Введение к работе
Актуальность темы. Проблема качества выпускаемой промышленностью продукции традиционно является актуальной, ввиду важности обеспечения ее надежной и безопасной работы. В реальных условиях эксплуатации изделия подвергаются воздействию не только различных нагрузок (статических, динамических, циклических), перепаду внешних температур и давления, но и различных по агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических, физико-химических, структурных, механических свойств материала изделия. Кроме того, в узлах всевозможных конструкций могут присутствовать дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже, эксплуатации, а также унаследованные из продукции предыдущих этапов технологического передела. Наиболее опасные из таких дефектов – трещины, непровары, слипания, стресс-коррозия и др., являющиеся концентраторами напряжений. Данное обстоятельство приводит к необходимости более широкого и эффективного использования методов и средств неразрушающего контроля (НК) еще на стадии изготовления продукции применительно к заготовкам и материалам. Затраты на НК достаточно быстро окупаются, поэтому данное направление работ является экономически эффективным, что предопределяет его дальнейшее развитие как одного из важнейших направлений научно-технического прогресса.
Из основных методов НК наибольший вес приходится на акустические (70-80%), что объясняется более высокой чувствительностью и лучшей выявляемостью трещи-ноподобных дефектов, меньшей стоимостью по сравнению с иными методами. Исторически первыми для целей неразрушающего контроля были использованы упругие волны ультразвуковых частот (>20кГц), что привело к формированию термина “ультразвуковая дефектоскопия”. В нашей стране применение ультразвуковых методов связано с именем члена-корреспондента АН, профессора С.Я. Соколова.
Достигнутые к настоящему времени успехи в применении ультразвука в значительной степени обязаны теории объемных волн и, в частности, разделам, посвященным исследованию взаимодействия объемных волн с различного рода неоднородно-стями в упругих телах. По этой причине вопросы распространения упругих волн в твердых средах, в частности металлах, содержащих неоднородности различной природы, продолжают привлекать внимание исследователей. Достигнутые результаты исследований в дальнейшем могут служить основой для разработки новых средств и методов неразрушающего контроля и измерений, обладающих более совершенными по сравнению с существующими техническими характеристиками.
В ультразвуковой дефектоскопии с развитием производственных задач возникла необходимость в повышении информативности методов неразрушающего контроля и переходе от поиска и выявления дефектов среды к распознаванию и выделению их отличительных признаков. Один из основных подходов в решении поставленной задачи связан с созданием комплекса универсальных физических и математических моделей, позволяющего решать задачи о взаимодействии акустических волн с характерными для структуры материала неоднородностями (трещины, каверны, включения). Круг
объектов, используемых в качестве моделей для указанных целей, сильно ограничен по разным причинам. Он включает в себя объекты элементарной формы в виде препятствий типа сферы, диска, цилиндра, полуплоскости, тонкой полосы. Как показала практика этого явно недостаточно для описания всего многообразия свойств несплош-ностей естественного технологического происхождения в металлах. Одной из особенностей строения, которая, как показано в обзоре литературы, ранее практически не учитывалась при рассмотрении взаимодействия упругих волн с естественными неод-нородностями, является сложная структура зоны контакта для дефектов типа «слипаний», по сравнению с «открытыми» или заполненными иным веществом. Данное обстоятельство обусловлено необходимостью поиска и обнаружения дефектов, обладающих слабым звукоотражением. Анализ литературных данных и доступных материалов металлографических исследований показал, что влияние вопросов контактирования границ неоднородностей целесообразно осуществлять на основе модели «нежесткого» соединения в приближении «линейного скольжения» [1]. Данная модель была доработана, в результате чего получены расчетные характеристики в виде модулей контактных жесткостей KGN (Н/м3) и KGT (Н/м3) как функций коэффициента перфорации границы (соотношение суммы площадей зон отсутствия контакта к общей площади), ответственных за передачу упругих смещений соответственно в нормальном и тангенциальном направлениях по отношению к границе раздела неоднородно-стей. Подобный подход предполагал, что перемещения линейно зависят от усилий сцепления («линейное скольжение»). Отход от «классических» условий «сварного, жесткого» и «скользящего» соединений потребовал дополнительных исследований характеристик рассеянных трещиноподобными неоднородностями полей в привязке к параметрам условий контакта на границах несплошностей, а также выявления новых закономерностей, пригодных для совершенствования методов ультразвуковой диагностики материалов.
В связи с вышесказанным, исследования, посвященные изучению влияния состояния границ раздела дефектов на формирование характеристик упругих волн ультразвукового диапазона, рассеянных на неоднородностях сложного строения, а также разработке новых способов и методик, способствующих повышению достоверности результатов измерений в целом, являются актуальными.
Объект исследования. Неоднородности естественного и искусственного происхождения в металлах, сплавах и композитных материалах.
Предмет исследования. Процессы взаимодействия упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба с плоскостными трещиноподобными неоднородностями.
Целью настоящей работы является совершенствование инженерных методик проектирования средств ультразвукового контроля для изделий плоскостных форм на основе анализа закономерностей рассеяния упругих волн трещиноподобными неодно-родностями в металлах и сплавах.
Достижение целей работы обеспечено решением следующих задач:
– Исследование закономерностей формирования волн Лява и Стоунли при условиях взаимодействия границ упругих твердых сред в приближении «линейного скольжения»;
– Теоретическое и экспериментальное исследование влияния особенностей строения вертикальных поверхностных трещин конечной длины с контактирующими границами в твердом полупространстве, на характеристики рассеянных упругих полей;
– Теоретическое и экспериментальное исследование отражения и прохождения волн Лэмба в пластинах с горизонтальной «полубесконечной» трещиной, грани которой взаимодействуют в приближении «линейного скольжения»;
– Анализ применения полученных теоретических закономерностей поведения волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба к задачам обнаружения неоднородностей в металлах и сплавах;
– Разработка технологии изготовления образцов с эталонными отражателями, рассеянные упругие волновые поля на которых, аналогичны полям рассеяния волн на трещиноподобных дефектах.
Методы исследования. Задачи диссертационной работы решены на основе апробированных методов исследований: металлографического анализа, механических испытаний, математической физики, интегрального исчисления, а также численных методов расчета, математического моделирования, прикладной статистики и интерпретации статистических данных (планирование экспериментов, измерительный анализ). Экспериментальные исследования проводились путем имитационного (компьютерного) и натурного моделирования волновых процессов на основе результатов акустических измерений.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась согласованностью теоретических результатов с результатами проведенных экспериментов, а также с более простыми частными решениями.
Научная новизна работы:
– Решены задачи о рассеянии упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея и Лэмба на трещиноподобных дефектах в рамках модели «нежесткого» соединения в приближении «линейного скольжения»;
– Установлены ранее неизвестные зависимости между характеристиками рассеянных от трещиноподобных неоднородностей упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба и параметрами контакта границ неоднородности;
– Показана возможность применения выявленных в работе закономерностей для совершенствования методов ультразвуковой диагностики материалов при эталонировании неоднородностей и интерпретации результатов контроля.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:
- совершенствования метрологического обеспечения методов и средств ультразвуковой диагностики прокатных листовых материалов и изделий из них;
повышения достоверности и надежности методов ультразвукового контроля материалов и изделий путем создания эталонных образцов с трещиноподобными не-однородностями;
внедрения в учебный процесс кафедры электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” при выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров, курсового проектирования и лабораторных работ по направлению «Приборы и методы контроля качества природной среды, материалов и изделий»;
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина)» в соответствии с договорами: ЭУТ-42, ЭУТ-46, ЭУТ-49, х/д ЭУТ-220, х/д ЭУТ-221 и поддержана грантами администрации г. Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов (№090263, №070237); СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К.
Результаты диссертационной работы использованы при создании методик ультразвукового контроля многослойных металлических материалов первой стенки дивер-тора термоядерного реактора ITER (ФГУП «НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова», ООО «Миркон»), а также при выборе номеров волн и рабочих частот дефектоскопов, применяемых при проведении неразрушающего контроля особо ответственных тонколистовых изделий в нефтяной и газовой промышленности (ЗАО “НДЦ “НПФ “Русская лаборатория”).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
При исследованиях распространения и рассеяния нормальных и поверхностных волн и их модификаций в качестве моделей, аппроксимирующих трещиноподоб-ные дефекты естественного происхождения, следует использовать протяженные неоднородности, допускающие передачу нормальных и тангенциальных к границе компонент механических колебаний на множестве микроконтактных выступов в приближении «линейного скольжения».
-
Характеристики полей рассеяния упругих волн при взаимодействии с трещи-ноподобными дефектами зависят от условий контакта их «берегов» и могут соответствовать аналогичным характеристикам на «свободной», «скользящей», идеальной «сварной» или «нежесткой» границе.
-
Для повышения эксплуатационных характеристик средств неразрушающего контроля, в качестве эталонных образцов, в необходимых случаях, следует применять образцы с трещиноподобными неоднородностями, более полно имитирующими свойства естественных неоднородностей.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на 7-ой и 8-ой Международных конференциях «Нераз-рушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва 2008, 2009 гг.); Международной научной конференции «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А. Воробьёва (г. Томск, 2009 г.); 3-й Международной научно-технической конфе-
ренции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (г. Могилев, 2009 г.), XX-ой Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Москва, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилев, 2011г.); семинарах по вычислительной и теоретической акустике Научного Совета по акустике РАН (г. Санкт-Петербург, 2009–2012; научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Коузов Д.П.); а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ “ЛЭТИ”.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них - 2 статьи в журналах из Перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи в других изданиях, 10 докладов (с опубликованными тезисами) на международных и федеральных научно-технических конференциях, 2 учебных пособия
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 191 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 21 таблицу.
