Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Акустическая эмиссия и ее связь с процессами деформации и деструкции твердых тел 21
1.1. Механизм элементарного акта акустической эмиссии 21
1.2. Дислокационные источники и механизмы акустической эмиссии 23
1.3. Акустическое излучение в процессе зарождения и роста трещин 32
1.4. Физико-механическая природа акта акустической эмиссии при переходе скопления дислокаций через границу. Связь амплитуды излучения со скоростью деформации 39
1.5. Связь выборочных функций распределения прочности и долговечности с количеством актов акустической эмиссии 43
1.6. Связь параметров акустического излучения растущей трещины с коэффициентом интенсивности напряжений и типом напряженно-деформированного состояния 47
Глава 2 Вопросы информативности и достоверности оценки регистрируемых параметров 54
2.1. Информативные параметры акустической эмиссии и их связь со случайным характером процессов структурных изменений в твердых телах 54
2.2. Концепция определения информативных признаков акустической эмиссии 60
2.3. Вероятностно-информационные аспекты оценки достоверности результатов физического эксперимента, неразрушающего контроля и диагностики
Глава 3 Количественное восстановление потока структурных изменений по регистрируемым сигналам сопутствующей эмиссии 79
3.1. Пуассоновский поток как модель описания последовательности актов структурных изменений в процессах кристаллизации, деформации и разрушения тел 79
3.2. Оценка средней длительности регистрируемых импульсов акустической эмиссии 83
3.3. Методы восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии на его поверхности 87
3.4. Экспериментальное моделирование пуассоновского потока. Оценка искажения и точности восстановления потока актов эмиссии 96
3.5. Сравнение достоверности существующих методов измерения и метода восстановления потока актов эмиссии 102
3.6. Метод и результаты восстановления количества потерянных актов структурных преобразований с амплитудами сопутствующей эмиссии ниже порога дискриминации при изменении динамического диапазона регистрируемых сигналов 105
Глава 4 Использование статистических моделей для повышения достоверности оценок спектральных, энергетических и амплитудных параметров акустического излучения при изменении структуры тела 113
4.1. Применение модели пуассоновского потока для восстановления спектральной плотности эмиссии.
Оценка длительности и энергии акта излучения 113
4.2. Диагностика стадий деформации по энергетическим и временным параметрам акта эмиссии. Достоверность оценки спектральной плотности, мощности и энергии акта АЭ 117
4.3. Общий вид и параметры амплитудного распределения эмиссии в процессе деформации твердых тел 120
4.4. Плотность амплитудного распределения акустического излучения при разрушении микрообъема твердого тела 125
4.5. Использование степенной модели пуассоновского потока для учета искажения амплитудного распределения эмиссии. Причины и условия появления ложных амплитудных максимумов 131
4.6. Достоверность оценки вида амплитудного распределения эмиссии и аппаратурная реализация метода ее повышения 136
4.7. Применение степенного вида амплитудного распределения эмиссии для «прореживания» потока триангуляционных серий импульсов при высокой интенсивности источника 142
4.8. Диагностика предразрушающего состояния по анализу формы амплитудного распределения сигналов эмиссии 146
Глава 5 Идентификация стадий деформации и разрушения по параметрам восстановленного потока актов акустической эмиссии. Экспериментальная оценка критерия разрушения по данным эмиссии 150
5.1. Стадийность процессов деформации и разрушения твердых тел 150
5.2. Идентификация стадий деформации и разрушения по положению особых точек восстановленного потока актов эмиссии 154
5.3. Диагностика стадий разрушения по положению переломов кривой потока актов сопутствующей эмиссии 160
5.4. Задача оценки концентрации повреждений по положению нижнего перелома кривой потока актов эмиссии (случай одной особой точки) 164
5.5. Задача оценки концентрации повреждений по положению нижнего и верхнего переломов кривой потока актов эмиссии (случай двух особых точек). Диагностика предразрушающего состояния в рамках концентрационного критерия 167
5.6. Диагностика предразрушающего состояния по амплитудным
и временным инвариантам потока актов акустической эмиссии... 171
5.7. Информативность «прореженных потоков» актов эмиссии 182
Глава 6 Реализация разработанных моделей, алгоритмов и методов АЭ диагностики предразрушающего состояния при механическом и тепловом воздействии 186
6.1. Акустико-эмиссионная диагностика состояния Царь-колокола 186
6.2. Акустико-эмиссионная диагностика теплозащиты первого отечественного космического самолета «Буран» 191
6.3. Применение метода акустической эмиссии к исследованию воздействия среды водорода на свойства материалов 196
6.4. Аппаратурная реализация полученных результатов 201
6.5. Диагностика долговечности титановых лопаток авиационных двигателей по потоку актов акустической эмиссии 207
6.6. Акустико-эмиссионный контроль и диагностика опасных динамических явлений в угольном пласте 215
6.7. Возбуждение акустической эмиссии лазерным излучением для исследования структурных изменений в композитах и полимерах 220
6.8. Совмещенная термогравиметрическая и акустико-эмиссионная диагностика стадий термодеструкции веществ и материалов 229
Заключение 236
Литература
- Физико-механическая природа акта акустической эмиссии при переходе скопления дислокаций через границу. Связь амплитуды излучения со скоростью деформации
- Концепция определения информативных признаков акустической эмиссии
- Методы восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии на его поверхности
- Плотность амплитудного распределения акустического излучения при разрушении микрообъема твердого тела
Введение к работе
В предлагаемой диссертации сделана попытка междисциплинарного подхода к решению проблемы повышения достоверности результатов исследования структурных и прочностных свойств материалов по параметрам акустического излучения, генерируемого непосредственно в ходе изменения или повреждения структуры тела при различных внешних воздействиях.
., hikJUtU
Рис. 1. Форма и спектр сигналов АЭ фазового перехода в материале композитного позистора инициированного воздействием излучения лазера на парах ртути
Актуальность проблемы. В последние годы в физике конденсированного состояния, физике прочности и механике разрушения для определения структурных изменений в материалах становится актуальным развитие и применение методов аку-стико-эмиссионного анализа для контроля и диагностики предразру-шающего состояния. Суть метода акустической эмиссии (АЭ) состоит в анализе параметров чрезвычайно слабого ультразвукового излучения, сопровождающего любое изменение либо повреждение структуры металлов, их сплавов, композиционных материалов. Несовершенства структуры тел, в особенности дислокации - объект физики конденсированного состояния, имеющий не только чисто теоретическое, но и исключительно важное практическое значение, поскольку механическая прочность реальных материалов зависит главным образом, именно, от наличия и поведения дислокаций и их скоплений.
Метод АЭ в принципе позволяет проводить обнаружение (а во многих случаях и идентификацию) широкого класса структурных преобразований в твердых телах, например, фазовых переходов, зарождения микродефектов, срывов скоплений дислокаций с точек закрепления и других наноструктур-ных изменений по сигналам АЭ, так как фиксирует единичные акты с энергией до 10~16 Дж. Каждый акт изменения структуры тела сопровождается коротким упругим импульсом, процесс излучения которого представляет собой так называемый акт акустической эмиссии (акт АЭ). Например, на рис. 1 показаны сигналы акустической эмиссии фазового перехода, зарегистрированные нами в процессе лазерного облучения композитного позистора.
Острая необходимость в разработке новых методов мониторинга структурных и прочностных свойств материалов вызывается тем, что в настоящее время все более актуальными становятся задачи оценки и прогнозирования остаточного ресурса изделий и объектов ответственного назначения в машиностроении, судостроении, трубопроводном транспорте, авиационной и ракетно-космической технике.
В силу ряда причин, значительная часть таких объектов эксплуатируется вблизи или даже за пределами гарантийных сроков, что обуславливает повышенные требования к оценке их надежности и степени опасности. Метод АЭ обладает уникальными возможностями в решении этих проблем, так как позволяет выявлять именно растущие (т.е. наиболее опасные) дефекты.
Метод АЭ дает возможность исследовать кинетику процессов на самых ранних стадиях микродеформации, дислокационного зарождения и накопления микронесплошностей. Это, в принципе, позволяет диагностировать и прогнозировать по сопутствующей АЭ сам момент зарождения трещины. Кроме того, для каждой уже зародившейся трещины существует некоторый критический размер, зависящий от свойств материала. До этого размера трещина подрастает очень медленно (десятки лет) посредством огромного количества небольших дискретных скачков. После достижения трещиной критического размера происходит катастрофическое разрушение, т.к. ее дальнейший рост идет уже со скоростью, близкой к половине скорости звука в материале конструкции. Принимая с помощью особой высокочувствительной аппаратуры и измеряя в самом простейшем случае интенсивность Na = ANa /At (количество в единицу времени), а так же общее количество актов АЭ, Na,
удается по данным АЭ экспериментально оценить скорость роста, длину трещины и прогнозировать близость разрушения.
К сожалению, физико-механическая природа самого явления АЭ изучена явно недостаточно, и в существующих моделях пока не нашел должного отражения случайных характер процессов структурных преобразований в твердых телах. Кроме того, практическое применение метода АЭ тормо- Рис- 2- Типичная картина тонкой структуры ЗИТСЯ Всегда Присутствующим (осцилляции) сигналов АЭ, регистрируемых
датчиком АЭ на поверхности исследуемого тела искажением и перекрытием реальных сигналов при их многомодовом распространении в твердом теле (рис. 2), что сильно затрудняет, а во многих случаях делает невозможным решение обратной задачи количественного восстановления параметров структурных изменений в материалах по регистрируемым сигналам АЭ. Наличие этих проблем существенно снижает достоверность результатов и тормозит использование акустической эмиссии в качестве метода исследования, контроля и диагностики. Проблема повышения достоверности результатов метода АЭ достаточно многофакторная, междисциплинарная и требует для своего решения привлечения достижений из самых различных разделов физики, механики, математики.
Существенную помощь в решении конкретных задач повышения достоверности метода акустической эмиссии оказывают результаты исследований
по физико-механическим и статистическим аспектам прочности кристаллических и аморфных тел, изменению их физических свойств при различных внешних воздействиях, по моделированию акустического излучения дислокаций и микротрещин, по распространению упругих волн, по количественной оценке информативности и достоверности получаемых результатов, а также по применению метода АЭ в физических исследованиях, задачах неразру-шающего контроля и диагностики.
Большой вклад в развитие исследований по затрагиваемым вопросам внесли такие ученые и организаторы науки как Н.П. Алешин, В.А. Бабешко, В.М. Баранов, В.В. Болотин, Г.А. Бигус, КБ. Вакар, И.И. Ворович, В.А. Грешников, Ю.М. Гуфан, Ю.Б. Дробот, В.П. Дудкевич, Л.К. Зарембо, B.C. Иванова, В.И. Иванов, В.В. Калинчук, Э.В. Козлов, Н.А. Конева, B.C. Кук-сенко, A.M. Лексовский, А.А. Ляпин, Н.А. Махутов, Г.Б. Муравин, В.В. Муравьев, В.Д. Нацик, А.Я. Недосека, П.В. Новицкий, В.Е. Панин, Б.Е. Патон, В.А. Плотников, В.В. Поляков, Л.М. Рыбакова, Г.А. Сарычев, А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, А.С. Трипалин, В.М. Финкель, И. Ахенбах, С. Вахавиолос, X. Данеган, А. Грин, П. Гиллис, Д. Джеймс, С. Карпентер, Р. Коллакот, А. Те-тельман, А. Поллок, X. Хатано, К. Шеннон и другие.
