Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56664-2015 "Контроль неразрушающий. Определение напряженного состояния материала изделий машиностроения методами акустоупругости. Общие требования" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 октября 2015 г. N 1615-ст)

Non-destructive testing. Evaluation of stress state material engineering products by acoustoelastic methods. General requirements

Дата введения - 1 июля 2016 г.

Предисловие

1 Разработан Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АО "НИЦ КД") при участии Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (НГТУ им. РЕ. Алексеева)

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 132 "Техническая диагностика"

3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 октября 2015 г. N 1615-ст

4 Введен впервые

Введение

Объективная оценка работоспособности и безопасности эксплуатирующихся ответственных технических объектов невозможна без оценки напряженного состояния, в котором находится их материал.

В огромном числе практически важных случаев расчетная оценка напряженного состояния технического объекта возможна лишь на стадии начала его эксплуатации, непосредственно после изготовления. Оценить напряженное состояние материала объекта в процессе его эксплуатации обычно можно лишь методом прямых (и в большинстве случаев разрушающих) измерений.

Одним из наиболее перспективных методов измерения механических напряжений в материале без его разрушения является акустический метод, основанный на упругоакустическом эффекте - линейной зависимости скорости распространения упругих волн от напряжений, надежное экспериментальное определение которой обеспечено благодаря наличию современной измерительной техники.

Существующие национальные стандарты, регламентирующие порядок использования акустического метода в задачах контроля напряженного состояния, посвящены общим требованиям к проведению измерений, а сами процедуры подготовки и проведения измерений изложены в них неполно.

Настоящий стандарт разработан в целях обеспечения методической основы широкого применения метода акустоупругости для определения одно- и двухосного напряженного состояния материала ответственных технических объектов как в процессе их изготовления и испытаний, так и в процессе реальной эксплуатации.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на акустический метод определения напряженного состояния материала изделий машиностроения с использованием метода акустоупругости.

Настоящий стандарт устанавливает основные требования к порядку определения одно- и двухосного напряженного состояния материала технических объектов, имеющих две плоскопараллельные поверхности в зоне измерений, с использованием объемных продольных и поперечных волн, распространяющихся нормально к поверхности технического объекта.

Устанавливаемый настоящим стандартом метод может быть применен как при лабораторных исследованиях, так и в стендовых и натурных условиях контроля напряженного состояния материала широкого класса технических объектов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 7.32-2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления

ГОСТ 12.1.001-89 Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования

ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов

ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.2.013.0-91 Система стандартов безопасности труда. Машины ручные электрические. Общие требования безопасности и методы испытаний

ГОСТ 12.3.002-75 Система стандартов безопасности труда. Процессы производственные. Общие требования безопасности

ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) Металлы. Методы испытаний на растяжение

ГОСТ 2768-84 Ацетон технический. Технические условия

ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики

ГОСТ 6616-94 Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия

ГОСТ 10587-84 Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные. Технические условия

ГОСТ 17299-78 Спирт этиловый технический. Технические условия

ГОСТ 28840-90 Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования

ГОСТ Р 8.563-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений

ГОСТ Р 12.1.019-2009 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты

ГОСТ Р 52731-2007 Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования

ГОСТ Р 55043-2012 Контроль неразрушающий. Определение коэффициентов упругоакустической связи. Общие требования

ГОСТ Р 55725-2013 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования

ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Обозначения и сокращения

3.1 В настоящем стандарте применены следующие условные обозначения:

- толщина материала объекта контроля, мм;

- скорость распространения упругой волны с волновым вектором, направленным в i направлении и с вектором поляризации, направленным в k направлении (значения i=k соответствуют продольным волнам, значения - поперечным), м/с;

- задержка импульса упругой волны, распространяющейся со скоростью , нс;

- акустоупругие коэффициенты скорости, 1/МПа;

- акустоупругие коэффициенты задержки, 1/МПа;

- эффективная частота ультразвуковых импульсов, МГц;

- условный предел текучести материала объекта контроля, МПа;

, - главные напряжения, действующие в материале объекта контроля, МПа;

- температура объекта контроля в зоне измерений при отсутствии напряжений, °С;

- температура объекта контроля в зоне измерений при действии напряжений, °С;

- скорость распространения упругих продольных волн в материале объекта контроля, м/с;

- скорость распространения упругих поперечных волн в материале объекта контроля, м/с;

- номер отраженного импульса упругих поперечных волн, поляризованных в направлении текстуры материала;

- номер отраженного импульса упругих поперечных волн, поляризованных в направлении, перпендикулярном к текстуре материала;

- номер отраженного импульса упругих продольных волн;

- число повторных измерений при определении задержки импульса упругих поперечных волн, поляризованных в направлении текстуры материала, при действии напряжений;

- число повторных измерений при определении задержки импульса упругих поперечных волн, поляризованных в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, при действии напряжений;

- число повторных измерений при определении задержки импульса упругих продольных волн при действии напряжений;

- длительность развертки, обеспечивающая визуализацию отраженных импульсов упругих поперечных волн, поляризованных в направлении текстуры материала, мкс;

- длительность развертки, обеспечивающая визуализацию отраженных импульсов упругих поперечных волн, поляризованных в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, мкс;

- длительность развертки, обеспечивающая визуализацию отраженных импульсов упругих продольных волн, мкс;

- предельно допустимая абсолютная погрешность измерения временных интервалов используемых средств измерений, нс;

- предельно допустимая относительная погрешность измерения временных интервалов используемых средств измерений;

- задержки отраженных импульсов поперечной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении текстуры материала при отсутствии напряжений после повторных измерений, нс, i=1...;

- среднее значение задержки отраженного импульса поперечной волны с номером относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении текстуры материала при отсутствии напряжений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- задержки отраженных импульсов поперечной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при поляризации в направлении текстуры материала при действии напряжений после повторных измерений, нс, i=1...;

- среднее значение задержки отраженного импульса поперечной волны с номером относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении текстуры материала при действии напряжений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

- задержки отраженных импульсов поперечной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, после повторных измерений, нс, i=1...;

- среднее значение задержки отраженного импульса поперечной волны с номером относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, при отсутствии напряжений после повторных измерений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- задержки отраженных импульсов поперечной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, при действии напряжений после повторных измерений, нс, i=1...;

- среднее значение отраженного импульса поперечной волны с номером относительно первого отраженного импульса при поляризации волны в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, при действии напряжений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

- задержки отраженных импульсов продольной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при отсутствии напряжений после повторных измерений, нс, i=1...;

- среднее значение отраженного импульса продольной волны с номером относительно первого отраженного импульса при отсутствии напряжений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- задержки отраженных импульсов продольной волны с номерами относительно первого отраженного импульса при действии напряжений после повторных измерений, нс, i=1... ;

- среднее значение задержки отраженного импульса продольной волны с номером относительно первого отраженного импульса при действии напряжений, нс;

- коэффициент вариации значений ;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

- значение задержки , приведенное к температуре 20°С, нс;

, , , - акустоупругие коэффициенты, 1/МПа;

, , , - упругоакустические (тензометрические) коэффициенты, МПа;

, - термоакустические коэффициенты, 1/град:

- относительное изменение скорости продольной упругой волны при изменении температуры на 1 градус;

- то же для поперечной волны.

3.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ОК - объект контроля;

НС - напряженное состояние;

СИ - средство измерений;

УИ - ультразвуковой импульс;

ЭАП - электроакустический преобразователь;

ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь;

ЭМАП - электромагнитноакустический преобразователь;

КУАС - коэффициенты упругоакустической связи.

4 Общие положения

4.1 Измерения напряжений в точке контроля выполняют методом акустоупругости в соответствии с общими требованиями ГОСТ Р 52731.

4.2 Направление распространения волн - перпендикулярно к плоскости действия измеряемых напряжений.

4.3 Схема прозвучивания материала соответствует эхо-методу ультразвукового контроля. Способ возбуждения упругих колебаний - контактный или бесконтактный в зависимости от используемого ЭАП. Рекомендуемы вид излучаемого сигнала - "радиоимпульс" с высокочастотным (ультразвуковым) заполнением, плавной огибающей и эффективной длительностью (на уровне 0,6 от максимальной амплитуды) от 2 до 4 периодов основной частоты.

4.4 Излучение и прием акустических сигналов проводится с помощью приемо-передающих (совмещенных) ЭАП продольных и поперечных волн.

Примечание - В качестве ЭАП могут быть использованы ПЭП по ГОСТ Р 55725 или специально разработанные ЭМАП.

4.5 Измеряемые напряжения являются усредненными по объему ультразвукового пучка, определяемого поперечными размерами ЭАП и толщиной материала. Как правило, это главные напряжения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волн. Величины напряжений отсчитываются от тех их значений, которые соответствуют начальным значениям акустических параметров, измеренным до возникновения напряжений.

4.6 Сложившиеся к настоящему времени подходы к контролю механических напряжений в материале акустическим методом обычно базируются на общих соотношениях акустоупругости [1]-[3].

Соответствующие уравнения связи скорости и времени распространения упругих объемных волн различной поляризации с действующими напряжениями в рамках матричной теории акустоупругости при отсутствии внешних тепловых и электромагнитных воздействий имеют обычный для линеаризованных соотношений вид:

, (1)

, (2)

где , - тензор напряжений в момент измерения и тензор начальных напряжений соответственно;

, - относительные изменения скорости и времени распространения упругих волн:

, (3)

, (4)

где и соответствуют напряжениям , и - начальным напряжениям .

В отсутствие начальных напряжений уравнения (1), (2) приобретают вид:

, (5)

(6)

4.7 Инженерные методики контроля напряжений с использованием наиболее распространенного акустического эхо-импульсного метода обычно базируются на измерениях временных интервалов между многократно отраженными импульсами упругих волн различной поляризации. В этой связи акустоупругие соотношения типа (6) представляются более предпочтительными.

4.8 Наиболее строгий подход к построению инженерных соотношений акустоупругости, базирующихся на измерении временных интервалов, предложен в работе [4], в которой на основе базовых уравнений (5) для случая плоского НС с главными напряжениями , в плоскости, перпендикулярной направлению распространения упругих волн, получены выражения, связывающие напряжения с задержками импульсов упругих волн двух типов: продольных и поперечных, поляризованных вдоль главных напряжений.

4.9 Материал большинства изделий машиностроения можно считать ортотропным. Если оси анизотропии материала считать направленными вдоль осей декартовых координат x и y соответственно, то волновой вектор для используемых объемных волн будет по направлению совпадать с осью z. Главные напряжения - продольное , и поперечное - лежат в плоскости z=0 и направлены вдоль осей x и y соответственно.

4.10 Формулы для расчета и имеют вид:

, (7)

, (8)

где , , , , ,

Тензометрические [3] или упругоакустические [4] коэффициенты рассчитываются по формулам:

, (9)

, (10)

, (11)

(12)

Входящие в формулы (9)-(12) параметры , , , выражаются через акустоупругие коэффициенты следующим образом:

, (13)

, (14)

, (15)

(16)

4.11 В том случае, когда материал ОК в соответствии с ГОСТ Р 52731 является акустически изотропным, для акустоупругих коэффициентов справедливы равенства:

, (17)

(18)

4.12 Тензометрические (упругоакустические) коэффициенты для акустически изотропного материала вычисляются по формулам:

, (19)

(20)

4.13 Тензометрические коэффициенты (КУАС), применяемые для расчета напряжений по измеренным акустическим задержкам, должны быть определены с максимально допустимой относительной погрешностью . Экспериментальное определение КУАС проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 55043 и приложения А настоящего стандарта.

4.14 Формулы для расчета и в случае акустически изотропного материала имеют вид:

, (21)

(22)

4.15 Влияние температуры на результаты измерения двухосных напряжений учитывают с помощью термоакустических коэффициентов, порядок определения которых приведен в приложении Б.

4.16 Рекомендуемый настоящим стандартом метод может служить основой для составления методики выполнения измерений по ГОСТ Р 8.563.

4.17 При разработке методики выполнения измерений необходима ее верификация на основании представительной базы испытанных ОК.

5 Требования безопасности

5.1 К выполнению измерений НС допускают операторов, обладающих навыками эксплуатации оборудования ультразвукового контроля, умеющих пользоваться национальными и отраслевыми нормативными и техническими документами по акустическим методам контроля, прошедших обучение работе с применяемыми СИ и аттестованных на знание правил безопасности в соответствующей отрасли промышленности.

5.2 При определении НС оператор должен руководствоваться ГОСТ 12.1.001, ГОСТ 12.2.003, ГОСТ 12.3.002 и правилами технической безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей по ГОСТ Р 12.1.019 и ГОСТ 12.1.038.

5.3 Измерения проводят в соответствии с требованиями безопасности, указанными в инструкции по эксплуатации аппаратуры, входящей в состав используемых СИ.

5.4 Помещения для проведения измерений должны соответствовать требованиям [5] и [6].

5.5 При организации работ по определению НС ОК должны быть соблюдены требования пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004.

6 Требования к средствам измерений

6.1 В качестве СИ могут быть использованы установки, собранные из серийной аппаратуры, и специализированные приборы для определения временных интервалов между многократно отраженными УИ, распространяющимися в материале ОК, сертифицированные и поверяемые в установленном порядке.

6.2 СИ должны обеспечивать проведение измерений эхо-методом с использованием УИ с плавной огибающей.

6.3 СИ должны обеспечивать возможность излучения и приема УИ с эффективной частотой от 2,5 до 10 МГц.

6.4 В комплект СИ должны входить прямые совмещенные или раздельно-совмещенные ЭАП, обеспечивающие излучение и прием импульсов продольных и поперечных упругих волн, распространяющихся по нормали к поверхности ОК.

Примечание - В качестве прямых совмещенных ПЭП поперечных волн могут использоваться преобразователи фирмы Panametrics (США).

6.5 Документация СИ должна содержать методику выполнения измерений, а также документы, устанавливающие:

- назначение и область применения СИ;

- состав и основные характеристики средств аппаратного и программного обеспечения, включая погрешности измерения параметров УИ;

- методы и средства достижения совместимости СИ, в том числе информационной, электрической, энергетической, программной, конструкторской, эксплуатационной.

6.6 Описание функциональных возможностей СИ в эксплуатационных, конструкторских и программных документах должно отражать характеристики аппаратного и программного обеспечения.

6.7 Эксплуатационные характеристики СИ должны соответствовать требованиям технических условий и настоящего стандарта.

6.8 Требования к программному обеспечению средств измерений

6.8.1 Программное обеспечение СИ должно обеспечивать возможность выбора любого отраженного УИ и поиск необходимых отсчетных точек профиля импульсов.

6.8.2 Программное обеспечение должно учитывать условия проведения акустических измерений на ОК, в частности температурный режим.

6.8.3 Первичная акустическая информация для каждой точки измерений должна постоянно храниться на внешних носителях, защищенных от несанкционированного доступа.

6.9 Вспомогательные устройства и материалы

6.9.1 Термопреобразователь поверхностный типа ТПП 13 или ТПП 10 по ГОСТ 6616 для измерения температуры поверхности ТД.

6.9.2 При использовании ПЭП требуются:

- шлифовальный инструмент для подготовки поверхности по ГОСТ 12.2.013.3;

- обезжиривающая жидкость (спирт по ГОСТ 17299 или ацетон по ГОСТ 2768) для подготовки поверхности;

- контактная жидкость.

7 Требов