close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10954

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 3/32
G 01N 27/72
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20060906
(22) 2006.09.14
(43) 2008.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт прикладной
физики Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Венгринович Валерий Львович; Довгялло Анатолий Григорьевич; Бусько Валерий Николаевич
(BY)
BY 10954 C1 2008.08.30
BY (11) 10954
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) US 6073493 A, 2000.
RU 2130600 C1, 1999.
RU 2004131394 A, 2006.
SU 1755110 A1, 1992.
SU 1796987 A1, 1993.
SU 1762190 A1, 1992.
JP 2006194910 A, 2006.
(57)
1. Способ неразрушающего контроля усталости металлического изделия путем регистрации и измерения в поверхностных слоях изделия параметров магнитного шума Баркгаузена, отличающийся тем, что в процессе контроля изменяют глубину информативного
слоя, измеряют интенсивность шума Баркгаузена при максимально возможной и минимально возможной глубине информативного слоя, а степень усталости определяют по
разности или частному от деления двух измеренных на разных глубинах значений интенсивности шума Баркгаузена, причем глубину информативного слоя изменяют путем одновременного изменения частоты и амплитуды магнитного поля возбуждения, а также
диапазона частот анализа шума Баркгаузена.
2. Устройство для неразрушающего контроля усталости металлического изделия, содержащее преобразователь Баркгаузена, включающий U-образный магнитопровод из
магнитомягкого материала с намотанной на него обмоткой возбуждения, подключенной к
Фиг. 3
BY 10954 C1 2008.08.30
генератору переменного тока, и установленную в межполюсном пространстве электромагнита измерительную катушку, подключенную к последовательно соединенным широкополосному усилителю, блоку обработки сигнала и индикатору, отличающееся тем, что
содержит фильтры низких и высоких частот, подключенные между широкополосным усилителем и блоком обработки сигнала, и программируемый синхронный многопозиционный переключатель, подключенный к управляющим входам фильтров и к управляющему
входу генератора переменного тока.
Изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) металлических материалов и изделий и может быть использовано для контроля степени деградации материала в результате усталости и прогнозирования усталостного разрушения.
Известен способ [1] оценки усталостного повреждения материала, заключающийся в
том, что образец материала нагружают циклическими нагрузками, а в качестве изменения
состояния поверхностного слоя материала определяют изменение распределения в поверхностном слое образца концентрации примесей, замеренной до и после нагружения.
Недостатками известного способа являются низкая достоверность контроля усталости,
сложность его реализации и тот факт, что данный способ фактически является разрушающим.
Известен также способ [2] определения послойного распределения физикомеханических свойств в поверхностно-упрочненных слоях изделий из ферромагнитных
материалов с помощью эффекта Баркгаузена. Способ основан на математической реконструкции функции распределения интенсивности ШБ в зависимости от величины напряженности магнитного поля возбуждения, которая измеряется в процессе контроля.
Данный способ предусматривает сложную систему калибровки с помощью образцов, в
которых смоделированы различные физико-механические свойства при их однородном
распределении по глубине. Эта технология калибровки не может быть распространена на
контроль усталости, т.к. на различных стадиях усталости невозможно получить однородного распределения свойств в поверхностных слоях материала.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу НК усталости металлических изделий, является способ [3]. Этот способ заключается в диагностировании усталости металла стальных конструкций, в которых предусмотрена установка
элемента из вибропоглощающего пластичного материала. При этом в последнем измеряется шум Баркгаузена (ШБ) в течение всего жизненного цикла конструкции с помощью
обычного преобразователя Баркгаузена (ПБ) в виде приставного электромагнита с обмоткой возбуждения и находящейся в межполюсном пространстве электромагнита измерительной катушкой. Измерение ШБ производится обычным анализатором ШБ.
Измеряемым параметром ШБ, а условия намагничивания вибропоглощающего элемента и
анализа ШБ таковы, что глубина информативного поверхностного слоя устанавливается в
диапазоне от 5 мкм до 1 мм. Обеспечение фиксированной глубины в этом диапазоне достигается выбором определенного зазора между ПБ и поверхностью образца. О степени
усталости металла конструкции судят по характерному уменьшению абсолютного значения сигнала ШБ в вибропоглощающем элементе, предшествующему возникновению трещины. Однако область применения указанного способа ограничена только теми
стальными конструкциями, в которых предусмотрены вибропоглощающие элементы.
Кроме того, в результате изменения асолютных значений ШБ в вибропоглощающем элементе достоверность способа невелика из-за наличия большого числа мешающих факторов, маскирующих влияние усталости на абсолютные значения параметров ШБ:
окисление и коррозия поверхности металла, отклонение зазора от номинала, краевые эффекты и др. При этом надо иметь в виду известный факт, что измеряемые согласно способу абсолютные значения ШБ неоднозначно характеризуют степень усталости металла
2
BY 10954 C1 2008.08.30
(например, фиг. 8 в описании патента), причем сами абсолютные изменения ШБ в результате усталости невелики.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является обычный анализатор ШБ, который состоит [4] из блока намагничивания, магнитоиндукционного преобразователя,
усилителя, фильтра, блока обработки сигнала, вычисляющего среднеквадратичное значение ШБ, и индикатора. Это устройство, а также ему подобные, например, использованное
в патенте [3] устройство, позволяют измерять абсолютное значение ШБ в материале, что
не позволяет получить достоверную информацию о степени усталости металла из-за наличия большого числа мешающих факторов и неоднозначном характере зависимости ШБ
от числа циклов усталости.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения достоверности диагностирования степени деградации металла в результате усталости и прогнозирования усталостного разрушения ответственных металлических изделий.
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе контроля в
процессе контроля меняют глубину информативного слоя ШБ или другого регистрируемого физического параметра поверхностного слоя, чувствительного к изменению физикомеханических свойств металла, и измеряют этот параметр на разной глубине проникновения. Отличительным признаком предлагаемого способа является то, что о степени деградации структуры металла в результате усталости судят по степени различия результатов
измерения на минимальной и максимальной глубине проникновения, причем наименьшая
из глубин проникновения должна быть как можно меньше, но не менее 100 нм и не более
30 мкм. Более точно минимальная глубина проникновения определяется для каждого материала, и она зависит также от дисперсии измерений ШБ при сканировании по поверхности изделия, вызванной другими влияющими факторами, такими как окисление и
коррозия поверхности металла, отклонение зазора от номинала, краевые эффекты и др.
Глубину информативного слоя ШБ изменяют путем одновременного изменения частоты и
амплитуды магнитного поля возбуждения соответственно, а также диапазона частот анализа ШБ. По существу, повышение достоверности достигается за счет того, что, вместо
диагностирования усталости по изменению абсолютных значений ШБ или других физических свойств, предлагается диагностирование по величине относительных изменений физических свойств по глубине, причем эти изменения могут регистрироваться различными
физическими методами. Единственным требованием к этим методам является их способность дифференцировать свойства поверхностного слоя по глубине.
Для достижения названного технического результата предлагается устройство, содержащее преобразователь Баркгаузена, состоящий из U-образного магнитопровода из магнитомягкого материала с намотанной на него обмоткой возбуждения, подключенной к
генератору переменного тока, и установленную в межполюсном пространстве электромагнита измерительную катушку, подключенную к последовательно соединенным широкополосному усилителю, фильтру, блоку обработки сигнала и индикатору. В отличие от
известного, предлагаемое устройство содержит дополнительно фильтры низких и высоких
частот, подключенные между широкополосным усилителем и блоком обработки сигнала,
и программируемый синхронный многопозиционный переключатель, подключенный к
управляющим входам указанных фильтров соответственно и к управляющему входу генератора переменного тока. Программируемый синхронный многопозиционный переключатель предназначен для синхронного переключения частоты и амплитуды тока, которым
генератор питает обмотку возбуждения, с одной стороны, и раздельного включения
фильтров низкой или высокой частот анализа ШБ, с другой. Описанная конструкция устройства позволяет одновременно переключать параметры намагничивания образца и анализа ШБ и, таким образом, обеспечить ступенчатое изменение глубины проникновения, с
которой снимается информация о ШБ. Причина, по которой необходимо синхронное переключение этих трех параметров, состоит в том, что при этом возможно значительное
3
BY 10954 C1 2008.08.30
изменение глубины проникновения, чего трудно достичь, воспользовавшись изменением
лишь одного или двух из указанных параметров. В то же время предлагаемое изобретение
не исключает также возможности переключения только одного или двух из этих параметров, если это позволяет изменить глубину проникновения в диапазоне глубин, который
был определен в предварительных экспериментах как достаточный для получения существенной разности между ШБ в тонком поверхностном слое и на глубине, на которой ШБ
мало изменялся в процессе усталости.
