книги из ГПНТБ / Дорофеев, А. Л. Индукционная структуроскопия

ром ДНМ-2000 (рабочая частота 2 Мгц) на образцах, упрочненных виброшлифованием.

ІТз опытов следует, что по показаниям этого прибора можно построить эпюру сжимающих напряжений при послойном стравливании образцов и, следовательно, оце­ нить степень наклепа.

Рис. 7-23. Зависимость показании прибора ДНМ-2000 в условных единицах от величины напряжений 1-го рода.

На рис. 7-25 приведены результаты испытаний на ча­ стотах 3 кгц и 2 Мгц образцов из стали ЗОХГСА, под­ вергнутых центробежно-шариковому наклепу с натягом упрочнителя 0,25 мм [исходная твердость по Роквеллу 35] и послойному электролитическому стравливанию.

Глубина наклепа по данным этих испытании состав­ ляет 0,4 мм, что совпадает с данными, полученными по

151

эпюре остаточных напряжений, снятых механическим способом. Однако показания приборов не переходят че­ рез пуль при изменении зігака остаточных напряжений. Показания низкочастотных приборов удается связать с площадью эпюры остаточных напряжений 5 (рис. 7-26).

При исследованиях влияния наклепа деталей из высокоотпущенной стали 18Х2И4ВА [Л. 10] были уста­

новлены фазовые превращения и, в частности, распад оста­ точного аустенита. Так, наклеп дробью приводит к умень­ шению количества остаточного аустенита на 16—18%. Исследования упрочнения, полученного роликовой обкат-

152

кои с последующей расточкой образца внутри, до стенки толщиной, равной глубине наклепа, позволили установить, что пластическая деформация (без сжимающих напряже­ ний) на этой стали со структурой сорбита не вызывает изменений ее магнитных свойств. Наблюдается четкая однозначная зависимость по­ казаний высокочастотных приборов от величины сжи­ мающих напряжений на по­ верхности (рис. 7-27).

кочастотных приборов заметно влияет исходное состоя­ ние образца до наклепа. Но несмотря на это, положение максимума, определенное индукционными приборами, отличается от положения максимума напряжений, изме­ ренных механическим методом, на величину не более ±0,05 мм.

При послойном стравливании индукционные прибо­ ры были использованы для определения толщины накле­ панного слоя, положения максимума остаточных напря­

При дробеструйном наклепе отверстий (давление воз­ духа 4,5 кгс/мм2) максимальные напряжения 63 кгс/мм2 достигаются при времени упрочнения 1 мин.

153

Увеличение продолжительности центробежио-шаріі- кового упрочнения от 20 до 80 мин (от 4 до 16 проходов) не оказывает заметного влияния как на величину оста­ точных напряжений, так и на глубину их распростране­ ния. При упрочнении отверстия проушины шатуна из стали 18Х2Н4ВА максимум остаточных напряжений на­ ходится на глубине 0,12—0,15 мм, а величина остаточных напряжений сжатия и глубина их распространения прак­ тически не отличаются от значений, полученных для цен- тробежно-шарнкового упрочнения. Цептробежно-шарнко- вое упрочнение и раскатка в широком диапазоне режи­ мов упрочнения стали 18Х2Н4ВА (высокий отпуск) позволяет получить максимальные остаточные напряже­ ния сжатия 50 кгс/мм2.

Выяснилось, что предел выносливости образцов, под­ вергнутых дробеструйному наклепу, снижается по срав­ нению с полированными на 20—22%, что объясняется ухудшением чистоты поверхности после наклепа. Уста­ лостная прочность проушин, упрочненных центробежношариковой обработкой, а также раскаткой упругого дей­ ствия выше соответственно на 53 и 66% усталостной прочности проушин с хромированными отверстиями (толщина хрома 6—7 мкм).

