Магнитопорошковый метод

Магнитопорошковый метод контроля деталей, выполненных из магнитных сталей, основан на обнаружении магнитных полей рассеяния над дефектами с помощью ферромагнитных частиц.

Если деталь 1 (рис. 4.6) поместить в магнитное поле, то в ней возникает магнитный поток. Проходя по бездефектным зонам, он не изменит направления и не выйдет за пределы детали. Когда на пути магнитного потока встречаются участки с пониженной магнитной проницаемостью, например трещины 2, то часть магнитного потока выходит за пределы детали, образуя неоднородное магнитное поле рассеяния 3.

Рис. 4.6. Схема образования магнитных полей рассеяния над трещинами и вид осевшего над дефектами порошка: 1 - деталь; 2 - трещина; 3 - поле рассеяния

Для отыскания магнитных полей рассеяния и соответственно несплошности материала на поверхность контролируемых участков детали наносят ферромагнитные частицы, которые находятся во взвешенном состоянии в жидкости (минеральном масле, керосине, воде и т.п.) или в воздухе.

Информативным параметром магнитопорошкового метода является неоднородный индикаторный рисунок в виде полосок или валиков осевшего на проверяемой детали порошка. По количеству порошка и форме рисунка можно оценивать и характер дефекта.

4.4. Визуально-оптическая диагностика

Этот метод позволяет выявить различные дефекты, которые расположены на поверхности детали.

В настоящее время нашли широкое применение линзовые эндоскопы, обладающие высокой разрешающей способностью.

Для осмотра криволинейных поверхностей применяются гибкие стекловолоконные устройства. Такие устройства представляют собой два жгута, находящиеся в металлической оплетке. Один жгут служит для передачи изображения, а другой для подвода света к месту осмотра.

При выборе места расположения отверстия для введения в агрегат эндоскопа учитываются следующие требования:

1. Целесообразность диагностирования с помощью визуально-оптических средств.

2. Отверстия желательно располагать вдоль одной и той же образующей для осмотра всех ступеней компрессора или турбины без перекантовки двигателя.

3. Отверстия не должны снижать прочность конструкции.

4. Доступ к отверстиям должен быть свободным и осуществляться без снятия элементов внешней обвязки.

Принципиальная схема эндоскопа представлена на рис. 4.7.

Наряду с обычными техническими эндоскопами, применяются специализированные эндоскопы. Мини-эндоскопы (диаметр трубки менее 2 мм) создаются на основе специальных материалов - сельфока или градана и выполняются в виде миниатюрных цилиндрических стержней с коэффициентом преломления по поперечному сечению, меняющимся по заданному закону. Сельфок передает изображение на расстояние без промежуточных оборачивающих линз. На выходном торце световода изображение рассматривают через линзовый окуляр.

Рис. 4.7.

1 - выходной зрачок; 2 - окуляр; 3 - жесткий корпус или гибкий световод; 4 - объектив; 5 - осветитель; 6 - блок осветителя; 7 - исследуемая поверхность.

В измерительном эндоскопе обеспечивается возможность определения расстояния между эндоскопом и изучаемым объектом, а также измерение размеров самого объекта с помощью специальной сетки.

Эндоскопы с манипуляторами имеют свободный канал для ввода захвата или крючка.

В ультрафиолетовых эндоскопах в качестве световода используют жидкость с ультрафиолетовой проводимостью. Такие эндоскопы позволяют контролировать труднодоступные детали капиллярным методом с применением проникающих жидкостей и флуоресцентных красителей.

При работе с эндоскопами существенное влияние на точность измерений оказывает субъективный фактор - утомляемость оператора. Для устранения этого недостатка применяют регистрацию информации на видеомагнитофон с последующим анализом в стационарных условиях.

Применение фотографий и видеозаписей позволяет организовывать анализ тенденций изменения состояния двигателя по серии последовательно полученных снимков.

Минимальная ширина раскрытия трещины или иного дефекта, контролируемая указанным методом, составляет 0,01…0,10 мм.

4.5. Радиационная дефектоскопия (РД)

Радиационная дефектоскопия – это совокупность методов контроля качества материалов и неразъемных соединений сборочных едениц посредством просвечивания их различными видами ионизирующих излучений.

Радиационные методы контроля основаны на явлении взаимодействия пучка ионизирующего излучения с веществами контролируемого объекта, в результате чего его интенсивность падает по экспоненциальному закону, называемому законом ослабления излучения:

, (4.3)

где - интенсивность пучка, прошедшего дефект, ;

- интенсивность падающего пучка, ;

- линейный коэффициент ослабления излучения;

- полная толщина слоя вещества, .

В соответствии с (6.3) интенсивность пучка, прошедшего объект с дефектом:

, (4.4)

где - величина дефекта в направлении просвечивания (лучевой размер), ;

- линейный коэффициент ослабления излучения в месте дефекта.

Разделив (7.4) на (7.3), получим соотношение:

. (4.5)

Таким образом, разница интенсивности излучений при контроле будет определяться разницей между коэффициентами ослабления и лучевым размером дефекта .

Для получения первичной информации в производстве используются два метода: радиографический, основанный на свойстве рентгеновского и - излучений вызывать почернение эмульсии пленки (рис. 4.8) и радиоскопический, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя; при этом полученное изображение анализируется в процессе контроля в реальном масштабе времени. Объектами контроля могут быть отливки, неразъемные сварные и паяные соединения, узлы и агрегаты.

