Содержание к диссертации
Введение
I Анализ методов диагностики состояния материалов и конструкций 13
1.1.Деформационно-прочностные свойства материалов. Предельные напряжения 15
1.2. Определение напряжений 20
1.3. Ультразвуковые методы измерения 22
1.4. Другие методы 30
1.5. Стадийностьи локализация 34
II Материал и методика эксперимента 38
2.1. Ультразвуковой способ анализа материала 38
2.2. Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов 43
2.3. Метод спекл-интерферометрии 51
2.4. Рентгеновские методы 59
2.5. Рентгеноструктурный анализ 67
2.6. Материалы 70
III. Обоснование природы связи скорости с действующими напряжениями при пластическом течении поликристаллов 82
3.1.Зависимость скорости ультразвука в поликристаллическом алюминии при исследовании in situ 83
3.2. Промышленные алюминиевые сплавы 89
3.3 Измерение скорости ультразвука на углеродистой стали 65Г 100
3.4.Скорость ультразвука в кремнистом железе Fe+3%Si 100
3.5.Исследование внутренних напряжений 1-го рода в промышленном сплаве Zr-Nb 105
3.6. Стадийность кривых деформации 111
3.7.Измерение скорости распространения ультразвука при деформации поли кристаллов стали 09Г2С 115
3.8. Анализ влияния температуры на изменение скорости ультразвука в стали Зкп 117
3.9.Акустический метод определения механических характеристик in situ 119
3.10.Учет упруго-пластических деформаций при определении напряжений в конструкциях 125
3.11. Изменение скорости ультразвука во время релаксации напряжений в алюминии и его сплавах 126
IV. Связь процессов локализии и стадийности деформации со структурой деформированного материала 130
4.1.Исследование субструктуры полосы Чернова-Людерса на стали 09Г2С методами рентгеновской дифрактометрии и топографии 130
4.2. Измерение разворотов блоков на начальной стадии поликристаллического алюминия методами рентгеновской топографии 133
4.3. Рентгеноструктурнуй анализ сильнодеформированного алюминия 142
4.4. Локализация деформации в деформированном алюминии 143
4.5. Скорость распространения ультразвука в поликристаллах алюминия с разным размером зерна 145
4.6.Стадийность и скорость ультразвука в алюминии 152
4.7.Локализация пластической деформации 159
4.8. Зависимость пространственного периода локализации от размера зерна 174
V. Напряжения в металлических конструкциях мостов и сооружений (методика выполнения измерений ультразвуковым методом) 179
5.1 Общие положения 179
5.2 Характеристики погрешности измерений 181
5.3 Метод измерений 183
5.4.Применение метода автоциркуляции ультразвуковых импульсов для измерения напряжения в металлических конструкциях мостов и сооружений 190
5.5 Сведения о средствах измерений, образцах для аттестации и испытательном оборудовании 193
5.6 Порядок выполнения экспериментов и расчетов 193
5.7 Установление номинальной градуировочной зависимости (НГЗ) и оценка СКО погрешности аппроксимации 208
VI. Разработка акустического метода контроля напряжений в металлических конструкциях и деталях 221
6.1. Диагностика мостовых переходов 223
6.2.Акустический контроль мостов 229
6.3. Современные ультразвуковые приборы и методы 238
6.4.Испытание мостов 239
6.5. Акустическое определение напряжений, возникающих при электросварке в мостовых и иных металлических конструкциях и деталях 258
6.6 Ресурс работы тележечных пружин пассажирских вагонов 298
6.7. Измерения напряжений в образцах твэльных труб 305
Заключение 318
Список литературы 321
Приложения 339
Свидетельство об аттестации методики измерения 340
- Определение напряжений
- Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов
- Промышленные алюминиевые сплавы
- Измерение разворотов блоков на начальной стадии поликристаллического алюминия методами рентгеновской топографии
Определение напряжений
Для анализа местных напряжений были развиты методы фотоупругости и тензометрии. В анализ прочности дополнительно были введены характеристики низкотемпературного локального сопротивления отрыву с учетом перераспределения напряжений за счет местных пластических деформаций
Важное значение при этом имели исследования по локальным структурным физико-механическим процессам формирования микродеформаций и микроповреждений в материале с использованием методов рентгенографии и микроскопии.
Создание в зонах действия концентрации и температурных напряжений областей неупругого циклического деформирования потребовало перехода от расчетов в локальных напряжениях к расчетам в локальных деформациях: для этого были развиты методы фотоупругих наклеек, муара, малобазных сеток и малобазной тензометрии [67, 102, 117, 138, 149, 176, 179]. Измерения локальных напряжений и деформаций выполнялись высокотемпературными методами тензометрии и муара на технических объектах в нашей стране и за рубежом. Для анализа процессов повреждения использовали методы импульсной голографии, термовидения, тензочувствительных покрытий, рентгенографии, микроструктурного анализа, виброметрии .
Применительно к стадии эксплуатации важным научно-техническим и экономическим вопросом становится вопрос о безопасном выводе объектов из эксплуатации (особенно в случаях накопленных остаточных, радиоактивных излучений, химических воздействий, рабочих и аварийных воздействий на объекты, персонал и окружающую среду).
Одной из важнейших задач при решении проблем обеспечения прочности, ресурса и безопасности современных мощных установок и машин всегда являлось определение напряженно-деформированных состояний (НДС) несущих элементов конструкций при эксплуатации.
Для решения указанных задач, наряду с современными расчетными методами, успешно применяются эффективные методы экспериментальной механики на всех основных этапах создания машин, включая стадии проектирования, доводки опытных образцов, и особенно в реальных условиях эксплуатации. В ряде случаев при сложностях в проведении прямых экспериментальных исследований уникальных конструкций применяются комбинированные расчетно-экспериментальные методы, сочетающие преимущества каждого из используемых методов на различных этапах исследований, что обеспечивает получение необходимой информации по НДС, в том числе в зонах, недоступных для измерений. Проведение экспериментальных исследований НДС конструкций атомного, термоядерного, теплоэнергетического, химического и другого оборудования потребовало значительного развития существовавших методов измерений и создания новых, обеспечивающих выполнение модельных, стендовых и натурных исследований на всех этапах создания машин и конструкций.
Для этого были созданы методы и средства высокотемпературной натурной тензо -, термо - и виброметрии для исследований напряженного состояния высокорисковых объектов с применением разработанных специальных информационно-измерительных комплексов и проведены исследования при стендовых, заводских и пусковых испытаниях, а также при длительных испытаниях в экстремальных условиях эксплуатации.
Разработаны и применяются несколько новых типов хрупких тензочувст-вительных покрытий, предназначенных для различных условий испытания. Получили развитие и применение, разработанные расчетно экспериментальные методы, позволяющие с решением обратных задач экспериментальной механики расширить объем информации о действительном напряженном состоянии натурных объектов в условиях эксплуатации, упростить постановку и объем экспериментальных исследований, дать объективную оценку уровня напряженности в неудобных для измерений участках поверхности, особенно на внутренних зонах корпусов и патрубков атомного и теплоэнергетического оборудования.
Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов
Ранее было сказано, что изменение скорости распространения ультразвука в металлах и сплавах в зависимости от их структуры или термической обработки не может, обычно, превышать 3%. Следовательно, для изучения природы связи между изменением структуры при пластическом течении поликристаллических материалов и скорости распространения ультразвука нужны ультразвуковые методы с точностью не ниже 10 4.
Именно автоциркуляционный метод [130] отвечает вышеприведенным требованиям, он также пригоден как для промышленных, так и для исследовательских целей. Достоинство его состоит в том, что в данном методе за счет жесткой фиксации расстояния между пьезопреобразователями исключается влияние фактора наиболее сильно влияющего на точность измерений.
