CC BY
29
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ФАРФОРА
Д.В. Кириллов, Т.С. Никольская
На базе линейной механики разрушения обоснован неразрушающий экспресс-метод определения разрушающей нагрузки ЬР. Метод опробован на электротехническом фарфоре.
Введение.
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.
Отметим, что традиционная дефектоскопия не учитывает возможности изменения формы и размеров исходных дефектов в процессе нагружения, а тем более - зарождения новых и более опасных дефектов. Косвенные методы контроля прочности, основанные на связи прочности с соотношением упругости и структурной вязкости (метод отскока, вдавливания, затухания ультразвуковых волн и т.д.), требуют предварительного выяснения этой статистической связи, весьма нестабильной и чувствительной не только к составу материала, но и к различным факторам технологии
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). Их же чаще других эмиссионных методов используют 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 подве-
шенном 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 мешает тем самым оценке опасного дефекта по N .
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 нагруже-нии 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 АЭ Кайзер обратил внимание (1953 г.) на следующую ее особенность, получившую название эффекта Кайзера: при повторном на-гружении изделия АЭ возникает лишь после превышения максимальной нагрузки Ь предыдущего нагружения. Обусловлено это тем, что микропластические деформации, необходимые для микрорастрескивания, рассредоточенного или перед вершиной трещины, возникают уже при первом нагружении, а при повторном нагружении не развиваются при Ь < Ь макс. Однако, если за время разгрузки и повторного нагружения изделия трещина подросла, то вместе с ее вершиной переместится и зона, которая к тому же увеличится. В результате уже при Ь < Ь макс зона реализации разрушения перед вершиной трещины захватит новый объем материала, и АЭ появится при Ь < Ьмакс. Это отклонение от эффекта Кайзера используют как признак достижения в последующем нагру-жении максимального значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) К.
Данная статья посвящена созданию неразрушающего метода для определения разрушающей нагрузки.
Основной результат
Эффект Кайзера затрудняет оценку по АЭ состояния изделия после аварийной нагрузки Ьав, значительно превышающей эксплуатационную нагрузку Ьэк. В этом случае при контрольном нагружении АЭ отсутствует, пока Ь< Ьав. Однако 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 отсутствуют АЭ микрорастрескивания или роста опасного дефекта.
Особенности АЭ при частичных разгрузках показаны на рис.1. Если при Ь, заведомо меньшей разрушающей, изделие быстро разгрузить, например, на 5%, и выдержи-
вать при постояннной нагрузке Ь\, то через интервал Л^ АЭ появится вновь, а ее активность N будет постепенно возрастать. Две последующие разгрузки дают значения Л^ и Л^з (см. рис. 1), а также интервалы времени ¿2 и ¿3 , через которые значения N при пониженной нагрузке достигают своего значения перед очередной частичной разгрузкой.
Время 1
Рис.1. Изменение N при частичных разгрузках изогнутого стержня из цементно-
песчаного раствора
Для объяснения описываемого акустического отклика рассмотрим изменение границы зоны реализации механизма разрушения перед вершиной трещины длиной а (рис.
2).
Рис.2. Гипотетические границы зоны реализации механизма разрушения у вершины трещины: сплошная линия - перед разгрузкой; штриховая - после частичной разгрузки; штрих-пунктирная - в момент касания исходной границы после подрастания трещины; пунктирная - после достижения прежнего значения КИН при пониженном напряжении;
Лас^Лро - перемещение вершины трещины без АЭ после частичной разгрузки
При быстрой разгрузке ёа/а=0, и, так как. &пр=2&пХ=2^/с+Ма, то Лр/р=2Ла; / а;, где Лр - уменьшение р при снижении а на Ла;, в частности, Лро -уменьшение р при 9=0 (см. рис. 1.28). При дальнейшей выдержке при а=сопв1 трещина будет в силу эффекта Кайзера подрастать, увеличивая КИН без АЭ. Когда трещина подрастет за время Л^ на величину Лас (см. рис. 2), расчетная граница новой зоны соприкоснется с границей старой зоны. При этом Лас = Лро = ро |2Ла; /а;|. Дальнейшее подрастание трещины на величину Ла при - Ла; будет сопровождаться АЭ и приведет к восстановлению значения ро, а следовательно, и К, через интервал ¿¡. В этот момент Лр /р =0, и, следовательно, Ла/а=2|Ла; /а |.
Интервал времени, обозначенный через Л^ на рис. 1, определяется как Лас/а=ро |2Ла;/а; | ао(К/Ко)т, т.е. обратно пропорционален К""2 [1]. Поэтому при наличии в теле трещин с различным К значение Лt обусловлено развитием наиболее опас-
ной трещины. С учетом этого предложен неразрушающий способ оценки разрушающей нагрузки при нагружении с L=const. Он включает (рис. 3) увеличение нагрузки с промежуточными частичными разгрузками и выдержками при L =const до тех пор, пока At при L = const не окажется меньше заданного значения, например 3 с. Нагрузка L^^, достигнутая при таком режиме, тесно связана с разрушающей нагрузкой LР при последующем нагружении с L = const. Случайная погрешность прогнозирования LР по L^^ для электротехнического фарфора не превышает 5 %, а деградация прочности из-за подрастания опасного дефекта в процессе контрольного нагруженпя не превышает 3 %.
Рис. 3. Режим нагружения для прогнозирования разрушающей нагрузки
В эксперименте использовали бесшумное нагружающее устройство (рис. 4), которое состоит из станины 1 с опорами 2 для установки образца 3 и рычага 4, конец которого шарнирно закреплен на станине, а другой конец опирается через вилку 6 и тягу 7 на поплавок 8, находящийся в бачке 9 с водой. Рычаг 4 связан с образцом 3 штоком 10 и силоизмерителем 11 в виде кольца. Для калибровки силоизмерителя предусмотрен рычаг 4 и подвес 13 для груза 12.
Рис. 4. Схема лабораторной установки
Бачок 9 связан гибким шлангом 14 с бачком 15, который до нагружения образца расположен на станине 1 выше бачка 9. При нагружении образца 3 бачок 15 опускают так, чтобы вход шланга 14 в него оказался ниже выхода шланга из бачка 9. Воду сливают из бачка 9 в бачок 15. Архимедова сила, действующая на поплавок 8, уменьшается, а на образце 3 появляется монотонно возрастающее усилие, регистрируемое с помощью силоизмерителя 11, на кольце которого наклеены 8 проволочных сопротивлений - по четыре в два моста Уитсона: один рабочий, другой - резервный.
Линия регистрации включала:
а) мост Уитсона из четырех проволочных сопротивлений 16, наклеенных на кольцо силоизмерителя 11;
б) источник питания 17 и реостат 18, включенные в одну диагональ моста;
в) регистрирующий прибор 19 (гальванометр), включенный в другую диагональ моста;
г) переменное сопротивление 20, являющееся частью плеча «с» моста (см. рис. 4) и предусмотренное для балансировки моста. При нулевой нагрузке на образец с помощью сопротивления 20 добиваются равенства соотношений сопротивлений плеч моста a/b = c/d и таким образом устанавливают ноль на шкале регистрирующего прибора 19.
При возрастании нагрузки на образец кольцо силоизмерителя 11 растягивается по диаметру, испытывая изгиб. Одни поверхности кольца стремятся сжаться, другие - растянуться. Соответственно проволочные сопротивления a и d, наклеенные на сжатых поверхностях, уменьшают свое значение, а сопротивления b и c, наклеенные на растянутых поверхностях, увеличивают свое значение. При этом прибор 19 регистрирует возникающий в диагонали моста ток, пропорциональный усилию на образце.
Заключение
Используя неразрушающий способ, можно определить ЬР изделия при различных схемах его нагружения и с учетом полученных результатов оптимально ориентировать изделие для дальнейшей эксплуатации [1, 2]. Такой прием позволяет повысить несущую способность изделия в несколько раз.
Описанный прием определения Ьр позволяет контролировать кинетику разрушения независимо от того, происходит ли снижение Ьр из-за силового воздействия путем развития наиболее опасного дефекта, или из-за коррозии, эрозии или поверхностно-активного вещества.
Литература
1. Никольская Т.С. Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия // Проблемы прочности. Киев. 2002. № 4. С. 140-147.
2. Никольская Т.С. Определение предельных значений пороговой нагрузки при изгибе опорного фарфорового изолятора / Сб. трудов III Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности...». СПб: СПбГТУ, 1999. С. 51-52.
