Содержание к диссертации
Введение
1. Эволюция дефектной структуры как фактор акустической эмиссии при деформации и разрушении твердых тел
1.1. Деформация и разрушение материалов как многостадийный, многоуровневый процесс
1.2. Эволюция дефектной структуры металлических материалов при циклическом нагружении
1.3. Механизмы и закономерности генерации сигналов акустической эмиссии. Параметры акустической эмиссии
1.4. Роль структурных факторов в формировании сигналов акустической эмиссии
2 Постановка задачи, материал и методика исследований 72
2.1. Задачи исследований 72
2.2. Выбор материалов и методов испытаний 73
2.3. Оборудование и методика эксперимента 81
3. Разработка методов, аппаратных и программных средств для регистрации, обработки и анализа сигналов акустической эмиссии
3.1. Программно-аппаратный комплекс для регистрации и обработки сигналов, локации и идентификации источников акустической эмиссии
3.2. Разработка методов спектрального вейвлет анализа сигналов акустической эмиссии
3.3. Разработка метода определения местоположения источников акустической эмиссии с использованием одного приемника
4. Классификация сигналов и идентификация типов источников акустической эмиссии
4.1. Моделирование и анализ единичных сигналов акустической эмиссии
4.2. Классификация сигналов акустической эмиссии и идентификация механизмов деформации и разрушения образцов конструкционных поликристаллических материалов
5. Исследование стадийности деформации и разрушения и эволюции дефектной структуры при квазистатическом одноосном растяжении образцов конструкционныхполикристаллических материалов
5.1. Влияние типа кристаллической решетки на стадийность деформации и разрушения и кинетику акустической эмиссии гладких образцов поликристаллических материалов
5.2. Влияние концентратора напряжений на стадийность деформации и разрушения и кинетику акустической эмиссии образцов с надрезом
5.3. Влияние поверхностного упрочнения на стадийность деформации и кинетику акустической эмиссии
5.4. Влияние термической обработки на эволюцию дефектной структуры при деформации
6. Исследование эволюции дефектной структуры на различных стадиях усталости в условиях действия циклических нагрузок
6.1. Стадийность акустической эмиссии при деформации и разрушении гладких образцов алюминиевого сплава Д16АТ в условиях действия циклических нагрузок
6.2. Стадийность акустической эмиссии при деформации и разрушении гладких образцов стали 20 в условиях действия циклических нагрузок
6.3. Стадийность акустической эмиссии при деформации и разрушении гладких образцов титанового сплава ОТ4 в условиях действия циклических нагрузок
6.4. Влияние поверхности на стадийность процесса усталости и акустической эмиссии при циклическом нагружении образцов алюминиевого сплава Д16АТ с электроэрозионной поверхностной обработкой
Основные результаты и выводы 323
Список использованной литературы
- Эволюция дефектной структуры металлических материалов при циклическом нагружении
- Выбор материалов и методов испытаний
- Разработка методов спектрального вейвлет анализа сигналов акустической эмиссии
- Влияние концентратора напряжений на стадийность деформации и разрушения и кинетику акустической эмиссии образцов с надрезом
Введение к работе
Актуальность работы. Структура материалов при нагружении может быть представлена как сложная система, обладающая свойствами нелинейности, неравновесности и необратимости. Главный интерес исследователей в настоящее время направлен на изучение дефектов структуры любого объекта, определяющих его основные эксплуатационные характеристики.
Главная парадигма современного материаловедения «от дефектов структуры материала – к его свойствам» приобрела новое содержание благодаря рассмотрению иерархии структур и созданию моделей пластической деформации и разрушения на микро-, мезо- и макроструктурных уровнях. Экспериментальные и теоретические исследования мезоскопических структурных уровней деформации привели к созданию качественно новой методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой самоорганизующиеся системы. В связи с этим школой под руководством академика Панина В.Е. на протяжении более 20 лет развивается направление в механике твердого деформируемого тела – физическая мезомеханика. В его основу легли разработка и описание иерархии структурных уровней деформации твердых тел.
Исследования многостадийности деформации и накопления повреждений металлических материалов представляют интерес как для решения теоретических, так и прикладных проблем материаловедения. С позиций фундаментального рассмотрения такие исследования дают информацию о механизме деградации структуры на ранних стадиях деформационного процесса, а с позиций решения прикладных проблем позволяют разработать новые подходы к прогнозированию несущей способности, выявлению текущего механического состояния материала конструкций. Первым известным фактором, определяющим деформационное поведение и свойства материала, является его состав и тип кристаллической решетки. Для для чистых ГЦК кристаллов с выраженной площадкой текучести сначала Дж. Беллом в 1955 г. был выявлен трехстадийный, позднее Н.А. Коневой в 1984 г. четырехстадийный характер кривой течения, характерной для гетерогенно-пластического поведения материалов. Вторым немаловажным фактором является первичное структурное состояние материала, предшествующее деформации. Если свойства и поведение идеальных кристаллов достаточно хорошо изучены и теоретически описаны, то поведение поликристаллов в различном структурном состоянии на сегодняшний день требует все более глубокого изучения и переосмысления.
Структурное состояние материала при прочих равных условиях зачастую может оказаться наиболее важным фактором, влияющим на свойства, и долговечность материала. Если деформационное поведение материала на макроуровне можно описать на основе кривых «напряжение-деформация», то эволюцию дефектной структуры на микроуровне наиболее эффективно можно описать по ее изменению. Выбор метода исследования в этом случае является достаточно важным.
Исследованию механизмов и особенностей деформации материалов посвящено много работ и применяется множество методик, основанных на различных физических принципах. В основу каждого метода заложено какое-либо физическое явление или эффект. Современное многообразие методов позволяет сделать выбор того или иного метода исходя из поставленных задач. Несомненно, наиболее простой в интерпретации, наглядный и активно используемый – это метод прямого визуального наблюдения за исследуемым деформируемым материалом. Однако, данный метод позволяет судить о процессах, происходящих в структуре материала, в основном, по результатам исследования поверхности. Метод АЭ является одним из наиболее информативных методов анализа структурных изменений на микроуровне структурно однородных и неоднородных материалов в реальном времени. Данный метод регистрации упругих волн при деформации твердых тел, известен с середины XX века благодаря работам Кайзера, Скофилда, Данегана, Поллока и др. Многие зарубежные страны (США, Япония, Англия, Франция, Германия) в 60-70-х годах ХХ века проявили большую активность в развитии метода АЭ как метода неразрушающего контроля материалов и конструкций. В СССР наибольшая активность исследований в области АЭ применительно к задачам неразрушающего контроля и технической диагностики качества материалов и изделий пришлась на 70-80-е годы ХХ века благодаря работам таких ученых как А.Е. Андрейкив, В.Н. Белов, В.С. Бойко, Л.Р. Ботвина, В.А. Грешников, О.В. Гусев, Ю.Б. Дробот, В.И. Иванов, Н.В. Лысак, Г.Б. Муравин, Н.В. Новиков, Н.А. Семашко, А.Н. Серьезнов, В.М. Финкель и др. Вместе с тем, интерпретация результатов проводимых исследований сдерживалась отставанием в развитии технических средств для регистрации и обработки сигналов АЭ. Метод АЭ является одним из немногих методов, позволяющих в реальном времени проводить исследование кинетики объемной структурной перестройки на различных стадиях деформации материалов.
Актуальность применения метода акустической эмиссии для описания стадийности процессов деформации материалов вызвана, в том числе, развитием новой теории структурных уровней деформации твердых тел и необходимостью поиска новых методов ее экспериментального подтверждения для различных материалов и условий нагружения. Проведение данных исследований потребовало разработки новых программных и аппаратных средств, а также алгоритмов и методов регистрации и обработки сигналов АЭ. Новые методики исследования должны основываться на результатах анализа известных и вновь получаемых данных. Комплексное применение известных и разрабатываемых методов, в том числе совмещение метода АЭ и оптико-телевизионного метода оценки деформации, позволяет раскрыть взаимосвязь структурных переходов в объеме материала на микроуровне со структурными переходами на мезо- и макроуровнях, получаемых по изображениям поверхности деформируемого материала, а также данным тензометрии.
Особая актуальность проводимых исследований заключается в описании стадийности АЭ на различных структурных уровнях деформации в целях прогнозирования наступления стадии предразрушения. При этом переход материала при испытании или эксплуатации на стадию предразрушения должен быть рассмотрен в условиях статических и циклических нагрузок. Одним из важных критериев, используемых при прогнозировании, является идентификация дефектов структуры, развивающихся при деформировании. Большие перспективы развития метода АЭ при этом связаны с техническими достижениями и возможностями в области применения ЭВМ для накопления и обработки больших объемов цифровой информации, получаемой при регистрации сигналов АЭ.
Для выявления структурных переходов и описания стадий деформации на основе данных, получаемых от комплексного использования АЭ и оптико-телевизионного метода, необходимо проведение системного исследования широкого спектра материалов (титановые, алюминиевые сплавы, сплавы железа) с различными видами объемной и поверхностной обработки и их общая систематизация.
Целью работы является разработка комбинированного метода исследования, контроля и прогнозирования структурного состояния поликристаллических материалов в условиях различных схем нагружения на основе установления связи между эволюцией дефектной структуры и кинетикой накопления повреждений, регистрируемых методом АЭ на различных стадиях пластической деформации и разрушения.
Актуальность работы подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках единого заказ-наряда, Региональной научно-технической программы решения комплексных проблем Дальнего Востока «Дальний Восток России».
В работе поставлены следующие задачи:
разработать критерии идентификации источников сигналов АЭ, выявить наиболее информативные параметры АЭ и на их основе установить закономерности развития пластической деформации и разрушения металлических материалов с кристаллическими решетками ОЦК, ГЦК и ГПУ на различных стадиях;
разработать методику, алгоритм и программное обеспечение для регистрации, обработки, анализа и идентификации сигналов АЭ и методику комбинированного применения акустико-эмиссионного, оптико-телевизионного и тензометрического методов для исследования структурного состояния и эволюции накопления повреждений образцов конструкционных материалов и изделий из них;
установить связь между стадиями деформации и разрушения при статическом растяжении и циклическом изгибе образцов конструкционных материалов, выявленными на основании данных тензометрии, оптических изображений деформируемой поверхности, металлографии и АЭ, структурным состоянием и механическими свойствами материалов;
выявить особенности влияния покрытий и концентраторов напряжений в виде надрезов на регистрируемые параметры АЭ при одноосном статическом растяжении конструкционных материалов;
с применением метода АЭ выявить влияние обработки поверхности на особенности накопления повреждений и развития усталостных трещин при знакопеременном циклическом изгибе образцов конструкционных материалов и разработать критерии прогнозирования долговечности;
провести исследование образцов конструкционных материалов в состоянии поставки, с термической, химикотермической, поверхностной электроэрозионной обработкой, выявить закономерности и стадии деформации и разрушения в условиях приложения статических и циклических нагрузок с комплексным применением АЭ и оптико-телевизионного методов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана методика идентификации типов источников на основании нового параметра АЭ (частотного коэффициента Kf) и критерии классификации сигналов АЭ; при этом источники АЭ классифицированы как излучаемые при пластической деформации скольжением, двойникованием, образовании микро- и макротрещин;
на основании активности АЭ выявлено и теоретически обосновано наличие стадий деформации и разрушения металлических материалов при статическом растяжении:
микротекучести – с высокой активностью АЭ, вызванной высокой скоростью роста напряжений;
начала пластической деформации – с характерным снижением активности АЭ в связи со снижением скорости роста напряжений;
упрочнения – с низкой активностью сигналов АЭ в связи с повышением плотности дислокаций и снижением энергии излучения АЭ;
текучести или легкого скольжения – с высокой степенью активности сигналов АЭ дислокационного типа, связанной с генерацией и движением дислокаций;
прерывистой текучести, сопровождающейся периодическими излучениями сигналов АЭ дислокационного типа с низкой амплитудой;
локализации деформации – с отсутствием регистрации АЭ у пластичных материалов, с наличием активности АЭ в титановых сплавах;
установлено, что при увеличении скорости истинной деформации активность АЭ увеличивается;
установлено, что повышение активности АЭ дислокационного типа на стадии упрочнения материалов с наличием объемно распределенных упрочняющих фаз связано с генерацией дислокаций при образовании дислокационных петель на частицах дисперсной фазы и повышении плотности дислокаций, приводящих к упрочнению материала;
установлена связь между скоростью деформации и активностью развития дефектов и генерируемых ими сигналов АЭ;
выявлено повышение активности сигналов АЭ, вызванное повышением активности дислокаций при проявлении эффекта прерывистой текучести Портевена-Ле Шателье, возникшее за счет повышения деформирующего напряжения и последующего нарушения сдвиговой устойчивости деформируемого сплава АМг6АМ;
выявлено влияние температуры отпуска закаленной стали 45 на изменение суммарной АЭ и энергии АЭ, вызванное изменением тетрагональности решетки мартенсита и образованием карбидных частиц;
установлена связь между степенью чувствительности к концентрации напряжений, удельной энергией сигналов АЭ и характером интегрального накопления АЭ.
выявлена и качественно описана связь между стадиями деформации материалов с упрочняющими покрытиями различной толщины и активностью различных типов источников АЭ на различных стадия, установлено выявлено влияние толщины упрочняющих покрытий на интегральные параметры АЭ;
показана связь между шероховатостью поверхности, образованной в результате электроэрозионного воздействия, стадиями накопления повреждений и усталостного разрушения образцов при знакопеременном циклическом изгибе и параметрами регистрируемых сигналов АЭ.
Практическая значимость работы:
разработан и изготовлен четырехканальный лабораторный комплекс для регистрации сигналов АЭ; разработана методика борьбы с шумами при исследовании материалов с применением АЭ в условиях одноосного статического растяжения и циклических знакопеременных нагрузок;
разработаны алгоритмы и программное обеспечение для регистрации, обработки и проведения комплексного анализа на основе методов цифровой обработки сигналов АЭ, классификации сигналов АЭ по типам источников излучения;
разработана, изготовлена и экспериментально протестирована уникальная установка с низким уровнем акустических шумов, передаваемых в приемник АЭ сигналов, для исследования материалов с применением АЭ в условиях циклических знакопеременных изгибающих нагрузок;
получены и систематизированы результаты экспериментальных исследований стадий деформации и разрушения широкого круга конструкционных материалов (стали, титановые, алюминиевые сплавы) при различных схемах нагружения;
сформулированные критерии идентификации источников сигналов АЭ и прогнозирования долговечности могут быть использованы при неразрушающем контроле материалов, изделий и конструкций;
разработана методика определения местоположения источников АЭ с использованием одного приемника.
разработаны алгоритмы выявления полезных сигналов АЭ, излучаемых развивающимися дефектами при деформации материалов, на фоне шумов и помех не акустического происхождения;
Реализация работы
Исследования проводились в рамках Госбюджетной тематики по единому заказ-наряду и Региональной научно-технической программы решения комплексных проблем развития Дальнего Востока «Дальний Восток России». Результаты работы были использованы при идентификации разрушения в процессе испытания валков раздачи слябов на ОАО «Амурметалл», аппаратно-программный комплекс использовался при проведении совместных научных исследований с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), в диагностической организации ООО «РЦДИС» для проведения пневматических испытаний при проведении технического диагностирования сосудов, работающих под давлением. Автор диссертации выражает глубокую признательность и благодарность доктору технических наук С.В. Панину за помощь, оказанную при постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов. Разработанное в процессе исследований оборудование, методики и результаты исследования внедрены и активно используются в научно-исследовательской работе и учебном процессе для преподавания специальных дисциплин студентам специальности «Материаловедение в машиностроении» и для подготовки аспирантов специальности «Материаловедение (машиностроение)».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 28 международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: 3-е Собрание металловедов России, г. Рязань, 1996 г; Международная научно-техническая конференция «Проблемы механики сплошной среды», Комсомольск - на - Амуре, 1997 г.; Международная конференция «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях», Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.; 15-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999 г.; V&VIII Russian – Chinese International Symposium «Advanced Materials and Processes», Baikalsk, 1999 г., г. Гуангжоу, Китай, 2005 г.; International Workshop «Mesomechnics: foundations and applications», Tomsk, 2001, 2003 гг.; 9-й международный семинар – выставка «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г. Ялта, 2001 г.; Международный междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика (ФиПС-01, 03)», г. Москва, 2001, 2003 г.; Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов (Mesomech-2004, 2006, 2009)», г. Томск, 2004, 2006, 2009 гг.; V Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства-2005», г. Томск, 2005 г.; Первая международная конференция «Деформация и разрушение материалов (DFM-2006)», г. Москва, 2006 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока», г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г.; IV Научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», г. Москва, 2007 г.; Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology г. Хабаровск, 2007 г., Harbin, 2008 г., China; IV-я Евразийская научно-практическая конференция прочность неоднородных структур, г. Москва, 2008 г.; The 51 and 53 Acoustic Emission Working Group Annual Meeting and International Symposium on Acoustic Emission (AEWG and ISAE-2008, AEWG-2011), Memphis-2008 г., Denver-2011 г., USA; The 19 and 20 International Acoustic Emission Symposium (IAES-2008, IAES-2011), Kyoto-2008 г., Kumamoto-2010 г., Japan,; 12 Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Москва, 2008 г; 9-я Международная специализированная выставка и конференция NDT, г. Москва 2010 г.; World Conference on Acoustic Emission 2011 (WCAE-2011), Beijing, 2011 г., China.
Основные результаты работы изложены в 19 статьях в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, 2 патентах на изобретения, 4 свидетельствах о регистрации компьютерных программ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих результатов и выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 315 страницах машинописного текста, содержит 118 рисунков, 15 таблиц, список использованной литературы из 230 наименований.
Эволюция дефектной структуры металлических материалов при циклическом нагружении
Подобной точки зрения придерживается и Форсайт. Усталостные процессы локализуются в поверхностных слоях с образованием полос скольжения, в которых образуются кристаллографически ориентированные сдвиговые трещины. Кристаллографический рост поверхностных трещин происходит в пределах размеров одного зерна, после чего происходит отклонение фронта трещины от плоскости максимальных сдвиговых напряжений. Дальнейший рост усталостной трещины идет в плоскости действия максимальных растягивающих напряжений.