Г л а в а в о с ь м а я

ВВЕДЕНИЕ В Т Е Х Н И Ч Е С К У Ю Д И А Г Н О С Т И К У

8-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Техническая диагностика — это совокупность методов и средств для раннего распознавания структурных по­ вреждений, прогнозирования срока службы и оставше­ гося запаса прочности деталей в машинах.

Необходимость оценки степени повреждения, опреде­ ления оставшегося запаса прочности и возможного сро­ ка службы детали до разрушения возникает при ремонте, выработке ресурса, после различных аварийных ситуа­ ций. На каждую ответственную жизненно важную деталь заводится ее «история болезни» с данными анализов и результатами периодической проверки. Под оставшимся запасом прочности имеется в виду не только статически

154

измеренная прочность образца па разрыв при комнатной температуре. В большинстве случаев эта величина харак­ теризует срок службы деталей до разрушения лишь от­ части. Приходится считаться с «чувствительностью» ма­ териала к трещинам, скоростью распространения трещин, явлениями замедленного разрушения, жаропрочностью, ползучестью и другими факторами [Л. 65, 84].

Как правило, более прочные алюминиевые сплавы или углеродистые стали более «чувствительны» к трещине, чем менее прочные. Хрупкие разрушения ограничивают применение высокопрочных материалов, например дета­ лей из хорошо известного хромансиля (ЗОХГСА), обра­ ботанного на высокую прочность (160—180 кгс/мм2). Разрушения такого типа связаны с явлением замедлен­ ного разрушения и «накапливанием разрушения» .[Л. 31].

Многие детали применяются в силовых конструкциях, работающих в условиях высокой или, наоборот, очень низкой температуры. Температура — важный фактор, влияющий на прочность материала. Так, у железа при

и высокой температуры материал «ползет», причем это явление наблюдается и при постоянно действующих на­ пряжениях. Поэтому ползучесть нередко характеризует­ ся напряжением, вызывающим за 100 ч работы суммар­ ную деформацию, равную 0,1% от деформации для оѵ

Замедленное разрушение возникает и при напряже­ ниях ниже предела текучести. Поэтому часто пользуются величиной длительной прочности, понимая при этом на­ пряжение, которое действует в течение заданного време­ ни, при определенной температуре, вызывая разрушение материала. Время выдержки при испытаниях на дли­ тельную прочность соответствует длительности эксплуа­ тации.

Все перечисленные факторы обусловливают темпера­ турный порог, выше которого материал использован быть

155

В результате усилие тяги возросло в 2 раза, а расход топлива снизился. Однако при этом возросла скорость газовой коррозии и связанный с ней переход металла в окалину. Планируемое увеличение температуры с 800 до 1 100°С может увеличить скорость этого явления внесколько раз [Л. 64]. Поэтому важное значение приобре­ тают защитные покрытия и их толщина.

В предыдущих главах так или иначе затрагивались вопросы технической диагностики, позволяющие еще до монтажа детали в машине установить соответствие мате­ риала детали и ее обработки принятым нормам.

Для определения дефектов, степени износа защитного покрытия, наличия и роста трещин служат индукционные дефектоскопы и толщиномеры [Л. 24].

При проверке качества деталей, установленных в ма­ шинах и находящихся в эксплуатации, многие из извест­ ных физических методов испытания не пригодны из-за трудностей, связанных с вводом и установкой датчика, или с правильным выполнением методики испытаний (на­ магничивание и размагничивание — при контроле магнптнопорошковым методом, очистка поверхности и на­ грев— при капиллярных методах контроля п т. д.).

разрываются при появлении трещин определенного раз­ мера.

Преимуществом метода вихревых токов является воз­ можность наиболее раннего выявления усталостной тре­ щины. Связь между электромагнитными характеристика­ ми, остаточными напряжениями и прочностью дает осно­ вание для изыскания способов оценки состояния мате­ риала еще до появления трещин. Реальным «конкурен­ том» здесь у метода вихревых токов может быть лишь метод акустической эмиссии.

