ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ

THERMAL CONTROL OF RESIDUAL STRESS OF METALS

Alexey Alabyshev

 assistant of the department of transport, storage of oil, gas and gas equipment, Northern (Arctic) Federal University,

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

В работе проведён обзор применения теплового метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и полимерных конструкция. Приведенные технические решения, указанные в статьях и патентах, доказывают возможность применения теплового метода контроля остаточных напряжений, протяженных и сложнопрофильных объектов. В качестве дальнейшего направления исследования предлагается совместно с величиной остаточных напряжений поверхностного слоя, так же определять отклонение формы поверхности и его шероховатость с целью уточнения данных об оцениваемом объекте.

ABSTRACT

In the article review of the thermal method application of non-destructive testing of residual voltage in metals and polymer constructions is presented. Technical solutions, referred to in articles and patents, prove the possibility of using the thermal method of testing residual voltage of extended and geometrically-complex objects. As a further direction of research, it is offered to determine the deviation of the surface shape and its roughness in conjunction with the magnitude of residual voltage of the surface layer in order to clarify data on the estimated object.

Ключевые слова: тепловой контроль; остаточные напряжения; механическая обработка

Keywords: thermal control; residual stresses; mechanical restoration

Тепловой контроль остаточных напряжений материалов основан на изменении коэффициента линейного расширения под воздействием статических и динамических нагрузок. Под коэффициентом линейного расширения понимается относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном объеме.

В работе [5] описывается доказательство наличия функциональной связи между коэффициентом линейного температурного расширения и остаточными напряжениями для медного сплава М2, а также приведена регрессионная зависимость. Исследование напряжённо-деформированного состояния исследовалось комплексным методом, включающим в себя: определение методом фазомодулированной спекл-интерферометрии поля деформаций, вызванных локальным нагревом на 1-4⁰С в центре листа; определения распространения температур в плоскости листа; определение остаточных напряжений методом рентгеновской тензометрии в локальных точках. По результатам исследования приведены рекомендации по использованию спекл-интерферометрического метода в системах постоянного контроля остаточных напряжений для особо важных конструкций и элементов.

В работе [1,6] предложен математический алгоритм тепловой диагностики металлоконструкций мостовых кранов, при их эксплуатации. Предлагаемая модель основывается на определении изменения температурных полей вблизи локальных концентраторов напряжений, при наличии там пластической деформации под воздействием цикловой нагрузки.

В указанной работе для регистрации изменения теплового поля предлагается использовать современную телевизионную аппаратуру. Определены следующие технические характеристики, тепловизионного оборудования [6]: частота регистрации кадров – минимум 1 Гц; температурная разрешающая способность – минимум 0,2 ⁰С; геометрическая разрешающая способность – минимум 4 мм, поле обзора тепловизионной аппаратуры 1280х960 мм.  Так же определено [6], что для обеспечения уменьшения помех, от воздействия внешних факторов, температура окружающей среды не должна быть ниже 10 ⁰С, скорость ветра не более 3 м/с.

Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов [2], заключается в прокладке на поверхности одномодовую или многомодовую оптоволоконную линию, с максимальной температурой нагрева 200-250 ⁰С. Далее формируется матрица измерений температуры, основанная на значении температуры теплопроводной жидкости, температуры изоляции по длине оптоволоконной линии в зависимости от времени и толщины теплозащитного слоя. Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности результатов технической диагностики протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов тепловым методом.

В отличие от описанного выше технического решения, изобретение [3] предполагает использование теплового метода для контроля внутренних остаточных напряжений полимерном композитном материале. Данный способ основан на измерении относительного измерения температуры без воздействия нагрузки и под статическим нагружением, а также предлагается устройство для его реализации. Технический результат достигается, повышением достоверности результатов оценки состояния конструкций, и элементов изготовленных из полимерных композиционных материалов.

Работа [4], содержащая большое количество данных, как о физической основе теплового контроля, так и его практическую составляющую непосредственно на машинах и технологическом оборудовании.

Однако приведенные методы теплового неразрушающего контроля подразумевают использование тепловизионного оборудования для сплошного контроля машин и технологического оборудования. Однако в процессе технической диагностики возникают случаи, при которых необходимо проведение контроля остаточных напряжений в местах требующих малой величины покрытия за одно измерение (измерение напряжений в одной точке, с приблизительной площадь 1 мм²).

Так же в данных работах не учитывается влияние качества контролируемой поверхности. Естественно, что при контроле изделий большой длины, дефектами формы, шероховатостью и загрязнением можно пренебречь, однако при контроле сложнопрофильных изделий в местах с потенциальным концентратором напряжений необходимо указанные параметры.

В свою очередь контроль остаточных напряжений участков деталей машин, обусловленных потенциальными концентраторами напряжений (галтели, проточки), требует учета вышеуказанных характеристики изделия для дальнейшей оценки ее работоспособности. Таким образом целью исследования является разработка методики и аппаратного комплекса для контроля участков деталей машин, характеризующихся локальными концентраторами напряжений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать условия работы деталей машин и источники теплового излучения способные выявить повышенную концентрацию напряжений при малой площади покрытия;

- определить температурные режимы нагрева контролируемой поверхности, обеспечивающие отсутствие изменения структуры поверхностного слоя;

- разработать методику оценки повышенной концентрации напряжений поверхностного слоя деталей машин тепловым методом;

- разработать методику оценки качества поверхности при диагностике тепловым методом, при точечной оценке дефектов;

- разработать и собрать экспериментальную установку для проведения исследований согласно принятой методике.

Список литературы:

1. Бададин О.Н., Котельников В.В. Способ теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций // Патент России № 2383009. 2010. Бюл. № 9.
2. Бададин О.Н., Иванушкин Е.Ф., Абрамова Е.В., Гринштейн М.Л., Бобров В.И., Зюзин М.С. Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов // Патент России № 2428682. 2011. Бюл. № 11.
3. Бададин О.Н., Кульков А.А., Пичугин А.Н., Способ теплового контроля надежности конструкций из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений и устройство для его осуществления// Патент России № 2506575. 2014. Бюл. № 4.
4. Вавилов, В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: ИД Спектр, 2009. – 544 с.
5. Жуковский, В.К. Связь коэффициента линейного температурного расширения с остаточными напряжениями/ В.К. Жуковский, А.Р. Гохман// Журнал технической физики. – 2009. – Т. 79, №4. – С. 90–96.
6. Котельников, В.В. Разработка методики теплового контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Москва, 2009. – 18 с.