RU2348917C2 - Method of determination of product residual life - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, trials.

SUBSTANCE: invention concerns field of mechanical trials of constructional materials, to be exact to methods of definition of time before fracture. In an expedient samples and a product periodically smoothly unload, fix time or number of the turned out cycles, register an acoustic emission before the relief termination. In the presence of such issue, determine peak value of nondestructive load for the product, and in the absence of an acoustic emission, the residual life of the product is estimated on the net operating time of the product.

EFFECT: determination of time before fracture of a product from a plastic material after an operating time of the guaranteed resource, and also possibility reception to use a resource of devices of a construction without hazard of its failure.

Description

Изобретение относится к области механических испытаний конструкционных материалов, а точнее к способам определения времени до разрушения.The invention relates to the field of mechanical testing of structural materials, and more specifically to methods for determining the time to failure.

Известны способы, например авт. св. СССР №901887, оценки времени до разрушения по результатам испытаний образцов материала. Их недостаток - малая достоверность - обусловлен влиянием масштабного фактора на исходное состояние и на кинетику развития поврежденности.Known methods, for example ed. St. USSR No. 901887, estimates of the time to failure according to the results of tests of material samples. Their disadvantage - low reliability - is due to the influence of a large-scale factor on the initial state and on the kinetics of damage development.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ [авт. св. СССР №1647356 А1], заключающийся в том, что для изделия и образцов из материала изделия неразрушающим методом оценивают начальное предельное напряжение (предельное напряжение отвечает одной из предельных нагрузок L: либо максимальной разрушающей при заданном темпе нагружения - L_макс, либо наибольшей неразрушающей (пороговой) нагрузке L₀, без превышения которой при длительном нагружении прочность изделия, в частности само значение L₀, не снижается во времени. При этом долговечность изделия бесконечна, так как первая фаза разрушения (микрорастрескивание) еще не переходит во вторую фазу (образование трещины, способной к развитию в магистральную трещину). При линейном напряженном состоянии материала в изделии значению L_макс отвечает временное сопротивление σ_в или предел кратковременной прочности σ_пч, а значению L₀ - предел длительной прочности σ₀. Значение L₀ можно определить только неразрушающим способом [см., например, авт. св. СССР № 1620930 А1 или заявку № 2005131106/20(034875) от 3.10.2005]. Значение L_макс определяют обычным монотонным нагружением до разрушения либо неразрушающим способом, например, по авт. св. CCCP № 879444, 1536251, 1663535, 1769122 и др.) σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с различными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от начального отношения Х напряжения σ к предельному напряжению (Х_н=σ/σ_пр) и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия.Closest to the proposed invention method [ed. St. USSR No. 1647356 A1], which consists in the fact that the initial ultimate stress is estimated by a non-destructive method for an article and samples from the material of the article (the ultimate stress corresponds to one of the ultimate loads L: either maximum destructive at a given loading rate - L _max , or maximum non-destructive (threshold ) load L ₀ , without exceeding which, during prolonged loading, the strength of the product, in particular the value of L _{0 itself} , does not decrease in time, while the durability of the product is infinite, since the first phase of failure (microras cracking) does not yet pass into the second phase (formation of a crack capable of developing into a main crack). With a linear stressed state of the material in the product, the value of L _max corresponds to the temporary resistance σ _to or the short-term strength limit σ _pc , and to the value L ₀ - the long-term strength limit σ _0. The value of L ₀ can only be determined in a non-destructive way [see, for example, ed. St. USSR No. 1620930 A1 or application No. 2005131106/20 (034875) of 3.10.2005]. The value of L _{max is} determined by conventional monotonous loading to failure or non-destructive method, for example, according to ed. St. CCCP No. 879444, 1536251, 1663535, 1769122, etc.) σ _pr , the samples are destroyed under prolonged loading with different levels of stress state, the dependence of the time before failure on the initial ratio X of stress σ to ultimate stress (X _n = σ / σ _pr ) is determined and these results judge the time until the destruction of the product.

Недостаток прототипа - невозможность его использования для тех материалов, у которых дефект, определяющий длительную прочность, зарождается не при изготовлении материала, а при его нагружении, т.е. для большинства пластичных материалов. Если дефекты хрупких материалов, определяющие их долговечность, зарождаются при изготовлении изделия (спекании, охлаждении, обработке), то у пластичных материалов, как правило, зарождению магистральной трещины при нагружении предшествует период ее формирования (П_ф), который сопровождается постепенным увеличением концентрации микротрещин (трещин в размер зерна) и заканчивается объединением нескольких микротрещин в зародыш магистральной трещины.The disadvantage of the prototype is the impossibility of its use for those materials for which a defect determining the long-term strength does not arise during the manufacture of the material, but when it is loaded, i.e. for most ductile materials. If the defects of brittle materials, determining their durability, arise during the manufacture of the product (sintering, cooling, processing), then for plastic materials, as a rule, the initiation of a main crack during loading is preceded by a period of its formation (P _f ), which is accompanied by a gradual increase in the concentration of microcracks ( cracks in grain size) and ends with the union of several microcracks in the germ of the main crack.

Цель изобретения - определение времени до разрушения изделий из пластичных материалов после наработки гарантированного ресурса.The purpose of the invention is the determination of the time until the destruction of products made of plastic materials after the production of a guaranteed resource.

Цель достигают тем, что, как и в прототипе, для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения σ_пр, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения Х действующего напряжения σ к предельному напряжению и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения. Но в отличие от прототипа образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию (АЭ) перед окончанием разгрузки, при наличии такой АЭ определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии АЭ остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. АЭ перед окончанием плавной разгрузки с напряжения σ возникает, если σ≥σ₀, т.к. в этом случае в вершине трещины возникают пластические деформации, которые приводят к взаимному смещению поверхностей трещины у ее вершины, не совпадению микрорельефа поверхностей при разгрузке, т.е. к эффекту Эльбера "закрытие трещины" и к АЭ трения микрорельефа (АЭ "зубного скрежета"). Наличие АЭ в конце плавной разгрузки с рабочего напряжения σ указывает на то, что Х=σ/σ_пр≥1; а отсутствие АЭ - на то, что Х=σ/σ_пр<1. Иными словами, АЭ в конце плавной разгрузки доказывает наличие трещин, способных к развитию в магистральную, а отсутствие АЭ - отсутствие такой трещины. Возникновение АЭ в конце плавной разгрузки указывает на переход от периода формирования трещины к периоду развития трещины П_р до фрагментации изделия. Отношение П_ф/П_р зависит от чувствительности метода, использованного для улавливания границы между П_ф и П_р. Чувствительность АЭ метода обеспечивает П_ф<П_р (см. таблицу), что позволяет при отсутствии АЭ в конце контрольного разгружения повторять суммарную наработку изделия, не исследуя режим нагружения изделия, а лишь сохраняя его прежним. При наличии АЭ перед окончанием разгрузки можно количественно определить σ_пр, не превышая σ (см. авт. св. №1620930, от. 15.01.1991), и рассчитать Х=σ/σ_пр≥1. Рассчитав Х=σ/σ_пр для изделия после зарождения трещины, по значению Х следует войти в зависимость остаточного ресурса от X, полученную на образцах, и определить остаточный ресурс изделия.The goal is achieved in that, as in the prototype, for the product and samples from its material, the ultimate stresses σ _pr are evaluated by non-destructive method, the samples are destroyed under prolonged loading with different levels of stress state, the dependence of the time before failure on the ratio X of the effective stress σ to the ultimate voltage and according to these results judge about the time until the destruction of the product at a given mode of loading. But unlike the prototype, the samples and the product periodically smoothly unload, record the time or number of accumulated cycles, record the acoustic emission (AE) before the end of unloading, in the presence of such AE determine the maximum non-destructive load for the product, and in the absence of AE, the residual life of the product is estimated by total operating time of the product. AE before the end of smooth unloading with voltage σ occurs if σ≥σ ₀ , because In this case, plastic deformations occur at the crack tip, which lead to a mutual displacement of the crack surfaces at its peak, to a mismatch of the surface microrelief during unloading, i.e. to the Elber effect “crack closure” and to the microrelief friction AE (“tooth grinding” AE). The presence of AE at the end of smooth unloading from the operating voltage σ indicates that X = σ / σ _pr ≥1; and the absence of AE - the fact that X = σ / σ _CR <1. In other words, the AE at the end of smooth unloading proves the presence of cracks capable of developing into the main one, and the absence of AE - the absence of such a crack. The occurrence of AE at the end of smooth unloading indicates a transition from the period of crack formation to the period of crack development P _r to fragmentation of the product. The ratio P _f / P _p depends on the sensitivity of the method used to capture the boundary between P _f and P _p . The sensitivity of the AE method provides P _f <P _p (see table), which allows, in the absence of AE at the end of the control unloading, to repeat the total operating time of the product without examining the loading mode of the product, but only keeping it the same. In the presence of AE before the end of unloading, it is possible to quantify σ _pr , not exceeding σ (see ed. St. No. 1620930, dated January 15, 1991), and calculate X = σ / σ _pr ≥1. Having calculated X = σ / σ _pr for the product after the crack nucleation, according to the value of X, one must enter into the dependence of the residual life on X obtained on the samples and determine the residual life of the product.

