Автор: В.Н. Бусько (ГНУ «Институт прикладной физики НАН Беларуси»)

Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2017

На предприятиях газонефтехимического комплекса, смежных или обслуживающих отраслей промышленности (химическое машиностроение, металлургия, строительство, трубопроводный транспорт и др.) часто возникает необходимость проведения механических испытаний при отсутствии для этого специального оборудования. Основной целью испытаний является оценка прочностных характеристик, в частности, усталостной долговечности (УД) или выносливости, материала. Обусловлено это тем, что УД относится к одним из основных факторов, влияющих на эксплуатационную долговечность изделий, элементов конструкций и оборудования (паротрубопроводы, узлы механизмов машин и др.). УД в первую очередь определяется физико-механическими характеристиками материала, условиями и длительностью эксплуатации, под воздействием которых механические свойства материала претерпевают значительные изменения в сторону их снижения [1, 2].

Однако проведение механических испытаний на усталость относится к сложным процедурам, так как требует наличия дорогого (от десятков до сотен тысяч долларов) и громоздкого оборудования. Как правило, для исследования усталости на образцах обычно используют стандартное промышленное оборудование [3–6], представляющее собой крупногабаритные машины или установки с механическими, электромагнитными, магнитострикционными, электродинамическими или комбинированными способами нагружения образцов с применением в качестве силовозбудителей для передачи усилия к образцу различных устройств и механизмов. Это ограничивает и делает невозможным использование оборудования в лабораторных условиях, при тестовых или экспрессных усталостных испытаниях. Портативные установки, использующие, например, электромагнитный принцип создания циклических напряжений или «кулачковую» схему, имеют ограничения из-за малых амплитуд напряжений, необходимости наличия специальных образцов и другие недостатки.
Для оперативного испытания материалов на УД с малыми затратами на их проведение требуется применение малогабаритного, альтернативного промышленному, испытательного оборудования и методик, обеспечивающих приведенные требования. Оно должно быть недорогим и простым в изготовлении, надежным в эксплуатации, обладать высокой производительностью и воспроизводимостью результатов.
В ИПФ НАНБ разработана методика и изготовлен макет стенда для механических испытаний и исследования на усталость образцов из ферромагнитных материалов с помощью воздействия на образец одно- [7, 8] или двухчастотного нагружения [9].
Сущность методики испытаний рассмотрим на примере бигармонического (двухчастотного) воздействия циклической нагрузкой на испытуемый образец. Такое нагружение является распространенным явлением, так как в процессе эксплуатации значительная часть деталей машин и элементов конструкций подвергается бигармоническому циклическому нагружению, при котором на циклическую (периодическую) нагрузку наложены гармоники малых амплитуд относительно высоких частот. При таком виде нагружения в отличие от одночастотного за счет интенсификации процесса накопления усталостной повреждаемости происходит ускоренное разрушение. Выносливость металла при бигармоническом воздействии оказалась в 1,5–4 раза меньше, чем при одночастотном (гармоническом) [10], а процесс накопления усталостной повреждаемости в образце становится приближенным к таковому в реально работающем элементе конструкции.
Такой вид нагружения, когда металл образца подвергается одновременному воздействию двух и более частот, распространен в газонефтехимической отрасли (газо-, паро- и нефтепроводы), химическом машиностроении (трубопроводные обвязки) в результате вибраций от прохождения пульсирующего рабочего продукта, подвижек фундаментных опор, грунта и т.д., в машиностроении (элементы автомобильных рам, кузовов, валы и др.), авиастроении (фюзеляж, нервюры крыла, лопатки двигателя и др.), строительстве (фермы и опоры мостов, мачт, башни и др.). В процессе испытаний такое нагружение позволяет более детально изучить трещиностойкость материалов, интенсивность и стадии распространения усталостных трещин. Также считается, что в связи с различием влияния на выносливость высокой и низкой частот нагружения двухчастотные испытания имеют самостоятельное значение [10]. В связи с этим такие исследования относятся к более актуальным, эффективным и информативным, чем исследования при одночастотном нагружении.
Бигармоническое нагружение реализуется различными схемами [10–15]. Примеры типовых условных спектров при механических испытаниях образца с помощью бигармонического нагружения приведены на рис. 1, а, б [10, 11], где отражено одновременное действие двух нагрузок с различными частотами. Для создания циклических напряжений при изгибе в консольно защемленном образце предлагается схема, реализующая принцип преобразования вращения вала электродвигателя в вертикальное колебательное движение свободного конца образца с возможностью регулирования амплитуд знакопеременных напряжений. Особенностью является использование двух подшипников качения, расположенных нормально на стальном диске, установленном на валу электродвигателя, с возможностью их перемещения
в пазах диска. Подшипники исполняют роль силовозбудителей-толкателей для создания в образце изгибающего момента и одновременно обеспечивают постоянство амплитуд знакопеременных напряжений «растяжение–сжатие».
Рис. 1. Условные схемы бигармонического нагружения образца при усталостных испытаниях:
а – наложение высокочастотной модулированной нагрузки
на низкочастотную; б – циклическая нагрузка
с гармоническим медленно изменяющимся
средним циклом нагружения низкой частоты
На рис. 2 представлены схема и внешний вид простого стенда для испытаний образцов на усталость с помощью двухчастотного воздействия.
Рис. 2. Схема (а) и внешний вид (б) макета лабораторного стенда для испытаний образцов на усталость
с помощью бигармонического нагружения:
1 – станина; 2 – двигатель с редуктором с низкой частотой вращения вала; 3 – двигатель с высокой частотой вращения; 4 – диски; 5 – подшипники качения; 6 – основание; 7 – образец; 8 – пластина; 9 – болты; 10 – индикатор прогиба;
11 – постоянные магниты; 12 – герконы; 13 – счетчик оборотов; 14 – преобразователь Баркгаузена
Стенд содержит станину 1, на которой установлены два электродвигателя: двигатель 2 с редуктором с низкой частотой вращения вала и двигателя 3 (высокая частота) для создания в образце двухчастотных напряжений при изгибе. На валах электродвигателей установлены стальные диски 4 с размещенными на них подшипниками качения 5, регулируемое по высоте основание 6, на котором размещен испытуемый образец 7 плоской формы, прижимаемый V-образной пластиной 8 и закрепленной с помощью двух болтов 9 к основанию 6 так, чтобы она прижимала образец сверху, механический или электронный индикатор прогиба образца 10, закрепленный на станине, основании или электродвигателях, два постоянных магнита 11, два геркона 12, двухшкальный (на каждую частоту циклирования) электронный счетчик 13 оборотов вала электродвигателей и преобразователь Баркгаузена (ПБ) 14. Для создания изгибающих моментов в образце применялись схема и методика нагружения, описанные в работах [7–9].
Работа стенда при бигармоническом нагружении основана на том, что нагружение образца производится одновременно двумя частотами f1 и f2. При этом изгибающий момент создается на обоих концах образца независимо: один конец образца подвергается низкочастотному циклированию с частотой f1, второй – высокочастотному с частотой f2. В результате одновременного воздействия двух частот нагружения с амплитудами напряжений s1 и s2 в образце (преимущественно в зоне образования максимальных изгибных напряжений) с увеличением числа низкочастотного N1 и высокочастотного N2 циклов нагружения происходит накопление усталостной повреждаемости и образуются вначале невидимые, а затем
видимые усталостные трещины, вследствие чего снижается механическая прочность образца и происходит разрушение.
Стенд работает следующим образом. Испытуемый образец устанавливается на основание и с помощью V-образной прижимной пластины болтами закрепляется на основании. Данное положение образца относительно диска соответствует фазе 1 (рис. 3, а). При вращении закрепленного на валу электродвигателя диска в результате контакта наружного кольца первого подшипника, вращающегося на оси и выполняющего роль силового элемента, в направлении снизу вверх происходит надавливание на нижнюю поверхность образца. При этом создаваемый в нем прогиб Y1 характеризует амплитуду цикла напряжений, равную s1 (см. рис. 3, фаза 2). Вращаясь далее, диск с расположенным на нем вторым подшипником аналогичным образом давит на поверхность образца сверху вниз, заставляя образец изгибаться в противоположную сторону с прогибом Y2 и s2 (см. рис. 3, фаза 3), но уже с противоположным знаком. Прогиб обоих концов образца можно регулировать с помощью перемещения подшипников в пределах длины пазов и изменения их диаметров. Изменяя число подшипников (один или два), их диаметры и взаимное расположение, можно смоделировать практически любую схему симметричных и асимметричных переменных напряжений с различными коэффициентами асимметрии цикла R. Пересчет прогибов Y1 и Y2 в значения создаваемых в любой точке поверхности образца механических напряжений s (МПа) производится предварительно с помощью известных формул с учетом размеров образца, модуля Юнга и расстояний между местом приложения силы и точкой измерения сигнала.
