CC BY
9УДК 620.179
А.И. Давиденко, А.А. Давиденко, Е.В. Давиденко
Луганский государственный университет им. В. Даля, Луганск, 91034 e-mail: alikdave@outlook.com
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ ОТВЕТСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
На основании результатов сопоставления спектра распределения частоты событий акустической эмиссии (АЭ) и зависимости «нагрузка - время» на заключительном участке диаграммы деформаций конструкционной стали установлен параметр АЭ, характеризующий срастание повреждений до момента образования макротрещины. Установлено, что на данном этапе происходит переход от дискретного к непрерывному распределению акустической эмиссии. Параметр частоты событий АЭ, характеризующий момент срастания повреждений, наблюдаемый до момента образования макротрещины, предложен в качестве отказа при проведении диагностики изделий, конструкций, включая конструкции под действием рабочего давления.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, диагностика, пьезодатчик, макротрещина, отказ.
A.I. Davidenko, A.A. Davidenko, E.V. Davidenko
Luhansk State University V. Dahl, Lugansk, 91034 e-mail: alikdave@outlook.com
RESEARCH OF STRUCTURAL TRANSFORMATION OF CRITICAL PRODUCTS AND CONSTRUCTION BY ACOUSTIC EMISSIONMETHOD
Based on the results of comparing the spectrum of the distribution of the frequency of events of acoustic emission (AE) and the dependence "load - time" in the final section of the structural steel deformation diagram, the parameter AE was established. This parameter characterizes the accretion of damage before the formation of a macrocrack. It was found that at this stage there is a transition from discrete to continuous distribution of acoustic emission. The AE event rate parameter characterizing the moment of damage coalescence observed before the formation of a macrocrack was proposed as a failure in diagnostics of products, structures, including structures under the action of operating pressure
Key words: acoustic emission, diagnostics, piezoelectric sensor, macrocrack, failure.
Акустико-эмиссионный метод контроля качества конструкций, изделий, основанный на явлении излучения деформированным телом упругих колебаний или акустической эмиссии (АЭ), достаточно перспективен для выявления дефектов в процессе эксплуатации изделий, металлоконструкций. Каждый параметр сигнала АЭ связан с определенным параметром процесса разрушения и является его акустическим отражением. Одна из задач акустико-эмиссионной диагностики - предупреждение аварийных ситуаций на основе определения кинетики повреждения на ранних стадиях разрушения, учитывая, что стадия накопления рассеянного повреждения занимает до 80% ресурса материала. Оценка стадийности (кинетики) процесса разрушения возможна только при наличии установок с регулируемой жесткостью, что обеспечивает нагрузку образцов в условиях постоянных или замедленных деформаций. Это позволяет зафиксировать с достаточной точностью деформации, соответствующие максимуму диаграммы <P - Al», проводить испытания образцов с разной скоростью, выращивать натуральные макротрещины при статической нагрузке и при этом определять соответствующие параметры АЭ.
Метод акустической эмиссии позволяет регистрировать границу текучести, момент появления трещины в материалах и исследовать ее развитие в процессе нагружения [1, 2]. Вместе с тем
необходимы исследования повреждений на ранних стадиях разрушения и выявления соответствующих акустических параметров до момента образования макротрещин, особенно при проведении диагностики изделий под действием повышенных нагрузок после циклической наработки, сосудов при гидроопресовке. При этом возникает вопрос локализации источника сигнала АЭ и его характеристика по степени опасности. Методы определения координат дефектов основаны на разнице времени прихода сигнала АЭ на пьезодатчики. Современные АЭ-системы наряду с записью формы сигналов и ее анализом в режиме реального времени позволяют уменьшить погрешность локализации дефектов до 5%. В известных работах развитие дефектов оценивается путем сравнения изменения определенного параметра сигналов АЭ с эталонной кривой [3, 4].
Цель исследований - выполнить оценку повреждения конструкционной стали при статическом деформировании на этапе зарождения макротрещины методом акустической эмиссии.
Исследования проведены с использованием сервосистемы Schenk Hidropuils и акустического анализатора Locan-320 с основными характеристиками: число каналов: 1 ... 8; диапазон измерения амплитуды: 0-127 дБ; диапазон измерения уровня шума: 0-127 дБ; число осцилляций: 0-1 000 000. Обработка сигналов АЭ осуществлялась на основе кластерного анализа встроенной компьютерной программой с выводом на экран монитора графиков распределения параметров АЭ. В качестве датчиков использовались пьезоэлектрические преобразователи диаметром 3 мм (рис. 1). Для отсечения шумов от системы нагрузки в шплинты крепления образцов крепили пьезодатчики диаметром 12 мм. Образцы для испытаний были подобраны с различными концентраторами напряжений. В качестве материала для изготовления образцов использовалась конструкционная сталь Ст-20, с0,2 = 241 МПа, св = 396 МПа, 5 = 27%, ф = 67%.
Рис. 1. Размеры образцов и схема расположения преобразователей АЭ: 1, 2 - пьезодатчики диаметром 3 мм
В процессе испытаний определяли распределение акустических параметров: число зарегистрированных превышений импульсов АЭ установленного уровня дискриминации времени наблюдения - суммарный счет АЭ, отношение суммарного счета АЭ к интервалу времени наблюдения - частота событий АЭ.
Типичная диаграмма распределения частоты событий АЭ вдоль спадающей ветви кривой диаграммы «Р - А/» для образцов с радиусом концентратора Я = 7 мм после циклической наработки приведена на рис. 2 совместно с диаграммой «нагрузка - время».
counts, N, ммп/с Р, кП
Рис. 2. Диаграмма частоты событий АЭ на спадающем участке кривой «Р-А1» для образцов с радиусом концентратора R = 7 мм после циклической наработки (= , N = 104 цикла)
Как видно из рис. 2, наблюдается уменьшение частоты событий АЭ (скорости счета сигналов АЭ) от точки А к точке В, что свидетельствует о некотором упрочнении материала. Подобное распределение сигналов акустической эмиссии на данном участке наблюдалось в исследованиях [4] для различных конструкционных сталей. Точка В характеризует завершение участка упрочнения и начало зарождения повреждений. Следующий этап деформирования, связанный с ростом и накоплением повреждений на участке (В - С), отображается ростом распределения параметра частоты событий АЭ до точки С. После точки С наблюдается второй период уменьшения параметра частоты событий АЭ. На данном этапе деформирования наблюдается характерный переход от дискретного распределения акустической эмиссии к непрерывной АЭ, что характеризуется потерей части сигналов АЭ при образовании повреждений (пор) значительных размеров. Следовательно, точка С может быть определена как точка начала срастания пор образуемых повреждений. Последняя точка D на рис. 2 характеризует критическое срастание пор, формирование и начало роста макротрещины. На диаграммах «Р — А/» этот период характеризуется началом линейного (автомодельного) участка спадающей ветви кривой. Данные акустических исследований подтверждают и специально выполненные металлографические исследования образцов на стадии зарождения макротрещины. На рис. 3 показано, что после образования макротрещины в шейке образца, ее продвижение связано со слиянием вершины трещины с ближайшей порой. Таким образом, вершина трещины «ищет» пору, что и определяет в дальнейшем извилистый след трещины. Следует отметить, что точку С на рис. 2 можно характеризовать как момент завершения накопления повреждений, поскольку после точки С практически не наблюдается роста суммарного счета сигналов акустической эмиссии. Напомним, что суммарный счет включает сумму дискретных импульсов акустической эмиссии, выделенных прибором в одно событие.
Рис. 3. Момент начала формирования макротрещины
Таким образом, полученные кривые изменения акустических параметров под действием внешней нагрузки отражают стадийность состояния структурных трансформаций исследуемых стальных образцов. Параметр АЭ и деформации, соответствующие точке С, могут быть использованы для установления отказов при проведении диагностики изделий, конструкций на малоцикловую усталость.
Результаты сопоставления спектра распределения частоты событий АЭ и зависимости «нагрузка - время» на спадающем участке диаграммы деформаций позволили выявить параметр АЭ, характеризующий срастание повреждений, выявленных до момента образования макротрещины. Установлено, что на данном этапе происходит переход от дискретного к непрерывному распределению АЭ, начало потери сигнала АЭ в дефектах срастания и его полное исчезновение в момент образования макротрещины. Параметр частоты событий АЭ, характеризующий момент срастания повреждений, может быть использован в качестве установления отказов при проведении диагностики изделий, конструкций, включая конструкции под действием рабочего давления.
Литература
1. Стрижало В.А., Добровольский Ю.В., Стрельченко В.А. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкции / Ин-т проблем прочности. - Киев: Наук. думка, 1990. - 232 с.
2. О применении метода акустической эмиссии для контроля промышленных конструкций / А.Я. Недосека, М.А. Яременко, М.А. Овсиенко, Л. Ф. Харченко // Техническая диагностика и не-разрушающий контроль. - 2003. - № 3. - С. 3-6.
3. Анисимов В.К. Однозначное определение координат источников акустической эмиссии в листовых материалах // Дефектоскопия. - 1990. - № 7. - С. 11-15.
4. Трощенко В.Г., Стрижало В.А. и др. Методика исследования закономерностей нестабильного развития трещин при циклическом нагружении с использованием явления акустической эмиссии // Проблемы прочности. - 1995. - № 12. - С. 30-33.
