ПРИРОДОПОДОБНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Анатолий Александрович ДУБОВ,
д.т.н., генеральный директор ООО «Энергодиагностика»

В конце XX века академик В.Л.  Гинзбург опубликовал статью [1] по основным проблемам физики, которые, по его представлению, необходимо решить учёным XXI века.

Среди важных научных проблем современной физики им обозначена задача «изыскания физических явлений, отражающих внутренние силомоментные напряжения в веществе тела без его повреждения».

Современник В.Л. Гинзбурга известный учёный Т.Я. Гораздовский  видел решение этой проблемы, используя реологические свойства изделий, инвариантные их геометрии [2, 3].

Реология (от греческого ρέοζ – течение, поток») – раздел физики, занимающий промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках и течении. Так, любой кристалл или агрегат кристаллов при определённых условиях может быть пластически деформирован посредством направленного движения в нём дислокаций и вакансий. Под действием на кристалл внешней силы в его объёме появляются напряжения, которые снимаются дефектами. Если сила превышает некий порог, то происходит хрупкое разрушение объекта. В твёрдых телах реологические поля отображают внутренние силомоментные напряжения одновременно с геометрическими смещениями в процессе деформирования.

Исследуя оптическими методами деформационные смещения под действием внешних нагрузок на образцах из различных материалов, Т.Я. Гораздовский увидел, что в зонах концентрации напряжений (ЗКН) естественным образом, спонтанно, на макроуровне возникают фрактальные области с геометрическими признаками, обусловленными типоразмером образца. Эти области он предложил называть реоменами. В некоторых материалах возникновение реоменов (фракталов) можно наблюдать визуально. Например, в месте удара на органическом стекле возникают такие фрактальные области.

В работах Т.Я. Гораздовского показано и доказано, что основным видом деформации при геометрических смещениях в различных материалах является деформация сдвига. А в работах академика РАН В.Е. Панина [4] отмечается, что элементарным актом пластического течения является «сдвиг + поворот». Возникающие при этих деформациях различные физические поля (магнитные, электромагнитные, оптические и другие), отображающие геометрические смещения, было предложено называть реологическими полями. Реологические поля, отображающие процессы деформации интегрально от микро- до макроуровня, характеризуют внутреннюю энергию сопротивления внешней нагрузке с учётом геометрических параметров образца (изделия).

Т.Я. Гораздовским установлена возможность исследований реологических полей и геометрических характеристик реоменов не только в активационном (под нагрузкой) процессе деформирования изделия, но и в режиме последствия (релаксации). Им были разработаны вихретоковые приборы для реологических исследований [4, 5].

Однако позже в работах [6, 7] показано, что исследование реологических полей, отображающих природное (физическое) явление можно наблюдать только пассивными методами неразрушающего контроля. Любое искусственно вводимое прибором физическое поле в объект контроля, находящийся в напряжённо-деформированном состоянии (даже после снятия нагрузок), обязательно будет взаимодействовать с собственными физическими полями материала (например, электромагнитными), сформировавшимися на уровне кристаллической решётки. Поэтому попытка Т.Я. Гораздовского зафиксировать возникновение реоменов на стальных образцах вихретоковым способом оказалась недостаточно эффективной. И перенос этого метода неразрушающего контроля (НК) на реальное оборудование и конструкции с целью выявления реоменов в зонах концентрации напряжений не был осуществлён. Реализацию этой задачи, фиксирование реологических полей, отображающих внутренние силомоментные напряжения одновременно с геометрическими смещениями в процессе деформирования изделий, удалось осуществить с использованием метода магнитной памяти металла (МПМ).

Понятие «магнитная память металла» введено автором впервые в 1993 году [8] и до этого времени в технической литературе не применялось. Были известны термины и понятия: «магнитная память Земли» в археологических исследованиях; «магнитная память» в звукозаписи; «эффект памяти формы», обусловленный ориентированными внутренними напряжениями в изделиях из металла. На основе установленной взаимосвязи дислокационных процессов с физикой магнитных явлений в металлах изделий введено понятие «магнитная память металла» и разработан новый метод диагностики. Уникальность метода магнитной памяти металла заключается в том, что он основан на использовании собственного магнитного поля рассеяния (СМПР), возникающего в зонах устойчивых полос (или площадок) скольжения дислокаций, обусловленных действием рабочих нагрузок. Возникновение СМПР обусловлено формированием доменов и их ростом на скоплениях дислокаций высокой плотности в ЗКН. Ни при каких условиях с искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации на порядок превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена. Можно сказать, что МПМ – это эффект магнитной памяти формы и деформации, обусловленный ориентированными внутренними напряжениями в изделиях и конструкциях из ферромагнитного материала. В практических работах показано, что метод МПМ может применяться как при работе оборудования, так и после снятия рабочих нагрузок, во время ремонта. В силу магнитомеханического гистерезиса магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок, после их снятия сохраняется в виде остаточной намагниченности (ОН), соответствующей по петле гистерезиса максимальной величине напряжений в зоне их концентрации. Таким образом в металле оборудования формируется магнитомеханическая память от воздействия рабочих нагрузок. При этом предоставляется уникальная возможность, путём считывания информации о распределении ОН с помощью специализированных приборов выполнять оценку фактического напряжённо-деформированного состояния оборудования и выявлять на раннем этапе зоны максимальной повреждённости металла. Перспективным видится использование метода МПМ для оценки ресурса и живучести различных металлоконструкций, так как этот метод интегрально объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля, материаловедения, механики разрушения.

В ходе промышленных исследований также установлено, что магнитная память металла на новых ферромагнитных изделиях машиностроения отображает их структурную и технологическую наследственность. Формирование термоостаточной намагниченности в ферромагнитных изделиях происходит в процессе остывания металла ниже точки Кюри (для углеродных сталей ~ 760–770 оС). В процессе конкретной технологии изготовления (плавки, штамповки, прокатки, сварки, термической обработки и др.) наружные слои металла изделий остывают быстрее внутренних, возникает градиент температуры, вызывающий формирование внутренних напряжений и структурной неоднородности. Многочисленные исследования, выполненные разработчиками метода МПМ на заводах-изготовителях, показали, что все однотипные изделия, изготовленные из одной марки стали и по одной технологии, имеют практически одинаковое распределение термоостаточной намагниченности. И только в ЗКН и различных неоднородностях структуры на отдельных изделиях при контроле фиксируются магнитные аномалии в распределении СМПР.

Собственные магнитные поля рассеяния (СМПР), фиксируемые при контроле изделий методом МПМ, – это и есть реологические поля, отображающие внутренние напряжения одновременно с геометрическими смещениями в процессе деформирования изделий. В работе [6] дано физическое определение структурного элемента, как интегральной характеристики энергетического состояния материала. Установлена аналитическая связь локальных физических и геометрических параметров структурного элемента с реальными механическими и геометрическими макрохарактеристиками изделия. Показано, что существуют «первородные» физические параметры, определяющие энергетическое состояние материала, воплощённого в реальную геометрическую форму.

Работа [6] развивает и подтверждает идеологию органической связи деформационных смещений с геометрическими характеристиками изделий. В книге по физическим основам метода МПМ [7] показано и доказано, что при сдвиговой деформации в условиях слабого внешнего геомагнитного поля плоскости скольжения и магнитные плоскости совпадают. Этот магнитомеханический эффект обуславливает возникновение СМПР, которые отображают геометрические смещения в процессе деформирования изделий. При этом линии выхода площадок скольжения на поверхности изделий в ЗКН формируют геометрические фигуры, которые в реологии называют реоменами или доменами реологических полей [3].

В многочисленных практических работах [9, 10] показаны примеры применения метода МПМ при диагностике оборудования и конструкций с фиксированием СМПР, отображающих магнитные аномалии с геометрическими параметрами, кратными типоразмеру объекта контроля. В методе МПМ используется природное явление – самонамагничивание объекта контроля в магнитном поле Земли под действием рабочих нагрузок. В этих условиях сама конструкция показывает свои слабые места в виде магнитных аномалий, возникающих в ЗКН – источниках развития повреждений. Таким образом, метод МПМ – это уникальная природоподобная технология НК, позволяющая решать сложные задачи оценки фактического напряжённо-деформированного состояния оборудования и конструкций.

Литература

1. Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причём уже на пороге 21 века) // УФН-169, № 4, 1999.
2. Гораздовский Т.Я. Научные основы реологии. Луганск: Всеукраинский Национальный университет, 2009. 699 с.
3. Гораздовский Т.Я. Домены реологических полей / Серия «Математика, физика» // ДАН СССР, Т. 287, № 5, 1986.
4. Гораздовский Т.Я. Приборы реологических исследований: в 2-х частях. М.: МГМИ, 1974.
5. Гораздовский Т.Я., Татаринов В.М. О возможности обнаружения внутренних напряжений токовихревым методом // Дефектоскопия, № 2, 1967.
6. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса «деформация-разрушение». Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517 с.
7. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2004. 424 с.
8. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла. История возникновения и развития. М.: Издательство «Известия», 2011. 254 с.
9. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. 5-е изд. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 395 с.
10. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла. Назначение и практические возможности. М.: ООО «Энерго-диагностика», 2022. 156 с.