АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИЧИН
НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА

 

При проведении экспертных исследований стальных изделий часто требуется определить причину повышенного напряженного состояния металла. При подготовке мероприятий для снижения напряженного состояния металла также необходимо установить его причину.

Области с повышенным напряженным состоянием металла, выявляемые индикаторами механического напряжения при обследовании стальных изделий и металлоконструкций, как правило, обусловлены двумя основными причинами:

1. Концентрация действующих или остаточных механических напряжений  в некоторой области металла при воздействии на него внешнего силового фактора;

2. Локальные структурные изменения (например, на рис.1 показаны частицы углерода, которые образуются в металле при длительном нагреве), фазовые превращения, недопустимые отклонения в элементном составе металла, сплава и т.д.

Рис.1. Скопление частиц углерода в результате длительного перегрева металла при температуре около 200ºС как причина концентрации напряжений

 

С точки зрения физики твердого тела эти факторы приводят к микроскопическим деформациям кристаллической решетки, вокруг которых образуется относительно протяженное и неоднородное поле напряжений.

Упрощенная схема на рис.1 наглядно показывает, что протяженность области с повышенным напряженным состояниям металла d_н во много раз больше характерного размера связанной с ней структурной неоднородности d_с (в действительности d_н > d_с в сотни раз). Например, экспериментально было установлено, что характерный радиус области концентрации напряжений металла вблизи вершин трещины составляет 30 мм. На практике такие области легко выявляются индикаторами механического напряжения металла ИН-01м и ИН-02, хотя, по показаниям индикаторов их невозможно отличить от областей, причиной которых является воздействие на металл внешнего силового фактора (рис.2).

Рис.2. Изображение участка стального изделия, на котором имеется
область концентрации напряжений, выявленная индикатором ИН-01м

 

Для установления причины образования области с повышенным напряженным состоянием металла необходимо проведение дополнительных исследований объекта контроля методами неразрушающей структуроскопии, которые основаны на измерении диагностических параметров, однозначно зависящих от структуры и элементного состава металла, но при этом мало чувствительных к механическому напряжению.

Известно, что структура металла существенно определяет его электромагнитные свойства. Например, изменения элементного состава и структуры металла приводят к существенному изменению его электропроводности: увеличение зернистости металла от 10 до 690 единиц в 1 см³ приводит к увеличению удельного электрического сопротивления металла на 10-12%, которое может быть обнаружено с помощью обычного портативного вихретокового структуроскопа.

Поэтому причины образования областей с повышенным напряженным состоянием металла, выявляемых индикаторами ИН-01м и ИН-02 сканирующего типа, могут быть установлены при использовании совместно с ними вихретоковых структуроскопов:

1. Если показания вихретокового структуроскопа внутри и вне выявленной области с повышенным напряженным состоянием металла одинаковы, то причиной ее образования является концентрация действующих или остаточных механических напряжений.

2. Если показания вихретокового структуроскопа внутри и вне выявленной области различаются, то наиболее вероятной причиной ее образования являются локальные структурные изменения металла.

Рис.3. Структурная схема аналитического метода определения причин

образования областей с повышенным напряженным состоянием металла

 

На рис.3 приводится алгоритм определения причин образования областей с повышенным напряженным состоянием металла, в основу которого положено совместное применение индикатора механического напряжения ИН-01м и вихретокового структуроскопа ВЭ-26НП (рис.4), а также аналитического оборудования, используемого в экспертной практике.

ИН-01м

ВЭ-26НП

Рис.4. Комплекс приборов для выявления областей концентрации
напряжений металла и определения причин их образования

 

В результате проведенных экспериментальных исследований совместно с Центральной Лабораторией Судебной Экспертизы РФ были разработаны и утверждены методические указания по контролю напряженного состояния металла стальных изделий и определения причин формирования областей с повышенным напряженным состоянием металла.

Примеры практического применения данного метода на реальных объектах приводятся в разделе "Информация | Практические примеры".