CC BY
210
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
Т.С. Никольская
На базе линейной механики разрушения обоснован неразрушающий экспресс-метод определения пороговой нагрузки и остаточного ресурса для металлов.
При зарождении микротрещин или при скачкообразном развитии магистральной трещины освобождается динамически потенциальная энергия деформации частично разгруженного объема, которая расходуется не только на образование новой поверхности, но и на пластическую деформацию перед вершиной трещины, на колебания вновь образовавшейся поверхности, а также на другие сопутствующие процессы. В частности, зарегистрирована эмиссия электронов с поверхности деформируемых металлов и излучение электромагнитных волн при нагружении силикатного стекла. Пластическая деформация перенапряженных объемов вызывает локальный разогрев и эмиссию тепла из зоны разрушения. Колебания вновь образовавшейся поверхности инициируют акустический импульс длительностью от десятых до десятков миллисекунд. Каждый импульс, многократно отражаясь от поверхностей изделия и постепенно рассеиваясь на неоднородностях материала, создает акустический сигнал, который в виде волн напряжений регистрируют на поверхности изделия как акустическую эмиссию.
Интенсивность этих эмиссий позволяет судить о фазе разрушения и о его кинетике, что используют для оценки прочности и остаточного ресурса изделия; причем точность этих оценок оказывается значительно выше, чем точность косвенных методов контроля прочности. Чувствительность эмиссионных методов также на порядок выше, чем у других неразрушающих методов, и позволяет обнаружить зарождение или развитие дефекта размером 1 мкм. Кроме того, эмиссионные методы позволяют локацией определить координаты слабого звена без сканирования изделия. В настоящее время в силу исторических причин наиболее разработаны методы регистрации акустической эмиссии (АЭ). Они же чаще других эмиссионных методов используются для контроля разрушения и прочности.
Обычно АЭ регистрируют с помощью пьезопреобразователя, установленного на поверхности изделия и имеющего с ним акустический контакт через слой смазки, жидкости или через волновод. Электрический сигнал преобразователя усиливается, регистрируется и анализируется акустико-электронной системой, которая сильно искажает параметры сигнала. С учетом этого более перспективным, хотя и менее разработанным, является способ регистрации АЭ оптически, т.е. с помощью лазера.
Основной показатель регистрирующей аппаратуры - уровень ее собственных шумов, приведенный к входу усилителя; у современных акустико-электронных систем этот уровень составляет 2-30 мкВ. От собственных шумов аппаратуры отстраиваются с помощью ее узла-дискриминатора, настраиваемого так, чтобы при свободно подвешенном преобразователе (без акустического контакта с твердым телом) аппаратура не регистрировала каких-либо сигналов, в том числе и электромагнитных наводок.
Акустико-электронная система регистрирует общее число N акустических сигналов, количество их в единицу времени - активность АЭ N, а также информацию об амплитудах сигналов и о вероятностном распределении этих амплитуд. При наличии нескольких каналов возможно определение координат источника АЭ по запаздыванию сигналов разных каналов. Амплитуда сигнала сильно зависит от расстояния между источником АЭ и датчиками. Активность же N АЭ определяется числом событий в единицу времени, в частности, интенсивностью микрорастрескивания или скоростью роста магистральной трещины и по этой причине содержит больше информации о процессе разрушения. К сожалению, N микрорастрескивания часто маскирует N наиболее
опасного дефекта, и частотный спектр сигнала АЭ зависит от модуля упругости материала и от частоты резонатора, т.е. от размеров микрополости, у границы которой инициирован сигнал. Материал с относительно крупными полостями (древесина, бетон и т.д. ) при нагружении издает слышимый звук, а материал с более мелкими дефектами -ультразвук. При деформации керамики наибольшее количество сигналов регистрируют резонансные преобразователи с частотой 20-200 кГц, а при деформации сплавов - резонансные преобразователи с частотой 200-2000 кГц. Изменение размеров резонатора, например трещины, или разрыхление материала приводят к изменению частотного спектра АЭ сигнала.
Один из первых исследователей А.Э. Кайзер обратил внимание (1953 г.) на следующую особенность, получившую название эффекта Кайзера: при повторном нагружении изделия АЭ возникает лишь после превышения максимальной нагрузки Ь предыдущего нагружения. Обусловлено это тем, что микропластические деформации, необходимые для микрорастрескивания, рассредоточенного или в зоне с радиусом-вектором р перед вершиной трещины, возникают уже при первом нагружении, а при повторном нагружении не развиваются при Ь<Ьмакс. Однако, если за время разгрузки и повторного нагружения изделия трещина подросла, то вместе с ее вершиной переместится и зона с радиусом р, который к тому же увеличится. В результате уже при Ь<Ьмакс зона реализации разрушения перед вершиной трещины захватит новый объем материала, и АЭ появится при Ь<Ьмакс. Это отклонение от эффекта Кайзера используют как признак развития наиболее опасного дефекта в предшествующем нагружении.
Эффект Кайзера затрудняет оценку состояния изделия по АЭ после аварийной нагрузки Ьав, значительно превышающей эксплуатационную нагрузку Ьэк. В этом случае при контрольном нагружении АЭ отсутствует, пока Ь< Ьав. В то же время при Ь = Ьав возможно заметное развитие опасного дефекта, снижение прочности изделия, а иногда и его разрушение при контрольном нагружении. В частности, по этой причине для оценки состояния изделия по АЭ его целесообразно нагружать до Ь < Ьэк и регистрировать АЭ не при нагружении, а в процессе разгрузки, когда не развиваются микропластические или пластические деформации и нет АЭ микрорастрескивания или роста опасного дефекта. Однако при разгрузке с Ь « Ьо (где Ьо - пороговая или максимальная неразрушающая нагрузка) трещина перестает закрываться еще до полного снятия нагрузки. Этот эффект, обнаруженный Эльбером в 1978 г., получил название «закрытие трещины». Вызван он тем, что при Ь « Ьо старту трещины предшествуют микропластические деформации перед фронтом трещины, которые при разгрузке приводят к несовпадению микрорельефа поверхностей трещины у вершины. Это несовпадение вызывает шумы трения («зубной скрежет») перед окончанием разгрузки [1]. Современная аппаратура позволяет регистрировать такие шумы и тем самым без разрушения изделия определять значение Ьо изделия, даже если при его нагружении АЭ отсутствовала, например, из-за эффекта Кайзера.
В общем случае долговечность изделия определяется как сумма времени формирования трещины, способной к дальнейшему развитию, и времени ее роста до фрагментации изделия. При циклическом нагружении перед стартом трещины наблюдается эффект Эльбера - соприкосновение поверхностей у вершины трещины еще до полной ее разгрузки, а точнее - перед окончанием нагрузки. Закрытие трещины сопровождается акустическими сигналами - предвестниками старта трещины; их и использовали для оценки времени формирования трещины в образах стали 3, 45, 40Х и 12Х18Н10Т при комнатной температуре в условиях стационарного циклического растяжения от нуля до максимального напряжения вмакс или изгиба. Эффект Эльбера позволяет определить также пороговую нагрузку Ь0, без превышения которой трещина не развивается, и соответствующее номинальное напряжение в0 [2]. С этой целью образец нагружали и
полностью разгружали, регистрируя акустическую эмиссию (АЭ) и повышая максимальную нагрузку цикла на 3% до тех пор, пока при окончании нагрузки не появлялся АЭ. АЭ регистрировали с помощью прибора АФ-15, имеющего уровень собственных шумов 15 мкВ. Резонансный пьезокерамический преобразователь (600-1000 кГц) прижимали к образцу тарированной пружины через слой смазки, улучшающей акустический контакт.
Число циклов Nф, после которого первый раз была зарегистрирована АЭ при стационарном нагружении, принимали за оценку периода формирования трещины в стальном образце. Затем через каждые Nф циклов с помощью АЭ определяли пороговое напряжение о0, без превышения которого в процессе разгрузки АЭ не наблюдалась. Значение о0< омакс постепенно снижалось с увеличением числа циклов. За полную долговечность принимали число циклов N от начала испытания образца до его фрагментации. Число циклов роста трещины рассчитывали как N=N Щ.
°макс Кф N Кф/К tg
Сталь
40Х: 300-1 502 226 4 185 220 0,120 0,79
300 904 400 6 029 370 0,150 0,77
002=800 400 150 938 1 006 250 0,150 0,75
600+ 17 683 98 240 0,180 0,73
Ов=1100 600-1 20 514 120 670 0,170 0,75
600 45 706 240 560 0,190 0,74
5=6% 850 2 281 11 234 0,203 0,72
950 120 629 0,191 0,73
45: 240+ 105 000 6 211 700 0,169 0,80
240-1 765 000 4 592 200 0,167 0,90
002=320 280+ 30 000 159 600 0,188 0,82
280-1 30 000 174 400 0,172 0,81
0в=400 280 45 000 241 600 0,186 0,81
300 15 000 75 300 0,199 0,80
5=9% 360 230 8 219 0,280 0,82
380 173 524 0,330 0,72
3: 120 765 000 5 112 000 0,148 1,11
002=200 160+ 30 000 212 100 0,141 1,01
160-1 30 000 200 800 0,149 1,03
ов=220 160 60 000 305 300 0,196 1,06
180 15 000 48 300 0,311 1,09
5=30% 200 2 040 6 000 0,345 1,06
210 117 300 0,392 1,07
12Х18Н10Т: 200-1 1 305 000 4 711 000 0,277 1,70
002=286 220+ 144 000 509 800 0,283 1,73
220-1 75 000 250 900 0,299 1,64
0в=588 220 105 000 316 307 0,338 1,67
250 30 000 88 333 0,340 1,67
5=78% 502 1 517 4 335 0,349 1,62
540 83 198 0,419 1,67
Таблица 1. Результаты циклических испытаний
Растяжение с омакс больше предела текучести от (или о02) осуществляли с периодом 18 с. При изгибе образцы испытывали с частотой 50 Гц; для определения ^ кон-
трольную разгрузку с омаКс за 10 с проводили через каждые 15000 циклов. Результаты испытаний приведены в табл. 1, где N, Щ и N$/N - средние значения по результатам испытаний 8 образцов; напряжения g даны в МПа, а 5 - относительное удлинение после разрыва при монотонном нагружении. Индекс "-1" у некоторых значений GMaKe указывает на то, что результаты получены при изгибе образцов-балочек силой посередине пролета в условиях симметричного цикла напряжения с характеристикой цикла r ^минМмакс=-1. Индексом "+" отмечены значения g,^ при симметричном изгибе кольцевым пуансоном соосной пластины, опертой на кольцо (плоское напряженное состояние), знакопостоянном циклом напряжения с r =0,05. Для каждого образца рассчитали несколько значений G0i Ммакс и соответствующие им значения N/Np , где Ni - остаточный ресурс образца после i-ой остановки для определения o0i. Экспериментальные точки, полученные таким образом для определенного режима нагружения какой-либо стали, группируются в координатах lg(Ni/Np) и ^(go/g,^) около прямой, тангенс угла к оси 1g(G0i/G макс) в таблице обозначен как tg. Для стали 40Х среднее значение этих тангенсов при различных режимах оказалось равным 1,0, для стали 45 - 0,71, для стали 3 -0,86, а для стали 12Х18Н10Т - 1,44.
Как видно из таблицы, для исследования сталей отношение Nф/N колеблется от 0,12 до 0,42, а для конкретной стали имеет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов до разрушения. В силу этого, если после известной наработки с g,^, например, гарантированного ресурса, при контроле получено g^g,^, то можно повторять наработку без промежуточного контроля. Если же g^g,^, то за Nф целесообразно принять значение NH суммарной наработки, после которой еще было g^g,^. В этом случае можно считать N=Nн(N/Nф), Nр=N-Nн=Nн(N/Nф-1) и N=Nh(N/ ^-1)( G0 МмаксД значения Nф/Nи tg даны в табл. 1.
Литература
1. Бормоткин В.О., Никольский С.Г. О роли разгрузки в развитии трещин // Сб. докл. II Междунар. конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности...". СПб ГТУ,1997. С. 86-88.
2. Бормоткин В.О., Никольская Т.С., Никольский С.Г. Способ определения максимальной нагрузки, ещё не снижающей прочность изделия. // Сб. докл. II Междунар. конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности.". СПб ГТУ, 1997. С. 88-89.
