Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 5 )

где: Первые три напряжения – это результат исходного структурного состояния полуфабриката, технологии изготовления конструкции с учетом сварочных напряжений, а также сборки готового изделия. Последние два слагаемых рабочие напряжения, которые возникают после монтажа грузоподъемной машины, на которые накладываются физические циклы в процессе эксплуатации ГПМ. В большинстве разработок по контролю НДС и ОР рассматриваются только рабочие циклы и соответствующие им , что не соответствует реальному двухчастотному циклу нагружения конструкции [249].

Из теории магнетизма известно, что при нагружении изменение внутренних (остаточных) напряжений и связанная с ними деформация металла вызывают смещение доменных границ и пропорциональное изменение коэрцитивной силы  [250]:

, при , (5.15)

где:  – внутренние напряжения в контролируемой области металла, равные ;  – магнитострикция – деформационный параметр магнитной структуры; МS и μS – постоянные значения магнитной проницаемости; δ – толщина доменной границы; L – длина волны напряжений в металле.

Используя магнитную теорию напряжений, можно осуществлять сначала анализ исходного состояния металла по величине , а затем его изменение при нагружении в процессе эксплуатации металлоконструкции. И получать информацию о поведении доменной структуры, накоплении рассеянных повреждений, микропластической деформации, росте внутренних (остаточных) напряжений в металле на протяжении всей его «жизни» вплоть до разрушения.

В результате механических и магнитных испытаний получены характерные диаграммы нагружения при ступенчатом испытании плоских образцов на разрыв с контролем значений Нс и а под нагрузкой и после снятия напряжений. На диаграммах для всех марок сталей (ВСт3сп, Ст20, 09Г2С) четко выявляются стадии перехода металла в упруго-пластическое состояние, а затем в стадию разупрочнения, предшествующую окончательному разрушению, см. рис. 5.11. Характерно, что при контроле под нагрузкой рост коэрцитивной силы наблюдается сразу после приложения силы и монотонно продолжается до разрушения. При контроле со снятием нагрузки остается постоянной вплоть до предела текучести. После перехода в упруго-пластическое состояние растет до разрушения.

Рис. 5.11. Магнитный контроль плоских образцов из Ст3, Ст20, 09Г2С при испытании на растяжение с регистрацией значений коэрцитиметра непосредственно под нагрузкой и после разгрузки на каждой ступени нагружения

Корреляция между магнитным параметром и уровнем внешних напряжений, а также анализ влияния остаточных напряжений на коэрцитивную силу металла стали основой номограмм для контроля НДС. При построении обобщенных номограмм – а были систематизированы и поставлены в соответствие магнитные свойства и традиционные механические характеристики.

По аналогии с механической диаграммой нагружения магнитные состояния металла получили соответствующие определения, удобные для сопоставления структурных состояний сталей по отношению к стадии исчерпания запаса пластичности:

 – исходное состояние металла с минимальными остаточными напряжениями.

 – состояние, соответствующее переходу в упруго-пластическое состояние металла при достижении им физического предела текучести .

 – магнитное состояние металла, соответствующее переходу металла в стадию разупрочнения (исчерпания запаса пластичности) и потери несущей способности при достижении физического предела прочности .

 или  – магнитное состояние металла, соответствующее исчерпанию запаса прочности и пластичности при циклическом нагружении стали. В режиме малоцикловой усталости (МЦУ) этот параметр приближается к значению , определенному при статическом нагружении. По-видимому, для магнитной структуры металла безразлично, как будет израсходован энергетический потенциал определенного типа стали. Исчерпание запаса магнитной энергии при перестройке доменной структуры в любом случае приводит к насыщению, соответствующему высвобождению энергии при механическом разрушении материала.

Энергетическая теория в данном случае позволяет упростить схему контроля НДС и сопротивления усталости конструкционных сталей. Достаточно установить диапазоны изменения коэрцитивной силы от исходного до критического , а затем до предельного состояния , когда запас пластичности и возможности дальнейшей перестройки магнитной структуры исчерпаны. Практически это выражается в том, что текущее значение меняется на протяжении всего срока службы элемента конструкции от до для каждой марки стали, независимо от условий и способа нагружения.

Рис. 5.12. Номограмма для магнитного контроля напряжений при одноосном растяжении плоских образцов из конструкционных сталей: Ст10; Ст2пс; Ст3сп (ВСт3сп5); Ст65; 10ХСНД

Статистически обработанные результаты механических испытаний на растяжение стандартных образцов в виде номограмм а для листов толщиной от 6 мм до 12 мм из традиционных конструкционных сталей представлены на рис. 5.12.

Результаты механических и магнитных испытаний на стенде «Гидропульс-40» фирмы «Шенк», оснащенного датчиками деформации и нагрузки, с записью истинных диаграмм нагружения и одновременной регистрацией значений коэрцитивной силы приборами КРМ-ЦК и КРМ-ЦК-2 позволили установить критерии перехода в упруго-пластическое состояние и в стадию разрушения , см. табл. 5.2 .

Возможность моделировать диаграмму нагружения по изменению подтвердили и авторы работ [235, 252, 254].

Таблица 5.2

Магнитные и механические свойства листов толщиной 5…20 мм из конструкционных сталей

Марка стали	Механические свойства	Магнитные свойства, (А/см)
Ст3	350	210	22	1,7	5,0	6,0	5,8
МСт3	310	220	26	2,0	5,0	6,0	6,0
ВСт3кп	400	235	24	2,4	5,5	6,5	6,5
ВСт3сп5	410	245	26	2,8	5,5	7,0	6,8
09Г2С	470	325	21	3,0	7,5	9,5	9,5
09Г2С-12	500	350	21	3,5	8,5	10,5	10,0
10ХСНД	540	400	19	4,0	11,0	12,5	12,0
Ст20	420	230	24	3,8	8,0	12,0	11,5
Примечания: – в табл. 5.2 представлены средние значения механических свойств сталей по требованиям ГОСТ; – магнитные характеристики сталей получены с помощью коэрцитиметров типа КРМ-Ц и КРМ-ЦК-2; – ошибка в определении составляет не более 5%.

На основе статистического анализа были получены также координационные зависимости от предела текучести и от предела прочности металла в виде линейных зависимостей, которые позволяют оперативно установить критические значения коэрцитивной силы , если в паспорте объекта известны значения и стали: