Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Высокий технический уровень и эффективность производства в металлургических и металлообрабатывающих отраслях промышленности обеспечивается созданием и освоением ресурсосберегающих технологий с улучшением качества продукции Значительные резервы в этой области связаны с научно обоснованным подходом к задаче регулирования напряженного состояния металлоизделий, существенно влияющего на надежность и долговечность техники, технологичность и металлоемкость конструкций, что подтверждает актуальность проблемы
Эффективным подходом к анализу и регулированию остаточных и приложенных механических напряжений в металлопродукции является системный подход, одну из ключевых позиций которого занимают вопросы контроля напряженного состояния металлоизделий на каждом этапе технологического процесса Контроль остаточных напряжений в заготовках и готовых деталях дает возможность выявлять изделия с недопустимым уровнем напряжений и проводить их технологическую доработку, используя различные методы воздействия на величину и распределение остаточных напряжений
Наиболее целесообразное решение этой задачи связано как с совершенствованием традиционных методов неразрушающего контроля (НК), так и с развитием сравнительно новых методов, таких как метод эффекта Баркгаузена (ЭБ), который получил в промышленности название метод магнитных шумов (МШ)
Существенно расширяет возможности контроля методом МШ параллельное использование акустического проявления эффекта Баркгаузена (магнитные акустические шумы (МАШ)) Разработка принципов совместного использования МШ и МАШ, позволяет повысить информативность метода эффекта Баркгаузена
Имеются отличительные особенности в физике этого явления от других электромагнитных методов контроля источником электромагнитного или акустического излучения является сам контролируемый объект по причине перестройки его доменной текстуры, большая локальность контроля, обеспеченная малой величиной объема скачкообразно перемагничивающейся области - 10 "9 -10 ",0 см3, возможность снимать информацию в аналоговом или цифровом виде даже с очень тонких слоев образцов Это позволяет, используя тесную связь магнитной текстуры со структурой деформированного металла, найти новые пути решение задачи контроля механических напряжений в деталях и разработки новых средств контроля
Таким образом, основной задачей диссертации является развитие теории метода контроля и разработка новых средств НК, основанных на эффекте Баркгаузена, для целей НК механических напряжений в высокопрочных сталях
Состояние проблемы. При перемагничивании ферромагнитных материалов возникают в индукционной катушке импульсы ЭДС, получившие название магнитные шумы (МШ), в пьезопреобразователе - акустические сигналы, получившие название магнитный акустический шум (МАШ)
Широкое развитие в НК получил метод магнитных шумов Большой вклад в становление этого метода внесли работы Н Н Колачевского, В М Рудяка, В В Клюева, Э С Горкунова, В Е Шатерникова, Г В Ломаева, В Е Щербинина, В В Поповой, В Л Венгриновича, В В Филинова, Н С Кузнецова, а также зарубежных исследователей - Ц Гарднера (США), И Шродера (США), И Бартона (США), Л Карьялайнена, К Титто (Финляндия) и тд Вместе с тем, применение метода МШ в промышленности явно не соответствует его возможностям и требует комплексного решения исследовательских, конструкторских и методических задач К их числу относятся вопросы более глубокого исследования взаимосвязи параметров сигналов МШ с механическими напряжениями и структурными изменениями в конструкционных высокопрочных сталях, методическое обеспечение выбора информативных параметров и режимов контроля с наибольшей достоверностью результатов измерений, разработка принципов создания надежной контрольно-измерительной аппаратуры и методик контроля, приемлемых для производственных условий
Существенно увеличивает возможности контроля методом МШ параллельное использование сигналов МАШ Энергетические и эмиссионные характеристики МШ и МАШ определяются перестройкой магнитной текстуры ферромагнетика скачками Баркгаузена (СБ), соответственно 180 и 90 доменных границ, при его циклическом перемагничивании Поэтому МШ и МАШ несут разную информацию о физико-механических свойствах сталей, а параметры их сигналов во взаимосвязи могут использоваться для построения новых алгоритмов контроля и диагностики напряженного состояния ответственных изделий из этих сталей
Значительный вклад в исследование физики магнитных акустических шумов перемагничивания внесли работы Э С Горкунова, В В Филинова, В А Хамитова, В Е Щербинина, В Ф Кумейшина, В А Комарова, а также зарубежных исследователей - К Оно, М Шибато (Япония), А Лорда, (США) и др Однако, техническое использование МАШ в промышленности сдерживается недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой, позволяющей разработать научно-обоснованные методики выбора информативных параметров, режимов и принципов конструирования средств контроля
Общий случайный характер сигналов МШ и МАШ позволяет надеяться на возможность разработки методических основ их совместного применения в НК, повысить надежность и информативность средств контроля методом ЭБ
Целью диссертационной работы является разработка новых методических основ и средств контроля механических напряжений в высокопрочных конструкционных сталях, основанных на методе МШ и МАШ В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи: анализ закономерностей изменения параметров огибающих сигналов магнитных шумов и магнитно-акустичесих шумов в зависимости от уровня микро- и макронапряжений, экспериментальные исследования взаимосвязей параметров сигналов МШ и МАШ на образцах углеродистых легированных сталей, определение новых алгоритмов обработки и информативных параметров сигналов МШ и МАШ, разработка аппаратуры и методик контроля механических напряжений на основе использования МШ и МАШ
Методы исследования Выполнение научных исследований проводилось с привлечением методов статистической физики, корреляционного анализа Результаты теоретических положений проверялись экспериментально с использованием механических методов испытаний, результатов металлографического и рентгеноструктурного анализа, статистических методов обработки экспериментальных данных
Новые научные результаты. В работе
На основе аналогии механизму возбуждения акустической эмиссии при пластической деформации разработана теория МАШ Исследованы зависимости энергетических и эмиссионных характеристик огибающих МАШ от параметров измерительной аппаратуры, объема СБ, магнитострикции и механических напряжений
Разработана методика расчета текущих энергетических и эмиссионных характеристик МШ и МАШ Показано, что параметр Um, равный максимальному значению сигналов МШ, отражает энергетические свойства МШ, параметр Н„ пропорционален коэрцитивной силе ферромагнитного материала, параметр МАШ Umah, равный среднему значению сигналов МАШ, пропорционален магнитострикции материала Это определяет новые возможности метода неразрушающего контроля, основанного на эффекте Баркгаузена, как многопараметрового метода
Исследованы зависимости параметров сигналов МШ и МАШ от уровня микро- и макронапряжений в высокопрочных стялях Доказана возможность использования единой, в пределах марки стали, зависимости параметра P=UMHM от величины макронапряжений, в случае контроля деталей из углеродистых и легированных сталей Показано, что использование параметра R=Um/Hm позволяет увеличить разрешающую способность аппаратуры - в 1,4 раза.
Установлено, что область применения метода контроля напряженного состояния металлоизделий существенно расширяется за счет использования алгоритмов, основанных на нормировке параметров МШ к параметрам сигнала МАШ, например, параметр B=Um/Uai, равный отношению максимального значения сигнала МШ к первому максимому сигнала МАШ, при этом разрешающая способность аппаратуры увеличивается ~ в 2 раза
Существенно повышается чувствительность контроля механических напряжений методом МАШ с использованием параметра К= U^/Uai, равного отношению двух максимальных значений огибающей сигнала МАШ
4 Для контроля ответственных изделий разработаны следующие методики контроля макронапряжений, основанные на регистрации МШ и МАШ
методика контроля напряжений в сборках корпусов изделий из стали ЭП-836,
методика контроля распределения напряжений в трубных заготовках из стали ЭП-836
5 Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ и МАШ, принципы построения средств и алгоритмов контроля напряженного состояния деталей из высокопрочных сталей, основанные на применении новых параметров, связанных с совместным использованием МШ и МАШ
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Теоретические и экспериментальные исследования МШ и МАШ при нагружении высокопрочных сталей позволили разработать методику и прибор для оценки уровня механических напряжений
Предложены новые информативные параметры, повышающие достоверность и чувствительность контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
Исследованы новые конструкции и выработаны рекомендации по режимам работы Первичных преобразователей для контроля с использованием МШ и МАШ
Разработаны новые алгоритмы, программные средства и микропроцессорный вариант прибора для контроля механических напряжений методом МШ и МАШ
Результаты работы реализованы в виде методик контроля макронапряжений в сборках корпусов изделий и трубных заготовок из стали ЭП-836, микропроцессорного варианта прибора контроля методом МШ и МАШ и использованы на предприятиях машиностроительной отрасли, например, Научно-исследовательском машиностроительном институте (НИМИ)
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 10-ти печатных работах и обсуждены на 5-ти международных конференциях "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики", гСочи-2002, 2004, 2005, "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления", г Ижевск-2005, 5-й межднародной выставке-конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 2006
Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 113 наименований, приложения и изложена на 186 странице машинописного текста, иллюстрируется 76 рисунками и 6 таблицами
Основные положения, выносимые на защиту:
Модели формирования огибающих МШ и МАШ и их характерных параметров, определяющие принципы построения методик и алгоритмов контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
Методика расчета текущих энергетических и эмиссионных характеристик МШ и МАШ, выбор новых параметров при контроле механических напряжений с использований МШ и МАШ
Принципы и алгоритмы построения средств и методик контроля напряженного состояния высокопрочных сталей на основе новых параметров сигналов МШ и МАШ
Методика контроля прочностных свойств изделий из высокопрочной стали на основе метода МШ и МАШ
Схемотехнические решения, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие разработку прибора (индикатора механических напряжений) на базе цифрового сигнального процессора, для контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