Рис. 3. Алгоритм и фазы работы стенда:
а – до нагружения образца;
б – нагружение первым подшипником (Y1, s1);
в – нагружение вторым подшипником (Y2, s2)
В результате применения расположенных таким образом подшипников исключается температурный нагрев образца, наблюдаемый в случае использования вместо подшипников неподвижно закрепленного на диске кулачка или эксцентрика (контактная схема) вследствие сухого трения, что позволяет повысить достоверность исследований и выполнять длительные многоцикловые испытания. Под действием циклических колебаний свободных частей образца вблизи его зоны защемления после достижения определенного числа циклов нагружения N  возникают микротрещины, приводящие в конечном итоге к усталости и разрушению металла. Определяемое экспериментально значение N наряду с другими факторами может быть использовано в качестве одного из критериев выносливости материала.
Для создания низкочастотного нагружения образца использовался однофазный реверсивный электродвигатель типа РД-09 с коэффициентом передачи, равным 1/137, и частотой вращения вала двигателя n1 = 8,8 об/мин (f1 = 0,15 Гц). Такая редукция позволяет испытывать образцы толщиной до 2…3 мм, создавая в нем упругопластические деформации. Для создания в образце высокочастотного нагружения использовался электродвигатель переменного тока с номинальным значением n2 = 2900 об/мин (f2 = 48 Гц). В зависимости от напряжения питания электродвигателя диапазон изменения f2  составляет 12…48Гц. При использовании двигателей других модификаций частоты f1 и f2 могут быть другими.
В результате одновременного действия циклических знакопеременных двухчастотных нагружений с ростом N1 и N2 со временем будут изменяться физико-механические свойства образца, регистрируемые накладным ПБ 14 (см. рис. 2). С помощью ПБ можно производить сканирование по поверхности образца, измеряя магнитный шум (МШ) в любой части поверхности и получая его распределение по длине образца. Значения N1 и N2 определяются с помощью электронного счетчика импульсов 13, сигнал на который поступает от двух магнитоуправляемых герконов, расположенных на корпусах двигателей и срабатывающих от двух постоянных магнитов 11, закрепленных на валах электродвигателей. Для определения N1 и N2 использовался двухшкальный электронный счетчик с питанием постоянным напряжением 9 В. Стенд обеспечивает независимое регулирование низкой и высокой компонент частот нагружения и максимальных амплитуд напряжений при изгибе на обоих концах образца. В результате суперпозиции двухчастотного циклического нагружения в области места закрепления образца происходит накопление усталостной повреждаемости, которая приводит к изменению физико-механического состояния и регистрируется ПБ.
При исследовании УД при одночастотном нагружении консольно закрепленного образца используется один из двух электродвигателей. При мононагружении использовались плоские образцы в виде балок длиной l = 70 мм, шириной b = 15 мм и толщиной h = 2 мм; при двухчастотном – в форме параллелепипеда l = 300 мм, b = 15 мм и h = 2 мм (возможно использование образцов других размеров); максимальный прогиб образца Y = 7…8 мм; габариты стенда (длина, ширина, высота) – 450´180´200 мм; масса – 11,5 кг. Испытывались изготовленные в соответствии с ГОСТ 25.502–79, ГОСТ 25347–82 образцы из конструкционной хромистой стали 40Х, высокопрочной ВНС-2, низколегированной 10ХСНД, стали Ст.3 и др. Испытания проводились при симметричных и асимметричных формах циклов нагружения при разных N и s вплоть до разрушения образцов. Методом исследования процессов накопления усталостной повреждаемости являлся магнитный метод эффекта Баркгаузена (МЭБ) [16], измерение интенсивности МШ Uэфосуществлялось прибором ИМШ [17].
