Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы по проблеме 18
1.1 Современные концепции повреждаемости материалов 18
1.2 Акустические методы контроля физико — механических характеристик материала
1.3 Акустические методы контроля механических напряжений 36
1.4 Результаты экспериментальных исследований связи акуешческих-параметров материалов с его физико - механическими характеристиками и напряженно деформированным состоянием 46
1.5 Выводы из литературного обзора и постановка задачи 55
2 Разработка алгоритма определения физико - механических характеристик и напряженного состояния материала на базе акустических измерений 59
2.1 Разработка метода измерения характеристик поврежденности 59
2.2 Алгоритм определения механических напряжений в режиме безнулевой тензометрии 70
2.3 Алгоритм измерений информативных акустических параметров...86
3 Аппаратно-программные средства поддержки акустического метода контроля фйзико - механических характеристик, напряженного состояния материала и методика измерений 90
3.1 Аппаратно-программные средства 91
3.2 Конструктивные особенности используемых преобразователей ... 96
3.3 Выбор материала, подготовка образцов и программа экспериментальных исследований 108
3.4 Используемые механические испытательные машины 110
3.5 Методика акустических измерений 112
4. Разработка и экспериментальная проверка инженерных методик контроля физико - механических характеристик и напряженного состояния материла 128
4.1 Контроль степени пластической деформации 128
4.2 Определение предела текучести материала 142
4.3 Контроль вязкости разрушения материала 146
4.4 Оценка степени радиационного охрупчивания материала корпуса реактора 157
4.5 Контроль поврежденности при усталостном нагружении металлических материалов 162
4.6 Термоакустический метод оценки поврежденности конструкционного материала 177
4.7 Определение механических напряжений в режиме безпулевой тензометрии 382
4.8 Определение размеров зерна стали 201
4.9 Контроль толщины тонких металлических покрытий различных типов 203
4.10 Контроль качества адгезии покрытий различных типов 225
4.11 Контроль коррозионных повреждений 210
4.12 Выводы го результатов экспериментальных исследований 216
5. Практическое использование акустического метода контроля физико - мехлническртх характе ристик и напряженного состояния материала 218
5.1 Оценка эксплуатационной поврежденности элементов оборудования реакторных установок атомных ледоколов 218
5.2 Испытание системы «АСТРОН» в составе системы мониторинга напряженного состояния материала газопровода 223
5.3 Измерение напряжений на действующих магистральных газопроводах ООО «Волготрансгаз» 229
5.4 Использовании спектрально-акустической системы «АСТРОН» при контроле остаточных напряжении в материале автомобильных деталей 231
5.5 Использовании спектрально-акустической системы «АСТРОН» при контроле внутренних напряжений в материале крышки цилиндра дизеля Г99 239
Заключение 241
Литература 243
Приложения
- Акустические методы контроля физико — механических характеристик материала
- Результаты экспериментальных исследований связи акуешческих-параметров материалов с его физико - механическими характеристиками и напряженно деформированным состоянием
- Алгоритм определения механических напряжений в режиме безнулевой тензометрии
- Конструктивные особенности используемых преобразователей
Введение к работе
Анализ причин технических аварий и даже техногенных катастроф многих ответственных объектов показывает, что значительного их числа, если не всех, можно было бы избежать при наличии необходимых средств не-разрушающего контроля и диагностики состояния магериала, а также соответствующих методов математического моделирования процессов исчерпания ресурса материала объектов [76].
Однако, если сравнить затраты на диагностику в США и России, то можно увидеть, что в США они как минимум в три раза выше в процентах от стоимости сооружений и в атомной энергетике, и в аэрокосмической технике, и в воздушном, водном и железнодорожном транспорте, и в гражданском строительстве, и в других областях [76].
Ключевым вопросом в проблеме мониторинга технического состояния часто является вопрос выбора физического метода определения характеристик поврежденности материала, а также проведение комплекса экспериментальных исследовании с целью установления соответствующих функциональных или корреляционных связей.
Анализ литературы за последние два-три десятилетия показывает, что среди неразрушающих физических методов контроля состояния материала одним из наиболее перспективных следует признать акустический метод.
Это вполне естественно. Подобно тому, как электрические параметры материалов точнее всего можно измерить с номощьто электроизмерительной аппаратуры, магнитные - с помощью магнитометрической и т.д., физико -механические характеристики и напряженно - деформированное состояние естественно конгролировать аппаратурой, базирующейся на методах, использующей в качестве тестовых механические воздействия. Среди методов не-разрушающего контроля к таким относятся акустические методы.
Экспериментально установлено, что для таких широко распространенных материалов как алюминиевые, титановые сплавы и малоуглеродистые
стали микротрещины, размеры которых значительно меньше 0.1 мм, обнаруживаются на очень ранних стадиях малоциклового нагружсния (после количества циклов, не превышающего 1-3% общей долговечности) и начинают оказывать влияние на акустические свойства материала.
Советскому Союзу принадлежит приоритет в разработке акустических методов контроля материалов. В работах Лифшица ИМ., Пархомовского Г.Д., Меркулова Л.Г\, Ботаки А.А., Шарко А.В., Гузя А.Н., Махорта Ф.Г. теоретически и экспериментально показана чувствительность основных параметров упругих волн - коэффициентов затухания: и скорости звука - к особенностям структуры материала, в том числе к характеристикам системы микротрещин.
Таким образом, в целом созданы предпосылки для построения эффективного инженерного метода определения физико — механических характеристик материала, определяющих его эксплуатационные свойства.
Разработки методов и технических средств определения физико - механических характеристик материалов, влияющих на параметры прочности и надежности манпт и конструкций, в настоящее время ведутся достаточно интенсивно, однако, насколько известно, в нашей стране они до надежных инженерных решений не доведены [76].
Одна из основных причин этого заключается в том, что разработанные к настоящему времени метольт и средства акустического коніроля прочностного состояния материала совершенно недостаточно интеллектуапюирова-ны, что приводит к следующему: оценка состояния материала производится на основе анализа ограниченного числа акустических параметров, аппа-ратно или программно выделенных из всего массива первичной акустической информации и далеко не исчерпывающих весь «акустический портрет» материала, на который влияет весь комплекс структурных особенностей.
Структурные особенности материала, влияющие на его прочность и долговечность, могут быть учтены лишь после идентификации его многомерного «акустического портрета», полученного в ходе комплекса предвари-
тельных обучающих экспериментов.
В зависимости от конкретной инженерной ситуации результаты таких экспериментов могут представлять собой соответствующие функциональные или реі*рессионньге связи, базы данных, элементы экспертных систем и т.д. В связи со сказанным особое значение приобретает разработка современных многофункциональных систем неразрушающего контроля состояния конструкционных материалов, использующих в своих алгоритмах всю исходную акустическую информацию, благодаря применению приемов спектрально-импульсной структурометрии.
Отрывочная информация (чаще - из смежных областей науки и техники) позволяет предположить, что в дальнем зарубежье методы и аппаратура акустической структурометрии, предназначенная дня перазрушающего экспресс - контроля физико-механических характеристик материала деталей и полуфабрикатов, разрабатываются чрезвычайно интенсивно, однако> пред-ставляя очевидный коммерческий интерес, они, по - видимому, столь же интенсивно и охраняются.
Известные из литературы данные не систематизированы и явно не достаточны, чтобы рассматриваться как результаты некоторой системы обучающих акусто - механических экспериментов.
Задачи контроля физико - механических характеристик и определения напряженно - деформированного состояния - тесно переплетаются с проблемой оценки остаточного ресурса ответственных технических объектов.
В настоящее время класс объектов, для которых задачи оценки остаточного ресурса относятся к основным, существенно расширился. В таких отраслях как атомная энергетика, транспорт (авиационный - в особенности) проблема определения индивидуального остаточного ресурса агрегатов, отдельных ответственных узлов или конструкционных элементов приобретает особое значение, поскольку их преждевременный выход из строя может привести к недопустимым экологическим последствиям и огромным материальным потерям. Снятие с эксплуатации объектов, формально выработавших
свой назначенный ресурс, но не исчерпавших свою фактическую долговечность, приводит к неоправдан!іьтм дополнительным затратам.
Как правило, эксплуатационные условия работы таких объектов характеризуются многопараметрическими нестационарными термосиловьши воздействиями, взаимодействиями с внешней средой, воздействиями внешних полей различной природы, приводящими к развитию различных механизмов деградации начальных прочностных свойств конструкционных элементов и, в конечном итоге, исчерпанию ресурса конструктивных узлов объекта.
Процессы исчерпания ресурса являются многостадийными, сильно нелинейными, взаимосвязанными и сильно зависящими от конкретных условий изготовления и эксплуатации индивидуального объекта. Все изготовленные конструкции содержат те или иные начальные дефекты. Принятие концепции присутствия дефектов в конструкциях, имевших место в момент изготовления или развившихся в процессе эксплуатации, налагает большую ответственность - условия распространения дефектов должны быть ограничены количественно с помощью некоторого контроля за процессом разрушения. Для обеспечения надежности конструкций с дефектами необходимо, чтобы повреждение можно было обнаружить прежде, чем оно достигло опасного размера в течение всего расчетного срока службы. Любая конструкция имеет ограниченную долговечность. Остаточная прочность конструкции объективно уменьшается с некоторой скоростью вследствие развития поврежденности в процессе ее эксплуатации.
Для оценки скорости развития процессов поврежденности в конструктивных узлах объекта — оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса необходимого]:
- провести анализ инженерного объекта: выявить основные конструктивные узлы, определяющие его ресурс, состав конструкционных материалов, технологию изготовления узлов, начальную дефектность, параметры эксплуатационных условий;
определить доминирующие механизмы развития поврежденности основных конструктивных узлов;
- разработать модели доминирующих процессов исчерпания ресурса с учетом их взаимодействия для оцеїпси скорости накопления повреждений в объеме материала в зависимости от условий эксплуатации объекта;
провести экспериментальные исследования на лабораторных образцах и расчеты кинетики НДС для выявления опасных зон конструктивных узлов и определения конкретных характеристик процессов деформирования и разрушения в этих зонах;
создать методики и алгоритмы оперативной оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса узлов объекта в процессе его эксплуатации;
- разработать соответствующие о&ьектноориентированные системы,
программно - аппаратные средства оценки выработанного и прогноза оста
точного ресурса объекта с целью сбора информации о процессах накопления
повреждений в конструктивных узлах, получения количественных характе
ристик остаточного ресурса, получения необходимой информации для при
нятия решений о продлении срока службы узлов объекта, об их ремонте и
замене.
Практически работоспособные инженерные методики могут основываться лишь на результатах объективных измерений текущих значений параметров состояния материала объекта.
Использование для этих целей методов традиционной дефектоскопии представляется далеко не всегда целесообразным.
Это объясняется тем, что методы дефектоскопии в состоянии зафиксировать лить такие дефекты, наличие которых часто несовместимо с работоспособностью и даже ремонтопригодностью объекта.
Применение методов металлографии, электронографии и рентгенографии, дающих информацию о микроструктуре материалов, не может быть достаточно эффективным по ряду причин:
в силу отмеченных сложностей протекающих на микроструктурном уровне процессов деградации материала результаты названных методов не позволяют сформулировать объективный критерии оценки текущего состояния материала технического объекта;
данные методы не являются безобразцовыми, в связи с чем их применение непосредственно на эксплуатирующихся объектах часто весьма проблематично.
Поэтому очевидна необходимость разработки эффективных неразру-шающих методов с соответствующими аппаратно — программными средствами поддержки, позволяющих оперативно, в реальном масштабе времени оценить текущее состояние материала объекта и, используя результаты предварительно проведенных обучающих экспериментов и соответствующую базу данных, выдать заключение о возможности дальнейшей его эксплуатации, о всліРгтїне предполагаемого фактического ресурса или о необходимости проведения ремонтно - восстановительных работ.
Фундаментальные результаты в области механики деформируемого твердого тела и механики разрушения, являющиеся основой для построения современных методов оценки прочности и долговечности материала ответст-бєіпіьіх объектов, принадлежат прежде всего отечественным авторам; Качанову, ЛД1, Работнову Ю.Н., Черепанову ГЛ., Серенсену СВ., Ильюшину А.А., Шестерикову С.А., Трощенко В.Т., Когаеву ВЛ1, Панасюку В.В., и их ученикам. Интенсивно развивающаяся в последние годы механика микронеоднородных сред (Шермергор Т.Д., Салганик P.JL) вместе с аппаратом описания коллективного поведения системы микротрещин служит основой для построения структурных моделей накопления повреждений. Работы Коротких Ю_Г.3 Садырина А.И., Волкова А.И., Волкова В.М, Переверзева Е.С., Ба-ренблатш Г.И., Кузьменко В А. внесли значительный вклад в разработку математических методов описания закономерностей развития повреждений в материале.
В настоящее время вес большее значение уделяется вопросам диагностики преддефекгного состояния материала, неразрушающего контроля его физико-механических свойств до появления нарушений сплошности,
В рамках феноменологических структурно — мехаїшческих моделей» которые следует признать наиболее удобной базой для построения расчетно - экспериментальных инженерных методик неразрушающего контроля физи* ко - механических характеристик следует иметь в виду следующее.
Параметры упругих волн определяются не непосредственно физико -механическими характеристиками, а в первую очередь характеристиками по-врежденшети материала
Таким образом, задача опредслеїшя физико — механических характеристик акустическим методом упрощенно может быть сведена к двум подзадачам:
- определение связи характеристик поврежденности материала с его физико - механическими характеристиками;
определение характеристик повреждешюсти на базе акустических измерений
Первой задаче посвящены структурно - механические модели, среди которых важное место занимают модели накопления повреждений.
Второй задаче посвящены как теоретические модели, среди которых следует выделить те из них, которые базируются на подходах динамической теории упругости структурно неоднородных сред, так и ряд расчетно - экспериментальных методик, посвященных использованию неразрушающих методов коїггроля структурных параметров материала, определяющих его физико - механические характеристики:
Объективная оценка технического состояния эксплуатирующегося ответственного технического объекта в ряде практически важных случаях невозможна без опенки напряженно - деформированного состояния, в котором находится его материал.
В том случае, когда возможно применение расчетных методов (достаточно развитых в настоящее время), или по условиям эксплуатации возможно тензометрирование материала, задача определения напряженно - деформированного состояния в обшей проблеме контроля техіщческого состояния не является ключевой.
Однако, существует огромное количество технических ситуаций, когда, с одной стороны, обе названные возможности определения напряжении отсутствуют, а с другой — вероятность внезапного разрушения объекта с тяжелыми последствиями по причине повышения напряжений чрезвычайно велика.
Пример таких объектов — магистральные нефтс — и газопроводы.
Причиной многих экологических катастроф и у нас и за рубежом часто являются разрывы их линейных участков.
Кроме технологических дефектов и таких явлений, как стресс - коррозия, к разрыву трубопроводов часто приводят повышенные механические напряжения в материале трубопроводов, причиной возникновения которых являются различного рода непроектные нагрузки, например, подвижки грунта в районе карстовых отложений, оползней и т.п.
Отследить подобные изменения напряжений можно было бы, используя современные средства мониторинга напряженного состояния. Однако, в этом случае датчики (соответствующей физической природы) должны быть установлены на трубопроводе еще до его укладки — сразу после изготовления трубы. С экономической точки зрения эта процедура представляется крайне дорогостоящей. Измерить же действующие напряжения, не зная «нулевого» состояния материала, традиционные неразрушающие методы не позволяют, несмотря на то, что методы акустической тензометрии все шире используются в мировой практике (так, например, в США исследования в области аку-стодиагностики напряженно - деформированного состояния субсидируются такими организациями, как министерство обороны, энергетики, транспорта, NASA, National Science Foundation).
Понятно, что подобная ситуация не имела бы места при структурной однородности и стабильности материала технического объекта с действующими в нем механическими напряжениями и в качестве «нулевог-о» можно было бы принять состояние материала в той его точке, где напряжения не действуют или заведомо известны или же состояние сортамента материала, из которого изготовлен объект.
Таким образом, на рынке методов и средств неразрушающего контроля и диагностики таких ответственных объектов, как магистральные трубопроводы, создались очевидный вакуум и вполне ощутимая потребность в аппаратуре и методологии контроля абсолютных значений напряжений, а не их приращений.
Нее сказанное полностью относится к сосудам давления, несущим элементам строительных конструкций, к ответственным элементам авиационной, космической техники, ядерной энергетики и др.
В последние годы проявился ряд разработок, посвященных контролю механических напряжений нетрадиционными методами. Это в первую очередь, системы «Stresscan», «Гупетрон», «Еврозет», «ACT - 2000» и др.
Обладая высокой чувствительностью к механическим напряжениям, информативные параметры, используемые названными системами, в еще большей степени реагируют на структурную неоднородность материала. Отсюда - значительная погрешность (до 300%) при определении механических напряжений в объектах с неоднородной структурой. А таких объектов - не просто подавляющее большинство: практически все технические объекты являются такими, за исключением, возможно, тех из них, которые изготовлены с использованием прецизионных технологий (например, в микроэлектронике) и для которых задача контроля механических напряжений неактуальна.
Следовательно, главное в методе контроля абсолютных значений напряжений - вопрос восстановления «нулевого» состояния материала, или, как иногда говорят, вопрос отстройки от структуры (лучше было бы сказать — настройки на структуру в зоне измерения напряжении).
В рамках феноменологических структурно - механических моделей этот вопрос естественно увязать с вопросом оценки степени поврежденпости материала.
Сравнительный анализ возможностей неразрушающих методов контроля механических напряжений в структурно неоднородных материалах показывает, что в настоящее время лишь на базе акустических методов наиболее вероятно создание подходов к решению задач «безнулевой тензометрии» [133,278, 184-189].
В отношении методического обеспечения имеющихся разработок, направленных на использование акустических методов в задачах контроля фи-зико - механических характеристик материалов и его напряженно - деформи-ровашюго состояния, приходится констатировать следующее. Это обеспечение в настоящее время развито совершенно недостаточно. Соответствующая методическая поддержка существует в виде комплекса отраслевых документов частного применения, определяющих решение отдельных конкретных задач. В нашей стране отсутствует достаточно полный нормативный документ, регламентирующий порядок применения акустических методов при их использовании для определения физико - механических характеристик материалов объектов ответственного назначения. Его отсутствие сдерживает наметившиеся в последнее время тенденции к использованию унифицированных и оригинальных аппаратно-программных средств, реализующих акустические методы коїпроля состояния материала, выходящие за рамки дефектоскопии.
В 2004 г. принят разработанный автором межгосударственный стандарт ГОСТ 31244-2004 «Контроль неразрушающий. Оценка физико-механических характеристик материала элементов технических систем акустическим методом. Общие требования». Стандарт устанавливает общие требования к системам акустического контроля и порядок применения акустических методов в задачах определения физико-механических характеристик материала элементов технических систем. Принятие стандарта поможет ук-
рсішть нормативную базу для использования современных акустических методов контроля физико-механических характеристик материала технических объектов. Автор диссертации с удовлетворением отмечает интерес, вызванный стандартом среди широкого круга специалистов, занимающихся акустическими методами контроля состояния металлических материалов.
Итак, для построения и реализации метода контроля физико - механических характеристик и напряженно деформированного состояния материала с использованием акустических измерений необходимо следующее:
1.Выбор феноменологической модели, в рамках которой может быть описан как процесс накопления повреждений, так и построен акустический способ определения характеристик поврежденности,
2.Проведение экспериментальных исследовании, позволяющих установить, какне из акустических параметров адекватно характеризуют повреж-денность материала при определенном виде внешних воздействий.
З.Постановка и проведение обучающего эксперимента, позволяющего установить вид тарировочных акусто - механических кривых.
4.Создание алгоритма обработки результатов спектрально - акустических измерений с целью их использования в задаче оперативной экспресс -оценки физико - характеристик материала в составе элементов оборудования.
5. Установление фактической точности и границ применимости разработанных методик оценки физико — механических характеристик элементов оборудования с использованием выбранных акустических параметров.
б Разработка в рамках общего подхода расчетно - экспериментальной методики контроля абсолютных значений напряжений («безнулевая тензометрия»),
1. Разработка и апробация на значимых технических объектах современных программно - аппаратных средств, обеспечивающих высокоточное измерение и обработку в реальном масштабе времени больших массивов входной акустической информации.
В представленной диссертации предложен спектрально — акустический метод определения физико - механических характеристик материалов в составе технических объектов.
Разработан комплекс аппаратно -программных средств, обеспечивающих высокоточное измерение и обработку в реальном масштабе времени информативных акустических параметров.
На базе предложенного метода разработаны и практически апробированы конкретные инженерные методики, обеспечивающих экспресс — кон-троль ряда важнейших физико — механических характеристик, определяющих возможность безопасной эксплуатации (в том числе за пределами назначенного ресурса) ответственных о&ьектов ядерной энергетики, транспорта и ДР-
Материал диссертации изложен в пяти главах.
Акустические методы контроля физико — механических характеристик материала
В соответствии с изложенным в предыдущем параграфе процесс накопления повреждений в материале на физическом уровне сводится к возникновению и росту микротрещин, протекающему на фоне процессов перераспределения внутренних напряжений. Основными физическими носителями полей напряжений, как распределенных, так и сосредоточенных на контурах трещин, являются дислокации. Отсюда следует, что среди всего множества развитых к настоящему времени акустических методов исследования структуры материала для оценки параметров прочности и долговечности наибольший интерес представляют те из них, параметры которых чувствительны к уровню накопленной трещиноватости и к характеристикам его внутренних напряжений [130, 276, 218, 255, 142, 277, 262].
Выше говорилось, что реальным фундаментом построения инженерных методик оценки параметров прочности и долговечности консірукцион ных материалов в настоящее время могут служить лишь феноменологические концепции развития дефектов в материале. Анализ современного уровня развития динамической теории упругости показывает, что в данной области науки существует аналогичная ситуация. Автором [51] отмечено, что к настоящему времени сложились три основных подхода: модельный [88, 90, 95, 240], в котором структура материала моделируется дискретными элементами - инерционными, упругими, вязкими, статистический [66-68, 103, ПО, 138], основанный на континуальных моделях, учитывающих рассеяние упругих волн на неодпородностях и структурно-феноменологический [49, 148 - 152, 209, 232, 268, 279]. Положительным моментом модельного и статистического подходов является принципиальная возможность вычисления эффективных макроскопических констант среды без привлечения эмпирических данных. Однако громоздкость этих подходов приводит к практически непреодолимым трудностям пери необходимости учета нелинейных и других факторов, присущих конструкционным материалам. Структурно - феноменологический подход занимает промежугочпое положение между классической теории упругости и модельным описанием среды на атомарном уровне, позволяя единообразно учитывать нелинейные эффекты, а также взаимодействия упругих нолей между собой и со структурой материала
Общая теория нелинейно — упругих континуумов с микроструктурой была развита в 60 - х - начале 70-х годов в работах А.К. Эрингена, Е. Су-хуби и К. Кафадара[221, 234] Р. Стояновича [270, 271]. Однако нелинейные волновые процессы в таких средах стали изучаться лишь в середине 80 — х годов, когда теория нелинейных волн уже стала методологической наукой и ее применение принесло существенные результаты во многих отраслях сете-ствознания[11, 27э 29, 64, 93, 127, 129s 202, 217, 50, 220, 52-59, 222] Механизм взаимодействия упругих волн со структурными дефектами зависит в первую очередь от используемых длин волн: В том случае, когда рассматриваются лишь стадии накопления рассеянных повреждений, до мо меігга возникновения магистральных трещин, обычно используемые длины волн удовлетворяют соотношению: Л»-а, (1.4) где Я-длина волны, на которой переносится основная часть энергии зондирующего акустического сигнала, а - характерный размер микротрещин, не превышающий ОЛ мм. Таким образом, по отношению к реальному микронеоднородному материалу обычно используемые упругие волны могут рассматриваться как плавно меняющиеся поля.
Для решения задачи о нахождения параметров упругих волн в рассматриваемой среде должна быть решена квазистатическая задача о связи тензоров напряжений и деформаций, после чего может быть конкретизирован вид уравнения движения.
В настоящее время слабо представлены работы, в которых бы с единых позиций было рассмотрено распространение упругих зондирующих импульсов в поликристаллической среде с системой микротрещин и полем внутренних напряжений как связанных, так и не связанных с этими микротрещинами. Причина этого помимо математических трудностей заключается в отсутствии ясных представлений о закономерностях физических механизмов взаимодействия основных структурных полей - поля микротрещин и поля напряжений [94].
В настоящее время интенсивно развиваются методы решения задач как статической, так и динамической теории упругости микронеоднородных сред [197, 238, 55, 57] Большинство из предлагаемых методов по сути сводится к приближенным методам решения, основанным на замене локальных внешних полей, в которых находятся структурные неоднородности - зерна, блоки мозаики, микротрещины и т.д. -эффективным полем заданной структуры. Решение рассматриваемой стохастической задачи сводится к построению статистических моментов эффективного поля. Одним из эффективных приемов решения является метод самосогласованного поля [281, 71], развитый в работах[72, 73] и др, В реальном поликристаллическом материале имеются два распределения групп дефевггов, приводящих к скачку вектора смещения -границы зерен (или блоков мозаики при сильно фрагментированной структуре) и система микротрещин. В соответствии с выводами работы [157] при вычислении изменения эффективных характеристик материала, возникающего от внесения группы микротрещин, в качестве исходных могут быт взяты характеристики материала с зеренной структурой. Методы вычисления эффективных характеристик поликристаллов развиты в работах [197, 229, 228, 214, 239, 248, 282] и др_ При разработке акустических методов определения характеристик структуры материала центральной является задача определения динамических констант упругости, зная которые легко получить выражения, описывающие частотно зависимое затухание и дисперсию скорости упругих волн в микронеоднородном материале. Основные результаты, относящиеся к данной проблеме, описаны в работах [54, 55, 106].
Результаты экспериментальных исследований связи акуешческих-параметров материалов с его физико - механическими характеристиками и напряженно деформированным состоянием
Как отмечено выше, основными дефектами, определяющими прочность и долговечность материала, являются в конечном итоге система микро-трещин, развивающаяся в поле внутренних напряжений. В этой связи пред ставляют значительный интерес результаты экспериментальных исследований, направленных на установление корреляционных или функциональных связей между параметрами упругих волн и характеристиками названных выше дефектов. Чрезвычайно полезными для технических приложений оказываются связи, экспериментально устанавливаемые между акустическими параметрами и интегральными характеристиками нрочносги и долговечности твердых тел.
В настоящее время самые разнообразные варианты акустических методов все шире используются для контроля прочностных характеристик конструкционных материалов в составе элементов оборудования разного назначения [264, 200, 128, 8, 99, 98, 101, 196, 65, 100, 161].
Многие авторы, отмечая информативность спектрально - акустических характеристик в задачах оценки прочностных свойств, обсуждают возможность использования частоты максимальной амплитуды спектра для определения такой важнейших механической характеристики как размер зерна и твердость [211, 25, 275].
В работе [275] предложен детально разработанный метод неразру-шающего контроля, основанный на измерении смещения максимума спектра при различных физико - механических процессах, происходящих в материале. В методе используется цифровая обработка сигнала с помощью быстрого Фурье-преобразования. Описаны некоторые применения метода, в частности, для обнаружения микротрещин в керамических образцах толщиной в несколько миллиметров.
Частоту максимальной амплитуды спектра находят при спектральном разложении первого донного сигнала. Она непосредственно связана с затуханием ультразвука в металле, а также с параметрами самого преобразователя (резонансной частотой, добротностью). Возможность использования частоты максимальной амплитуды спектра для контроля твердости определяется зависимостью затухания от нее, однако измерение затухания предъявляет повышенные требования к качеству и стабильности акустического кон такта, что ограничивает точность измерения и сужает сферу его применения. От этого недостатка свободен предлагаемый спектральный метод, к тому же для измерения предложенного параметра достаточно одного первого донного импульса, что существенно для материалов с большим затуханием.
На формирование прочностных свойств большинства материалов, используемых в технике, определяющее влияние оказывает термообработка. В связи с этим контроль ее режимов с помощью акустических методов чрезвычайно актуален, особенно если учесть, что на практике структуру и прочностные свойства выпускаемых изделий определяют посредством металлографического анализа и механического испытания некоторого объема выборки из партии. Естественно, что достоверность такого контроля является низкой и может быть существенно повышена только путем внедрения в практику испытаний механических свойств материалов неразрушаютцих методов контроля.
Важнейшими режимами термообработки, формируюш тми механические свойства стали, являются закалка и отпуск. На основе анализа экспериментальных данных установлено, что после закалки наблюдаются снижение скорости ультразвука относительно отожженного состояния и монотонный рост с увеличением температуры отпуска [123]. Это может быть объяснено структурными превращениями, происходящими при термообработке. При закалке сгалей с полиморфным превращением происходит превращение ау-стенита в мартенсит, вызывающее рост искажений кристаллической решетки, и как следствие - снижение скорости ультразвука. При отпуске наблюдается распад пересыщенного твердого раствора в ДЕ- и Р -железе, вследствие чего уменьшаются искажения кристаллической решетки, приводящие к возрастанию скорости ультразвука. Наибольший эффект изменения скорости ультразвука у сталей, в которых при закалке происходит мартенситное превращение, причем изменение скорости ультразвука пропорционально содержанию мартенсита в структуре после закалки. В работе [195] систематизированы экспериментальные данные об изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний в сталях и алюминиевых сплавах при термообработке. Определены корреляционные характеристики зависимости скорости ультразвука от режимов термообработки и величина относительных изменений скорости ультразвука. На основе анализа результатов корреляционно - статистической обработки и классификации сталей по составу и назначению предложены рекомендации по практическому применению акустического метода контроля структуры и механических свойств металлов. Для сталей - это изменения структуры, вызванные закалкой и отпуском при разных температурах, для алюминиевых сплавов - закалка при разных температурах и разной скорости, старение при разных температурах и времени.
К числу достаточно новых применений ультразвуковых методов относится использование так называемого коэффициента интенсивности затухания (КИЗ) ультразвуковой волны для оценки прочностных характеристик металлов. Идея метода заключается в том, что величина КИЗ характеризует совокупность механических показателей и общее состояние стали или сплава, которое может быть нормальным (допустимым в определенных пределах), неопределенным или с деградирующей структурой. На величину КИЗ влияют размер зерен, вид структуры материала, выделение фазовых компонентов из структуры, изменение химического состава, появление дефектов между кристаллами, механическое и фазовое сдавливание. Конкретную причину можно установить, используя другие методы. Для более качественного определения состояния стали с помощью КИЗ предлагается применять результаты измерения твердости. Существуют примеры успешного практического использования метода КИЗ для котпроля состояния парового котла.
Ультразвуковые испытания находят все более широкое применение для контроля свойств материалов непосредственно в процессе их производства. Здесь особого внимания требуег изучение анизотропии скорости распространения и затухания ультразвука в образцах листовой стали и установление связи между этой анизотропией и механическими свойствами. Потенциально возможна разработка методов определения кристаллографической текстуры непосредственно во время осуществления технологических процессов. При этом наибольшее значение приобретают испытания, проведенные с помощью электромагнитных акустических преобразователей для генерирования сдвиговых волн и волн Лэмба в листовых материалах. Результаты измерений затухания ультразвука могут быть объединены с информацией о составе сплава для улучшения прогнозирования прочности стальных листов. В процессе испытаний должна быть обеспечена акустическая связь с объектами контроля, без чего невозможно получение достоверных данных.
Характеристики сдвиговой прочности металла также могут быть определены посредством акустических измерений. Проводятся опыты со сваркой стальных листов с использованием волн Лэмба, создаваемых с помощью плексигласового клина, продольные волны в котором возбуждаются пьезопрсобразователсм. В одном случае качество шва оценивается в процессе сварки по длительности времени релаксации шва, которая проявляется в виде специфических изменений амплитуды волны Лэмба, прошедшей через шов. После сварки на основе экспериментально подтвержденной теоретической зависимости T(d) ( здесь Т - коэффициент прохождения волны Лэмба через шов, d - диаметр шва ) ультразвуковым методом находят d и с помощью механической модели разрушения оценивают вязкость разрушения шва.
Алгоритм определения механических напряжений в режиме безнулевой тензометрии
Как отмечалось выше, к числу наименее исследованных относятся вопросы, возникающие при попытках использования приемов акустической тензометрии в «безнулевом» варианте, т.е. при попытках построения инженерных методик определения абсолютных значений действующих в материале напряжений, а не их приращений к некоторым величинам, принятым за 0.
Причина этого заключается в конечном итоге в неидсальности структуры исследуемого материала, что приводит к тому, что в фигурирующие в алгоритмах акустической тензометрии измеряемые параметры (скорости распространения упругих волн различных типов) вносят вклад как внешние напряжения (которые и требуется определить), так и параметры микроструктуры материала - зерна, микропоры, микрогрещины, поля вну тр енних напряжений и т.д.
В обобщенном виде уравнения линеаризованной акустоупругости для одноосного напряженного состояния могут быть записаны следующим образом; Ар = Ар + ка (2.39) В выражении (2.39) А есть некоторый информативный акустический параметр, который в различных инженерных методиках строится по -разному и обычной содержит времена распространения упругих вол различных типов. j о Л - значение акустического параметра в ненапряженном материале. к - акустоупругий коэффициент, О" - действующее внешнее напряжение В случае многоосного напряженного состояния уравнение (2.78) приобретает матричный вид [43]. Для идеального бездефектного, бесструктурного материала величины А» и к являются постоянными и выражаются соответственно через константы упругости второго и третьего порядков и могли бы быть легко рассчитаны или определены экспериментально. В реальном случае величины A JJ и к зависят от огромного количества структурных факторов, учет которых в рамках строгих моделей невозможен. В соответствии с развиваемым в данной работе подходом формально дефектная структура материала можег быть учтена заменой уравнения (2.39) на следующее Л = Лр(Ч )+ k(W)a (2.40) Таким образом, для решения задач безнулсвой тензометрии необходимо разработать методики определения зависимостей (40 и Л(Ч ). В зависимости от конкретной ситуации (марка материала, вид напряженного состояния, геометрия объекта и т.д,) способы посгроения указанных зависимостей могут быть разными. Ниже приведены два варианта методик безнулевой тензометрии, которые, несмотря на их частный характер, оказались вполне работоспособными при контроле напряжений в материале магистральных газопроводов.
Результаты многочисленных экспериментов, как известных из литературы, так и полученные автором, показали, что в случае сильно текстурован-ных сталей типа Х70 система уравнений (1.24) - (1,25), положенная в основу алгоритмов акустической тензометрии, дает значительную погрешность. При этом, если кольцевые напряжения в трубопроводе) определяются с удовлетворительной точностью, то осевые оказываются завышенными почти в 2 раза. Причина этого, по — видимому, заключается в предположении слабого влияния исходной анизотропии на величиїїу акустоупругих коэффициентов, что, как будет видно из нижеприведенных результатов, не так. Более строго исходная система уравнении для получения расчетных соотношений должна быть записана следующим образом; VL = V$ + Kl rl + K r2) (24i) При этом, как следует из экспериментов: 2) Все эти коэффициенты зависят от текстуры, хотя и в разной степени. Ниже приводится вывод уравнении акустоупругости для текстуровап-ного материала с учетом неравенства (2_42) Исходную систему (2.41) перепишем в виде: К, = F2(l +А21 7, + к22а2) (2.43) V3=V(l + kna1+k32cr2) Выразив скорости звука через толщину материала и задержки импульсов соответствующих волн, получим: - = -(1 + ,0-,+fc]2o-2) Ь k У, 7 7 Ч 7 = 70 + 1 1+ 22 ) пщ 7 = 7-0 + 1+ 2) 3 Из системы (2.443) легко получить выражения для напряжений &\ и ?2: О" _ (af2- /2) (tf.-o где; d - d = - d - ± d - з h h h l Л32 ( П Лц )( 32 — 22)" ( 31 2lX 32 12) ]2 (V llH 32 _ 22/ ( 31 2l) 32 к12) к3] -ки (V " ll)( 32 — 22/ ( 31 2lX 32 "12/ Гг 31 21 (А3і Лц)( 32 22) (Лзі 2lX 32 12) причем в отличие от классических соотношений в уравнениях (2.45) . з, В классических работах по акустоупругости обычно предпринимаются попытки получить теоретически, а затем использовать на практике коэффициенты акустоупругости для двухосного напряженного состояния через легко определяемые экспериментально коэффициенты акустоупругости для одноосного напряженного состояния. В силу особенностей поведения тексту-рованных материалов этот путь может привести к значительной погрешности.
Конструктивные особенности используемых преобразователей
Форма рабочей поверхности пьезопреобразователя и ее размеры выбираются исходя из геомегрических особенностей объекта контроля. Активные элементы оригинальных пьезопрсобразоватслей изготавливались из полуфабрикатов пьезоксрамики типа ЦТС в форме поляризованных плоских брусков путем их распилки алмазным кругом с охлаждением водной эмульсией во избежанием деполяризации.
Механический демпфер 3 в форме пирамиды изготавливался из пластифицированной эпоксидной смолы, в которую в объемном соотношении 1:1 вносился наполнитель из мелкодисперсной свинцовой стружки или из вольфрамовых шариков со средним диаметром 0.05 мм. Достаточно высокая плотность материала пирамиды обеспечивала ее высокие демпфирующие свойства, а создававшийся градиент плотности по высоте пирамиды способствовал уменьшению эффекта паразитных переотражений упругих волн от ее боковых граней. Датчик экранировался цельнометаллическим медным или латунным экраном 4, пространство между которым и демпфером заполнено вязким компаудом 5.Электрические сигналы на датчик подаются через высокочастотный кабель б.Сигнальный вход к контактной поверхности припаивался сплавом Вуда с температурой плавления 60С, что устраняло возможность локальной деполяризации пьезо-пластинки в месте пайки.
Как уже отмечалось, в отличие от традиционной конструкции пьезо-преобразователей, используемых в ультразвуковой дефектоскопии, контактный слой металла наносился лишь на внутреннюю поверхность пьезо-пластинки. Возможность использования такого варианта преобразователя обусловлена тем, что в работе исследовались лишь проводящие материалы, поэтому было достаточно обеспечить контакт корпуса преобразователя с поверхностью исследуемого объекта. Кроме того, отсутствие нижнего слоя контактного покрытия, который обычно приходится защищать защитным слоем, обеспечивает повышенный коэффициент электромеханической связи преобразователя.
В процессе проведения тарировочного эксперимента, устанавливаются параметры зависимости задержки продольного импульса от температуры преобразователя. В дальнейшем в процессе определения физико-механических характеристик в расчетный алгоритм вносятся соответствующие корректирующие поправки.
Приведенные экспериментальные данные показывают, что в экспериментальных исследованиях с применением рслеевских волн использование в качестве информативного параметра приведенной задержка tR с хорошей точностью обеспечивает отстройку от влияния теплового расширения корпуса релеевского датчика. При решении задач мониторинга напряженного состояния, а также при определении абсолютных значений дейсгвующих осевых напряжений в трубопроводе автором использовались специальные комплексные датчики [182], техническим результатом использования которых является одновременное получение информации о задержках отраженных импульсов упругих волн различных типов, с учетом изменений температуры контролируемого объекта. Данная задача решается тем, что комплексный ультразвуковой датчик содержит корпус с выполненными в нем отверстиями в которых установлены подпружиненные по своей продольной оси ультразвуковые преобразователи, причем в корпусе датчика выполнены три отверстия в которых установлены ультразвуковые преобразователи, один с продольной поляризацией излучаемой ультразвуковой волны, два других с поперечной поляризацией во взаимно перпендикулярных плоскостях, также в датчике с противоположной ультразвуковым преобразователям стороны соосно с ними выполнены винты с возможностью перемещения по продольной оси ультразвуковых преобразователей.
Кроме тощ в корпусе датчика выполнен термодатчик, функцию которого выполняет совмещенный продольный преобразователь, аналогичный используемому в релеевском датчике.