Способ реализовали, в частности, для оценки остаточного ресурса рабочих лопаток газовой турбины после наработки при 750°С гарантированного ресурса R_г=40000 часов и при последующих наработках (также 40000 часов) между профилактическими осмотрами. Обычно после таких осмотров все лопатки турбины, например 90 шт., меняют и отправляют в переплав, т.к. разрушение лопатки при последующей работе турбины весьма опасно. Материал лопатки - сплав ХН 65 МТЮ или ЭИ 893 (ТУ 108.02.005-76 Минэнергомаша); стоимость лопатки - 8000 р. Разработчиками лопаток экспериментально-расчетным путем установлено, что в процессе работы на турбине колебания лопатки по первому тону с частотой 800 Гц приводят к возникновению максимальных напряжений σ_макс≈100 МПа. Лабораторные испытания образцов проводили в условиях растяжения или изгиба. АЭ регистрировали с помощью прибора АФ-15, имеющего уровень собственных шумов 7 мкВ. Резонансный пьезокерамический преобразователь (600…1000 кГц) прижимали к образцу тарированной пружиной через слой смазки, улучшающий акустический контакт. Число циклов N_ф, после которого первый раз была зарегистрирована АЭ в конце плавной разгрузки, принимали за оценку периода формирования трещины в образце. Затем через каждые N_ф циклов с помощью АЭ определяли пороговое напряжение σ_пр, без превышения которого в процессе разгрузки АЭ не наблюдалась. Значение σ_пр<σ_макс постепенно снижалось с увеличением числа циклов. За полную долговечность принимали число циклов N от начала испытания образца до его фрагментации. Число циклов роста трещины рассчитывали как N_р=N-N_ф. Растяжение с σ_макс больше предела текучести σ_m (или σ₀₂) осуществляли с периодом 18 с. При изгибе образцы испытывали с частотой 50 Гц силой от нулевой по середине пролета; для определения N_ф контрольную разгрузку с σ_макс за 10 секунд проводили через каждые 3000…15000 циклов, увеличивая этот интервал пропорционально наработке так, чтобы погрешность определения N_ф не превышала 10%. Результаты испытаний приведены в таблице, где N, N_ф и N_ф/N - средние значения по результатам испытаний 8 образцов; напряжения σ даны в МПа. Индекс "-1" у некоторых значений σ_макс в таблице указывает на то, что результаты получены при изгибе балочек в условиях симметричного цикла с характеристикой цикла r=σ_мин/σ_макс=-1. Индексом "+" отмечены значения σ_макс при симметричном изгибе кольцевым пуансоном соосной пластины, опертой на кольцо (плоское напряженное состояние) знакопостоянным циклом напряжения с r=0,05. При нестационарном нагружении чередовали пакеты с максимальным напряжением σ_макс, указанным в таблице, циклов с σ_макс на 7% выше и циклов с σ_макс на 7% ниже за счет соответствующего изменения среднего напряжения. При σ_макс>σ₀₂ каждый пакет состоял из 1 цикла, при σ_макс<σ₀₂ каждый пакет включал около 300 циклов с частотой 50 Гц. Для каждого образца рассчитали несколько значений σ_пр/σ_макс и соответствующие им значения N_i/N_p, где N_i - остаточный ресурс образца после i-ой остановки для определения σ_прi. Экспериментальные точки, полученные таким образом для определенного режима нагружения, группируются в координатах lg(N_i/N_p) и lg(σ_пр/σ_макс) около прямой, тангенс угла наклона которой к оси lg(σ_прi/σ_макс) в таблице обозначен как tg. Среднее значение tg для стационарных режимов нагружения составило 1,87, для нестационарных - 1,85, а общее среднее - 1,86. Отношение N_ф/N колеблется от 0,356 до 0,41, составляя в среднем 0,387, и имеет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов до разрушения. В силу этого, если после известной наработки АЭ при плавной нагрузке не обнаружена, то можно повторить суммарную наработку без промежуточного контроля. Если же при плавной разгрузке АЭ зафиксирована, то за N_ф целесообразно принять значение N_н суммарной наработки, после которой еще не было АЭ в процессе плавной разгрузки. В этом случае можно считать N_i=N_p(σ_прi/σ_макс)^tg, N_i/N_p=(σ_прi/σ_макс)^tg, N/N_ф≅2,6,The method was implemented, in particular, to assess the residual life of the working blades of a gas turbine after operating at 750 ° C for a guaranteed resource R _g = 40,000 hours and during subsequent operating hours (also 40,000 hours) between preventive examinations. Usually, after such inspections, all turbine blades, for example 90 pcs., Are changed and sent to remelting, because destruction of the blade during subsequent operation of the turbine is very dangerous. The blade material is KhN 65 MTU or EI 893 alloy (TU 108.02.005-76 Minenergomash); the cost of the blade is 8000 r. The developers of the blades experimentally determined that during the operation on the turbine the oscillations of the blade in the first tone with a frequency of 800 Hz lead to the appearance of maximum stresses σ _max ≈100 MPa. Laboratory testing of the samples was carried out under conditions of tension or bending. AEs were recorded using an AF-15 instrument, which has an intrinsic noise level of 7 μV. The resonant piezoceramic transducer (600 ... 1000 kHz) was pressed against the sample with a calibrated spring through a lubricant layer that improves acoustic contact. The number of cycles N _f , after which AE was recorded for the first time at the end of smooth unloading, was taken as an estimate of the period of crack formation in the sample. Then, after each N _f cycles, the threshold voltage σ _{pr was} determined using AE, without exceeding which no AE was observed during unloading. The value of σ _CR <σ _max gradually decreased with increasing number of cycles. For the full durability, the number of cycles N was taken from the beginning of the test of the sample to its fragmentation. The number of crack growth cycles was calculated as N _p = NN _f . Stretching with σ _max greater than the yield stress σ _m (or σ ₀₂ ) was carried out with a period of 18 s. When bending, the samples were tested with a frequency of 50 Hz by a force from zero in the middle of the span; to determine N _f, control unloading with σ _max for 10 seconds was carried out every 3000 ... 15000 cycles, increasing this interval in proportion to the operating time so that the error in determining N _f did not exceed 10%. The test results are shown in the table, where N, N _f and N _f / N are the average values according to the test results of 8 samples; stresses σ are given in MPa. The index "-1" for some values of σ _max in the table indicates that the results were obtained when bending beams in a symmetrical cycle with the characteristic of the cycle r = σ _min / σ _max = -1. The index “+” marks the values of σ _max for symmetric bending by the annular punch of a coaxial plate supported on a ring (plane stress state) by a sign-constant voltage cycle with r = 0.05. Under unsteady loading, packets with the maximum stress σ _max indicated in the table were alternated, cycles with σ _max 7% higher and cycles with σ _max 7% lower due to a corresponding change in the average voltage. For σ _max > σ _02, each packet consisted of 1 cycle; for σ _max <σ _02, each packet included about 300 cycles with a frequency of 50 Hz. For each sample, several values of σ _pr / σ _max and the corresponding values of N _i / N _{p were} calculated, where N _i is the residual life of the sample after the i-th stop to determine σ _pri . The experimental points obtained in this way for a certain loading mode are grouped in the coordinates lg (N _i / N _p ) and lg (σ _pr / σ _max ) near a straight line whose tangent to the axis of lg (σ _pr / σ _max ) in the table denoted by tg. The average value of tg for stationary loading conditions was 1.87, for non-stationary - 1.85, and the total average - 1.86. The ratio of N _f / N ranges from 0.356 to 0.41, averaging 0.387, and tends to decrease with an increase in the number of cycles to failure. Because of this, if after a known operating time AE with a smooth load is not detected, then you can repeat the total operating time without intermediate control. If, however, during smooth unloading, the AE is fixed, then for N _f it is advisable to take the value N _{n of the} total operating time, after which there was no AE in the process of smooth unloading. In this case, we can assume that N _i = N _p (σ _pri / σ _max ) ^tg , N _i / N _p = (σ _pri / σ _max ) ^tg , N / N _f ≅2.6,

илиor

Эти результаты использовали для оценки остаточного ресурса каждой из 90 лопаток, периодически снимая их с ротора и плавно разгружая в условиях консольного изгиба с σ_макс=100 МПа. После наработки первого гарантированного ресурса R_г=4000 ч при 750°С ни у одной лопатки не было зарегистрирована АЭ в процессе плавной разгрузки. После наработки второго гарантированного ресурса у трех лопаток в процессе разгрузки была зарегистрирована АЭ; получены σ_пр: 90, 72, 30 МПа; σ_пр/σ_макс: 0.90, 0.72, 0.30;

, т.е. 1.3 R_г, 0.85 R_г, 0.17 R_г. Лопатки с N_i≥1,3 R_г в дальнейшую эксплуатацию не пускались. Лопатка с N_i≥1,3 R_г наработала еще один R_г при 750°С, но к очередному профилактическому осмотру имела магистральную трещину, видимую глазом, у корня пера лопатки. Из 90 лопаток 6 прошли 10 R_г и были сняты из-за сильного изменения размеров, но не по соображениям прочности. Средняя наработка лопаток без их отказов составила 5,8 R_г.These results were used to estimate the residual life of each of the 90 blades, periodically removing them from the rotor and smoothly unloading under cantilever bending with σ _max = 100 MPa. After operating the first guaranteed resource, R _g = 4000 h at 750 ° С, no AE was detected in any blade during the process of smooth unloading. After operating the second guaranteed resource, three blades during the unloading process recorded AE; obtained σ _ol : 90, 72, 30 MPa; σ _pr / σ _max : 0.90, 0.72, 0.30;

, i.e. 1.3 R _g , 0.85 R _g , 0.17 R _g . Blades with N _i ≥1.3 R _g were not allowed for further operation. A blade with N _i ≥1.3 R _g produced another R _g at 750 ° C, but by the next preventive examination it had a main crack visible by the eye at the root of the scapula. Of the 90 blades 6, 10 R _g passed and were removed due to a strong change in size, but not for reasons of strength. The average operating time of the blades without their failures was 5.8 R _g .

Результаты циклических испытаний образцов при комнатной температуре сплава ХН65ВМТЮ (σ_0,2=600 МПа, σ_в=910 МПа)Cyclic Test results of the samples at room temperature alloy HN65VMTYU (σ _0,2 = 600 MPa, σ _in = 910 MPa) σ_макс, МПаσ _max , MPa Режим стационарныйStationary mode нестационарныйunsteady N_ф N _f NN N_ф/NN _f / N tgtg N_ф/NN _f / N tgtg 250_-1 250 _-1 1746817468 48521004852100 0,3600.360 1,801.80 0,3790.379 1,861.86 250₊ 250 ₊ 1808018080 50805005080500 0,3560.356 1,811.81 0,3610.361 1,801.80 250250 2574025740 61286006128600 0,4200.420 1,901.90 0,3830.383 1,891.89 400_-1 400 _-1 55195519 13797001379700 0,4000.400 1,941.94 0,3940.394 1,871.87 500₊ 500 ₊ 1105611056 283480283480 0,3900.390 1,821.82 0,3920.392 1,851.85 700700 23922392 59655965 0,4010.401 1,971.97 0,4160.416 1,851.85 800800 8888 213213 0,4130.413 1,841.84 0,4080.408 1,851.85

Таким образом, предложенный способ позволяет полнее использовать ресурс элементов конструкции без риска ее отказа.Thus, the proposed method allows a more complete use of the resource of structural elements without the risk of its failure.

Claims (1)

Способ определения остаточного ресурса изделия, заключающийся в том, что для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения действующего напряжения к предельному и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения, отличающийся тем, что образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют акустическую эмиссию перед окончанием разгрузки, при наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии акустической эмиссии остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. The method for determining the residual resource of the product, which consists in the fact that the ultimate stresses are evaluated for the product and samples from its material by non-destructive method, the samples are destroyed under prolonged loading with different levels of stress state, the relationship between the time to failure and the ratio of the effective stress to the ultimate is determined and by these results judge about the time until the destruction of the product at a given mode of loading, characterized in that the samples and the product periodically smoothly unload, fix the time or h the number of accumulated cycles, the acoustic emission is recorded before the end of unloading, in the presence of such emission, the value of the maximum non-destructive load is determined for the product, and in the absence of acoustic emission, the residual life of the product is estimated from the total operating time of the product.