Как правило, разрушения начинаются в поверхност­ ной или подповерхностной зоне, когда прочность здесь окажется меньше внутренних растягивающих напряже­ ний. Термообработанные металлические сплавы всегда находятся в структурно-напряженном состоянии. В не­ большом объеме между соседними зернами растягиваю­

156

Для технической диагностики имеет важное значение изучение влияния .внутренних напряжений и особенно напряжений, возникающих внутри зерен или между со­ седними зернами.

Об опыте по оценке прочности деталей из стареющих алюминиевых сплавов при их нагреве до температур ни­ же точки рекристаллизации и последующем охлаждении было сказано в гл. 3.

Увеличение температуры нагрева приводит к возра­ станию электрической проводимости и падению прочно­ сти. Систематический контроль за изменением электриче­ ской проводимости нагревающихся деталей из алюминие­ вых сплавов (например, .обшивки самолета) позволяет заранее сказать о допустимой потере прочности. Это воз­ можно до температур подкалки металла на воздухе.

Многие алюминиевые сплавы одной системы можно расположить в ряд по степени возрастания прочности, электрического удельного сопротивления и процентного

АК6, АК8, АК2, АК4, АК4-1). Для перечисленных спла­ вов при нормальной термообработке увеличение прочно­ сти на разрыв сопровождается уменьшением электриче­

том двигателей, имеют дело с перегретыми деталями. Чем выше была температура нагрева, тем меньше стойкость сплава.

В сплавах с интерметаллидным упрочнением (в отли­ чие от сплавов с карбидным упрочнением) по результа­ там измерения твердости нельзя обнаружить перегрев.

щественно изменить свою стойкость. В то же время изме­ ненийструктуры или твердости обнаружить не удается і .

Зоны перегрева при больших температурах выявляют­ ся макротравлением. На макрошлифах заметны участки с оплавленными границами зерен. Исследования показа*

157

ли, что перегрев хромоникелевых сплавов ведет к суще­

щих элементов в этой зоне появляется особая фаза, что дает возможность определить степень и температуру перегрева деталей.

В ВВС США имелись случаи потери прочности дисков из стали 4340 турбины самолета В-47. В 1959 г. по этой причине было пять аварий. Работы по предсказанию жи­ вучести позволили вернуть в эксплуатацию диски общей стоимостью выше 1 млрд. долл., что в несколько раз пре­ высило сумму средств па исследовательские работы

вэтой области.

Вгл. 7 мы указывали па связь между магнитной про­ ницаемостью и механическими напряжениями. Возмож­

ность количественной оценки остаточных напряжений в ферромагнитных материалах высказывалась многими исследователями [Л. 2, 5]. Имеются работы по оценке этих напряжений с помощью низкочастотных электромаг­ нитных приборов с проходной катушкой, дающих инте­ гральную характеристику состояния образца по всему периметру на сравнительно большую глубину [Л. 47]. Определенные возможности здесь открывает применение приборов с накладной катушкой, работающих иа часто­ тах от 1 до 2 ООО кгц [Л. 9, 29]. Механические воздействия вызывают в поверхностном слое ферромагнитного метал­ ла структурные изменения, которые фиксируются этими приборами. Изменения происходят в очень тонком, слое, обычно не превышающем 20 мкм, где и появляются оча­ ги будущих трещин.

Таким образом, техническая диагностика с помощью вихревых токов включает:

1) средства и методы раннего обнаружения зон струк­ турной неоднородности — возможных очагов трещин;

2)средства и методы выявления небольших и субма­ кроскопических усталостных и других трещин, а также оценку живучести деталей с этими трещинами-,

3)методы определения степени износа поверхностных защитных слоев на деталях, включая непроводящие по­ крытия, плакировку и т. п.

Метод вихревых токов находит применение во всех перечисленных направлениях, но наибольшие успехи имеются при его применении для выявления трещин уста­ лости.

158

8-2. УСТАЛОСТЬ

Примерно 90% всех поломок являются следствием усталостных разрушений.

