Неразрушающий контроль.

Место метода акустоупругости среди методов неразрушающего контроля механических напряжений.

А.В. Камышев

 

     Интерес к проблеме исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) методами неразрушающего контроля (НК) достаточно велик:
  • выходят публикации в ведущих изданиях по НК и ТД;
  • выпускаются приборы, основанные на различных физических принципах;
  • появляется нормативная документация.

     В ближайшее время, вероятно, методы исследования НДС получат официальный статус как методы неразрушающего контроля (будет организована аттестация специалистов и лабораторий НК). Необходимо определить ту нишу, которую занимает среди имеющихся методов метод акустоупругости, реализованный, в частности, в приборе ИН-5101А.
     Для решения этого вопроса необходимо сделать классификацию методов в соответствии с их целями и задачами, и эта классификация не должна основываться на противопоставлении различных методов друг другу. Иногда оказывается, что то, что является недостатком метода при решения одной задачи контроля, для другой задачи может обернуться неоспоримым достоинством. Поэтому правильнее говорить об особенностях каждого метода, которые и определяют его место в ряду других. Общая схема, отображающая взаимосвязь межу целями и методами измерения напряжений, представлена на рисунке.
     Следует отметить, что в последнее время активно развивается направление, рассматривающее исследование НДС как поиск зон концентрации напряжений (ЗКН). Такими концентраторами могут быть локальные дефекты и зоны остаточных напряжений. Сканируя поверхность объекта контроля, эти зоны можно обнаружить по изменению характера полей различной физической природы.
     Это так называемый метод магнитной памяти металла, фиксирующий изменение напряженности полей остаточной намагниченности, тепловые методы. Фактически к этим методам можно отнести и метод акустической эмиссии, определяющий зоны локализации динамической перестройки структуры материалов.
     Эти методы весьма эффективны как методы неразрушающего контроля, поскольку позволяют выявлять не только макродефекты, но и участки, где происходит накопление микроповреждений. Вместе с тем, насколько известно из литературных источников и практического опыта, эти методы, индицируя ЗКН, не дают информации о величинах действующих напряжений. Такие результаты не предназначены для использования в прочностных расчетах, без которых невозможно объективно оценить работоспособность и остаточный ресурс любой конструкции.
     Для использования в прочностных расчетах результатов неразрушающего контроля напряженного состояния необходимо именно измерять напряжения, то есть получать конкретные величины в их собственной размерности (сила/площадь).
     Использование результатов прямого измерений напряжений в конструкциях могло бы повысить эффективность решения таких задач, как:

  • определение по знаку и величине действующих напряжений и их сравнение с нормативными или предельными значениями;
  • определение элементов конструкции, предрасположенных к трещинообразованию или потере устойчивости;
  • оценка опасности выявленных дефектов методами механики разрушения;
  • расчеты элементов конструкций на малоцикловую усталость.

     Речь идет как о величинах остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления и монтажа конструкции, так и эксплуатационных, к которым относятся напряжения от собственного веса конструкции, от внутреннего давления, от перепада температур, от взаимодействия с соседними деталями и т.п.
     Для небольших конструкций простой конфигурации эксплуатационные напряжения вполне находятся аналитическими методами, но, если факторы, влияющие на их величину и распределение по объему объекта, установлены недостаточно точно, то задача измерения напряжений становится актуальной.
     Задачу измерения напряжений решает целая группа методов неразрушающего контроля, к которым относится и метод акустоупругости. Следует сразу отметить, что акустические методы измерения напряжений не являются сканирующими - измерение проводится в точке. Поэтому их эффективное применение для крупногабаритных конструкций возможно в сочетании с прочностными расчетами.
     Рассмотрим наиболее распространенные из имеющихся в настоящее время методов определения НДС реальных объектов.
     Классическим методом определения напряжений путем измерения относительных деформаций является тензометрия (изменение сопротивления тензорезисторов или собственных частот струнных датчиков). Метод характеризуется высокой точностью и методической проработанностью, однако он не позволяет оценить предысторию нагружения. Это не является существенным недостатком, только если нагружение, предшествующее установке датчика, известно или не может значительно повлиять на реальное распределение напряжений.
     Прямым методом измерения деформаций является также рентгенографический метод, способный измерять деформации кристаллической решетки. Его основным преимуществом является высокая точность измерений. Вместе с тем именно тонкость измерений повышает его трудоемкость: требуется как тщательная подготовка поверхности, так и снятие остаточных напряжений, возникающих при ее зачистке.
     В отличие от рентгеновского, магнитные методы не требуют тщательной подготовки мест измерений. Эти методы основаны на изменениях под действием напряжений таких параметров петли гистерезиса, как коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, а также на появлении на ней скачков (шумов Баркгаузена). Широкую известность, в частности, приобрели приборы типа "Стресскан", принцип действия которых основан на эффекте Баркгаузена. Как и радиографический метод, магнитные методы измеряют напряжения в приповерхностном слое. Благодаря этому они весьма эффективны в задачах оценки качества обработки поверхности деталей. Вместе с тем, при решении задач оценки остаточных и эксплуатационных напряжений влияние поверхностных напряжений может внести значительную и неконтролируемую погрешность в определение величины напряжений, действующих в объеме материала.
     В отличие от этих методов метод акустоупругости, реализованный в приборе ИН-5101А, определяет напряжения, усредненные по объему прозвучивания, и уже при толщине материала несколько миллиметров фактически не замечает поверхностных напряжений. Их можно определять акустическим методом, используя поверхностные волны, но эта задача вполне решается вышеуказанными способами. Это позволяет использовать его для измерения эксплуатационных и остаточных напряжений. Следует отметить, что на сегодняшний день этот прибор является одним из немногих метрологически аттестованных средств измерения механических напряжений.




Рисунок. Взаимосвязь межу целями и методами измерения напряжений при контроле технического состояния металлоконструкций.