CC BY
49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карзов, Г.П. Перспективы создания высокохромистых сталей повышенной жаропрочности [Текст] / Г.П. Карзов, И.В. Теплухина, Г.Н. Филимонов [и др.] // Вопросы материаловедения.— 2009. № 2(58).—С. 5-23.
2. Kern, T.-U. The European material development within Cost 522 for 650 °C USC power plants [Текст] / T.-U. Kern, M. Staubli, G. Zeiler [et all.] // 15 th IFM.— Oct. 26-29. (2003).— Kobe, Japan.
3. Бордзыка, А.М. Термическая обработка жаро-
прочных сталей и сплавов [Текст] / А.М. Бордзыка, В.З. Цейтлин.— М.: Машиностроение, 1964.— 247 с.
4. Ланская, К.А. Высокохромистые жаропрочные стали [Текст] / К.А. Ланская.— М.: Металлургия, 1976.— 216 с.
5. Mayer, K.H. Long term investigations of specimens of 8 production rotors manufactured of the advanced mar-tensitic 10 %Cr steels X12CrMo(W)VNbN 10 1 (1) [Текст] / K.H. Mayer, T.U. Kern // 14th IFM.— Sept. 03-08. 2000.— Wiesbaden, Germany.
УДК 620.178
О.С. Кузнецова, С.В. Сычёв, Ю.А. Фадин, С.Г. Чулкин
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНАШИВАНИЯ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Существуют многочисленные данные, которые показывают, что износ занимает ведущую позицию в списке опасных повреждений машин и механизмов, имеющих подвижные детали. Все более увеличивающиеся нагрузки, более жесткие условия эксплуатации, использование новых материалов, свойства которых не всегда обстоятельно изучены, делают узлы трения все более опасными объектами, требующими непрерывного контроля. Естественно, что в этом случае возникает вопрос о способах диагностики узлов трения и прогнозировании износа. Поэтому вопрос о количественной оценке износа во время работы машины без ее остановки и разборки узлов трения приобретает особую актуальность.
Проблема контроля узлов трения возникает не только в связи с оценкой износа материалов, но и в связи с обеспечением работоспособности и надежности всего изделия. В современных узлах трения, особенно в высокоточных приборах, используются такие хрупкие материалы, как монокристаллы и керамики. Эти материалы обладают рядом полезных свойств, главные из которых — способность работать при высокой температуре и стойкость в агрессивных средах, низкая изнашиваемость. Крупным недостатком хрупких материалов является их низкая пла-
стичность, что приводит к невысоким значениям усталостной, а также ударной прочности и трещиностойкости. Чтобы избежать неожиданного разрушения приходится принимать ряд защитных мер: снижать эксплуатационные нагрузки, увеличивать запас прочности. Но в ряде особо ответственных случаев использования хрупких материалов такие пассивные средства защиты от неожиданного разрушения явно не достаточны, и для этого просто необходимо использовать активные средства контроля и непрерывной диагностики, основанные на принципах обратной связи, которые могут отслеживать критические состояния материалов. Обычно керамические материалы работают непрерывно в течение длительного времени в устройствах, которые, как правило, не снабжены никакими системами контроля.
Цель нашей работы состояла в разработке подхода для непрерывного измерения изнашивания без остановки процесса трения.
Сущность рассматриваемого подхода
Изнашивание можно представить как процесс разрушения контактирующих поверхностей. В последние годы для исследования и диагностики процессов разрушения широко
4
Металлургия и материаловедение -►
используется метод акустической эмиссии (АЭ). Этот метод можно использовать и для исследования разрушения в процессе трения. Отделение частиц износа связано с образованием микротрещин в поверхностных слоях пар трения. Этот процесс сопровождается сильным акустическим излучением. Важно, что сигналы АЭ можно регистрировать непрерывно в процессе эксплуатации машин и механизмов.
Изнашивание поверхности в первую очередь связано с образованием в поверхностном слое различно ориентированных трещин. Можно выделить два основных класса трещин: вертикальные, расположенные перпендикулярно к поверхности трения, и горизонтальные, которые расположены параллельно поверхности трения или под углом к ней.
