Содержание к диссертации
Введение
1. Методы обнаружения и визуализации микродефектов 15
1.1. Описание микродефектов 15
1.2. Металлографический метод выявления микродефектов 16
1.3. Акустические методы 17
1.3.1. Измерение скорости упругих волн и их затухания в материалах 18
1.3.2. Исследование акустических шумов рассеяния 23
1.3.3. Визуализация акустического поля 29
1.4. Магнитные, электромагнитные, вихретоковые, радиационные, каппилярные методы детектирования микродефектов 35
Выводы к главе 1 39
2. Методики экспериментов 40
2.1. Лазерное детектирование ультразвуковых полей и сигналов 40
2.2. Основные виды представления акустической информации 42
2.3. Ультразвуковой дефектоскоп 47
2.4. Обработка акустических сигналов 48
2.5. Алгоритм обработки акустических изображений с помощью преобразования Хафа 55
Выводы к главе 2 57
3. Особенности распространения упругих волн в среде с микропорами 58
3.1. Исследуемые образцы 60
3.2. Результаты металлографического анализа 60
3.3. Анализ одномерных разверток типа А 64
3.4. Визуализация акустических шумов рассеяния 65
3.5. Вейвлет-анализ акустических шумов рассеяния 69
3.6. Динамика распространения ультразвуковых волновых фронтов в среде с микропорами 71
3.7. Чувствительность метода выявления микроповрежденности при лазерном детектировании акустических полей 81
3.8. Разработка методики выявления микропор с помощью
пьезоэлектрических преобразователей 83
Выводы к главе 3 99
4. Особенности акустического поля вблизи трещиноподобньк дефектов 101
4.1. Исследуемый образец и методика лазерного детектирования акустического поля 103
4.2. Обработка и анализ результатов экспериментов 105
4.3. Математическое моделирование поля дифракции ультразвуковых волн на ребре плоскостного дефекта 108
4.4. Вейвлет-анализ сигналов от трещиноподобного дефекта 117
Выводы к главе 4 118
5. Метод акустической микроскопии для визуализации микродефектов в твердых телах 120
5.1. Описание экспериментальной установки 120
5.1.1. Акустическая линза 124
5.1.2. Автоматизация акустического микроскопа 125
5.2. Исследование трещиноподобных дефектов с помощью акустического микроскопа 132
5.3. Акусто-микроскопическое исследование сред с различной степенью микропористости 137
Выводы к главе 5 139
Заключение 141
Список литературы 143
Приложения 157
- Измерение скорости упругих волн и их затухания в материалах
- Алгоритм обработки акустических изображений с помощью преобразования Хафа
- Динамика распространения ультразвуковых волновых фронтов в среде с микропорами
- Математическое моделирование поля дифракции ультразвуковых волн на ребре плоскостного дефекта
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для повышения гадежности эксплуатации различных систем и объектов, предотвращения возникновения аварийных ситуаций и отказов іеобходима своевременная оценка технического состояния изделий и )бъектов. Незначительные изменения структуры, накапливающиеся при глительной эксплуатации оборудования микропоры и стремительно застущие микротрещины способны отнять от 50% до 70% усталостного эесурса конструкции и привести к разрушению за короткий промежуток зремени. Ранняя диагностика наличия в материале зарождающихся яикроповреждений и степени их опасности особенно актуальна при сонтроле ответственных и металлоемких объектов, испытывающих зоздействие высоких температур, давлений, статических и хинамических нагрузок.
Однако существующие традиционные методы неразрушающего сонтроля малочувствительны к дефектам, размеры которых составляют JT единиц до десятков микрометров, позволяя эффективно іетектировать наличие уже достаточно крупных дефектов. Проведение эазрушающих испытаний, в свою очередь, связано с вырезанием металла из реальной конструкции и изготовлением образцов для ісследования, что во многих случаях как технически, так и жономически нецелесообразно.