Для наилучшей реализации этих условий под толщиной тонкого поверхностного слоя
следует понимать толщину слоя не менее 100 нм и не более 30 мкм, а глубиной, на которой ШБ мало изменялся в процессе усталости, следует считать глубину не менее 50100 мкм, причем более точно это значение определяется в предварительных экспериментах для данной марки стали. Верхнее значение в 100 мкм является тем пределом глубины,
в котором еще наблюдаются значительные изменения свойств, вызванные усталостью.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - результаты измерения интенсивности ШБ при различной толщине слоя, последовательно удаленного с поверхности образца из высокопрочного сплава ВНС-2 после
различных стадий его циклического нагружения: Nц = 0; 18000 и 40000 циклов (кривые 1,
2 и 3 соответственно);
на фиг. 2 - профилограммы изменения интенсивности ШБ вдоль образца на различном
удалении от усталостной трещины;
на фиг. 3 - схема устройства для осуществления указанного способа.
В таблице 1 - результаты измерения градиента магнитного шума в образцах с различной степенью усталости.
Предлагаемое изобретение основано на результатах проведенных нами исследований
послойного распределения ШБ в образцах, подвергнутых знакопеременному циклированию изгибом. В результате впервые было установлено, что по мере увеличения числа
циклов нагружения существенно возрастает градиент магнитного ШБ по глубине образца.
Это является результатом сегрегации дефектов структуры металла и примесей на поверхности. Как правило, с увеличением степени деградации металла в процессе усталости ШБ
в тонком поверхностном слое возрастает, приводя к увеличению разности между ШБ на
поверхности и на глубине. Для примера на фиг. 1 представлены результаты измерения интенсивности ШБ при различной толщине слоя, последовательно удаленного с поверхности образца из высокопрочного сплава ВНС-2 после различных стадий его циклического
нагружения. Три приведенные кривые отражают послойное распределение ШБ в образцах, подвергнутых циклической знакопеременной изгибной деформации при амплитуде
напряжения в шейке образца, равной G = 900 МПа. Число циклов нагружения для кривых
1, 2 и 3 равно соответственно: Nц = 0; 18000 и 40000, частота нагружения 24,7 Гц. Измерение интенсивности ШБ производилось в шейке образца, в которой после 40000 циклов
возникли признаки образующейся трещины. Из фиг. 1 видно, что первоначально (0 циклов) интенсивность ШБ линейно убывает с увеличением толщины удаленного слоя (глубины залегания слоя). С увеличением числа циклов до 18000 линейность сохраняется,
однако абсолютные значения ШБ уменьшаются более чем вдвое. Наконец, после
40000 циклов величина интенсивности ШБ на глубинах больше 70 микрон возрастает незначительно, тогда как на малых глубинах и вблизи поверхности наблюдается рост ШБ
более чем втрое. Иными словами, накануне образования усталостной трещины возникает
значительная неоднородность распределения ШБ в поверхностном слое, тогда как его абсолютные значения в сравнении с исходным состоянием меняются незначительно. Наблюдающееся значительное увеличение градиента интенсивности ШБ по глубине
поверхностного слоя в результате усталости положено нами в основу предлагаемого изобретения. Это увеличение градиента обусловлено возникновением в поверхностном слое
металла значительной неоднородности структурно чувствительных физических свойств
4
BY 10954 C1 2008.08.30
по глубине по мере усталости. На основании этого сделан вывод о возможности распространения принципа НК усталости по величине градиента свойств по глубине на другие
физические характеристики поверхностного слоя материала. Таковыми могут быть электрическая проводимость, параметры магнитного гистерезиса, скорость звука и др. Единственным требованием является способность метода измерять физико-механические
свойства как минимум на двух различных глубинах в диапазоне возможного изменения
свойств в процессе усталости.
Наблюдаемое увеличение градиента интенсивности ШБ по глубине имеет место в значительной области образца вокруг зарождающейся трещины, что облегчает диагностирование усталости с помощью предлагаемого способа. На фиг. 2 показаны профилограммы
изменения интенсивности ШБ после 40000 циклов нагружения в зависимости от расстояния от шейки образца (место зарождения усталостной трещины) на разных глубинах измерения (различная глубина удаленного слоя). Видно, что эти изменения для стали ВНС-2
наблюдаются на расстояниях до 50 мм от места зарождения трещины.
