Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Высокий технический уровень и эффективность производства в металлургических и металлообрабатывающих отраслях промышленности обеспечивается созданием и освоением ресурсосберегающих технологий с улучшением качества продукции Значительные резервы в этой области связаны с научно обоснованным подходом к задаче регулирования напряженного состояния металлоизделий, существенно влияющего на надежность и долговечность техники, технологичность и металлоемкость конструкций, что подтверждает актуальность проблемы
Эффективным подходом к анализу и регулированию остаточных и приложенных механических напряжений в металлопродукции является системный подход, одну из ключевых позиций которого занимают вопросы контроля напряженного состояния металлоизделий на каждом этапе технологического процесса Контроль остаточных напряжений в заготовках и готовых деталях дает возможность выявлять изделия с недопустимым уровнем напряжений и проводить их технологическую доработку, используя различные методы воздействия на величину и распределение остаточных напряжений
Наиболее целесообразное решение этой задачи связано как с совершенствованием традиционных методов неразрушающего контроля (НК), так и с развитием сравнительно новых методов, таких как метод эффекта Баркгаузена (ЭБ), который получил в промышленности название метод магнитных шумов (МШ)
Существенно расширяет возможности контроля методом МШ параллельное использование акустического проявления эффекта Баркгаузена (магнитные акустические шумы (МАШ)) Разработка принципов совместного использования МШ и МАШ, позволяет повысить информативность метода эффекта Баркгаузена
Имеются отличительные особенности в физике этого явления от других электромагнитных методов контроля источником электромагнитного или акустического излучения является сам контролируемый объект по причине перестройки его доменной текстуры; большая локальность контроля, обеспеченная малой величиной объема скачкообразно перемагничивающейся области - 10 ~9 - 10 "10 см3, возможность снимать информацию в аналоговом или цифровом виде даже с очень тонких слоев образцов Это позволяет, используя тесную связь магнитной текстуры со структурой деформированного металла, найти новые пути решение задачи контроля механических напряжений в деталях и разработки новых средств контроля
Таким образом, основной задачей диссертации является развитие теории метода контроля и разработка новых средств НК, основанных на эффекте Баркгаузена, для целей НК механических напряжений в высокопрочных сталях
Состояние проблемы. При перемагничивании ферромагнитных материалов возникают в индукционной катушке импульсы ЭДС, получившие название магнитные шумы (МШ), в пьезопреобразователе - акустические сигналы, получившие название магнитный акустический шум (МАШ)
Широкое развитие в НК получил метод магнитных шумов Большой вклад в становление этого метода внесли работы Н Н Колачевского, В М Рудяка, В В Клюева, Э С Горкунова, В Е Шатерникова, Г В Ломаева, В Е Щербинина, В В Поповой, В Л Венгриновича, В В Филинова, Н С Кузнецова, а также зарубежных исследователей - Ц Гарднера (США), И Шродера (США), И Бартона (США), Л Карьялайнена, К Титто (Финляндия) и тд Вместе с тем, применение метода МШ в промышленности явно не соответствует его возможностям и требует комплексного решения исследовательских, конструкторских и методических задач К их числу относятся вопросы более глубокого исследования взаимосвязи параметров сигналов МШ с механическими напряжениями и структурными изменениями в конструкционных высокопрочных сталях, методическое обеспечение выбора информативных параметров и режимов контроля с наибольшей достоверностью результатов измерений, разработка принципов создания надежной контрольно-измерительной аппаратуры и методик контроля, приемлемых для производственных условий
Существенно увеличивает возможности контроля методом МШ параллельное использование сигналов МАШ Энергетические и эмиссионные характеристики МШ и МАШ определяются перестройкой магнитной текстуры ферромагнетика скачками Баркгаузена (СБ), соответственно 180 и 90 доменных границ, при его циклическом перемагничивании Поэтому МШ и МАШ несут разную информацию о физико-механических свойствах сталей, а параметры их сигналов во взаимосвязи могут использоваться для построения новых алгоритмов контроля и диагностики напряженного состояния ответственных изделий из этих сталей
Значительный вклад в исследование физики магнитных акустических шумов перемагничивания внесли работы Э С Горкунова, В В Филинова, В А Хамитова, В Е Щербинина, В Ф Кумейшина, В А Комарова, а также зарубежных исследователей - К Оно, М Шибато (Япония), А Лорда, (США) и др Однако, техническое использование МАШ в промышленности сдерживается недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой, позволяющей разработать научно-обоснованные методики выбора информативных параметров, режимов и принципов конструирования средств контроля
Общий случайный характер сигналов МШ и МАШ позволяет надеяться на возможность разработки методических основ их совместного применения в НК, повысить надежность и информативность средств контроля методом ЭБ
Целью диссертационной работы является разработка новых методических основ и средств контроля механических напряжений в высокопрочных конструкционных сталях, основанных на методе МШ и МАШ В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи: анализ закономерностей изменения параметров огибающих сигналов магнитных шумов и магнитно-акустичесих шумов в зависимости от уровня микро- и макронапряжений, экспериментальные исследования взаимосвязей параметров сигналов МШ и МАШ на образцах углеродистых легированных сталей, определение новых алгоритмов обработки и информативных параметров сигналов МШ и МАШ, разработка аппаратуры и методик контроля механических напряжений на основе использования МШ и МАШ
Методы исследования. Выполнение научных исследований проводилось с привлечением методов статистической физики, корреляционного анализа Результаты теоретических положений проверялись экспериментально с использованием механических методов испытаний, результатов металлографического и рентгеноструктурного анализа, статистических методов обработки экспериментальных данных
Новые научные результаты. В работе
На основе аналогии механизму возбуждения акустической эмиссии при пластической деформации разработана теория МАШ Исследованы зависимости энергетических и эмиссионных характеристик огибающих МАШ от параметров измерительной аппаратуры, объема СБ, магнитострикции и механических напряжений
Разработана методика расчета текущих энергетических и эмиссионных характеристик МШ и МАШ Показано, что параметр UM, равный максимальному значению сигналов МШ, отражает энергетические свойства МШ, параметр Нм пропорционален коэрцитивной силе ферромагнитного материала, параметр МАШ 17»^, равный среднему значению сигналов МАШ, пропорционален магнитострикции материала Это определяет новые возможности метода неразрушающего контроля, основанного на эффекте Баркгаузена, как многопараметрового метода
Исследованы зависимости параметров сигналов МШ и МАШ от уровня микро- и макронапряжений в высокопрочных стялях Доказана возможность использования единой, в пределах марки стали, зависимости параметра Р=имНм от величины макронапряжений, в случае контроля деталей из углеродистых и легированных сталей Показано, что использование параметра R=Um/Hm позволяет увеличить разрешающую способность аппаратуры - в 1,4 раза.
Установлено, что область применения метода контроля напряженного состояния металлоизделий существенно расширяется за счет использования алгоритмов, основанных на нормировке параметров МШ к параметрам сигнала МАШ, например, параметр B=Um/Uai, равный отношению максимального значения сигнала МШ к первому максимому сигнала МАШ, при этом разрешающая способность аппаратуры увеличивается ~ в 2 раза
Существенно повышается чувствительность контроля механических напряжений методом МАШ с использованием параметра К= U/u/Uai, равного отношению двух максимальных значений огибающей сигнала МАШ
4 Для контроля ответственных изделий разработаны следующие методики контроля макронапряжений, основанные на регистрации МШ и МАШ
методика контроля напряжений в сборках корпусов изделий из стали ЭП-836,
методика контроля распределения напряжений в трубных заготовках из стали ЭП-836
5 Разработаны новые алгоритмы обработки сигналов МШ и МАШ, принципы построения средств и алгоритмов контроля напряженного состояния деталей из высокопрочных сталей, основанные на применении новых параметров, связанных с совместным использованием МШ и МАШ
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Теоретические и экспериментальные исследования МШ и МАШ при нагружении высокопрочных сталей позволили разработать методику и прибор для оценки уровня механических напряжений.
Предложены новые информативные параметры, повышающие достоверность и чувствительность контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
Исследованы новые конструкции и выработаны рекомендации по режимам работы Первичных преобразователей для контроля с использованием МШ и МАШ
Разработаны новые алгоритмы, программные средства и микропроцессорный вариант прибора для контроля механических напряжений методом МШ и МАШ
Результаты работы реализованы в виде методик контроля макронапряжений в сборках корпусов изделий и трубных заготовок из стали ЭП-836, микропроцессорного варианта прибора контроля методом МШ и МАШ и использованы на предприятиях машиностроительной отрасли, например, Научно-исследовательском машиностроительном институте (НИМИ)
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 10-ти печатных работах и обсуждены на 5-ти международных конференциях "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики", гСочи-2002, 2004, 2005, "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления", гИжевск-2005, 5-й межднародной выставке-конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 2006
Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 113 наименований, приложения и изложена на 186 странице машинописного текста, иллюстрируется 76 рисунками и 6 таблицами
Основные положения, выносимые на защиту:
Модели формирования огибающих МШ и МАШ и их характерных параметров, определяющие принципы построения методик и алгоритмов контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
Методика расчета текущих энергетических и эмиссионных характеристик МШ и МАШ, выбор новых параметров при контроле механических напряжений с использований МШ и МАШ
Принципы и алгоритмы построения средств и методик контроля напряженного состояния высокопрочных сталей на основе новых параметров сигналов МШ и МАШ
Методика контроля прочностных свойств изделий из высокопрочной стали на основе метода МШ и МАШ
Схемотехнические решения, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие разработку прибора (индикатора механических напряжений) на базе цифрового сигнального процессора, для контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