Усталостные разрушения характеризуются наличием типичных участков последовательного развития трещин: очага разрушения, участка ускоренного развития, участ­ ка окончательного разрушения (зоны долома) (Л. 9, 27].

На участках ускоренного развития дефектов видны усталостные линии, образующиеся вследствие изменения величины действующих напряжений или прекращения действия эксплуатационной нагрузки. Чем сильнее при­ терт излом, тем меньше перегрузка, тем длительнее об­ разовывался излом. С увеличением размеров зерен по­ верхность излома становится менее гладкой и более по­ хожей на хрупкий излом в зоне долома.

Единой точки зрения на процесс усталостного разру­ шения в настоящее время нет. Очевидно, что разруше­ нию предшествует пластическая деформация, однако счи­ тать предел усталости равным пределу упругости нельзя. Общепринятая теория упрочнения исходит из того, что в реальных сплавах всегда содержатся дефекты, которые можно рассматривать как уже готовые очаги усталост­ ного разрушения.

Можно считать установленным, что пластические сдвиги, возникающие в металле под действием цикличе­ ской нагрузки, приводят к наклепу и перераспределению напряжений как между зернами, так и внутри самих зе­ рен. Наклеп для многих металлов сопровождается увели­ чением твердости. Пластическая деформация накапли­ вается в результате скольжения и двойникования вдоль тех же кристаллографических плоскостей и по тем же направлениям, что и при действии статических нагрузок. И. А. Одинг дополнил эту теорию, обратив внимание на то, что циклические повторяющиеся напряжения вызыва­ ют в металле два одновременно протекающих' явления: упрочнение и разупрочнение [Л. 31]. Упрочнение связы­ вается с наклепом и старением, а разупрочнение — с по­ явлением напряжений второго рода, искажений третьего рода, дроблением кристаллов на блоки.

Эффективность действия упрочнения и разупрочнения в процессе циклической нагрузки проверила С. И. Кишкина с сотрудниками. Темп снижения хрупкой прочности разных металлов различен и зависит от величины цикли­ ческой вязкости. Чем она выше, тем сильнее при прочих

159

равных условиях будет снижаться сопротивление разры­ ву и тем ниже долговечность.

Причиной большинства усталостных разрушений явля­ ется наличие концентраторов напряжении. Вблизи резких уступов, выточек, борозд, небольших сквозных отверстий и даже просто царапин напряжения оказываются значи­ тельно большими, чем в остальных точках.

Концентрация напряжений — фактор, вызывающий перемещение зерен по их границам и пластическую де­ формацию материала.

В начальный инкубационный период развития тре­ щины плотность дислокаций растет.и внутренние напря­ жения увеличиваются. При этом в ферромагнитных ма­ териалах движение доменных частиц затрудняется. По мере увеличения нагрузки появляются линии скольже­ ния, имеющие тенденцию к расширению. Отдельные ча­ сти зерна темнеют. Возникает множество линий, сдвигов, переходящих затем в трещины.

Считают, что второй период связан с интенсивным образованием вакансий и их «оттоком» в субмикроско­ пические нарушения сплошности. С появлением субми­ кроскопических трещин плотность дислокаций уменьша­ ется и, следовательно, облегчается движение доменных границ. Поэтому если в первом периоде магнитная про­ ницаемость снижается, а электрическая проводимость не изменяется, то во втором периоде магнитная проницае­ мость увеличивается, а электрическая проводимость сни­ жается. В третьем периоде субмикроскопические трещи­ ны перерождаются в микротрещины. При этом движение доменных границ еще больше облегчается, что вызывает увеличение магнитной проницаемости. При увеличении напряжений плотность образующихся полос скольжения выше и поэтому трещины появляются раньше. Важным предшественником их появления является возникнове­ ние на поверхности детали шероховатости. На процесс упрочнения при начальных стадиях зарождения трещины оказывает влияние большое число факторов (вид нагружения, способ задания нагрузки, уровень нагружения.

160