Предлагаемый способ осуществляют в два этапа: А) калибровка; Б) измерение.
А. Калибровка производится в следующей последовательности.
1) На первом этапе на анализаторе ШБ, на котором в дальнейшем будет проводиться
диагностика, устанавливают значения частоты, ƒm, тока намагничивания, а также центральной частоты анализа ШБ, ƒа таковыми, чтобы глубина проникновения ШБ была минимально возможной, δmin. То есть ƒm и ƒа должны быть максимально возможными при получении
устойчивого сигнала ШБ. Выбор ƒm и ƒа является компромиссом между получением δmin, с
одной стороны, и получением устойчивого ШБ и разумного времени измерения (с уменьшением указанных частот время измерения возрастает и наоборот), с другой стороны. Амплитуду тока намагничивания, А, выбирают следующим образом: увеличивая А, измеряют
зависимость интенсивности ШБ, V, от амплитуды А: φ(А). Эта зависимость обычно является монотонно возрастающей с приближением к насыщению, Vн, при амплитуде Ан. В качестве рабочей выбирают такую амплитуду А1р, при которой примерно V = 0,5Vн. На этих
режимах измеряют интенсивность ШБ, Vmin, на используемом анализаторе ШБ.
2) Изменяют действующие режимы намагничивания и анализа ШБ, чтобы обеспечить
максимально возможную глубину проникновения ШБ, δmax. Для этого ƒm и ƒа выбирают
минимально возможными, а значение амплитуды А2р такое, при котором примерно
V = Vн. На этих режимах измеряют интенсивность ШБ, Vmax, на используемом анализаторе ШБ. Определяют разность значений ∆1 = Vmax - Vmin.
3) Проводят ускоренные циклические испытания образца, подвергая консольно закрепленный образец циклическому осесимметричному изгибу при напряжениях в месте закрепления, близких к пределу текучести или равных ему. Испытания останавливают после числа
циклов нагружения Nmax, при появлении признаков образующейся трещины (появление
шейки в районе галтели на образце в месте закрепления). Затем на режимах вначале по п. 1,
а затем по п. 2 соответственно проводят измерение интенсивностей ШБ с помощью используемого анализатора ШБ и определяют величину ∆2 = Vmax - Vmin в зоне усталости металла.
Определение величины ∆ желательно также провести при промежуточных значениях числа
циклов нагружения N для того, чтобы построить зависимость ∆(N).
Б. В процессе измерений на изделии с неизвестной степенью усталости измеряют интенсивности ШБ на режимах по п. 1 и п. 2 соответственно и вычисляют величину А, по
которой судят о степени усталости металла.
Пример 1.
В качестве контролируемого материала используется пластина высокопрочного сплава ВНС-2 в состоянии после нормализации. Пластина подвергнута следующей обработке:
шлифование на глубину 20 мкм, удаление мягкой полировкой поверхностного слоя толщиной 50 мкм, отпуск для снятия остаточных напряжений на поверхности, после чего образец подвергался усталостному циклическому нагружению изгибом при максимальном
5
BY 10954 C1 2008.08.30
циклическом напряжении ±900 МПа. После 40000 циклов возникает состояние, предшествующее появлению усталостной трещины. С одной из сторон пластины (сторона Л) удаляли последовательно электрополировкой слои, доводя общую толщину удаленного слоя
до 170 мкм, выходя практически на неповрежденную усталостью поверхность. Другая
сторона, П, оставалась в состоянии усталости. Результаты измерения приведенного к значению Vmin ШБ на разных глубинах проникновения показаны в таблице.
Vmax/Vmin (большая глубина, δmax, ƒа = 20 кГц,
А = 150 mA)
Сторона П
0,47
Сторона Л
2,28
Vmin/Vmin (малая глубина, δmin, ƒа = 150 кГц,
А = 100 mA)
1
1
Разность
∆ = (Vmax - Vmin)/Vmin
-0,53
1,28
Из таблицы видно, что значения ШБ в тонком поверхностном слое (Vmin) в образце с
сохраненным усталостным слоем (сторона П) значительно выше, чем значение ШБ при
сканировании на большую глубину проникновения. В отличие от этого, в образце (сторона Л), с которого усталостный слой был удален, относительные значения ШБ при малой
глубине проникновения значительно ниже, чем при большой. Это говорит о возникновении большого градиента изменения свойств по глубине в результате усталости. Изменение знака разности не является обязательным условием, тогда как тенденция к росту
градиента свойств имеет место на завершающих стадиях усталости, предшествующих появлению трещины. Это свойство видно на фиг. 1, показывающей изменение ШБ, измеряемого на поверхности образца, на различных стадиях усталости (кривые 1, 2, 3
соответственно) в зависимости от толщины удаленного слоя. Видно, что на последней
стадии усталости (40000 циклов) градиент ШБ достигает максимума.
