CC BY
37
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
ского гистерезиса, как прыжки пьезовидгуку и асимметрия коэрцитивной напряжений. Полученные аналитические зависимости энергии активации зародыша, его размеров и радиуса устойчивого домена от конфигурации электрических и тепловых полей внутренних дефектов и внешнего нанораз-мерного источника позволяют определить размеры нанодоменив, образующиеся вблизи дефектов путем деконволюции экспериментальных петель гистерезиса локального пьезоэлектрического отклика.
Результаты численного моделирования и аналитические выражения для зависимости пьезоотклика и размеров доменов от внешнего электрического поля и параметров сегнетоэлектрического материала хорошо согласуются как с экспериментальными зависимостями для тонких пленок и монокри-
сталлов типичных сегнетоэлектриков, так и с многочисленными результатами, полученными независимо методом моделирования фазовых полей других авторов, обеспечивает достоверность полученных результатов.
Полученные результаты открывают возможности моделирования петель гистерезиса локального пьезоэлектрического отклика и самосогласованного количественного анализа экспериментальных данных пьезоэлектрической силовой микроскопии, петель сегнетоэлектрического, диэлектрического и пироэлектрического гистерезиса в полярно-активных кристаллических и керамических материалах, имеет практическое значение для миниатюризации приборов наноэлектроники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Local Polarization Switching in the Presence of Surface Charged Defects: Microscopic Mechanisms and Piezoresponse Force Spectroscopy Observations / A.N. Morozovska, S.V. Svechnikov, E.A. Eliseev, B.J. Rodriguez, S. Jesse, S.V. Kalinin // Phys. Rev. B - 2008. - Vol. 78, № 5. -P.054101-1-17.
2. Probing the role of single defects on thermodynamics of electric-field induced phase transitions / S.V. Kalinin, S. Jesse, B.J. Rodriguez, Y.H. Chu, R. Ramesh, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100, № 15. - P. 155703-1-4.
3. Direct Imaging of the Spatial and Energy Distribution of Nucleation Centers in Ferroelectric Materials / S. Jesse, B.J. Rodriguez, S. Choudhury, A.P. Baddorf, I. Vrejoiu, D. Hesse, M. Alexe, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska, J. Zhang, L.-Q. Chen, S.V. Kalinin // Nature Materials. - 2008. - Vol. 7, № 3 - P. 209-215.
4. The Effect of Elastik Vibrations on Monodispersity and Kinettics Crystallization. / Bogorosh A.T. //The Allerton Press Ins.: J.Program, 1983, 150, Ins.,150; Fifth Avenue, N.Y., 10011, P.49-52..
5. Богорош А.Т. Кристаллизационные волны при зарождении и росте монокристаллов /^onoB^i НА-НУ, 1999, №12, С.82-90.
6. Diagnostics of mechanical defects in navigation electronic devices /A.Bogorosh1, S.Voronov, N.Visniakov, J.Novickij //ISSN 1392-1320 MATERIALS SCIENCE, Vol.12, No.4, 2006. P.30-39.
7. Северцев Н.А., Мухин А.В., Логинова Л.В. Проблема оценивания измеряемых параметров технических систем / Н.А.Северцев, А.В.Мухин, Л.В.Логинова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2003. с.313-317.
8. Щербакова О.И. Методы изготовления многослойных печатных плат / Щербакова О.И., Граб Ю.А., Белов А.Г., Баннов В.Я., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 154-157.
9. Туганова Г.Ф. Нейросетевая модель прогнозирования состояния технических систем / Г.Ф. Туга-нова// Международный симпозиум «Надёжность и качество-2002», Россия. Пенза,-27 мая -2 июня 2002. с.330-331.
10. Белов А.Г. Обеспечение влагозащитного покрытия печатных узлов датчика протечки / Белов А.Г., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Горячев Н.В., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 151-154.
11. Слюсарев Г.В. Энергетические методы оценки физико-механических свойств упругих конструкций при вибрационных испытаниях/ Г.В. Слюсарев// Международный симпозиум «Надёжность и качество-2002», Россия. Пенза,-27 мая -2 июня 2002. с.412-415.
УДК 621.1/2
БогороШ А.Т., Шайко-Шайковский2 А.Г., Дудко3 А.Г., Зинченко3 А.Т., Билык3 Г.А., Сапожник3 О.Н., Назарак2 М.С.
1Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,Киев, Украи-
Черновицкий национальный университет им.Юрия Федьковича, Черновцы, Украина 3Буковинский государственный медицинский институт, Черновцы, Украина
СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ОБЪЕКТА ПУТЁМ АНАЛИЗА ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДОМЕНА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ ПРИ РАССМОТРЕНИИ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Введение. При диагностике дефектов в твердых телах локально выявляются скачки реверсирования поляризации поверхностного домена [1].
Так, например, в процессе зарождения домена в поверхностных слоях твердых тел при рассмотрении в рамках термодинамического подхода под действием электрического поля, образованного внешним микроисточником или внутренними микроскопическими механическими дефектами, избыточ-
ную свободную энергию можно представить [2]:
ф(г,1, y„,U ) = Фэ(Г,1) + Ф„{г,1, y„,U )=-2Pj dxEf (x)»
D(r,l) +Ф
(r,l, yt,U )+ФДЫ Уо). 4nUPsdr2 Цу
виде
(1)
(•рГТГУ +d)y r'+d' + y2+d+ijy)
Фd = -2PSjdxEd(x)» -2nr'2hdPs Es11 -expI --Ц- 1111 -expI 11expI -
где ФБ — поверхностная энергия доменной стенки, пропорциональная плотности поверхностной энергии и площади поверхности домена Б; и —
электрическое напряжение, прилагаемое к источнику, который моделируется эффективным зарядом О, который находится на расстоянии б над поверхностью твердого тела; V — объем домена, г -радиус, 1 - длина домена, у0 — положение оси домена относительно начала координат О'
При этом при зарождение домена вблизи дефекта происходит смена температуры и концентраций напряжений, в т.ч. и механических вдоль поверхности, что не учитывает модель (1). Поэтому дополнительно рассмотрим пространственные распределения температур (изотермы Т) и концентраций напряжения в начальной Со и конечной Сг (конкретной) стадии, которые двигаются со скоростью и (в том числе зонда электронного микроскопа при сканировании поверхности образца твердого тела, например, сегнетоелектрика, узла конструкции, минерала и т.п.) в виде:
и =0(0!- Со)/х, (2)
где х - путь термодиффузии или движения напряжения; О —коэффициент распространения волны
на
напряжении, который можно определить из уравнения диффузии Эйнштейна:
В =кТ/ц, (3)
тут п, к - физические константы среды и скорости передвижения волны акустической эмиссии.
Основная часть. Для связи вышеприведенных факторов с термодинамическими параметрами, рассмотрим пространственное распределение температуры Т и концентрации С вдоль домена дефекта, растущего от теплового эффекта реакции (или роста дефекта) со скоростью и, тогда твердое тело в начальной точке образования дефекта будет иметь температуру
То = ЬСо /рсг (4)
где Ь — тепловой эффект реакции образования дефекта; рг с — плотность и теплоемкость среды, Со - начальная концентрация напряжения поверхности домена дефекта и Сг через время реакции его роста до более высокой температуры Тг.
Если эффективная константа скорости реакции к не зависит от температуры, то уменьшение концентрации можно записать в виде
Л I КТ ^ '
где Е - энергия активации; Я - газовая постоян-
ная; ¿с - сумма концентраций всех N элемен-¡=1
тов, участвующих в реакции.
Однако поскольку реакция экзотермическая и теплота выделяется в процессе роста доменов, тогда температура будет повышаться пропорционально скорости падения концентрации напряжения:
рсЛТ = 1еХр1 А ь±Сг Л I I КТ I ±1 '
(6)
Поэтому температура повышается пропорционально концентрации напряжения в локальной точке образования дефекта, которое равно количеству вещества:
Т=То+Ь(С1-Со)/ рс, (7)
При этом величина, пропорциональная скорости реакции dC/dt| |^С/^Ь| (кривая 6), имеет резкий максимум; вначале скорость роста напряжения (реакции) в области домена мала, поскольку температура незначительна, а в конце реакции, по закону Фика - Нернста, она стремится к нулю вследствие падения концентрации напряжения в области домена.
Таким образом, если температура поверхности Тг равна Т0, то она равна температуре, до которой среда нагрелась бы и сама. Поэтому в начале слой поверхности домена начинает нагреваться и изотермически нагревает прилегающий слой. Зона подогрева со временем растет. В нагретом слое начинается реакция, вследствие чего температура может кое-где даже превысить адиабатическую температуру Тг. Этот скачок температуры в слое (неустойчивость системы) может возникнуть аналогично турбулентному вихрю [5] при физическом воздействии на среду потоком электронов или других элементарных частиц [6].
В таких условиях выявляется акустическая эмиссия (АЭ) зарождения дефекта [5], основные параметры которого проявляются в виде излучений материалом механических упругих волн, вызванных динамической локальной перестройкой его внутренней структуры.
АЭ это явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации при протекании большинства процессов определяется лишь чувствительностью используемой аппаратуры. АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры тел, так и в локальных точках начала разрушения агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ позволяет диагностировать энергонапряженные локальные участки материалов в начале их разрушения.
Систематические изучение АЭ с 50-х до 7 0-х годов ХХ столетия дало результат только при накоплении экспериментального материала, доста-
точного для решения исследовательских и технических задач [6], в т.ч. для диагностики узлов трения [5], а также контроля на основе анализа параметров АЭ сигналов в твердых телах, на основе анализа дискретной и непрерывной АЭ параметров, акустических сигналов в твердых телах [4].
В силу дискретной природы вещества дискретны и происходящие в них физические процессы и деформации в твердом теле приводит к большому количеству элементарных событий, вызывающих заметное изменение энергетического состояния тела и излучений в виде упругих волн в виде акустической эмиссии, которая проявляется двояко, в т.ч. тип АЭ как квазистационарный процесс, лавинного типа, или увеличивая уровень дискретности сигналов, можно регистрировать только их высокоамплитудные и формально перейти от регистрации непрерывной АЭ к дискретной не изменяя сущность явления.
В реальности при дефектообразовании происходит АЭ обоих типов, где докритический рост трещин в твердых телах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные периоды стабильного состояния трещины, при росте пластической деформации в ее вершине чередуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновесное состояние. Это связано с изменением напряженного состояния или разгрузкой материала в окрестности трещины, что и сопровождается излучением упругой волны, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками при накоплении пластической деформации наблюдается характерная для пластической деформации непрерывная АЭ. Сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.
Микродеформация материала на первой, нестационарной, и второй, стационарной, стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной, наблюдается также и дискретная АЭ, обусловленная образованием и развитием микротрещин. Такое же положение имеет место при эрозии и коррозии поверхности образца под напряжением, конечная стадия которой ведет к растрескиванию и сопровождается интенсивными акустическими вспышками дискретной АЭ. Во всех этих случаях в течение длительного времени док-ритическая стадия развития трещины, средняя скорость ее роста, как правило, не превышает долей миллиметра в час, которые не представляют серьезной опасности для конструкции, но возникающая при этом АЭ указывает на развитие дефекта, что предвещает разрушение или землетрясение. Это позволяет прогнозировать разрушение твердого тела или высокоамплитудное землетрясение. Импульсы или сигналы АЭ характеризуются амплитудой, длительностью, формой и временем проявления, поэтому поток сигналов дополнительно можно характеризовать средней частотой событий, спектральной плотностью, амплитудно-временным распределениями, корреляционной функцией, средним значением и дисперсией. Каждая из этих характеристик связана с порождающим АЭ физическим процессом, содержит информацию о его развитии или же о состоянии объекта исследования.
Для дискретной АЭ характерны следующие информативные параметры:
1. Общее число импульсов N - число зарегистрированных импульсов дискретной АЭ за интервал времени наблюдения.
2. Активность АЭ - общее число импульсов, отнесенное к единице времени. Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что дает возможность наблюдать динамику процесса разрушения.
3. Суммарная АЭ - число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени
характеризует число событий с энергией, превышающей установленное пороговое значение, а при их регистрации теряется часть информации, связанная с импульсами, амплитуда которых меньше установленного порога - уровня дискриминации.
4. Скорость счета N - число зарегистрированных превышений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу времени. Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени и обладает теми же недостатками. Некоторые авторы называют этот параметр «интенсивностью АЭ».
5. Плотность вероятности амплитуды импульсов м>(Л) характеризует АЭ уже как случайный процесс. Эта функция определяет вероятность того, что амплитуда АЭ- импульса Л находится в интервале от Л до Л + ЛЛ :
Р {Л < Л < Л + ЛЛ} = w (Л) ЛЛ (8)
На практике чаще используют характеристику п(Л) , называемую амплитудным распределением импульсов. Эта функция указывает количество импульсов, амплитуда которых заключена в малом интервале от А до A+dA. Если общее число зарегистрированных импульсов равно Ы, то амплитудное распределение связано с плотностью вероятности м>(Л) соотношением
п (Л) = N х w(Л) (9)
Причем
N = | п(Л)ЛЛ (10)
о
Функции w (Л) и п (Л) можно оценить по экспериментальным данным, построив гистограмму распределения импульсов АЭ по амплитуде, т.к. эта гистограмма отражает зависимость количества импульсов п (или доли таких импульсов п/N ), амплитуда которых заключена в малом интервале от Л до Л +АЛ , и от величины амплитуды Л легко установить взаимосвязь между этими функциями:
Nw(Л )АЛ = п (Л )&Л = п (11)
Определив по экспериментальным данным с использованием этих соотношений набор значений
функций w(Л) и п(Л), в дальнейшем, например при помощи системы распределений Пирсона, можно подобрать аналитические выражения для описания функций w(Л) и п(Л) .
6. Распределение временных интервалов Ш(т)
между отдельными АЭ- импульсами содержит важную информацию о физике явления и характере его развития. При взаимной независимости и одинаковой вероятности элементарных событий их последовательность (поток событий) описывается законом Пуассона и если поток стационарен, то распределение интервалов времени между импульсами АЭ подчиняется экспоненциальному закону
Ш (т) = vexp (-Vт) (12)
причем среднее значение временного интервала между импульсами составляет величину т0 = 1/V . Справедливо и обратное утверждение - при экспоненциальном распределении интервалов между отдельными событиями, которые распределены по закону Пуассона.
7. Амплитудно-временное распределение импульсов АЭ п (Л; х) - функция, указывающая количество импульсов АЭ dN , зарегистрированных в промежутке времени от X до X + ЛХ , амплитуда которых заключена в интервале от Л до Л+ЛЛ :
dN = п( Л, (13)
Если эту функцию проинтегрировать по времени от 0 до Т - времени регистрации АЭ, найдем амплитудное распределение импульсов АЭ, а про-
интегрировав еще раз по амплитуде, получим общее число импульсов за время регистрации:
Т
п(Л) = ^п(Л,г)Лг (14)
о
™ Т
N = Цп(Л, г)ЛгЛЛ (15)
о о
Другими словами, амплитудно-временное распределение отражает изменение амплитудного распределения импульсов АЭ во времени.
8. Спектральная плотность 5дискретной АЭ совпадает с соответствующей характеристикой случайного процесса и равна мощности процесса в единичной полосе частот.
Информативность спектральной плотности обусловлена ее связью со скоростью протекания процесса, инициирующего сигналы АЭ. Кроме спектральной плотности для анализа акустической эмиссии в ряде случаев бывает удобнее использовать корреляционную функцию. Информативное содержание этой характеристики то же, что и у спектральной плотности, поскольку между собой они связаны прямым и обратным преобразованием Фурье.
Для непрерывной АЭ меняется содержание некоторых из указанных характеристик.
Возможность обнаружения и регистрации только развивающихся дефектов в твердых телах позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности. Чувствительность метода АЭ значительно превышает чувствительность традиционных методов неразрушающего контроля, метод позволяет выявлять приращения трещины, начиная с 25 нм.
Метод АЭ является интегральным и обеспечивает контроль объекта с использованием одного и нескольких преобразователей в случае определения места нахождения дефекта. Такой метод АЭ позволяет проводить непрерывный контроль (мониторинг) не только в работающих объектах с целью их остановки в случае выявления и развития опасных дефектов [6], но и твердых телах, например, массивных камнях при приближении землетрясения. При этом положение и ориентация дефектов не влияют на их выявляемость, а метод АЭ имеет значительно меньше ограничений, связанных со структурой и физико-механическими свойствами материалов, чем другие методы нераз-рушающего контроля.
При мониторинге (контроле) наноразмерных дефектов в твердых телах необходимо производить: 1. Суммарный счет АЭ N [имп.] - число зарегистрированных превышении импульсами АЭ установленного уровня дискриминации (ограничения) за интервал времени наблюдения. Диапазон изменения
0...107 имп. 2. Скорость счета АЭ N [имп./с] -отношение суммарного счета АЭ к интервалу времени наблюдения. Диапазон изменения 0^105 [имп./с].
В настоящее время большинство разработчиков систем регистрации и обработки АЭ информации, а также исследователей склонны работать с огибающими электрических сигналов АЭ, т.е. с низкочастотной (НЧ) составляющей АЭ информации. Подобная тенденция вызвана несколькими причинами:
1. Ввиду фильтрации высокочастотной (ВЧ) составляющей акустического сигнала АЭ в процессе его прохождения через исследуемый материал и пограничный слой между поверхностью образца и АЭ преобразователем, а также прохождения электрического сигнала по аналоговому тракту усиления, исходная информация ВЧ составляющей искажается коренным образом.
2. Понятие события в исследуемом материале соотносится с огибающей электрического сигнала АЭ и работа с НЧ составляющей имеет вполне конкретный физический смысл.
3. Большинство параметров АЭ, таких как длительность события, время нарастания, амплитуд-
ное распределение, энергия и т.д., относится к НЧ составляющей АЭ информации.
4. Одновременное использование двух понятий ВЧ и НЧ составляющих в работах по акустической эмиссии приводит к подмене понятий и путанице в интерпретации получаемой информации. Вместе с тем, этот метод нашел широкое применение в материаловедении при исследовании процессов разрушения твердого тела.
Активные способы подавления помех заключаются в подавлении самого источника шума или уменьшении его влияния на исследуемый объект. Данный способ в основном используют для подавления шумов механического характера, создаваемых самим испытательным оборудованием: механическими и гидравлическими нагружающими машинами. С этой целью производят модернизацию испытательных машин с использованием специальных элементов, предназначенных для уменьшения трения в сопрягаемых звеньях нагружающих устройств или звукоизолируют образец от испытательной машины за счет специальных прокладок, изоляторов, шумопоглотителей.
При проведении особо точных физических экспериментов стремятся к применению бесшумных видов нагружения, таких как нагрев или охлаждение или к использованию предварительно нагруженных объектов. Активные способы эффективны при проведении испытаний материалов в лабораторных условиях. При проведении исследований, контроля и прогноза на реальных работающих объектах активные способы практически невозможно реализовать.
Пассивные методы борьбы с шумами и помехами используются практически во всех устройствах и системах регистрации и обработки сигналов АЭ.
Кроме фиксированного порога ограничения иногда используют плавающий порог, т.е. производится непрерывное слежение за изменением уровня помех в каналах тракта усиления сигналов АЭ.
Частотная фильтрация также реализуется одним из блоков в аналоговом тракте и заключается в ограничении полосы пропускания усилительного тракта. Ограничение в области нижних частот лежит в пределах 20...200 кГц, а в области верхних частот - 1,5...2 МГц. Ограничение в области нижних частот обусловлено необходимостью отсечки шумов механического и испытательного оборудования, а ограничение частотного диапазона сверху - необходимостью отсечки электромагнитных наводок. Иногда частотная фильтрация используется для выбора узкой полосы пропускания, определяемой из условий испытания конкретного материала, скорости распространения в нем продольных и поперечных волн, а также для регистрации трещин с определенными размерами.
Временная селекция заключается в запирании каналов регистрации сигналов АЭ на время действия помех. Индикатором помех, обычно электромагнитных, служит специальный канал, регистрирующий только помехи.
Параметрическая селекция или параметрическое стробирование заключается в пропускании сигналов АЭ на обработку электронной системой только при определенных условиях нагружения, например, при достижении нагрузкой определенного наперед заданного уровня. Этот тип селекции используют обычно при проведении усталостных испытаний.
Пространственная селекция служит для выявления принадлежности принятого сигнала к сигналу АЭ или помехе путем определения пространственного местоположения источника сигнала. Такие системы требуют применения многоканальных систем. Минимальное число каналов равно двум при работе с линейными объектами.
Необходимо также учитывать другие источники АЭ в материалах.
В специальной литературе приведены данные об уровне акустических шумов, обусловленных тепловым движением атомов. В поликристаллических материалах (гранитных, карбонатных и др.) появление непрерывной АЭ обычно связывают с пластической деформацией отдельных зерен поликристал-
ла. В поликристаллической структуре из-за неравномерного распределения напряжений пластическая деформация отдельных кристаллов возникает при малой общей деформации, а, например, металл с феноменологической точки зрения находится в области упругости. Поэтому по сигналам АЭ можно судить о появлении неоднородностей и микродефектов на начальной стадии деформирования и разрушения материалов.
Практическое использование явления АЭ основано на регистрации упругой энергии, выделяемой в самом материале контролируемого объекта. Зарождение, перемещение и рост дефектов сопровождаются изменением микроструктуры и напряженно-деформированного состояния материала. При этом происходит перераспределение упругой энергии, что приводит к излучению АЭ сигналов.
Из представленных выше зависимостей наиболее надежно установленной и устойчивой является степенная связь между общим счетом импульсов АЭ и коэффициентом интенсивности напряжений в вершине растущей трещины. Величину показателя степени т обычно связывают с размерами зоны деформации в вершине развивающейся трещины. Обычно значение параметра т должно равняться четырем. Эксперименты дают более широкий диапазон изменения этого параметра. Установлено, что показатель степени т является функцией безразмерного
комплекса Кг1с /Еп , включающего вязкость разрушения КС , модуль Юнга Е и поверхностную энергию
п материала. В зависимости от величины комплекса параметр т для различных материалов может меняться в интервале от 4 до 10,5, что хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемыми значениями этого показателя.
Заключение.
Рассмотрены физические основы и область применения метода регистрации акустической эмиссии (АЭ), которые имеют такие преимущества:
- низкую трудоемкость подготовительных работ и контроля, в десятки (сотни) раз меньше, чем для других методов неразрушающего контроля (НК): метод не требует сплошного сканирования поверхности, т.е. позволяет устанавливать датчики на исследуемом объекте локально (площадь поверхности для установки датчика АЭ от 1 мм2 до 150 см2), что значительно снижает производственные затраты: минимальное снятие изоляции, минимальная зачистка поверхности);
- по объему контроля является глобальным путем установки нескольких датчиков выполняется контроль всего объекта с определением мест возникновения и развития дефектов (режим локации). Это позволяет использовать данный метод для контроля недоступных поверхностей, а также осуществлять непрерывный контроль (мониторинг) объекта во время функционирования и перейти от периодических технических освидетельствований к эксплуатации объекта по его фактическому техническому состоянию;
- позволяет диагностировать объект в целом, не выводя его из существующего режима эксплуатации или выводя на минимальное время, что дает очевидные экономические преимущества по сравнению с традиционными методами НК, требующими прекращения эксплуатации объекта для проведения контроля;
- метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся, а значит, действительно опасных дефектов, и осуществляет их классификацию не по размерам, а по степени опасности. Это означает, в частности, что некоторые, например округлые дефекты, размер которых превышает браковочный уровень традиционных методов НК, при использовании АЭ контроля могут попасть в класс неопасных, поскольку существуют, не развиваясь во время работы объекта. Это позволяет обоснованно отменить остановку объекта и ремонтные работы, которые в ряде случаев только снижают надежность объекта;
- обладает универсальностью по отношению к выбору диагностируемого объекта, т.е. может
быть использован без ограничений для диагностики любых объектов, где может быть обеспечено изменение давления (нагрузки) для инициирования возможных дефектов;
- обладает высокой оперативностью: временные затраты на проведение подготовительных работ и работ по техническому диагностированию существенно ниже по сравнению с традиционными методами НК.
К недостаткам, влияющим на точность измерения, можно отнести такие особенности, как: необходимость акустического контакта преобразователя с объектом контроля; повышенные требования к чистоте поверхности изделия; влияние сторонних шумов на результаты измерений; воздействие температуры и вибрации изделия и др.
Сочетание термодинамической теории образования нанодоменов в сегнетоелектричних материалах с аналитической теорией их локального пьезоэлектрического отклика на возбуждение внешним электрическим полем или при акустической эмис-
сии открывает возможности самосогласованного количественного анализа экспериментальных данных.
Развитие термодинамической теории локального реверсирования поляризации в сегнетоелектриках вблизи заряженных дефектов, позволило установить, что поверхностные дефекты имеют формы петель локального пьезоэлектрического гистерезиса, как скачки пьезоотклика и асимметрии коэрцитивных напряжений. Получены также аналитические зависимости энергии активации зародыша дефекта от механических напряжений (вибрации, ударов), его размеров и радиусы стойких доменов, в том числе от конфигурации электрических и тепловых полей внутренних дефектов и внешнего наноразмерного источника, что позволяет предварительно (прогнозирование) определить размеры нанодоменов, которые образуются вблизи дефектов, путем деконволюции экспериментальных петель гистерезиса локального пьезоэлектрического отклика.
ЛИТЕРАТУРА
1. A. Bogorosh, S. Voronov, V. Roizman, A. Bubulis, Z. Vysniauskien Defect diagnostics in devices via acoustic emission VIBR0MECHAN1KA. Journal Of Vibroengineering. December 2009. Volume 11, Issue 4. P.676-683.
2. Local Polarization Switching in the Presence of Surface Charged Defects: Microscopic Mechanisms and Piezoresponse Force Spectroscopy Observations / A.N. Morozovska, S.V. Svechnikov, E.A. Eliseev, B.J. Rodriguez, S. Jesse, S.V. Kalinin // Phys. Rev. B - 2008. - Vol. 78, № 5. -P.054101-1-17.
3. Probing the role of single defects on thermodynamics of electric-field induced phase transitions / S.V. Kalinin, S. Jesse, B.J. Rodriguez, Y.H. Chu, R. Ramesh, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100, № 15. - P. 155703-1-4.
4. Direct Imaging of the Spatial and Energy Distribution of Nucleation Centers in Ferroelectric Materials / S. Jesse, B.J. Rodriguez, S. Choudhury, A.P. Baddorf, I. Vrejoiu, D. Hesse, M. Alexe, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska, J. Zhang, L.-Q. Chen, S.V. Kalinin // Nature Materials. - 2008. - Vol. 7, № 3 - P. 209-215.
5. Y. Aushev, A. Bogorosh, Jets at low Q2 at HERA, 4th International Conference Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy // Kyiv, 3-7 September 2012, С.120.
6. Войнов А.А., Волчихина Н.И. Моделирование упругого элемента датчика давления в условиях работы с теплоносителем. / А.А. Войнов, Н.И. Волчихина. // Международная конференция «Надёжность и качество-2012» Россия. Пенза, 21-31 мая 2012. -т.1 .-с.217-221.
7. Байдаров С.Ю. Особенности технологий производственного контроля изделий электронной техники // Международная конференция «Надёжность и качество-2 012» Россия. Пенза, 21-31 мая 2012. -т.1 .-с.38 - 41.
8. Гришко А.К. Методология управления качеством сложных систем / Гришко А.К., Юрков Н.К., Кочегаров И.И. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 377-37
9. Королёв С.Н. Интеллектуальные информационно-измерительные системы / С.Н. Королёв/ Международная конференция «Надёжность и качество-2003» Россия. Пенза, 26 мая - 1 июня 2003. -с.295-296.
УДК 621.932.4
Макаров В.Ф., Ширинкин В.В., Мешкас А.Е.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
Введение
Надежность и работоспособность, как правило, являются ключевыми факторами
технических систем, определяющими технико-экономическую, технологическую и экологическую эффективность их функционирования в реальных условиях эксплуатации. Характерными и многочисленными представителями технических систем являются мобильные энергетические средства, адаптированные для работы в различных областях и направлениях науки и техники. По уровню напряженности режимов и условий эксплуатации в общей группе транспортно-технологических машин и комплексов можно выделить:
средства доставки грузов различного назначения;
грузоподъемные и подъемно-транспортные машины и механизмы;
другие специальные машины.
Актуальность широких исследований надежности и работоспособности технических систем
определяется интенсивным развитием триболо-гических направлений в машиностроении, открытием явления «избирательного переноса», обоснованием нанотехнологий и практической реализацией безызносных режимов работы ресурсоопределяющих сопряжений машин и механизмов и использованием
в конструкциях различных типов новых композиционных материалов. Наибольшую приоритетность, при этом, составляют всесторонний анализ рисков потенциальных отказов как на этапе проектирования так и на этапе разработки технологических решений и экспериментальная оценка определяющих параметров надежности и функциональности техники с учетом реальных условий эксплуатации. [1, 2]
Выбор объекта, условий и других параметров исследований обусловлен особенностями
корреляции входных и выходных факторов три-бологической системы, которая в свою очередь, определяет конструктивно-технологическую структуру машин. Отличительной особенностью данных условий для узлов авиационных двигателей, является работа при тяжелом воздействии климатических факторов внешней среды, с учетом существенной разницы и резких перепадов температур на разных высотах, воздействие влаги и ультрафиолетового излучения, широкого спектра динамических нагрузок и вибраций, температурного воздействия газового и воздушного потока и др. Отмеченные условия эксплуатации являются в большинстве случаев определяющими факторами снижения трибологических параметров и ресурса машин. [3, 4]