Метод автоциркуляции импульсов отличается тем, что генератор импульсов, возбуждающий ультразвуковой излучатель, синхронизируется импульсами, прошедшими через анализируемую среду. В системе устанавливается частота следования импульсов. Использование такого метода в жидкостях и твердых телах показало, что погрешность его находится в пределах от 0,2 до 0,5 %. Реализация данного метода ограничена средами, в которых второй и последующие отраженные импульсы затухают до такой степени, что не могут повлиять на условия синхронизации генератора зондирующих импульсов. При изменениях в твердых телах в образце наблюдается одновременно большое количество отраженных от его концов импульсов. В этих условиях метод автоциркуляции импульсов в прежнем виде неприменим. Однако при соответствующей доработке можно повысить его точность до 0,02% и использовать для измерения скорости распространения ультразвука в широком диапазоне ее изменений и в различных средах.
Суть метода автоциркуляции заключается в том, что прошедший по образцу ультразвуковой импульс преобразуется в приемном пьезопреобразо-вателе в электрический сигнал, формирующий следующий, вводимый в образец импульс. При этом частота следования импульсов зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, следовательно (при неизменном расстоянии между пьезопреобразователями), от скорости распространения ультразвука в образце. В работе для измерения скорости поверхностных акустических волн использовали автоциркуляционный прибор ИСП-12 с цифровой индикацией измерений [34], состоящий из блока обеспечения автоциркуляции акустического импульса и блока индикации результатов измерений, и прибор ASTR, разработанный в ИФПМ СО РАН. Блок-схема - на рис. 2.1.
Блок обеспечения автоциркуляции работает следующим образом. Генератор 8 парафазным напряжением формирует на выходе электронного коммутатора 10 короткий импульс, запускающий ключ 1 и первую ступень генератора 7. В результате срабатывания ключа акустический импульс посылается с пьезопреобразователя 2 в объект (изделие) 3. Прошедший по заданной базе изделия акустический сигнал принимается пьезопреобразователем 4 и подается на вход усилителя-формирователя 5. На выходе усилителя возникает пакет "импульсов-откликов", что связано с акустическими ревербера-циями в контролируемом изделии. Поскольку интересующий отклик проходит (по времени) первым, формирователь, собранный по схеме одновибрато-ра, срабатывая по первому импульсу, выдает импульс заданной длительности, несколько превышающий длительность пакета "импульсов-откликов". В дальнейшем обработка пакета ведется по переднему фронту импульса, вырабатываемого формирователем. Сформированный на выходе усилителя-формирователя сигнал поступает на вход первой ступени генератора 6, выдающего импульс регулируемой длительностью. Вторая ступень генератора 6 срабатывает по заднему фронту импульса первой ступени, который можно сдвигать по времени и компенсировать таким образом влияние температурных колебаний на скорость ультразвука. Вырабатываемый второй ступенью генератора 6 импульс-отклик на длительность пробега акустической волны по заданной базе контролируемого изделия - подается на один из выходов схемы совпадений. Вторая ступень генератора 7 срабатывает по заднему фронту импульса первой ступени и образуемый ею стробирующий импульс поступает на второй вход схемы совпадений электронного коммутатора. При совпадении на входах схемы сигналов по времени на ее выходе возникает импульс, возобновляющий описанный процесс. Кроме того, импульсы на выходе генератора 7 передним фронтом блокируют вторую ступень, что предотвращает набегание стробирующего импульса на отклики наводок, появляющиеся на сопряженном входе схемы совпадений электронного коммутатора в результате включения ключа напряжения. При этом блокируется запускающий генератор 8 и прекращается звуковой сигнал и зажигается светодиод, служащий оптическим индикатором автоциркуляции.
Блок индикации результатов измерений функционирует следующим образом. Генератор 11 вырабатывает сигнал, который поступает на вход делителя 12. Сформированная на его входе длительность счета подается на один из входов электронного коммутатора 10. На сопряженный вход поступают импульсы, отражающие автоциркуляцию. Сформированный пакет импульсов подается на вход счетчика 14, и затем информация уходит в регистр памяти 15, где дешифруется в семисегментный код в дешифраторе результата 16 и индикаторе 17. Микропрограмму функционирования блока индикации результатов измерений обеспечивает дешифратор 13. По сигналам, полученным с делителя частоты, этот дешифратор после окончания пакета импульсов "автоциркуляция" вырабатывает импульс загрузки регистра памяти и вслед за ним импульс сброса делителя частоты 12 и счетчика 14. Затем процесс возобновляется.
В схему прибора, разработанного Муравьевым (ИСП-12), нами были внесены существенные изменения для повышения стабильности и точности регистрации сигнала. Рассмотрим структурную схему прибора по измерению скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов (рис. 2.1). В такой структурной схеме особое место следует уделить компаратору, так как именно модификация данного узла позволила авторам настоящей статьи увеличить точность схемы измерения. Уровень сравнения компаратора должен быть, очевидно, близок к "нулю", так как скорость нарастания импульса максимальна именно в "нуле". Однако при этом есть опасность, что шумы могут быть сравнимы с уровнем компаратора. Скорость нарастания (изменения) импульса с наибольшей амплитудой, очевидно, максимальна. Поэтому целесообразно вести отсчет не по первому импульсу с небольшим изменением скорости нарастания, а по импульсу с максимальной амплитудой. Для этого реализована схема прибора-измерителя частоты автоциркуляции с новым элементом - счетчиком импульсов. При настройке прибора на требуемый диапазон частот, то есть на определенный металл или сплав автоматически определяется номер импульса с максимальной амплитудой и запоминается в счетчике (на схеме это "код предустановки счетчика"). Схема циркуляции замыкается не по первому импульсу, а по п-ному. Это приведет к небольшой ошибке в определении абсолютного значения скорости ультразвука для данного материала. Однако, как показано в работах авторов и в аттестованной методике по определению напряжений акустическим методом [27,135,137,165], нет необходимости в измерении абсолютных значений скорости. Для построения корреляционной зависимости можно выбрать приращение скорости ультразвука от напряжений. Поэтому, выбрав импульс с максимальной амплитудой, мы можем уверенно его фиксировать и затем по изменению скорости определять напряжения.
Промышленные алюминиевые сплавы
Используя алюминиевые сплавы как модельные, в которых хорошо изучены структура и механизмы распада, можно найти закономерности в распространении скорости ультразвука и разработать представления о природе ее связи со структурными факторами. В термоупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавах наблюдается ожидаемый эффект изменения скорости ультразвука, так как при распаде пересыщенного твердого раствора происходят дислокационные перестроения. Скорость распространения ультразвуковых волн в сплавах определяется силой взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решетке. С изменением межатомных расстояний (искажением кристаллической решетки), например, при образовании или распаде пересыщенных твердых растворов, а также при пластическом деформировании, изменяются силы взаимодействия между атомами, что влечет за собой изменение скорости распространения ультразвука в этих сплавах.
Влияние внутренних напряжений и деформаций на скорость ультразвука изучали на алюминий-литиевых сплавах 1420 и 1450. Для исследований использовали образцы в форме двойной лопатки толщиной 2 мм и раз-мером рабочей части 10x50 мм", сплавов 1420 (Al-Mg-Li), 1450 (Al-Cu-Li). Термическая обработка алюминиевых сплавов состояла из двух циклов: закалки и старения. В процессе закалки происходит фиксация твердого раствора, образованного при высокой температуре в результате отжига, посредством быстрого охлаждения до температуры, близкой к комнатной, сплав становится пересыщенным, а его кристаллическая решетка искажается. Высокие остаточные напряжения являются следствием температурного градиента охлаждения. В экспериментах для варьирования скорости охлаждения образцов в результате закалки применяли водный раствор полиэтиленоксида (мягкая закалка) и воду комнатной температуры (жесткая закалка). Закалка алюминиевых сплавов традиционными методами, в воде комнатной температуры, -имеет множество недостатков: коробление тонкостенных деталей и листов, высокие внутренние напряжения. Многообещающей закалочной средой для получения оптимального сочетания свойств данных сплавов служит водный раствор полиэтиленоксида. Известно [29, 68, 154, 155], что после закалки в растворе полимеров структура материала становится мелкокристаллической, в то время как при закалке в воде наблюдается пористая структура. Таким образом, величина внутренних напряжений сплава Al-Cu-Li, закаленного в растворе полимеров, меньше, чем при закалке в воде. Следовательно, величина скорости распространения ультразвука в сплавах 1450 имеет большие значения при мягкой закалке (рис. 3.5) в растворе полимеров (v 2750-2770 м/с), чем при жесткой (рис. 3.6) в воде (v 2565-2580 м/с) .
Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе - процессы, подготавливающие выделение и непосредственно процессы выделения. Напряжения, возникающие при закалке, падают при последующем старении. Степень релаксации напряжений сильно зависит от продолжительности и температуры старения. Для большого снижения внутренних напряжений посредством терморелаксации необходимы высокие температуры старения. Таким образом, скорость распространения ультразвука в алюминиевых сплавах 1420 имеет большие значения при естественном старении v 2732-2747 м/с, чем только после закалки, за счет искажений кристаллической решетки вследствие распада пересыщенного твердого раствора в течение времени при комнатной температуре .
Закалка в воду и состаренный естественно сплав 1420 ( А1 Mg-Li). растворенных атомов увеличивается, вследствие чего искажения кристаллической решетки эффективнее устраняются. Величина внутренних напряжений в сплаве 1420 (Al-Mg-Li), состаренном искусственно, падает, а скорость распространения ультразвука растет v 2810-2818 м/с (рис. 3.8). Таким образом, величина скорости ультразвука в сплавах, состаренных искусственно, больше, чем в образцах, состаренных естественным путем. На рис. 3.9 - 3.10 приведены кривые деформационного упрочнения сплава Al-Cu-Li, подвергнутого различной термической обработке вместе с соответствующими коэффициентами упрочнения.
При рассмотрении кривых течения и коэффициента деформационного упрочнения от степени деформации можно говорить о наличии в данном сплаве двух линейных участков с высоким постоянным или практически постоянным коэффициентом упрочнения, между которыми лежит переходный участок со снижающимся коэффициентом упрочнения. За вторым участком линейного упрочнения следует параболическая стадия, где коэффициент деформационного упрочнения уменьшается. Из рис. 3.9. и 3.10 для сплава 1450 можно заметить, что и скорость распространения ультразвука на линейной стадии практически не изменяется, и только на стадии параболического упрочнения кривой пластического течения мы наблюдаем резкое падение скорости ультразвука, которое затем сменяется резким возрастанием скорости ультразвука. Возможно, падение скорости ультразвука связано с увеличением искажений кристаллической решетки в пересыщенном твердом растворе после закалки, в то время, как скорость ультразвука возрастает при уменьшении искажений кристаллической вследствие распада пересыщенного твердого раствора.
Измерение разворотов блоков на начальной стадии поликристаллического алюминия методами рентгеновской топографии
Различные неоднородности в кристалле создают определенного типа искажения кристаллической решетки, которые характеризуются как изменением параметра решетки, так и микроизгибом кристаллографической плоскости.
Обычно, в деформированных кристаллах наблюдают дислокационно-дисклинационные структуры, создающие микронапряжения, которые могут быть описаны флуктуациями, изменяющимися в областях размером порядка а Н р, где р - плотность дислокаций (дисклинаций), а порядка или несколько больше единицы. В этом случае при формировании распределения интенсивности рассеянных рентгеновских лучей происходит самоусреднение интенсивности по ансамблю физически бесконечно малых объемов. В нашем случае, искажения в кристалле имеют крупномасштабный характер, когда размер неоднородностей имеет порядок или несколько меньше размера области, облучаемой рентгеновскими лучами при съемке дифракционной картины. Такая ситуация возникает если кристалл разбит на разориентирован-ные или по-разному искаженные фрагменты, размер которых относительно большой, так что в отражающее положение попадает несколько фрагментов или вообще один. Тогда наблюдаемая интенсивность будет иметь характер микроскопической величины, а ее значения будут зависеть от конкретного детального расположения, размеров и степени искажения отдельных фрагментов, в данном случае блоков, и их разориентировок.
