деформируемую область изделия витками струны периметромера, однако их количество лимитируют силы трения, препятствующие проскальзыванию витков струны при увеличении длины окружности при деформации.

Витки струны необходимо укладывать с шагом, пропорциональным толщине стенки контролируемого изделия, для получения единичных объемов деформации по длине изделия. Это условие способствует также исключению взаимного влияния деформаций сечений контроля друг на друга, что в конечном итоге позволит нагружать изделия только в области упругой деформации и решить впервые с высокой точностью задачу определения прочности изделия без его разрушения.

Пример практической реализации предложенного способа

Для подтверждения способа контроля прочности проводили предварительные и разрушающие испытания серийных тонкостенных металлических корпусов из высокопрочных сталей СП-28 и ВП-25 с продольными и кольцевыми сварными швами. Геометрические размеры изделий приведены в таблицах 1 и 2. Перед испытаниями в сечениях, где должно произойти предполагаемое разрушение, замеряли величины наружного диаметра D₀ и минимальную толщину стенки δ₀. Контролируемое изделие заполняли водой, устанавливали периметромер с тремя витками в соответствии с фиг.1 чертежа и с шагом, кратным 2 или 1, в зависимости от толщины стенки δ₀.

В процессе нагружения величины деформации записывали на самописце типа Н327/5, а текущее давление снимали с манометра визуально и отмечали через отметчик на самописце. Предварительное нагружение осуществляли до 40-50% от предельного разрушающего давления. Каждой точке деформации εi рассчитывали напряжение по известной зависимости [2], δi=Pi·D₀/2δ₀,

после чего строили графическую зависимость

δi=f(εi)

Для каждой пары напряжение-деформация δi-εi определяли эффективный модуль продольной упругости

где ν - коэффициент Пуассона, ν=0,3 [2];

Δδ - технологическое напряжение, определяемое при εi=0.

Эффективный модуль продольной упругости должен быть выбран постоянным при определенных парах δi-εi.

Далее определяли истинное разрушающее напряжение

где было принято: α_e=11,7.10^-6 1/K, Т=293 K

Разрушающее давление определяли по зависимости: [2]

где n - коэффициент упрочнения материала, принимаемый для высокопрочных сталей n=0,05 [2].

Результаты предварительного нагружения двух изделий приведены в табл.1 и табл.2.

Всего в процессе отработки способа проведены испытания 19 изделий пяти типоразмеров, результаты которых сведены в табл.2.

Технологическая отработка способа показала высокую точность контроля прочности, т.к. только в 3 случаях из 19 максимальная ошибка составляла около ±5%, куда, естественно, входят погрешности обработки и манометров при измерении давления.

Приведенный пример и представленные экспериментальные результаты подтверждают достижение поставленной цели в предлагаемом способе контроля прочности.

Внедрение способа неразрушающего контроля прочности позволит по сравнению с базовым объектом-способом, прототипом изобретения, обеспечить технико-экономическую эффективность за счет:

- сокращения трудоемкости и расхода материалов по обоснованному назначению коэффициентов запаса прочности и исключения из производственной практики выборочных испытаний до разрушения;

- проведения автоматизации процессов испытаний с разработкой и внедрением систем контроля, включая ЭВМ;

- сокращения сроков отработки изделий и их оптимальных технологий при подготовке серийного производства изделий.

Таблица 1
Результаты предварительного нагружения изделий из высокопрочной стали СП-28Номера изделий и их характеристикаНаименование параметровТекущее давление Pi, МПаТекущее напряжение δi, МПаТекущая деформация
εi·10^-4Технологичное напряжение, Δδ, МПаЭффективный модуль продольной упругости, Е_эф·10⁵ МПаРасчетный модуль продольной упругости, E_эф·10⁵ МПа№1      D₀=96, 1·10^-3 м2,61062,9 2,52 δ₀=1,18·10^-3 м6,92808,7 2,54 11,045014,5-20,02,532,54L/R=12,515,462720,2 2,55  19,479026,0 2,52  25,4103034,7 2,50 №20,81171,37 3,23 D₀=208,7·10^-3 м1,42064,6 2,60 δ₀=0,71·10^-3 м2,02948,2-65,02,372,234,058819,8 2,24 L/R=3,36,088531,7 2,20 7,2106539,0 2,19 

Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований и сходимости расчетных и действительных разрушающих давлений№Материал
изделияРазмеры изделий, мТехнологическое напряжение, Δδ, МПаМодуль продольной упругости,
E_эф·10⁵ МПаЕдиничное напряжение
δ₀,МПаИстинное расчетное напряжение разрушения δ_p, МПаРасчетное давление разрушения P_р, МПаДействительное давление разрушения P_д, МПаСходимость D₀·10^-3,δ₀·10^-3L/R1СП-28208,70,713,3+652,239,12180011,010,8+1,82"207,20,74"+202,108,90175011,311,2+0,13"207,40,73"+452,459,54187511,911,6+2,64"208,30,71"+602,469,55187511,511,4+0,15"210,20,70"+502,459,54187511,111,0+0,16"206,30,73"+352,609,80193012,212,207"207,80,73"+502,409,46186011,811,7+0,18"209,00,73"+1202,609,78193012,212,3-0,19"96,11,1812,51+202,549,60190042,142,7-1,410"96,01,15"-202,409,50186042,343,2-2,111"97,01,20"-402,379,44185043,543,3+0,512ВП-25120,21,063,2+2402,389,41185631,231,8-1,913"120,31,05"+1002,589,75192031,730,0+5,514"120,00,98"+902,379,38185028,729,3-2,015"104,52,03,5+102,7210,0196071,071,5-0,716"104,11,92"+602,649,84193768,066,5+2,217"98,00,832,5+802,369,35184429,730,5-2,618"97,70,87"+952,38 9,41185331,432,6-4,219"98,20,82"+302,409,5187529,831,5-5,4Примечание: 1. Измерение деформации изделия 5 проводилось в соответствии с установкой струны 6 периметромера 4, показанной на фиг.1, где 1-ее центральный виток, 2 и 3 - дополнительные, симметрично уложенные относительно витка 1 с шагом S.
2. Соединение концов струны 6 с периметромером 4 показано на фиг.2 (вид по стрелке А на фиг.1)

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 606124, G01N 3/00, опубл. 05.05.1978, БИ №17.

2. А.С. Куркин. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. М.: Машиностроение, 1976, с.34-49, 80-98 (прототип).

3. Р. Вейсс. Физика твердого тела. - под ред. Н.Т. Чеботарева. М.: Атомиздат, 1968, с.181.

Способ неразрушающего контроля прочности тонкостенных металлических изделий заключается в том, что до нагружения изделия определяют места (сечения) максимальных напряжений. На данное сечение устанавливают одновитковый струнный периметромер с предварительным натяжением струны. Изделие нагружают механической нагрузкой, определяют деформацию и напряжение в окружном направлении и определяют прочность контролируемого изделия. Кроме того, на изделие навивают по меньшей мере пару дополнительных витков, симметрично относительно центрального с шагом, пропорциональным толщине стенки контролируемого изделия. Определяют интегральную упругую деформацию и эффективный модуль продольной упругости, а о истинной прочности изделия судят по соотношению:

где K - коэффициент напряженного состояния и формы изделия;

E_эф - эффективный модуль продольной упругости;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура испытания, K;

α_e - коэффициент теплового расширения, 1/K;

U₀ - истинная энергия активации разрушения.

Технический результат - повышение точности контроля прочности и сохранение эксплуатационных качеств контролируемого изделия после испытаний. 2 табл., 2 ил.

Способ неразрушающего контроля прочности изделий, заключающийся в том, что определяют сечение с максимальными напряжениями, на данное сечение устанавливают струнный периметромер с предварительным натяжением струны, нагружают изделие, определяют деформацию и напряжение в указанном сечении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, навивают на изделие несколько витков струны периметромера таким образом, чтобы средний виток был расположен в указанном сечении, а остальные размещают симметрично ему, с заданным шагом, определяют интегральную деформацию в сечении, по которой судят об эффективном модуле E_эф продольной упругости материала изделия, а о прочности δ_p судят по уравнению

где: K - коэффициент напряженного состояния и формы изделия;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура испытания, K;

α_e - коэффициент теплового расширения, 1/K;

U₀ - истинная энергия активации разрушения.