На рис. 4 показаны результаты испытаний стенда при исследовании влияния N на интенсивность Uэф МШ при моно- и бигармоническом нагружении, из которых можно определить число циклов N, выдержанных образцом при определенных s, режимах испытаний и анализа МШ. Из рис. 4, а видно, что при мононагружении при N0max = 14,1 млн. произошло резкое изменение Uэф, свидетельствующее о появлении в зоне шейки образца усталостных трещин, что было подтверждено оптическим методом, из рис. 4, б следует, что при двухчастотном нагружении кривая зависимости Uэф = Uэф (N1 + N2) пока не претерпела существенных изменений.
Рис. 4. Зависимость интенсивности МШ Uэф
от числа циклов нагружения N для разных образцов:
а – сталь ВНС-2 при одночастотном
(f1 = 36 Гц;N0 max = 14,096млн. циклов);
б – сталь Ст. 3 при двухчастотном нагружении (f1 = 0,15;
f2 = 48 Гц:N1max = 3,989 млн. циклов;N2max = 6880)
Таким образом, разработана методика и создан малогабаритный универсальный стенд для механических испытаний и исследования усталости ферромагнитных образцов, основанные на моно- и бигармоническом циклическом нагружении, что позволило расширить функциональные возможности испытательного оборудования за счет применения новых технических решений по формированию напряжений в образце, увеличить производительность и достоверность испытаний, производить неразрушающий контроль и исследование процесса накопления усталостной повреждаемости. Стенд отличается портативностью, малой массой, простотой конструкции и удобством использования по сравнению с громоздкими, сложными в изготовлении и эксплуатации дорогостоящими промышленными машинами и стендами. Появляется возможность создавать одновременно и независимо одно- или двухчастотные знакопеременные циклические напряжения в образце с возможностью регулирования частот нагружения и амплитуд напряжений, приближая состояние образца к состоянию реального элемента конструкции при эксплуатации. Стенд позволяет проводить мало- и многоцикловые испытания образцов, моделировать различные виды циклических напряжений растяжения/сжатия при изгибе. Использование МЭБ как метода исследования усталости и деградации металла показало эффективность при решении научных задач, неразрушающем контроле, мониторинге и диагностике.
 
Список литературы
1. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М.: Наука, 2003. 254 с.
2. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. Изд. 3-е, переработ. и дополн., пер. с польского. М.: Металлургия. 1990. 623 с.
3. Тимошук Л.Т. Механические испытания металлов. М.: Металлургия, 1971. 224 с.
4. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978. 300 с.
5. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие; в 4 т. /Под ред. Панасюка В.В. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Киев. Наук. Думка, 1990. Т. 4. 680 с.
6. Испытательная техника: Справочник. В 2 кн./Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1. 528 с.
7. Патент РБ 5248, МПК G 01 N 3/32, G 01 N 27/30. Устройство для испытания плоских образцов на усталость.
8. Бусько В.Н. Лабораторная установка для исследования усталостной повреждаемости плоских ферромагнитных образцов//Приборы и техника эксперимента. 2011. №1. С. 165–167.
9. Бусько В.Н. Лабораторная установка для испытаний образцов на усталость с помощью бигармонического нагружения// Приборы и методы измерений. 2015. Т. 6. №2. C. 181–187.
10. Воробьев А.З., Олькин Б.И., Стебенев В.Н. Сопротивление усталости элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 240 с.
11. Энциклопедия по машиностроению. В 40 т. /Под ред. акад. Фролова К.В. М.: Машиностроение, 1994–2012.
12. Кобрин М.М., Титов А.А. Методика испытаний на усталость при полигармоническом нагружении независимыми возбудителями//Заводская лаборатория. 2005. №5. С. 586–591.
13. Патент РФ 1826031А1, G01N3/32. Установка для испытания образцов при двухчастотном нагружении.
14. Фомичев П.А. Долговечность металлов при бигармоническом нагружении//Проблемы прочности. 2004. №1. С. 14–21.
15. А.с. СССР№1259145, G01N 3/32. Установка для испытаний на усталость при бигармоническом воздействии.
16. ГОСТ 18-353–79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.
17. Бусько В.Н., Венгринович В. Л., Довгялло А.Г., Кукареко В.А., Комарова В.И. Возможность контроля методом магнитных шумов деградации металла в результате поверхностного изнашивания//Химическая техника. 2007. №6. С. 36–38.
СХОЖИЕ СТАТЬИБОЛЬШЕ ОТ АВТОРА