Связь акустической эмиссии упруго нагруженных заготовок и качества проката из них Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793:620.199:001.18

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1195-1198

СВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ УПРУГО НАГРУЖЕННЫХ ЗАГОТОВОК

И КАЧЕСТВА ПРОКАТА ИЗ НИХ

© В.В. Носов1*, Х.Ф. Махмудов2*

1) Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, e-mail: nosovvv@list.ru 2) Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, e-mail: h.machmoudov@mail.ioffe.ru

Рассмотрены вопросы моделирования процесса разрушения в условиях пластической перестройки структуры материала, преобразования прочностного состояния материала заготовки, предназначенной для дальнейшей обработки давлением, в состояние материала проката, акустико-эмиссионной оценки, определяющей дефектность конечного изделия, предрасположенности дефектов заготовок к развитию в процессе пластического деформирования при прокатке.

Ключевые слова: акустическая эмиссия; модель; пластическая перестройка; разрушение; контроль дефектности; производство стального листа.

Разработка методов контроля качества предназначенных для пластической деформации заготовок должна способствовать оптимизации технологий обработки металлов давлением, своевременному обнаружению, идентификации и устранению дефектов, снижающих качество конечной продукции. Однако большинство существующих методов контроля выявляют дефекты по признакам, не имеющим четкой связи с вероятностью их проявления или степенью опасности в конечном изделии. Для решения проблемы в работах [1-4] был предложен способ контроля, основанный на связи прочностного состояния металлургических слябов, результатов регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ) при их упругом деформировании, интерпретируемых с позиций микромеханической модели временных зависимостей параметров АЭ (ММАЭ), и дефектности производимых из них листов. Способ вызвал большой интерес в производственной и научной сферах, раскроем его суть.

Пластическая деформация представляется в виде движения дислокаций и связывается с изменением структуры материалов, приводящим к повышению прочности и снижению степени их неоднородности [57] (рис. 1). Процессы пластической деформации микро-трещинообразования и упругого излучения происходят одновременно и тесно связаны между собой. В основе обоих процессов лежит разрыв связей между атомами кристаллической решетки. Различие состоит лишь в том, что при пластической деформации разорванная связь сразу же восстанавливается. Оба процесса являются термоактивируемыми. О влиянии термических флуктуаций на процесс пластической деформации говорит ряд экспериментальных фактов, таких как зависимость сопротивления деформированию от скорости нагружения и температуры, наличие медленно идущей деформации при постоянных напряжении и температуре, задержанное течение (появление деформации спустя

Рис. 1. Снижение степени неоднородности пластической деформации углеродистой стали с ростом деформации: а) зависимость коэффициента средней локальности деформаций от средней остаточной деформации образца [5]; б) зависимость коэффициента вариации деформации от величины средней деформации, построенная по данным [6] для частотных диаграмм распределения условных деформаций зерен углеродистой стали с различным содержанием углерода

некоторое время после приложения нагрузки) [8-9]. Как было отмечено в [10], на стадии дислокационного упрочнения, когда проявляются коллективные дислокационные эффекты, пластическая деформация и разрушение оказываются столь тесно связанными, что их можно считать одним процессом с общей энергией активации.

В основе выявления и оценки степени опасности дефектов заготовок лежит построение физических моделей, происходящих в деформируемом материале процессов и явления АЭ, базирующихся на следующих представлениях.

1. Характеристики прочности, параметры процесса разрушения и АЭ конструкционных материалов зависят от результата конкуренции одновременно протекающих в материале процессов разрушения и пластического деформирования структурных элементов.

2. Процессы пластического деформирования и разрушения по-разному связаны с повреждаемостью и прочностью материала. Пластическое деформирование состоит в перестройке структуры, при которой происходит как разрыв, так и восстановление разорванных связей [9], разрушение связано только с их разрывом.

3. При пластическом деформировании металла до начала макроскопического разрушения (возникновение трещины, потеря устойчивости деформирования (появление шейки)) в общем случае можно выделить два периода: период легкого скольжения (площадка текучести) и период деформационного упрочнения.

4. На этапе деформационного упрочнения можно выделить две основные черты прочностного преобразования: повышение прочности материала и снижение степени неоднородности его прочностного состояния.

