CC BY
86
УДК 622.831:620.172:621.3.095
Контроль разрушения некоторых металлических изделий по сигналам электромагнитного излучения
А.В. Кривецкий, А.А. Бизяев1, Г.Е. Яковицкая
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 634091, Россия 1 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 614990, Россия
В статье рассматриваются вопросы контроля целостности некоторые конструкционных материалов, позволяющие проводить бесконтактный контроль исследуемык объектов по регистрации сигналов электромагнитного излучения. Известно, что при нагружении различные материалов возникающие и распространяющиеся трещины и системы трещин излучают наряду с упругими и электромагнитные волны, так называемое электромагнитное излучение. По изменению параметров и структуры таких волн можно диагностировать приближение процесса разрушения исследуемык объектов. Преимуществом метода перед другими является его бесконтактность. Предлагается использовать метод для диагностики целостности металлических изделий. Разработаны стенд и методика проведения экспериментов, приведены результаты в виде синхронных осциллограмм сигналов электромагнитного излучения и нагрузки при нагружении образцов методом растяжения на образцах стали, дюралюминия, меди и циркония. Предложено использовать метод для оценки целостности некоторых изделий, выполненных из различных металлов, по параметрам электроэмиссионных сигналов, а именно по величинам их амплитудных значений.
Ключевые слова: трещинообразование, разрушение, контроль, металлические изделия, электромагнитное излучение
Control of fracture of some metal products with electromagnetic signals
A.V. Krivetsky, A.A. Bizyaev1 and G.E. Yakovitskaya
Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 634091, Russia 1 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, 614990, Russia
The paper deals with contactless control of integrity of some structural materials by recording electromagnetic signals. It is known that cracks arising in various loaded materials emit, along with elastic waves, electromagnetic waves — electromagnetic radiation. Variations in the parameters and structure of electromagnetic waves can be used to diagnose the proximity of fracture of objects under study. The diagnostic technique has the advantage over other methods that it is contact free. A test bench and an experimental procedure for contactless control were developed. Synchronous oscillograms of electromagnetic and load signals for stretched steel, duralumin, copper and zirconium are presented. It is proposed to use the diagnostic technique to control integrity of some metal products from parameters of electromagnetic signals, namely from their amplitudes.
Keywords: cracking, fracture, control, metal products, electromagnetic radiation
1. Введение
Известно, что в семидесятых годах прошлого столетия А.А. Воробьевым и его учениками впервые был зарегистрирован эффект электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород [1], после чего интерес исследователей к нему реализовывался в двух направлениях, первое из которых — обоснование физических аспектов возникновения этого эффекта. К настоящему времени существует около тринадцати гипотез возникновения электромагнитного излучения при разрушении. Другим направлением в его изучении являлось прикладное, а именно возможность
использования для диагностики трещинообразования различных материалов. Так, в [2] М.А. Садовским и его учениками быта описана регистрация сигналов электромагнитного излучения перед сильным землетрясением в Карпатах, а также возможность его использования в качестве одного из методов при прогнозе землетрясений с реализацией в трехстадийной модели разрушения, постулируемой в Объединенном институте физики земли РАН [3]. В то же время подход В.Е. Панина [4] и др. применительно к модельным представлениям о процессе нарушения сплошности различных материалов основывался на концепции структурных уровней деформа-
© Кривецкий А.В., Бизяев А.А., Яковицкая Г.Е., 2011
ции и разрушения. Эти исследователи считают, что в области очага разрушения формируется система структурных и масштабных уровней деформации. При этом процесс подготовки разрушения рассматривается как многостадийный, начинающийся с нижних структурных уровней путем накопления микротрещин и неоднородностей. В [5] также считается, что «... все масштабные уровни потери устойчивости в деформируемых твердых телах характеризуются трехстадийностью процесса...».
С другой стороны, в [6] этот метод также рассматривался, как позволяющий реализовать в предлагаемой авторами двухстадийной модели процесс разрушения, основанный на концепции концентрационного критерия разрушения.
Таким образом, было установлено, что метод электромагнитного излучения, основанный на возникновении и росте трещин в различных материалах, наряду с другими несет информацию о напряженно-деформированном состоянии исследуемых объектов и одним из его преимуществ является бесконтактность [1, 2, 6]. Метод позволяет контролировать процесс трещино-образования и разрушения твердых тел, развивается и успешно используется в различных отраслях.
Некоторые исследователи, например Л.М. Богомолов [7], для анализа процесса разрушения используют совместно два метода — акустическую эмиссию и электромагнитное излучение. При этом декларируется, что преобладающей реакцией породных образцов на электромагнитное воздействие является кратковременный прирост скорости образования и удлинения микротрещин, что проявляется как отклик активности акустической эмиссии.
Исследования по изучению процесса разрушения горных пород и различных материалов на основе регистрации сигналов электромагнитного излучения проводятся в Институте горного дела СО РАН с начала 90-х годов прошлого столетия. На основании результатов лабораторных исследований были разработаны диагностические критерии разрушения горных пород по изменению структуры и параметров сигналов электромагнитного излучения [8]. Бышо установлено, что при приближении к моменту нарушения сплошности исследуемого объекта в структуре возникают сигналы электромагнитного излучения низкочастотных квазирезонанс-ных процессов [8], а также происходит смещение верхней границы их спектральных характеристик в область более высоких частот [9].
Возникающее при прорастании трещины в исследуемом объекте электромагнитное излучение обусловлено появлением на вновь образованных поверхностях трещин электрических зарядов, колебания которых и их релаксация сопровождаются излучением электромагнитных волн в широком диапазоне частот от единиц герц до сотен мегагерц. Регистрация этих частот обес-
печивается с помощью использования в качестве первичных датчиков различных антенн [2, 3, 8].
Отметим, что метод может найти более широкое применение, в частности при контроле целостности различных объектов в строительстве, машиностроении и других отраслях, когда необходим неразрушающий контроль различных изделий (металлических и керамических изделий, стекла и др.), что особенно актуально при расположении их в труднодоступных местах.
Известны исследования электромагнитных эффектов, происходящих в металлах при их нагружении, соударении и разрушении [10-12]. Кроме того, некоторые исследователи [13-15] изучали возникновение электромагнитного излучения при динамической деформации металлов и изделий из других материалов. Были получены результаты, позволяющие регистрировать возникновение электромагнитного излучения при разрушении металлов и определять различные его параметры. Авторы [16], исследуя электромагнитное излучение при развитии трещин в металлах, смогли зарегистрировать такие параметры, как амплитуды сигналов электромагнитного излучения, частотный диапазон, а также получили взаимосвязь между характеристиками электромагнитного излучения и коэффициентом интенсивности напряжений, упругой деформацией и другими параметрами исследуемых металлических изделий.
По мнению авторов настоящей работы, регистрация электромагнитного излучения в металлах — перспективное направление при его использовании для бесконтактного контроля за разрушением конструкционных материалов.
В связи с перечисленными обстоятельствами возникла необходимость провести пробные эксперименты по оценке целостности металлических изделий с помощью метода электромагнитного излучения.
Основной целью настоящих исследований являлась оценка возможности использования метода электромагнитного излучения для контроля целостности некоторых конструкционных материалов при расположении их в труднодоступных местах. Для этого были отобраны образцы, изготовленные из различных материалов в виде тонкостенных колец следующих размеров: высота —
2 мм, внешний диаметр — 10 мм, внутренний диаметр — 9 мм [17]. Материал образцов — дюралюминий Д16, оловянистая бронза (Си — 93 %, Sn — 7 %), сплав циркония ^г-110) и стальных образцов (сталь У-8).
2. Методика исследований
Методика исследований включала разработку и изготовление устройства нагружения, обеспечивающего одноосное нагружение исследуемых образцов методом растяжения в заданном режиме с постоянной скоростью и синхронной регистрацией сигналов электромагнитного излучения и нагрузки на образец, которое по мере ее роста осуществлялось автоматизированной системой
измерений АСИ-2 следующим образом. Сигнал электромагнитного излучения с выхода датчика — приемной антенны — передавался на широкополосный усилитель, а затем на IBM-совместимый компьютер, основу которого составлял установленный на ее материнской плате высокоскоростной модуль аналогового ввода фирмы National Instruments. Модуль аналогового ввода содержит четыре одинаковых канала ввода аналоговой информации (0, ., 3), один канал аналогового (ATRIG) и один канал (DTRIG) цифрового управления запуском АЦП. Каналы аналогового ввода содержат устройства выборки и хранения УВХ. Входная информация запоминается в устройствах выборки и хранения, выходы которых поочередно с помощью мультиплексора подключаются на вход четырехканального 12-разрядного АЦП, максимальная частота преобразования которого составляет величину (1 - 2) -106 отсчетов в секунду. Имеющиеся в составе модуля аналогового ввода таймер и схемы управления позволяют в широких пределах программно изменять частоту дискретизации входных отсчетов. Автоматизированная система измерений АСИ-2 может быть интегрирована в локальную сеть системы сбора и обработки данных (RTSI), разработанную фирмой National Instruments, а также (при использовании соответствующего адаптера и программного обеспечения) в любую вычислительную сеть.
В процессе экспериментов синхронно по двум каналам регистрировались сигналы электромагнитного излучения и нагрузки, параметры которых на экране монитора отображались в виде отдельных кадров, каждый из которых содержал по 2 отсчетов напряжений (амплитуд сигналов) с выходов датчиков, взятых с интервалами 2 мкс, т.е. длительность каждого кадра составляла 32.768 мс, что позволяло проводить обработку сигналов в реальном масштабе времени. Использование разработанной системы регистрации АСИ-2 совместно с программным обеспечением позволяло выдавать результаты в виде осциллограмм по двум каналам, получать статистические характеристики сигналов электромагнитного излучения, строить их спектральные характеристики и получать другую необходимую информацию.
В качестве первичных датчиков электромагнитного излучения (антенн) использовались два вида антенн, первые из которых (электрические) выполнены в виде медных полуколец или колец диаметром 30 мм, с высотой обкладок 30 мм, а вторые (магнитные) — в виде ферритовых (тип НН700) сердечников (диаметром 10 мм, длиной 200 мм), расположенных взаимно перпендикулярно друг другу с намоткой проводом ПЭЛ 0.26 [8]. Антенны при экспериментах попеременно устанавливались на расстоянии ~5 мм от образца, сигнал электромагнитного излучения с выхода антенны подавался на широкополосный усилитель с полосой пропускания
3 Гц - 300 кГц с коэффициентом усиления 500.
Контроль нагружения образцов выполнялся с помощью захватов образцов, находящихся от объекта исследований на расстоянии ~5 мм, на боковые стенки которых были наклеены тензорезисторы 2ФКПА-10-100ГВ (рис. 1). Тарирование устройства производилось с помощью динамометра ДОСМ-3-5.
Установка для нагружения образцов представлена на рис. 1. Она состоит из пресса 1 с электроприводом, узла нагружения 2, между элементами которого (захватами) размещен исследуемый образец в виде кольца 3, датчиков нагрузки 4 и электромагнитного излучения 5, устройства контроля за нагружением образцов 6, усилителей сигналов нагрузки и электромагнитного излучения 7, 9 и автоматизированной системы измерений АСИ-2 8. Пресс с датчиками и узлом нагружения для отстройки от внешних помех помещены в электромагнитный экран 10.
Узел нагружения состоит из металлических захватов 2, выполненных из титана, причем электрический контакт захватов со станиной пресса был устранен их специальной конструкцией. Исследуемый образец в виде кольца помещался между захватами и доводился до разрыва при скорости нагружения 0.015 м/мин.
Приемные антенны электромагнитного излучения размещались вблизи образца на расстоянии 1-5 мм от торцевой его части. Длина соединительных коаксиальных кабелей типа РК-120 выбиралась таким образом, чтобы было обеспечено минимальное расстояние с выхода антенны до входа усилителя, обеспечивая минимальное влияние собственной емкости кабеля на уровень сигнала электромагнитного излучения. Для различных экспериментов оно изменялось от 10 до 50 мм, при этом собственная емкость кабеля снижалась до величин первых единиц пикофарад.
В экспериментах было исследовано более 50 образцов, выполненных из различных материалов.
Методика включала предварительное измерение уровня электромагнитных помех, наводок и шумов регистрирующей аппаратуры перед каждой серией экспериментов. Уровни помех и наводок внутри электромагнитного экрана, приведенные ко входу усилителя, в различных экспериментах регистрировались на уровне до 0.014 мВ.
Рис. 1. Структурная схема стенда для нагружения металлических колец, выполненных из различных материалов
А, мВ
4.6
0.0
-2.1 1239424000
Р. кН
395
40
0
1239424000
—ь |а
—гт —ш ІІГІїІ ф 1 (І
-Ьщ мг 4^4
--Ч-- -I— V
МКС
1230464000
б
I, МКС
1230464000
А мВ
20
-20
И
2662936789 Р, КН 80
1, мс
2662976789
1 г
2662936789
1, мс
2662976789
Рис. 2. Синхронные осциллограммы сигналов электромагнитного излучения (а, в) и нагрузки (б, г) в момент разрыва дюралюминиевого кольца с использованием в качестве датчика электромагнитного излучения электрической антенны конденсаторного типа (а, б) и магнитной двухстержневой антенны (в, г)
3. Обсуждение результатов
Ниже представлены результаты исследований образцов, выполненных из стали, дюралюминия, меди и циркония. Результаты представлены в виде серии синхронных осциллограмм. На осциллограммах по осям абсцисс приведены временные характеристики процесса нагружения, по осям ординат на верхних рисунках — сигналы электромагнитного излучения, на нижних —
разрывные усилия в моменты нарушения сплошности для различных образцов.
На рис. 2 приведены осциллограммы сигналов электромагнитного излучения и нагрузки в момент разрыва дюралюминиевого кольца с использованием в качестве датчика электромагнитного излучения электрической антенны конденсаторного типа и магнитной двухстержневой антенны. Из осциллограмм следует, что
106
—~—
■
VІ -‘V 1у Лл
•у ■
2240767087
2240769087
\
1 11 V
2585367794
1, МКС
2585369794
Рис. 3. Синхронные осциллограммы сигналов электромагнитного излучения и нагрузки в момент нарушения сплошности стального (а) и медного (б) колец с использованием в качестве датчика электромагнитного излучения электрических антенн кольцевого типа
Рис. 4. Синхронные осциллограммы сигналов электромагнитного излучения и нагрузки в момент разрыва кольца, выполненного из циркония
в моменты нарушения сплошности колец в них возникают сигналы электромагнитного излучения. При этом в первом случае значение импульса первого вступления электромагнитного сигнала регистрируется на уровне 6.72 мВ, а во втором — лишь достигает значений 0.068 мВ. Разрывные усилия принимают значения 395 и 80.8 кН.
Из осциллограмм следует, что при использовании магнитной антенны в качестве датчика электромагнитного излучения амплитуда сигнала регистрируется на уровне существенно меньшем, чем для электрической антенны. Здесь уровень полезного сигнала (0.068 мВ) несколько превышает уровень помех (0.014 мВ). Длительность сигнала электромагнитного излучения в первом случае составляет 28 мс, длительность импульса первого вступления 20 мкс, а во втором — 0.1 мс. Следовательно, можно сделать вывод, что по возникновению
сигнала электромагнитного излучения при использовании в качестве датчиков электромагнитного излучения антенн как электрического, так и магнитного типов имеется возможность производить диагностику целостности контролируемых объектов.
На рис. 3 представлены осциллограммы сигналов электромагнитного излучения и нагрузки в момент нарушения сплошности стального и медного колец с использованием в качестве датчика электромагнитного излучения электрических антенн кольцевого типа.
Длительности сигналов электромагнитного излучения в моменты нарушения сплошности колец достигают значений 1000 и 1200 мс соответственно, значения амплитуд — 0.7 и 4.2 мВ. Величины разрывных усилий достигали 106 и 168.9 кН, амплитудные значения помех в этом случае составляли соответственно 0.32 и 1.47 мВ, т.е. в обоих случаях уровни полезного сигналов несколько превышают значения уровней помех. Длительности импульсов первых вступлений равны соответственно 175 и 250 мкс.
На рис. 4 приведены осциллограммы сигналов электромагнитного излучения и нагрузки в момент разрыва кольца, выполненного из циркония.
Здесь зарегистрированный сигнал электромагнитного излучения имеет другие параметры. Так, амплитуда сигнала электромагнитного излучения в момент разрыва кольца достигает значения 0.752 мВ, длительность сигнала электромагнитного излучения составляет 24 мс, длительность импульса первого вступления — 75 мкс, а разрывное усилие — 61 кН.
Из графиков рис. 2-4 видно, что внутренние шумы аппаратуры и внешние электромагнитные помехи в десятки раз, а иногда лишь на несколько единиц, но все же ниже, чем амплитуды полезных сигналов. Таким образом, можно констатировать, что при разрыве колец, выполненных из различных материалов, величины амплитуд возникших сигналов электромагнитного излучения могут свидетельствовать о нарушении целостности контролируемых объектов. Длительность передних
Таблица 1
Нагрузочные усилия и значения сигналов электромагнитного излучения в момент разрыва металлических колец
Наименование материала Сталь Дюралюминий Медь Цирконий
Диаметр кольца, мм 10 9 9 9
Высота кольца, мм 2.1 2 2 2
Толщина стенки, мм 1 1 1 1
Разрывное усилие, кН 214-408 80.8-395 107-168-512 48.2-94
Амплитуда сигнала электромагнитного излучения, мВ 0.42-2.8 2.31-11.9 1.13-4.2 1.43-2.6 0.37-4.06 0.8-2.52
Длительность сигнала электромагнитного излучения, мс 10 0.1-28 2 -1 .6 6. 8.4-24
Длительность импульса первого вступления, мкс 175 20 250 75
Длительность переднего фронта импульса , мкс 50 20-40-121 2-98 31.5-120
фронтов сигналов электромагнитного излучения составляет для дюралюминиевого, стального, медного и циркониевого колец 40, 50, 98 и 31.5 мкс соответственно.
В табл. 1 сведены данные по исследованию параметров сигналов электромагнитного излучения при разрыве металлических колец, выполненных из различных материалов, полученные методом одноосного растяжения. Из таблицы следует, что наибольший сигнал электромагнитного излучения возникает при разрыве дюралюминиевых колец. При этом все испытываемые изделия, кроме медных колец, могут иметь разброс амплитудных значений, разнящийся примерно на порядок.
Таким образом, исследования, выполненные по описанной методике, позволили заключить, что трещино-образование и разрушение изделий, выполненных из конструкционных материалов, сопровождаются импульсным электромагнитным излучением, при этом первое вступление сигнала практически совпадает с моментом нарушения сплошности в образце. Величина максимальной амплитуды сигнала зависит от вида материала, площади поперечного сечения образца в месте разрушения, а также от конструктивного выполнения антенны. Следовательно, метод может быть использован при контроле целостности изделий, когда невозможен или затруднен визуальный контроль состояния изделия или объекта.
4. Выводы
При разрушении металлических колец методом одноосного разрывного нагружения в них в момент нарушения сплошности возникают сигналы электромагнитного излучения.
Амплитуды сигналов электромагнитного излучения в момент нарушения сплошности различных по составу металлических изделий, выполненных в виде колец, превышают значения уровней шумов регистрирующей аппаратуры и внешних помех.
