Скобло Тамара Семеновна, Листопад
Александра Ивановна
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства
им. П. Василенка, г. Харьков, Украина
Безлюдько Геннадий Яковлевич
Фирма «Специальные Научные Разработки»
Прогнозирование локализации зоны разрушений
образцов из сталей и сплавов по показаниям коэрцитивной силы
Среди развивающихся методов неразрушающего контроля
напряженно-деформированного состояния (НДС) изделий из сталей и ферромагнитных
сплавов в последнее время становится особо актуальным метод, основанный на
исследовании их магнитного состояния, в основу которого положено измерение
коэрцитивной силы.
Использование изменения магнитных характеристик материала, в
зависимости от изменения уровня напряжений в качестве инструмента для
прогнозирования поведения изделия при его нагружении, требует определения зон
локализации, имеющих различные уровни концентрации напряжений. Оценка
изменения магнитных характеристик материала была произведена по уровню
изменения коэрцитивной силы 
при одноосном растяжении тонколистовых
образцов как в зоне разрыва, так и по всей его длине.
Для проведения испытаний на разрыв был отобран ряд образцов из
сталей 20 и 30ХГСА толщиной 
равной 0.8 мм и
1.0 мм. Образцы были изготовлены в соответствии с ГОСТ 1497-84 [1]. Вырезку заготовок для образцов производили как в направлении прокатки, так и
поперек нее. При проведении испытаний исследовали образцы с выборкой и без нее.
На рис. 1 приведены геометрические параметры испытываемых образцов.
а б
Рис. 1 – Геометрические параметры испытываемых образцов
а – образец с выборкой; б –
образец без выборки.
В табл. 1 приведены значения геометрических параметров испытываемых
образцов.
Таблица 1
Значения геометрических параметров испытываемых образцов
|
 , мм
|
 , мм
|
 , мм
|
 , мм
|
 , мм
|
 , мм
|
|
0.8-1.0
|
200
|
90
|
20
|
12
|
55
|
Перед проведением эксперимента были выполнены измерения коэрцитивной
силы в поперечном и продольном направлении на образцах в 19 точках с шагом в 10
мм как показано на рис. 1, а также подсчитано среднее значение
коэффициента начальной анизотропии материала. Измерения значений в продольном и
поперечном направлениях коэрцитивной силы, 
и 
соответственно,
производили методом неразрушающего магнитного контроля с использованием
цифрового коэрцитиметра КРМ-ЦК-2М. Средние расчетные значения показателей
начальной анизотропии по 
составили:
— для
долевых образцов: 
; 
;
— для
поперечных образцов: 
; 
.
Испытания проводили на разрывной машине
Р-1. Образцы нагружали поступательно с шагом в 250 Н в упругой и
пластической зонах и с шагом в 100 Н в интервале нагружения
соответствующему зоне предполагаемой текучести и разрыва. После каждого
нагружения контролировали значения величин 
и 
.
В процессе проведения эксперимента образцы были зажаты в тисках с
обеих сторон на расстоянии 
, поэтому показания значений коэрцитивной силы и анизотропии
материала в этих зонах исключили из рассмотрения. Это позволило оценить влияние
локальной (точечной) анизотропии на уровень возникающих во время нагружения
напряжений и значений коэрцитивной силы в предполагаемой зоне разрыва, а также
прогнозировать ее локализацию.
На рис. 2 представлены фотографии образцов после разрушения.
Рис. 2 – Образцы после испытания на растяжение
а – долевой образец №1 с
выборкой; б – поперечный образец №1 с выборкой; в – долевой образец №2 без
выборки; г – поперечный образец №2 без выборки.
Исходя из полученных данных, видно, что места разрывов всех четырех
образцов попадают в зоны прогнозируемого разрыва, отмеченного на рис. 1,
однако каждый из четырех образцов характеризуется разрывом в разных точках
локализации. Так, поперечные образцы разрушились в локальных точках №10, №11 и
№7, при этом образец №2 – в точке №7 (рис.2, г), а образец №1 – между
точками №10 и №11 (рис.2, в). Долевые образцы разрушились между точками №10 и
№11 (рис.2, б) и №11, №12 (рис.2, а). Такое детальное изучение локализации
места разрыва позволило проанализировать влияние значения начальной
коэрцитивной силы и исходной анизотропии материала в точках измерений на
развитие зоны разрушения. Так, было замечено, что, несмотря на незначительное
изменение параметра начальной коэрцитивной силы от точки к точке замера, разрыв
материала происходил в той зоне, которой соответствовало пусть незначительное
до 10%, но все же приращение коэрцитивной силы. Такое наблюдение позволяет
предположить, что коэрцитивная сила реагирует на малейшие отклонения внутреннего
состояния материала в каждой зоне исследования, определяя места локализации
напряжений и, как следствие, последующего разрушения.
На рис. 3-6 показано изменение начальных значений коэрцитивной
силы в продольном и поперечном направлениях и исходной анизотропии материала.
Для исследуемых образцов на графиках выделены три зоны: две краевые,
размещенные в зажимах и область разрыва. Анализ этих зависимостей позволяет
наблюдать изменения уровня значений коэрцитивной силы и анизотропии при подходе
к локальной зоне разрыва. При этом основной вклад в изменение анизотропии
материала, как правило, вносит составляющая коэрцитивной силы, измеренная в
поперечном направлении, изменение которой и является индикатором, извещающим о
появлении зоны концентрации напряжений в материале. Разрыв материала при этом
может произойти, как непосредственно в зоне повышенной концентрации напряжений
как показано на рис. 4 и 6, так и в небольшом промежутке до или после нее
(рис. 3). Подобные скачки, выявленные в прокате при его производстве,
могут свидетельствовать о внутренних напряжениях в материале, связанных с
внутренними дефектами, а также неоднородностью структуры.
Рис. 3 – Изменение уровня коэрцитивной силы
в продольном и поперечном направлениях до и после разрыва долевого образца №1 с
выборкой
Рис. 4 – Изменение уровня коэрцитивной силы
в продольном и поперечном направлениях до и после разрыва поперечного образца
№1 с выборкой
Рис. 5 – Изменение уровня коэрцитивной силы
в продольном и поперечном направлениях до и после разрыва долевого образца №2
без выборки выборкой
Рис. 6 – Изменение уровня коэрцитивной силы
в продольном и поперечном направлении до и после разрыва поперечного образца №2
без выборки
Подобный анализ магнитных характеристик материала до его разрушения
представляет особый интерес для образцов без выборки, т.к. прогнозирование в
них зоны разрыва теоретически невозможно из-за отсутствия концентратора
напряжений. Установлено, что фрезерование выравнивает показания анизотропии
материала симметрично середины образца и изначально локализует (прогнозирует)
место разрыва ближе к центру.
На основании проведенных исследований можно заключить о возможности
использования данной методики по определению мест концентрации напряжений,
предшествующих разрушению для изделий любой формы при их нагружении.
Литература:
1.
ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение.
