Диагностика состояния стальных конструкций

В Институте проблем машиностроения РАН – филиале ИПФ РАН – разработаны способы оценки усталостной повреждённости сварных соединений углеродистых и метастабильных аустенитных сталей по данным ультразвуковых, вихретоковых и металлографических исследований.

Как правило, усталостное разрушение элементов конструкций, например, оболочек ядерных энергетических установок, паропроводов и др., происходит без видимых изменений, при этом в материале накапливаются микроповреждения с последующим образованием макротрещин и окончательным разрушением. Наличие сварных соединений увеличивает неоднородность структурного состояния материала, что негативным образом влияет на остаточный ресурс конструкции. Для диагностики конструкций широко применяются физические методы исследования.

С целью определения состояния материала на ранних стадиях разрушения разработаны способы оценки остаточного ресурса на базе структурно-чувствительных методов неразрушающего контроля.

Усталостная повреждённость углеродистых сталей определяется линейной комбинацией двух параметров: параметра повреждения поверхности – отношение общей площади обнаруженных грубых полос скольжения к площади наблюдаемой поверхности с помощью прямого наблюдения микроструктуры оптическим методом; и параметра повреждения в объёме – с помощью объёмных упругих волн. Оценка усталостной повреждённости метастабильных аустенитных сталей проводится путём определения соотношения скоростей (времен) распространения сдвиговых и продольных волн с учетом фазовых изменений, определяемых вихретоковым методом. В зоне термического влияния сварного соединения метастабильной аустенитной стали усталостную повреждённость предложено оценивать по данным измерений содержания ферромагнитной фазы с помощью вихретокового метода.

Рис. 1. Фотографии микроструктуры стали 20: а – исходное состояние; б –1000 циклов; в –3000 циклов.
Рис. 2. Связь относительного числа циклов деформации N/Nf c параметром повреждения поверхности D/Df (а) и изменением акустического двулучепреломления объёмных поперечных волн ΔB (б), сталь 20.

Таким образом, предложено три способа определения усталостной повреждённости для различных элементов конструкций, что значительно расширяет границы применимости методов неразрушающего контроля для диагностики фактического состояния материала.

Исследования поддержаны грантом РНФ 19-19-00637 «Исследование микромеханики разрушения конструкционных сталей с целью разработки способа оценки повреждённости методами акустического и вихретокового контроля» (2019–2021) и грантом РФФИ 20-38-70051 Стабильность «Исследование методами неразрушающего контроля процесса накопления структурной поврежденности при усталостном разрушении сварных соединений с применением новейших подходов цифровой обработки данных» (2020–2021).

Авторы: А. В. Гончар, К. В. Курашкин, В. В. Мишакин, В. А. Клюшников.

Публикации:

  1. Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Andreeva O.V., Anosov M.S., and Klyushnikov V.A. Fatigue life prediction of structural steel using acoustic birefringence and characteristics of persistent slip bands // Fatigue Fract Eng Mater Struct 2021; in print. DOI: 10.1111/ffe.13586
  2. Mishakin V.V., Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Klyushnikov V.A., and Kachanov M.L. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: Changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy // Int J Eng Sci 2021; 168: 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567
  3. Gonchar A.V., Klyushnikov V.A., Mishakin V.V., Anosov M.S. Ultrasonic and eddy-current fatigue monitoring of austenitic steel welded joints // Russ J Nondestruct Test 2021; 57: 570–578. DOI: 10.1134/S106183092107007X
  4. Mishakin V.V., Gonchar A.V., Klyushnikov V.A., Kurashkin K.V., Fomin A.E., and Sergeeva O.A. Monitoring the state of stainless steel under cyclic deformation by the acoustic and eddy current methods // Meas Tech 2021; 64: 145–150. DOI: 10.1007/s11018-021-01909-1