Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 6 )

, (5.16)

, (5.17)

где: размерность – коэрцитивная сила  в А/см, а пределы текучести и прочности в МПа.

При наличии номограмм и критических значений и для известной марки стали контроль НДС сводится к решению обратной задачи по установлению уровня остаточных напряжений после измерения величины в двух направлениях. Фиксируя ее максимальные значение в месте контроля легко определить направление и . Максимальные значения имеют место в направлении действия главных напряжений и отвечают за формирование структурной анизотропии. По величине  (А/см) легко установить в какой части диаграммы нагружения работает металл: в упругой, если ; упруго-пластической, если , или достиг стадии разупрочнения, когда приближается к . На основе теории дислокаций было показано, что процессы перехода металла из одной стадии в другую происходят не во всех зернах одновременно. Поэтому границы, особенно от стадии упрочнения к разупрочнению, могут быть размыты в пределах 5% от критических значений . Однако, статистический анализ диаграмм нагружения малоуглеродистых и низколегированных сталей Ст3, ВСт3сп, 09Г2С, 10ХСНД и др., позволил обобщить результаты и установить для листов каждой стали (толщиной 6…12 мм) критические значения перехода из одной стадии в другую. В сводной табл. 5.2 указаны не только критические магнитные параметры, по соответствующие им параметры механических свойств. По ним без дополнительных расчетов можно определить уровень действующих или остаточных напряжений в металле, установить какие несущие элементы перешли в упруго-пластическое состояние, и связать реальный режим эксплуатации конструкции с ее паспортным режимом.

5.6. Магнитный контроль сопротивления разрушению при усталости и ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин

При эксплуатации грузоподъемных машин (ГПМ) магнитные свойства стальных металлоконструкций формируются под влиянием растягивающих и сжимающих напряжений, изгибающих и крутящих моментов в условиях поличастотного циклического нагружения. Это вызвано одновременным воздействием статических и динамических силовых нагрузок при работе с грузом в сочетании с циклическими нагрузками, возникающими при перемещении грузоподъемных механизмов по крановым путям и по дороге. В работах [255, 256, 257] был сделан анализ влияния низко и высокочастотных нагрузок на долговечность сварных крановых мостов и предложен способ оценки ресурса по схеме 2-х частотного нагружения. В результате такого сложного «внешнего воздействия» па несущую конструкцию ГПМ часть расчетных элементов работают в режиме многоцикловой усталости (МНЦУ), а наиболее нагруженные – в условиях малоцикловой усталости (МЦУ) под действием вторичных напряжений. Вторичными называются напряжения, не учитываемые при общепринятых расчетах конструкций па прочность, жесткость, устойчивость и выносливость [258]. Основными причинами возникновения вторичных напряжений являются: изменение жесткости элементов в местах изгиба поясных листов, совместная деформация элементов с различной жесткостью, перекос колес по отношению к крановому пути, не учитываемые концентраторы напряжений. Все вторичные напряжения связаны с местной упруго-пластической деформацией, которую невозможно определить расчетными методами. Поэтому неразрушающий магнитный контроль при оценке запаса усталостной прочности стал приоритетным при диагностике ГПМ, эксплуатируемых в условиях длительных циклических нагрузок.

В основе любою усталостного процесса лежит накопление повреждений в металле, отличающийся при МНЦУ и МЦУ только механизмом и скоростью, связанной с условиями нагружения [259]. Контроль усталостных повреждений с использованием магнитного метода построен на зависимости таких параметров как коэрцитивная сила и остаточная магнитная индукция от величины деформации ε. Еще в 1953 г. Менсон для описания поведения материала, при МЦУ получил зависимость, в которой число циклов до разрушения связано с пластической деформацией за цикл и параметрами материала m и С в следующем виде:

, (5.18)

В дальнейшем эта зависимость совершенствовалась и, в первую очередь, за счет уточнения понятия деформация. Представляя деформацию как сумму пластической и упругой , составляющих, уравнение Менсона можно представить в виде:

, (5.19)

где:  – предел упругости; Е – модуль упругости; С и n – это константы материала, характеризующие скорость циклическою упрочнения или разупрочнения.

В работе[260] экспериментально были определены параметры уравнения Менсона для низколегированных сталей при испытании на усталость и установлена связь прироста общей пластической деформации и предела текучести металла:

, (5.20)

где: к = 0,27.

Эти результаты свидетельствуют, что, зная скорость накопления пластической деформации за цикл или суммарной за определенный промежуток времени, можно рассчитать параметры ресурса элемента конструкции, работающей при усталости.

Как было показано выше, при магнитном неразрушающем контроле между коэрцитивной силой и деформацией при переходе в упруго пластическое состояние имеет место близкая к линейной зависимость. К тому же выводу пришли С. Lo и D. Jiles [261]. Испытывая листы из стали (0,1%С) при статике и МЦУ, они получили уравнения:

– при статике – , (5.21.)

– при МЦУ – . (5.22)

На основании полученных экспериментальных зависимостей авторы делают вывод, что величина определяется уровнем заданных при испытаний деформаций, а для контроля амплитуды действующих напряжений и ресурса металла можно использовать измерение на всех стадиях развития усталостных процессов. Металлофизические исследования на сканирующем электронном микроскопе показали развитие полос скольжения и образование микротрещин на 2-ой, самой продолжительной, стадии накопления повреждений. На 3-ей стадии – установлено развитие усталостных трещин и разрушение образца. Сами трещины формировались при этом по границам зерен и на стыках трех зерен. Процесс накопления повреждений сопровождался ростом плотности дислокаций и увеличением до максимальных значений.

В работе [262] при исследовании влияния пластической деформации на коэрцитивную силу малоуглеродистой стали Ст3сп, установили подобие зависимостей и . По итогам работы авторы сделали вывод, что поскольку напряжение течения и коэрцитивная сила при пластической деформации изменяются по одному закону между ними должна, наблюдаться линейная зависимость. В подтверждение авторы привели известную зависимость деформационного упрочнения для малоуглеродистых сталей:

, (5.23)

и свою экспериментальную зависимость:

, (5.24)

где: h и k – константы материала.

В сталях, подвергающихся закалке и отпуску аппроксимация экспериментальных данных приводит к более сложным зависимостям:

– так для закаленного и низкоотпущенного состояния:

, (5.25)

– для высокоотпущенной стали:

. (5.26)

Эти закономерности получили физическое обоснование и развитие в работах [264, 265, 266], авторы пришли к выводу, что при наличии устойчивых корреляционных зависимостей по величине можно вести контроль уровня пластической деформации и напряжений в металле и прогнозировать остаточный ресурс металлоконструкций в процессе эксплуатации.

Экспериментальные исследования по моделированию диаграммы нагружения стали на основе ее магнитных свойств стали основой контроля процессов нагружения элементов конструкций с целью мониторинга их безаварийной эксплуатации. Связав процессы деформационного упрочнения с величиной пределов текучести и прочности, а пластическое деформирование и образование микротрещин с процессом накопления повреждений, стало возможным использован, критерии механики разрушения для неразрушающего магнитного контроля по величине коэрцитивной силы .