НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПО УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПО УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
А. Н. Хайлов, Т. Н. Пенькова, А. С. Бакунов,
В. Ф. Мужицкий, Н. Д. Преснов, В. И. Агальцов
В качестве одного из составляющих элементов системы контроля материалов и конструкций РКТ при изготовлении, испытаниях и эксплуатации может быть применен метод, использующий данные об изменении удельной электропроводимости (УЭП) материала при силовом нагружении. Это стало возможным благодаря появлению в последние годы более совершенной и чувствительной аппаратуры вихретокового контроля.
В данной работе представлены результаты методических исследований, выполненные в целях обеспечения корректного измерения удельной электропроводимости образцов при проведении прочностных испытаний; результаты экспериментов, проведенных для выявления закономерностей изменения УЭП в алюминиевых сплавах при различных режимах силового нагружения; приведены технические требования, которые необходимо реализовать при модернизации измерителя удельной электропроводимости.
Необходимым условием успешного использования средств неразрушающего контроля для определения прочностного состояния и поврежденности материалов и конструкций является наличие корреляционных связей между электрическими характеристиками (в данном случае удельной электропроводимостью) металлов и сплавов и определяемыми параметрами. Однако вместе с определяемыми параметрами на измеряемое значение удельной электропроводимости оказывают влияние и ряд других (мешающих) факторов, к которым относятся температура, толщина материала, кривизна поверхности в зоне контроля, размер этой зоны. Поэтому для установления точных соотношений между прочностным состоянием материала конструкции, его поврежденностью и измеряемыми значениями удельной электропроводимости необходимо было провести исследования и определить характер влияния мешающих факторов для учета этого влияния при проведении исследований. В процессе работ с использованием прибора ВЭ-26Н было исследовано влияние на его показания таких факторов, как размер зоны контроля (ширины и толщины образца) и температура окружающей среды.
При проведении прочностных испытаний алюминиевых сплавов, наиболее широко применяемых в конструкциях РКТ, используются образцы, исходная ширина рабочей части которых составляет, как правило, от 10 до 16 мм, длина – не менее 50 мм, а толщина образцов – от 2 до 6 мм. В технических характеристиках прибора не приведены значения минимально необходимых размеров зоны контроля, хотя для измерителя ВЭ-26Н указано, что минимальная толщина объекта контроля и диаметр зоны контроля составляют соответственно 1 и 10 мм.
Влияние ширины рабочей части образцов на показания измерителя удельной электропроводимости ВЭ-26Н определялось на образцах из сплава АМг6Н в диапазоне изменения ширины от 9 до16 мм. Толщина образцов составляла 2,5 мм. При ширине рабочей части более 14 -14,5 мм показания прибора не зависят от значения ширины. При более узкой рабочей части образцов показания прибора занижаются и их необходимо корректировать в соответствии с приведенным графиком.
Для оценки влияния толщины контролируемого объекта на показания прибора ВЭ-26Н проведено измерение удельной электропроводимости пластин из сплавов АМг6 и 01570, толщина которых в измеряемых зонах путем фрезерования последовательно уменьшалась с исходного значения d=5 мм до величины 0,25 мм. Результаты измерения свидетельствуют о том, что показания прибора не зависят от толщины материала в зоне контроля при d³1,5 мм. При меньшей толщине материала показания прибора следует корректировать в соответствии с установленной зависимостью.
С целью определения зависимости удельной электропроводимости исследуемого сплава от температуры окружающего воздуха, которая в процессе длительных испытаний образцов может изменяться в довольно широких пределах, были проведены измерения этого параметра на образце из сплава АМг6Н при различных значениях температуры в интервале от 9 до 25 °С. Результаты измерений, обработанные методом наименьших квадратов и аппроксимированные линейной зависимостью, представлены на рис. 3. Из графика следует, что в исследованном диапазоне изменения температуры ее повышение на 10 °С приводит к снижению УЭП на 0,05 МСм/м. Таким образом, выполненные исследования позволили при проведении длительных опытов, в процессе которых наблюдались существенные колебания температуры, исключить температурное влияние на результаты измерений удельной электропроводимости.
В элементах конструкций РКТ широко используется алюминиевый сплав АМг6 в различных технологических состояниях: исходном (АМг6), отожженном (АМг6М) и нагартованном (АМг6Н). Поэтому в наших исследованиях определение параметра удельной электропроводимости с помощью прибора ВЭ-26Н проводилось на образцах из сплава АМг6 в различных технологических состояниях при двух режимах статического нагружения: в условиях растяжения с постоянной скоростью деформации de/dt=const и при длительном действии постоянных растягивающих (условных) напряжений s0=const, т.е. в условиях ползучести.
Для испытаний на растяжение с постоянной скоростью деформации использовались образцы с шириной рабочей части 16 мм, которая обеспечивала корректное измерение удельной электропроводимости. Измерения УЭП сплава в испытаниях на длительную ползучесть продолжительностью 10 и 25 лет, проводились на образцах, исходная ширина рабочей части которых составляла 10 мм, поэтому показания прибора корректировались в соответствии с зависимостью, полученной в процессе отработки методики измерения, показанной на рис. 1. В качестве исходной величины УЭП длительно испытываемых образцов использовались значения, измеренные в захватной части, которая в процессе длительных испытаний оставалась ненагруженной.
На начальном этапе деформирования (до деформации e = 0,5…0,7 %) имеют место колебания УЭП с наибольшим размахом до 0,04 МСм/м. Дальнейшее деформирование образца вплоть до разрушения (при e » 7 %) вызывает устойчивое снижение удельной электропроводимости. Общая величина уменьшения параметра УЭП в момент разрушения образца по сравнению с исходным значением составляет 0,23 МСм/м.
Результаты измерения удельной электропроводимости в эксперименте показывают, что неустойчивое изменение УЭП имеет место до уровня деформации, составляющего примерно 7 %, причем колебания УЭП на данном этапе нагружения составляют около 0,2 МСм/м. При дальнейшем нагружении происходит снижение величины УЭП вплоть до момента начала разгрузки образца. В процессе разгрузки удельная электропроводимость образца несколько (на » 0,2 МСм/м) возросла, а продолжение деформирования до разрушения вызвало уменьшение удельной электропроводимости, при этом суммарное уменьшение этого параметра в процессе деформирования данного сплава составило 0,35 – 0,38 МСм/м.
Анализируя полученные данные, отметим, что для исследованных материалов при деформировании характерны две стадии изменения удельной электропроводимости. На начальном этапе нагружения, который у материала в мягком состоянии ограничен величиной e < 5-7 %, а у нагартованного - величиной e < 0,5 %, наблюдаются колебания удельной электропроводимости, наиболее выраженные для сплава АМг6М в мягком состоянии. На втором этапе нагружения имеет место общее для исследованных состояний сплава АМг6 уменьшение величины удельной электропроводимости по сравнению с исходным значением. При этом в наибольшей степени (на 0,35-0,38 МСм/м) уменьшение величины УЭП характерно для мягких состояний материала и в несколько меньшей степени (на 0,20-0,25 МСм/м) для нагартованного АМг6Н, что свидетельствует о большей начальной поврежденности сплава в нагартованном состоянии. Кроме того, увеличение удельной электропроводимости после разгрузки образца свидетельствует о частичном «залечивании» повреждений, накопленных ранее.
С целью установления закономерностей изменения удельной электропроводимости при нагружении образцов в режиме ползучести были проведены измерения величины УЭП образцов из сплава АМг6, испытываемых в условиях длительного нагружения в течение 10 и 25 лет при напряжениях от s0=17 до 29,5 кгс/мм2. Для проведения измерений образцы были разгружены из стендов, извлечены из захватов, а после измерений три образца (s0=17; 20 и 25 кгс/мм2) вновь загружены для продолжения испытаний в прежнем режиме.
Образец, испытывавшийся на ползучесть в течение 10 лет при s0=29,5 кгс/мм2 и накопивший за это время деформацию, равную » 33 %, после измерения удельной электропроводимости был испытан на растяжение до разрушения. Суммарная деформация, накопленная образцом в процессе длительной ползучести и при последующем растяжении, составила около 39 %, а значение УЭП, измеренное после разрушения образца, оказалось равным 14,63 МСм/м, что практически совпадает с предельным значением УЭП образца этого сплава при кратковременной нагружении.
Из данных следует, что разрушение образцов, как при кратковременном растяжении, так и после длительного нагружения происходит практически при одинаковых значениях удельной электропроводимости, хотя уровень деформации разрушенных образцов различается почти в два раза. Полученные результаты показывают, что в отличие от деформации значение удельной электропроводимости, измеряемое при разрушении образцов сплава АМг6 в условиях кратковременного и длительного нагружения, является постоянной величиной, и эта величина может использоваться в качестве критериального параметра, отражающего повреждаемость материала.
Еще одним подтверждением сделанного вывода являются результаты исследования изменения удельной электропроводимости при длительном нагружении образца из сплава АМг6Н. Характер изменения УЭП этого материала при растяжении по программе de/dt = const в кратковременном опыте показан на рис. 4, а на рис. 7 приведены результаты испытания образца на длительную ползучесть при напряжении 42,5 кгс/мм2 с измерением УЭП в процессе испытаний.. Из представленных данных следует, что предельная деформация образца при разрушении после кратковременного нагружения составила около 7%, а в условиях длительной ползучести продолжительностью 225 суток она возросла до 18%, т.е. более, чем в 2,5 раза. При этом средние значения удельной электропроводимости образца в процессе кратковременного растяжения уменьшились с 15,24 до 15,01 МСм/м, а в опыте на длительную ползучесть - с 15,27 до 15,08 МСм/м. Следовательно, при существенном различии предельной деформации, значения удельной электропроводимости при разрушении образцов сплава АМг6Н, как и у ненагартованного сплава АМг6, в кратковременном и длительном нагружении практически совпадают. При этом медленное развитие деформации в длительном опыте вызывает меньшее изменение удельной электрической проводимости и повреждаемости материала, чем такое же приращение деформации при кратковременном растяжении.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных об изменении удельной электропроводимости образцов из сплава АМг6 в процессе кратковременного и длительного статического нагружения можно с достаточным основанием считать, что с помощью данных измерения удельной электропроводимости материала может оцениваться степень поврежденности и прочностное состояние длительно эксплуатируемых элементов конструкции.
Конструкции РКТ в процессе эксплуатации часто подвергаются сложному комплексу повторяющихся силовых воздействий. При этом известно, что усталостное нагружение может вызвать разрушение материала и конструкции без заметных пластических деформаций. В этом случае разработка и использование методов оценки повреждаемости и остаточного ресурса с использованием средств неразрушающего контроля являются особенно актуальными. Поэтому были проведены усталостные испытания, целью которых было изучение связи между изменением удельной электропроводимости и прочностью материалов при циклическом нагружении.
Определение удельной электропроводимости проводилось на образцах из сплава АМг6 в исходном состоянии после наработки различного количества циклов усталостного нагружения при напряжении в упругой области. Образцы были вырезаны из листа толщиной 4 мм в направлении прокатки. Ширина рабочей части образцов составляла 15 мм, длина рабочей части - 40 мм. Измерение удельной электропроводимости проводилось с помощью прибора ВЭ-26Н в пяти точках с каждой стороны образца, после чего вычислялось среднее арифметическое значение.
Изменение удельной электропроводимости связано с количеством циклов усталостного нагружения. При этом относительное изменение (уменьшение) удельной электропроводимости после разрушения при усталостном нагружении (при достижении 517000 циклов и отсутствии пластической деформации) составляет примерно 0,75 %.
Методические опыты по определению удельной электрической проводимости на различных этапах циклического деформирования проводились также при испытаниях образцов нагартованного сплава АМг6Н, вырезанных в осевом и кольцевом направлениях из цилиндрической обечайки топливной емкости. Испытания проводились на универсальной гидравлической машине ЕU–20 с изменением максимального напряжения в цикле от 15,0 до 27,0 кг/мм2 при асимметричном растяжении с частотой 20 Гц. На разных этапах нагружения проводились измерения УЭП на наружной и внутренней поверхностях образцов прибором ВЭ–26Н.
Из представленных результатов следует, что на данном этапе исследований не удалось однозначно установить закономерность изменения удельной электропроводимости материала от числа циклов нагружения. При продолжении работ в этом направлении необходимо применение приборов более чувствительных к малым изменениям удельной электропроводимости.
Таким образом, при испытаниях на усталость, когда накопление повреждений не сопровождается появлением существенных деформаций, для установления корреляционной зависимости между удельной электропроводимостью и числом циклов нагружения необходимо использование приборов с большей разрешающей способностью, позволяющих выявлять незначительные локальные и ориентированные изменения УЭП, возникающие в процессе нагружения образцов.
Для определения прочностных характеристик и изменения удельной электропроводимости сплава АМг6Н в условиях длительного циклического нагружения были проведены 105-суточные испытания образца, вырезанного из обечайки топливной емкости, имитирующих в ускоренном режиме эксплуатационное нагружение конструкции. Количество циклов нагружения (30) и уровни нагрузок (max = 32 кгс/мм2 – 1,3 часа; min = 18 кгс/мм2 – 83,7 часа) соответствовали значениям в период летной эксплуатации топливных емкостей. Испытания проводили на машине АИМА 5-1, при этом нагрузка определялась силоизмерителем машины, а деформация измерялась оптическим методом с помощью катетометра КМ-6.
Колебания температуры в процессе опыта составили довольно существенную величину (15 °С), и поэтому измеряемые значения УЭП были скорректированы путем приведения их к единой температуре 20 °С в соответствии с выявленной зависимостью УЭП от температуры. Результаты измерения удельной электропроводимости показывают, что деформация образца за время эксперимента увеличилась на 0,04 %, а изменения величины УЭП в процессе испытания находятся в пределах 15,1-15,25 МСм/м и не имеют определенной тенденции к изменению.
После завершения 105-суточного циклического нагружения образец был испытан на растяжение по программе de/dt=const до разрушения. Полученные при этом остаточные прочностные характеристики не уменьшились по сравнению с исходными величинами, а значение удельной электропроводимости уменьшилось на 0,23 МСм/м и составило 15,03 МСм/м, что полностью соответствует результатам измерения этого параметра при растяжении образца из сплава АМг6Н в исходном состоянии. Таким образом, можно констатировать, что испытания образца при данном режиме длительного циклического нагружения не привели к существенному накоплению деформации и изменению удельной электропроводимости.
По результатам проведенных усталостных испытаний и в условиях циклического нагружения с измерением удельной электропроводимости испытываемых образцов можно подтвердить необходимость совершенствования измерительного прибора ВЭ-26Н в части повышения чувствительности и уменьшения погрешности измерений.
Накопленный опыт эксплуатации измерителя удельной электрической проводимости ВЭ-26Н позволил выявить в нем некоторые недостатки и сформулировать направления его усовершенствования с целью получения более надежной и качественной информации о прочности и повреждаемости материалов и конструкций РКТ. В рамках работы по проекту поставлена задача создания современного прибора неразрушающего контроля, который впервые позволит определять величину и ориентацию экстремальных значений удельной электропроводимости в конструкциях РКТ из алюминиевых сплавов при их силовом нагружении и даст возможность оценивать уровень и ориентацию максимальных повреждений в материале.
Модернизированный прибор должен измерять не только абсолютные значения удельной электрической проводимости, но и ее приращения относительно эталонного образца, а также, имея встроенные термометр и калибратор температуры, должен измерять УЭП с учетом температуры объекта контроля.
Дополнительно к разрабатываемому прибору предъявляются следующие требования.
1. Диапазон измерения абсолютного значения удельной электрической проводимости должен находиться в пределах от 10 до 35 МСм/м.
2. Помимо штатного измерительного преобразователя прибор должен содержать дополнительный преобразователь, предназначенный для измерения удельной электропроводимости контролируемых объектов с анизотропными свойствами в различных направлениях при соответствующей ориентации преобразователя.
3. Размеры контролируемой поверхности материала с анизотропными свойствами вновь разработанным преобразователем должны составлять не более 10´20 мм.
5. Значения удельной электропроводимости материала с изотропными свойствами в зоне диаметром 20 мм, измеренные штатным и вновь разработанным преобразователями, должны различаться на величину, не превышающую основной допускаемой погрешности измерения.
6. Величина удельной электропроводимости материала с анизотропными свойствами в зоне диаметром 20 мм, измеренная штатным преобразователем, и среднее арифметическое значение результатов восьми измерений вновь разработанным преобразователем, выполненных в различных направлениях под равными углами, составляющими 22,5°, должны различаться на величину, не превышающую основной допускаемой погрешности измерения.