Частицы износа появляются в результате развития в поверхностных слоях процесса трещи-нообразования, который вызывается силами трения. При этом в поверхностном слое могут возникать как трещины нормального отрыва, так и трещины сдвига [1]. Если рассматривается только дискретная акустическая эмиссия, что обеспечивается низкой скоростью скольжения трущихся тел, то в этом случае сигналы АЭ не накладываются друг на друга, и каждый сигнал АЭ может быть зарегистрирован и обработан. Такой подход позволил установить, что трещины отрыва (вертикальные трещины) сопровождаются относительно короткими сигналами АЭ с большой амплитудой, а трещины сдвига (горизонтальные трещины) — длинными сигналами с небольшой амплитудой. Предполагается, что вертикальные трещины отрыва ответственны за размеры и форму будущих частиц износа, а горизонтальные трещины за реальный процесс сдвига и отделения частиц.
Энергия сигналов АЭ, возникающих при образовании трещин, пропорциональна площади трещин или в случае трения размеру частицы износа. Отсюда следует, что массовый износ должен быть пропорционален количеству частиц и их размерам, а соответственно энергии АЭ, которая выделяется в процессе образования трещин. Кроме того, акустический сигнал может быть обусловлен не только процессом разрушения, но и другими причинами (пластическая деформация поверхностных слоев материала, образование вторичных структур, фазовые пре-
вращения и т. п.). Сигналы АЭ различной природы могут появляться практически одновременно и обладать близкими физическими параметрами. Поэтому для экспериментального решения проблемы оценки износа необходимо уметь отделять полезные для данных целей АЭ сигналы от бесполезных, т. е. нужны критерии отбора сигналов.
В качестве критериев отбора полезных сигналов АЭ используются два соотношения: A<A0 и S/A > a. Эти соотношения подбираются для каждого конкретного материала опытным путем. Величина A0 ограничивает амплитуду АЭ сигналов, принимаемых в расчет, т. е. является критерием выбора сигналов, соответствующих горизонтальным трещинам. Величина S/A имеет смысл относительной длительности сигнала, где а постоянная для данного вещества величина, а А — максимальное значение амплитуды сигнала акустической эмиссии на выходе усилителя, мВ, S — безразмерная величина, пропорциональная длительности сигнала (для сигнала осциллирующего вида S представляет собой количество пересечений сигналом заданного порога регистрации). На таких принципах был основан предложенный ранее способ определения износа подшипника скольжения без разбора узла трения [2].
В окончательном виде массовый износ m подсчитывается по формуле
m = то + кМЕ (1)
где параметры mo и kME устанавливаются в предварительных лабораторных испытаниях на трение для тех же материалов при скорости, соответствующей скорости скольжения контактирующих поверхностей, а WA3 — суммарная энергия сигналов акустической эмиссии, которая принимается в расчет с учетом правила отбора.
Спектральный метод оценки износа
Если скорость скольжения в паре трения велика и сигналы АЭ перекрываются, то обработка информации значительно усложняется. Акустическая эмиссия из дискретной становится квазинепрерывной. Разработанный выше подход к количественной оценке износа, основанный на анализе индивидуальных сигналов, вообще перестает работать. Чтобы выйти из этого положения нужно сделать новый шаг. Мы
Оценка массы износа керамики из карбида кремния (в мкг) по данным АЭ
Способ подсчета Масса износа, мкГ, для девяти трехсекундных экспозиций
1 2 3 4 5 6 7 8 9
По формуле (1) 2,4 0 0 0 0,2 0,6 0,6 1 0,2
По формуле (2) 2,3 0,6 0,8 0,9 1,2 0 0,8 1 0,3
полагаем, что это можно сделать на основе использования спектрального анализа сигналов АЭ [3]. Спектральный анализ, согласно [4], является наиболее подходящим способом корректной оценки энергии сигнала АЭ. Предполагается, что сигналы от вертикальных и горизонтальных трещин обладают разными частотными спектрами. В силу особенностей применяемой нами аппаратуры происходит регистрация огибающей сигналов АЭ. Следующее предположение состоит в том, что огибающие сигналов от вертикальных и горизонтальных трещин также обладают разными спектрами. Эти спектры могут быть получены с помощью соответствующей математической обработки сигналов. В полученных спектрах можно выделить частотные области, в которых преобладают вклады от соответствующих трещин. Диапазоны частотных областей можно установить опытным путем по результатам экспериментов на изнашивание. Износ материала Ат можно определить по формуле
А т = (2)
г
где kf — коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем, /1 — спектральная плотность, г — номер спектральной компоненты.
Для материалов из карбида кремния было экспериментально установлено, что частотный диапазон процессов, ответственных за износ, лежит в области 1000—3000 Гц.
Предполагается, что спектральный метод должен действовать и в случае дискретной акустической эмиссии.
Мы провели сравнение этих двух методов оценки износа.
Материалы и методика исследования
Работа выполнялась на образцах карбидо-кремниевой керамики. Эти материалы представляют интерес для практики [5] и, кроме того, являются удобными модельными материалами
Схема установки для регистрации акустической эмиссии:
1 — подвижный образец; 2 — неподвижный образец; 3 — пьезопреобразователь; 4 — предварительный усилитель; 5 — основной усилитель; 6 — фильтры; 7 — блок обработки; 8 — первый канал осциллографа; 9 — второй канал осциллографа; 10 — осциллограф 3107 «АКТАКОМ»;
11 — ЭВМ 1; 12 — ЭВМ 2
4
Металлургия и материаловедение -►
для экспериментов, т.к. их можно считать в первом приближении практически упругими и не упрочняющимися, что значительно упрощает обработку экспериментальных данных. Образцы керамик были получены способом твердофазного спекания.
Исследования на трение и износ проводились по схеме «палец — диск». Основные параметры трения — нагрузка и линейная скорость скольжения — варьировались соответственно в пределах от 15 до 75 Н и от 0,5 до 9 м/с.
Акустическая эмиссия при трении изучалась следующим образом. Для регистрации акустической эмиссии использовался аппаратурный комплекс, включающий в себя контактные пье-зопреобразователи типа П113 из пьезокерамики ЦТС-19, рассчитанные на работу в диапазоне 0,2—1 МГц, усилительный тракт от прибора АФ-15, многофункциональную плату 6023Е, производства компании National Instruments (USA), обеспечивающую преобразование аналоговых измерительных сигналов в цифровые, и персональный компьютер. Далее этот аппаратурный комплекс будем называть — система АЭ. Аппаратурный комплекс позволяет регистрировать время появления АЭ события, его максимальную амплитуду A и длительность (количество осцил-ляций S). Общий коэффициент усиления системы АЭ составлял 60 дБ.
Результаты
Регистрация сигналов проводилась по двум каналам на цифровом осциллографе «АКТА-
КОМ 3107» (см. рис.). По одному из каналов проводилась запись сигналов АЭ, поступающих непосредственно с датчиков акустической эмиссии на вход системы АЭ. Другой канал осциллографа был подключен к выходу системы АЭ. Полученные в одном масштабе времени по разным каналам сигналы АЭ обрабатывались соответственно по формулам (1) и (2).
Результаты приведены в таблице.
Коэффициент корреляции между значениями массового износа, которые получены двумя способами, достигает 0, 73. Полученные значения могут быть в дальнейшем увеличены путем подбора более узких частотных областей.
В результате нами разработан подход, основанный на анализе спектральных характеристик сигналов акустической эмиссии, для определения износа материалов узлов трения без остановки самого процесса трения. Подход показывает высокую корреляцию с разработанным ранее методом непосредственного определения износа, который хорошо работает при дискретной акустической эмиссии и невысоких скоростях скольжения. Предполагается, что при высоких скоростях скольжения при квазинепрерывной АЭ разработанный метод оказывается единственно возможным методом оценки износа материалов в процессе трения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-08-00966-а) и Научной программы РАН под руководством академика И.Г. Горячевой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фадин, Ю.А. Применение акустической эмиссии для оценки массового износа [Текст]/ Ю.А. Фадин // Трение и износ. -2008.— Т. 29, № 1.— С. 29-32.
2. Пат. 2212648 РФ: кл^ 01 N 3/56, 29/14 Способ определения износа вкладыша подшипника скольжения: [Текст]/ Ю.А.Фадин, В.П. Булатов, О.Ф. Ки-реенко, В.И. Тулаев.— Опубл. Бюл. изобр.— 2003. № 26.
3. Кузнецова, О.С. Особенности регистрации акустической эмиссии при экстремальных условиях трения хрупких тел [Текст] / О.С. Кузнецова, Ю.А Фадин
// ХХХХ Неделя науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. IV.— СПб: Изд-во Политехнического университета, 2011.— С. 89-90.
4. Stephens, R.-W. B. Waveforms and frequency spectra of acoustic emission [Текст] / R.-W. B. Stephens, A.A. Pollock // J. Acoust. Soc. Amer., 1971.— Vol. 50., № 3.— P. 904-910.
5. Гаршин, А.П. Карбид кремния. Монокристаллы, порошки и изделия на их основе [Текст] / А.П. Гаршин.— СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2006.— 124 с.