5. Акустическая эмиссия упруго деформированных материалов связана, главным образом, с процессом микротрещинообразования. Количество сигналов от пластической деформации перенапряженных структурных элементов относительно невелико. Для уменьшения их дестабилизирующего влияния на результаты прогнозирования ресурса следует применять частотную, временную и амплитудную фильтрации.

Из существующих моделей, описывающих зависимость числа импульсов АЭ от нагрузки в условиях упругих деформаций, наиболее удачной является микромеханическая модель акустической эмиссии (ММАЭ), к настоящему времени подтвердившая свою работоспособность для широкого круга материалов. Использование ММАЭ позволяет по данным акустико-эмиссионных испытаний не только определять текущее состояние материала объекта контроля, но и прогнозировать его остаточный ресурс. Наличие у рассматриваемой модели надежной физически обоснованной базы в виде кинетической концепции прочности позволяет распространить ее действие на область пластических деформаций.

Значения АЭ аналогов повреждаемости материала ^(Г) (первичных информативных параметров АЭ - число импульсов, суммарная АЭ, суммарная амплитуда, энергия сигналов АЭ и пр.) пропорциональны величине концентрации С(Г) микротрещин

£ (t) = ¿ДЕ C(t),

(1)

нием ¥(ю) по структурным элементам параметра прочностного состояния ю, выражаемого формулой

ю = у а/ЯТ,

где у - структурно-чувствительный коэффициент формулы Журкова; а - напряжения на структурном элементе; Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура. Распределение ¥(ю) характеризует неоднородность как структурного (у), так и напряженного (а) состояния материала [1-2]. Очевидно, что пластическая деформация должна влиять на вид этого распределения.

В данной работе состояние материала будем характеризовать распределением ¥(у) в условиях отсутствия внешней нагрузки. Тогда выражение роста концентрации микротрещин примет вид:

I1"

dY, (2)

где у^ и утах - минимальное и максимальное значение у для материала при Г = 0. Значения ут^ и утах характеризуют состояние наиболее прочного и наименее прочного структурного элемента материала соответственно. т0 = 10-12 ^ 10-14с - период атомных колебаний; и0 -энергия активации процесса разрушения; К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Структурная неоднородность материала учитывается путем введения функции плотности распределения структурно-чувствительного параметра у по структурным элементам ¥(у), описываемой двухпрямоугольным или вейбулловским распределениями [1-2; 11-12] (рис. 2).

На участке упругого деформирования и площадке текучести в период легкого скольжения движение дислокаций встречает очень мало препятствий, упрочнения материала не происходит, поэтому можно предположить, что пластическая деформация здесь практически не вызывает изменения распределения ¥(у), прочность восстановленных связей равна прочности разорванных. На участке деформационного упрочнения значительное изменение структуры материала должно вызывать изменение распределения ¥(у), которое должно удовлетворять нескольким условиям:

где Г - текущее время; кАЕ - акустико-эмиссионный коэффициент подобия (АЭК). Прочностное состояние данного конкретного объекта описывается распределе-

Рис. 2. Графическое изображение распределения значений параметра у по структурным элементам и изменение его вида при пластической деформации: 1 - распределение для неде-формированного материала; 3 - перед разрушением; 2 - промежуточное состояние

1) пластическое деформирование состоит в перестройке структуры, при которой происходит как разрыв, так и восстановление разорванных связей, при этом первыми должны разрушаться наименее прочные структурные элементы с максимальным значением у;

2) поскольку состояние материала становится более однородным, разброс значений у должен сокращаться;

3) поскольку пластическая деформация приводит к упрочнению материала, средняя величина параметра у должна уменьшаться с ростом деформации;

4) поскольку распределение ¥(у) имеет максимум, соответствующий наиболее вероятному значению у для данного материала, то наиболее вероятно, что восстановленная связь будет характеризоваться значением у, соответствующему этому максимуму.

Тогда, исходя из перечисленных выше условий можно предложить следующую модель преобразования распределения ¥(у) при пластической деформации (рис. 2б): структурные элементы с максимальными значениями у, находящиеся в правой вытянутой части распределения (т. н. «хвосте») постепенно разрушаются и, восстанавливаясь, переходят в левую часть распределения («колокол»).

Зависимость концентрации микротрещин от времени для упруго-пластического поведения тела примет вид:

I

с(0 = с0

ф(у,£( О)

1 — ехр

\

dt

1 то ехр

dy.

Соответственно, для зависимости числа импульсов АЭ от времени получим:

N^t) = kAE(t)-C(t)=

= fc^(£)Co ;;i(e(t)V(y, £(t)) - *P (- ¿^ßgsjjj dy (3)

значения введена функция kAE(t). Изменение величины kAE может быть вызвано, например, изменением амплитуды сигналов или коэффициента перекрытия импульсов в переходные периоды, в районе предела текучести.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Носов В.В. Диагностика машин и оборудования. СПб.: Изд-во «Лань», 2012. 384 с.

2. Носов В.В. Механика композиционных материалов. Лабораторные работы и практические занятия. СПб.: Изд-во «Лань», 2013. 240 с.

3. Носов В.В., Лаврин В.Г. Неразрушающий контроль качества заготовок для производства горячекатанной полосы методом акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2012. № 3. С. 18-26.

4. Носов В.В., Синчугов И.С. Способ контроля дефектности сляба для производства горячекатаной полосы. Патент на изобретение № 2525584. Заявка 2012157945/28, 27.12.2012. Опубл. 20.08.2014. Бюл. № 23.

5. Носов В.В. Методология акустико-эмиссионной оценки прочности как основа эффективности неразрушающего контроля // В мире неразрушающего контроля. 2014. № 3. С. 7-13.

6. Одинг И.А., Иванова В.С., Бурдукский В.В., Геминов В.Н. Теория ползучести и длительной прочности металлов / под ред. И.А. Одинга. М.: Металлургиздат, 1959. 488 с.

7. Чечулин Б.Б. Исследование микронеоднородности пластической деформации стали // Физика металлов и металловедение. 1955. Т. 1. № 2. С. 251-260.

8. Олемской А.И., Кацнельсон А.А. Синергетика конденсированной среды. М.: УРСС, 2003. 336 с.

9. Степанов В.А., Песчанская Н.Н., Шпейзман В.В. Прочность и релаксационные явления в твердых телах / отв. ред. В.Р. Регель. Л.: Наука. Ленингр. отд-е, 1984. 244 с.

10. Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г., Петров А.И. Пластическая деформация и разрушение кристаллических тел. Деформация и развитие микротрещин // Проблемы прочности. 1979. № 7. С. 38-44; № 8. С. 51-57; № 9. С. 3-9.

11. Носов В.В. Оценка ресурса технических объектов на основе моделирования временной зависимости параметров акустической эмиссии // Вестник Белорусско-Российского университета. 2013. № 2. С. 149-155.

12. Носов В.В. Автоматизированная оценка ресурса образцов конструкционных материалов на основе микромеханической модели временных зависимостей параметров акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2014. № 12. С. 24-35.

13. Чернов Д.В., Барат В.А., Елизаров С.В. Оценка состояния материала с индикаторным тензопокрытием на основе микромеханической модели акустической эмиссии // Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов: материалы 5 Междунар. науч.-техн. конф. Могилев, 2014.

Здесь учтено возможное изменение акустико-эмис-сионного коэффициента кдк, вместо постоянного его

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 621.793:620.199:001.18

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1195-1198

RELATIONSHIP OF ACOUSTIC EMISSION OF LOADED ELASTIC PIECES THE QUALITY OF HIRE FROM THEM

© V.V. Nosov1), K.F. Makhmudov2)

1) National University of the Mineral Resource "Mountain", Saint Petersburg State Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: nosovvv@list.ru 2) Physical-Technical Institute Ioffe RAS, National University of Mineral Resources "Mining", Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: h.machmoudov@mail.ioffe.ru

Questions of simulation of destruction process in the conditions of plastic reorganization of the structure of the material, the structural transformation of the material condition of the workpiece is intended for further processing by pressure, in the condition of the material steel, acoustic emission evaluation, determining the

defectiveness of the final product, the susceptibility of the defects of the workpieces to the development in the process of plastic deformation at rolling.

Key words: acoustic emission; model; plastic modification; destruction; control of defects; production of steel sheet.

REFERENCES

1. Nosov V.V. Diagnostika mashin i oborudovaniya. St. Petersburg, Lan' Publ., 2012. 384 p.

2. Nosov V.V. Mekhanika kompozitsionnykh materialov. Laboratornye raboty i prakticheskie zanyatiya. St. Petersburg, "Lan'" Publ., 2013. 240 p.

3. Nosov V.V., Lavrin V.G. Nerazrushayushchiy kontrol' kachestva zagotovok dlya proizvodstva goryachekatannoy polosy metodom akusticheskoy emissii. Defektoskopiya — Russian Journal of Nondestructive Testing, 2012, no. 3, pp. 18-26.

4. Nosov V.V., Sinchugov I.S. Sposob kontrolya defektnosti slyaba dlya proizvodstva goryachekatanoy polosy. Patent RF, no. 2525584. 2014.

5. Nosov V.V. Metodologiya akustiko-emissionnoy otsenki prochnosti kak osnova effektivnosti nerazru-shayushchego kontrolya. V mire nerazrushayushchego kontrolya (Vmire NK) — NDT World, 2014, no. 3, pp. 7-13.

6. Oding I.A., Ivanova V.S., Burdukskiy V.V., Geminov V.N. Teoriya polzuchesti i dlitel'noy prochnosti metallov. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1959. 488 p.

7. Chechulin B.B. Issledovanie mikroneodnorodnosti plasticheskoy deformatsii stali. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1955, vol. 1, no. 2, pp. 251-260.

8. Olemskoy A.I., Katsnel'son A.A. Sinergetika kondensirovannoy sredy. Moscow, Editorial URSS, 2003. 336 p.

9. Stepanov V.A., Peschanskaya N.N., Shpeyzman V.V. Prochnost i relaksatsionnye yavleniya v tverdykh telakh. Leningrad, Nauka Publ., 1984. 244 p.

10. Betekhtin V.I., Vladimirov V.I., Kadomtsev A.G., Petrov A.I. Plasticheskaya deformatsiya i razrushenie kristallicheskikh tel. Deformat-siya i razvitie mikrotreshchin. Problemy prochnosti — Strength of Materials, 1979, no. 7, pp. 38-44; no. 8, pp. 51-57; no. 9, pp. 3-9.

11. Nosov V.V. Otsenka resursa tekhnicheskikh ob"ektov na osnove modelirovaniya vremennoy zavisimosti para-metrov akusticheskoy emissii. Vestnik Belorussko-Rossiyskogo universiteta — Herald of the Belarusian-Russian University, 2013, no. 2, pp. 149-155.

12. Nosov V.V. Avtomatizirovannaya otsenka resursa obraztsov konstruktsionnykh materialov na osnove mikro-mekhanicheskoy modeli vremennykh zavisimostey parametrov akusticheskoy emissii. Defektoskopiya — Russian Journal of Nondestructive Testing, 2014, no. 12, pp. 24-35.

13. Chernov D.V., Barat V.A., Elizarov S.V. Otsenka sostoyaniya materiala s indikatornym tenzopokrytiem na osnove mikrome-khanicheskoy modeli akusticheskoy emissii. Materialy 5 Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Sovremennye metody i pribory kontrolya kachestva i diagnostiki sostoyaniya ob"ektov". Mogilev, 2014.

Received 10 April 2016

Носов Виктор Владимирович, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, профессор кафедры приборостроения, ведущий научный сотрудник инжинирингового центра, e-mail: nosovvv@list.ru

Nosov Viktor Vladimirovich, National University of the Mineral Resource "Mountain", Saint-Petersburg, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor; Saint-Petersburg State Polytechnic, Professor of Instrumentation Department, Leading Research Worker of Engineering Center, e-mail: nosovvv@list.ru

Махмудов Хайрулло Файзуллаевич, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики прочности; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, доцент кафедры безопасности производств, e-mail: h.machmoudov@mail.ioffe.ru

Makhmudov Khayrullo Fayzullaevich, Physical-Technical Institute Ioffe RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Strength Physics Laboratory; National University of Mineral Resources "Mining", Saint-Petersburg, Russian Federation, Associate Professor of Plant Safety Department, e-mail: h.machmoudov@mail.ioffe.ru