Предлагаемое устройство для контроля усталости (фиг. 3) содержит преобразователь
Баркгаузена, состоящий из U-образного магнитопровода 1 из магнитомягкого материала с
намотанной на него обмоткой возбуждения 2, подключенной к генератору переменного
тока 3, и установленной в межполюсном пространстве электромагнита измерительной катушки 4, подключенной к последовательно соединенным широкополосному усилителю 5,
фильтрам 6 и 7 соответственно низких и высоких частот, блоку обработки сигнала 8 и индикатору 9. Преобразователь Баркгаузена установлен на поверхность контролируемого
изделия 10. Устройство также содержит программируемый синхронный много- или, по
крайней мере, двухпозиционный переключатель 11, подключенный к управляющим входам указанных фильтров соответственно и к управляющему входу генератора переменного тока. Программируемый синхронный многопозиционный переключатель предназначен
для синхронного переключения частоты и амплитуды тока, которым генератор питает обмотку возбуждения, с одной стороны, и раздельного включения фильтров низкой или высокой частот анализа ШБ, с другой.
Устройство работает следующим образом.
При питании обмотки возбуждения 2 от генератора переменного тока 3 в магнитопроводе 1 возникает переменный магнитный поток, который замыкается через испытуемое
изделие 10, поверхность которого повреждена усталостью. При этом в образце возникает
шум Баркгаузена, регистрируемый измерительной катушкой 4. Возникающий в последней
шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем 5 и поступает на один из
фильтров 6 или 7 соответственно низких и высоких частот. Каждый из фильтров настроен
на определенную полосу пропускания с центральными частотами соответственно в области низких и высоких частот.
Эти частоты выбираются из следующих соображений. Низкая частота (оптимально в
диапазоне 3-20 кГц) должна обеспечивать максимально возможную глубину проникновения ШБ, которая обычно не превышает 1 мм для магнитомягких материалов. Высокая
6
BY 10954 C1 2008.08.30
частота (оптимально 150-200 кГц) должна обеспечивать минимально возможную глубину
проникновения ШБ, которая обычно не должна превышать 50 мкм для магнито-мягких
материалов. Последовательность включения каждого из фильтров 6 и 7 задается программируемым синхронным много- или, по крайней мере, двухпозиционным переключателем
11. Сигналы с фильтров низких и высоких частот соответственно поступают в блок обработки сигналов 8, в котором производится нормировка этих сигналов по отношению к соответствующим сигналам на низкой частоте, последующее вычитание полученных
значений соответствующих частот с учетом знака и преобразование полученной разности
в степень усталости металла в соответствии с ранее проведенной калибровкой в соответствии с п. А. Результат индицируется индикатором 9.
Известно, что глубина проникновения ШБ определяется не только частотой анализа
ШБ, но и частотой и амплитудой тока возбуждения, задаваемого генератором 3. Поэтому
для увеличения разности между максимальной и минимальной глубинами проникновения
ШБ в металл дополнительно с частотами анализа можно изменять также частоту и амплитуду тока возбуждения. Это достигается с помощью переключателя 11, который одновременно с переключением указанных фильтров может переключать также частоту и
амплитуду тока возбуждения. Принципиально большая глубина проникновения достигается за счет увеличения амплитуды поля возбуждения и уменьшения частоты намагничивания, и, наоборот, меньшая глубина проникновения достигается за счет уменьшения
амплитуды поля возбуждения и увеличения частоты намагничивания. Более оптимально
эти характеристики уточняются в процессе выбора оптимальных режимов и калибровки.
Источники информации:
1. А.с. СССР 1769069, 1992.
2. А.с. СССР 1779989, 1992.
3. Патент США 6073493, 2000.
4. Патент ГДР 71635, НКИ 42 K, 46/03, 1970.
Фиг. 1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
211 Кб
Теги
by10954, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа