ГОСТ Р 56664-2015. Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль неразрушающий. Определение напряженного состояния материала изделий машиностроения методами акустоупругости. Общие требования
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 22.10.2015 № 1615-ст)
Примечание
Документ введен в действие с 01.07.2016.
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 октября 2015 г. № 1615-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ МЕТОДАМИ АКУСТОУПРУГОСТИ
Non-destructive testing. Evaluation of stress state material engineering products by acoustoelastic methods. General requirements
Дата введения 1 июля 2016 года
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. Р.Е. 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. № 1615-ст
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальны стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
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.
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.
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 упруго-акустической 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.
3.1 В настоящем стандарте применены следующие условные обозначения:
3.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:
ЭАП — электроакустический преобразователь;
ПЭП — пьезоэлектрический преобразователь;
ЭМАП — электромагнитноакустический преобразователь;
КУАС — коэффициенты упругоакустической связи.
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. Рекомендуемый 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:
\delta V_{ik} = \beta_{ikln}(\sigma_{l\text{п}} - \sigma_{l\text{п}}^{0}) , (1)
\delta t_{ik} = \alpha_{ikln}(\sigma_{l\text{п}} - \sigma_{l\text{п}}^{0}) , (2)
где \sigma_{l\text{п}} , \sigma_{l\text{п}}^{0} — тензор напряжений в момент измерения и тензор начальных напряжений соответственно;
\delta V_{ik} , \delta t_{ik} — относительные изменения скорости и времени распространения упругих волн:
\delta V_{ik} = \frac{V_{ik} - V_{ik}^{0}}{V_{ik}^{0}} , (3)
\delta t_{ik} = \frac{t_{ik} - t_{ik}^{0}}{t_{ik}^{0}} , (4)
где Vik и tik соответствуют напряжениям \sigma_{l\text{п}} , V_{ik}^{0} и t_{ik}^{0} — начальным напряжениям \sigma_{l\text{п}}^{0} .
В отсутствие начальных напряжений уравнения (1), (2) приобретают вид:
\delta V_{ik} = \beta_{ikln}\sigma_{l\text{п}} , (5)
\delta t_{ik} = \alpha_{ikln}\sigma_{l\text{п}} . (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 \sigma_{1} , \sigma_{2} 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 \sigma_{1} и поперечное \sigma_{2} — лежат в плоскости z = 0 и направлены вдоль осей x и y соответственно.
4.10 Формулы для расчета \sigma_{1} и \sigma_{2} имеют вид:
\sigma_{1} = k_{1}\delta d_{1} + k_{2}\delta d_{2} , (7)
\sigma_{2} = k_{3}\delta d_{1} + k_{4}\delta d_{2} , (8)
где \delta d_{1} = \frac{d_{1} - d_{1}^{0}}{d_{1}^{0}} , d_{1} = \frac{t_{1}}{t_{3}} , d_{1}^{0} = \frac{t_{1}^{0}}{t_{3}^{0}} , \delta d_{2} = \frac{d_{2} - d_{2}^{0}}{d_{2}^{0}} , d_{2} = \frac{t_{2}}{t_{3}} , d_{2}^{0} = \frac{t_{2}^{0}}{t_{3}^{0}} .
Тензометрические [3] или упругоакустические [4] коэффициенты рассчитываются по формулам:
k_{1} = \frac{\alpha_{4}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} , (9)
k_{2} = \frac{\alpha_{2}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} , (10)
k_{3} = \frac{\alpha_{3}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} , (11)
k_{4} = \frac{\alpha_{1}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} . (12)
Входящие в формулы (9) - (12) параметры \alpha_{1} , \alpha_{2} , \alpha_{3} , \alpha_{4} выражаются через акустоупругие коэффициенты \beta_{ikl\text{п}} следующим образом:
\alpha_{1} = \beta_{3311} - \beta_{3111} = \beta_{3322} - \beta_{3111} , (13)
\alpha_{2} = \beta_{3311} - \beta_{3122} = \beta_{3322} - \beta_{3122} , (14)
\alpha_{3} = \beta_{3311} - \beta_{3211} = \beta_{3322} - \beta_{3211} , (15)
\alpha_{4} = \beta_{3311} - \beta_{3222} = \beta_{3322} - \beta_{3222} . (16)
4.11 В том случае, когда материал ОК в соответствии с ГОСТ Р 52731 является акустически изотропным, для акустоупругих коэффициентов справедливы равенства:
\alpha_{1} = \alpha_{4} , (17)
\alpha_{2} = \alpha_{3} . (18)
4.12 Тензометрические (упругоакустические) коэффициенты для акустически изотропного материала вычисляются по формулам:
k_{1} = k_{4} = \frac{\alpha_{1}}{\alpha_{1}^{2} - \alpha_{2}^{2}} , (19)
k_{2} = k_{3} = - \frac{\alpha_{2}}{\alpha_{1}^{2} - \alpha_{2}^{2}} . (20)
4.13 Тензометрические коэффициенты (КУАС), применяемые для расчета напряжений по измеренным акустическим задержкам, должны быть определены с максимально допустимой относительной погрешностью +/- 10%. Экспериментальное определение КУАС проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 55043 и приложения А настоящего стандарта.
4.14 Формулы для расчета \sigma_{1} и \sigma_{2} в случае акустически изотропного материала имеют вид:
\sigma_{1} = k_{1}\delta d_{1} + k_{2}\delta d_{2} , (21)
\sigma_{2} = k_{2}\delta d_{1} + k_{1}\delta d_{2} . (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.
5.1 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 Требования к объектам контроля
7.1 Толщина материала ОК в точках измерения НС должна быть не менее 2 мм.
7.2 Перед установкой ЭАП поверхность очищают от грязи, окалины, ржавчины и обезжиривают.
7.3 Класс шероховатости поверхности в точке измерений при использовании ПЭП — не ниже Ra 2,5 (ГОСТ 2789).
Примечание — При использовании ПЭП метод не обеспечивает требуемую точность определения НС, если шероховатость поверхности ОК Ra превышает 2,5 мкм по ГОСТ 2789.
7.4 Расстояние от точки измерения до сварных швов ОК — не менее удвоенной толщины материала ОК.
7.5 При использовании ПЭП вязкость контактной жидкости при температуре измерения должна соответствовать вязкости эпоксидной смолы при температуре 25 °C: от 12 до 25 Па·с (по ГОСТ 10587).
7.6 Дополнительные факторы, влияющие на точность измерений НС
7.6.1 Шероховатость внутренней (отражающей) поверхности или наличие на ней тонкого твердого слоя покрытия.
7.6.2 Значительная объемная неоднородность материала в области прозвучивания, приводящая к дисперсии упругих волн и дополнительному их затуханию.
7.6.3 Дополнительные отражающие поверхности, возникающие по причине слоистости материала в области прозвучивания (наличие плоских дефектов основного металла).
7.6.4 Характеристики факторов, указанных в 7.6.1 - 7.6.3, не определяются количественно. Их комплексное влияние оценивается по соответствию характеристик отраженных акустических импульсов требованиям настоящего стандарта.
8 Порядок подготовки к проведению измерений
8.1 Изучают сертификаты на материал ОК.
8.2 На основании технической документации на ОК определяют значения h в точках измерений.
8.3 На основании справочных данных или экспериментально определяют величины Vl и Vt.
8.4 Выбирают ЭАП, fэ которого в зависимости от h имеет следующие значения:
8.5 Определяют расположение точек измерений.
8.6 Приводят состояние поверхности в выбранных точках в соответствие условиям проведения измерений (см. 7.2 - 7.3).
8.7 Наносят при необходимости слой контактной жидкости на подготовленную поверхность ОК.
8.8 Устанавливают ЭАП на поверхность ОК, подключают их СИ.
8.9 Включают СИ, проверяют его работоспособность, выводя на экран видеоконтрольного устройства временную развертку принимаемых сигналов.
8.10 На экране видеоконтрольного устройства без значительных видимых искажений должны наблюдаться многократно отраженные УИ.
8.11 Проверяют отсутствие на временной развертке дополнительных импульсов, вызванных либо наличием в области измерения дополнительных отражающих поверхностей (допустимых по условиям эксплуатации ОК дефектов — слоев, включений и т.п., обнаруженных методами ультразвуковой дефектоскопии), либо неправильной ориентацией преобразователя поперечных колебаний относительно осей симметрии материала ОК.
8.12 Рассчитывают минимальные значения развертки, обеспечивающей визуализацию необходимого количества отраженных УИ и измерение их задержек с заданной относительной погрешностью \delta t по формуле:
T_{m} = T(m_{1}) = T(m_{2}) = T(m_{3}) = \frac{\Delta t}{\delta t} + t_{\text{з}} , (23)
где tз — аппаратная задержка зондирующего импульса, мкс, определяемая техническими характеристиками используемого СИ.
Обычно значение \delta t не должно превышать 10-4.
8.13 Получают осциллограммы сигналов при использовании ЭАП упругих поперечных волн, поляризованных в направлении текстуры материала, при значении развертки Tm.
Примечание - Для изотропного материала при двухосном НС ЭАП устанавливают направлением поляризации вдоль \sigma_{1} .
8.14 Оценивают отношение амплитуды УИ с номером m1 к среднему значению уровня шума. Если это отношение превышает 10 дБ, то проведение измерений с заданной относительной погрешностью считается возможным.
8.15 Если отношение «сигнал — шум» для УИ с номером m1 менее 10 дБ, то последовательно уменьшают значение m1 на единицу до тех пор, пока значение отношения «сигнал — шум» не станет больше 10 дБ.
8.16 Рассчитывают фактическую относительную погрешность определения задержек УИ по формуле:
\delta t_{1}^{\text{ф}} = \frac{v_{1}\Delta t}{m_{1}h} , (24)
после чего принимают решение о проведении измерений с пониженной по сравнению с \delta t погрешностью или замене используемого СИ на более точное, обеспечивающие выполнение соотношения:
\delta t_{1}^{\text{ф}} \leq \delta t . (25)
8.17 Измерения по 8.13 - 8.16 повторяют для преобразователя поперечных упругих волн, поляризованных в направлении, перпендикулярном к текстуре материала, определяя приемлемое значение номера отраженного УИ m2, при этом фактическую относительную погрешность определения задержек УИ рассчитывают по формуле:
\delta t_{2}^{\text{ф}} = \frac{v_{t}\Delta t}{m_{2}h} . (26)
8.18 Измерения по 8.13 - 8.16 повторяют для преобразователя продольных упругих волн, определяя приемлемое значение номера отраженного УИ m3, при этом фактическую относительную погрешность определения задержек УИ рассчитывают по формуле:
\delta t_{3}^{\text{ф}} = \frac{v_{3}\Delta t}{m_{3}h} . (27)
Примечание — Изложенный в 8.1 - 8.18 порядок подготовки к проведению измерений одинаков для ОК с действующими напряжениями и при их отсутствии.
9 Порядок проведения измерений и обработки результатов
9.1 Определение двухосного напряженного состояния
9.1.1 С помощью контактного термометра измеряют температуру поверхности ОК при отсутствии напряжений T0.
9.1.2 В соответствии с руководством по эксплуатации СИ проводят измерения задержек поперечных упругих волн, поляризованных вдоль текстуры материала ОК (или вдоль действия главного напряжения \sigma_{1} ) t_{1}^{0}(i) , с переустановкой ЭАП. Число повторных измерений n1 должно быть не менее 5.
Примечание — Как правило наименьшую погрешность определения задержек обеспечивает метод перехода сигнала через нуль [7].
9.1.3 Проверка синфазности отсчетных точек
9.1.3.1 Вычисляют разность \Delta t_{1}^{0}(i) между задержкой t_{1}^{0}(i) для отраженного УИ с номером m_{1}^{0} и задержкой t_{12}^{0}(i) второго отраженного УИ относительно первого.
9.1.3.2 Проверяют справедливость соотношения:
\Delta t_{1}^{0}(i)< \frac{1}{2f_{\text{э}}} \cdot 10^{3} . (28)
9.1.3.3 При соблюдении соотношения (28) выполняют действия по 9.1.4.
9.1.3.4 При несоблюдении соотношения (28) рассчитывают значение k по формуле:
где R = t_{1}^{0}(i) - (m_{1}^{0} - 1)t_{12}^{0}(i) Значок [] означает операцию округления.
9.1.3.5 В дальнейших расчетах вместо значений t_{1}^{0}(i) используют скорректированные значения задержек, равные t_{1}^{0}(i) + \frac{k}{f_{\text{э}}} .
Проверку синфазности отсчетных точек проводят для волн всех типов.
9.1.4 Массив значений t_{1}^{0}(i) проверяют на наличие выбросов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2.
9.1.5 После уменьшения (при наличии выбросов) значения n1 для дальнейших расчетов используют усеченный вариационный ряд.
9.1.6 Определяют значения t_{1}^{0} и \delta_{1}^{0} по формулам:
t_{1}^{0} = \frac{1}{n_{1}} \sum_{i = 1}^{n_{1}} t_{1}^{0}(i) , (30)
\delta_{1}^{0} = \frac{1}{t_{1}^{0}} \sqrt{\frac{1}{n_{1} - 1} \sum_{i = 1}^{n_{1}} (t_{1}^{0}(i) - t_{1}^{0})^{2}} . (31)
9.1.7 Проверяют выполнение условия:
\delta_{1}^{0} \leq 10^{- 4} . (32)
9.1.8 При выполнении условия (32) в дальнейших расчетах используют значение t_{1}^{0} , полученное по 9.1.6.
9.1.9 Если условие (32) не выполнено, проводят повторные измерения с увеличенным числом n1.
9.1.10 Если увеличение числа измерений n1 не приводит к выполнению условия (32), принимают решение о возможности дальнейших измерений с пониженной точностью.
9.1.11 Измерения и их обработку по 9.1.3 - 9.1.10 проводят для ЭАП поперечных упругих волн, поляризованных в направлении, перпендикулярном к текстуре материала ОК (или вдоль действия главного напряжения \sigma_{1} ):
t_{2}^{0} = \frac{1}{n_{2}} \sum_{i = 1}^{n_{2}} t_{2}^{0}(i) , (33)
\delta_{2}^{0} = \frac{1}{t_{2}^{0}} \sqrt{\frac{1}{n_{2} - 1} \sum_{i = 1}^{n_{2}} (t_{2}^{0}(i) - t_{2}^{0})^{2}} . (34)
9.1.12 Измерения и их обработку по 9.1.3 - 9.1.10 проводят для ЭАП продольных упругих волн. При этом определяют значения t_{3}^{0} и \delta_{3}^{0} по формулам:
t_{3}^{0} = \frac{1}{n_{3}} \sum_{i = 1}^{n_{3}} t_{3}^{0}(i) , (35)
\delta_{3}^{0} = \frac{1}{t_{3}^{0}} \sqrt{\frac{1}{n_{3} - 1} \sum_{i = 1}^{n_{3}} (t_{3}^{0}(i) - t_{3}^{0})^{2}} . (36)
9.1.13 Рассчитывают приведенные задержки по формулам:
t_{1}^{0} = t_{1}^{0}[1 - k_{Ts}(T_{0} - 20)] , (37)
t_{2}^{0} = t_{2}^{0}[1 - k_{Ts}(T_{0} - 20)] , (38)
t_{3}^{0} = t_{3}^{0}[1 - k_{Tl}(T_{0} - 20)] . (39)
9.1.14 С помощью контактного термометра измеряют температуру поверхности ОК при действии напряжений T.
9.1.15 Измерения и их обработку по 9.1.3 - 9.1.14 проводят для ОК при действии напряжений.
9.1.16 Приведенные задержки рассчитывают по формулам:
t_{1} = t_{1}[1 - k_{Ts}(T_{0} - 20)] , (40)
t_{2} = t_{2}[1 - k_{Ts}(T_{0} - 20)] , (41)
t_{3} = t_{3}[1 - k_{Tl}(T_{0} - 20)] . (42)
9.1.17 Напряжения \sigma_{1} и \sigma_{2} для каждой точки измерений рассчитывают по формулам:
\sigma_{1} = k_{1} \frac{\Delta d_{1}}{d_{1}^{0}} + k_{2} \frac{\Delta d_{2}}{d_{2}^{0}} , (43)
\sigma_{2} = k_{3} \frac{\Delta d_{1}}{d_{1}^{0}} + k_{4} \frac{\Delta d_{2}}{d_{2}^{0}} , (44)
где d_{1} = \frac{t_{1}}{t_{3}} , d_{2} = \frac{t_{2}}{t_{3}} , d_{1}^{0} \frac{t_{1}^{0}}{t_{3}^{0}} , d_{2}^{0} \frac{t_{2}^{0}}{t_{3}^{0}} , \Delta d_{1} = d_{1} - d_{1}^{0} , \Delta d_{2} = d_{2} - d_{2}^{0} .
9.2 Определение одноосного напряженного состояния
9.2.1 При действии одноосного напряжения вдоль текстуры материала напряжение \sigma_{1} рассчитывают по формуле:
\sigma_{1} = D_{1}(\frac{t_{1}^{0}t_{2}}{t_{2}^{0}t_{1}} - 1) , (45)
где D_{1} = \frac{1}{a_{2} - a_{1}} .
9.2.2 При действии одноосного напряжения поперек текстуры материала напряжение \sigma_{2} рассчитывают по формуле:
\sigma_{2} = D_{2}(\frac{t_{2}^{0}t_{1}}{t_{1}^{0}t_{2}} - 1) , (46)
где D_{1} = \frac{1}{a_{4} - a_{3}} .
10 Правила оформления результатов измерений
10.1 Результаты измерений фиксируют в протоколе, форма которого приведена в приложении В.
10.2 Если измерения НС ОК являются частью научно-исследовательских работ, то результаты измерений следует оформлять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГОАКУСТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
А.1 Упругоакустические коэффициенты определяют при проведении испытаний на растяжение плоских образцов по ГОСТ 1497.
А.2 Используют образцы двух типов:
- продольные, вырезанные из материала параллельно текстуре;
- поперечные, вырезанные из материала перпендикулярно текстуре.
А.3 При использовании ПЭП класс шероховатости поверхности образцов в точке измерений — не ниже Ra 2,5 по ГОСТ 2789.
А.4 Для нагружения образца используют машины для механических испытаний материалов по ГОСТ 28840.
А.5 Выбор испытательного оборудования осуществляют таким образом, чтобы в образце создать напряжение, составляющее 0,8\sigma_{02} .
А.6 Испытательные машины должны обеспечивать требуемую нагрузку с допустимым отклонением напряжений не более 1 МПа в течение промежутка времени, необходимого для проведения акустических измерений (от 30 секунд до нескольких минут в зависимости от квалификации оператора и используемых СИ).
А.7 Составляют программу ступенчатого нагружения образца от начальной нагрузки, соответствующей значению одноосного напряжения не более 0,1\sigma_{02} , до нагрузки, соответствующей 0,8\sigma_{02} . Рекомендуется предусмотреть не менее пяти ступеней нагружения для последующей регрессионной обработки результатов испытаний.
А.8 Образец с закрепленными на нем ЭАП помещают в машину для механических испытаний, добиваются правильной его центровки и прикладывают к нему небольшую нагрузку для обеспечения надежной фиксации образца в захватах.
А.9 На каждой ступени нагружения проводят измерения задержек УИ трех типов:
t1 — задержки УИ для поперечных волн, поляризованных вдоль оси нагружения;
t2 — задержки УИ для поперечных волн, поляризованных перпендикулярно к оси нагружения;
t3 — задержки УИ для продольных волн.
Измерения проводят как при увеличении, так и при уменьшении нагрузки. Затем образец вынимают из машины. Каждое нагружение («вверх-вниз») проводят три раза. Перед новым нагружением ЭАП снимают и вновь устанавливают на образец.
А.10 Проводят регрессионную обработку зависимостей \frac{\Delta d_{1}}{d_{1}^{0}} (\sigma) , \frac{\Delta d_{2}}{d_{2}^{0}} (\sigma) ,
где \Delta d_{1} = \frac{t_{1}}{t_{3}} - \frac{t_{1}^{0}}{t_{3}^{0}} , \Delta d_{2} = \frac{t_{2}}{t_{3}} - \frac{t_{2}^{0}}{t_{3}^{0}} , t_{1}^{0} , t_{2}^{0} , t_{3}^{0} — задержки УИ в материале образцов без нагрузки.
А.11 Акустоупругие коэффициенты определяют следующим образом:
\alpha_{1} равен тангенсу угла наклона к оси \sigma линии регрессии \frac{\Delta d_{1}}{d_{1}^{0}} (\sigma) для продольных образцов;
\alpha_{2} равен тангенсу угла наклона к оси \sigma линии регрессии \frac{\Delta d_{2}}{d_{2}^{0}} (\sigma) для продольных образцов;
\alpha_{3} равен тангенсу угла наклона к оси \sigma линии регрессии \frac{\Delta d_{1}}{d_{1}^{0}} (\sigma) для поперечных образцов;
\alpha_{4} равен тангенсу угла наклона к оси \sigma линии регрессии \frac{\Delta d_{2}}{d_{2}^{0}} (\sigma) для поперечных образцов.
А.12 Тензометрические (упругоакустические) коэффициенты рассчитывают по формулам:
k_{1} = \frac{\alpha_{4}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} ,k_{2} = \frac{\alpha_{2}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} ,k_{3} = \frac{\alpha_{3}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} ,k_{4} = \frac{\alpha_{1}}{\alpha_{1}\alpha_{4} - \alpha_{2}\alpha_{3}} . (А.1)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
Б.1 Определение термоакустических коэффициентов kTk (kTl, kTs) проводят на основании исследования регрессионных зависимостей задержек импульсов упругих волн соответствующих типов tk от температуры T стандартного образца.
Б.2 Измерение температурных зависимостей проводят на стандартных образцах материала ОК в лабораторных условиях.
Б.3 Температуру поверхности образца измеряют с использованием термоэлектрического преобразователя по ГОСТ 6616.
Б.4 Образцы нагревают до температуры 80 °C, затем для равномерного распределения температуры выдерживают при комнатной температуре до их остывания до 60 °C.
Б.5 По мере остывания образца с интервалом 5 °C проводят измерение температуры поверхности образца Ti и соответствующих задержек tk(i) для каждого i значения температуры.
Б.6 Термоакустические коэффициенты рассчитывают по формуле:
k_{Tk} = (N_{T} \sum_{i = 1}^{N_{T}} \delta t_{k}(i)T_{i} - \sum_{i = 1}^{N_{T}} T_{i} \sum_{i = 1}^{N_{T}} \delta t_{k}(i))/(N_{T} \sum_{i = 1}^{N_{T}} (T_{i})^{2} - (\sum_{i = 1}^{N_{T}} T_{i})^{2}) , (Б.1)
где \delta t_{k}(i) = \frac{t_{k}(i) - t_{k}(N_{T})}{t_{k}(N_{T})} ,
NT — общее число измерений для данного образца.
Измерения повторяют для 3 — 5 образцов с усреднением результатов.
«УТВЕРЖДАЮ» Руководитель ____________________________________ (наименование организации) ________________ ___________________ (личная подпись) (инициалы, фамилия) «» __________ 20 г.
ПРОТОКОЛ определения напряженного состояния объекта контроля методом акустоупругости (технический объект, контролируемый участок технического объекта)
| [1] | Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: Наукова думка, 1977. — 162 с. |
|---|---|
| [2] | Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустическая тензомерия. Кишинев: Штиинца, 1991. — 204 с. |
| [3] | Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т./Под ред. В.В. Клюева. Т. 4. Кн. 1. В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко, В.П. Малахов, А.С. Рудаков, В.К. Чванов. Акустическая тензометрия М.: Машиностроение, 2004. — 226 с. |
| [4] | Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. — 208 с. |
| [5] | СНиП 2.09.03-85 Сооружения промышленных предприятий. Нормы проектирования |
| [6] | СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов |
| [7] | МВИ. Стандартные образцы времени прохождения ультразвуковых сигналов. Определение основных метрологических характеристик. ИФМ УрО РАН, Екатеринбург, 2007. — 16 с. |