Цель работы состоит в выявлении физико-механической природы, статистических закономерностей явления акустической эмиссии и создании новых методов диагностики предразрушающего состояния твердых тел при различных внешних воздействиях с повышенной достоверностью.
Для достижения цели предложен и развивается не имеющий аналогов принципиально новый подход с целью создания эффективных методов восстановления истинных параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений по регистрируемым сигналам сопутствующего акустического излучения. Суть подхода состоит в использовании пуассоновской модели процесса дефектообразования и обнаруженных экспериментально физико-механических особенностей явления АЭ, включая устойчивые в силу ряда предельных теорем статистические параметры случайного процесса АЭ.
Методы исследования и математический аппарат включают элементы физики конденсированного состояния, теории упругости, физики прочности, механики разрушения, математического анализа, теории вероятностей, статистической радиофизики и теории потоков случайных событий. Экспериментальные исследования проводились на физическом и механическом оборудовании общего и специального назначения, включая собственные оригинальные разработки.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью использования математического аппарата, четкостью и ясностью выявляемых физических и механических эффектов, а также согласованностью результатов, полученных с использованием разных методов исследования и с результатами других исследователей.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Физико-механическая природа акта акустической эмиссии адекватно
описывается в рамках дислокационной модели и определяет эксперименталь
но наблюдаемую зависимость амплитуды излучения от скорости и частоты
деформации. Восстановленные по данным акустической эмиссии энергия Еа
и длительность та акта излучения связаны со степенью деформации, слабо
зависят от её скорости и для сплавов на основе Fe и Ті имеют следующие
средние значения: Еа = 10~15...10~13 Дж при та< 10~6с.
-
Выборочные функции распределения прочности и долговечности подобны функциям распределения суммарного количества актов сопутствующего акустического излучения, что позволяет количественно связать кинетику процесса накопления повреждений с параметрами АЭ. Параметры акустического излучения трещины зависят от коэффициента интенсивности напряжений и определяются видом напряженно-деформированного состояния.
-
Совмещенный термогравиметрический и акустико-эмиссионный способ определения стадий термодеструкции веществ и материалов, в том числе при лазерном инициировании, позволяет идентифицировать фазовые переходы (плавление, сублимация) при нагревании и обеспечивает более раннее их выявление, чем существующие методы термического анализа.
-
Восстановление параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений внутри материала становится возможным и достаточно эффективным при подходе, состоящем в использовании пуассоновской модели потока случайных событий и экспериментально обнаруженных физико-механических особенностей сопутствующего акустического излучения.
-
Регистрация обнаруженных особых точек (локальные экстремумы, точки перелома) восстановленного потока актов сопутствующего акустического излучения обеспечивает надежную идентификацию стадий процессов деформации и накопления повреждений. При этом стадии накопления повреждений адекватно описываются в рамках экспоненциальной модели, позволяющей количественно оценить концентрацию и константы размножения микро-несплошностей по положению переломов кривой восстановленной интенсивности потока актов эмиссии.
-
Соотношения амплитудных и временных статистических параметров потока актов акустической эмиссии имеют устойчивые (инвариантные) значения, отклонения от которых являются критерием наступления предразру-шающего состояния.
Научная новизна полученных результатов
1. Развит впервые предложенный автором и не имеющий аналогов принципиально новый подход, позволяющий создание эффективных методов восстановления истинных параметров процессов структурных преобразований
и накопления повреждений по регистрируемым сигналам сопутствующего акустического излучения. Суть подхода состоит в использовании при решении конкретных задач пуассоновской модели процесса структурных изменений и обнаруженных экспериментально физико-механических особенностей явления акустической эмиссии (включая устойчивые в силу ряда предельных теорем статистические параметры случайного процесса АЭ).
-
Впервые предложен и разработан метод совмещенной термогравиметрической и акустико-эмиссионной диагностики стадий термодеструкции веществ и материалов, обеспечивающий более раннее выявление и идентификацию фазовых переходов в процессе нагревания, чем их обнаружение существующими методами термического анализа (Патент РФ № 2324923).
-
Впервые предложены и разработаны основы метода идентификации стадий процессов деформации и накопления повреждений по положению различных особых точек (локальных экстремумов, точек перелома) параметров сопутствующего акустического излучения и разработан метод количественной оценки концентрации и постоянных размножения микронесплошно-стей по положению переломов кривой восстановленной интенсивности потока актов АЭ. Предложен метод определения точки деструкции материала по обнаружению нижнего излома интенсивности потока, либо суммарного количества восстановленного потока актов АЭ. Таким образом, становится возможным рассчитать по данным АЭ исследований реальную концентрацию повреждений (микродефектов) в любой момент нагружения и количественно оценить концентрационный критерий в момент разрушения. Эту информацию (особенно в динамике) затруднительно, а чаще всего вообще невозможно получить экспериментально какими-либо другими физическими методами исследований.