Рис. 4.8. Схема контроля объекта рентгенографическим методом:

1 - пульт; 2 - высоковольтное питающее устройство; 3 - рентгеновская трубка; 4 - деталь; 5 - раковина; 6 - плотное включение; 7 - рентгеновская пленка; 8 - кассета; 9 - диафрагма; 10 - рентгенограмма (позитив)

При контроле просвечиванием могут быть обнаружены:

1) в отливках – рыхлоты, пористость, газовые и усадочные раковины, трещины, инородные включения, окисные плены, недоливы, ликвации;

2) в швах сварных соединений и околошовной зоне – непровары, трещины, окисные пленки, газовые поры, шлаковые и вольфрамовые включения, а также свищи и проплавления;

3) в паяных соединениях – непропаи, поры, трещины, заплавление припоем внутренних каналов, неравномерное растекание припоя;

4) контроль просвечиванием позволяет определять внутреннюю геометрию сварных и паяных деталей (разностенность и отклонение формы внутренних контуров от заданных чертежом в деталях с закрытыми полостями, неправильную сборку узлов, зазоры, металлическую стружку, неплотное прилегание в соединениях и др.), а также дефекты, появившиеся в процессе эксплуатации (внутренние неисправности, нарушение правильности взаимного расположения деталей и др.).

Просвечивание не выявляет:

1) непровары, непропаи и трещины с раскрытием менее 0.3 мм при просвечиваемой толщине до 40 мм и менее 0.25 мм при просвечиваемой толщине более 40 мм;

2) непровары, трещины, непропаи и другие дефекты, плоскость которых не совпадает с направлением измерения;

3) дефекты, протяженность которых в направлениях измерения менее 2% от суммарной просвечиваемой толщины;

4) дефекты расшифровка изображения которых на детекторе излучения затрудняется наложением изображений сопутствующих элементов конструкции (резких перепадов толщин, посторонних деталей, конструктивных непроваров и др.);

5) посторонние включения с коэффициентом ослабление излучения, близким к коэффициенту металла сварного шва;

6) непропаи, если коэффициенты ослабления проникающего излучения припоя и паяемого материала близки по величине или, если толщина припоя значительно меньше общей просвечиваемой толщины металла.

При проектировании изделий и выборе метода контроля отливок, сварных и паяных соединений необходимо учитывать следующее:

1) контроль просвечиванием может быть осуществлен только при наличие двустороннего доступа к контролируемым участкам, обеспечивающего возможность установки источника и детектора излучения;

2) контролю просвечиванием целесообразно подвергать только такие сварные соединения или отливки, толщина контролируемого металла которых составляет не менее 20% от суммарной просвечиваемой толщины;

3) герметичность сварного и паяного соединений просвечиванием не устанавливается;

4) глубина нахождения дефектов и их величина просвечиванием не определяется, за исключением тех случаев, когда возможен контроль отливок в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В процессе производства изделий контроль просвечиванием производится:

- подетально (контроль отливок);

- поблочно (контроль сварных и паяных соединений, входящих в состав отдельных узлов);

- общей сборки (контроль монтажных сварных соединений).

4.6. Контроль методами вихревых токов

Вихретоковый метод неразрушающего контроля деталей из немагнитных материалов основан на возбуждении в материале вихревых токов Фуко и оценке их влияния на магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности.

При контроле часть изделия или все изделие помещают в поле датчика (преобразователя). Вихревые токи (ВТ) наводятся с помощью переменного электромагнитного потока . Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток , созданный ВТ с плотностью .

Векторы напряженности возбуждающего поля и поля вихревых потоков направлены навстречу друг другу. ЭДС в обмотке датчика пропорциональна разности потоков .

Возбудителем ВТ может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Самым распространенным источником ВТ является катушка индуктивности или система таких катушек.

При установке преобразователя на поверхность проверяемой детали (рис. 4.9), переменный магнитный поток проникает в металл. При этом в металле возбуждаются вихревые токи, которые протекают по концентрическим окружностям, соосным с преобразователем. На оси преобразователя плотность вихревых токов равна нулю, под витками обмотки она достигает максимума. По мере удаления от преобразователя плотность токов уменьшается. Из этого следует, что вихревой контроль является локальным и для проверки детали преобразователь необходимо перемещать по всей зоне, подлежащей контролю. В связи с затуханием вихревых токов по глубине метод применим для обнаружения только дефектов поверхностного слоя (по глубине около 1 мм).

Рис. 4.9. Схема неразрушающего контроля немагнитных деталей вихретоковым методом: 1 - электронный блок дефектоскопа; 2 - искательная головка; 3 - деталь

Наличие трещины под преобразователем вызывает перераспределение вихревых токов, уменьшение их плотности. Когда искательная головка 2 с преобразователем находится над дефлектором, стрелка микроамперметра электронного блока 1 отклоняется, загораются красные индикаторные лампочки и появляется звуковой сигнал.

Поскольку вихревые токи имеют наибольшую плотность в поверхностных слоях металла, то метод используется в основном для контроля качества поверхностных слоев, например, для обнаружения нарушения сплошности металла в поверхностных слоях, измерения электрической проводимости, измерения толщины покрытий, контроля качества термической обработки, контроля физико-механических свойств материала. МВТ также позволяет обнаружить поверхностные и подповерхностные трещины (усталостные, термические и др.), неметаллические включения, пористость, волосовины, очаги коррозионного поражения и др. Минимальные размеры выявляемых трещин: длина 0,5...1 мм, глубина 0,1...0,2 мм при ширине раскрытия у выхода на поверхность 0,5...1,0 мкм.

МВТ применяется для контроля деталей двигателя: рабочих лопаток турбин, валов, отверстий.

При МВТ не требуется удаления защитных покрытий и наличия механического контакта датчика с проверяемой деталью. Недостатками метода являются: зависимость чувствительности от размеров датчиков; отсутствие наглядности результатов контроля; трудоемкость; сложность контроля деталей из магнитных материалов.

4.7. Голография

Метод основан на получении голографической информации с помощью оптических волн от когерентного источника света (лазера) рис. 4.10.

Свет от источника 1 направляется на полупрозрачное зеркало 2, от которого попадает на фокусирующие линзы 3 и 4. Далее световой поток от линзы 3 направляется диагностируемую поверхность 5 и отразившись от нее достигает фотопластинки 7. Пучок света от линзы 4 попадает непосредственно на пластинку 7.

Для диагностирования применяют эталонную голограмму, снятую с заведомо исправного объекта (длина волны ).

Рис. 4.10

1 - источник света (ЛАЗЕР); 2 - полупрозрачное зеркало; 3, 4 - фокусирующая линза; 5 – диагностируемая поверхность в начальный момент времени; 6 - диагностируемая поверхность через некоторый период времени; 7 - фотопластинка

Если исследуемая поверхность принимает состояние 6, то это приводит к изменению длины отраженной волны , в результате чего происходит интерференция (сложение или вычитание) световых волн.

Применение гелий-неонового лазера позволяет распознать деформации порядка 0.1 мкм.

С помощью голограмм можно регистрировать структурные изменения в материале детали, распределения дефектов в поверхностном слое, вибрации, наличие примесей в жидкостях и газах.

6. ДИАГНОСТИКА ГТД НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИИ,
ЗАРЕГИСТРИРОВАННОЙ В ПОЛЕТЕ.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГТД

6.1. Классификация бортовых систем регистрации полетных данных (БСРПД). Магнитные БСРПД

Информация о работе двигателя в полете может быть получена либо путем записи экипажем показаний бортовых приборов, либо путем автоматической регистрации параметров.

БСРПД, ранее применявшиеся при испытаниях, получили широкое распространение в эксплуатации с конца 50-х годов. Они позволяют выявить до 60% неисправностей ГТД при эксплуатации.

БСРПД можно классифицировать по следующим признакам:

а) по назначению:

- испытательные; аварийные; эксплуатационные;

б) по принципу регистрации:

- механические; магнитные; оптические;

в) по форме регистрации информации:

- аналоговые; цифровые.

Наибольшими возможностями для диагностирования обладают магнитные цифровые БСРПД. Они имеют следующие достоинства:

1) Большой объем регистрируемой информации ( большая продолжительность записи и значительное число регистрируемых параметров).

2) Высокая точность регистрации параметров. Оперативность передачи информации с борта самолета к наземным устройствам.

3) Возможность обработки получаемой информации на ЭВМ.

Система БСРПД В-747 регистрирует 360 параметров, 200 из которых относятся к силовой установке. Все эти параметры регистрируются двумя самописцами. Первый самописец является аварийным. В нем все время сохраняется информация о пяти последних минутах полета, а предыдущая информация стирается. Второй самописец эксплуатационный и регистрирует параметры путем опроса всех датчиков через заданные интервалы времени или по команде пилота. Запись производится на съемные кассеты, рассчитанные на 10 часов непрерывной работы. Обработка и анализ данных осуществляется на земле.

В случае ограничения возможностей БСРПД следует стремиться к тому, чтобы получаемая информация обеспечивала в первую очередь выявление неисправности, а лишь затем ее локализацию, т.е. определение неисправной системы, блока или узла.

Наземная обработка данных бывает двух видов: оперативная и полная.

Цель оперативной обработки состоит в определении возможности допуска самолета к очередному рейсу. Оперативная обработка производится на аэродроме в процессе послеполетной и предполетной подготовки.

Полная обработка полетной информации выполняется с целью слежения за состоянием авиационной техники и его прогнозированием. На ее основе разрабатываются мероприятия по совершенствованию конструкции, технологии изготовления и эксплуатации.

Для оперативной обработки применяются алгоритмы первичной обработки данных и экспресс-анализ, основной задачей которого является получение информации о выходе контролируемых параметров за нормативные значения.

Сравнение значений регистрируемых параметров может производиться:

- с предельно возможными значениями параметров;

- со среднестатистическим эксплуатационным значением параметра на данном режиме;

- с приведенным значением параметров, рассчитываемых по условиям полета;

- с приведенным значением параметров, рассчитанных по данным, соответствующим началу эксплуатации.

Последние два метода сравнения более трудоемки, но обладают повышенной информативностью.

Магнитные цифровые системы достаточно дороги, потому они не могут в настоящее время полностью вытеснить более простые аналоговые системы регистрации.

6.2. Особенности применения аналоговых БСРПД

Примером аналоговой системы является система автоматической регистрации полетных параметров САРПП-12. Она регистрирует на 35 мм фотопленку 6 непрерывных аналоговых параметров и до 9 разовых команд (РК).

Информацию о работе двигателя в полете, содержащуюся на пленке можно условно разделить на три вида:

1. Аналоговые параметры и РК непосредственно регистрируемые на пленке.

2. Параметры полета, которые могут быть рассчитаны, исходя из данных первого вида (высота, скорость, тяга).

3. Косвенные признаки (разные замки), отражающие реакцию самой системы на удары и вибрации.

Выявление неисправностей основывается на отыскании принципиальных отличий между зарегистрированными на пленке параметрами и эталонными параметрами, записанными для данной ситуации для исправного двигателя.

Из аналоговых параметров наибольшую информацию о работоспособности двигателя несет частота вращения ротора, погрешность измерения которой составляет 2%.

Система САРПП-12 определяет возможность последовательного по времени слежения за изменением параметров и РК, а также обеспечивает оценку происходящих процессов изменения совокупности аналоговых параметров и разовых команд.

Каждому маневру самолета соответствует определенная комбинация параметров, зарегистрированных на пленке. Отклонение от нормативной записи является одним из признаков появления неисправности в системах летательного аппарата.

Информация аналоговых систем регистрации параметров имеет важное значение и для установления причин отказов, происходящих в полете.

С помощью САРПП-12 могут быть выявлены следующие дефекты:

- нарушение в программе управления положением створок регулируемого сопла и автоматики компрессора;

- неисправность автоматики двигателя, систем приводов, розжига и подачи форсажного топлива;

- повышение вибраций двигателя.

6.3.Расчет нерегистрируемых параметров и моделирование

условий работы силовой установки по данным БСРПД

Для более полного использования информации БСРПД в целях технической диагностики значения некоторых параметров, характеризующих состояние ГТД, но непосредственно нерегистрируемых в полете определяются расчетным путем.

Рассмотрим расчет тяги ТВД по зарегистрированному значению давления масла в системе измерителя крутящего момента (ИКМ).

1. По данным формуляра двигателя строится график:

(режим работы).

2. По значению зарегистрированному, определяется режим работы силовой установки.

3. На расчетных режимах высоты и скорости определяется поправочный коэффициент:

где , - винтовые мощности в полете и на земле, соответственно.

4. Определяется поправочный коэффициент :

,

где - нормативные расходы топлива на взлете (скорость полета и высота равны нулю) при стандартных атмосферных условиях и при зарегистрированных значениях и , соответственно.

5. Определяется приведенное значение :

.

6. По графику (режим работы) определяют действительный режим работы двигателя.

7. По графикам (режим работы) определяется тяга винта.

8. По формуле определяется тяга двигателя с учетом силы реакции реактивной струи.

Тяга ТВД может быть определена следующим образом:

,

где - масса самолета; - ускорение свободного падения; - плотность воздуха; - угол атаки крыла самолета; - коэффициент аэродинамического сопротивления самолета; - скорость полета; - продольная и нормальная перегрузки, соответственно.

Весьма эффективным методом обеспечения наиболее полного использования зарегистрированной в полете ограниченной информации является метод математического моделирования. Для его применения создается модель объекта и на ее вход подается информация зарегистрированная БСРПД. Анализ результатов позволяет установить, имели ли место условия для возникновения отказа и на этой основе указать его причину.

6.4. Оценка фактической выработки ресурса ГТД по полетной информации

Для этой цели используются данные как БСРПД, так и специальных бортовых счетчиков времени, регистрирующих время работы двигателя на определенных режимах (взлет, форсаж, крейсерский режим).

Для большинства двигателей целесообразно регистрировать:

- время работы на режимах максимальной нагрузки и форсажа;

- время работы на режимах, при которых возможны резонансные колебания рабочих лопаток, ступеней компрессора и турбины;

- суммарную наработку двигателя с раздельным учетом наработки на земле и в полете;

- суммарное количество запусков.

Более совершенный способ учета фактической выработки ресурса ГТД базируется на определении эквивалентной наработки, рассчитываемой для рабочих лопаток турбины, как деталей, состоянием которых определяется ресурс. В основу метода положена гипотеза линейного суммирования повреждаемости, т.е. разрушения деталей под действием статических напряжений и высоких температур, с учетом повторяемости нагружения. На вышеприведенных рассуждениях основана работа бортового анализатора двигателя, фиксирующего зависимость коэффициента приведения режима от эквивалентной температуры лопатки , которая определяется частотой вращения ротора, величинами полного давления газа за турбиной и температуры рабочей лопатки первой ступени турбины, рис. 6.1.

Рис. 6.1.

Значение не должно превышать нормативной величины.

Счетный блок анализатора выдает:

1) Общую наработку двигателя в часах.

2) Наработку на различных режимах в минутах.

3) максимальную в полете

4) Время работы в минутах, когда .

5) Сигналы о возникновении условий, при которых .

6) Сигналы о возникновении условий, при которых , где - частота вращения ротора.

6.5. Методы прогнозирования

Практика прогнозирования при регламентных работах позволяет увеличить процент неисправностей, выявляемых и устраняемых в процессе профилактики, что способствует уменьшению времени подготовки летательного аппарата к полету. По данным фирмы «Пратт-Уитни» 50% неисправностей ГТД обнаруживается на земле и еще 10-15% потенциальных отказов можно установить путем анализа тенденций изменения важнейших параметров двигателя.

Прогнозирование бывает групповое и индивидуальное.

При групповом прогнозировании по статистическим данным об отказах определенного типа узлов осуществляется предсказание показателей надежности изделия в целом.

При индивидуальном прогнозирование осуществляется предсказание технического состояния каждого изделия и выявляется, то конкретное изделие, которое в ближайшем будущем может отказать.

Групповое прогнозирование, в отличие от индивидуального, не оказывает непосредственной помощи в предотвращении отказа конкретного изделия.

Применение методов индивидуального прогнозирования позволяет осуществлять прогнозирование постепенных отказов, т.е. таких, приближение которых сопровождается доступными для восприятия признаками.

Деление отказов на постепенные и внезапные в достаточной мере является условным, так как, внезапные отказы перестают быть таковыми по мере изучения причин и признаков их возникновения.

С совершенствованием методов и средств технической диагностики, все большая часть внезапных отказов переходит в разряд постепенных. Так, например, обрыв лопатки турбины считается внезапным до тех пор, пока отсутствовал ультразвуковой контроль, позволяющий выявить трещины, дефекты металла и своевременно производить отбраковку изделий.

Методы индивидуального прогнозирования технического состояния можно условно разделить на две большие группы:

1. Методы, использующие для принятия решения только результаты последнего определения состояния (методы прогнозирующего контроля).

2. Методы, использующие для принятия решения результаты не только последнего определения состояния изделия, но и предшествующих.

Отличие методов прогнозирующего контроля от обычного заключается в том, что при обычном контроле отбраковка и регулировка узла производятся в случае нарушения его работоспособности (выход из поля допуска), а при прогнозирующем контроле осуществляется отбраковка годного на данный момент узла по прогнозу (в связи с выходом значения параметра за границу упреждающего допуска).

Методы прогнозирующего контроля можно разделить на три типа:

1) Контроль по упреждающему допуску.

2) Граничный контроль.

3) Контроль по наличию признаков разрушения.

График, иллюстрирующий контроль по упреждающему допуску, представлен на рис. 6.2.

- допуск на параметр;

- число проверок работоспособности узла

Рис. 6.2.

Прогнозирование путем граничного контроля состоит в том, что контроль изделия производится на режиме работы, при котором наиболее ярко проявляются нежелательные изменения технического состояния, которые при дальнейшей эксплуатации изделия могут вызвать его отказ (режим помпажа ГТД).

Прогнозирование состояния двигателя по наличию определенных признаков (симптомов) основывается на выявлении признаков, свидетельствующих об отклонениях в работе двигателя, хотя его работоспособность еще сохраняется (задымление, повышенная вибрация, посторонний шум и так далее).

Индивидуальное прогнозирование возможно на основе экстраполяции результатов измерения параметров, рис. 6.3.

- допустимое значение параметра;

- определяемое значение параметра через интервал времени после проведения предыдущего замера.

Рис. 6.3.

8. Методы анализа состояния деталей при

определении причин отказа

8.1. Задачи металлофизического анализа деталей отказавшихся изделий

Исследования, исправленные на установление причин отказа деталей, всегда являются комплексными, требующими применения широкого круга самых современных методов металлофизического анализа.

Основными задачами таких исследований являются:

- определение степени совершенства конструкции и соблюдения ТУ на её изготовление и ремонт;

- определение характера повреждений или разрушений детали для выявления условий нагружения их вызвавших.

Содержание и объём работ в таких исследованиях зависят от назначения и конструктивных форм отказавшейся детали, марки её материала и условий эксплуатации изделия. Однако в любом случае в полной мере или частично они должны выявить соответствие техническим условиям качества материала, конструкции и качества изготовления детали и условий её нагружения.

Качество материала. Одной из основных характеристик, определяющих работоспособности детали, т.е. её сопротивляемость возникновению недопустимых деформаций, образованию трещин и их развитию, износу, неблагоприятному воздействию температуры и окружающей среды являются качество материала, определяемое, в свою очередь, его химическим составом, структурой и свойствами.

Любой материал характеризуется, прежде всего, своим химическим составом. Нередко даже незначительные отклонения в составе материала от технических условий приводят к весьма резкому изменению свойств, обусловливая тем самым пониженную сопротивляемость детали воздействию высоких температур, коррозионной среде и даже распространению трещин. Такие отклонения на практике могут иметь место не только из-за ошибок при изготовлении металла, но из-за нарушения технологии изготовления и ремонта детали (обезуглероживания или термообработке, наводороживания при проведении гальванических процессов, выгорания одних и внедрения других элементов при сварке), а также из-за неблагоприятных условий эксплуатации(выгорание легирующих элементов из поверхностных слоёв).

Структура сплава характеризуется её составляющими (зёрнами, их границами, фрагментами, вторичными фазами и др.). По форме, размерам, строению, цвету, взаимному расположению, количественному соотношению и другим причинам структурных составляющих можно установить тип сплава (твёрдый сплав, механическая смесь, химическое соединение); определить вид и режим термической обработки ( закалка, отпуск, отжиг) или при обработке давлением(штамповка, прокат, формовка), которым подвергалась деталь или её заготовка в процессе изготовления, отличить штампованную деталь от литой; судить о типе и степени завершения структурных превращений, имевших место в материале детали в процессе её эксплуатации.

Механические свойства материала (твёрдость, прочность, текучесть, выносливость, пластичность, вязкость и др.) являются важнейшими показателями качества. Несоответствие техническим условиям хотя бы одного из указанных показателей свидетельствует о некачественности материала.

Совершенство конструкции и качество изготовления деталей. Довольно часто причиной потери работоспособности детали являются конструктивные недостатки и производственно-технологические дефекты, которые без применения металлофизического анализа выявить, как правило, не представляется возможным.

Основные дефекты, наиболее часто встречающиеся в деталях, можно разбить на следующие типы:

1. К конструктивным недостаткам относятся:

- неправильный выбор материала или режимов термообработки деталей;

- занижение значения радиусов перехода, выточек и т.д.;

- отсутствие поверхностного упрочнения, защитного покрытия или неправильный выбор режимов, их выполнения;

- занижение площади рабочего сечения детали вследствие неправильного или неточного расчёта её на прочность;

- назначение неправильного вида и режима сварки (по отношению, например, к способности материала свариваться при конкретных размерах элементов конструкции) и др.

2. К производственно-технологическим дефектам относятся дефекты, обусловленные ошибками производства. Ошибки производства могут иметь место как при изготовлении детали, так и при ремонте её. Они сводятся в основном к нарушению требований чертежа, технологии, производственных инструкций, регламентирующих высококачественное изготовление или ремонт детали. Эти ошибки приводят к появлению металлургических дефектов, дефектов сварки, а также дефектов термообработки:

- деформации, коробления и трещины (высоких внутренних температурных и структурных напряжений);

- недостаточной твердости (недостаточного прогрева, недостаточной выдержки, недостаточной интенсивности охлаждения);

- мягких пятен (недостаточного прогрева, недостаточной интенсивности охлаждения);

- повышенной хрупкости (закалки от слишком высоких температур);

- окисления и обезуглероживания (несоблюдения необходимой атмосферы );

- дефектов механической обработки:

· шлифовочных и штамповочных трещин (одиночных или в виде сеток);

· рисок от механической обработки резанием;

· остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое материала деталей;

дефектов покрытий:

· несоответствие состава покрытий техническим условиям (повышенной хрупкости, недостаточной стойкости);

· недостаточность сцепляемости с основным материалом детали;

· недостаточной толщины;

· растрескивания.

Кроме того, к производственным дефектам относятся трещины, возникающие в процессе эксплуатации из-за неправильного выбора способа места клеймения, а также нарушения режима нанесения клейма.

Условия нагружения деталей

Факторы, характеризующие условия нагружения детали:

- уровень, способ и скорость приложения нагрузки;

- уровень температуры и характер ее распределения;

- вид среды, в которой эксплуатируется деталь.

Все нагрузки, которые могут воздействовать на деталь, делятся на следующие типы:

1. Механические или термические удары, однократные или многократные (повторяющиеся). Длительность каждого воздействия мала (доли секунды).

2. Статические кратковременные однократные нагрузки. Время нарастания и общая продолжительность нагружения соизмеримы (от долей минуты до нескольких минут, реже нескольких часов).

3. Статические длительные однократные нагрузки; время τ изменяется от долей часа до нескольких лет; в процессе всего времени воздействия уровень нагрузки может измениться.

4. Статическая многократная нагрузка.

На практике неизбежно возникновение комбинаций таких нагрузок. Каждая из этих нагрузок может быть приложена с различной скоростью и различными способами (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).

8.2. Метод фрактографии. Взаимосвязь излома с условиями нагружения

Метод фрактографии основан на изучении и анализе строения поверхности полностью или частично разрушенной детали с помощью визуального осмотра или анализе с использованием оптических электронных микроскопов и других приборов. Методом фрактографии можно определить структуру металла, закономерность процесса разрушения, его механизм, кинетику, влияние структурных, технологических и прочих факторов на разрушение, характер разрушения.

Каждому виду разрушения соответствует вполне определенная поверхность излома.

8.3. Методы металлоструктурного анализа

К этой группе методов металлофизического анализа относятся:

- металлографический анализ;

- электронно-микроскопический анализ;

- рентгеноструктурный анализ;

- электроннографический анализ.

Металлографический анализ основан на различной степени отражения оптических лучей от отдельных элементов исследуемого объекта (специально приготовленного шлифа, излома и т.п.).

Металлофизический анализ применяют:

1. Для исследования состояния и особенностей микроструктуры.

В этом случае он позволяет установить:

- наличие несплошностей (пор, микротрещин и т.п.), включений (окисных плёнок, шлаков и т.п.),дефектов металлургического происхождения (закатов, волосовин и др);

- величину и конфигурацию зерна, тип структуры (мартенсит, сорбит и т.п.), состояние(например, степень окисленности) границ зёрен, наличие обезуглероженного слоя и другие металлографические признаки правильности или нарушения режимов термообработки;

- наличие обеднения поверхностного слоя легирующими элементами, изменение толщины покрытия (например, алитированного слоя и), которые являются признаками воздействия на материал детали в процессе её эксплуатации внешних факторов(в данном случае – повышенной температуры) и т.п.

2. Для исследования строения излома.

В этом случае, кроме особенностей микрорельефа, металлографический анализ позволяет установить тип разрушения:

- внутризёренное – признак хрупкого разрушения от однократной нагрузки, макрохрупких разрушений от воздействия многократных нагрузок;

- межзеренное – признак преждевременного вязкого разрушения от однократной нагрузки макрохрупкого разрушения от воздействия длительной статической нагрузки без влияния повышенной температуры и среды, макрохрупкого разрушения от воздействия длительной статической нагрузки и коррозионной среды;

- смешанное (по телу и границам зерен) – признак макрохрупкого разрушения от длительного воздействия статической нагрузки и повышенной температуры.

Для проведения металлографического анализа применяют микроскопы типа МИМ, ММР, Неофат и др. с увеличением 45 2000 раз.

Электронно-микроскопический анализ основан на различной степени рассеяния потока электронов при прохождении его через отдельные элементы объекта (анализ на просвет) или различной степени отражения потока электронов от отдельных элементов поверхности объекта (анализ на отражение).

В качестве объекта при анализе на просвет используют либо реплики (слепки), снятые или с поверхности шлифов или с поверхности изломов, либо тончайшие (толщиной 1000…3000 нм) кристаллические среды (дифракционная электронная микроскопия). При анализе на отражение объектом служит непосредственно участок шлифа или излома.

Электронно-микроскопический анализ применяют:

1. Для исследования состояния и особенностей микроструктуры

В этом случае он позволяет установить:

- размеры и форму (дисперсность) упрочняющей фазы, а также форму и место залегания карбидов, что указывает, например, на наличие или отсутствие перегрева жаропрочных сплавов;

- состояние границ зерен (степень их окисленности, уширения, наличия хрупких фаз), которое характеризует режим термообработки сплавов;

- изменение тонких структурных составляющих (на участках, равных нескольким межатомным расстояниям), то есть судить о степени прохождения фазовых превращений (старения, мартенситного превращения, эвтектоидного превращения и др.), сопровождающих эти изменения.

2. Для исследования дислокационной структуры.

В этом случае электронно-микроскопический анализ позволяет установить наличие, тип и степень концентрации несовершенств кристаллического строения (дислокации, вакансии, дислоцированные атомы и т. п.), которые характеризуют степень упрочнения или разупрочнения (от воздействия, например, эксплуатационных нагрузок) сплава.

3. Для исследования строения изломов.

Основными особенностями строения микрорельефа, характеризующими соответствующие виды изломов, являются:

- ямки;

- ручьистый узор (фасетки скола);

- фасетки квазискола

- микробороздки – признак изломов типичной усталости, составляющая микрорельефа изломов малоцикловой усталости, термической усталости и коррозионной усталости;

- огранка зерен.

Для проведения электронно-микроскопического анализа применяют электронные микроскопы ЭВМ – 100 (разрешающая способность 0,3 нм, увеличение 400…600000 раз) и растровые (сканирующие) электронные микроскопы (разрешающая способность до 5 нм, увеличение до 200000 раз).

Следует отметить, что перед методом реплик при исследовании изломов сканирующая электронная микроскопия (на отражение) имеет ряд преимуществ:

- большая глубина резкости при большом увеличении и связанная с этим возможность получения объемного изображения;

- возможность обработки изображения в процессе наблюдения электронным путем (увеличение контраста, уменьшение искажений);

- большой диапазон увеличений;

- простота подготовки объекта;

- значительно большая скорость получения информации (оперативность метода).

Рентгеноструктурный анализ основан на способности рентгеновских лучей, благодаря малой длине волны (0,0005…0,2 нм) проникать в глубь вещества и вызывать колебательные движения его атомов, являющихся источником рассеянных электромагнитных колебаний, которые интерферируются в определенных направлениях, образуют отраженные рентгеновские лучи, несущие информацию о строении облучаемого вещества.

Рентгеноструктурный анализ применяют для определения параметров кристаллической решетки, фазового состава, текстуры и ориентировки, структурных составляющих исследуемого материала. Он позволяет установить:

- степень деформации кристаллической решетки, которая характеризует значение и знак остаточных напряжений;

- факт расщепления дублета интерференционных линий, который является признаком усталостного разрушения некоторых сплавов (например, алюминиевых);

- глубину и степень рекристаллизации, которые характеризуют температурные условия деформации и разрушения;

- фазовый состав сплавов, окисных пленок и др.;

- преимущественную ориентацию кристаллов (текстуру), которая характеризует направление и степень деформации, полученной в процессе технологической обработки;

- значения параметров решеток, которые определяют степень распада перенасыщенных твердых сплавов и степень перегрева;

- степень концентрации структурных несовершенств (дислокаций) в кристаллах, которая характеризует степень деформации от эксплуатационных напряжений.

Для проведения рентгеноструктурного анализа применяют рентгеноструктурные аппараты типа УРС, дифрактомеры типа ДРОН, рентгеновские камеры типа КРМ, 1-КРОС.

Электроннографический анализ основан на способности быстролетящих электронов дифрагировать (рассеиваться) и интерферировать (накладываться) при рассеивании их кристаллической решеткой материала исследуемого объекта.

Электроннографический применяют для исследования кристаллической структуры, фазового состава и ориентировок структурных составляющих. Он позволяет установить:

- фазовый состав сплавов;

- фазовый состав налетов и окислов на поверхности деталей;

- наличие остаточных напряжений;

- структурные изменения при нагреве, окислении и химических воздействиях.

Для проведения электронографического анализа применяют электронографы типа ЭР-100.

8.4. Выбор методов металлофизического анализа деталей с учетом цели исследования и специфики их материала

Методы металлофизического анализа, дополняя друг друга, позволяют решать широкий круг вопросов. Тот факт, что одну и ту же цель можно достигнуть несколькими методами, позволяет не только варьировать ими в зависимости от конкретных возможностей, но и повышать объективность и достоверность.

В каждом конкретном случае метод (методы) исследования для достижения поставленной цели следует определять, не только исходя из возможностей самого метода, но и, учитывая возможности его применения и возможности получения наиболее емкой объективной информации в кратчайший срок.

В тех случаях, когда поставленная цель может быть достигнута применением ряда методов, целесообразность или рациональность их применения определяют путем сопоставления возможностей метода с характеристиками объекта исследования (конфигурацией, размером, массой, составом и свойствами материала).

Рассмотрим пример рационального выбора метода исследования. Структура вещества, как было показано ранее, может быть исследована как рентгеноструктурным, так и электронографическим анализом. Эти методы имеют много общего, однако между ними есть важные различия, которые и определяют области применения каждого из них.

Существенное отличие электронографического и рентгеноструктурного анализа заключается в том, что электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгеновские лучи. В основе указанного различия лежит разная природа рассеяния этих видов излучения в веществе: рентгеновские лучи рассеиваются в электронных оболочках атомов, а электроны – в электростатических полях атомов, в создании которых участвуют как электронные оболочки, так и ядра атомов. Чтобы получить одинаковую рассеянную интенсивность (пропорциональную количеству рассеивающих атомов и молекул), доступную для регистрации, необходимо собрать образцы толщиной приблизительно 1 мм при рентгеноструктурном анализе и 10^-5 мм при электронографическом анализе. Отсюда следует важный практический вывод: структуру тонких пленок, различного рода поверхностных слоев и покрытий, процессы окисления в таких слоях, строение окисных пленок целесообразно исследовать с помощью электронографического анализа.

Рациональный выбор для исследования одной из разновидностей электронно-микроскопического анализа определяется возможностями и особенностями применения просвечивающего и сканирующего электронных микроскопов.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица П.3.1

Параметры и качественные признаки технического состояния компрессора, используемые при его диагностировании

Неисправности (последствия)	Диагностические параметры	Метод диагностирования
1 Разрушение лопаток (помпаж, самовыключение двигателя, снижение эффективности функционирования)	Момент отрыва лопаток: параметры шума и вибрации n (падение), (рост)   После обрыва лопатки: параметры вибрации и шума   Следы касания, разрушений и т.д.	Виброакустический     Газодинамических параметров   Виброакустический   Визуально-оптический     Бесконтактное измерение колебаний лопаток (ЭЛУРА)
Усталостные трещины	, f, , распределение напряжений по лопаткам колеса Параметры вибрации и шума Длина трещины	Бесконтактное измерение колебаний лопаток (ЭЛУРА)     Виброакустический     Визуально-оптический, цветной, ультразвуковой, магнитный
Потеря натяга между антивибрационными полками лопаток	Зазор между полками   Параметры вибрации и шума	Инструментальная прямая оценка зазора     Газодинамических параметров
Продолжение табл. П.3.1
Эрозионный износ лопаток и элементов конструкции ГВТ (помпаж, ухудшение характеристик компрессора)	КПД компрессора, R, GТ, ТГ, GВ, , Износ эталонной детали или рабочей лопатки Параметры вибрации и шума	Газодинамических параметров   Инструментальная прямая оценка зазора     Виброакустический
Помпаж (самовыключение, разрушение деталей ГВТ)	n, GВ, ТГ, ТТ, GТ	Газодинамических параметров
Износ втулок в замках лопаток шарнирного типа	Зазор	Инструментальная прямая оценка зазора Визуально-оптический   Виброакустический
Неисправность в системе управления перепуском воздуха или поворота ВНА (помпаж, самовыключение, обгорание лопаток турбины)	GВ, ТГ, GТ, n   Параметры шума и вибрации	Газодинамических параметров     Виброакустический
Повышенная утечка воздуха из компрессора	Параметры ГВТ n, GВ, ТК, ТГ, R	Газодинамических параметров
Обледенение лопаток	Выбег ротора	То же Инструментальная оценка

Таблица П.3.2.

Параметры и качественные признаки технического состояния дисков компрессора и турбины, используемые при диагностировании

Неисправности	Диагностические параметры	Метод диагностирования
Перегрев полотна диска	Окисная пленка, нагар, воронение, лакирование поверхности	Визуально-оптический, пирометрический
Вытяжка диска	Вытяжка диска	Инструментальная оценка прямым измерением
Трещины в пазах диска	Параметры вибрации   Длина и место расположения трещин	Вибрационный   Визуально-оптический, ультразвуковой
Неравномерный износ элемента замкового соединения «диск-лопатка»	Износ	Визуально-оптический

Таблица П.3.3

Поиск по сайту: