УДК: 620.179.14:620.178.3
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ-СВИДЕТЕЛИ
ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ
© 2019 г. В.Ф. Новиков1,*, Н.А. Дроздов1,**, С.М. Кулак1,***, К.Р. Муратов1,****,
Д.Ф. Нерадовский1,*****
1Тюменский индустриальный университет, Россия 625000 Тюмень, ул. Володарского, 38
Поступила в редакцию 20.04.2018; после доработки 01.06.2019
принята к публикации 14.06.2019
Для получения информации об усталостном состоянии и прогнозирования остаточного ресурса и надежности тех-
нических устройств необходимы соответствующие датчики и измерительные системы. Рассмотрена возможность ис-
пользования для создания беспроводных первичных преобразователей усталостной наработки элемента конструкции
наклеиваемых фольг, изготовленных из ферромагнитных материалов. Показано, что фольги толщиной 20—40 мкм, из-
готовленные из никеля, сплавов 50НП и 79НМ, существенно изменяют свои электромагнитные параметры при усталост-
ном нагружении и в перспективе могут быть использованы для разработки датчиков усталости.
Ключевые слова: предупреждение усталости, напряженное состояние, ферромагнитная фольга, усталостное разру-
шение, датчик усталости.
DOI: 10.1134/S0130308219080050
ВВЕДЕНИЕ
Определение эксплуатационного ресурса детали, конструкции машины, самолета и т.п. являет-
ся важной научно-практической задачей [1—3]. Недооценка этого фактора приводит к уменьшению
эксплуатационного ресурса изделий, а переоценка может привести к авариям и гибели людей. Поэто-
му необходимо иметь возможность предсказывать предразрушение конструкций прямо на объекте с
помощью контроля изменения физических свойств его материала [4—6] или датчиков (приклеивае-
мых, накладных), расширять их арсенал и функциональные возможности [7, 8].
Известны методы контроля ресурса с помощью наклеиваемых немагнитных фольг. Так, в
[7, 8] предложен метод определения усталостного ресурса с помощью датчиков деформации инте-
грального типа (ДДИТ). Они представляют собой хорошо отполированную немагнитную фольгу
(алюминий, медь, олово, индий), наклеенную на испытуемый образец. В процессе наработки в ней
накапливаются дефекты и она начинает темнеть. Информация с датчиков считывается оптическим
методом с помощью микроскопа и косвенно оценивается степень наработки элемента конструкции.
Цель предлагаемого исследования — поиск других материалов для разработки фольгового бес-
проводного преобразователя (датчика) усталости. Для этого предложено использовать ферромаг-
нитные фольги в качестве элемента датчика (преобразователя) и электромагнитный способ считы-
вания информации с помощью вихретокового дефектоскопа «Вектор» и разработанного прибора.
При этом может быть реализован более простой способ считывания получаемой информации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материал фольги интегрального датчика усталости должен быть с высокой структурной магнит-
ной чувствительностью, коррозионной стойкостью, необходимой прочностью и пластичностью.
В качестве материала для преобразователя выбраны коррозионно-стойкие, легко изготавлие-
мые в виде фольги толщиной 6—40 мкм никель и сплавы никеля 50НП и 79НМ. Физические свой-
ства материалов фольги и подложки приведены в табл. 1 [9—11].
Никель уже при нагрузках выше σт ~ 80 МПа подвергается пластической деформации и вслед-
ствие этого способен быстро накапливать дислокации и сбрасывать напряжения относительно под-
ложки, поэтому, несмотря на его сравнительно высокую магнитострикцию, на изготовленной из
никеля фольге в меньшей мере будут сказываться напряжения, обусловленные сопряжением фоль-
ги, клеевого соединения и подложки.
Пермаллой 79НМ имеет магнитострикцию, близкую к нулю, и поэтому на его электромагнит-
ных свойствах практически не скажутся напряжения, обусловленные клеевым слоем и термиче-
42
В.Ф. Новиков, Н.А. Дроздов, С.М. Кулак и др.
Таблица
1
Физические свойства фольг и подложки (испытываемого материала)
Коэффициент
Модуль
Предел
Предел
Магнито-
Удельное электро-
Магнитная
термического
Материал
упругости
текучести
прочности
стрикция
сопротивление ρ,
проницаемость
расширения
Е, ×105 МПа
σт, МПа
σв, МПа
λs ×10-6
Ом∙мм2/м
μ
α ×10-6
Ni
2,0
80
460
23
-34
0,072
102
50НП
1,6
146
440
8,9
27
0,45
103
79НМ
2,1
144
490
10,6
0
0,50
104
Углепластик
1,6
-
1940
0,4
0
1420
1
Клей БФ-2
-
-
19,6
-
-
-
-
12Х18Н9Т
1,94
216
530
16,6
0
0,7
1
ской деформацией. Термические деформации вследствие большой разницы коэффициентов тер-
мического расширения будут больше всего при работе со стекло- и углепластиками. Они составят
при перепаде температуре в 100 градусов заметную величину, но это будет уже термопластическая
деформация. И если она циклически повторяется, то формируется термоциклическая усталость
(например, у космических аппаратов).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения исследований были изготовлены прокаткой образцы фольги из химически чи-
стого никеля, а также ферромагнитных сплавов на его основе (79НМ-пермаллой, 50НП). Часть из
них была подвергнута высокотемпературному отжигу в вакууме (900 ºС).