-
На примере модели акустического излучения скопления дислокаций решена задача о связи амплитуды АЭ ансамбля микродефектов со скоростью деформации и разработан метод восстановления количества актов сопутствующей АЭ при изменении динамического диапазона регистрируемых сигналов. Эти результаты позволили предложить метод дополнительного повышения достоверности оценки параметров процесса накопления повреждений за счет восстановления потерянных актов структурных преобразований с амплитудами сопутствующего излучения ниже порога дискриминации аппаратуры.
-
Впервые предложен метод и приведены результаты диагностики пред-разрушающего состояния по отклонению от устойчивых (инвариантных) в силу ряда предельных теорем соотношений статистических амплитудных и временных параметров потока актов сопутствующего акустического излучения. Установлена связь метода инвариантов АЭ с методологией синергети-ческого подхода к разрушению твердых тел. Инвариантные соотношения АЭ оценены как при испытании стандартных образцов корпусной стали, так и по полученным ранее данным АЭ испытаний при гидростатических нагружени-ях корпуса атомного реактора ВВЭР-1000.
-
Впервые предложено понятие информационной достоверности и разработан принципиально новый метод определения достоверности непосредственно по количеству Шенноновской информации, полученной в ходе проведения самой операции эксперимента, контроля или диагностики.
-
Для наиболее распространенного степенного вида амплитудного распределения и пуассоновской модели потока актов структурных изменений внутри материала впервые получены условия появления и положение ложных амплитудных максимумов, сильно снижающих достоверность результатов амплитудного анализа при высокой интенсивности источника АЭ.
Развитие получили и другие методы и подходы применительно к рассматриваемым задачам.
Практическая ценность, реализация и использование результатов.
Разработанные методы и алгоритмы дают существенное увеличение точности оценки параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений в материалах по данным АЭ исследований. Их применение позволяет заметно (не менее чем в 2 раза) повысить достоверность результатов АЭ диагностики предразрушающего состояния.
Результаты работы использованы при диагностике прочности Царь-колокола в Московском Кремле, элементов теплозащиты первого Российского космического самолета "Буран", титановых лопаток турбин авиационных двигателей, при разработке комплекса термического анализа ОКТАЭДР (образцовый криотермический АЭ дериватограф), а так же при диагностике ряда других изделий и объектов ответственного назначения. В Приложении к диссертации приведены 5 актов о передаче и использовании результатов работы.
Результаты работы также используются в Южном федеральном университете при экспериментальном определении критерия разрушения по данным АЭ испытаний студентами 5-го курса факультета механики, математики и компьютерных наук, и в Ростовском военном институте Ракетных войск при выполнении лабораторного практикума. Материалы диссертации в виде электронного учебника, разработанного по гранту ЮФУ 05/6-98, с 2007 года общедоступны на сайте .
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались более чем на 60 научных конференциях и симпозиумах, среди которых отметим: I Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); III Европейскую конференцию по неразрушающему контролю (Флоренция, 1984); II Всесоюзный симпозиум по механике разрушения (Житомир, 1985); I Международную школу «Акустическая эмиссия в диагностике предразрушающего состояния и прогнозировании разрушения» (Варна, 1986); II Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Кишинев, 1987); X Всесоюзный симпозиум «Механоэмиссия и механохимия твердых тел» (Ростов-на-Дону, 1986); Всесоюзную конференцию «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1987); XII Всемирную конференцию по неразрушающему контролю (Амстердам, 1989); Международную конференцию «Сварные конструкции»
(Киев, 1990); XII Всесоюзную конференцию «Неразрушающие физические методы контроля» (Свердловск, 1990); III Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV Конференцию по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (Воронеж, 1992); Научно-техническую конференцию стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международную конференцию по механике разрушения (Киев, 1993); XIV Российскую научно-техническую конференцию «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996); Конференцию-выставку подпрограммы «Транспорт» Программы МО РФ «Научные исследования ВШ по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва-Звенигород, 2001); XXIV Международную конференцию «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004); III Научно-техническую конференцию МИФИ «Научно-инновационное сотрудничество» (Москва, 2004); II Международную Конференцию «Наука и будущее: идеи, которые изменят мир» (Москва, 2005); IX Международный симпозиум «Упорядочения в металлах и сплавах» ОМА-9 (Лоо, 2006); I Международный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-2007) (Лоо, 2007); XIII-XVII Международные конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005-2009); XI Международный междисциплинарный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах» (ОМА-11) (Лоо, 2008); П-ХП Международные конференции "Современные проблемы механики сплошной среды" (Ростов-на-Дону, 1996-2008); II Международный междисциплинарный симпозиум «Плавление-кристаллизация металлов и оксидов», МСМО-2 (Лоо, 2009).
Результаты работы отражены в отчетах ряда тем и госбюджетных НИР, в том числе выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов АЭ диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (№ ГР 01.9.20.011833); по гранту Минобразования РФ 91Гр 98 «Развитие АЭ метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по Фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики; НИР № 05.01.01.36 «Развитие метода АЭ оценки момента наступления предразрушающего состояния элементов конструкций средств воздушного транспорта» в рамках Программы: «Научные исследования ВІД в области транспорта»; гранта ТОО-7.4-2801 «Обоснование новых подходов к диагностике ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок по данным АЭ испытаний» по Фундаментальным исследованиям в области ядерной техники; НИР в рамках ЕЗН «Развитие акустических методов обнаружения скоплений дефектов в твердых телах» (№ ГР 01.2.00.106768), по грантам РФФИ 06-08-01039-а «Метод идентификации ранних стадий разрушения материалов и конструкций» и РФФИ 09-08-00283-а «Метод контроля динамики химических реакций и фи-
зико-химических процессов в жидких средах». Во всех вышеуказанных работах СИ. Буйло был, либо является в настоящее время руководителем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложения и изложена на 279 страницах, включая 88 рисунков и список литературы из 282 наименований.
Благодарности. Автор признателен В.В. Залесскому и А.С. Трипалину, организаторам работ по АЭ тематике в Ростовском госуниверситете, академику РАН В.А. Бабешко, в чьем отделе эти исследования получили так необходимую на первоначальном этапе поддержку; автор выражает глубокую признательность научному консультанту, президенту ЮФУ профессору А.В. Белоконю за постоянное внимание и помощь в работе над диссертацией. Особую благодарность за постоянный интерес, внимание и поддержку автор выражает академику РАН И.И. Воровичу, организатору и пожизненному директору НИИМ и ПМ. Хочу так же поблагодарить всех своих соавторов, совместный труд с которыми привел к полученным в диссертации результатам.
Физико-механическая природа акта акустической эмиссии при переходе скопления дислокаций через границу. Связь амплитуды излучения со скоростью деформации
Впервые предложен метод и приведены результаты диагностики пред-разрушающего состояния по отклонению от устойчивых (инвариантных) в силу ряда предельных теорем соотношений статистических амплитудных и временных параметров потока актов сопутствующего акустического излучения. Установлена связь метода инвариантов АЭ с методологией синергети-ческого подхода к разрушению твердых тел. Инвариантные соотношения АЭ оценены как при испытании стандартных образцов корпусной стали, так и по полученным ранее данным АЭ испытаний при гидростатических нагружени-ях корпуса атомного реактора ВВЭР-1000.
Впервые предложено понятие информационной достоверности и разработан принципиально новый метод определения достоверности непосредственно по количеству Шенноновской информации, полученной в ходе проведения самой операции эксперимента, контроля или диагностики.
Для наиболее распространенного степенного вида амплитудного распределения и пуассоновской модели потока актов структурных изменений внутри материала впервые получены условия появления и положение ложных амплитудных максимумов, сильно снижающих достоверность результатов амплитудного анализа при высокой интенсивности источника АЭ.
Развитие получили и другие методы, и подходы применительно к рассматриваемым задачам.
Практическая ценность, реализация и использование результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы дают существенное увеличение-точности оценки параметров процессов структурных, преобразований и накопления повреждений в материалах по данным АЭ исследований. Их применение позволяет заметно (не менее чем до двух раз) повысить достоверность результатов АЭ диагностики предразрушающего состояния.
Результаты работы использованы при диагностике прочности Царь-колокола в Московском Кремле, элементов теплозащиты первого Российско го космического самолета "Буран", титановых лопаток турбин авиационных двигателей, при разработке комплекса термического анализа ОКТАЭДР (образцовый криотермический АЭ дериватограф), а так же при диагностике ряда других изделий и объектов ответственного назначения. В Приложении к диссертации приведены 5 актов о передаче и использовании результатов работы.
Результаты работы так же используются в учебном процессе в Южном федеральном университете при экспериментальном определении критерия разрушения по данным АЭ испытаний студентами 5-го курса факультета механики, математики и компьютерных наук, и в Ростовском военном институте Ракетных войск при выполнении лабораторного практикума. Материалы диссертации в виде электронного учебника, разработанного по гранту ЮФУ 05/6-98, с 2007 года общедоступны на сайте http://uran.ip.rsu.ru.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались более чем на 60 научных конференциях и симпозиумах, среди которых отметим: I Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); III Европейскую конференцию по неразрушающему контролю (Флоренция, 1984); II Всесоюзный симпозиум по механике разрушения (Житомир, 1985); I Международную школу «Акустическая эмиссия в диагностике предразрушающего состояния и прогнозировании разрушения» (Варна, 1986); II Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Кишинев, 1987); X Всесоюзный симпозиум «Механоэмиссия и механохимия твердых тел» (Ростов-на-Дону, 1986); Всесоюзную конференцию «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1987); XII Всемирную конференцию по неразрушающему контролю (Амстердам, 1989); Международную конференцию «Сварные конструкции» (Киев, 1990); XII Всесоюзную конференцию «Неразрушающие физические методы контроля» (Свердловск, 1990); III Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV Конференцию по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (Воронеж, 1992); Научно-техническую конференцию стран
СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международную конференцию по механике разрушения (Киев, 1993); XIV Российскую научно-техническую конференцию «Неразрушаю-щий контроль и диагностика» (Москва, 1996); Конференцию-выставку подпрограммы «Транспорт» Программы МО РФ «Научные исследования ВШ по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва-Звенигород, 2001); XXIV Международную конференцию «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004); III Научно-техническую конференцию МИФИ «Научно-инновационное сотрудничество» (Москва, 2004); II Международную Конференцию «Наука и будущее: идеи, которые изменят мир» (Москва, 2005); IX Международный симпозиум «Упорядочения в металлах и сплавах» ОМА-9 (Лоо, 2006); I Международный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-2007) (Лоо, 2007); XIII-XVII Международные конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005-2009); XI Международный междисциплинарный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах» (ОМА-11) (Лоо, 2008); II-XII Международные конференции "Современные проблемы механики сплошной среды" (Ростов-на-Дону, 1996-2008); II Международный междисциплинарный симпозиум «Плавление-кристаллизация металлов и оксидов», МСМО-2 (Лоо, 2009).
Результаты работы отражены в отчетах ряда тем и госбюджетных НИР, в том числе выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов АЭ диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (№ ГР 01.9.20.011833); по гранту Минобразования РФ 91Гр 98 «Развитие АЭ метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по Фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики; НИР № 05.01.01.36 «Развитие метода АЭ оценки момента наступления предразрушающего состояния
Концепция определения информативных признаков акустической эмиссии
Статистический анализ сигналов АЭ дал следующие результаты: У всех исследованных как тонких, так и толстых образцов плотность распределения временных интервалов следования актов АЭ почти до самого момента разрушения близка к экспоненциально спадающему виду, что говорит о чисто случайном (пуассоновском) типе потока актов микроповреждения на этих стадиях нагружения (Вопросы применимости модели пуассоновского потока к явлению АЭ подробно рассмотрены в разделе 3.1). Вместе с тем, у части образцов перед разрушением (и почти у всех в сам момент разрушения) наблюдалось некоторое отклонение параметров потока от пуассоновского.
Плотность амплитудного распределения сигналов АЭ на большей части кривой нагружения как тонких, так и толстых образцов имела монотонно-спадающий вид, близкий к степенному распределению. У тонких образцов при высоких значениях коэффициента интенсивности напряжений часто регистрировалось появление максимума амплитудного распределения АЭ. Этот максимум хорошо заметен на рис. 116 (гистограмма 1), где приведены плотности амплитудных распределений АЭ w{a) при К большем 80% от максимального значения коэффициента интенсивности напряжений при разрушении тонкого (гистограмма 1) и толстого (гистограмма 2) образцов.
Результаты эксперимента показывают, что в случае плоского напряженного состояния (тонкие образцы) излучение АЭ начинается при относительно высоких значениях коэффициента интенсивности напряжений у вершины трещины (см. кривую 1 на рис. 1 la). Суммарное количество излученных актов АЭ Na достаточно велико и имеет степенной вид зависимости от К с высоким значением показателя степени а . Следовательно, в этом случае разрушение осуществляется достаточно большим количеством малых скачков трещины и носит более вязкий характер.
Появление максимума амплитудного распределения АЭ (гистограмма 1 на рис. 116) свидетельствует о том, что развитие трещины переходит в стадию, когда ее рост начинает контролироваться какими-либо границами. Физически. это означает (см. раздел 4.8) что границы элементов гетерогенности (границы зерен, субзерен, блоков) становятся эффективными стопорами для растущей трещины, и значительный вклад в регистрируемую АЭ вносят акты АЭ при релаксации напряжений за счет актов пластической микродеформации.
В случае же близком к плоской деформации (толстые образцы) эмиссия начинается при меньших значениях коэффициента интенсивности напряжений К (кривая 2 на рис. 1 la) и сопровождается падением показателя степени а . Общее количество актов АЭ Na в этом случае значительно ниже, что говорит о достаточно больших скачках трещины и их меньшем количестве.
Отсутствие амплитудного максимума АЭ (гистограмма 2 на рис. 116) позволяет утверждать, что в случае близком к плоской деформации скачки трещины уже не контролируются размером зон структурной гетерогенности материала (границы не являются эффективными стопорами), и трещина растет чисто случайным образом.
Учет описанных выше связей суммарного количества, формы статистических распределений амплитуд и временных интервалов следования актов АЭ с видом напряженного состояния, особенностями роста и длиной трещины, дает возможность более точной идентификации и моделирования стадий разрушения по данным АЭ испытаний. Это позволяет дополнительно" повысить достоверность идентификация тонких механизмов микроразрушения материалов по результатам АЭ исследований.
Полученные в разделах 1.5 и 1.6 результаты позволили сформулировать второе положение, выносимое на защиту. Глава 2. Вопросы информативности и достоверности оценки регистрируемых параметров
Получение полезной информации, содержащейся в сигналах АЭ, осуществляется различными методами количественной обработки [1-8, 45, 124, 161, 239, 256]. Число возможных регистрируемых параметров сигналов АЭ может быть достаточно большим. Поэтому важное значение имеет выбор наиболее информативных параметров, несущих необходимую информацию о динамической локальной перестройке внутренней структуры твердых тел.
Пока еще слабое метрологического обеспечения измерений в области АЭ приводит к произвольному выбору и различной интерпретации информационных параметров и методов их регистрации, что затрудняет сопоставление результатов.
Интенсивность потока актов АЭ. К настоящему времени наибольшее практическое применение находят методы АЭ исследования и диагностики, основанные на использовании таких интегральных (в широком смысле этого термина) параметрах потока АЭ, как интенсивность (активность), общее количество, спектральный состав и энергия регистрируемых сигналов АЭ. Хорошая информативность этих параметров непосредственно следует из самой. природы явления АЭ, состоящего в излучении упругих волн, возникающих непосредственно в ходе внутренней локальной перестройки (или повреждения) структуры твердого тела.
Действительно, при каждом коллективном акте повреждения (или перестройки) структуры (срыв лавины дислокаций; слияние микротрещин между собой, с макротрещиной и т.д.) генерируется первичный упругий импульс, процесс излучения которого представляет собой так называемый акт АЭ.
Следовательно, измерение интенсивности потока (скорости следования, т.е. количества в единицу времени) актов АЭ Na или их общего количества Na в принципе позволяет количественно исследовать кинетику накопления повреждений и диагностировать ранние стадии разрушения (деструкции) материалов.
Методы восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии на его поверхности
Иногда для классификации повреждений используется корреляция между псевдоэнергией АЭ и медианной (средней) частотой регистрируемого спектра АЭ [253]. По определению медианная частота fm - это средняя частота, оцениваемая как точка, через которую проходит перпендикуляр к оси частот, разделяющий спектр на равновеликие части.
Однако из всех регистрируемых параметров, спектр АЭ претерпевает наибольшие искажения в процессе распространения и приема. Это при использовании традиционных методов и аппаратуры спектрального анализа часто делает практически невозможным получение какой-либо информации об индивидуальных свойствах источников АЭ. Недостаточная чувствительность и сложность калибровки широкополосных датчиков АЭ вносит также неопределенность в результаты анализа. Однако, несмотря на эти ограничения, исследование регистрируемого спектра АЭ во многих случаях все же позволяет провести идентификацию источников АЭ и механизмов деструкции исследуемых материалов.
Решение обратной задачи, т.е. получение количественных оценок истинных (излученных) спектральных и энергетических параметров АЭ по регистрируемым сигналам АЭ является трудноразрешимой, но чрезвычайно актуальной проблемой. Для ее решения нами предложен метод, позволяющий восстановить спектральный состав и по нему оценить среднюю длительность та и истинную (излученную) среднюю энергию акта АЭ Еа на разных стадиях деструкции материалов [45, 80, 111]. Метод основан на том, что спектр АЭ представляет собой спектр пуассоновского потока коротких упругих импульсов. Вследствие этого удается оценить полную мощность АЭ W во всей (от 0 до оо ) полосе частот по спектральной плотности G (/), изме ренной в ограниченной от fx до /2 полосе. Это дает возможность определить полную среднюю энергию, приходящуюся на один акт АЭ путем деления полной мощности W на восстановленное значение интенсивности потока актов АЭ Nа.
Знание средней длительности и энергии акта АЭ во многих случаях позволяет идентифицировать физическую природу процессов на разных стадиях деструкции исследуемых материалов. Более подробно эти вопросы исследованы в разделах 4.1, 4.2 и 5.1.
3. Амплитудные параметры АЭ. Амплитуда АЭ хае связана с энергией излучения Еае. Энергия излучения Еае пропорциональна квадрату ам плитуды хае и пропорциональна площади излучения микродефекта, которая обычно пропорциональна квадрату среднего линейного размера этого микродефекта. Вследствие этого, одним из наиболее перспективных информативных параметров является измерение, анализ и установление вида w(xoe) — плотности вероятности амплитуд АЭ хае [1-5, 45, 124, 161, 164, 239, 256]. Знание этого параметра позволяет получить информацию о виде распределения энергии по микроисточникам (дефектам структуры), о виде распределения размеров излучающих микродефектов и количественно рассчитать вероятность P(a,b)= jw(xae)dxae излучения импульсов АЭ в интервале амплитуд от я до 6. На практике обычно регистрируется либо амплитуда сигнала АЭ на выходе усилительного тракта и, либо амплитуда, пересчитанная к выходу приемного преобразователя (датчика) АЭ.
При отсутствии искажения и перекрытия сигналов АЭ регистрируемые амплитуды и и их плотности вероятностей w{u) можно считать пропорциональными излученным внутри материала. Однако, при сильном искажении и перекрытии сигналов АЭ эта пропорциональность нарушается и возможно сильное искажение регистрируемой плотности w(u) [45, 91, 98, 124, 239, 243]. Более подробно вопросы искажения регистрируемых ам плитудных распределений, причины и условия появления ложных амплитудных максимумов АЭ рассмотрены в разделах 4.3, 4.5 и 4.8.
Временные параметры АЭ. По нашим данным, существенную информацию несет также w(At)- плотность распределения интервалов времени At между импульсами АЭ. Ее использование дает намного более полную информацию о динамических характеристиках источников АЭ по сравнению с интенсивностью.
Действительно, разные детерминированные и случайные динамические процессы, описываемые различными законами появления событий во времени, могут иметь одно и то же среднее количество событий в единицу времени (интенсивность). Однако, несмотря на одинаковую интенсивность, почти всегда имеется возможность их различения и идентификации именно по функциям (или по плотностям) распределений интервалов между событиями, соответствующих законам появления во времени событий этих исследуемых процессов.
Кроме того, анализ большого количества экспериментальных исследований показывает, что до сих пор недостаточно учитывается принципиально статистический характер процессов накопления повреждений в реальных материалах. Это приводит к тому, что параметры регистрируемых сигналов АЭ больше определяются общими статистическими характеристиками ансамблей несовершенств структур, чем отдельными индивидуальными особенностями микродефектов!
В связи с этим во многих случаях наиболее информативными и предпочтительными для регистрации параметрами АЭ являются их статистические характеристики а, именно, амплитудные распределения импульсов, соответствующих отдельным актам АЭ и распределения временных интервалов между ними.
Плотность амплитудного распределения акустического излучения при разрушении микрообъема твердого тела
Графический вид зависимости (3.7) при разных значениях mnD приведен на рис. 235. Анализ (3.7) и (3.8) показывает, уже при D = 100(40 дБ) и т 2 соотношение (3.9) выполняется с точностью лучше 5%.
Таким образом, в случае большого динамического диапазона сигналов средняя длительность импульсов АЭ t0 почти не зависит от порога дискриминации и приблизительно равна т при обычно наблюдаемых значениях m около двух.
Среднюю длительность сигнала АЭ /0 , описываемую формулой (3.8) и обусловленную послезвучанием этого сигнала в исследуемом теле и приемном датчике можно рассматривать как среднее «мертвое время». Существуют 2 основных типа мертвого времени. Оно может быть продлевающегося типа, то есть зависящим от приходящих на протяжении мертвого времени импульсов (обычное детектирование), и непродлевающегося типа, длительность которого не зависит от приходящих в мертвое время импульсов [45, 54, 124, 234]. Непродлевающееся мертвое время иногда реализуется в АЭ приборах путем выработки прямоугольного импульса, запирающего регистрирующий тракт на время, большее длительности импульса АЭ fy (иногда его называют временем парализации tpar).
