автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Диагностика прочности неразъемных элементов конструкций методом акустической эмиссии

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

УДК 621.01:620.179Л

Ковтун Ігор Іванович

ДІАГНОСТИКА МІЦНОСТІ НЕРОЗ’ЄМНИХ ЕЛЕМЕНТІВ КОНСТРУКЦІЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Хмельницький - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький)

Науковий керівник: доктор технічних наук,професор Ройзман Вілен Петрович,

Технологічний університет Поділля, завідувач кафедри прикладної механіки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лєксовський Альберт Мечиславович, Фізико-технічний інстшуг ім. Іоффе Російської Академії наук, м. Санкт-Петербург, завідувач лабораторії;

кандидат технічних наук, доцент Новіков Юрій Борисович, Академія Прикордонних військ України ім. Б. Хмельницького, м. Хмельницький, начальник кафедри інженерно-технічних засобів охорони кордонів.

Провідна установа:

НВО “Славутич”, Міністерство промислової політики, лабораторія віброакустичної діагностики, м. Київ.

Захист відбудеться «_2б_» гР^\С, 1998 р. о / Ч годині на засіданні спеціалізованої вченої. Ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 280016,

м.Хмельшщький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам’янецька, 110/1).

Автореферат розісланий « 2 У » £/г~^^с^уі998 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _ ___

кандидат технічних наук, доцент Г.С.Калда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Створення сучасних машин і конструкцій високої якості та надійності пов’язано з використанням високоміцних матеріалів з заданими фізико-механічними властивостями. Сьогодні широке застосування знаходять нові, в тому числі композиційні, матеріали та їх з’єднання, з яких виготовляють несучі елементи, відповідальні деталі та конструкції в машинобудуванні, авіабудуванні, суднобудуванні, будівництві та других галузях техніки. Однак, нерідко в процесі виробництва в відповідальних деталях з’являються різного роду дефекти (раковини, пори, тріщини, розшарування і т.д.), що призводить до зміни фізико-механічних властивостей, погіршенню якості та надійності виробів. Тому останнім часом в рішенні задач підвищення міцності виробів отримав розвиток підхід, заснований на вивченні фізичних процесів, які відбуваються в матеріалі (виробі) і є причиною появи поломок.

Більшість відомих методів неруйнівного контролю стану матеріалів, такі як ультразвукова дефектоскопія і рентгенівська радіографія забезпечують лише вибірковий контроль в окремих зонах матеріалу, виявляючи значні дефекти, і не дають інформацію про те, наскільки небезпечним може бути виявлений дефект, хоча той самий дефект може бути небезпечним або безпечним у залежності від його місця в полі напруг, що виникає при навантаженні матеріалу. На відміну від вищезгаданих методів, метод акустичної емісії (АЕ), заснований па випромінюванні матеріалом при його деформуванні пружних механічних хвиль, джерелом яких с дефекти, що розвиваються, володіє високою чутливістю, можливістю виявити і стежити за поводженням дефектів, що розвиваються, інтегральністю, що дозволяє контролювати стан матеріалу без сканування, простотою використання в процесі випробувань, виробництва й експлуатації, можливістю контролювати різноманітні матеріали, як однорідні, так і неоднорідні, у тому числі і композити. Незважаючи на існування множини робіт із дослідження явища АЕ (Грешніков В.А., Баранов В.М., Альошин Н.П., Буніна Н.А. та ін.), питання про його практичне застосування для неруйнівної діагностики міцності матеріалів все ще с актуальним і потребує подальшого розвитку.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота проводилась у зв'язку з держбюджетними темами:

35-88 "Розробка розрахунково-експериментальних методів атестації виробів РЕА, що тестуються" (м. Хмельницький, 1988); ЗБ-91 "Використання явища акустичної емісії для дослідження фізики міцності полімерних і композиційних матеріалів, що створюються, застосовуваних в машинах і апаратах легкої промисловості, побутовій техніці і радіотехніці" (м. Хмельницький, 1991); 7Б-94 "Статична та динамічна міцність в радіотехніці та машинобудуванні" (м. Хмельницький, 1994); 7Б-97 "Розробка акусто-емісійного комплексу і його застосування для неруйнівного контролю, діагностики та прогнозування міцності нових матеріалів та деталей нафтогазового обладнання" (м. Хмельницький, 1997).

Мета роботи - створення методик акусто-емісійного неруйнівного контролю, діагностування і прогнозування міцності нероз’ємних елементів конструкцій, застосовуваних у машинобуду ванні та інших галузях техніки.

Для досягнення даної мети необхідно було вирішити наступні задачі.

- Розробка комп'ютерного вимірювального акусто-емісійного комплексу, призначеного для проведення діагностики міцності нероз’ємних елементів конструкцій методом АЕ.

- Дослідження характеру поведінки АЕ при тестуванні зразків різнорідних матеріалів з метою встановлення зв'язку між параметрами АЕ і механічними характеристиками.

- Розробка методик і засобів неруйнівного діагностування міцності матеріалів і натурних виробів.

- Розробка методик і засобів попередження небезпечних станів конструкцій в умовах виробництва й експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Встановлено залежність загального рахування сигналів АЕ від лінійної координати джерел АЕ, що дає можливість неруйнівної діагностики місця майбутнього руйнування зразків матеріалів, що тестуються.

- Встановлено кореляційний зв’язок між активністю сигналів АЕ, напруженням в пружній стадії деформації та руйнівним напруженням, який дозволяє діагностувати та прогнозувати міцність виробів, що тестуються.

- Шляхом частотного розділення сигналів АЕ, які поступають від різнорідних матеріалів нероз’ємного з’єднання та льоду вдалося діагностувати міцність окремих частин нероз’ємного з’єднання при

з

термоциклюванні.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методики дозволяють, використовуючи метод акустичної емісії, проводити не-руйнівний контроль, діагностування і прогнозування міцності насосних штанг, виготовлених з склопластику, нероз’ємних конструкцій, які виконані за допомогою зварювання і знаходяться під тиском та нероз’ємних з’єднань різнорідних композиційних матеріалів, які працюють в умовах термоциклювання як в процесі виробництва, так і в умовах експлуатації, та оцінювати ефективність проведення обробки твердосплавного інструменту за технологією іонного азотування та металу за технологією водневого окрихчення.

Методики та устаткування для неруйнівної діагностики міцності корпусів мікрозборок НВЧ застосовані в НВО ім. Плешакова П.С., що підтверджується актом впровадження.

Розроблена діагностична апаратура може знайти широке застосування для неруйнівного діагностування міцності методом АЕ.

Особистий внесок здобувача.

- Розроблений і створений вимірювальний комплекс акустичної емісії і програмне опрацювання параметрів сигналів АЕ.

- Встановлено, що процеси, пов’язані з початком руйнування при випробуванні лабораторних зразків на розтяг проходять ще в зоні пружності.

- Розроблено засіб використання параметрів АЕ для неруйнівного діагностування та прогнозування міцності на прикладі зразків сталі СтЗ і методика неруйнівного діагностування і прогнозування міцності склопластикових заготовок, які використовуються для виготовлення насосних штанг.

- Запропонована ідея створення портативного акусто-емісійного приладу, призначеного для попередження про початок процесу розгерметизації або руйнації контрольованих деталей і вузлів систем літальних апаратів.

- Відпрацьована методика для проведення неруйнівного діагностування міцності і герметичності корпусів мікрозборок НВЧ.

- Запропоновано засіб неруйнівного діагностування міцності неро-з'ємних з'єднань різноманітних композиційних матеріалів, на прикладі керамічних конденсаторів, при термоциклюванні.

- В опублікованих разом з Гладким Я.Н., Бурлаковим А.А., Снози-ком О.В. особисто автором запропоновані та реалізовані методика постановки експерименту, акусто-емісійні вимірювання та обробка отриманих матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи і її окремі результати доповідались і обговорювались на таких науково-технічних конференціях та семінарах: на науково-технічній конференції «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах» (м. Хмельницький, 1997); 5-й науково-технічній конференції «Localized damage 98» (Bologna, Italy, 1998); засіданні кафедри прикладної механіки Технологічного Університету Поділля (м. Хмельницький, 1997).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 5 статтях наукових журналів і 1 тезах конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку літератури.

Робота виконана на 147 сторінках машинописного тексту, містить 53 рисунки, 13 таблиць, 2 додатки та список використаних джерел з 119 найменувань. Загальний об'єм дисертації 178 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовані актуальність теми досліджень, сформульована мета роботи і її практична цінність, вказана новизна отриманих результатів.

У розділі 1 приведено огляд існуючих методів оцінювання міцності матеріалів, деталей і конструкцій, показані переваги і перспективи використання методу акустичної емісії для неруйнівного контролю, діагностики і прогнозування міцності.

Розділ 2 присвячений розробці і створенню комп’ютерного (програмно-апаратного) вимірювального комплексу АЕ.

Програмно-апаратний комплекс АЕ створено на базі серійно випущеного акусто-емісійного приладу АФ-15 і персонального комп'ютера ІВМ486. При розробці комплексу було проведено модернізацію трьох субблоків акусто-емісіойного приладу, створено модуль комп'ютерного паралельного інтерфейсу і розроблено пакет прикладних програм, що дозволило комп'ютеризувати процес збору й опрацювання параметрів сигналів АЕ, тим самим підвищивши кількість опрацьо-

вуваних сигналів у 40 разів.

Основною задачею комплексу є документальна реєстрація й опрацювання параметрів сигналів акустичної емісії, що виникають при випробуванні деталей статичними і динамічними навантаженнями. Комплекс застосовується для експериментальної та прикладної діагностики і прогнозування міцності матеріалів, деталей і вузлів машин і апаратів різноманітних галузей народного господарства.

Розділ 3 присвячується акусто-емісійному дослідженню різнорідних матеріалів під впливом різноманітних механічних навантажень, таких як розтяг, зсув і згин, із метою з'ясування можливості застосування методу АЕ для неруйнівного контролю, діагностування і прогнозування міцності.

Прості випробування стандартним навантаженням на розтяг зразків однорідного матеріалу - сталі СтЗ дали ряд практично цінних характерних особливостей.

Тривимірні графіки розподілу сигналів АЕ в залежності від напруження і лінійної координати по довжині зразка (рис. 1) показали, що перші сигнали з'являються ще в зоні пружності. Лінійна локація джерел цих сигналів дозволила побачити, що в місці майбутнього руйнування є емісія, тобто йде розвиток дефекту. Більш того, місце майбутнього руйнування чітко позначає себе ще до границі пружності і не віддає своєї першості аж до руйнації, що демонструє графік залежності загального рахування сигналів АЕ від лінійної координати (рис. 2). Це дало можливість неруйнівної діагностики місця майбутнього руйнування зразків матеріалів, що тестуються.

Встановлено, що максимум активності АЕ належить площадці текучості. Даний факт був використаний для визначення границі текучості зразків латуні Л68, діаграма розтягу яких не містить явної площадки текучості.

В зоні напружень, які не перевищують границю пропорційності, встановлена лінійна кореляційна залежність між коефіцієнтом прогнозування міцності К, який визначається за формулою

к = (О

&прг

де ав - границя міцності зразка, а„рг - напруження прогнозування, яке знаходиться в межах 0<сг„рг<а„ц, де сгпц - границя пропорційності мате-ріаоу, та активністю сигналів АЕ N:

К — 7,3- 0,42И ■ (2)

Користуючись залежністю (2) при безпечному тестуванні сталевого зразка до напруження, яке не перевищує границю пропорційності по зареєстрованому значенню активності сигналів АЕ А^, та відповідного йому напруженню сгпрг можна визначити К і розрахувати (спрогнозувати) границю міцності цього зразка. Прогностична границя міцності, у відповідності з (1), знаходиться за формулою

НАПРУЖЕННЯ (\<ГПі)

К-<Тг.

'прг •

АМПЛІТУДА <*»В) 6000

(3)

Отримані за матеріалами випробувань партії зразків сталі СтЗ значення К мають розкид, який є наслідком нестабільності фізико-механічних властивостей випробуваних зразків. Тому для розрахунків по формулі (3) приймається найменше значення Кті„, яке знаходиться в довірчому інтервалі Д=0,32, знайденому з ймовірністю Р==0,95, і тоді можлива помилка в прогнозуванні міцності іде в запас міцності. Подібний вибір К є одним з можливих; в залежності від того, наскільки відповідальним є об’єкт, що тестується, можна приймати і більш низькі значення К (із отриманої вибірки), збільшуючи тим самим запас міцності, але при цьому, звісно, знижуючи точність прогнозування.

Для практичних цілей використання параметру АЕ для неруйні-вної діагностики міцності може бути спрощено, при цьому за мате-

Рис. 1 Акустична емісія в зоні пружності

г......../V. _

50 ♦5 с

50

20-*

Ю-;

к

£ , X зо І

З »] ^ «1 г" О. о а>

5 30 •!

5 20 -

...._______,

50 100

♦10 Є

10-і

к

"і.

зо-; и

Р Й І

юі . ЛІНІЙНА КООРДИНАТА

Рис. 2 Лінійна локація дефектів, що розвиваються

ю

ріалами випробувань групи зразків або деталей призначається контрольний, тобто максимальний рівень активності АЕ, який стабільно проявляється в безпечній для міцності зоні напружень і розраховується коефіцієнт прогнозування міцності за формулою (1), де <тпрг - напруження при якому активність досягла контрольного рівня. При неруй-нівнім діагностуванні, яке проводиться безпечним тестуванням з одночасною реєстрацією діаграми напружень і активності АЕ у разі, коли активність АЕ досягла контрольного рівня прогностична границя міцності визначається за формулою (3), у протилежному випадку вона визнається не меншою допустимої.

Розроблений на прикладі зразків сталі СтЗ засіб неруйнівного діагностування і прогнозування міцності знайшов застосування при дослідженні натурних виробів.

Дослідження неоднорідних матеріалів, які пройшли опрацювання за технологіями поверхневого насичення, дали можливість запропонувати методики неруйнівного контролю зміни міцності після обробки методом АЕ. До таких технологій відносяться: розроблена під керівництвом доц. Гладкого Я.Н. технологія водневого окрихчення, що являє собою насичення воднем, яке послабляє характеристики міцності поверхневого прошарку металу з метою підвищення продуктивності механічної обробки в зоні різання і розроблена під керівництвом проф. Каплуна В.Г. в лабораторії іонно-плазменних методів зміцнення технологія іонного азотування, що складається в дифузійному насиченні поверхні деталі атомами азоту і застосовується для зміцнення твердосплавного інструменту. Об'єктами досліджень служили зразки сталі СтЗ і твердосплавні ріжучі пластини. Механічні випробування на розтяг і зсув показали, що обробка воднем зменшує границю міцності

і текучості сталевих зразків на 30%, а обробка азотуванням підвищує границю міцності твердосплавних пластин на 15%.

Проте, застосування методу АЕ дозволило побачити, що АЕ реагує на технології ще більш виражено. Загальна кількість сигналів АЕ, що випромінюється при навантаженні наводненої сталі на 90% менше кількості сигналів АЕ сталі в стадії промислового постачання, а технологія іонного азотування призводить до зменшення середньої амплітуди сигналів АЕ на 40-45%, при цьому сумарна кількість сигналів зростає на 100%. Таким чином, акустична емісія дозволяє чітко зафіксувати вплив різноманітних по призначенню технологій поверхневого насичення, і дає можливість здійснювати неруйнівний контроль зміни

міцності деталей після обробки, порівнюючи параметри АЕ, одержувані при безпечному випробуванні деталей до і після обробки.

Дослідження склопластикових заготовок, які використовуються для виготовлення насосних штанг, виконувались по замовленню Нафтогазової промисловості. В результаті проведених досліджень при статичному навантаженні заготовок на згин була розроблена методика неруйнівного діагностування і прогнозування міцності заготовок, у якій параметрами, які характеризують міцність, є амплітуда і активність сигналів АЕ; у випадку перевищення параметрами сигналів АЕ контрольного рівня при тестуванні до безпечного навантаження Ртест (4) заготовка признається дефектною й відбраковується, у противному випадку її міцність вважається не нижче допустимої.

Ртест ~Ртах/К ■> (4)

де Ртах - допустиме значення максимального навантаження заготовок, К - коефіцієнт прогнозування максимального навантаження, розрахований по матеріалам випробувань заготовок аналогічно формулі (1); враховуючи відповідальність насосних штанг (експлуатація в добувній шахті), які виготовляються з заготовок, що тестуютться, з отриманого інтервалу значень К=(2,06-3) було прийнято найменше значення К= К = 2

■і'-тіп •

У розділі 4 описується дослідження міцності та герметизації корпусів мікрозборок НВЧ за допомогою методу АЕ. Об'єктами дослідження служили корпуса мікрозборок НВЧ, які виготовлені з алюмінієвого сплаву АМг-2, та являють собою нероз’ємну конструкцію створену за допомогою лазерної зварки. Корпуса відрізняються один від одного розмірами і конструкцією вузла кріплення кришок корпусів до основи (рис. 3). В процесі експлуатації, тобто при підйомі на висоту, в корпусах виникає надлишковий внутрішній тиск, який може призвести до руйнації зварного шва і розгерметизації корпуса. Методом АЕ вдалося підвищити надійність корпусів, давши можливість контролю, діагностики і прогнозування міцності та герметичності корпусів у процесі виробництва та експлуатації.

Дослідження проводилися за допомогою акусто-емісійної і тензометричної апаратури при статичному навантаженні внутрішнім надлишковим тиском.

Застосовуючи засіб, розроблений для сталевих зразків, вдалося встановити контрольний рівень параметрів сигналів АЕ і розрахувати коефіцієнт прогнозування тиску розгерметизації корпусів. Враховую-

чи особливу відповідальність корпусів, що тестуються, (експлуатація на борту літака) з отриманого аналогічно (1) інтервалу значень коефіцієнтів (2-2,5), який є наслідком нестабільності фізико-механічних характеристик корпусів і їх зварних швів, було вибрано мінімальне значення Ктт=2, тоді можлива помилка в прогнозуванні міцності корпусів іде в запас міцності. Згідно з розробленою методикою неруйнівно-го діагностування і прогнозування міцності та герметичності корпусів тиск тестування корпусів знаходиться як відношення граничного тиску по технічним умовам (ТУ) до коефіцієнта прогнозування; тестування виробу проводиться подачею в середину стиснутого повітря, з одночасною реєстрацією параметрів сигналів АЕ. Корпуса мікрозборок НВЧ признаються придатними для експлуатації в даному по ТУ діапазоні тиску, якщо активність сигналів АЕ, зареєстрованих під час тестування, не перевищила контрольного рівня (15імп/с), у протилежному випадку корпуса відбраковуються.

12 12 1

Рис. З Схеми гермовузлів мікрозборок СВЧ. 1 - кришка,

2 - зварний шов, 3 - основа

Більш цього, корпуси досліджувалися в експлуатаційних умовах, тобто при перепадах внутрішнього тиску за пульсуючим циклом, якому в результаті зльотів і посадок піддаються корпуси, встановлені на борту літаків. Для партії з 20-ти корпусів 100 циклів випробувань показали наступне: для герметичних корпусів має місце ефект Кайзера (рис. 4), у відповідності з яким при повторному навантаженні до попереднього рівня акустична емісія не відновлюється. Проте для 2-х корпусів, що розгерметизувались під час випробувань, АЕ почала випромінюватись за 6-10 циклів до розгерметизації і вже не зменшувалася, а прогресувала аж до розгерметизації.

1-Й ЦИКЛ 2-Й ЦІЖЛ

ЕФЕКТ КАЙЗЕРА

ЧАС (хвіш.) ЧАС (хвил.)

Рис. 4 Ефект Кайзера при випробуванні корпуса мікрозборки за пульсуючим циклом

На основі отриманих результатів був запропонований засіб не-руйнівного контролю міцності та попередження небезпечних станів корпусів, встановлених на борту літаків, в якому датчик АЕ служить датчиком безпеки на борту літака і за 6-10 циклів, тобто зльотів і посадок, до катастрофічної руйнації корпуса “попереджас” про початок процесу руйнування. Також був спроектований і створений портативний акусто-емісійний прилад, індикаторний устрій якого сигналізує про наявність АЕ, яка перевищує заздалегідь встановлений амплітудний рівень. Прилад містить один вимірювальний канал і робить прийом сигналів АЕ у діапазоні 20-2000кГц.

Методика акусто-емісійного неруйнівного діагностування міцності та герметичності, застосована в НВО ім. Плешакова П.С. при виробництві корпусів дала можливість стабілізувати процес зварювання і виявити найбільш тривкий типорозмір корпуса.

Розділ 5 присвячений створенню методики неруйнівного діагностування міцності та попередження небезпечних станів нероз'ємних з'єднань композиційних матеріалів на прикладі конструкції компаундованих керамічних конденсаторів К15-5 при термоциклюванні.

З попередніх робіт Цасюка В.В., Хавкіна М.І. та інших встановлено, що руйнування кераміки в конструкції К 15-5 при термоциклюванні виникає від її розтягу у напрямку подовжніх осей дисків і по площадкам, нахилених до торців дисків під кутом 45°, із-за стиску в радіальних напрямках від дії компаунду. Також було виявлено, що значення напружень та деформацій в кераміці та компаунді значно залежать від розкиду їх фізико-механічних характеристик. Більш того, якщо ца отримані за допомогою розрахунків поля напружень накласти

реальну структуру матеріалів, то можна визначити, користуючись коефіцієнтом інтенсивності напружень, що в місцях найбільших напружень починають розвиток навіть дефекти розміром до 4мкм. Тому для визначення і забезпечення міцності нероз’ємних з’єднань було вирішено створити засіб неруйнівного діагностування міцності на основі методу АЕ, який, відображаючи фізико-механічні властивості матеріалів, дає змогу слідкувати за станом їх мікроструктури і фіксувати його порушення на ранніх ступенях розвитку.

Відомі роботи доц. к.т.н. Цасюка В.В. по дослідженню складових керамічних конденсаторів під впливом механічних навантажень, таких як розтяг і згин. В результаті цих робіт були отримані методики неруйнівного контролю і діагностування міцності матеріалів складових керамічних конденсаторів.

На відміну від цих робіт у даній роботі проводилися дослідження не складових окремо й у лабораторних умовах, а готових виробів в експлуатаційних умовах, тобто при термоциклюванні від +60°С до -50°С.

До створення неруйнівного контролю міцності компаундованих конденсаторів методом АЕ необхідно було вирішити наступні питання.

1. В яких температурних межах працездатний датчик АЕ, з огляду на те, що він містить у своїй конструкції деталі з різнорідних матеріалів: металу, пластмаси, кераміки, компаунда, із коефіцієнтами лінійного розширення, що відрізняються?

2. Як позбутися сигналів АЕ, що випромінюються утвореним на конденсаторі і датчику льодом при переході від додатних температур до від’ємних і навпаки?

3. Як відрізнити сигнали АЕ, що випромінюються керамічною основою і компаундною оболонкою при нормальних і від’ємних температурах?

Випробування датчиків, проведені в термокамері Файтрон 3526/51 показали, що датчик ПІ 13 працездатний в інтервалі температур +60 - -50°С, тобто всі сигнали, що випромінював імітатор АЕ, під’єднаний до датчика, були прийняті і зареєстровані програмно-апаратним комплексом АЕ. Проте, крім переданих йому сигналів, датчик випромінював свої власні, пов'язані з різницею коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів складових частин датчика - металу, пластмаси, кераміки і компаунда. Тому було вирішено не піддавати датчик

дії несприятливих температур і здійснювати передачу сигналів через хвилеводи. При цьому один кінець хвилевода кріпився до досліджуваного виробу і знаходився в термокамері, а на інший кінець, що знаходився поза камерою при кімнатній температурі, встановлювався датчик АЕ.

Випробування показали, що при переході від додатних температур до від’ємних усе ж з'являлася АЕ за рахунок зледеніння хвилевода і контактних прошарків. Для усунення перешкод, пов'язаних з утворенням і розтріскуванням льоду було вирішено поставити експеримент у вакуумі. Була сконструйована невелика вакуумна установка, усередині якої розміщувався випробуваний об'єкт із закріпленим на ньому датчиком АЕ і температури. Ця установка помішувалася в термокамеру. Вакуумний насос підтримував рівень розрідження в камері, при якому був відсутній лід. У таких умовах при термоциклювакні від +60 до -50°С не з'являлося зледеніння і датчик нормально працював у всьому діапазоні температур.

Недоліком такого методу був великий час, необхідний для термо-циклювання, перехід від -50 до +60°С займав 180-190хв.

Для визначення робочої смуги частот сигналів АЕ, які випромінюються при руйнуванні зразків кераміки К-15 і компаунда ЕК-242 було проведено ряд випробувань. ЗО зразків кераміки і компаунда навантажувались консольно в спеціальному пристрої при різноманітних смугах пропускання частот. Отримані матеріали виміру АЕ показали, що для керамічної складової краще використовувати смуіу робочих частот 650-1000кГц, а для компаундної складової - ІЗО-ЗООкГц. Аналогічно проводилися випробування тих же матеріалів (30 зразків) при від’ємних температурах. Найбільш оптимальна смуга частот, визначена для кераміки і компаунда, не відрізнялася від визначеної в попередньому експерименті.

Після проведення даних робіт приступили до запису корисних сигналів АЕ при термоциклюванні конденсаторів К15-5. Перші 10 конденсаторів піддалися термоциклюванню у вакуумній камері при температурах +60 - -50°С з застосуванням хвилевода і датчика ПІ 13, смуга пропускання якого знаходиться в границях 0,2-2,ОМГц. Експеримент показав, що для всіх конденсаторів в області додатних температур сигнали АЕ відсутні і з'являються лише при температурі -14°С і нижче. Це дало підставу подальші випробування проводити в діапазо-

ні температур від кімнатної до -50°С без застосування вакуумної камери і хвилеводів, а виникаючі сигнали АЕ від зледеніння датчика і конденсатора при температурі біля +5°С просто не враховувати і не реєструвати.

Подальші випробування ЗО конденсаторів у термокамері проводилися за новими умовами, при цьому сполучений кабелем датчик АЕ через попередній підсилювач САА-06 підключався до двох приладів АФ-15, один з яких був у складі програмно-апаратного комплексу АЕ і настроєний на прийом сигналів АЕ лише від компаундної складової, а другий, підключений до цифродрукувального пристрою і настроєний на прийом сигналів від керамічної частини.

При випробуваннях в 100 циклах були встановлені характерні особливості в проявленні АЕ, які дозволили запропонувати засіб діагностування міцності та попередження небезпечних станів не-роз’ємного з’єднання кераміки і компаунда на прикладі конструкції конденсаторів К 15-5 при термоциклюванні від +60°С до -50°С, згідно

з яким:

1) прояв ефекту Кайзера після перших двох термоциклів свідчить про нормальний, тривкий стан конструкції;

2) якщо на п-му циклі термоциклювання знову з'являються сигнали АЕ, сумірні із сигналами, отриманими при першому циклі, то це є попередженням про початок процесу катастрофічної руйнації і така конструкція буде зруйнована через 5-10 циклів;

3) якщо при підвищенні температури від -50°С до -10°С з'являються сплески сигналів АЕ, то це свідчить про наявність і розвиток тріщини в конструкції.

У двох останніх випадках конструкція вважається дефектною.

ВИСНОВКИ

- Для проведення діагностики міцності нероз’ємних елементів конструкцій методом АЕ був розроблений і створений програмно-апаратний комплекс АЕ, призначений для документальної реєстрації й опрацювання параметрів сигналів акустичної емісії.

- В ході стандартних лабораторних випробувань зразків матеріалів та натурних виробів на прості види навантаження - розтяг, згин, зсув встановлено зв’язок між параметрами сигналів АЕ, напруженням в пружній стадії деформації та руйнівним напруженням; на основі

цього зв’язку розроблені: засіб неруйнівного контролю, діагностування та прогнозування міцності на прикладі зразків сталі СтЗ, засіб неруйнівного контролю зміни міцності металу після обробки за технологією водневого окрихчення, методика неруйнівного контролю зміни міцності твердосплавних ріжучих пластин після обробки за технологією іонного азотування та методика неруйнівного діагностування та прогнозування міцності склопластикових заготовок, які використовуються для виготовлення насосних штанг.

- Розроблено методику неруйнівного діагностування та прогнозування міцності та герметичності корпусів мікрозборок НВЧ при безпечному тестуванні внутрішнім надлишковим тиском у статичному режимі навантаження. Корпуса мікрозборок НВЧ признаються придатними для експлуатації в даному, за технічними умовами, діапазоні тиску, якщо активність сигналів АЕ, зареєстрованих під час тестування, не перевищила контрольного рівня (15імп/с), у протилежному випадку корпуса відбраковуються.

- Запропоновано засіб неруйнівного контролю міцності та попередження небезпечних станів корпусів мікрозборок НВЧ, встановлених на борту літаків, коли в результаті зльотів і посадок корпуса відчувають перепади тиску і виникає небезпека руйнації зварного шва і розгерметизації корпуса. Прояв ефекту Кайзера, тобто відсутність сигналів АЕ після першого циклу, свідчить про тривкий стан корпусу. Якщо на деякому циклі знов виникають сигнали АЕ, то це є попередженням про початок процесу катастрофічного руйнування і такий корпус розгерметизується за 6-10 зльотів і посадок.

- Запропоновано засіб неруйнівного діагностування міцності і попередження небезпечних станів нероз'ємних з'єднань різноманітних композиційних матеріалів на прикладі конструкції компаундованих керамічних конденсаторів К 15-5, що працюють в умовах термоци-клювання від +60°С до -50°С. Показником міцного стану конструкції є прояв ефекту Кайзера після перших двох термоциклів. Поява АЕ на п-му термоциклі є попередженням катастрофічної руйнації конструкції через 5-10 циклів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ройзман В.П, Ковтун И.И. Программно аппаратный комплекс

акустической эмиссии // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 1997. - №1. - С. 25-29.

2. Гладкий Я.М., Бурлаков А.Л., Ковтун І.І. Дослідження фізико-механічних властивостей конструкційної сталі СтЗ під впливом водню з використанням методу акустичної емісії // Вісник Технологічного університету Поділля - технічні науки. Хмельницкий. - 1997. -сер. 1. -№1. -С. 22-26.

3. Снозик О.В.', Ковтун І.І. Дослідження міцності азотованих твердосплавних інструментів і акустичної емісії, що виникає при їх навантаженні // Вісник Технологічного університету Поділля - соціально-гуманітарні і природничі науки. Хмельницкий. - 1997. - сер. 3. -№1. - С. 49 -52.

4. Ройзман В.П., Ковтун И.И. Диагностика прочности и герметичности корпусов микросборок СВЧ II Problems of Tribology (Проблеми трибології"). -1998. - № 2. - С. 100-109.

5. Ройзман В.П., Ковтун И.И. Диагностика прочности неразъемных соединений различных композиционных материалов при термо-циклировании // Problems of Tribology (Проблеми трибології). -1998,-№2.-С. 110-118.

6. Ковтун І.І. Програмно-апаратний комплекс акустичної емісії. // Збірник матеріалів конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - Хмельницький. - 1997. - С. 33.

АНОТАЦІЯ

Ковтун І.І. Діагностика міцності нероз’ємних елементів конструкцій методом акустичної емісії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство, Технологічний Університет Поділля, 1998.

Дисертаційна робота містить експериментальні дослідження аку-сто-емісійних властивостей різнорідних матеріалів, деталей і нероз’ємних елементів конструкцій, що застосовуються в машинобудуванні й інших галузях техніки, у результаті яких розроблені засоби та методики неруйнівного діагностування: міцності склопластикових заготовок, які використовуються для виготовлення насосних штанг; міцності та герметичності корпусів мікрозборок НВЧ в процесі виробництва і в процесі експлуатації, коли корпуса, встановлені на борту

літака піддаються перепадам внутрішнього тиску за пульсуючим циклом; міцності нероз'ємних з'єднань різноманітних композиційних матеріалів на прикладі конструкції компаундованих керамічних конденсаторів К15-5, які працюють в умовах термоциклювання; зміни міцності металу після обробки за технологією водневого окрихчення та твердосплавних ріжучих пластин після обробки за технологією іонного азотування.

Крім того, дисертація містить розробки програмно-апаратного комплексу акустичної емісії, застосовуваного для експериментальної і прикладної діагностики міцності та портативного акусто-емісійного приладу, призначеного для попередження про початок процесу розгерметизації або руйнування контрольованих деталей та вузлів систем літальних апаратів.

Ключові слова: засіб, методика, неруйнівне діагностування, міцність, нероз’ємні елементи конструкцій.

Ковтун И.И. Диагностика прочности неразъемных элементов конструкций методом акустической эмиссии. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение, Технологический Университет Подолья, 1998.

Диссертационная работа содержит экспериментальные исследования акусто-эмиссионных свойств разнородных материалов, деталей и неразъемных элементов конструкций, которые применяются в машиностроении и других отраслях техники, в результате которых разработаны способы и методики неразрушающего диагностирования: прочности стеклопластиковых заготовок, используемых для производства насосных штанг; прочности и герметичности корпусов микросборок СВЧ в процессе производства и в процессе эксплуатации, когда корпуса, установленные на борту самолета подвергаются перепадам внутреннего давления по пульсирующему циклу; прочности неразъемных соединений различных композиционных материалов на примере конструкции компаундированных керамических конденсаторов К15-5, работающих в условиях термоциклирования; изменения прочности металла после обработки по технологии водородного охрупчивания и твердосплавных режущих пластин после обработки по технологии ионного азотирования.

Кроме того, диссертация содержит разработки программноаппаратного комплекса акустической эмиссии, применяемого для экспериментальной и прикладной диагностики прочности и портативного акусто-эмкссионного прибора, предназначенного для предупреждения о начале процесса разгерметизации или разрушения контролируемых деталей и узлов систем летательных аппаратов.

Ключевые слова: способ, методика, неразрушающее диагностирование, прочность, неразъемные элементы конструкций.

Kovtun I.I. Diagnostic of strength of non-detachable elements of constructions. - Manuscript.

The dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.02 - Machine engineering science, Technological University of Podillia, 1998.

The dissertation work contains experimental researches of acoustic emission properties of various materials, details and non-detachable elements of constructions, applied in machine-building and other branches of engineering, as result of which there're developed methods of nondestructive diagnosing of: strength of the glassplastic billets, applied for production of pump rods; strength and air-tightness of micro-assemles bodies in industry process and exploring conditions, when microassemles, set as onboard flying are under inner pressure drops in pulsating cycle; strength of non-detachable joining of different composite materials on example of compounded ceramic capacitors construction К 15-5, explored in termocycling conditions; strength changes of steel passed hydrogen embrittlement technology processing and hard alloy plates passed ion nitriding technology processing.

Besides, dissertation contains development of hard-software acoustic emission complex, applied for experimental and applied diagnostic of strength and portable acoustic emission device intended for warning beginning of depressurization process or destruction of controlled details and joints of onboard flying systems.

Key words: method, non-destructive diagnosing, strength, non-detachable elements of constructions.

Підписано до друку 5.07.1998 1,0 друк. арк. 1,25 ум. друк. арк. Наклад 100 прим. Залі. №

ПоліЕкспрес 280000, м. Хмельницький, вул. Свободи, 2/1