Образцы размером ~30×10×0,02 мм крепились клеем БФ-2 на прямоугольные пластины раз-
мером 148×11,5×0,86 мм из немагнитной стали 12Х18Н9Т (рис. 1). Термообработка клеевого со-
единения проводилась в течение 1 ч при температуре 140 ºС.
Пластина с наклеенной на нее фольгой консольно крепилась в зажиме электромагнитного ви-
братора, питаемого низкочастотным генератором ГЗ-117 с усилителем, и совершала резонансные
колебания с частотой порядка 60 Гц. Величина измеренной тензометрическим методом относитель-
ной деформации растяжения пластины в месте ее крепления и расположения фольги при заданной
амплитуде вибрации A ~ 15 мм составила ε = 0,00183, модуль упругости стали — ~190 000 МПа
(см. табл. 1), максимальные напряжения изгиба пластины — на уровне ~350 МПа [12]. Количество
циклов N нагружения каждой пластины определялось по времени его осуществления.
Рис. 1. Расположение девяти контрольных точек измерения параметров вихретокового сигнала на датчике усталости
(фольге) испытуемого пластинчатого образца.
Поскольку механические свойства материалов фольг и их геометрические размеры уступают
стали 12Х18Н9Т, то следует ожидать их практически одновременного разрушения.
На каждой фольге были отмечены по девять точек измерения, расположенных на трех равно-
удаленных друг от друга и краев фольги осях изгибной деформации. Точки с порядковыми номера-
ми 1, 2, 3 были ближе к месту консольного крепления испытуемого образца, следовательно, в них
фольга испытывала наибольшие деформации. Минимальные осевые деформации растяжения/сжа-
тия фольги изгибом создавались в точках 7, 8, 9, а среднего уровня напряжения фольга испытывала
в точках 4, 5, 6. С каждой точки фольги снимались показания
Z = X +i⋅Y вихретокового прибора
«Вектор» с интервалом 5 мин [13].
Дефектоскопия
№ 8
2019
Электромагнитные преобразователи-свидетели предразрушения конструкции
43
Перед испытанием производилась калибровка вихретокового преобразователя на эталонном
образце: отдельно определялся сигнал от стали, фольги, стали с наклеенной фольгой. Так как маг-
нитная проницаемость фольг на 2-4 порядка выше (см. табл. 1), их полное сопротивление на 1-2
порядка выше, чем от стальной поверхности. Вследствие чего, вихретоковый прибор «Вектор»
загрублялся так, чтобы сигнал от приклеенной фольги составлял несколько десятков единиц, а сиг-
нал от стали —единицы, то есть практически не влиял на результаты измерений.
В предлагаемой работе усталостные испытания образцов продолжались до разрушения не-
сущей пластины из стали 12Х18Н9Т вблизи ее зажима в испытательной вибрационной машине,
которое проявляется в падении частоты электромагнитного преобразователя, расположенного на
фольге. После этого опыт прекращался, снималось число N полных циклов нагружения, испы-
танных пластиной. При испытаниях разрушается и фольга (появляются трещины, показанные
на рис. 5, 6). При этом количество циклов N, испытанных пластинами с фольгами из не отожжен-
ных Ni и сплава 50НП до появления явной трещины, составило ~139 000 и 135 000 соответ-
ственно, а пластинами с фольгой из сплава 79НМ — до 250 килоциклов (достижения максимума
резонансной частоты прибора) (рис. 9). После отжига фольга из 50НП испытала большее число
циклов нагружения до разрушения пластины (~153 000 циклов).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам измерения параметров вихретокового сигнала [12] были построены графики за-
висимостей вещественной X и мнимой Y компонент от количества колебательных циклов N. На
рис. 2—4, 7, 8 приведены результаты измерения мнимой компоненты Y параметра
Z для разных марок
железоникелевой фольги в точках 2, 5, 8, расположенных вдоль ее средней линии на разном расстоянии
от места консольного крепления в зависимости от числа циклов нагружения. В остальных шести точ-
ках велико влияние на уровень сигнала краевых эффектов и в анализе эти результаты не учитывались.
90
70
50
30
10
-10
0
50
100
150
N, килоциклов
-30
Рис. 2. Зависимость мнимой компоненты Y безразмерного параметра Z в разных точках средней линии не отожженной
(наклепанной) никелевой фольги толщиной 20 мкм от числа циклов N ее нагружения до разрушения:
■ — точка 5 в центре фольги; ♦ — точка 2;▲ — точка 8.
Из рис. 2 следует, что с увеличением числа циклов нагружения выходной сигнал монотонно рас-
тет до 40 000 циклов, практически не изменяется в диапазоне 40—120 тысяч, затем начинается его
резкое увеличение вплоть до разрушения пластины. Монотонный рост сигнала от фольги пермал-
лоя (см. рис. 3) переходит в его резкое увеличение после 250 тысяч циклов нагружения. Аналогич-
ное увеличение уровня сигнала перед разрушением наблюдается у фольги из сплава 50НП после
100 тысяч циклов деформации (см. рис. 4). При упругом циклическом деформировании стальной
пластины изгибом в ее микрообъемах (в отдельных слабых зернах, вблизи дефектов) происходит
локальное знакопеременное пластическое (микропластическое) деформирование. Ее многократное
повторение приводит к зарождению микроскопических трещин. Постепенное их развитие и сли-
яние в магистральную трещину приведет к ослаблению сечения пластины и затем ее внезапному
долому. Поскольку фольга имеет небольшую толщину, то она испытывает при жестком клеевом
соединении почти такую же деформацию, как и основа (пластина). Поэтому подобные изменения
происходят и в наклеенной фольге. Возникновение в основе магистральной трещины (рис. 6) при-
водит в ряде случаев и к разрыву фольги (рис. 5). В ней зарождаются новые дефекты, дислокации и
Дефектоскопия
№ 8
2019
44
В.Ф. Новиков, Н.А. Дроздов, С.М. Кулак и др.
40
30
20
10
0
0
100
200
300
-10
N, килоциклов
-20
Рис. 3. Зависимость мнимой компоненты Y безразмерного параметра Z в разных точках средней линии не отожженной
(наклепанной) пермаллоевой фольги толщиной 20 мкм от числа циклов N ее нагружения до разрушения:
■ — точка 5 в центре фольги; ♦ — точка 2; ▲— точка 8.
30
25
20
15
10
5
0
50
100
150
N, килоциклов
Рис. 4. Зависимость мнимой компоненты Y безразмерного параметра Z в разных точках средней линии не отожженной
(наклепанной) фольги из сплава 50НП толщиной 40 мкм от числа циклов N нагружения до появления магистральной
трещины:
■ — точка 5 в центре фольги; ♦ — точка 2;▲ — точка 8.
формируются концентрация (возможно и релаксация у фольги из 50НП) внутренних механических
напряжений, зарождение и развитие микротрещин (см. рис. 5) [1—3]. Все эти структурные измене-
ния фольги будут увеличивать ее омическое сопротивление, уменьшать магнитную проницаемость
и, как следствие, приводить к росту частоты электромагнитного резонанса, возбуждаемого в ней с
помощью накладного электромагнитного преобразователя, питаемого от автогенератора (рис. 9).
Трещина
Рис.
5. Микрофотография пермаллоевой фольги
Рис. 6. Фотография стальной пластины (масштаб 1:5) с
с трещиной после усталостных испытаний.
образовавшейся в ней в ходе усталостных испытаний на
изгиб магистральной трещиной вблизи зажима в месте
расположения пермаллоевой фольги.
Дефектоскопия
№ 8
2019
Электромагнитные преобразователи-свидетели предразрушения конструкции
45
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
-5
-10
N, килоциклов
Рис. 7. Зависимость мнимой компоненты Y безразмерного параметра Z в разных точках средней линии отожженной
фольги из 50НП толщиной 40 мкм от числа циклов N ее нагружения:
■ — точка 5 в центре фольги; ♦ — точка 2; ▲— точка 8.
-1
0
20 000
40 000
60 000
80 000
-6
-11
-16
-21
N, циклов
Рис. 8. Зависимость мнимой компоненты Y безразмерного параметра Z в разных точках средней линии отожженной
пермаллоевой фольги толщиной 20 мкм от числа циклов N ее нагружения:
■ — точка 5 в центре фольги; ▲ — точка 2; ♦ — точка 8.
Резкое увеличение сигнала вихретокового датчика, снимаемого с испытываемой фольги из ни-
келя и сплавов железа с никелем незадолго до появления магистральных трещин в пластине раз-
рушения, представляет интерес для диагностики предельного ресурса испытываемого материала
как параметр для предупреждения критической ситуации элемента конструкции.
После отжига в вакууме при 900 ºС происходит рекристаллизация материала фольги, плотность
дефектов уменьшается, материал приобретает большую пластичность, магнитная проницаемость
увеличивается, а электросопротивление падает. В этом случае увеличивается чувствительность
фольги к усталостным нагружениям.
На рис. 7 показано, что мнимая компонента Y безразмерного параметра Z отожженной фольги
из сплава 50НП монотонно растет с увеличением числа N циклов нагружения. Более крутой рост
перед разрушением уже не так ярко выражен как у не отожженных фольг. Отжиг увеличивает на-
клон кривой и сдвигает точку резкого увеличения сигнала в сторону большего числа циклов. У
пермаллоя (см. рис. 8) диапазон изменений значительно больше. Это позволяет, на наш взгляд,
вариацией термообработки адаптировать чувствительность фольги к усталостным нагружениям.
Показания вихретокового прибора относительны, требуют настройки перед измерениями, по-
этому была поставлена и решена задача создания прибора, который позволял бы отслеживать уста-
лостные изменения фольги.
Опираясь на полученные результаты вихретокового контроля, изготовили П-образный индук-
тивный преобразователь, который вместе с исследуемой фольгой представляет датчик-свидетель
контроля усталостных изменений нагружаемой пластины (см. рис. 9) [14, 15].
Из рис. 10 видно, что частота LRC-генератора, совмещенного с фольгой, растет с увеличением
числа циклов вначале медленно, а затем резко, отражая убыль магнитной проницаемости и рост
электросопротивления фольги в процессе усталостных испытаний.
Дефектоскопия
№ 8
2019
46
В.Ф. Новиков, Н.А. Дроздов, С.М. Кулак и др.
4
Генератор Колпитца
3,5
3
3
2,5
2
2
1,5
1
0,5
1
0
Испытуемый образец
0
50
100
150
200
250
N, килоциклов
Рис. 9. Схема преобразователя электромагнитных
Рис.
10. Зависимость приращения частоты сигнала
параметров фольг:
электромагнитного преобразователя, установленного
1 — слой клея; 2 — электромагнитный преобразователь
на фольге НП-50, от числа колебательных циклов N
(фольга); 3 — П-образный электромагнит.
ее нагружения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Предложено использовать для разработки беспроводных датчиков усталости фольги, изго-
товленные из никеля и его сплавов, а информацию об усталостных изменениях получать или с
помощью накладного вихревого датчика прибора «Вектор», или генератора LRC c накладным пре-
образователем.
2. Показано, что электромагнитные свойства ферромагнитных фольг толщиной 20—40 мкм
чувствительны к усталостному воздействию и могут быть использованы для создания беспровод-
ных датчиков-индикаторов усталостного разрушения элементов конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев:
Наукова думка, 1981. 344 с.
2. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М.: Наука, 2015. 479 с.
3. Нестеренко Б.Г. Развитие нормативных требований к усталости и живучести гражданских транс-
портных самолетов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. № 6. С. 51—55.
4. Новиков В.Ф., Семенов В.В., Бахарев М.С., Исаков В.В. О возможности нepaзpyшающего опреде-
ления предела выносливости стали 20Н2М // Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 65—71.
5. Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я., Елкина Е.И., Соломаха Р.Н. Контроль усталости металла коэрцитиме-
трическим методом как объективная первооснова диагностики оборудования и конструкций / В мире
неразрушающего контроля. СПб.: Изд-во ООО «Свен», 2009. № 2(44). С. 28—32.
6. Муратов К.Р., Новиков В.Ф., Нерадовский Д.Ф., Казаков Р.Х. Магнитоупругое размагничивание
стали под действием циклического нагружения // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119.
№ 1. С. 19—25.
7. Панин С.В., Бурков М.В., Любутин П.С., Алтухов Ю.А., Хижняк С.А. Применение датчиков дефор-
мации интегрального типа для оценки усталостной поврежденности углеродных композитов // Дефек-
тоскопия. 2014. № 5. С. 47—59.
8. Сызранцев В.Н., Голофаст С.Л. Измерение циклических деформаций и прогнозирование долговеч-
ности деталей по показаниям датчиков деформации интегрального типа. Новосибирск: Наука, 2004. 206 с.
9. Прецизионные сплавы / Справочник. Под ред. Б.В. Молотилова. М.: Металлургия, 1974. 448 с.
10. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Физические основы прочности материалов: учебное пособие. Долго-
прудный: Издательский дом «Интеллект», 2013. 376 с.
11. Мишин Д.Д. Магнитные материалы.1981. OZON.ru. 335 с.
12. Дроздов Н.А. Электромагнитные преобразователи — свидетели предразрушения конструкции /
В сб.: Новые технологии нефтегазовому району. Матер. Всерос. с междунар. участием научно-практ.
конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. 2015. С. 154—157.
13. Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. М.: Изд-во Спектр, 2011.
223 с.
14. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: ИНФРА-М, 2010. 432 с.
15. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.
М.: Додэка-XXI, 2011. 528 с.
Дефектоскопия
№ 8
2019
