Неразрушающий контроль тормозных дисков

Навигация

Отчет по результатам проведения исследования напряженно-деформированного состояния автомобильных тормозных дисков с помощью неразрушающего рентгеновского кристалл-дифракционного анализатора «НеРКА» и по результатам их проверки на целостность с помощью цифрового радиографического программно-аппаратного комплекса «БеРКУТ 1012-120»

  1. Цель работы:

Провести измерения механических напряжений на поверхности тормозного диска. Определить разброс механических напряжений в разных точках диска, которые возникли в результате механического воздействия на поверхность. Сравнить разброс механических напряжений на новом диске и диске после эксплуатации. Провести электрохимическое травление поверхности и определить механическое напряжение в зоне травления. Определить целостность дисков с помощью цифрового радиографического комплекса.

  • Используемое оборудование и исследуемые образцы:
  • Рентгеновский кристалл-дифракционный анализатор «НеРКА» с анодом, изготовленным из хрома (Cr).
  • Программное обеспечение НеРКА.
  • Цифровой радиографический программно-аппаратный комплекс «БеРКУТ».
  • Оборудование для электрохимического травления.
  • Автомобильные тормозные диски (новые): Диск 1 и Диск 2.
  • Автомобильные тормозные диски (после эксплуатации ): Диск 3 и Диск 4.

Проведение измерений

Процесс проведения измерений механических напряжений на поверхности автомобильных тормозных дисков и проверки их целостности неразрушающими методами наглядно показан на фотографиях, изображенных далее в отчете (рисунки 1-10)

Перед началом работы каждый диск был пронумерован следующим образом: два новых диска были обозначены номерами №1и №2, а два двум дискам, прошедшим эксплуатацию, были присвоены номера №3 и №4.

Также каждый диск был размечен четырьмя условными точками – «0», «3», «6», «12», отстоящих последовательно друг от друга на 90°. За точку 6 принята метка Y1 (рисунок 5).

Рисунок 1 – Общий вид анализатора «НеРКА» в составе с программным обеспечением и процесс измерения
Рисунок 2 – Электрохимическое травление диска
Рисунок 3 – Внешний вид дисков после электрохимического травления
Рисунок 4 – Проверка целостности дисков с помощью комплекса «БеРКУТ 1012-120
Рисунок 5 – Тормозной диск слева, на котором видна метка Y1. Тормозной диск справа изображён исследуемой стороной вверх. Метка Y1 под точкой 6
Рисунок 6 – Дифракционные спектры от порошка карбонильного железа
Рисунок 7 – Дифракционные спектры, полученные на тормозном диске №1 в точке 0
Рисунок 8 – Дифракционные спектры, полученные после травления на тормозном диске №1 в точке 3
Рисунок 9 – Дифракционные спектры, полученные после травления на тормозном диске №3 в точке 3

На первом этапе были измерены остаточные механические напряжения на всех дисках в точках 0, 3, 6, 9. Это позволило оценить однородность механического воздействия процесса шлифовки на поверхность тормозных дисков.

На втором этапе диски №1 и №3 в точках 3 были обработаны с помощью электрохимического травления. Глубина травления составила около 20 мкм. Такая глубина выбрана для того, чтобы убрать следы механических воздействий на тормозные диски. Диски №1 и №2 при производстве были подвержены абразивному воздействию в процессе шлифовки.

Диски №3 и №4 были подвергнуты воздействию тормозных колодок в процессе эксплуатации (торможения). Определение остаточного напряжения в зоне электрохимического травления позволило оценить внутреннее напряжение, возникшее в диске при остывании и отпуске металла после литья. Также это позволило оценить влияние нагрева диска в процессе эксплуатации на изменение остаточного напряжения.

Перед началом измерений анализатор «НеРКА» был откалиброван на порошке карбонильного железа, имеющего нулевое остаточное механическое напряжение, площадь контроля 2х5 мм2. Данная площадь контроля применялась во всех измерениях.

На рисунке 6 показаны дифракционные спектры, полученные от порошка карбонильного железа. Спектр отображенный на рисунке синим цветом, получен от пучка рентгеновского излучения, падающего перпендикулярно к поверхности диска; спектр, отображенный на рисунке красным цветом, получен от пучка рентгеновского излучения, падающего под углом 50° к поверхности диска.

На аппроксимированных спектрах отчетливо видны вклады от Kα1 и Kα2 переходов, среднеквадратичное отклонение от перпендикулярного к поверхности пучка составляет 99 отн.ед., от наклонного – 101 отн.ед., что говорит о механической однородности и отсутствие повреждений порошка карбонильного железа.

На рисунке 7 в качестве примера показан дифракционный спектр от тормозного диска №1 в точке 0. Видно, что ширина спектра существенна увеличилась, это говорит о разбросе механических напряжений в кристаллитах в пределах зоны контроля. Такой эффект был ожидаем, так как поверхность диска была подвержена механической шлифовке. При исследовании тормозных дисков для вычисления остаточных напряжений были выбраны следующие коэффициенты E=150 000 МПа, ν=0,25.

Во всех измерениях определялись радиальные механический напряжения.

На третьем этапе диски прошли цифровой радиографический контроль с целью выявления внутренних дефектов, которые могли появиться в процессе литья.

В таблице 1 представлены результаты измерений остаточных механических напряжений, полученных на первом этапе до электрохимического травления. Все результаты округлены до целых чисел и являются усреднёнными по девяти измерениям. Из таблицы видно, что все остаточные напряжения сжимающие и разброс механических напряжений стабильнее на новых дисках, в то время как разброс напряжений на дисках после эксплуатации менее однородный. Разброс механических напряжений на тормозном диске №1 90 МПа, на диске №2 70 МПа, на диске №3 330 МПа, на диске №4 40 МПа. Также можно заметить, что среднеквадратичное отклонение ширин пиков существенно меньше на дисках после эксплуатации. Диск №4 в точке 6 не был проконтролирован из-за коррозийного повреждения.

Таблица 1 – Результаты измерения остаточных механических напряжений на первом этапе

0, МПа3, МПа6, МПа9, МПаШирина дифракционных пиков σ1,2  90°(син), отн.ед.Ширина дифракционных пиков σ1,2 50°(кр), отн.ед.
1-340-340-250-270200240
2-320-290-360-320
3-100-390-380-430140160
4-440-410-400

В таблице 2 приведены результаты измерений остаточных напряжений на втором этапе. После электрохимического травления на глубину 20 мкм убрано влияние механического воздействия на поверхность тормозного диска, после чего можно оценивать остаточное напряжение, возникшее в процессе производства и термического воздействия в процессе торможения. В таблице 2 видно, что внутреннее остаточное напряжение в диске №1 сжимающее и составляет 210 Мпа. Это говорит о недостаточном отпуске металла в процессе производства. На рисунке 8 приведены дифракционные спектры от точки 3. Также из таблицы 2 видно, что ширины пиков уменьшились, но разделение на Kα1 и Kα2 не произошло, что говорит о накопленной усталости металла в процессе производства.

Таблица 2. Результаты измерения остаточных механических напряжений на втором этапе

0, МПа3, МПа6, МПа9, МПаШирина дифракционных пиков σ1,2  90°(син), отн.ед.Ширина дифракционных пиков σ1,2 50°(кр), отн.ед.
1-210137146
2
3-140103113
4

Остаточное напряжение в диске №3 в точке 3 после травления на туже глубину составило 140 МПа, а ширины дифракционных пиков приблизились к ширинам пиков от карбонильного железа и произошло разделение Kα1 и Kα2 линий спектра — правый край спектра затянут по сравнению с левым (рисунок 9). Глубина, на которой измерялось напряжение, больше по сравнению с диском №1 из-за того, что данный тормозной диск в процессе эксплуатации подвергся износу.

На третьем этапе тормозные диски были проконтролированы с помощью комплекса цифровой радиографии «БеРКУТ 1012-120» на целостность (рисунок 4). Комплекс позволяет выявлять следующие виды дефектов: поры, трещины в направлении излучения; позволяет определять геометрические параметры: ширину ребер, расстояние между ребрами.

Пространственное разрешение комплекса, его производительность и чувствительная зона могут быть выбраны в соответствии с поставленной задачей. Минимальное пространственное разрешение может составлять 70 мкм. На рисунке 10 в качестве примера приведен рентгеновский снимок тормозного диска №2, сделанный с помощью комплекса цифровой радиографии «БеРКУТ 1012-120», имеющего следующие характеристики: пространственное разрешение – 120 мкм, размер чувствительной зоны – 250х300 мм2.

По результатам проведения рентгеновского контроля всех четырех тормозных дисков внутренние дефекты выявлены не были.

Выводы:

  1. По результатам измерений остаточных напряжений видно, что тормозные диски не прошли полный отпуск после отливки и имеют большое внутреннее напряжение. Также из ширин дифракционных пиков видно, что имеются внутренние микродеформации, которые могут привести к его повреждению. Эксплуатация диска и его периодичный нагрев в процессе торможения частично уменьшили остаточное напряжение метала, а также произошло снятие микродеформации, о чем свидетельствует разделение линий Kα1 и Kα2 (рисунок 9).
  2. Проведение цифрового радиографического контроля не выявило внутренние повреждения дисков.

Подпишитесь на новости компании