Различные по составу металлические изделия в момент нарушения сплошности излучают сигналы электромагнитного излучения различной амплитуды, причем наибольшие амплитуды—у образцов из дюралюминия, а наименьшие — у образцов из меди. При этом величины амплитуд могут разниться на порядок.
Антенны электрического типа имеют большую чувствительность к сигналам электромагнитного излучения по сравнению с сигналами магнитного типа.
Метод может быть использован при контроле целостности металлических конструкций, в частности в машиностроении и в строительстве.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 09-08-00193) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы (проекты №№ 235 и 354).
Литература
1. ВоробъевА.А., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение элект-
ропроводимости и радиоизлучения горных пород и минералов при физико-химических процессах в них // Докл. АН СССР. - 1975. -Т. 220. - №1. - С. 82-85.
2. СадовскийМ.А., Соболев Г.А., Мигунов М.И. Изменение естественного излучения радиоволн при сильном землетрясении в Карпатах // Докл. АН СССР. - 1979. - Т. 224. - №2. - С. 316-319.
3. Электромагнитные предвестники землетрясений / Под ред. М.А. Садовского. - М.: Наука, 1982. - 89 с.
4. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформируемых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
5. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
6. Куксенко В.С., Килъкеев Р.Ш., Мирошниченко Н.И. К интерпретации электрических предвестников землетрясений // Докл. АН СССР. - 1981. - Т. 260. - № 4. - С. 841-843.
7. Богомолов Л.М. О механизме электромагнитного влияния на кине-
тику микротрещин и электростимулированных вариациях акустической эмиссии породных образцов // Физ. мезомех. - 2010. -Т. 13. - № 3. - С. 39-56.
8. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регист-
рация и обработка сигналов электромагнитного излучения. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - 232 с.
9. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики крити-
ческих состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии. - Новосибирск: Параллель, 2008. - 314 с.
10. Минеев В.Н., Иванов А.Г. ЭДС, возникающая при ударном сжатии вещества // УФН. - 1976. - Т. 119. - № 1. - С. 75-106.
11. Журавлев В.Ф. Об электромагнитном излучении при соударении твердых тел // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. - 1985. -№6. - С. 101-103.
12. Misra A. Electromagnetic effects at metallic fracture // Nature. -1975.- V. 254. - P. 133-134.
13. Алексеев О.Г., Лазарев С.Г., ПриемскийД.Г. К теории электромагнитных эффектов, сопровождающих динамическую деформацию металлов // ПМТФ. - 1984. - Т. 25. - № 4. - С. 145-147.
14. Бивин Ю.К., Викторов В.В., Кулинич Ю.В., Чурсин А.С. Электромагнитное излучение при динамическом деформировании различных материалов // Механика твердого тела. - 1982. - № 1. - С. 183186.
15. ВикторовВ.В., КулиничЮ.В., Сиротин А.А. Возмущение электрического и магнитного полей при деформировании и разрушении твердых тел. - М.: Институт проблем механики АН СССР, 1987. -56 с.
16. Мisra A., Prasad R.C., Chauhan VS., Srilakshmi B. A theoretical model for the electromagnetic radiation emission during plastic deformation and crack propagation in metalic material // Int. J. Fract. -2007. - V. 145. - No. 2. - P. 99-121.
17. Кривецкий А.В., Кулаков Г.И., Куратов К.А. и др. Электромагнитное излучение при деформировании металлических трубок, колец и стержней // Математические проблемы механики сплошных сред: Тезисы докладов. - Новосибирск, 1997. - С. 84-85.
Поступила в редакцию 10.03.2011 г.
Сведения об авторах
Кривецкий Андрей Васильевич, к.т.н., снс ИГД СО РАН, jcu@ngs.ru Бизяев Алексей Анатольевич, асс. НГТУ, bizyaev@ngs.ru Яковицкая Галина Евгеньевна, д.т.н., внс ИГД СО РАН, yge@ngs.ru
