Aby mohli odborníci navrhovat robustnější konstrukce a předcházet závadám na konstrukcích stávajících, potřebují důkladně porozumět vztahu mezi působením zatížení a degradací způsobenou únavou materiálu. V této případové studii odborníci ze společnosti EWI prováděli zkoušky a zjistili, že použití metody zachycení plné matice (Full Matrix Capture, FMC) a metody celkového zaostření (Total Focusing Method, TFM) může poskytnout lepší náhled do problematiky růstu únavových trhlin.
Cyklické zatížení znamená, že konstrukce jsou opakovaně vystaveny měnícím se mechanickým silám, napětí, zátěži a namáhání. Mosty, jeřáby, nosníky křídel letadel a turbíny pro výrobu elektrické energie jsou nejlepšími příklady cyklicky zatěžovaných konstrukcí. Ve společnosti EWI probíhají standardní laboratorní zkoušky na vzorcích vyrobených z materiálů, které se používají ke zhotovování těchto struktur, přičemž se studují dopady cyklického zatížení v průběhu času. Shromážděná data umožňují výpočet rychlosti růstu trhlin za účelem technického zhodnocení zbývající životnosti konstrukce.
V této případové studii se však nejednalo o vzorky, ale o nástroje, které se k jejich hodnocení používají. Tým, jenž se ve společnosti EWI zabývá nedestruktivními zkouškami, v laboratořích sleduje také nejnovější pokroky v oblasti vývoje nástrojů pro nedestruktivní zkoušení, aby měl vždy k dispozici ty nejúčinnější a nejúčelnější nástroje hodnocení. TFM je pokročilá zobrazovací metoda na poli ultrazvukové defektoskopie s technologií phased array (Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT). Společnost EWI vyzkoušela metodu TFM na simulaci únavové trhliny a porovnala její výsledky s konvenční technologií phased array.
EWI
Společnost EWI, která sídlí v Columbusu ve státě Ohio, poskytuje vyspělé technické služby. Její skupina pro nedestruktivní hodnocení (NDE) neustále zlepšuje své schopnosti tak, aby zahrnovaly nejnovější techniky, které pomohou rozvoji postupů kontrol a hodnocení volně ložených materiálů a komponentů, a zajistily ty nejvyšší standardy kvality.
Zkoušky účinnosti metody celkového zaostření (TFM) pro zobrazování trhlin
U standardních laboratorních únavových zkoušek měří odborníci šíření únavové trhliny ve vzorku v průběhu určité doby ve stanovených intervalech a zaznamenávají a analyzují rychlost jejího šíření. Analýza rychlosti šíření únavové trhliny je komplexní. Ovlivňuje ji materiál vzorku, jeho geometrie, faktory prostředí, jako je např. koroze, atd., takže čím přesnější a důkladnější údaje odborníci mají k dispozici, tím lépe. Účelem tohoto experimentu bylo určit, zda metoda TFM poskytuje informace, které by mohly být užitečné pro podrobnější analýzu.
Obvyklým nástrojem používaným ke sledování únavových trhlin je klipový měřicí přístroj. Klipový měřicí přístroj se vloží do otvoru trhliny a měří změny v poddajnosti vzorku. Při tomto experimentu použila společnost EWI klipový měřicí přístroj k tomu, aby srovnala základní data, jež byla získána metodami TFM a PA. Zařízení, která se při únavové zkoušce použila, jsou uvedena níže. Počáteční nastavení viz obr. 1.
Nastavení únavové zkoušky
Požadované materiály a zařízení
- Defektoskop OmniScan™ X3
- Sonda s lineárním polem Olympus 7.5L60 PWZ1 7,5 MHz
- Klín Rexolite SPWZ1 N55S
- Servohydraulický zkušební rám 50 kip
- Ovladač FlexTest GT 35C 1815
- Klipový měřicí přístroj MTS 5 mm, model 632.02F-21
- Jednostranně vrubované zkušební těleso namáhané ohybem (SENB) pro stanovení lomové houževnatosti (ASTM E1820)
Rozměry vzorku:
- 300 mm (11,8 palce) délka
- 40 mm (1,6 palce) šířka
- 45,9 mm (1,8 palce) výška
Počáteční vrub vytvořený elektroerozivním obráběcím strojem (EDM)
- 11,2 mm (0,44 palce) hloubka
- 1 mm (0,04 palce) šířka
Obrázek 1 – vzorek tělesa typu SENB na servohydraulickém tříbodovém ohýbacím přípravku (tzn. tři válečky, dva vespod a jeden nahoře) s klipovým měřicím přístrojem MTS ustaveným v počátečním vrubu
Simulace šíření únavové trhliny při cyklickém zatížení
K iniciaci zkušební únavové trhliny bylo na vzorek SENB vyvinuto cyklické zatížení s centrem zatížení na středním válečku nad počátečním vrubem. Zatížení se aplikovala v rozsahu 5 až 10 Hz na základě síly, kterou odborníci vypočítali jako nutnou pro dosažení požadovaného šíření únavové trhliny, aniž by způsobila nežádoucí deformace.
Při procesu cyklického zatěžování se ve 20–30minutových intervalech měřilo šíření únavové trhliny pomocí klipového měřicího přístroje a defektoskopu OmniScan™ X3 s nastavenou sondou a klínem (Obrázek 2). Před začátkem zatěžovacích cyklů byly pro srovnání pořízeny obrázky strojně obrobených vrubů (Obrázky 4 a 5).