Применение ультразвука открывает новые возможности в
«учении микроструктуры и микронеоднородности металлов. При
эаспространении в средах со множеством микронесплошностей, много
меньших длины упругой волны на стандартных частотах
ультразвукового контроля, упругие волны испытывают эффекты
многократного рассеяния на совокупности микродефектов, рефрагируют
і дифрагируют вблизи краев микронеоднородностей [1, 2]. Интерес к
ізучению данных явлений в области физической акустики появился
олько в последние годы, однако результаты исследований
:пецифических особенностей волновых процессов в
шкронеоднородных средах могут быть применены для разработки ювых методик неразрушающего контроля и технической диагностики.
Общая тенденция развития акустического метода выявления микродефектов должна быть связана с глубоким изучением изменений пространственно-временной структуры акустических полей и сигналов, вызванных гетерогенностью среды. Для этого необходимо найти способ
"1
повышения чувствительности к дефектам малых размеров, обеспечить более высокую локальность измерений по сравнению с традиционными методиками ультразвукового контроля, совершенствовать методы обработки акустической информации, Использование сфокусированных упругих волн высокой частоты (сотни МГц) позволит визуалюировать микродефекты в материале на разных глубинах, в том числе и в оптически непрозрачных средах. Все это позволит получить новую информацию о степени микроповрежденности среды и может быть положено в основу нового неразрушающего метода выявления этапа предразрушения металла.
Цель работы
Изучить особенности распространения упругих волн в металлах с микродефектами; установить функциональные зависимости, связывающие параметры акустических полей и сигналов со степенью гетерогенности среды; разработать на основе полученных данных рекомендации для развития комплексной неразрушающей методики выявления и визуализации микродефектов в металле.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
изучение особенностей многократного рассеяния ультразвуковых волн от импульсных источников в средах с микропорами;
изучение особенностей дифракции упругих волн на краях трещин с малой шириной раскрытия;
исследование возможностей применения метода лазерного детектирования акустических полей для выявления параметров, связанных с гетерогенностью среды;
исследование возможностей применения метода акустической микроскопии для визуализации микродефектов в твердых телах;
поиск новых информативных параметров, указывающих на наличие в металле микродефектов;
разработка метода выявления микроповрежденности металла и рекомендации по способу его реализации на практике;
разработка методики обработки и анализа экспериментальных данных для получения дополнительной информации о степени микроповрежденности металла.
Научная новизна
1. Показано, что детектирование акустических полей с длиной упругой волны порядка нескольких миллиметров с помощью лазерного
интерферометра позволяет выявить наличие в металле совокупности микропор, размер каждой из которых почти в тысячу раз меньше длины упругой волны. Получено визуальное изображение результата многократного рассеяния упругих волн на совокупности микропор в твердом теле.
Показано, что детектирование пространственно-временной структуры акустического поля на поверхности металла с временным разрешением, много меньшим периода упругих колебаний, позволяет визуализировать особенности распространения волновых фронтов упругих волн в среде со множеством микрорассеивателей, а также вблизи краев резкой неоднородности типа вершины трещины.
Предложены новые информативные параметры, такие как пространственное распределение акустических шумоподобных сигналов, скорость распространения фазы колебательного процесса, указывающие на наличие микроповрежденности металла. Обоснована возможность использования специально разработанных пьезоэлектрических преобразователей для практической реализации предлагаемой новой методики выявления микродефектов в металле.
4. Проведено численное моделирование пространственного
распределения акустических полей преобразователей различной формы
н размеров, работающих в импульсном режиме, в металлических
образцах с микродефектами различного типа.
5. Методом акустической микроскопии получены акустические
изображения отдельных микродефектов с высоким разрешением, анализ
которых позволил получить качественно новую информацию о
микродефектах по сравнению с оптической микроскопией.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментального и теоретического исследования особенностей распространения упругих волн, создаваемых импульсными источниками, в среде с микродефектами различного вида;
Математические модели, описывающие распространение упругих волн в микронеоднородной среде;
Новые качественные и количественные информативные параметры контроля, указывающие на наличие микродефектов в металле,
Метод оценки микроповрежденности металла, чувствительность которого в 2-3 раза выше по сравнению с существующими ультразвуковыми методиками;
5. Рекомендации по параметрам ультразвуковых преобразователе и условиям контроля, позволяющие реализовать предложенны метод оценки микроповрежденности металла производственных условиях.
Настоящая работа выполнена в соответствии с плановой темо "Диагностика" ИФМ УрО РАН, номер гос. регистрации 01.2.006.1339; а также при поддержке грантов Европейской ассоциации акустикон стипендии Американского акустического общества, фантов УрО РАІ для молодых ученых и аспирантов, премии «Новая генерация».
Научная и практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе данные об особенностя: распространения упругих волн в среде с микродефектами, размерь которых много меньше длины упругой волны, могут быть положены ] основу нового акустического неразрушающего метода выявления этак предразрушения металла ответственных металлических изделий і объектов с односторонним доступом, в частности теплоэнергетической оборудования. Разработанная методика выявления микропор в металле < помощью пьезоэлектрических преобразователей может был реализована на основе стандартных ультразвуковых дефектоскопов Способ измерения скорости распространения фазы колебательной процесса использован при разработке устройства регистрациі пульсовых волн, распространяющихся по артериальным сосуда* человека, на которое получен патент РФ. Алгоритмы обработки і визуализации акустических данных, разработанные для получена информации о микродефектах в твердом теле, могут быть использовань для обработки экспериментальных данных в существующих методика: ультразвукового неразрушающего контроля.
Результаты исследований, изложенных в диссертации использованы в учебных курсах «Акустический контроль» і «Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле» читаемых в Ижевском государственном техническом университете дга студентов специальности 200102 «Приборы и методы контроля качеств; и диагностика».
Достоверность полученных в диссертации результатов
подтверждается применением нескольких эффективных методов и
средств детектирования акустических сигналов и полей и
сопоставлением их результатов; воспроизводимостью
экспериментальных данных; использованием при анализе полученных
результатов современных представлений в области физической акустики и ультразвукового контроля; обеспечивается строгой обоснованностью сделанных приближений. Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами параметров акустических полей и теоретическими представлениями о пространственно-временной структуре акустического поля в микронеоднородной среде.
Личный вклад
Вошедшие в диссертацию результаты получены автором совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. Ринкевичем А.Б., а также к.т.н. Перовым Д.В., к.ф.-м.н. Бурхановым А.М. Автор принимал участие в разработке алгоритмов обработки и визуализации экспериментальных данных. При непосредственном участии автора разработан и апробирован метод численного моделирования акустического поля на поверхности металла при прохождении ультразвуковой волны через среду с микропорами и трещиноподобными дефектами. Автором был проведен расчет и сравнение чувствительности существующих акустических методик выявления микродефектов в металле с методикой оценки микроповрежденности, разработанной в диссертации. Автором лично разработано сканирующее устройство и программное обеспечение, управляющее процессом сканирования поверхности твердого тела сфокусированным высокочастотным ультразвуковым пучком и осуществляющее сбор и обработку выходных экспериментальных данных акустического микроскопа. Автор лично проводил эксперименты для получения акустико-микроскопических изображений микродефектов и выполнил их анализ. Автор принимал участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и написании текстов публикаций.
Апробация работы
Основные результаты, приведенные в диссертационной работе докладывались на XVIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (г. Нижний Новгород, 2008 г.), 19м Международном акустическом конгрессе «Акустика в 21 веке» (ICA2007MADRID) (Испания, г. Мадрид, 2007 г.), 2ой совместной конференции Американского акустического общества и Европейской ассоциации акустиков "ACOUSTICS'08 PARIS" (Франция, г. Париж, 2008 г.), Ш Российской научно-технической конференции «Разрушение,
контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.), V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008 г.), XVIII - XX сессиях Российского акустического общества (г. Таганрог, 2006 г., г. Нижний Новгород, 2007 г., г. Москва, 2008 г.), Научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 2007 года, IX Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008 г.), XXIII Уральской конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами" (Курган, 2006 г.).
Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 21 научньк работах, в том числе 8 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, 3 статьях в сборниках и трудах конференций, 8 тезисах докладов, 1 патенте.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации - 158 страниц, включая 69 рисунков, 3 таблицы и список цитированной литературы из 148 наименований.
Измерение скорости упругих волн и их затухания в материалах
Исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн и их затухания в металле в зависимости от структуры и накопления микродефектов при эксплуатации под действием внешних нагрузок, температуры ведутся уже сравнительно давно [15]. Многие работы посвящены поиску корреляций между скоростью распространения ультразвука и механическими свойствами различных сплавов для осуществления неразрушающего контроля качества термической обработки и прочностных характеристик металлов [16-19]. В ряде работ подробно исследовано влияние напряжения и пластических деформаций на скорость ультразвука [20, 21].
Изотропная среда характеризуется двумя независимыми упругими постоянными: модулями нормальной упругости и сдвига, вместо которых используют пару констант Ламе или модули объемного сжатия и коэффициент Пуассона, величина которых однозначно определяется значениями скоростей продольных и поперечных упругих волн. Простейшие формулы связи имеют вид где с/, ct - скорости продольных и поперечных волн соответственно, Л и /и -константы Ламе, р - плотность среды. В случае анизотропных материалов упругие константы будут различны в зависимости от направлений, и число независимых модулей упругости может увеличиться до 21, при этом будет увеличиваться и число собственных волн, возникающих в твердом теле [22].
Присутствие микродефектов в материале, возникающие напряжения при эксплуатации объекта контроля, движение берегов микротрещин и слияние микропор влияют как на плотность среды, так и на ее модули упругости, которые связаны с межатомными силами и расстояниями между точками твердого тела. При этом определенная ориентация микродефектов по-разному влияет на изменение модулей упругости. Все эти факторы определяют изменение скорости упругих волн в микроповрежденной среде.
В одной из первых работ Э. Пападакиса [23] установлено, что изменение плотности стали SAE 4150 в зависимости от режимов термической обработки составляет 0.3%, в то время как изменение скорости распространения продольных и поперечных волн составляет соответственно 1 и 2%.
Изменение модулей упругости в пористой среде было исследовано в работе [24]. При условии, что микропоры одинакового размера, упакованы в матрицу и взаимодействуют друг с другом, теоретическое асимптотическое выражение изменения модуля Юнга Е будет иметь вид где Е0- модуль Юнга для бездефектной среды, Ъ и с - неотрицательные константы материала, кр - коэффициент пористости. Формула (1.3.3) получена в предположении того, что при приложении любой нагрузки к твердому телу с нулевой пористостью не произойдет никакого искривления потока силовых линий. При ненулевой пористости происходит искривление силовых линий и приложенная нагрузка приводит к одновременному растяжению и сдвигу, действующим на поры в матрице, в результате поры вытягиваются в эллипсоиды и поворачиваются, что изменяет занимаемый матрицей пор объем в твердом теле. Данная модель показывает лишь качественную зависимость уменьшения модулей упругости при увеличении пористости среды при условии определенного расположения микропор, что часто не соответствует реальным условиям. Другой вид зависимости скорости звука в твердом теле с воздушными микропорами при пористости менее 20% был предложен в работе [25]: где Ср - скорость звука в металле с порами, Со -скорость звука в металле при отсутствии пор, Р = —- - объемная пористость образца, VP - объем, занимаемый порами, V - объем всего образца. При этом использовалась модель изолированных кубических пор и зависимость модуля всестороннего сжатия твердого тела от относительного объема твердой фазы, который в случае присутствия микропор изменяется. Авторами работы [26] установлено, что значения скоростей продольных, сдвиговых и поверхностных ультразвуковых волн монотонно уменьшаются с увеличением степени поражения металла микропорами. Для гибов из стали 12Х1МФ, работающих в условиях высокотемпературной ползучести, получено, что эффект изменения скоростей продольных и поперечных упругих волн на последней (третьей) стадии ползучести, когда уже образуются микронадрывы и микротрещины, составляет 0.3-1%, для рэлеевских волн 1.5-2%.
В работе [27] предполагается, что при возникающих одноосных напряжениях в микроповрежденной среде скорость поперечной упругой волны, поляризованной вдоль действующих напряжений, уже не будет равна скорости поперечной волны, поляризованной поперек напряжений. Соответственно по разности скоростей можно судить о величине и знаке напряжений. Однако появление напряжения может быть вызвано не только развитием микродефектов в металле, кроме того, предлагаемый способ достаточно трудоемок из-за необходимости измерять две величины скоростей поперечных волн.
