Приложение Ж. Экспериментальные исследования развития усталостных трещин методом инфракрасной термографии

Приложение Ж. Экспериментальные исследования развития усталостных трещин методом инфракрасной термографии

Экспериментальные исследования применения метода инфракрасной термографии для диагностики появления и роста усталостных трещин были выполнены на испытательной установке ¹, показанной на рисунке Ж.1. Образцы для испытаний представляли собой консольно закреплённый металлический лист размерами 900 х 360 х 12 мм, к которому с двух сторон приварены рёбра жёсткости размерами 300 х 120 х 10 мм. Сварные швы выполнены полуавтоматической сваркой. Катет сварного шва равен 8 мм. Образцы выполнены из мостовой конструкционной стали 15ХСНД обычного исполнения и для повышения излучательной способности покрыты матовым графитовым спреем.

Рисунок Ж.1 - Испытательный стенд для испытаний сварных листовых образцов на многоцикловое нагружение: а) - схема; б) - фотография

Нагружение образцов выполнялось с помощью вынуждающей силы, создаваемой вибродвигателем, который подключался к частотному преобразователю силы тока. Параметры цикла нагружения были подобраны в соответствии с реальным характером работы пролетных строений под обращающейся нагрузкой.

Исследование процессов диссипации энергии при механическом деформировании образца было выполнено с помощью инфракрасных неохлаждаемых тепловизоров InfraTec VarioCam 680 и Fluke Ti400 (рисунок Ж.2). Характеристики тепловизоров приведены в таблице А.1.

Рисунок Ж.2 - Расположение тепловизоров при испытаниях: а) тепловизор InfraTec VarioCam 680 б) тепловизор Fluke Ti400

По результатам инфракрасной съёмки были получены термограммы с изображением распределения температур при саморазогреве металла в зоне усталостного разрушения. В таблице Ж.1 представлены сравнительные результаты исследования развития усталостных трещин методом инфракрасной термографии, а также визуальным осмотром и капиллярной дефектоскопией.

Как следует из таблицы Ж.1, после примерно 2,450 млн циклов ни визуально, ни с помощью капиллярной дефектоскопии трещина не была обнаружена. Однако с помощью инфракрасной термографии по границе сплавления был зафиксирован саморазогрев, что указывало на наличие повреждений. Очевидно, что в этот момент трещина либо еще не вышла на поверхность, либо имела волосяное раскрытие.

Таблица Ж.1 - Диагностирование усталостной трещины циклическом нагружении

Количество циклов	Фотографии		Термограмма
2,450 млн
Обнаружение	Визуально - нет	капиллярная дефектоскопия - нет	Инфракрасная термография (интенсивный разогрев металла по границе сплавления) - да
2,470 млн
Обнаружение	Визуально, капиллярная дефектоскопия - нет	Инфракрасная термография (интенсивный разогрев металла вершины трещины сформированы) - да
2,495 млн
Обнаружение	Визуально - да

После 2,470 млн циклов на термограмме ясно проявились вершины развивающейся трещины, по-прежнему не обнаруживаемой на поверхности ни визуально, ни методом капиллярной дефектоскопии.

Визуально обнаружить трещину удалось лишь после 2,90 млн циклов. Таким образом, рассеивание энергии, сопровождающее процесс разрушения структуры металла, показало себя хорошим индикатором наличия в материале усталостных трещин заlолго до их визуального обнаружения, обычно используемого при осмотрах сооружений.

В ходе другой группы экспериментов, отличавшихся условиями нагружения, был прослежен процесс формирования усталостных трещин от начала испытаний (таблица Ж.2). Несмотря на отличающиеся условия нагружения результат применения инфракрасной термографии оказался таким же - на термограммах усталостные повреждения обнаруживаются задолго до их визуального проявления. Кроме того, практически в самом начале испытаний была обнаружена температурная аномалия в сварном шве, от которой в дальнейшем и пошло движение трещины.

Таким образом, метод инфракрасной термографии отличает повторяемость результатов, что является важным параметром в метрологическом обеспечении неразрушающих методов контроля.

Таблица Ж.2 - Развитие усталостной трещины циклическом нагружении

Фотография	Термограмма
Количество циклов 168000, визуально и капиллярной диагностикой трещина не выявлена, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона концентрации напряжений из-за внутреннего дефекта сварного шва
Количество циклов 220000, визуально трещина не выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие поверхностной трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева распространяется по границе сварного шва от точки инициации. Трещина несквозная
Количество циклов 3150000, визуально трещина не выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие поверхностной трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева распространяется по границе сварного шва. Граница нагретой области выделена резко, что указывает на возрастание процесса разогрева из-за увеличения напряжений (уменьшение сечения в зоне трещины вызывает увеличение напряжений). Трещина несквозная
Количество циклов 530000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева по границе сварного шва уменьшилась из-за образования сквозной трещины и разгрузки берегов трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев
Количество циклов 603000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева по границе сварного шва уменьшилась из-за продолжения развития сквозной трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев. Начало формирования вершины трещины в основном металле
Количество циклов 770000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме зона разогрева по границе сварного шва остается стабильной, разогрев распространяется по площади. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 890000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева по границе сварного шва уменьшилась из-за продолжения развития сквозной трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 1060000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева по границе сварного шва уменьшилась из-за продолжения развития сквозной трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 1200000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме зона разогрева по границе сварного шва не изменилась. Продолжается разрушение в зоне контакта берегов трещины и ее развитие свкозь лист. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 1300000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме выделена область с повышенными температурами - зона разогрева по границе сварного шва уменьшилась из-за продолжения развития сквозной трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 1400000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме зона разогрева по границе сварного шва остается стабильной. Увеличения длины трещины не происходит, а разрушаются оставшиеся участки контакта берегов трещины. На участке частичного зацепления берегов трещины сохраняется интенсивный разогрев.
Количество циклов 1570000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме области с повышенными температурами смещаются к будущим вершинам трещины в основном металле, нагрев в них повышается. Участок остаточного зацепления берегов трещины уменьшился.
Количество циклов 1680000, визуально трещина выявлена, капиллярная диагностика показывает наличие трещины, на термограмме области разогрева сосредоточились в вершинах сквозной трещины. По длине раскрытой трещины разогрев отсутствует.

------------------------------

¹ Патент N 2730555 Российская Федерация, МПК G01M 7/02 (2006.01), G01N 3/32 (2006.01). Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе: N 2019143048: заявл. 29.08.2019: опубл. 24.08.2020 / Бокарев С.А., Жунев К.О., Соловьев Л.Ю.; заявитель СГУПС. - 8 с.: ил. - Текст: непосредственный.