В
В мире НК
Guest
Об авторах
Сотрудники ГК «Юнитест», Санкт-Петербург:
Ершов Сергей Гениевич
Технический директор, к. ф.-м. н.
Бахарев Василий Юрьевич
Руководитель проектов
Методами НК ответственных деталей удается обнаруживать дефекты, которые могут привести к разрушению детали и созданию аварийных ситуаций. Во избежание этого стандартами на проведение НК регламентируются размеры дефектов, при наличии которых дальнейшая эксплуатация детали считается недопустимой. Введены понятия о допустимом и недопустимом дефектах. Недопустимыми дефектами являются такие нарушения сплошности или формы материала, которые могут провоцировать разрушение материала до истечения срока эксплуатации детали. Соответственно допустимы те дефекты, которые не могут являться причиной разрушения детали. Естественно, разделение дефектов на допустимые и недопустимые является, в некоторой степени, волюнтаристским. Более того, часто деление на допустимые и недопустимые дефекты производится не из физических предпосылок об остаточном ресурсе изделия, а по техническим возможностям метода или аппаратуры контроля. В настоящее время предпринимаются активные поиски реальных критериев допустимости дефектов.
Представим себе идеальный монокристаллический абсолютно однородный кварцевый стержень, идеальный в том смысле, что его атомная структура обладает трансляционной симметрией (т. е. структура стержня строго одинакова по всей его длине как по геометрическому расположению атомов, так и по химическим связям). Представим себе далее, что такой стержень подвергается однородной деформации, например изгиба, и будем увеличивать величину этой деформации (обратим внимание на то, что, безусловно, невозможно провести такой опыт реально - в местах приложения сил величина деформаций не будет однородной). Житейский опыт подсказывает, что хрупкое стекло быстро сломается. Однако это далеко не так.
Действительно, если стержень сломается в каком-то сечении, то он должен сломаться и во всех других аналогичных местах, - ведь стержень-то идеально однороден! Поэтому результат эксперимента будет такой - стержень будет изгибаться и изгибаться, вы сможете свернуть его кольцом несколько раз до тех пор, пока величины механических напряжений не создадут внутри кристалла силы, сопоставимые с межмолекулярными силами сцепления, так что весь (!) стержень рассыплется на составляющие его молекулы. Важно здесь то, что эти напряжения будут не просто велики, а колоссально велики. Например, образец из монокристаллической каменной соли на практике разрушается при растягивающем напряжении около 0,4 кг/мм2, тогда как по электрической теории сил сцепления следует ожидать напряжения равного 200 кг/мм2, т. е. в 500 раз больше.
Противоречие между малой механической прочностью и огромными силами межмолекулярного сцепления объясняется тем, что разрыв происходит неодновременно по всему поперечному сечению кристалла. В кристалле и на его поверхности всегда существует некоторое количество мельчайших трещин. Около острых краев трещин величины напряжений могут в сотни раз превышать средние напряжения, что сопровождается ростом размеров трещины. Постепенный рост трещины через все сечение кристалла ведет к тем же последствиям, что и одновременный разрыв кристалла по всему сечению. В то же время ясно, что первый механизм требует существенно меньших сил для разрушения кристалла, нежели второй.
Сегодня считается общепринятым следующий механизм образования первичной трещины. Считается, что идеальных кристаллов нет. В любом кристалле существует некоторое количество дефектов атомной структуры - вакансии, междоузельные атомы, дислокации и т. д., нарушающие однородность материала. (В практических случаях причин, приводящих к возникновению неоднородностей в материале, гораздо больше, и они носят более макроскопический характер. Это и неоднородность химического состава, и кластеры различного происхождения, инородные включения и т. д). При механическом нагружении такого материала дефекты мигрируют по кристаллу и имеют тенденцию к скапливанию возле одной из неоднородностей и образованию небольших кластеров дефектов. Когда кластер по размерам превосходит некоторую критическую величину, образуется микроскопическая трещина, размеры которой продолжают увеличиваться при воздействии нагрузки. Объединение нескольких микротрещин в одну сопровождается образованием макротрещин, размеры которых таковы, что их возможно обнаружить методами НК (но задолго до образования макротрещин процесс накопления дефектов и образование кластеров регистрируется методами акустической эмиссии - на сегодняшний день это единственный высокочувствительный метод контроля, позволяющий судить о динамике поведения трещины под нагрузкой). Дальнейшее развитие макротрещины приводит к разрушению изделия.
Одним из самых больших дефектов структуры материала является его граница раздела с окружающей средой, т. е. поверхность материала (не только наружная поверхность, но и внутренняя, например, поверхность поры внутри материала). Кроме этого в поверхностных слоях материала возникают наибольшие механические напряжения от приложенных нагрузок. Именно поэтому поверхность материала аккумулирует на себе наибольшее количество неоднородностей, далее кластеров, развивающихся с течением времени до микротрещин. В конечном итоге дефекты на поверхности будут являться причиной разрушения материала. Взяв, к примеру, стержень из кварца, но не идеальный, как в предыдущем примере, легко проделать следующее - обработать его поверхность плавиковой кислотой для удаления мельчайших поверхностных трещин и попытаться стержень сломать. К большому своему удивлению можно убедиться в том, что стержень после такой операции можно согнуть в окружность (а может быть и больше), и только после этого он сломается. Этот пример наглядно показывает роль поверхности изделия и ее влияние на прочностные характеристики изделия.
Из приведенных рассуждений следуют два на первый взгляд неожиданных вывода. Первый - в процессе эксплуатации дефекты возникают только на поверхности детали (как на внутренней, так и на внешней). Второй - если дефект образовался в процессе эксплуатации, то он рано или поздно приведет к разрушению детали (в отличие от дефектов, образованных в процессе производства, которые могут как привести к разрушению, так и нет). Возникает естественное желание производить НК поверхности ответственных деталей самыми чувствительными методами контроля и на самых ранних стадиях выявлять незначительные по размерам трещины.
С другой стороны, совершенно очевидно и то, что требование к обнаружению всех дефектов совершенно абсурдно. Действительно, любая физическая поверхность изделия всегда содержит дефекты. Даже идеально приготовленная и полированная до зеркального блеска поверхность содержит множество дефектов. В частности, полированная поверхность при наблюдении ее под микроскопом изобилует трещинами, раковинами, царапинами и т. д. Эти дефекты настолько малы, что не могут быть выявлены ни одним из традиционных методов НК, но отчетливо наблюдаются, например, в микроскоп. Вопрос только в том, насколько эти дефекты опасны, т. е. будет ли такой дефект прогрессировать и приведет ли он к разрушению детали. И тут же возникает вопрос: а как долго может протекать развитие трещины прежде, чем изделие раз-рушится, - вопрос так называемого остаточного ресурса детали.
Сегодня все эксперты сходятся во мнении, что научно обоснованных и подтвержденных на практике критериев допустимости дефекта не существует (хотя попыток к решению этой задачи выполнено немало и попытки эти весьма изощренные). Это обусловлено прежде всего тем, что решающим фактором в этом вопросе являются не параметры дефекта (его размеры, глубина залегания и т. д.), а способность дефекта развиваться либо под нагрузкой, либо во времени. Практика знает немало примеров, когда самая ничтожная трещинка приводила к разрушению детали, и, наоборот, глубокие трещины в самых уязвимых местах не инициировали развитие разрушения. Достаточно вспомнить, что практически невозможно предсказать развитие ситуации, когда в лобовое стекло вашей машины попадает камешек и оставляет на нем отметку в виде сетки мелких трещин размером в один-два сантиметра. С течением времени из этой отметки может начать развиваться трещина, которая пройдет через все лобовое стекло, а может случиться и так, что вы будете эксплуатировать машину «до старости», и сетка трещин не будет увеличиваться. Это зависит не столько от размеров и положения отметки (хотя и от них тоже), сколько от микроскопической структуры исходной сетки трещин. Именно эта структура дефекта и предопределяет его дальнейшее развитие. К сожалению, для анализа тонкой структуры дефекта применимы далеко не все методы НК.
Сотрудники ГК «Юнитест», Санкт-Петербург:
Ершов Сергей Гениевич
Технический директор, к. ф.-м. н.
Бахарев Василий Юрьевич
Руководитель проектов
Методами НК ответственных деталей удается обнаруживать дефекты, которые могут привести к разрушению детали и созданию аварийных ситуаций. Во избежание этого стандартами на проведение НК регламентируются размеры дефектов, при наличии которых дальнейшая эксплуатация детали считается недопустимой. Введены понятия о допустимом и недопустимом дефектах. Недопустимыми дефектами являются такие нарушения сплошности или формы материала, которые могут провоцировать разрушение материала до истечения срока эксплуатации детали. Соответственно допустимы те дефекты, которые не могут являться причиной разрушения детали. Естественно, разделение дефектов на допустимые и недопустимые является, в некоторой степени, волюнтаристским. Более того, часто деление на допустимые и недопустимые дефекты производится не из физических предпосылок об остаточном ресурсе изделия, а по техническим возможностям метода или аппаратуры контроля. В настоящее время предпринимаются активные поиски реальных критериев допустимости дефектов.
Представим себе идеальный монокристаллический абсолютно однородный кварцевый стержень, идеальный в том смысле, что его атомная структура обладает трансляционной симметрией (т. е. структура стержня строго одинакова по всей его длине как по геометрическому расположению атомов, так и по химическим связям). Представим себе далее, что такой стержень подвергается однородной деформации, например изгиба, и будем увеличивать величину этой деформации (обратим внимание на то, что, безусловно, невозможно провести такой опыт реально - в местах приложения сил величина деформаций не будет однородной). Житейский опыт подсказывает, что хрупкое стекло быстро сломается. Однако это далеко не так.
Действительно, если стержень сломается в каком-то сечении, то он должен сломаться и во всех других аналогичных местах, - ведь стержень-то идеально однороден! Поэтому результат эксперимента будет такой - стержень будет изгибаться и изгибаться, вы сможете свернуть его кольцом несколько раз до тех пор, пока величины механических напряжений не создадут внутри кристалла силы, сопоставимые с межмолекулярными силами сцепления, так что весь (!) стержень рассыплется на составляющие его молекулы. Важно здесь то, что эти напряжения будут не просто велики, а колоссально велики. Например, образец из монокристаллической каменной соли на практике разрушается при растягивающем напряжении около 0,4 кг/мм2, тогда как по электрической теории сил сцепления следует ожидать напряжения равного 200 кг/мм2, т. е. в 500 раз больше.
Противоречие между малой механической прочностью и огромными силами межмолекулярного сцепления объясняется тем, что разрыв происходит неодновременно по всему поперечному сечению кристалла. В кристалле и на его поверхности всегда существует некоторое количество мельчайших трещин. Около острых краев трещин величины напряжений могут в сотни раз превышать средние напряжения, что сопровождается ростом размеров трещины. Постепенный рост трещины через все сечение кристалла ведет к тем же последствиям, что и одновременный разрыв кристалла по всему сечению. В то же время ясно, что первый механизм требует существенно меньших сил для разрушения кристалла, нежели второй.
Сегодня считается общепринятым следующий механизм образования первичной трещины. Считается, что идеальных кристаллов нет. В любом кристалле существует некоторое количество дефектов атомной структуры - вакансии, междоузельные атомы, дислокации и т. д., нарушающие однородность материала. (В практических случаях причин, приводящих к возникновению неоднородностей в материале, гораздо больше, и они носят более макроскопический характер. Это и неоднородность химического состава, и кластеры различного происхождения, инородные включения и т. д). При механическом нагружении такого материала дефекты мигрируют по кристаллу и имеют тенденцию к скапливанию возле одной из неоднородностей и образованию небольших кластеров дефектов. Когда кластер по размерам превосходит некоторую критическую величину, образуется микроскопическая трещина, размеры которой продолжают увеличиваться при воздействии нагрузки. Объединение нескольких микротрещин в одну сопровождается образованием макротрещин, размеры которых таковы, что их возможно обнаружить методами НК (но задолго до образования макротрещин процесс накопления дефектов и образование кластеров регистрируется методами акустической эмиссии - на сегодняшний день это единственный высокочувствительный метод контроля, позволяющий судить о динамике поведения трещины под нагрузкой). Дальнейшее развитие макротрещины приводит к разрушению изделия.
Одним из самых больших дефектов структуры материала является его граница раздела с окружающей средой, т. е. поверхность материала (не только наружная поверхность, но и внутренняя, например, поверхность поры внутри материала). Кроме этого в поверхностных слоях материала возникают наибольшие механические напряжения от приложенных нагрузок. Именно поэтому поверхность материала аккумулирует на себе наибольшее количество неоднородностей, далее кластеров, развивающихся с течением времени до микротрещин. В конечном итоге дефекты на поверхности будут являться причиной разрушения материала. Взяв, к примеру, стержень из кварца, но не идеальный, как в предыдущем примере, легко проделать следующее - обработать его поверхность плавиковой кислотой для удаления мельчайших поверхностных трещин и попытаться стержень сломать. К большому своему удивлению можно убедиться в том, что стержень после такой операции можно согнуть в окружность (а может быть и больше), и только после этого он сломается. Этот пример наглядно показывает роль поверхности изделия и ее влияние на прочностные характеристики изделия.
Из приведенных рассуждений следуют два на первый взгляд неожиданных вывода. Первый - в процессе эксплуатации дефекты возникают только на поверхности детали (как на внутренней, так и на внешней). Второй - если дефект образовался в процессе эксплуатации, то он рано или поздно приведет к разрушению детали (в отличие от дефектов, образованных в процессе производства, которые могут как привести к разрушению, так и нет). Возникает естественное желание производить НК поверхности ответственных деталей самыми чувствительными методами контроля и на самых ранних стадиях выявлять незначительные по размерам трещины.
С другой стороны, совершенно очевидно и то, что требование к обнаружению всех дефектов совершенно абсурдно. Действительно, любая физическая поверхность изделия всегда содержит дефекты. Даже идеально приготовленная и полированная до зеркального блеска поверхность содержит множество дефектов. В частности, полированная поверхность при наблюдении ее под микроскопом изобилует трещинами, раковинами, царапинами и т. д. Эти дефекты настолько малы, что не могут быть выявлены ни одним из традиционных методов НК, но отчетливо наблюдаются, например, в микроскоп. Вопрос только в том, насколько эти дефекты опасны, т. е. будет ли такой дефект прогрессировать и приведет ли он к разрушению детали. И тут же возникает вопрос: а как долго может протекать развитие трещины прежде, чем изделие раз-рушится, - вопрос так называемого остаточного ресурса детали.
Сегодня все эксперты сходятся во мнении, что научно обоснованных и подтвержденных на практике критериев допустимости дефекта не существует (хотя попыток к решению этой задачи выполнено немало и попытки эти весьма изощренные). Это обусловлено прежде всего тем, что решающим фактором в этом вопросе являются не параметры дефекта (его размеры, глубина залегания и т. д.), а способность дефекта развиваться либо под нагрузкой, либо во времени. Практика знает немало примеров, когда самая ничтожная трещинка приводила к разрушению детали, и, наоборот, глубокие трещины в самых уязвимых местах не инициировали развитие разрушения. Достаточно вспомнить, что практически невозможно предсказать развитие ситуации, когда в лобовое стекло вашей машины попадает камешек и оставляет на нем отметку в виде сетки мелких трещин размером в один-два сантиметра. С течением времени из этой отметки может начать развиваться трещина, которая пройдет через все лобовое стекло, а может случиться и так, что вы будете эксплуатировать машину «до старости», и сетка трещин не будет увеличиваться. Это зависит не столько от размеров и положения отметки (хотя и от них тоже), сколько от микроскопической структуры исходной сетки трещин. Именно эта структура дефекта и предопределяет его дальнейшее развитие. К сожалению, для анализа тонкой структуры дефекта применимы далеко не все методы НК.