Рентгеновские исследования реальных кристаллических твердых тел опираются на сложные, хорошо развитые методы, позволяющие достаточно быстро получить сведения об особенностях распределения интенсивности рассеянных рентгеновских лучей на дифракто- (и рентгенограммах). Структуру и субструктуру материалов, подвергнутых деформации, традиционно исследуют различными методами рентгенографии. В их числе достаточно редко используемый метод Фудживара. Нечастое применение этого метода сложным приготовлением образцов, которые должны быть рентгеновски прозрачны и иметь большие размеры кристаллов с небольшой плотностью дефектов. Изучение данного материала непосредственно в процессе деформации методом Фудживара было предложено в работе [167]. Для исследования пластической деформации была выбрана "жесткая" машина для механических испытаний Instron-1185 с одним неподвижным захватом. В процессе растяжения производилась регистрация степени общей деформации є и напряжения а. Исследовали крупнозернистый алюминий А85 с размером зерен от 1 до 3 см. Одновременно с деформацией фиксировали Лауэ-пятно крупного зерна части поликристалла, находящейся в рабочей зоне образца с общей освещенной площадью не менее 1 см". Размеры рабочей части образцов составил 50x10x3 мм . В качестве источника белого рентгеновского излучения использовали установку УРС-002 с рентгеновской трубкой и медным анодом, размер фокуса составлял 40x40 мкм. Субструктуру регистрировали на рентгеновской пленке РТ-1. Для получения качественного изображения машину останавливали через равные промежутки времени на 10-15 минут. Прерывание растяжения не сказывалось на зависимости т= f(є) из-за слабой релаксации образца на линейной стадии деформации, Ориентацию плоскости зерен относительно плоскости образца определяли на дифрактометре ДРОН-ЗМ в Си Ка .излучении. Измерение углов разориентации субзерен проводили на зернах, в которых отклонение плоскости (113) от плоскости образца не превышал 0,1-0,2. В результате исследований было установлено, что процесс пластической деформации на начальной стадии характеризуется резким увеличением угла разворота субструктурных элементов, в результате чего происходит релаксация напряжений (рис. 4.4, фото). Анализ характера изменения размеров и положения рефлексов на лауэграммах деформированных образцов показал, что разворот зерен происходит относительно оси растяжения х и оси z. Строение интерференционных пятен от деформированных образцов отражает внутреннюю структуру зерен, состоящих из фрагментов (блоков), вытянутых вдоль оси [ПО]. В процессе нагружения наблюдали перемещение и разворот блоков относительно друг друга, причем значительно легче этот процесс происходит в плотноупакованных плоскостях.
Из анализа интерференционных пятен следует, что распределение элементов субструктуры вдоль оси растяжения весьма неоднородно. Так, наблюдаются области, относительно свободные от видимых следов деформации, и области, разбитые на дезориентированные друг относительно друга микроблоки. Блоки вытянуты вдоль направления [011], размер их при этом составлял от 50 до 150 мкм, углы поворота вокруг оси [011] достигают 10-15. Таким образом, деформированные зерна разбиваются на несколько областей, в которых деформация протекает с разной интенсивностью. Далее, методом Фудживара, были измерены развороты вокруг осей у и z для разных степеней деформации (рис.4.6). Можно видеть, что величина поворотов экстремально зависит от степени деформации. Необходимо подчеркнуть, что определяемые по рентгенограммам величины углов поворота близки к тем, какие наблюдались ранее в работах [173] при соответствующих уровнях прироста общей деформации 0,2%. Таким образом, рентгенотопографическое исследование структуры пластически деформированного кристалла А1 подтверждает существование поворотов материала, их неоднородное распределение по деформируемому объекту и в ходе пластического течения.
Похожие диссертации на Основы технологии контроля деталей и конструкций при эксплуатации по вариациям скорости ультразвука