Алгоритм обработки акустических изображений с помощью преобразования Хафа
Используя различные методы, основанные на самых различных физических принципах съема информации, можно зафиксировать изменение физико-механических свойств материалов с микродефектами. Однако на практике данные методы не получили широкого распространения в силу их малой чувствительности к дефектам малых размеров.
Магнитопорошковым методом дефектоскопии, основанным на явлении притяжения частиц магнитного порошка магнитными потоками рассеяния, возникающими над дефектами в намагниченных объектах контроля, можно выявить трещины усталости и другие дефекты в начальной стадии их появления. Минимальная протяженность дефекта в магнитопорошковом методе должна быть не менее 0.5 мм с шириной раскрытия от 1 мкм и глубиной не менее 10 мкм [69], то есть, возможно выявление только протяженных поверхностных микротрещин, к микропорам данный метод нечувствителен. Кроме того, на выявляемость микродефектов оказывают влияние многие факторы, связанные с магнитными свойствами изделия, формой объекта контроля, значением параметров технологии контроля: размером частиц магнитного порошка, силы тока, схемы намагничивания и др.
Применение магнито-силовой микроскопии позволяет получить пространственное распределение локальных величин магнитных моментов на поверхности образца с высоким пространственным разрешением (до 0.1 мкм и менее). Известно применение в качестве зонда миниатюрного датчика Холла для визуализации микронесплошностей на поверхности металла. Однако метод применим только для магнитных материалов, кроме того, получаемое изображение не содержит информации о глубине [70].
Для контроля наличия микродефектов в изделиях из ферромагнитных материалов перспективно использовать метод магнитоакустических шумов перемагничивания. Если ферромагнитный материал помещен в изменяющееся магнитное поле, то плотность магнитного потока изменяется дискретно, так как стенки магнитных доменов преодолевают различные препятствия, такие как с поры, включения, границы зерен, существующие на пути их движения. Энергетические и эмиссионные параметры регистрируемых шумоподобных импульсов могут быть использованы для анализа микроструктурного состояния металла и фиксирования момента зарождения трещин [71-73]. Однако данный метод применим только к ферромагнитным материалам, кроме того, для комплексного описания магнитошумовой активности контролируемого материала необходимо использовать значительное количество информационных параметров, выбор которых до сих пор не оптимизирован, что затрудняет получение достоверных результатов.
Наличие микродефектов под возбуждающей магнитный поток катушкой индуктивности вызывает перераспределение вихревых токов в изделии и изменение сопротивления, что регистрируется с помощью вихретокового метода. Вихретоковыи метод контроля эффективен прежде всего для диагностики малораскрытых трещин (с шириной раскрытия у выхода на поверхность - 0.5 мкм) а также для выявления несплошностей только поверхностного слоя с минимальным размером дефектов от 0.5 до 1 мкм [74]. В методе отсутствует наглядность результатов контроля, что затрудняет распространение метода на практике.
Капиллярный метод чувствителен только к трещиноподобным дефектам, выходящим на поверхность, глубина которых должна минимум в 10 раз должна превышать ширину раскрытия, и не может обнаружить поры, включения или трещины, не выходящие на поверхность. Минимальный размер выявляемого трещиноподобного дефекта определяется сочетанием пенетранта, очистителя и проявителя, используемых при контроле, и для высшего класса чувствительности может достигать 0.12..0.5 мкм при шероховатости поверхности объекта контроля не более 2.5..5 мкм. Однако технология капиллярного контроля является многооперационной и трудоемкой. Кроме того, для расшифровки наличия микродефектов на индикаторных картинах необходимо использовать прецизионное фотографирование их индикаторных следов [75], что на практике не применяется.
Выявление микродефектов с помощью метода акустической эмиссии заключается в исследовании шумов, вызванных процессами зернограничного скольжения скопления дислокаций, раскрытия и схлопывания поверхностей развивающихся микротрещин, наблюдаемых уже на начальной стадии деформирования материала. Особенностями сигналов акустической эмиссии являются их сложный характер, низкий энергетический уровень, широкий диапазон частот (от нескольких Гц до нескольких МГц) [76], что требует использования высокочувствительных приемных преобразователей с минимальным уровнем собственных шумов.
Эксперименты на сосудах давления показали, что развитие процесса активного трещинообразования, ведущего к разрушению, проявляется в виде резкого, «взрывного» роста интенсивности регистрируемых сигналов акустической эмиссии и увеличению выделяемой суммарной акустической энергии [77, 78]. В работе [79] выявлена существенная нелинейность детектированного акустического сигнала от скопления микротрещин, берега разрыва которых ориентированы в одной плоскости (пластинчатая структура).
Однако широкого распространения на практике метод акустической эмиссии для выявления микродефектов не получил из-за определенных недостатков и ограничений в области применения. К ним относятся: необходимость создания механической нагрузки для возникновения акустической эмиссии; обеспечение хорошего акустического контакта; затрудненное выделение полезных сигналов на фоне больших окружающих шумов; большое число регистрируемых параметров и как следствие сложная (многопараметровая) аппаратура [76, 77]. Метод акустической эмиссии эффективно использовать для оперативного обнаружения развивающихся трещиноподобных дефектов, однако к микропорам данный метод не чувствителен.
Динамика распространения ультразвуковых волновых фронтов в среде с микропорами
В этом разделе будут исследованы особенности акустических полей и сигналов, распространяющихся в среде с микропорами. Результаты данной главы опубликованы в работах [84, 97, 101-111].
Наличие в металле микропор с резко контрастными акустическими свойствами обуславливает специфичность процессов распространения акустических полей и волн в такой среде. Так как размеры одиночной микропоры много меньше длины ультразвуковой волны ( 1000 раз) и составляют около 1-10 мкм, визуализировать, выявить отдельный микродефект невозможно с помощью традиционных методов ультразвуковой дефектоскопии, которые позволяют детектировать несплошности в металле с эффективной отражающей поверхностью от 1.5-2 мм2 [52]. Использование в качестве информативного параметра изменение скорости ультразвуковых волн в микроповрежденной среде или их затухания несет усредненную и косвенную оценку степени поврежденности материала. Между тем, своевременное выявление наличия в металле микропор особенно актуально при неразрушающем контроле теплоэнергетического оборудования. Эксплуатация металла в теплоэнергетике в тяжелых условиях при высокой (до 550С) температуре под внутренним давлением пара до 25 МПа приводит к возникновению высокотемпературной ползучести, которая может привести к авариям на ТЭС в результате повреждений трубопроводов пара [112] Микропоры начинают зарождаться и накапливаться в металле еще в процессе формовки и монтажа труб. По мере роста нагрузок, времени эксплуатации, роста пластической деформации количество микропор, возникающих в материале труб, увеличивается, они сливаются друг с другом, образуя потенциально опасные трещины. Примером реальной гетерогенной среды с множеством микропор, образовавшихся под действием внешних нагрузок во время длительной эксплуатации при значительных давлениях и температурах, может быть металл из наиболее опасной зоны трубопровода пара - гиба паропровода, который испытывает значительные напряжения и деформации еще в процессе изготовления трубы. В таком растягиваемом конструкционном элементе по сравнению с металлом ровных участков трубопроводов относительно медленный процесс зарождения, роста и миграции микропор, их слияния в микротрещины, может внезапно смениться быстрым слиянием микротрещин, приводя к появлению в металле магистральной макротрещины, то есть к катастрофическому разрушению оборудования. Причем это может случиться при напряжениях значительно меньших, чем допускаемые при статическом или циклическом нагружении паропровода (то есть меньших, чем предел текучести металла) [113]. При этом в первую очередь в ходе эксплуатации микродефекты начинают появляться и развиваться в верхней области гиба, испытывающей деформацию на изгиб [16, 114].
В главе будет изучена возможность получения информации о микропорах в жаропрочной стали с помощью лазерного детектирования акустических полей упругих волн, распространяющихся в такой гетерогенной среде. Для этого будет использован метод лазерной интерферометрии. На основе полученных результатов будут построены расчетные модели, описывающие изменения геометрических параметров ультразвукового пучка, прошедшего через среду со множеством микрорассеивателей, получены двумерные распределения акустических шумоподобных сигналов, связанных с микропорами, оценено изменение фазовых соотношений различных частотных компонент принятых акустических сигналов.
Определение новых информативных параметров, связанных со степенью поврежденности материала, получение, а также разработка методики обработки результатов, полученных с помощью лазерного ультразвукового интерферометра, представляет особый интерес, так как потенциально даст больше информации о наличии микропор в металле, что может быть положено в основу разработки новых методик ультразвукового неразрушающего контроля состояния предразрушения металла.
3.1. Исследуемые образцы
При выполнении экспериментальных исследований использовались образцы, которые подвергались воздействию высокого давления и температуры. Исследуемые образцы были выполнены из жаропрочной стали 12Х1МФ, наиболее часто применяемой для производства паропроводов высокого давления с рабочими температурами до 580С. Образцы были изготовлены в виде дисков диаметром 25 мм и толщиной 5 мм. Образец 1 был вырезан из выпуклой части изогнутой трубы 0 219x24 мм (гиба) после испытания на стенде в течение 16000 ч. при следующих параметрах пара: температура Т = 600 С, давление Р = 20 МПа. Образцы 2 я 3 были вырезаны из гиба паропровода с толщиной стенки 32 мм (диаметр трубы 273 мм), эксплуатировавшегося на ТЭС в течение 150000 часов при температуре пара Т = 550С и давлении Р = 13 МПа. Образец 2 был вырезан из сжатой стороны гиба, а образец 3 - из растянутой стороны гиба; в ходе металлографического исследования в них были обнаружены микропоры. Плоскости всех вырезанных образцов были параллельны оси трубы; образцы 1 и 3 были вырезаны из наружной трети толщины стенки растянутой части гиба трубы, образец 2 был вырезан из наружной трети толщины стенки сжатой части гиба.
Под действием высокой температуры и давления в образцах образовались микродефекты. Для выявления микродефектов в образцах шлифы 10-ти кратно полировались и травились 4% раствором азотной кислоты в спирте, окончательное травление проводилось в 2% растворе пикриновой кислоты в спирте. Полировка производилась алмазной пастой. С помощью микроскопа при увеличении 500 подсчитывалось количество микродефектов на единицу площади шлифа и средние размеры микродефекта. Последующий металлографический анализ показал, что в образце 1 преобладают в основном крупные круглые микропоры с диаметрами от 4.3 мкм до 28.2 мкм; в образце 2 содержатся отдельные точечные микропоры с диаметрами 0.6-8.8 мкм, в то время как в образце 3 из растянутой стороны гиба выявлено множество как точечных микропор на границах зерен металла, так и слившихся в цепочки микропор, способных образовать микротрещины. Размеры микродефектов в образце 3 - от 0.5 до 15.6 мкм. Металлографические микрофотографии сечения образцов 1 и 3, содержащих микродефекты, показаны на рис. 3.1. Масштаб деления шкалы на рис. 3.1 соответствует 50 мкм.
Математическое моделирование поля дифракции ультразвуковых волн на ребре плоскостного дефекта
В данной главе будут исследованы особенности взаимодействия продольной упругой волны с трещиноподобным дефектом в образце из стали, ширина раскрытия которого очень мала и во много раз меньше длины упругой волны в среде. Основные результаты исследований данной главы опубликованы в работах [123-128].