Za účelem hodnocení a srovnání účinnosti jednotlivých metod ultrazvukových zkoušek byly použity následující přístupy (Obrázek 3):
- Konvenční sken výseče phased array
- Zachycení plné matice (FMC) a celkové zaostření (TFM) v režimu TT a TT-T
Obrázek 2 – Sonda s lineárním polem společnosti Olympus instalovaná na klínu Rexolite na vzorku tělesa typu SENB
Obrázek 3 – Sektorový sken výseče phased array (nahoře vlevo a vpravo) a sken FMC/TFM (dole vlevo a vpravo)
Zkušební technici zajistili, aby citlivost režimu pulz–echo defektoskopu OmniScan™ X3 byla dostatečně vysoká na to, aby optimálně detekovala slabé difrakční signály z únavové trhliny.
Tabulka 1 – Měření délky trhliny v intervalech při simulaci cyklického zatížení
| Interval | Počet cyklů | Délka trhliny naměřená klipovým měřicím přístrojem (mm) | Délka trhliny naměřená metodou TFM (mm) | Délka trhliny z phased array (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 44914 | 11,88 | @12.38 | 12,61 |
| 2 | 66953 | 14,05 | 16,94 | 17,03 |
| 3 | 109833 | 20,25 | 22,17 | 21,77 |
| 4 | 129476 | 23,12 | 25,02 | 24,09 |
| 5 | 150378 | 26,22 | 26,83 | 27,08 |
Tabulka 1 uvádí údaje o měření délky trhliny získané v každém intervalu u všech použitých metod. Přestože zobrazení byla zachycena při všech intervalech, zde jsou pro informaci ukázána pouze zobrazení metodami PA a TFM pro třetí a páté intervaly (Obrázek 6 až Obrázek 9).
Obrázek 4 – zobrazení režimu TT (nalevo) a režimu TT-T (napravo) pro cyklus 0
Obrázek 5 – Sektorové skenové zobrazení výseče PA pro cyklus 0
Obrázek 6 – zobrazení režimu TT (nalevo) a režimu TT-T (napravo) pro cyklus 109833
Obrázek 7 – Sektorové skenové zobrazení výseče PA pro cyklus 109833
Obrázek 8 – zobrazení režimu TT (nalevo) a režimu TT-T (napravo) pro cyklus 150378
Obrázek 9 – Sektorové skenové zobrazení výseče PA pro cyklus 150378
Po ukončení zatěžovacích cyklů byl vzorek rozříznut, aby se trhlina změřila manuálně (Obrázek 10). K zajištění větší přesnosti bylo provedeno několik měření a tato měření se poté zprůměrovala. V Tabulce 2 je zobrazeno srovnání konečných měření vytvořených únavových trhlin.
Obrázek 10 – Průřez vrubu a trhliny ve vzorku
Tabulka 2 – Srovnání TFM, PA a klipového měřicího přístroje s manuálním vizuálním měřením únavové trhliny
| Manuálně změřená délka trhliny (mm) | Délka trhliny naměřená klipovým měřicím přístrojem (mm) | Délka trhliny naměřená metodou TFM (mm) | Délka trhliny z phased array (mm) |
|---|---|---|---|
| 26,89 | 26,22 | 26,83 | 27,08 |
| % rozdílu od ručního měření | −2.5 | −0.2 | +0.7 |
Závěry týkající se výhod metody TFM
Co se týče přesnosti, odborníci z EWI došli k závěru, že metoda TFM se prokázala jako spolehlivá v tom smyslu, že získaná hodnota byla téměř totožná s manuálně naměřenou hodnotou (Tabulka 2). Také se zjistilo, že metoda TFM byla mírně přesnější než PAUT a metody měření klipovým měřicím přístrojem na základě poddajnosti vzorku (Volf 2020). Tyto výsledky znamenají, že metoda TFM vykazuje dobrý potenciál jako alternativa klipového měřicího přístroje pro vynášení rychlosti růstu trhlin. Nicméně skutečná výhoda spočívá v tom, že metoda TFM představuje nedestruktivní způsob zobrazení trhliny a přináší cenné informace o její podstatě a orientaci (úhel, směr šíření atd.). Snadno interpretovatelné vizuální zobrazení trhliny, které metoda TFM poskytuje, pomáhá snížit komplexnost datové analýzy (Obrázek 11) a usnadnit její pochopení.
Obrázek 11 – Fotografie trhliny, která se šíří směrem vzhůru od vrubu (nalevo); Zobrazení vrubu a trhliny při metodě TFM (napravo)
Odborníci z EWI navrhují provést zkoušky metodou TFM u dalších geometrií trhlin, jako jsou například rohové, rozvětvené anebo skryté trhliny. K potvrzení této studie jsou potřebné další pokusy, které by potvrdily potenciál pro zlepšení detekce únavových trhlin a jejich velikosti a charakteru, což by významným způsobem zlepšilo přesnost stanovení životnosti cyklicky zatěžovaných struktur.
Citace
VOLF, Oleg. EWI Technical Insights. „Crack Growth Monitoring with Phased-Array Total Focusing Method (TFM) [Sledování růstu trhliny metodou celkového zaostření (TFM) s technologií phased array].“ Červenec 2020.