В работах B.C. Ивановой на основании изменения физических свойств металлических материалов процесс усталостного разрушения разделяется на 4 периода: I - инкубационный период, связанный с накоплением искажений кристаллической решетки; II - период разрыхления структуры, связанный с образованием в структуре субмикротрещин; III - период роста и объединения субмикротрещин до трещины критической длины; IV - период нестабильного роста трещины, оканчивающийся разрушением детали или образца [39, 58]. Обобщенная диаграмма усталостного разрушения, характерная для многоцикловой усталости пластичных металлов и сплавов, отражает зависимость долговечности образца от величины приложенного циклического напряжения (рис. 1.2.2).
В инкубационный период усталости в структуре металлических материалов происходят изменения, результатом которых является образование усталостных субмикротрещин длиной 1 ...3 мкм. Инкубационный период в общем случае состоит из стадий микротекучести, текучести и упрочнения (разупрочнения). Если первая и третья стадии инкубационного периода наблюдаются всегда, то вторая стадия наблюдается у металлов и сплавов с физическим пределом текучести.
Склонность металлических материалов к упрочнению либо разупрочнению на третьей стадии инкубационного периода определяется отношением пределов прочности и текучести (Закон Масона) [59]. При - - 1,2 происходит разупрочнение материала при циклическом ст0,2 нагружении, а при —— = 1,4...1,б и выше наблюдается упрочнение. Если ст0,2 1,2 - - 1,4 , то может наблюдаться как слабое упрочнение, так и ст0,2 незначительное разупрочнение в процессе циклического нагружения. Таким образом, в первом случае материал является циклически разупрочняющимся, во втором - циклически упрочняющимся, в третьем - циклически стабильным. По данным электронномикроскопических исследований, выполненных на низкоуглеродистой стали [56], на стадии циклической микротекучести по всему объему материала протекает микропластическая деформация, связанная с увеличением плотности дислокаций по границам зерен, генерированием отдельных дислокаций стенками субграниц, а также образованием дислокаций в перлитной структуре по границам феррит-цементит. В наиболее благоприятно ориентированных зернах могут генерироваться полосы скольжения.
В инкубационном периоде интенсивность микропластической деформации в поверхностных слоях металлических материалов выше, чем во внутренних. На основании данных рентгеноструктурного анализа и результатов по определению плотности дислокаций [56] выявлено, что поверхностные слои металла порядка размера зерна на стадии циклической микротекучести претерпевают пластическую деформацию, превышающую деформацию внутренних объемов. Продолжительность стадии микротекучести составляет от 100 до 1000 циклов при напряжении, равном пределу усталости aR. При напряжениях цикла, значительно превышающих aR , стадия микротекучести завершается за время вывода усталостной машины на заданную величину нагрузки. К окончанию этой стадии все сечение материала претерпевает микропластическую деформацию (порядка 10"3 - 10" %), а в поверхностных слоях образуется слой с повышенной плотностью дислокаций. По мнению В.Ф. Терентьева и А.А. Оксогоева, причины подобного поведения обусловлены рядом факторов: особенностью закрепления приповерхностных источников дислокаций (имеющих одну точку закрепления), у которых критическое напряжение начала их работы значительно ниже, чем у источников в объеме; - наличием поверхностных концентраторов напряжений; - различием скоростей движения дислокаций у поверхности и внутри металлов; - наличием в поверхностных слоях более грубой по сравнению с объемом дислокационной сетки Франка; при этом понижается критическое напряжение генерирования дислокаций.
В работах В.М. Горицкого [60], изучавшего развитие усталостной повреждаемости на армко- и техническом железе в условиях растяжения-сжатия, утверждается, что уже на ранних стадиях циклического деформирования в полуциклах разгрузки в поверхностных слоях образца возникают остаточные напряжения сжатия. Таким образом, в поверхностных слоях (в отличие от внутренних) характер изменения приложенной нагрузки является асимметричным с некоторой сжимающей компонентой напряжения, поэтому общая амплитуда напряжений вблизи поверхности больше, чем во внутренних слоях.
По мнению B.C. Ивановой [39], эффект более высокой плотности дислокаций в приповерхностных слоях и раннего формирования в них ячеистых структур обусловлен высокоэффективным обменом поверхностных слоев энергией и веществом с окружающей средой из-за различной подвижности винтовых и краевых дислокаций.
Выбор материалов и методов испытаний
Было установлено, что суммарная АЭ для образцов с надрезом из малоуглеродистой стали меньше по сравнению с гладкими, а средняя длительность сигналов больше. При этом длительность сигналов АЭ от образцов с надрезом возрастает с увеличением степени деформации, а для образцов без надреза остается постоянной. Так же изменяется и максимальная амплитуда. Акустические сигналы от образцов без надреза имеют более высокие частоты, чем от образцов с центральным надрезом, однако в каждой области частотного спектра АЭ частотное распределение не претерпевает изменений с изменением деформации [156]. Деформация образцов с надрезом характеризуются более узким частотным диапазоном АЭ.
При изучении АЭ от образцов из стали установили, что АЭ связана с разрушением. Предложен критерий J - интеграл, определяемый с помощью АЭ. Влияние размера трещины на параметры АЭ при механических испытаниях конструкционной стали и инструментальной стали исследовали в [152]. Сопоставление кривых «напряжение - деформация» и кривых АЭ -напряжение показало наличие корреляционной связи между параметрами АЭ и длиной трещины.
Присутствие концентраторов напряжений оказывает влияние и на тип АЭ. Например, при растяжении гладких образцов бериллия наблюдается непрерывная эмиссия, а в образцах с предварительной трещиной АЭ имеет дискретный тип [190]. АЭ при усталости Исследование механизмов деградации структуры при циклическом нагружении часто проводят с использованием комплекса методов [191] Оже-спектроскопии, рентгенофлюоресцентного метода, рентгенодифракционного анализа, электронной микроскопии, метода кинетической твердости [192], фрактографии и др. При этом использование метода акустической эмиссии как самостоятельно, так и синхронно с другими методами в условиях циклического нагружения позволяет проводить контроль кинетики деградации структуры и решать задачи раннего обнаружения дефектов [193].
Акустическая эмиссия сопровождает все физико-механические процессы, происходящих в материале под действием статических и динамических видов нагружения и несмотря на множество проблем, возникающих при использовании метода акустической эмиссии, в настоящее время он является единственным методом, который используется для слежения за развитием дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга объектов. С точки зрения механики усталостного роста трещины можно выделить следующие три механизма, ответственных за возникновение АЭ: - процесс пластического течения на фронте трещины; - микроразрушение в области интенсивной пластической деформации у кончика трещины; - «отдирание» частично схватывающихся поверхностей трещины при циклическом нагружении. При значительном многообразии представлений о зарождении и развитии трещины в условиях мало- и многоцикловой усталости формирование зоны пластической деформации и прирост трещины связываются с областью максимальной нагрузки цикла [194].
Исследования АЭ и амплитудного распределения сигналов АЭ позволило установить ряд закономерностей. Максимум АЭ взрывного типа наблюдался при реверсе напряжения от цикла сжатия к растяжению. Заметное увеличение суммарного счета событий АЭ за цикл изменения напряжения происходило при увеличении температуры испытания. При этом в амплитудном распределении увеличивалось число событий АЭ, имеющих большую амплитуду. Полученные результаты подтверждают высказанные ранее соображения о том, что источниками АЭ являются как повторяющаяся текучесть у вершины трещины, так и частичное схватывание поверхности трещины при реверсе напряжения, особенно при высоких температурах. Влияние структурного состояния на механизмы АЭ при усталости изучали на сталях с ферритной, ферритно-перлитной и перлитной структурой. В ферритных и ферритно-перлитных сталях на ранних стадиях зарождения трещин сигналы АЭ отсутствуют и появляются лишь при развитой макротекучести.
В перлитных сталях АЭ появляется раньше микроскопически различимых признаков трещин. В ферритных и ферритно-перлитных сталях источником АЭ является не столько пластическое течение, сколько трение поверхностей трещины. В перлитной стали акустические сигналы большой мощности вызываются взрывообразным разрушением хрупких структурных составляющих [195].
В работе [192] было показано, что характер АЭ образцов в исходном структурном состоянии в районе предела текучести и после локализации деформации вплоть до разрушения подобен таковому, полученному при испытании образцов после предварительного циклического деформирования. При этом комбинированная методика испытаний позволила зарегистрировать появление субмикротрещины, которая соответствует окончанию периода зарождения усталостных трещин и началу периода распространения магистральной усталостной трещины.
Разработка методов спектрального вейвлет анализа сигналов акустической эмиссии
В качестве ЭВМ может быть использована любая ЭВМ или специализированный компьютер, разработанный специально для создаваемого прибора. ПО разрабатывается специально для АЭ комплекса и его возможности полностью зависят от выполняемых задач. Усилители электрических сигналов могут выполнять несколько функций. Основная функция усилителей - усиление электрических сигналов, полученных с преобразователей акустической эмиссии. В зависимости от уровня поступившего электрического сигнала коэффициент усиления может варьироваться от 10 до 60 дБ и более. Вторая функция усилителей фильтрация шумов. Диапазон частот, излучаемых сигналами АЭ, достаточно широк. Если в расчет не брать звуковые частоты до 20 кГц, то диапазон излучения может распространяться до 2 МГц и более, в зависимости от типа источника излучения. На практике применяют усилители с ограничением частотного диапазона в нижней части спектра - 20-50 кГц, в верхней части спектра - 500-2000 кГц. Ограничение пропускной способности усилителей осуществляют встроенные в усилитель фильтры верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот. Диапазон подавления сигналов в нижней части спектра связан с необходимостью фильтрации шумов акустического и механического происхождения: работа механизмов, нагружающих устройств испытательных машин, распространяющиеся в среде низкочастотные звуки. Применение фильтров нижних частот, подавляющих прохождение сигналов в области высоких частот (1 МГц и более), обусловлено особенностями работы электронных компонентов усилителя и необходимостью подавления электромагнитных помех. При использовании широкополосных усилителей, тепловые шумы электронных компонентов особенно сильно сказываются на высоких частотах, поэтому при выборе усилителей особое внимание было уделено уровню шумов в регистрируемом частотном диапазоне. При проведении исследований использовались усилители, разработанные на кафедре МТНМ КнАГТУ, с частотным диапазоном 30-800 кГц, коэффициентом усиления в указанном диапазоне 55 дБ при уровне шумов, приведенных ко входу, не более 5 мкВ.
Пьезоэлектрические преобразователи выполняют функцию преобразования механических колебаний, вызванных распространением упругих волн в материале, в электрический сигнал. В работе использовались ПП GT-200 и GT-301, выпускаемые фирмой ГлобалТест. Подробно о выборе типа ПП приведено в разделе 3.2.
Комплекс АКЕМ включает ЭВМ с установленным в него АЦП. Специально разработанный пакет программ позволяет производить непрерывную запись сигнала на физическом уровне на жесткий диск компьютера с частотой дискретизации порядка 70 кГц. При этом полностью сохраняется информация об огибающих регистрируемых сигналов в течение всего времени записи АЭ. Достаточно низкая частота дискретизации позволяет регистрировать только огибающую сигнала, которая выделяется с помощью усилительного тракта, включающего блоки низкочастотных фильтров. Однако данная информация в ряде случаев является достаточной. Комплекс позволяет регистрировать такие параметры АЭ как: время прихода сигнала tc, энергия сигнала Е (площадь под огибающей), амплитуда огибающей А, длительность сигнала тс.
Наиболее широкие возможности по числу параметров и объему регистрируемых данных АЭ имеет разработанный многоканальный акустико-эмиссионный программно-аппаратный комплекс AEPro V2.0 [233]. Комплекс на базе промышленной ЭВМ позволяет регистрировать сигналы АЭ четырьмя независимыми каналами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с частотой дискретизации до 20 МГц на каждом канале с сохранением полной формы сигнала. Технические характеристики и особенности программного обеспечения комплекса приведены в разделе 3.2.
Экспериментальное моделирование акустических волн
Для исследования особенностей распространения АЭ волн в материалах и их использования в методике оценки типов источников АЭ было проведено экспериментальное моделирование акустических волн и определение их параметров при импульсном возбуждении. В качестве источника возбуждения ультразвуковых волн использовался выпускаемый ГУП ВНИИФТИ «Дальстандарт» (г. Хабаровск) преобразователь-формирователь акустического поля (ПФАП-2П) [234]. ПФАП имеет линейную характеристику преобразования электрических сигналов в механические колебания той же частоты, что и регистрируемые в процессе генерации сигналы АЭ (в частотном диапазоне 100-2000 кГц). Для формирования единичных импульсов амплитудой 1-20 В и длительностью 1-10 мкс использовались следующие генераторы: генератор сигналов специальной формы Г6-28, генератор радиочастотный АНР-4080 (КНР), генератор импульсов Г5-60. Регистрация сигналов осуществлялась с помощью аналогового осциллографа С1-83 и цифрового осциллографа АСК-2205 (КНР).
Влияние концентратора напряжений на стадийность деформации и разрушения и кинетику акустической эмиссии образцов с надрезом
АЭ нашла широкое применение при диагностировании конструкций и исследовании механизмов разрушения материалов. Важным фактором, используемым при идентификации сигналов АЭ, является определение места излучения сигналов АЭ. При этом источниками АЭ могут являться любые дефекты кристаллической, аморфной или композиционной структуры в твердом теле. Такими дефектами могут быть микро- и макротрещины, дислокации, двойники и др. Дефект при этом излучает упругую волну лишь в том случае, когда движется с переменной скоростью. Характеристики акустической волны, такие как: амплитуда, активность, энергия, частота, зависят от многих признаков и особенностей дефектов, их скоплений, материала и режима нагружения.
При определении местоположения источника сигнала АЭ используется большое число методов линейной, плоскостной и пространственной локации [248]. В основном при локации используются два метода определения координат: временной (основанный на определении разности времен прихода сигнала АЭ на приемные преобразователи, амплитудный (основан на определении затухания амплитуды акустической волны в материале). Также выделяют специальные методы: пеленгационный (основанный на определении угла по фазовой задержке сигнала АЭ), дисперсионный (основанный на экспоненциальной зависимости различных спектральных составляющих сигнала), дальномерный (основанный на генерации источником АЭ различных типов волн с весьма различной скоростью распространения) и др. методы. Ввиду больших погрешностей измерения и сложности аппаратной реализации перечисленные специальные методы не нашли широкого применения в АЭ аппаратуре. В основе большинства известных методов лежит принцип, по которому - число приемников должно быть больше числа определяемых координат источника сигнала.
При проведении диагностики или исследовании реальных объектов встречаются случаи, когда по техническим причинам отсутствует возможность установки двух и более датчиков АЭ. Локация источников АЭ на подобных объектах затруднена. Ранее в литературе встречались работы посвященные исследованию данной проблемы. В статье [218] были проведены исследования акустической волны с применением вейвлет анализа и предложена методика локации с использованием одного приемника. Однако сложность реализации описанного метода связана с нестационарным характером сигнала АЭ. В случае реальных испытаний излучаемые сигналы АЭ далеки от модельных и их спектр в большей степени определяется типом источника сигнала.
Авторами была разработана методика, позволяющая определять местоположение источников сигналов АЭ линейных объектов с применением одного приемника в реальных условиях испытаний материалов.
Для реализации поставленной цели были поставлены эксперименты, моделирующие различные типы сигналов АЭ. Стенд для проведения исследований представлен в разделе 4.1. В качестве образца для возбуждения акустических волн использовалась пластина дюралюминия размером 400x400 мм толщиной 2 мм. Источник возбуждения акустической волны размещался в центре пластины. Приемник сигналов АЭ размещался на расстояниях от 20 до 100 мм от источника акустической волны с шагом 5 мм. Для имитации акустического источника с помощью механического преобразователя-формирователя акустического поля генератором сигналов возбуждались единичные импульсы длительностью 1-И0 мкс [262].
Регистрация сигналов АЭ осуществлялась с помощью программно-аппаратного комплекса с программой Acoustic Emission Pro v2.0, описанными в разделе 3.1. Регистрация сигналов производилась на частоте дискретизации 6,25 МГц. Методика анализа сигналов включала в себя частотный Фурье-анализ и вейвлет анализ. Оцифрованный сигнал АЭ подвергается вейвлет-разложению по методике, описанной в разделе 3.2. В результате разложения спектр сигнала АЭ представлялся дискретным набором частотных вейвлет-коэффициентов. Каждый набор частотных вейвлет-коэффициентов соответствует своему масштабу разложения (а) и определён числом интервалов дискретизации, установленным настройками АЦП. Вследствие дисперсии звуковой волны время распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала от источника до приёмника сигналов АЭ неодинаково и по разнице времени прихода At этих гармонических составляющих можно судить о расстоянии L, от источника до приёмника. Таким образом, для определения расстояния до источника сигналов АЭ достаточно определить задержки на различных масштабах разложения а частотных вейвлет-коэффициентов, возникающие при распространении сигналов. Расчет времени задержки необходимо производить относительно двух калибровочных сигналов, то есть с известным расстоянием до приемника.
Вторая часть эксперимента включала в себя реальные испытания материалов с проверкой методики определения местоположения источников АЭ с применение одного приемника. Для данных исследований были проведены испытания различных материалов с регистрацией АЭ двумя приемниками. При этом была реализована стандартная методика линейной локации. Были подобраны уникальные эксперименты, особенность которых заключалась в подборе скорости деформации материалов и некоторых других условий испытания с целью наглядной демонстрации работоспособности методики.
Описание методики на примере модельного эксперимента Акустическая волна представляет собой сложную групповую волну, состоящую, в общем случае, из продольной и поперечной волн, имеющих различные скорости распространения. Сигнал АЭ при этом имеет еще более сложный состав и стохастическое происхождение. Именно по этой причине построение частотного спектра с помощью Фурье анализа является не совсем корректным, так как наиболее достоверные результаты анализ Фурье спектра дает на гармонических сигналах. Сигналы АЭ таковым не являются. Частотное заполнение сигнала АЭ, как правило, изменяется во времени. Это связано со многими факторами. Прежде всего, причина заключается в самом происхождении сигналов АЭ. Как известно, источниками АЭ при деформации материалов могут быть движущиеся и развивающиеся дефекты структуры. Однако, они не являются точечными и обладают определенной протяженностью.
Методика локации с использованием одного приемника реализуется следующим образом. На образце исследуемого материала на известном расстоянии S друг от друга и от преобразователя АЭ в одну линию располагают источники, имитирующие сигналы АЭ различной длительности (рис. 3.3.1).
