Способ определения остаточного ресурса изделия

Изобретение относится к области механических испытаний конструкционных материалов, а точнее к способам определения времени до разрушения. Сущность: в способе образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию перед окончанием разгрузки. При наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии акустической эмиссии остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. Технический результат: способ позволяет определить время до разрушения изделия из пластичного материала после наработки гарантированного ресурса, а также позволяет полнее использовать ресурс элементов конструкции без риска ее отказа. 1 табл.

 

Изобретение относится к области механических испытаний конструкционных материалов, а точнее к способам определения времени до разрушения.

Известны способы, например авт. св. СССР №901887, оценки времени до разрушения по результатам испытаний образцов материала. Их недостаток - малая достоверность - обусловлен влиянием масштабного фактора на исходное состояние и на кинетику развития поврежденности.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ [авт. св. СССР №1647356 А1], заключающийся в том, что для изделия и образцов из материала изделия неразрушающим методом оценивают начальное предельное напряжение (предельное напряжение отвечает одной из предельных нагрузок L: либо максимальной разрушающей при заданном темпе нагружения - L_макс, либо наибольшей неразрушающей (пороговой) нагрузке L₀, без превышения которой при длительном нагружении прочность изделия, в частности само значение L₀, не снижается во времени. При этом долговечность изделия бесконечна, так как первая фаза разрушения (микрорастрескивание) еще не переходит во вторую фазу (образование трещины, способной к развитию в магистральную трещину). При линейном напряженном состоянии материала в изделии значению L_макс отвечает временное сопротивление σ_в или предел кратковременной прочности σ_пч, а значению L₀ - предел длительной прочности σ₀. Значение L₀ можно определить только неразрушающим способом [см., например, авт. св. СССР № 1620930 А1 или заявку № 2005131106/20(034875) от 3.10.2005]. Значение L_макс определяют обычным монотонным нагружением до разрушения либо неразрушающим способом, например, по авт. св. CCCP № 879444, 1536251, 1663535, 1769122 и др.) σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с различными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от начального отношения Х напряжения σ к предельному напряжению (Х_н=σ/σ_пр) и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия.

Недостаток прототипа - невозможность его использования для тех материалов, у которых дефект, определяющий длительную прочность, зарождается не при изготовлении материала, а при его нагружении, т.е. для большинства пластичных материалов. Если дефекты хрупких материалов, определяющие их долговечность, зарождаются при изготовлении изделия (спекании, охлаждении, обработке), то у пластичных материалов, как правило, зарождению магистральной трещины при нагружении предшествует период ее формирования (П_ф), который сопровождается постепенным увеличением концентрации микротрещин (трещин в размер зерна) и заканчивается объединением нескольких микротрещин в зародыш магистральной трещины.

Цель изобретения - определение времени до разрушения изделий из пластичных материалов после наработки гарантированного ресурса.

Цель достигают тем, что, как и в прототипе, для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения Х действующего напряжения σ к предельному напряжению и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения. Но в отличие от прототипа образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию (АЭ) перед окончанием разгрузки, при наличии такой АЭ определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии АЭ остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. АЭ перед окончанием плавной разгрузки с напряжения σ возникает, если σ≥σ₀, т.к. в этом случае в вершине трещины возникают пластические деформации, которые приводят к взаимному смещению поверхностей трещины у ее вершины, не совпадению микрорельефа поверхностей при разгрузке, т.е. к эффекту Эльбера "закрытие трещины" и к АЭ трения микрорельефа (АЭ "зубного скрежета"). Наличие АЭ в конце плавной разгрузки с рабочего напряжения σ указывает на то, что Х=σ/σ_пр≥1; а отсутствие АЭ - на то, что Х=σ/σ_пр<1. Иными словами, АЭ в конце плавной разгрузки доказывает наличие трещин, способных к развитию в магистральную, а отсутствие АЭ - отсутствие такой трещины. Возникновение АЭ в конце плавной разгрузки указывает на переход от периода формирования трещины к периоду развития трещины П_р до фрагментации изделия. Отношение П_ф/П_р зависит от чувствительности метода, использованного для улавливания границы между П_ф и П_р. Чувствительность АЭ метода обеспечивает П_ф<П_р (см. таблицу), что позволяет при отсутствии АЭ в конце контрольного разгружения повторять суммарную наработку изделия, не исследуя режим нагружения изделия, а лишь сохраняя его прежним. При наличии АЭ перед окончанием разгрузки можно количественно определить σ_пр, не превышая σ (см. авт. св. №1620930, от. 15.01.1991), и рассчитать Х=σ/σ_пр≥1. Рассчитав Х=σ/σ_пр для изделия после зарождения трещины, по значению Х следует войти в зависимость остаточного ресурса от X, полученную на образцах, и определить остаточный ресурс изделия.

Способ реализовали, в частности, для оценки остаточного ресурса рабочих лопаток газовой турбины после наработки при 750°С гарантированного ресурса R_г=40000 часов и при последующих наработках (также 40000 часов) между профилактическими осмотрами. Обычно после таких осмотров все лопатки турбины, например 90 шт., меняют и отправляют в переплав, т.к. разрушение лопатки при последующей работе турбины весьма опасно. Материал лопатки - сплав ХН 65 МТЮ или ЭИ 893 (ТУ 108.02.005-76 Минэнергомаша); стоимость лопатки - 8000 р. Разработчиками лопаток экспериментально-расчетным путем установлено, что в процессе работы на турбине колебания лопатки по первому тону с частотой 800 Гц приводят к возникновению максимальных напряжений σ_макс≈100 МПа. Лабораторные испытания образцов проводили в условиях растяжения или изгиба. АЭ регистрировали с помощью прибора АФ-15, имеющего уровень собственных шумов 7 мкВ. Резонансный пьезокерамический преобразователь (600...1000 кГц) прижимали к образцу тарированной пружиной через слой смазки, улучшающий акустический контакт. Число циклов N_ф, после которого первый раз была зарегистрирована АЭ в конце плавной разгрузки, принимали за оценку периода формирования трещины в образце. Затем через каждые N_ф циклов с помощью АЭ определяли пороговое напряжение σ_пр, без превышения которого в процессе разгрузки АЭ не наблюдалась. Значение σ_пр<σ_макс постепенно снижалось с увеличением числа циклов. За полную долговечность принимали число циклов N от начала испытания образца до его фрагментации. Число циклов роста трещины рассчитывали как N_р=N-N_ф. Растяжение с σ_макс больше предела текучести σ_m (или σ₀₂) осуществляли с периодом 18 с. При изгибе образцы испытывали с частотой 50 Гц силой от нулевой по середине пролета; для определения N_ф контрольную разгрузку с σ_макс за 10 секунд проводили через каждые 3000...15000 циклов, увеличивая этот интервал пропорционально наработке так, чтобы погрешность определения N_ф не превышала 10%. Результаты испытаний приведены в таблице, где N, N_ф и N_ф/N - средние значения по результатам испытаний 8 образцов; напряжения σ даны в МПа. Индекс "-1" у некоторых значений σ_макс в таблице указывает на то, что результаты получены при изгибе балочек в условиях симметричного цикла с характеристикой цикла r=σ_мин/σ_макс=-1. Индексом "+" отмечены значения σ_макс при симметричном изгибе кольцевым пуансоном соосной пластины, опертой на кольцо (плоское напряженное состояние) знакопостоянным циклом напряжения с r=0,05. При нестационарном нагружении чередовали пакеты с максимальным напряжением σ_макс, указанным в таблице, циклов с σ_макс на 7% выше и циклов с σ_макс на 7% ниже за счет соответствующего изменения среднего напряжения. При σ_макс>σ₀₂ каждый пакет состоял из 1 цикла, при σ_макс<σ₀₂ каждый пакет включал около 300 циклов с частотой 50 Гц. Для каждого образца рассчитали несколько значений σ_пр/σ_макс и соответствующие им значения N_i/N_p, где N_i - остаточный ресурс образца после i-ой остановки для определения σ_прi. Экспериментальные точки, полученные таким образом для определенного режима нагружения, группируются в координатах lg(N_i/N_p) и lg(σ_пр/σ_макс) около прямой, тангенс угла наклона которой к оси lg(σ_прi/σ_макс) в таблице обозначен как tg. Среднее значение tg для стационарных режимов нагружения составило 1,87, для нестационарных - 1,85, а общее среднее - 1,86. Отношение N_ф/N колеблется от 0,356 до 0,41, составляя в среднем 0,387, и имеет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов до разрушения. В силу этого, если после известной наработки АЭ при плавной нагрузке не обнаружена, то можно повторить суммарную наработку без промежуточного контроля. Если же при плавной разгрузке АЭ зафиксирована, то за N_ф целесообразно принять значение N_н суммарной наработки, после которой еще не было АЭ в процессе плавной разгрузки. В этом случае можно считать N_i=N_p(σ_прi/σ_макс)^tg, N_i/N_p=(σ_прi/σ_макс)^tg, N/N_ф≅2,6,

или

Эти результаты использовали для оценки остаточного ресурса каждой из 90 лопаток, периодически снимая их с ротора и плавно разгружая в условиях консольного изгиба с σ_макс=100 МПа. После наработки первого гарантированного ресурса R_г=4000 ч при 750°С ни у одной лопатки не было зарегистрирована АЭ в процессе плавной разгрузки. После наработки второго гарантированного ресурса у трех лопаток в процессе разгрузки была зарегистрирована АЭ; получены σ_пр: 90, 72, 30 МПа; σ_пр/σ_макс: 0.90, 0.72, 0.30; , т.е. 1.3 R_г, 0.85 R_г, 0.17 R_г. Лопатки с N_i≥1,3 R_г в дальнейшую эксплуатацию не пускались. Лопатка с N_i≥1,3 R_г наработала еще один R_г при 750°С, но к очередному профилактическому осмотру имела магистральную трещину, видимую глазом, у корня пера лопатки. Из 90 лопаток 6 прошли 10 R_г и были сняты из-за сильного изменения размеров, но не по соображениям прочности. Средняя наработка лопаток без их отказов составила 5,8 R_г.

Результаты циклических испытаний образцов при комнатной температуре сплава ХН65ВМТЮ (σ0,2=600 МПа, σв=910 МПа)
σмакс, МПа	Режим стационарный	нестационарный
Nф	N	Nф/N	tg	Nф/N	tg
250-1	17468	4852100	0,360	1,80	0,379	1,86
250+	18080	5080500	0,356	1,81	0,361	1,80
250	25740	6128600	0,420	1,90	0,383	1,89
400-1	5519	1379700	0,400	1,94	0,394	1,87
500+	11056	283480	0,390	1,82	0,392	1,85
700	2392	5965	0,401	1,97	0,416	1,85
800	88	213	0,413	1,84	0,408	1,85

Таким образом, предложенный способ позволяет полнее использовать ресурс элементов конструкции без риска ее отказа.

Способ определения остаточного ресурса изделия, заключающийся в том, что для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения действующего напряжения к предельному и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения, отличающийся тем, что образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию перед окончанием разгрузки, при наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии акустической эмиссии остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия.