Identyfikacja obszarów koncentracji naprężenia w elementach ferromagnetycznych za pomocą metody magnetycznej pamięci

Podobne dokumenty
OBLICZANIE KÓŁK ZĘBATYCH

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

BADANIE OBSZARU KONCENTRACJI NAPRĘśEŃ W DRUTACH ORTODONTYCZNYCH ZA POMOCĄ METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU. Kurowska Anna

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

ANALIZA WYKRYWALNOŚCI WAD POŁĄCZEŃ SPAWANYCH METODAMI ULTRADŹWIĘKOWĄ I MPM

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

PRÓBA OPRACOWANIA PROCEDURY OCENY UZĘBIEŃ KÓŁ ZĘBATYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wyboczenie ściskanego pręta

Politechnika Białostocka

Integralność konstrukcji w eksploatacji

WYKRYWANIE USZKODZEŃ W LITYCH ELEMENTACH ŁĄCZĄCYCH WAŁY

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

α k = σ max /σ nom (1)

Defi f nicja n aprę r żeń

WYKŁAD 15 WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MAGNESÓW TRWAŁYCH

Ćwiczenie 5 POMIARY TWARDOŚCI. 1. Cel ćwiczenia. 2. Wprowadzenie

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

Badanie zmęczenia cieplnego żeliwa w Instytucie Odlewnictwa

10. Analiza dyfraktogramów proszkowych

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

Spis treści. Przedmowa 11

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Mechanika Doświadczalna Experimental Mechanics. Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Spis treści Przedmowa

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

Wpływ nieliniowości elementów układu pomiarowego na błąd pomiaru impedancji

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

Politechnika Poznańska

Zbigniew H. ŻUREK BADANIA STANU FERROMAGNETYCZNYCH ELEMENTÓW MASZYN W POLU MAGNETYCZNYM

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

Badania eksperymentalne wpływu geometrii na sygnał diagnostyczny w metodzie magnetycznej pamięci metalu

Tabela 3.2 Składowe widmowe drgań związane z występowaniem defektów w elementach maszyn w porównaniu z częstotliwością obrotów [7],

Zastosowanie Metody Magnetycznej Pamięci Metalu do badań uzębień kół zębatych

Modele materiałów

Analiza możliwości identyfikacji stanu wytężenia lin stalowych na podstawie pomiarów właściwości magnetycznych

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

wiczenie 15 ZGINANIE UKO Wprowadzenie Zginanie płaskie Zginanie uko nie Cel wiczenia Okre lenia podstawowe

Podstawy Badań Eksperymentalnych

Metoda Elementów Skończonych

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wyłączenie redukcji parametrów wytrzymałościowych ma zastosowanie w następujących sytuacjach:

PRZECIWZUŻYCIOWE POWŁOKI CERAMICZNO-METALOWE NANOSZONE NA ELEMENT SILNIKÓW SPALINOWYCH

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

Przekładnie ślimakowe / Henryk Grzegorz Sabiniak. Warszawa, cop Spis treści

Rys. 1. Obudowa zmechanizowana Glinik 15/32 Poz [1]: 1 stropnica, 2 stojaki, 3 spągnica

LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

Analityczne Modele Tarcia. Tadeusz Stolarski Katedra Podstaw Konstrukcji I Eksploatacji Maszyn

PL B1. Sposób kątowego wyciskania liniowych wyrobów z materiału plastycznego, zwłaszcza metalu

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

ĆWICZENIE NR.6. Temat : Wyznaczanie drgań mechanicznych przekładni zębatych podczas badań odbiorczych

Analiza możliwości ograniczenia drgań w podłożu od pojazdów szynowych na przykładzie wybranego tunelu

CHARAKTERYSTYKA MECHANIZMÓW NISZCZĄCYCH POWIERZCHNIĘ WYROBÓW (ŚCIERANIE, KOROZJA, ZMĘCZENIE).

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych. Sterowanie odbiornikiem hydraulicznym z rozdzielaczem typu Load-sensing

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Pasywne metody magnetyczne wstęp do badań kryminalistycznych

H a. H b MAGNESOWANIE RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL BUP 15/06

STANOWISKOWE BADANIE ZESPOŁU PRZENIESIENIA NAPĘDU NA PRZYKŁADZIE WIELOSTOPNIOWEJ PRZEKŁADNI ZĘBATEJ

Nowy kierunek w diagnostyce technicznej metoda Magnetycznej Pamięci Metalu

Osiadanie kołowego fundamentu zbiornika

AUTOMATYKA I STEROWANIE W CHŁODNICTWIE, KLIMATYZACJI I OGRZEWNICTWIE L2 STEROWANIE INWERTEROWYM URZĄDZENIEM CHŁODNICZYM W TRYBIE P

Ćwiczenie 4 WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza. Ćwiczenie nr 4

KOOF Szczecin:

RHEOTEST Medingen Reometr RHEOTEST RN: Zakres zastosowań Smary

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Pomiar prędkości światła

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Sprawozdanie. z ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: Współczesne Materiały Inżynierskie. Temat ćwiczenia

POMIAR TEMPERATURY CURIE FERROMAGNETYKÓW

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

Oddziaływanie wirnika

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 41: Busola stycznych

Transkrypt:

JURASZEK Janusz 1 Identyfikacja obszarów koncentracji naprężenia w elementach ferromagnetycznych za pomocą metody magnetycznej pamięci WSTĘP Metoda MPM umożliwia lokalizacje niebezpiecznych stref koncentracji naprężeń w badanym elemencie ferromagnetycznym konstrukcji poprzez pomiar natężenia pola magnetycznego i opiera się w głównej mierze na efekcie magnetosprężystym [1,7]. Zjawisko magnetosprężyste, zwane inaczej efektem Villiarego zostało odkryte w 1865 roku i polega na zmianie stopnia namagnesowania danego elementu w wyniku jego obciążania. Jeżeli materiał ferromagnetyczny znajdzie się w słabym zewnętrznym polu magnetycznym, to pod wpływem naprężenia zmieni się jego namagnesowanie. Wynika stąd, że występujące w jakimkolwiek miejscu konstrukcji ferromagnetycznej znajdującej się w polu magnetycznym Ziemi naprężenie cykliczne zmienne Δσ spowoduje miejscowy wzrost indukcji szczątkowej. Zjawisko to jest zjawiskiem odwrotnym do zjawiska magnetostrykcji. Pod wpływem naprężeń zmienia się stopnień namagnesowania, przy czym zdecydowanie większy przyrost indukcji uzyskuje przy pierwszym cyklu obciążeniowym niż przy drugim był on mniejszy. W ogólnym przypadku stopień namagnesowania zależy od temperatury, rodzaju materiału, natężenia pola zewnętrznego, historii magnesowania oraz odkształcenia. Skale zjawiska magnetosprężystego opisuje tzw. współczynnik czułości zjawiska magnetosprężystego λ. Współczynnik ten wyraża się jako stosunek zmiany indukcji magnetycznej do przyrostu naprężenia, które tą zmianę wywołało Współczynnik λ określany jest przy ustalonych wartościach natężenia pola magnetycznego H i temperatury T, ponadto przy podawaniu wartości λ należy określić zakres odkształceń, w którym taka czułość występuje. Wynika to z faktu, iż zjawisko magnetosprężyste zależy od warunków zewnętrznych (H,T) i stanu naprężeń w elemencie. Współczynnik czułości zjawiska magnetosprężystego wyraża się wzorem: gdzie: ΔB- przyrost indukcji, Δσ- przyrost naprężeń. W wyniku naprężeń od obciążeń użytkowych i niedoskonałości procesów krystalizacji w strukturze nowopowstałego elementu tworzą się wady. W ten sposób formuje się siatka krystalograficzna i odpowiednia do niej struktura magnetyczna materiału, która koduje w sobie informacje o defektach i naprężeniach. W defektach utworzonej siatki (w miejscach skupisk dyslokacji) powstają punkty zaczepienia granic domen, które powodują powstanie linii wzdłuż, której składowa normalna WMPR jest równa zero (H n =0) natomiast składowa styczna osiąga lokalne ekstremum. W licznych wcześniejszych badaniach wykazano, że powstałe w ten sposób, naturalne namagnesowanie materiału, odzwierciedla strukturalną i technologiczną dziedziczność, a linia H n =0 pokrywa się z linią koncentracji naprężeń. WMPR powstałe nad wadą ma podobny rozkład do pola magnetycznego magnesu sztabkowego. Nad krawędziami pęknięcia składowa normalna osiąga wartości maksymalne i przechodzi przez zero na środku wady. Składowa styczna osiąga maksimum nad środkiem wady co pokazano na rysunku 1. Przeciwległe krawędzie pęknięcia zachowują się jak bieguny, w wyniku czego powstaje mały magnes o szerokości szczeliny (pęknięcia). W wyniku (1) 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna Zakład Budownictwa, ul. Willowa 2, 43-300 Bielsko-Biała, Tel.: 338279191, jjuraszek@ath.bielsko.pl 4966