Несмотря на наличие ряда качественных оценок учета потерь импульсов для наиболее простого случая непродлевающегося аппаратурного «мертвого» времени, аналогичная проблема до сих пор очень остро стоит при использовании различных датчиков в биофизике, оптической связи, ядерно-физическом эксперименте и т.д. [ 185].
Мертвое время, близкое к непродлевающемуся, дает разработанный нами ранее метод амплитудно-временного селектирования сигналов АЭ [86, 124, 135, 149, 239]. Суть метода заключается в селектировании принятых сигналов АЭ строб-импульсами, длительность которых автоматически управляется амплитудой каждого радиоимпульса АЭ и равна суммарному мертвому времени датчика, материала, и в измерении интенсивности потока селек тированных импульсов Ns. Такое селектирование применено в нашем приборе АП-51Э (раздел 6.4) и защищено двумя авторскими свидетельствами на изобретения [135, 149]. Вместе с тем, его схемотехническая реализация получается сложной и все равно требуется процедура восстановления.
Методы восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии на его поверхности
Оценим количественно влияние перекрытия части импульсов при оценке потока актов АЭ Na и получим соотношения, позволяющие восстановить количество потерянных актов АЭ [45, 55, 88, 97, 111]. Для этого воспользуемся полученным выше выражением (3.7) для среднего значения мертвого времени тЬ{т, D) и пуассоновской моделью потока актов АЭ.
Знание (3.1) и (3.7) позволяет нам количественно оценить связь потока регистрируемых сигналов с излученным потоком актов АЭ. С учетом (3.1) усеченная плотность распределения временных интервалов при перекрытии части импульсов w (At) имеет следующий вид (рис. 226): w (Af) = 0 при At t0; w (At) = w(At) при At t0. (3.10) Для количественного описания степени перекрытия импульсов АЭ введем параметр перекрытия К [45, 88, 97, 111] к=мат;. (з.и) Активность продетектированных импульсов АЭ Nj равна произведению действительной интенсивности потока актов АЭ на заштрихованную площадь под кривой (ЗЛО), то есть [45, 97,111]: Nd = NajexV(-NaAt)dAt = Na ехр(-Л ) = Na exp(f). (3.12) о
Потери при счете перекрывающихся импульсов АЭ приведены на рис. 24. На этом рисунке по горизонтальной оси откладывается интенсивность потока излученных актов АЭ Na, а по вертикальной — интенсивность потока регистрируемых импульсов. При отсутствии искажения и перекрытия сигналов регистрируемая интенсивность точно соответствует излученной (прямая 1 на рис. 24)
Анализ (3.12) показывает (кривая 3 на рис.24), что при подсчете проде-тектированных импульсов АЭ Nd - Na только при К «1. При К = 1 регистрируемая активность имеет экстремум Ndax = 0,37Na. При К 1 метод детектирования приводит к провалам регистрируемой активности АЭ Nd, так как \\mNd = 0 при Na - оо (К » 1). /о1 Na,c x
Потери при счете перекрывающихся импульсов АЭ. 1 - при отсутствии искажения и перекрытия сигналов; 2 — при измерении потока селектированных сигналов; 3 - при измерении потока продетекти-рованных сигналов.
Следует отметить, что зависимость (3.10), соответствующая кривой w (At) на рис. 225 (она же - кривая 1 на рис. 25а) является эквивалентной моделью. Она проста для понимания и удобна для расчетов. Реальное искажение плотности распределения при сильном перекрытии импульсов АЭ показано на рис. 256 и носит более сложный характер. Регистрируемое распределение как бы дополнительно перекашивается относительно прямой имеет вид кривой 2 на рис. 25а. В качестве примера на рис. 256 приведено обнаруженное нами экспериментально искажение плотности распределения временных интервалов АЭ при сильном искажении и перекрытии импульсов АЭ при деформации образцов стали 95X18.
Покажем, что эквивалентная модель (3.10) может применяться и в случае сильного перекрытия импульсов АЭ. Для этого рассмотрим связь между Nd и Na не с использованием плотности распределения (3.10), а непосредственно через вероятности пустых интервалов пуассоновского потока излученных импульсов АЭ. Расчеты по вероятности пустых интервалов часто используются в задачах статистической радиофизики об импульсах [232, 234].
Модельное представление (а) и экспериментальная плотность распределения временных интервалов между импульсами АЭ при их сильном искажении и перекрытии (б). Материал - сталь 95X18 (Fe; 1,0% С; 18% Сг). Деформация є = 2,5%; объем выборки 2775 имп.; время выборки 1 с; число каналов гистограммы анализатора 15; ширина канала 0, 072 мс; параметр перекрытия #=1,21.
Длительность огибающей продетектированного радиоимпульса (вспышки) АЭ t0 продлевается при попадании в нее следующего излученного импульса. Вследствие этого, общее количество зарегистрированных продетек-тированных импульсов АЭ Nd за некоторый интервал времени t есть произведение излученной интенсивности Na на время t и на вероятность отсутст вия актов АЭ за предыдущий к излученному акту временной интервал t0 , то есть Nd — NatP0(t0). Здесь Р()(і0) - вероятность пустого интервала, которая согласно (3.2) равна [(Na t0 ) /О!] ехр(-Л а t0 ) = exp(-Na t0 ).
