авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка основ методики неразрушающего контроля состояния металла, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мещеряков Денис Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ОСНОВ МЕТОДИКИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА, СОЧЕТАЮЩЕЙ МЕТОДЫ ИНДЕНТИРОВАНИЯ

И АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Тольятти 2009

Работа выполнена в Тольяттинском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Мерсон Дмитрий Львович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор

Викарчук Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук

Ибатуллин Ильдар Дугласович

Ведущая организация: Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ)

Защита диссертации состоится 23 апреля 2009 г. в 12 часов в аудитории Г-208 на заседании учёного совета Д212.264.03 при Тольяттинском государственном университете по адресу: Россия, 445667, Тольятти, ул. Белорусская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: Россия, 445667, Тольятти, ул. Белорусская, д. 14, учёный совет Д212.264.03. Факс (8482) 54-64-44.

Автореферат разослан 20 марта 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.264.03, д.п.н. Пивнева С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Надёжность трубопроводов во многом определяет стабильность обеспечения регионов России, стран ближнего зарубежья и Европы важнейшими топливно-энергетическими ресурсами. Отказы магистральных трубопроводов приводят к полному или частичному прекращению перекачки, нарушают нормальную работу предприятий, усложняют жизнь городов и целых областей. По этой причине обеспечение их надёжной работы – одна из основных задач при эксплуатации.

Нефтегазовые сооружения (трубопроводные, магистральные и промысловые системы, несущие конструкции нефтеперерабатывающих и химических заводов и т.д.) эксплуатируются в условиях воздействия добываемых углеводородных продуктов и агрессивных коррозионных сред. При этом в результате долгой эксплуатации в металле происходят необратимые изменения механических свойств – их деградация, и своевременная оценка степени этих изменений позволяет оценить остаточный ресурс работы оборудования. Сегодня к этим причинам отказа оборудования добавляется его эксплуатация за пределами расчетного ресурса. С 1991 г. Госгортехнадзор России, отстаивая государственные интересы безопасности на производстве, стимулировал поиск возможностей продления ресурса безопасной эксплуатации поднадзорных объектов [1].

Большинство методов оценки механических свойств сталей являются разрушающими и поэтому не пригодны для работающего оборудования. Одним из наиболее привлекательных и относительно новых методов неразрушающего контроля и технического диагностирования является метод акустической эмиссии (АЭ). Важнейшее достоинство метода АЭ заключается в том, что он позволяет исследовать различные процессы в реальном времени, т.е. наблюдать и изучать динамику этих процессов. Другим безобразцовым методом оценки механических свойств материалов является метод кинетического индентирования, основанный на вдавливании индентора в материал и оценки по полученной диаграмме вдавливания (кинетической диаграмме твёрдости) основных механических характеристик.



Учитывая актуальность вышеописанной проблемы, настоящая работа посвящена разработке и созданию экспериментальной установки и методики для диагностики состояния конструкционных материалов, позволяющей оценивать характеристики механических свойств и состояния металла на момент обследования. Объединение преимуществ методов кинетического индентирования и АЭ позволяет повысить эффективность исследования физических процессов, происходящих в металле конструкции, а применение спектрального анализа АЭ – судить о природе и уровне тех или иных изменений, т.е. оценивать деградацию металла, а в перспективе и остаточный ресурс конструкции в целом. Основное достоинство контроля АЭ при локальном непрерывном деформировании индентором – решается задача контроля металла на работающем оборудовании, т.е. без вывода его из технологического процесса.

Цель работы и основные задачи исследования. Повышение информативности и надежности оперативного контроля состояния металла неразрушающим способом на основе сочетания методов акустической эмиссии и индентирования.

Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:

  1. Оценка влияния техники эксперимента по индентированию (скорости внедрения и типа индентора, характеристик канала измерения и т.д.) на параметры АЭ.
  2. Оценка сопоставимости результатов анализа параметров АЭ при растяжении и индентировании.
  3. Исследование связи между структурой (состоянием) стали и параметрами (энергетическими и спектральными) АЭ при индентировании.

Объект исследования: конструкционные углеродистые и легированные стали (сталь 20, сталь 40, 35Г2, 13ХФА, 08ХМФЧА, 13ХФЧА) с различной термообработкой и выдержкой в сероводородной среде, а также образцы чистой меди M0.

Предмет исследования: методики оценки состояния материала.

Методы исследования: метод АЭ, механические испытания, химический анализ, методика цифрового распознавания спектральных образов сигналов АЭ [2], методика классификации сигналов АЭ по их спектральным образам [3], методы статистического анализа.

Научная новизна: на основе комплексного исследования поведения ряда конструкционных сталей получены следующие новые результаты, относящиеся к объёму исследуемых материалов:

    • установлено, что среднее квадратическое значение (RMS) АЭ при индентировании линейно зависит от скорости внедрения индентора в материал, но при этом общее количество регистрируемых дискретных сигналов АЭ, вид средней спектральной плотности и их распределение в координатах «энергия – медианная частота» от скорости (в диапазоне 0,04…4,0 мм/мин) не зависит;
    • показано, что вид индентора (конус, шарик и усеченный конус) не оказывает существенного влияния на спектральные характеристики АЭ при индентировании;
    • установлено, что спектральный состав основных групп сигналов АЭ при растяжении и индентировании образцов стали 20 качественно одинаков, следовательно, соответствующие им источники АЭ при данных схемах испытаний имеют одну и ту же природу происхождения;
    • на примере стали 20, 40 и 35Г2 показано, что энергетические характеристики АЭ при индентировании являются структурно чувствительными к явлению необратимой отпускной хрупкости;
    • на примере сталей 13ХФА, 08ХМФЧА, 13ХФЧА показано, что спектральные и энергетические характеристики АЭ при индентировании являются чувствительными к изменениям в структуре стали после выдержки образцов в сероводородной среде.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Полученные результаты сопоставления двух видов механических испытаний с одновременной регистрацией АЭ и практические результаты, показывающие чувствительность данного метода к структурным изменениям стали, позволяют говорить о возможности перехода от разрушающих методов определения характеристик металла и оценки его состояния (степени деградации) к неразрушающим, путем совмещения методов АЭ и индентирования с применением спектрального анализа сигналов. В частности, полученные результаты позволяют создать методику экспресс диагностики необратимой отпускной хрупкости конструкционной стали.

Достоверность полученных результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, использованием современных методов измерения и обработки; сопоставлением полученных результатов между собой и с результатами, полученными другими авторами, а так же известными физическими явлениями.

На защиту выносятся:

    • Результаты оценки влияния на параметры АЭ при индентировании техники эксперимента (скорости внедрения и типа индентора).
    • Сопоставление результатов анализа энергетических и спектральных параметров АЭ при двух видах нагружения образцов стали 20: одноосном растяжении и индентировании.
    • Результаты оценки чувствительности методики, совмещающей кинетическое индентирование и АЭ с применением спектрального анализа, к водородной повреждаемости на примере сталей 13ХФА, 08ХМФЧА, 13ХФЧА и явлению необратимой отпускной хрупкости на примере сталей 20, 40 и 35Г2.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 9 конференциях разного уровня: XVIII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», 6-10 февраля 2006 г., Тольятти; XVI Петербургские чтения по проблемам прочности, 14-16 марта 2006 г., Санкт-Петербург; III Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», 18-20 апреля 2006 г., Москва; XVI международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», 26-29 июня, Самара, 2006 г.; «Актуальные проблемы прочности», 45 международная конференция, Белгород, 2006 г.; «Фазовые превращения и прочность кристаллов», международная конференция, 4-8 сентября 2006 г., Черноголовка; «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», XIX Уральская школа металловедов-термистов, Екатеринбург, 2008 г.; 47-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», 1–5 июля 2008 г., г. Нижний Новгород; Progress in acoustic emission XIV, the Japanese Society for NDI, 2008.