Своевременное выявление трещин и трещиноподобных дефектов различной ориентации и размеров - наиболее опасных видов дефектов, является одной из важнейших задач ультразвукового неразрушающего контроля. Одним из эффективных методов получения информации о трещине в среде является исследование специфических особенностей акустического поля вблизи вершины или края плоскостного дефекта, вызванных явлениями дифракции и рассеяния упругих волн. Анализ структуры отраженного и рассеянного поля может дать информацию как о форме и ориентации препятствия (дефекта) в среде, так и о его размерах, что может быть использовано для оценки влияния дефекта на прочностные свойства конструкции или изделия и возможности его разрушения. Стремительное развитие ультразвуковых методик, основанных на использовании явления дифракции упругих волн, подтверждается большим количеством докладов и специализированных заседаний на конференциях по неразрушающему контролю [38, 47], разработкой специализированных зарубежных и российских стандартов [129, 130]. Наиболее популярным среди таких методов является дифракционно-временной метод, основанный на приеме упругих волн, рассеянных на концах плоскостного дефекта, такого как трещины или непровара, с помощью двух пьезопреобразователей, расположенных по разные стороны от дефекта [131]. Сигналы дифрагированных волн, зафиксированные от кончиков вертикального дефекта, несут информацию о поверхности дефекта, его ориентации по отношению к преобразователям, форме самих кончиков дефекта, кроме того, они обычно хорошо разделены во времени, что позволяет измерять размеры (высоту) и координаты трещины. При этом на практике в основном применяют продольные волны в силу их наибольшей скорости в среде - они первыми приходят на приемник и их легко отличить от остальных типов волн, образовавшихся в результате дифракции на дефекте [55].
Однако разрешающая способность дифракционно-временного метода такова, что в реальных условиях надежно фиксировать дифракционные сигналы можно лишь при высоте дефекта не менее 5 мм и при отклонении ориентации дефекта от нормали к поверхности ввода не более чем на 10 [38]. Мелкие дефекты, плоскостные дефекты с малой шириной раскрытия, ориентированные «неблагоприятным» образом по отношению к излучающему и принимающему преобразователям, создают слабые дифрагированные сигналы, плохо различимые на фоне помех. Вместе с тем, важно своевременно выявлять развивающиеся трещины малого размера, которые могут привести с течением времени к разрушению объекта.
Для эффективного детектирования и «расшифровки» дифрагированных сигналов от таких трещин необходимо использование излучателей и приемников с большей локальностью измерений, в отличие от традиционных ультразвуковых преобразователей, фронтальная разрешающая способность которых ограничена длиной упругой волны. Кроме того, для приема дифрагированных сигналов без искажений необходимо обеспечить широкополосность приемника (желательно иметь полосу частот от 0.8 до 30 МГц [130]), что также затруднено с помощью стандартных пьезоэлектрических приемников.
Использование лазерного детектирования акустических полей позволит изучать более детально структуру акустического поля и визуализировать особенности распространения упругих волн в твердых телах, содержащих трещины различной ориентации, вида, размер которых может быть меньше длины упругой волны.
В данной главе на основе экспериментов, выполненных на установке лазерного интерферометра, будет указано на существование особенностей пространственно-временной структуры акустического поля продольных волн вблизи трещины с очень малой шириной раскрытия, которые можно использовать для выявления подобных дефектов даже при их неблагоприятной ориентации к источнику ультразвука. Будет показано, как повышение временной разрешающей способности приемной аппаратуры, позволяющей фиксировать мгновенные картины акустического поля в образце, приводит к получению новой информации о трещиноподобном дефекте и местоположении его вершины в объекте контроля.
Для исследований был выбран стальной образец с трещиной, плоскость которой ориентирована параллельно направлению падения продольных ультразвуковых волн, возбуждаемых пьезоэлектрическим преобразователем (рис. 4.1). Ширина раскрытия трещины составила 4-5 мкм, длина трещины 13-14 мм, металлографический анализ показал, что трещина заполнена окалиной (рис. 4.2). Для возбуждения в образце ультразвуковых колебаний использовался прямой преобразователь с резонансной частотой 5 МГц и диаметром пьезопластины, равным 5 мм. Пьезоэлектрический преобразователь располагался на одной стороне стального образца, противоположная вводу ультразвуковых колебаний сторона, шлифованная так, что высота неровностей не превышала 3-4 мкм, использовалась для лазерного детектирования акустического поля.
С помощью традиционных акустических методик обнаружение данной трещины затруднено при таком расположении, что ее плоскость совпадает с направлением распространения продольных волн. Амплитуда дифрагированных сигналов от ребра трещины будет очень мала, и сигналы от трещины будут трудно различимы на развертках типа А, использующихся в традиционных методиках ультразвукового контроля. Так, в работе [132] установлено, что амплитуда дифракционного сигнала от ребра разреза на порядок меньше, чем, например, от плоскодонных отражателей, что существенно затрудняет интерпретацию полученных сигналов.