działania naprężenia na materiał, w którym znajduje się wada zwiększa się poziom namagnesowania tego elementu i tym samym rośnie natężenie pola rozproszonego przez wadę. Rys. 1. Modelowy rozkład składowych WMPR nad wadą: a) składowa normalna Hn ; b) składowa styczna Ht [2] Powstanie rozproszonego pola magnetycznego jest konsekwencją pojawienia się składowej indukcji prostopadłej do powierzchni badanego elementu. Składowa ta powstaje z powodu natrafienia przez strumień indukcji wewnątrz elementu na obszar o odmiennej przenikalności magnetycznej. Współczynnik czułości zjawiska magnetosprężystego można przekształcić następujący sposób:, oraz uwzględniając składową normalna własnego pola rozproszenia: można zapisać w postaci : (2) Jak widać z powyższego wzoru (2) składowa normalna WMPR H n jest wprost proporcjonalna do zmiany naprężenia Δσ i zależy od czułości efektu magnetosprężystego badanego elementu [2,8,9]. Ścisła zależność między składową H n, a naprężeniami σ lub odkształceniem zależy od wielu czynników: natężenia pola magnesującego, rodzaju materiału, temperatury, a także rodzaju odkształcenia. 1 BADANIA POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Badaniami objęto połączenia spawane stosowane w budowie zbiorników ciśnieniowych. Są to odpowiedzialne konstrukcje inżynierskie, w których występuje problem oceny jakości wykonanych złącz w nowym zbiorniku jak również w trakcie eksploatacji. Bardzo istotnym było by wcześniejsza lokalizacja obszarów koncentracji naprężeń, oraz możliwość oceny stopnia wytężenia. Takie możliwości daje połączenie możliwości metody MPM z kalibracją za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej [4,5,6]. W połączeniu spawanym wykonywanym nawet najnowszymi technologiami występuje stosunkowo wysoki poziom naprężeń własnych dochodzący do 600MPa. Nie są one wprost zazwyczaj uwzględniane w obliczeniach konstrukcji. W trakcie eksploatacji połączenie jest poddawane zmiennym w czasie obciążeniu. Powstaje więc pytanie jaki poziom naprężeń występuje w połączeniu na przykład po 10-cio letnim okresie eksploatacji. W zależności od wzajemnego usytuowania łączonych części rozróżnia się trzy zasadnicze grupy połączeń spawanych : doczołowe, zakładkowe i krzyżowe. Rozkład naprężeń residualnych można wyznaczyć za pomocą symulacji numerycznych MES. Przykładowe rozkłady naprężeń zaczerpnięto z pracy [8] i zostały one przedstawione na rysunku 2. 4967

Rys.2. Rozkłady naprężeń w kierunkach X,Y,Z (2a,b,c) oraz naprężenia zredukowanego (2.d) dla połączenia spawanego laserem dwóch blach Nową możliwość szacowania poziomu naprężeń daje implementacja metody magnetycznej pamięci metalu. W tym celu przygotowano algorytm postępowania dla połączeń spawanych. Składa się on z trzech etapów: A0- wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych materiału przeznaczonego na odpowiedzialne połączenia spawane - ten etap jest wymagany przez przepisy UDT; A1- wykonanie próbek wzorcowych /połączeń spawanych/ i zeskanowanie ich obrazów magnetycznych w szczególności rozkładu dht/dx oraz przeprowadzanie kalibracji za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej a następnie przeprowadzenie badań zmęczeniowych. A2- okresowe - /po określonej liczbie cykli obciążeniowych/ sprawdzanie rozkładu wybranej wielkości magnetycznej i szacowanie poziomu naprężeń- kalibracja za pomocą metody defryakcji rentgenowskiej A3- identyfikacja obszarów koncentracji naprężenia - szacowanie wartości naprężenia W pierwszym etapie wyznaczono właściwości wytrzymałościowe próbek płaskich spawane wykonane z materiału P265GH o specjalnym kształcie. Następnie określono parametry cyklu zmęczeniowego tak by odzwierciedlał on obciążenia występujące w połączeniu spawanym płaszcza i dennicy zbiornika ciśnieniowego. Przyjęto następujące parametry cyklu zmęczeniowego: max R e 300MPa 0,7x300MPa 210MPA min max 210MPa 140MPa 70MPa gdzie: max, min największa i najmniejsza wartość naprężenia zmiennego. Przyjęto siłę międzyszczytowej amplitudy drgań jako : 4968

F So 140 60 8, 4kN oraz liczbę cykli zmęczeniowych dla próbki nr 1 3x10 5 oraz dla próbki nr 2 6x10 5 cykli. 1.1 Badania próbek spawanych zbiorników ciśnieniowych za pomocą MMPM Badanie za pomocą metody MPM przeprowadza się zgodnie ze stosowną norma odniesienia. Przed przystąpieniem do badań każdorazowo przeprowadzano kalibrację przyrządu względem pola magnetycznego Ziemi. Podczas wykonywania kontroli przetwornik ferromagnetyczny położony jest prostopadle do kontrolowanej powierzchni i przesuwany wzdłuż spoiny oraz prostopadle do niej. Wartości natężenia pola magnetycznego H przesyłane są w trybie ciągłym lub dyskretnym do urządzeni rejestrującego, na ekranie którego możemy obserwować zmianę sygnału i wartości H pola wskazujące na koncentrację naprężeń wzdłuż linii H=0. Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono następującej kolejności: - próbka nr 1 przed badaniem zmęczeniowym przedstawiona na rysunku 3, próbka nr 1 po badaniu zmęczeniowym (3x10 5 cykli)na rysunku 4, próbka nr 2 po badaniu zmęczeniowym (6x10 5 cykli) W wyniku przeprowadzonej próby zmęczeniowej (3x10 5 cykli) nastąpiła zmiana znaku polaryzacji składowej normalnej. Przejście składowej normalnej przez linię 0 w badaniu po próbie zmęczeniowej nastąpiło dokładnie w miejscu istniejącej spoiny. Również w tym obszarze można zaobserwować wzrost wartości gradientu składowej normalnej. Można w tym miejscu bardzo wyraźnie zaznaczoną strefę koncentracji naprężeń. Rys.3. Magnetogram dla próbki nr 1 przed próbą zmęczeniową liczba cykli n=0 (gradient składowej stycznej) Rys.4. Magnetogram dla próbki nr 1 po próbie zmęczeniowej liczba cykli n=300000 (gradient składowej stycznej) Największa wartość natężenia pola magnetycznego dla składowej stycznej oraz jej maksymalny gradient odpowiadają miejscu przejścia czujnika przez spoinę spawalniczą. Można zaobserwować wzrost gradientów składowej stycznej w początkowym i końcowym obszarze odcinka pomiarowego po próbie zmęczeniowej. Są to miejsca przejścia z szerokiego uchwytu mocującego próbkę do wąskiej części badanej. Przejście składowej normalnej przez linię 0 w badaniu po próbie zmęczeniowej nastąpiło dokładnie w miejscu istniejącej spoiny. Również w tym obszarze można zaobserwować znaczący wzrost maksymalnej wartości gradientu składowej normalnej przed próbą 22 (A/m)/mm; po próbie 42 (A/m)/mm. W tym miejscu zlokalizowano bardzo wyraźnie zaznaczoną strefę koncentracji naprężeń. Dalsze badania zmęczeniowe (6x10 5 cykli) powodują stosunkowo niewielki wzrost wartości natężenia pola magnetycznego w obszarze spoiny spawalniczej przed próbą 4969

120A/m do wartości po przeprowadzonej próbie -140A/m. Największa wartość natężenia pola magnetycznego dla składowej stycznej oraz jej maksymalny gradient odpowiadają miejscu przejścia czujnika przez spoinę spawalniczą. Również w tym obszarze można zaobserwować istotny bo 100% wzrost wartości gradientu składowej stycznej przed próbą 18 (A/m)/mm; po próbie 36 (A/m)/mm. 2 BADANIA DYFRAKCYJEN PRÓBEK POŁĄCZEŃ SPAWANYCH ZBIORNIKÓW CIŚNIENIOWYCH Zgodnie z zamieszczonym wcześniej algorytmem postępowania dla połączeń spawanych przeprowadzono kalibracje wyników otrzymanych za pomocą metody MPM metodą dyfrakcji rentgenowskiej [10,11]. Badanie umożliwiło wyznaczenie naprężeń w próbce połączenia spawanego. Badania przeprowadzono za pomocą automatycznego dyfraktometru D8 Advance. Pomiar polegał na umieszczeniu próbki w uchwycie stolika pomiarowego, wybraniu odpowiedniej metody, uruchomieniu próby. Wyniki pomiarów odkształceń siatki krystalograficznej otrzymywane są na podstawie związków fizycznych i przeliczane za pomocą specjalnego oprogramowania na wartości naprężeń. Na rysunku 5 zamieszczono wykres zależności naprężenia wyznaczone z pomiarów dyfrakcyjnych od wartości pomiarów składowej stycznej WRPM dla próbki spawanej poddanej próbie zmęczeniowej w ilości 300000. Rys. 5. Gradient składowej stycznej a naprężenia z metody dyfrakcji rentgenowskiej dla próbki spawanej Z praktycznego punktu widzenia dla próbek spawanych istotne są trzy obszary badania próbki metodą dyfrakcji rentgenowskiej, w których otrzymano następujące wartości naprężeń: spoina poziom naprężeń 262 MPa odpowiada gradientowi H p t 24 A/m/mm strefa wpływu ciepła poziom naprężeń 138 MPa odpowiada gradient H p t 14,5 A/m/mm poza strefą wpływu ciepła poziom naprężeń 32 MPa odpowiada gradient H p t 4 A/m/mm Przeprowadzono porównanie wartości naprężeń wyznaczonych z metody dyfrakcji rentgenowskiej z wielkościami magnetycznymi a konkretnie wartości gradientu składowej stycznej rozproszonego pola magnetycznego. 3 BADANIE POZIOMU WYTĘŻENIA ELEMENTÓW MASZYN ZA POMOCĄ METODY MPM Podczas eksploatacji maszyn pojawiają się różne formy zużycia. Jedną z nich jest pitting nazywany również zużyciem wykruszającym. Występuje on w smarowanym styku, a jego przyczyną jest głównie zmęczenie warstwy wierzchniej. W zespołach maszynowych pitting występuje w układach, które są bezpośrednio w kontakcie z substancją smarującą (łożyskach tocznych, przekładniach zębatych, napędach krzywkowych). Uszkodzenie warstwy wierzchniej powoduje powstanie wyrwy, do której dostaje się substancja smarująca. Wyrwa wypełniona smarem zostaje poddana działaniu siły (np. dociśnięcie wyrwy w bieżni kulką w łożysku tocznym) co powoduję 4970

zwiększeniu ciśnienia i powiększaniu się uszkodzenia. Proces zużycia wykruszającego składa się z 3 faz: tworzenie się mikroszczelin pod wpływem zmęczenia, rozklinowanie mikroszczelin pod wpływem wtłaczania smaru podczas przetaczania elementów po sobie, wyrywanie cząstek materiału z warstwy wierzchniej. Nowe możliwości odpowiednio wczesnego wykrywania obszarów zużycia daje metoda magnetycznej pamięci metalu. Sprzęgniecie tej metody z metodą dyfrakcji rentgenowskiej umożliwia szacowanie poziomu naprężeń intensywnie eksploatowanych powierzchni wybranych części maszyn. Symulacja procesów zużycia w postaci zjawiska pittingu przeprowadzono powierzchni specjalnie przygotowanych do tego celu stożków zgodnie z normą przedmiotową w aparacie 4-ro kulowym. Aparat cztero-kulowy T-02 przeznaczony jest do wyznaczania w własności przeciwzatarciowych i przeciw-zużyciowych olejów i smarów. Po zainstalowaniu dodatkowego wyposażenia aparat służy do badania powierzchniowej trwałości zmęczeniowej według metody ujętej w normie IP300. Prędkość obrotowa 1700obr/min. Schemat aparatu przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Schemat aparatu czterokilowego i stożka do badania pittingu Eksperyment polegał na obciążaniu 4 stożków A, B, C, D na torze próby pittingu jak rów nież poza torem odpowiednio dobraną siłą. Przeprowadzono analizę powierzchni badanych stożków za pomocą metody magnetycznej pamięci. Ze względu na niewielkie gabaryty stożka nie było możliwe zastosowanie czujnika magnetycznego ze znacznikiem drogi w postaci rolki o promieniu 10mm. Zastosowano czujniki typu pen z opcją timera z częstotliwością 10Hz. Oś czujnika powinna być pod kątem prostym w stosunku do powierzchni stożka. W tym celu zbudowano specjalne stanowisko z materiału nie będącego ferromagnetykiem przedstawione na rysunku 6, które umożliwiło zamocowanie czujnika pomiarowego w pozycji nieruchomej oraz osadzenie badanego stożka na obrotowej podstawie z naniesioną podziałką kątową ułatwiającą przeprowadzenie pomiaru. Rys. 6. Stanowisko do badania zjawiska pittingu 4971

Wyniki pomiarów rozkładu składowych rozproszonego pola magnetycznego przedstawiono na rysunku 7. Miejsca przecięcia wykresu biegunowego dla składowej stycznej przez linię 0 określają obszary występowania pierwszych mikro-pęknięć. Rys. 7. Magnetogram dla stożka A po badania zjawiska pittingu W następnym etapie przeprowadzono badania dyfrakcyjne w wybranych punktach powierzchni stożka A. Przykładowe dyfraktogramy przedstawia rysunek 8. Otrzymane dyfraktogramu umożliwiły wyznaczenie wartości naprężeń w wybranych punktach stożka. Rys. 8.Dyfraktogram bieżni stożka nr A wykonany w geometrii Bragg-Brentano -30 stopni 4972

Korelację zależności naprężenia wyznaczonego za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej z wartościami gradientu składowej stycznej WRPM przedstawiono na rysunku 9. Widać, że większym wartościom gradientu składowej stycznej odpowiadają większe wartości naprężeń. Rys.9. Gradient składowej stycznej a naprężenia z metody dyfrakcji rentgenowskiej na torze stożka B Przeprowadzone szczegółowe próby pittingu dla stożków eksperymentalnych potwierdziły występowanie korelacji pomiędzy składową styczną a szczególnie jej gradientem a wartością naprężenia w badanym obszarze. 4 OCENA POZIOMU NAPRĘŻENIA ZA POMOCĄ ZALEŻNOŚCI MAGMETYCZNO- NAPRĘŻENIOWEJ W praktyce przemysłowej niezbędna jest ocena stanu technicznego konstrukcji. Jak wspomniano wcześniej metoda magnetycznej pamięci metalu daje nowe możliwości identyfikacji obszarów o podwyższonym poziomie naprężenia. Do tej pory nie było jednak możliwości oceny ilościowej poziomu naprężeń w konstrukcjach ferromagnetycznych. Poniżej zaprezentowano hipotezę magnetyczno-naprężeniową, która powstała ona bazie wieloletnich (10lat) doświadczeń [6,7,8] i badań konstrukcji ferromagnetycznych przeprowadzonych za pomocą metody MPM i DR. Przedstawia ona związek pomiędzy gradientem składowej stycznej rozproszonego pola magnetycznego z jednej strony a składową stanu naprężenia w kierunku osi x. W zależności uwzględniono rodzaj procesu technologicznego jakiemu była poddana badana powierzchnia przekładowo czy była to powierzchnia poddana obróbce cieplnej, obróbce plastycznej, czy też spawaniu. Wartością stałą jest moduł Younga badanego materiału w kierunku przeprowadzonego badania EX. (4) gdzie: σ i naprężenia dla i-tego rodzaju badanej powierzchni w kierunku x, μ r względna przenikalność magnetyczna ośrodka zależna od poziomu natężenia pola magnetycznego emitowanego przez badany materiał, K D współczynnik magnetyczno naprężeniowy, α i współczynnik zależny od rodzaju badanej powierzchni, obróbki powierzchni oraz ułożenia domen siatki krystalograficznej; dla powierzchni : spawanej 1 4973

hartowanej -0,1 nagniatanej -0,5 E x wartość modułu Younga w kierunku x dla badanego materiału, gradient składowej stycznej natężenia pola magnetycznego badanego materiału w kierunku x. W zależności między a σ x uwzględniono wpływ rodzaju materiału poprzez wprowadzenie modułu Younga, przenikalności magnetycznej μ r zależnej od rodzaju materiału oraz wyznaczonego eksperymentalnie współczynnika magnetyczno-naprężeniowego. Współczynnik ten jest nową wielkością umożliwiającą korelację między wielkościami magnetycznymi a strukturalnymi konkretnego obiektu. Jednostką współczynnika α jest A*mm)/m. Wielkość magnetyczna została skojarzona z wielkością mechaniczną za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej opisanej w następnym rozdziale. Graficzną prezentację gradientu składowej stycznej zaprezentowano na rysunku 10 oraz wynik pomiaru za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej umożliwiającego kalibrację z pomiarami magnetycznymi przedstawiono na rysunku 11. Rys.10. Przykładowy magnetogram z widoczną strefą koncentracji naprężeń nad wadą Rys.11. Obraz dyfrakcyjny dla próbki spawanej WNIOSKI Przedstawione wyniki badań wskazują na nowe możliwości oceny poziomu wytężenia konstrukcji ferromagnetycznych w oparciu o metodę MPM i kalibracji za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej. Metoda MPM jest szyba i prosta w zastosowaniu przemysłowym nie wymaga specjalnego przygotowania powierzchni badanej. Ocena stopnia wytężenia konstrukcji wymaga jednak postępowania zgodnie z algorytmem przedstawionym w pracy oraz systematycznego budowania bazy magnetogramów konstrukcji w trakcie jej eksploatacji. Często zdarza się, że nie znamy dokładnego rzeczywistego widma obciążeń konstrukcji a trzeba ocenić stan jej wytężenia. Tego typu stany nie są uwzględniane w czasie testów na maszynie wytrzymałościowej, ani też nie są uwzględnione w analizach MES. Istnieje więc potrzeba diagnostyczna oceny aktualnego wytężenia konstrukcji czy jej newralgicznego elementu. Przedstawiona w artykule nowa koncepcja polegająca 4974

na zastosowaniu metody magnetycznej pamięci metalu odpowiednio skalibrowanej za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej oraz połączonej za pomocą zależności magnetyczno-naprężeniowej może umożliwić również ocenę wytężenia i w takich przypadkach. Analiza taka może być uzupełniona o symulacje numeryczne w oparciu o metodę elementów skończonych [3] uwzględniające wykryte niebezpieczne miejsca za pomocą MPM. Schemat opisanego podejścia przedstawiono na rysunku 12. ocena wytężenia metodą magnetycznej pamięci metalu wyznaczenie miejsc niebezpiecznych nowy wyrób/ oraz wyrób w kolejnych stadiach eksploatacji kalibracja metodą dyfracji rentgenows kiej wspomoganie MES Rys. 12. Schemat zastosowania metody MPM, wraz z kalibracją DR i symulacjami numerycznymi MES Streszczenie W pracy zaproponowano nowe podejście w diagnostyce konstrukcji ferromagnetycznych. Polega on na systematycznej budowie baz danych magnetogramów dla wybranych rodzajów konstrukcji ferromagnetycznych począwszy od początku ich eksploatacji, a następnie w każdym etapie ich eksploatacji wraz z odniesieniem do próbek wzorcowych. Takie podejście możliwi wykrywanie i identyfikację powstających w konstrukcjach ferromagnetycznych obszarów koncentracji naprężeń oraz rejonów niebezpiecznych z pęknięciami. Na podstawie analizy magnetogramów będzie można podjąć działania zapobiegawcze odpowiednio wcześniej, polegające na wymianie stosownego elementu bądź wzmocnieniu konstrukcji. Skalibrowanie wartości magnetycznych z wartościami mechanicznymi za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej stanowi nowe podejście w ocenie wytężenia konstrukcji za pomocą badań magnetycznych. Identification stress concentration areas in ferromagnetic elements by the magnetic memory method Abstract The paper proposes a new approach in the diagnosis of ferromagnetic structures. It involves the systematic construction of databases of magnetograms for selected types of ferromagnetic structures, starting from the beginning of their exploitation, and then at each stage of their exploitation with reference to standard samples. This approach will make it possible to detect and identify emerging stress concentration and hazardous areas with cracks in ferromagnetic constructions. Based on the magnetograms analysis, preventive measures could be taken in advance, involving the exchange of relevant element or strengthening the structure. The calibration of magnetic values with mechanical ones using X-ray diffraction method, represents a new approach in assessing construction effort using magnetic testing. BIBLIOGRAFIA 1. Blata J., Juraszek J., Metody diagnostyki technicznej. Technical University, Ostrawa 2014. 4975

2. Deputat J., Podstawy metody magnetycznej pamięci metalu, Dozór techniczny, Nr 5/2002 3. Doyle J.F., Modern Experimental Stress Analysis. Wiley, 2004. 4. Juraszek J., Ciągłe pomiary odkształceń konstrukcji. CEIT, Zilina 2014. 5. Juraszek J., Innowacyjne, nieniszczące metody badań diagnostycznych. ATH, Bielsko-Biała 2013 6. Juraszek J.: Virtual Prototyping Supported by Magnetic Memory Method.The International Journal of TRANSPORT &LOGISTICS, ISSN 1451-107X, 2012 7. Juraszek J., Grzywa A.: Praktyczne przykłady zastosowania metody magnetycznej pamięci metalu (MMPM). Monografia: Innowacyjność akademicka nowe wyzwania dla nauki i przedsiębiorczości. Strona 51-77. 2012. 8. Ren J., Chen Ch., Song K., Tang J., Ren S., Experimental research on the microcosmic mechanism of the stress-magnetic effect for the magnetic memory testing, Mat. konf.: 5th International Scientific-Technical conference Equipment and structures diagnostics using the magnetic memory of metal", 17-19 luty, 2009, Moskwa 9. Shi C., Dong S., Peng HE, Xu B., Influence of the stress concentration factor on the magnetic 10. memory effect of steel samples under the dynamic tension load, Mat. konf.: 5th International Scientific- 11. Technical conference Equipment and structures diagnostics using the magnetic memory of metal", 12. 17-19 luty, 2009, Moskwa. 13. Senczyk D.: Dyfraktometria rentgenowska w badaniach stanów naprężenia I własności sprężystych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1995. 14. Skrzypek S.J., Nowe możliwości pomiaru makronaprężeń własnych materiałów przy zastosowaniu dyfrakcji promieniowania X w geometrii stałego kąta padania. Rozprawy, monografie 108, UWND AGH. Kraków 2002 4976