Публикации: основное содержание работы отражено в 15 публикациях, в том числе в двух статьях журналов, рекомендованных ВАК.

Работа выполнена при поддержке целевой программы «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов» и гранта РФФИ 08-02-99043-р_офи.

Личный вклад автора. Результаты работы получены автором лично, а также в сотрудничестве с Черняевой Е.В. (Санкт-Петербургский государственный университет). Личный вклад автора состоит в постановке задач в рамках темы работы, выборе объектов для исследования, отладке методики нагружения с одновременной записью параметров АЭ с применением разрывной машины H50K-T, разработке оснастки для датчиков, подготовке образцов для исследования, значительном объёме проведённых экспериментов, участии в обсуждении и тестировании оригинального программного обеспечения для сбора и обработки данных, обработке результатов методами статистического и спектрального анализа, подготовки материалов к опубликованию, формулировки основных выводов диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы, включающего 121 наименование. Содержание диссертации изложено на 153 страницах машинописного текста, включая 78 рисунков и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны актуальность темы, научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава является обзорной и состоит из четырёх разделов, которые дают общее представление о необходимости проведения неразрушающего контроля конструкций и сооружений, истории развития, существующих методах контроля и их недостатках. Отдельное внимание уделено проблеме деградации механических свойств сталей (разупрочнение, охрупчивание). Показано, что на сегодняшний день не существует объективных неразрушающих (или микроразрушающих) методов оценки снижения характеристик сопротивления хрупкому разрушению, позволяющих проводить оценку на работающем оборудовании. Далее описан микроразрушающий метод контроля механических характеристик стали – метод кинетического индентирования, позволяющий оценивать параметры прочности: модуль упругости, предел текучести, временное сопротивление, остаточное удлинение. Так же представлен метод акустической эмиссии – обладающий потенциалом метода исследования различных процессов в реальном времени, т.е. позволяющий наблюдать и изучать динамику этих процессов, распознавать механизмы деформации и разрушения.





В заключении главы делается вывод о том, что совмещая метод кинетического индентирования и АЭ с использованием методики цифрового распознавания спектральных образов сигналов АЭ и деления их на группы можно получить инструмент для экспресс-диагностики материала. Работы, совмещающие эти два метода контроля состояния металла, в литературе встречаются, но их результаты носят исключительно прикладной характер, решающий вполне определённые задачи. Работ же проводящих методические исследования влияния скорости внедрения индентора, его типа на параметры сигналов АЭ, сопоставление результатов анализа АЭ при разрушающих испытаниях (например, одноосном растяжении) практически отсутствуют. Также недостаточно использован потенциал метода АЭ для оценки степени деградации структуры стали, в частности её охрупчивания. Всё вышеперечисленное и является задачами исследования настоящей работы.

Во второй главе описана методика экспериментов, образцы.

Работа была выполнена на имеющемся в физико-техническом институте тольяттинского государственного университета оборудовании. Для непрерывного внедрения индентора и построения кинетической диаграммы твёрдости использована разрывная машина H50KT со штатным датчиком силы и индуктивным датчиком перемещения, доработанная для решения поставленной задачи (рисунок 1).

Сбор АЭ информации осуществлялся с помощью акустикоэмиссионного комплекса ЭЯ1 с программным обеспечением, разработанными на кафедре «Материаловедение и механика материалов» ТГУ, а так же датчиков и усилителя. Данный комплекс включает:

    • широкополосные пьезоэлектрические датчики: MSAE-1300 (собственное усиление 27 дБ), производства г. Саров; AE-900S-WB, японского производства и датчика ПАЭШП2-I производства ростовского государственного университета.
    • усилитель MSAE-FA010 с регулируемым коэффициентом усиления до 60 дБ со встроенным фильтром (50...1200 МГц) и блоком формирования среднего квадратического значения (RMS) сигнала АЭ. В некоторых экспериментах использовался другой усилитель, но по характеристикам аналогичный описанному;
    • «быстрое» АЦП (ЛА-н20-12PCI, производства ЗАО «Руднев-Шиляев»): частота сбора данных 6,25 МГц. Длина регистрируемого события: 0,655 мс (4096 точек), управление программой AERecorder;
    • «медленное» АЦП (ЛА-1.5PCI-14, производства ЗАО «Руднев-Шиляев»): 100 Гц – оцифровка огибающей АЭ (RMS) и другой параметрической информации, управление программой Polygraph;
    • программа Ti50 для управления разрывной машиной, позволяющая по заранее заложенной пользователем программе сделать предварительное нагружение, далее нагрузить с определённой скоростью до заданного усилия, выдержать несколько секунд, разгрузить с другой скоростью. Все параметры нагружения можно задавать отдельно и даже производить циклическое нагружение;
    • пакет программ для постобработки АЭ данных: быстрое преобразование Фурье, кластеризация спектров по критерию подобия [2]. Применяемый коэффициент аппроксимации – 30%.
    • Все эксперименты проведены в основном на вышеописанной аппаратуре, за исключением индентирования образцов стали 35Г2. В данном случае для сбора данных использовался прибор АВН-3 производства Хабаровского ПО «Дальстандарт». Рабочая полоса частот составляла 60...1000 кГц, полный коэффициент усиления 1000. Использовался датчик AE-900S. Для нагружения использовалась разрывная машина 1231У-10.

В зависимости от задачи индентирование производилось различными типами инденторов: конический с наконечником из твёрдого сплава с углом 1200 при вершине (далее «конический»), шариком диаметром 1,588 мм (далее «шарик») и «усечённым» конусом.

Для исследования были использованы различные марки сталей и в разном состоянии. Исследование влияния техники эксперимента на параметры АЭ при индентировании (глава III) было проведено на образцах углеродистой стали 20 и легированной 13ХФА, 08ХМФЧА и 13ХФЧА.

Оценка сопоставимости результатов анализа параметров при растяжении и индентировании (глава IV) было проведено на закалённых образцах стали 20 с различной температурой отпуска. Стандартные плоские образцы на одноосное растяжение были изготовлены с помощью фрезерной обработки из одного листа (толщиной 2 мм) поперек направления прокатки. Далее все образцы подвергали закалке в воду от температуры 980 0С и отпуску в течение 1 часа при температурах 200, 250, 300, 350, 400 и 600 0С.

Исследование влияния температуры отпуска на механические свойства и параметры акустической эмиссии в процессе индентирования (глава V) было проведено на описанных выше закалённых образцах стали 20 с различной температурой отпуска, образцах стали 40 закалённых от температуры 840 0С в воду с температурой отпуска: 200, 250, 300, 350, 400, 450 и 500 0С, а так же образцах стали 35Г2.

Основой для образцов из стали 35Г2, послужила горячекатаная труба диаметром 89 мм и толщиной 6 мм, прокатанная по обычным режимам. Образцы подвергали закалке 850 оС в воду. Далее образцы отпускали в течение 1 часа при восьми температурах: 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600 и 700 оС.

Оценка влияния наводороживания на параметры АЭ при индентировании было проведено на сталях выдержанных в среде сероводорода по стандарту NACE ТМ 0177 при двух схемах: без напряжения (стали 13ХФА, 08ХМФЧА и 13ХФЧА) и в напряжённом состоянии при 4-х точечном изгибе по стандарту ASTM G-39 (сталь 13ХФА, более подробно схема напряжённого состояния описана ниже).

Для анализа АЭ в данной работе использованы следующие оценки дискретной АЭ, которые можно привести в следующей хронологической последовательности (по мере их появления и широкого использования в литературе).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.