close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3067 klyuev v.v. red nerazrushayushiy kontrol

код для вставкиСкачать
620.1
W * 1
Н £~Н
НЕРАЗРУШАЮЩИИ
КОНТРОЛЬ
Справочник в 8 томах
под редакцией академика РАН
В.В. КЛЮЕВА
Том
Издание 2-е, переработанное и исправленное
В.И. Иванов, И.Э. Власов
МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Книга 1
Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова, Р.В. Васильева
А.С. Гольдин, Г.В. Зусман, А.Г. Соколова,
А.Р. Ширман, ВА . Якубович
ВИБРОДИАГНОСТИКА
Книга 2
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2006
6Л0,
4 2 t0 b 5 j
УДК 681.2+620 (035)
ББК 30.82
Н 54
Н 54
Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. 2-е и зл . испо. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: Иванов В.И., Власов И.Э. Метод акустической
эмиссии. Кн. 2: Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н.А. и др. Биородиагиостика. - М.: Машиностроение, 2006. - 829 с.: ил.
ISBN 5-217-03365-7 (Т. 7. кн. 1, кн. 2)
ISBN 5-217-03185-9
В первой книге рассмотрены вопросы диагностирования промышленных объектов с
использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Изложены основные понятия, фи­
зические основы метода, показана связь параметров АЭ с параметрами процесса разви­
тия дефектов, что обеспечивает возможность оценки степени опасности дефектов для
объекта диагностирования. Показаны области использования метода АЭ, подробно рас­
смотрены средства АЭ-контроля, сформулированы требования к средствам контроля,
описаны методы измерения их параметров.
Данная книга предназначена для научных, инженерно-технических работников, раз­
работчиков и пользователей методик и средств АЭ-диагностирования, может быть по­
лезна студентам, аспирантам и преподавателям вузов.
Во второй книге подробно рассмотрены методы и средства вибродиагностики ма­
шин и механизмов. Особое внимание уделено вопросам анализа вибросигналов и вибро­
диагностике различных узлов и механизмов: подшипников, валов, зубчатых передач,
турбин, компрессоров, насосов и электрических машин. Содержит сведения по вибродиагностическим признакам дефектов и описание методик виброналадки.
Для инженеров-технологов, работников служб контроля, эксплуатации и ремонта
объектов промышленных предприятий,
И
. ЛF
.
УДК 681.2+620 (035)
атындагы ПМУ-лщ
ББК
30.82
академик С.Бейсем^а
аты н д агы гылыми
ISBN 5-217-03365-7 (Т. 7. кн. 1, кн
ISBN 5-217-03185-9
Л
<^Спектр», 2006
© Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2006
О ГЛ А В Л Е Н И Е
Книга 1. МЕТОД
АКУСТИЧЕСКОЙ
ЭМ ИССИИ Сt 1.И. Иванов,
И. Э. Власов) . . . . ...................
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ
АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИС­
СИИ .................................
1.1. Акустическая эмиссия
в твердом теле
1.1.1. Элементарные ис­
точники А Э .......................
1.1.2. Формирование еди­
ничного импульса АЭ при
развитии трещины............
1.1.3. Модели АЭ при пла­
стической деформации ....
1.1.4. Обобщенная модель
полного сигнала АЭ
12
12
83
1.3.4. Контроль изнашива­
ния механизмов
84
40
1.3.5. Диагностика состояантифрикционных
ния
покрытии и смазочных
слоев
84
47
1.3.6. Контроль процессов
механической обработки
85
1.4. АЭ в процессе корро­
зии
85
1.4.1. Источники АЭ при
коррозии
85
1.4.2. Ускоренные АЭиспытания коррозионных
процессов..........................
88
1.4.3. Определение склон­
ности сплавов к межкристаллитной коррозии.......
88
1.4.4. Исследования склон­
ности сплавов к коррози­
онному растрескиванию...
89
73
1.4.5. Исследования АЭ в
наводороженных объектах
90
73
1.4.6. Контроль защитных
Покрытий и ингибиторов
коррозии............ ......... .
91
22
25
56
1.2.1. Физика акустическо­
го излучения при истече­
нии рабочих ср ед .............
81
1.3.3. Диагностика прирабатываемости подвижных
сопряжении
22
1.1.6 . Энергия сигналов АЭ
1.2. АЭ при утечке газов и
жидкостей
80
82
21
53
1.1.8. Устойчивость пара­
метров А Э ..........................
78
1.3.2. Основные факторы,
влияющие на акустиче­
ское излучение во фрик­
ционном контакте ............
1.1.5. Факторы, опреде­
ляющие амплитуду АЭ.
Диапазон амплитуд сигна­
лов
1.1.7 Технический сигнал
АЭ и основные параметры
АЭ-процесса, используе­
мые для контроля произ­
водственных объектов .....
1.2.2. Приборы и инфор­
мативные параметры АЭтечеискания
1.3. АЭ при трении по­
верхностей и механиче­
ской обработке .................
1.3.1. Источники АЭ при
трении твердых т е л ..........
61
68
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.5. Другие виды акусти­
ческого излучения: при
взаимодействии твердого
тела с полями, излучения­
ми, в результате физиче­
ских и химических про­
цессов .................................
1.5.1.
Магнитоакустиче­
ская эмиссия.....................
1.5.2. Контроль разложе­
ния перекиси водорода....
3.3. Анализ акустических
каналов при АЭ-контроле
156
3.4. Методы определения
координат источников АЭ
170
91
3.5. Критерии оценки тех­
нического состояния объ­
ектов по параметрам АЭ ...
176
92
3.5.1. Оценка результатов
контроля............................
177
92
3.5.2. Системы классифи­
кации источников А Э ......
179
3.6. АЭ-контроль натур­
ных объектов.....................
194
3.6.1. Характерные осо­
бенности зависимостей па­
раметров при АЭ-испытаниях.................................
197
3.7. Нагружение объекта
АЭ-контроля.....................
199
3.8. Области применения
метода АЭ и объекты АЭконтроля ....... ....................
201
4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИС­
СИИ .....................................
204
4.1...Динамические харак­
теристики преобразовате­
лей А Э ............................
204
4.2. Преобразователь АЭ,
как элемент акустико­
электронного канала.....
207
4.3. Конструктивные осо­
бенности преобразовате­
лей АЭ
...................
210
4.3.1. Пьезоэлектрические
преобразователи...............
210
4.3.2. Магнитострикционные преобразователи........
212
4.3.3. Емкостные преобра­
зователи ..............................
212
Глава 1 АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИС­
СИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕ­
СКОМ НАГРУЖЕНИИ
94
2.1. АЭ при пластической
деформации металлов.....
95
2.1.1. Основные результа­
ты экспериментальных ис­
следований АЭ при пла­
стической деформации....
97
2.2. АЭ в телах с дефекта­
ми
................
123
2.2.1. АЭ в телах с трещи­
нами при статическом на­
гружении.............................
124
2.2.2. Амплитудное рас­
пределение сигналов АЭ
при росте трещин ..............
2.2.3. АЭ при постоянной
нагрузке..............................
2.2.4. АЭ при циклическом
нагружении.....................Н
130
132
134
Hi ГШ
--
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИССИОН­
НАЯ ДИАГНОСТИКА И
КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ.. 147
3.1. Основные положения
при использовании АЭ для
НК и ТД производствен­
ных объектов......................
3.2. Разработка методик
АЭ-контроля промышлен­
ных объектов......................
Глава
147
154
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
4.3.4. Оптические преоб­
разователи ........................
4.3.5. Высокотемператур­
ные преобразователи.......
4.4. Основные показатели,
характеризующие работу
преобразователя А Э .........
4.4.1. Основные парамет­
ры преобразователя АЭ ...
4.4.2. Частотные характе­
ристики преобразователей
А Э .......................................
4.4.3. Собственный тепло­
вой шум преобразователя
АЭ и оценка предельной
чувствительности прибо­
ров А Э ................................
4.5. Классификация пре­
образователей АЭ для
контроля производствен­
ных объектов.....................
4.5.1. Классификация ПАЭ
по коэффициенту преоб­
разования ...........................
4.5.2. Классификация ПАЭ
по частотному диапазону
4.5.3. Классификация ПАЭ
по полосе пропускания
частот....................... .
4.6. Полный перечень па­
раметров и технических
характеристик П А Э ..........
4.7. Методики измерений
и расчета параметров ПАЭ
4.7.1. Аналитико-экспериментальный метод...........
212
213
216
216
217
220
227
227
228
228
228
234
235
4.7.2. Экспериментальный
метод определения коэф­
фициента ПАЭ с исполь­
зованием интерферометра
236
4.7.3. Калибровка преоб­
разователей АЭ с исполь­
зованием метода сличения
237
Глава
4.7.4. Измерение числа
выбросов импульсной ха­
рактеристики ...................
238
4.7.5. Измерение длитель­
ности импульсной харак­
теристики ..........................
239
4.7.6. Измерение длитель­
ности периода основных
колебаний......................
239
4.7.7. Метод относитель­
ных измерений..................
239
4.8. Схемы проведения
экспериментальных
ис­
следований
параметров
ПАЭ
239
4.9. Требования к калиб­
ровочному блоку..............
240
4.10. Источники возбуж­
дения акустического сиг­
нала
241
4.11. Рекомендации по
установке преобразовате­
лей АЭ на калибровочный
блок и контролируемый
объект
241
5. АППАРАТУРА АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО К О Н Т РО Л Я ........
244
5.1. Общие положения ....
244
5.2. Классификация сред­
ств АЭ-контроля...............
249
5.3. Параметры и техниче­
ские характеристики ап­
паратуры А Э .....................
251
5.3.1. Основные парамет­
ры и технические характе­
ристики А Э .......................
251
5.3.2. Общие параметры и
технические
характери­
стики ...................................
251
5.4. Требования к пара­
метрам и техническим
характеристикам аппара­
тура АЭ ............................
251
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
5.5. Параметры и характе­
ристики аппаратуры АЭ,
подлежащие определению
5.6. Порядок и условия
проведения измерений па­
раметров аппаратуры АЭ
при ее испытаниях...........
Глава
7.1. Метод акустической
252
253
254
5.8. Характеристики со­
временных приборов АЭ
258
6 . АкУСГИКОЭМИССИОН-
НЫХ КОНТРОЛЬ ПРО­
ЦЕССОВ СВАРКИ............ 264
6.2. Акустическая эмиссия
при фазовых превращениях
6.3. Контроль процессов
термообработки................
Прогнозирование и
оценка ресурса с исполь­
зованием АЭ-информации
290
Достоверность АЭконтроля
.............. 296
7.3.
ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е .............................
302
СПИСОК Л И Т Е РА Т У РЫ ...........
304
П РИ Л О Ж Е Н И Я ................................ 315
Книга 2. ВИБРОАКУ­
СТИЧЕСКАЯ ДИАГ­
НОСТИКА
(Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков,
Н.А. Баркова, Р.В. Васильева,
А. С. Голъдин, Г.В. Зусман,
А.Г. Соколова, А.Р. Ширман,
В.А. Якубович) ....................... ............
341
267
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................
341
272
ВВЕДЕНИЕ................................... .....
345
264
6.4. Акустико-эмиссион­
ный контроль сварочных
процессов...........................
272
6.4.1. Аргонодуговая свар­
ка
.................................
272
6.4.2. Электронно-лучевая
сварка..................................
228
7.2.
5.7. Измерения парамет­
ров акустико-эмиссионной
аппаратуры при лабора­
торных испытаниях.........
6.1. Акустическое излуче­
ние при различных видах
сварки.......................... " ...
эмиссии как информаци­
онная технология .........
Глава 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ЗА­
ДАЧИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ
ДИАГНОС­
ТИКИ (А. Г. Соколова,
Ф.Я. Балицкий) ...................
347
1.1. Роль вибродиагности­
275
6.4.3. Сварка йод флюсом
и ручная электродуговая
сварка..................................
276
6.4.4. Точечная сварка......
279
6.4.5. Другие виды сварки
281
ки в обеспечении надежности маш ин...............
ф Ж
347
1.2. Назначение и специ­
фика виброакустической
диагностики маш ин.........
354
1.3. Распознавание техни­
ческих состояний — ........
361
1.4. Дефекты изготовления
Глава
и сборки маш ин.................
7. ИНФОРМАЦИОННЫЕ
АСПЕКТЫ
АКУСТИ­
КО-ЭМИССИОННОГО
М ЕТОДА..........................
368
1.5. Особенности диагно­
288
стирования машин на эта­
пе производства.................
370
7
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.6. Зарождение и развиэксплуатационных
тие
повреждений маш ин........
1.7. Особенности диагно­
Машинного
стирования
оборудования на этапе
эксплуатации
Глава
372
376
2. МЕТОДЫ И СРЕД­
СТВА ВИБРОДИАГНО­
ПОГРЕШНОСТИКИ.
СТИ ИЗМЕРЕНИЯ
(Р.В. Васильева, А.В. Бар­
ков, Г.В. Зусман) .............
2.1. Основные сведения о
вибрации как колебатель­
ном процессе
Глава
378
378
2.2. Принципы измерения
вибрации.............................
390
2.3. Вибропреобразователи
392
2.3.1. Теория датчиков
вибрации
инерционного
действия
395
2.3.3. Пьезоэлектрический
акселерометр.....................
396
2.3.4. Вихретоковые дат­
чики относительной виб­
рации ..................................
427
2.5. Метрологические во­
просы измерения вибра­
ции
429
3. АНАЛИЗ ВИБРАЦИИ
(А. В. Барков, Н.А. Барко­
ва, Ф.Я. Балицкий)...........
433
3.1. Основные виды ана­
лиза и области их приме­
нения .................................
433
3.2. Анализ вибрации во
временной области...........
441
3.2.1. Анализ формы сиг­
нала
................
441
3.3.1. Фильтрация.............
3.3.2. Спектральный ана­
лиз
3.3.3. Спектральный ана­
лиз огибающей..................
3.3.4. Кепстральный ана­
лиз
.................
3.4.
Многопараметриче­
ский анализ вибрации......
414
417
2.4.1. Общие требования
4 17
2.4.3. Стационарные сис­
темы мониторинга и диагностики
2.4.5. Исследовательские при­
боры и системы.................
3.3. Анализ вибрации в
частотной области............
2.4...Технические средства
анализа вибрации.............
2.4.2. Простейшие средст­
ва измерения и анализа
вибрации............ ...............
423
3.2.2. Статистический ана­
лиз
3.2.3.
Корреляционный
анализ
3.2.4. Анализ собственных
колебаний..........................
392
2.3.2. Индукционный (элек­
тродинамический) вибро­
датчик
2.4.4. Портативные систе­
мы мониторинга и диагно­
стики ...................................
446
453
456
461
462
467
475
482
485
3.4.1. Многомерный ана­
лиз
......
485
418
3.4.2. Биспектральный ана­
лиз
.
488
420
3.4.3. Вейвлет-анализ.......
I|
3.5. Анализ относительной
ййбрации ....... ....... .............
.
490
497
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.5.1. Особенности отно­
сительной вибрации.........
Глава
497
3.5.2. Среднее положение
вала в зазоре подшипника
498
3.5.3. График орбиты.......
499
3.5.4. Векторы вибрации ...
501
3.5.5.
Анализ
полных
спектров........ ....................
504
4. МЕТОДЫ ДИАГНО­
ЗАРОЖДАЮ­
СТИКИ
ЩИХСЯ И РАЗВИТЫХ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ДЕФЕКТОВ (А.Г. Соколо­
ва, Ф.Я. Балицкий) ............
506
4.1. Влияние деградационных процессов в узлах
машинного оборудования
на изменение структуры
вибросигналов...................
509
4.3. Анализ ударных им­
пульсов на резонансе датчика
510
Глава
513
4.5. Использование эффек­
тов нестационарности виб- ■
роакустических процессов
в диагностике машинного
оборудования..................... 516
4.6. Алгоритмы виброкон­
троля машинного обору­
дования, чувствительные к
зарождающимся дефектам
4.7. Изменение диагности­
ческой ценности призна­
ков с развитием деградационных процессов в машинах
523
4.9. Двойная демодуляция
виброакустического сиг­
нала
525
4.10. Проявления в виброакустическом сигнале осо­
нелинейных
бенностей
колебаний при развитом
повреждении узлов меха­
низма. Диагностика ма­
шины при нелинейном
взаимодействии элементов
528
4.11. Распознавание тех­
нического состояния ма­
шинного оборудования по
обобщенному
акустиче­
скому портрету
529
506
4.2. Демодуляция вынуж­
денных колебаний узлов
механизма
4.4. Анализ ударных им­
пульсов на резонансной
частоте узла механизма ...
4.8. Привлечение допол­
нительной информации ...
518
522
5 . ДИАГНОСТИКА М Е­
ХАНИЗМОВ ПО ОС­
НОВНЫМ
ВИБРАЦИ­
ОННЫ М СОСТАВЛЯ­
Ю Щ ИМ (по материалам
А.С. Гольдина, Г.В. Зусм а н ) .............. .....................
532
5.1. Вибрация оборотной
частоты
532
5.1.1. Стационарная виб­
рация
V........................
533
5.1.2. Квазистационарная
вибрация............................
536
5.2. Вибрация с необорот­
ными частотами
542
5.2.1. Вибрация двойной
оборотной частоты...........
542
5.2.2. Низкочастотная виб­
рация ...................... ............
543
5.2.3. Высокочастотная виб­
рация ...................... ............
544
9
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава
6 . ДИАГНОСТИКА УЗ­
ЛОВ с Иподшипнин ь а н
КАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ
И
УПЛОТНЕНИЯМИ
(Ф.Я. Балицкий).................
6.1. Неравномерность за­
зоров в подшипнике (уп­
лотнении) ...........................
6.2. Аномалии величины
зазора (разболтанность и
зажатость). Задевания......
6.3. Дефекты поверхностей
вкладыша
6.4. Самовозбуждающиеся
колебания на масляном
клине.......... 4.......................
6.4.1. Механизм возбуж­
дения колебаний...............
6.4.2. Вихревая смазка (Oil
whirl) и взбиваемая смазка
(Oil w hip).............
Глава
546
547
549
553
Глава
554
554
557
7. ВИБРОДИАГНОСТИ­
КА
ПОДШИПНИКОВ
КАЧЕНИЯ (А.Р. Ширмам)
564
7.1. Общие сведения.........
564
7.1.1. Применение под­
шипников и конструкции
подшипниковых узлов.....
7.1.2. Причины повреждеНИИ подшипников
7.1.3. Осмотр подшипни­
ков
7.2. Основные методы ди­
агностирования подшип­
ников качения
7.3. Точки контроля виб­
рации ..................................
7.4. Виды дефектов под­
шипников качения и их
обобщенные диагностиче­
ские признаки
7.5. Периодичность про­
ведения работ по исследо­
ванию вибрации. Допус­
тимые значения
564
567
568
569
571
573
7.5.1. Периодичность про­
ведения работ по исследо­
ванию вибрации................
595
7.5.2. Рекомендации по
выбору допустимых зна­
чений
........
597
7.6. Особенности диагно­
стики подшипников каче­
ния по форме сигнала.
Рекомендации по уточне­
нию результатов диагно
стики ..................................
598
8. ВИБРОДИАГНОСТИ­
КА ДЕФЕКТОВ ЛИНИИ
ВАЛА (по материалам
А.С. Гольдина, А.Р. Ширм а н ) .....................................
601
8.1. Механический дисба­
ланс .....................................
601
8.1.1. Происхождение дис­
баланса ...............................
601
8.1.2. Влияние дисбаланса
на вибрацию.....................
601
8.2. Остаточный прогиб
ротора...............................
601
8.3...Погрешности геомет­
рии шеек роторов.............
602
8.4. Дефекты м уф т............
603
8.4.1. Жесткие и полужесткие муфты......................
603
8.4.2. Подвижные муфты ..
605
8.4.3. Расцентровка по муф­
там
606
8.5. Пониженная жест­
кость опорной системы ....
608
8 .6 . Влияние анизотропно­
сти и нелинейности опор
на характер вибрации.......
610
8.7. Ослабления в опорной
системе...............................
612
8 .8 . Осевая вибрация под­
595
шипников ............... ...........
612
8.9. Трещина в роторе......
613
10
ОГЛАВЛЕНИЕ
8.10. Тепловой дисбаланс
ротора................................
8.10.1. Общие сведения ....
8.10.2. Тепловой дисба­
ланс электрических ма­
шин 1
8.10.3. Тепловой дисба­
ланс роторов паровых и
газовых турбин.................
8.10.4. Особые случаи те­
пловых деформаций рото­
ров
Глава
9. ВИБРОДИАГНОСТИ­
КА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕ­
ДАЧ (А.Г. Соколова,
Ф.Я. Балицкий) ..................
9.1. Кинематика зубчатых
передач...................... ........
9.2. Частоты вынужден­
ных колебаний в зубчатых
механизмах.......................
9.3. Диагностика дефектов
кинематической
схемы
редуктора с цилиндриче­
скими колесами................
9.3.1. Перечень дефектов
кинематической
схемы
зубчатой передачи.............
9.3.2. Биение вала (шес­
терни) ..................................
9.5. Диагностика эксплуа­
тационных повреждений
зубчатых колес..................
614
614
615
616
616
626
626
629
636
Глава
636
9.3.7. Нарушения режима
смазки зубчатой передачи
9.4. Дефекты монтажа ко­
нических передач с круго­
вой формой зубьев...........
646
9.5.3. Диагностика выкра­
шивания зубьев ..................
650
9.5.4. Диагностика заеда­
ния зубчатых колес....... .
654
9.5.5. Диагностика трещин
и поломки зубьев...............
656
9.6. Особенности диагно­
стирования планетарных
зубчатых передач.............
661
9.7. Выбор точек контро­
ля, периодичности измерении, режимов работы
оборудования и пороговых значении диагности­
ческих признако
665
10. ВИБРОДИАГНОСТИ­
КА НАСОСОВ {А.В. Бар­
ков, Н.А. Баркова) ...............
668
648
11. ВИБРОДИАГНОСТИ­
КА ТУРБИН И КОМ­
БарПРЕССОРОВ (A.J
680
ков, Н.А. Баркова) ..
Глава
641
12. ВИБРОДИАГНОС­
ТИКА
ЭЛЕКТРИЧЕС­
КИХ МАШИН {А.В. Бар­
ков, Н.А. Баркова) ............
691
642
12.1. Колебательные силы
электромагнитного проис­
хождения
691
12.2. Вибродиагносгика
асинхронных двигателей
694
12.3. Вибродиагностика
синхронных машин
703
637
9.3.4. Непараллельность осей
в цилиндрических зубчатых
передачах......... 1 ....... ....... 640
9.3.6. Нарушение соосности
валов элементов машинного
агрегата...................... .
9.5.1. Типовые поврежде­
ния рабочих поверхностей
зубьев........... ......................
9.5.2. Диагностика абра­
зивного износа
Глава
9.3.3. Боковой зазор в за­
цеплении ............................... 637
9.3.5. Осевое смещение ко­
лес
646
642
644
11
ОГЛАВЛЕНИЕ
12.4. Вибродиагностика ма­
шин постоянного то ка....... 715
Глава
13. ВИБРОНАЛАДКА И
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
ПОВЫШ ЕННОЙ ВИБ­
РАЦИИ (А.Р. Ширман) ...
13.1. Общие сведения.......
13.2. Предупреждение виб­
рации в процессе ремонта
13.2.1. Ревизия и ремонт
муфт
13.2.2. Выверка. Центровка
роторов. Устранение мяг­
кой опоры...........................
13.2.3. Предупреждение за­
деваний ротора о статор ...
13.2.4. Контроль формы
расточки
подшипников
скольжения........................
13.2.5. Обеспечение плот­
ности крепления вклады­
шей
13.2.6. Предупреждение дис­
баланса роторов.................
13.2.7. Нормализация теп­
ловых перемещений..........
13.2.8. Гашение колебаний
13.3. Балансировка рото­
ров
.
13.3.1. Общие сведения ....
13.3.2. Общие положения
технологии балансировки
13.3.3. Статическая балан­
сировка деталей..........
13.3.4. Балансировка на
низкочастотном станке ....
13.4..Балансировка на мес­
те
..... '
13.4.1. Общие сведения ....
13.4.2. Балансировка сим­
метричных роторов ..........
13.4.3. Балансировка мно­
гоопорных валопроводов..
13.4.4. Тактика баланси­
ровки
Глава
14.1. Общие нормы вибра­
ции корпусов подшипни­
ков
14.2. Обобщенные норма­
тивные материалы с диф­
ференциацией оборудова­
ния по мощности и типу
фундамента.......................
14.3. Особенности оценки
вибрации поршневых ма­
шин
14.4. Комплексные норма­
тивные материалы с клас­
сификацией агрегатов по
технологическому назна­
чению
14.5. Оценка вибрации
электродвигателей............
14.6. Оценка вибрации
паровых турбин................
14.7. Оценка вибрации
газовых турбин.................
14.8. Нормы вибрации
..........
насосных агрегатов ...........
14.9. Определение состоя­
ния компрессоров по па­
раметрам относительной
вибрации вал а...................
14.10. Нормирование виб­
рации фундаментов ма­
шин
14.11. Современные тен­
денции в нормировании
вибрации машин...............
724
724
725
725
731
734
736
738
739
739
741
751
751
751
755
756
759
759
765
770
773
14. НОРМИРОВАНИЕ
ВИБРАЦИИ МАШИН И
МЕХАНИЗМОВ
(В.А. Якубович) .................
15. ТИПОВАЯ ПРОГ­
РАММА АТТЕСТАЦИИ
В
СПЕЦИАЛИСТОВ
ОБЛАСТИ ВИБРОДИ­
АГНОСТИКИ (А.Р. Шир­
ман) ....................... .'............
СПИСОК Л И ТЕРА ТУ РЫ .........
780
781
784
789
791
793
796
797
798
798
804
806
Глава
809
820
Книга 1
МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
ВВЕДЕНИЕ
Проблема обеспечения безопасной
эксплуатации и эффективности работы
сложных технических систем и оборудования опасных производственных объектов приобретает в настоящее время особое значение [11]. Существенный износ
основного промышленного оборудования
в условиях системного кризиса, технические и финансово-экономические проблемы, связанные с заменой отработавших
свой ресурс объектов, и ряд других факторов предполагают поиск новых подхо­
дов к решению задач, стоящих перед не­
разрушающим контролем и технической
диагностикой (НК и ТД).
Все это предопределяет необходимость совершенствования традиционных
методов НК и ТД, создания и развития
новых методов [79]. Действительно, не
все потенциальные возможности научно
разработанных методов НК и ТД реализованы в надежных, производительных и
высокоинформативных средствах контроля. Это еще в большей степени можно
отнести и к новым методам НК и ТД, та­
ким как акустическая голография, акустическая эмиссия, импульсные радиационные методы й др.
:*г
Одним из наиболее привлекательных
и относительно новых методов НК и ТД
является метод акустической эмиссии
(АЭ). Он основан на регистрации звуко­
вых сигналов, излучающихся при пласти­
ческой деформации твердых сред, разви­
тии дефектов, трении, прохождении жид­
ких и газообразных сред через узкие отверстия - сквозные дефекты; обладает
рядом достоинств, благодаря которым
существенно расширяются возможности
ТД и НК. Метод представляет собой совокупность научных моделей, специализированных технических средств, промышленных методик, технологий и подходов,
применение которых позволяет предотвратить катастрофическое разрушение
объекта. Теоретическая часть метода АЭ
предполагает междисциплинарный подход, базирующийся на объединении моделей.
Метод АЭ помимо функции НК и ТД
обладает также потенциалом метода ис­
следования различных процессов в реаль­
ном времени, т.е. позволяет наблюдать и
изучать динамику этих процессов.
Применяя метод АЭ, можно детально
изучать в реальном времени процессы
деформации, разрушения, перестройки
структуры, химических реакции, взаимодействия излучения с веществом и т.д.
В основе общественной потребности
использования метода АЭ в промышленности лежит ряд факторов, важнейшие из
которых:
• возрастающие требования экологии, встающие перед общественным производством;
• жесткая необходимость экономии
ресурсов, сбережения энергии и материа­
лов;
• оптимизация затрат при изготовле­
нии и эксплуатации оборудования на
опасных производственных объектах;
к*
• принятие ответственных решении в
условиях существенного износа основных
производственных фондов.
ВВЕДЕНИЕ
М етод акустической эмиссии
Явление акустической эмиссии.
Акустические явления в средах, материалах и телах при неспецифических воздействиях на них весьма разнообразны. К
неспецифическим воздействиям относятся
воздействия, которые можно описать не­
сигнальными величинами и характеристиками. Это воздействия энергетическо­
го характера, например энергетические
(несигнальные) механическое и тепловое
воздействия.
АЭ как физическое явление, используемое для исследования веществ, материалов, объектов, а также для НК и ТД,
представляет собой излучение акустиче­
ских волн из объекта при возникновении
нелинейных процессов при перестройке
структуры твердого тела, при образовании
турбулентности, трении, ударах и т.д.
К АЭ можно отнести такие акустиче­
ские явления, как аэродинамические и
гидродинамические шумы, возникающие
в потоке жидкости и газа, акустические
шумы при кавитационных явлениях, аку­
стические сигналы при взаимодействии
различного рода излучений высокой энер­
гии (а, р, у и др.) с веществом и т.д. Кроме
указанных видов АЭ существует магнитная
АЭ (МАЭ) - излучение упругих колебаний
при перемагничивании материала объекта.
Каждое из этих и подобных явлений может
быть использовано для исследования ме­
ханизма различных физических и химиче­
ских процессов. Однако основное внимание в книге уделено АЭ, которую можно
использовать для целей НК и Т ,
дования на опасных производственных
объектах.
Виды акустической эмиссии. "Акустическая эмиссия - испускание объектом
контроля (испытаний) акустических волн"
(ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия.
13
Термины, определения и обозначения).
Данное определение охватывает весьма
широкий круг явлений.
В зависимости от физического источника принято выделять следующие
основные виды АЭ:
1. Акустическая эмиссия материи ла - вызвана локальной динамической
перестройкой структуры материала.
2.
Акустическая эмиссия утечки вызвана гидродинамическими и (или) аэ­
родинамическими явлениями при проте­
кании жидкости или газа через сквозную
несплошность объекта испытаний.
3. Акустическая эмиссия трения
вызвана трением поверхностей твердых
тел.
4. Акустическая эмиссия при фазопревращениях - связана с фазовыми
превращениями
веществах и материалах.
5. Магнитная акустическая эмис­
сия —связана с излучением звуковых волн
при перемагничивании материалов.
6 . Акустическая эмиссия радиаци­
онного взаимодействия
возникает в
результате нелинейного взаимодействия
излучения с веществами и материалами.
7. Акустическая эмиссия при хими ческих и электрохимических реакциях возникает в результате протекания химических и электрохимических реакций,
включая разнообразные коррозионные
процессы.
Из перечисленных видов АЭ наидля
мышленных объектов нашли виды 1-3.
Развитие метода АЭ. Еще до появ­
ления термина "акустическая эмиссия"
данное явление использовалось человеком
для ориентации в окружающем мире, что
было жизненно важно (треск сучьев под
крадущимся хищником, хруст снега, грохот лавины и землетрясения и т.д.). Крат-
14
ВВЕДЕНИЕ
кие сведения о работах в области АЭ при­
ведены в [25, 42, 81, 158 и др.]. Исчерпывающий исторический очерк по использованию явления АЭ приведен в рефератив­
ном сборнике [123], в котором перечислены акустические явления, упомянутые и
отмеченные в исторических памятниках.
Научные исследования АЭ начались
в XX веке. В 1916 г. Г. Чохральский опи­
сал акустическое явления в цинке и олове.
Следующий этап был связан с иссле­
дованием АЭ на образцах. Первые иссле­
дования проведены в Германии Ф. Фор­
стером и Э. Шейлом в 1936 г. Они отме­
чали звуковые эффекты при образовании
мартенсита в стали с 29 % никеля. В США
У.П. Мэйсон, X. Дж. Макскимин и В. Шок­
ли исследовали звуковые эффекты при
деформировании сжатием чистого олова;
при деформировании алюминиевых кри­
звуковые эффекты при трансформации
сталлов звуковых эффектов не было заре­
гистрировано. Д.Дж. Миллер (Англия) в
1950 г. исследовал двойникование в монокристаллических проводах из кадмия.
В [25] приведены сведения об иссле­
дованиях АЭ отечественными учеными.
Звуковые эффекты отмечались А.Ф. Иоффе
в экспериментах по деформации цинка и
каменной соли. Систематическое исследо­
вание АЭ в горном деле началось вскоре
после окончания Великой Отечественной
войны в Институте горного дела им. А.А.
Скочинского. Результаты работ М.С. Анцыферова оказались весьма важными: стало
возможно предупреждать наиболее опас­
ное явление при проведении горных работ
—внезапные горные удары. Большинство
из работ, за исключением работ М.С. Анцыферова, носило характер научных, ла­
бораторных исследований, не связанных с
практическим применением результатов.
g них выявлялись акустические эффекты,
лития в гранецентрированную кубическую
связанные с деформированием и разру-
решетку наподобие звуковых эффектов
шением
при двойниковании олова или магния и
Систематические, целенаправленные ис-
образовании мартенсита, на основании
следования АЭ в металлах впервые про-
которых он заключил, что трансформация
водились И. Кайзером в Германии в начале 1950-х гг. Он испытывал образцы из
обычных конструкционных материалов,
А.М. Портевен и Ф. Jle Шателье (1924 г.)
отмечали излучение звука на расстоянии
нескольких метров, связанное с прерыви­
стыми пластическими деформациями и
формированием полос Людерса при де­
формировании образцов из алюминиевомедно-марганцевых сплавов. П.С Эренфест и А.Ф. Йоффе (1924 г.), Р. Дж. Ан­
дерсон (1926 г.), М.В. Классен-Неклюдова
(1929 г.), Э. Шейл (1929 г.), П.В. Бриджмэн
(1937 г.) отмечали и исследовали звуковые
эффекты при деформации каменной соли,
в монокристаллах цинка, образцах дюра­
люминия за пределом текучести и перед
разрушением, монокристаллах и поликри­
сталлах латуни, поликристаллах алюми­
ния, при образовании мартенсита в стали,
при сжимающих нагрузках при скручива­
нии многих металлов и неметаллов - тита­
на, стронция и др. Ч.С. Баррет отмечал
идет отрывистым сдвиговым движением в
малых изолированных областях.
различного
рода
материалов,
ВВЕДЕНИЕ
нагружая их в испытательном машине, и
искал связь АЭ с кривой нагружения.
Кайзер регистрировал АЭ во всех испы­
танных им материалах, включая олово,
свинец, дюралюминий, медь, латунь, чу­
гун, конструкционную, инструменталь­
ную стали и дерево. Именно им был от­
крыт эффект прекращения регистрации
эмиссии при повторном нагружении об­
разца вплоть до достижения нагрузки
предыдущего цикла. Природа данного
эффекта была впоследствии объяснена, а
эффект был назван его именем. Кайзером
были также обнаружены и разделены два
вида АЭ: непрерывная и импульсная.
Работы по интенсивному исследова­
нию АЭ были продолжены в конце 1950 начале 1960-х гг. в США Б.Х. Скофилдом,
К.А. Тэтро, их сотрудниками и другими
исследователями. В то же время (в 1961
г.) А.Т. Грин с коллегами при гидравличе­
ских испытаниях корпусов ракет для аме­
риканского флота отмечали звуковые эф­
фекты, на которые они обратили внима­
ние и начали их регистрировать с исполь­
зованием приборов. Анализ одного экспе­
римента выявил в корпусе развивающую­
ся трещину, которая затем привела к раз­
рушению при нагрузке ~56 % от испыта­
тельной нагрузки. Тот факт, что регистри­
руя АЭ, можно обнаружить развивающий­
ся дефект, определить его координаты и
предсказать возможное разрушение, не­
медленно возбудило интерес к этому явле­
нию. X. Данеган, работая в Ливерморской
радиационной лаборатории, заинтересо­
вался АЭ в 1962 г. после знакомства с ра­
ботами Б.Х. Скофилда и К.А. Тэтро.
15
Научная и деловая активность
Б.Х. Скофилда, К.А. Тэтро, X. Данегана,
А.Т. Грина и ряда других американских
специалистов способствовала широкому
использованию метода АЭ для контроля
промышленных объектов в США начиная
с средины 1960-х гг. Первая компания по
производству аппаратуры АЭ и контролю
производственных объектов была создана
X. Данеганом в 1969 г. Несколько позднее
в развитии метода АЭ приняли участие
А. Поллок, С. Вахавиолос и др. Энергич­
ные деловые американские ученые и ин­
женеры, еще не выяснив природу АЭ, ак­
тивно продвигали метод, основанный на
регистрации АЭ, в промышленность, что
способствовало развитию метода АЭ и рас­
ширению исследований в этой области.
Исследования АЭ в СССР активизи­
ровались в начале 1970-х гг. организация­
ми НПО "Дальстандарт", НПО ЦНИИТМАШ, ПО "Волна” (Кишинев), ИМЕТ,
НИИТМ, ИАЭ и рядом других организа­
ций. Однако достаточно широкое приме­
нение метода АЭ в отечественной про­
мышленности началось с конца 1980-х гг.
Особенности метода АЭ как метода
НК и ТД. В самом начале использования
метода АЭ для контроля промышленных
объектов было установлено, что метод АЭ
обеспечивает выявление развивающихся
дефектов посредством регистрации и ана­
лиза акустических волн, возникающих в
процессе пластической деформации и
роста трещин в контролируемых объек­
тах. Кроме того, метод АЭ применялся
также для, выявления истечения рабочего
тела (жидкости или газа) через сквозные
отверстия в контролируемом объекте.
ВВЕДЕНИЕ
16
Основные характерные особенно­
разрушения. В случае АЭ-метода имеет
сти метода АЭ, определяющие его воз­
место объективное пересечение областей
можности, параметры, области приме­
собственно АЭ-метода и механики разру­
нения и достоинства.
шения. Метод АЭ в определенном смысле
1. Комплексный характер метода
исследования материалов и процессов НК
и ТД природных и промышленных объек­
можно рассматривать как эксперимен­
тов (включает в себя механику и физику
разрушения, акустику, теорию сигналов,
случайных процессов, сейсмологию и т.д.).
2. Обнаружение и регистрация толь­
ко развивающихся дефектов, что позволя­
ет классифицировать дефекты не по раз­
мерам (или другим второстепенным и
косвенным признакам катастрофической
ситуации), а по степени их опасности для
контролируемого объекта. Данное свойст­
тальный инструмент механики и физики
разрушения. По отношению к проблемам
технической безопасности производствен­
ных объектов метод АЭ интегрирует мето­
дические аспекты НК и ТД с одной сторо­
ны, и модели механики разрушения - с дру­
гой. В результате на новом качественном
уровне обеспечиваются безопасность и
надежность оборудования опасных про­
изводственных объектов.
3. Высокая чувствительность к рас­
во является одним из наиболее важных
достоинств и преимуществ метода АЭ.
тущим дефектам относительно других ме­
Таким образом, метод АЭ классифи­
аппаратуры, по расчетным оценкам, [35]
цирует дефекты по степени их влияния на
составляет порядка 1 • 10"6 мм2, что для
прочность объекта. В такой классификации
трещины протяженностью 1 мкм соответ­
большие по размерам, но не требующие
ствует выявлению скачка в 1 мкм. В про­
ремонта элементов конструкции дефекты
изводственных условиях метод АЭ позво­
попадут в класс неопасных. Указанное ка­
ляет выявить приращение трещины по­
чество метода АЭ позволяет принципиально
рядка десятых долей миллиметра, что не­
по-новому подходить к определению опас­
ности дефекта. Следует отметить, что объ­
ект может выйти из строя не только в ре­
зультате роста несплошностей, но также изза изменения формы, потери устойчивости
и ряда других причин. В этих случаях АЭ
тодов. Предельная чувствительность АЭ
возможно выполнить ни одним из тради­
ционных методов НК.
4. Интегральность, которая заклю­
чается в том, что используя один или не­
сколько преобразователей АЭ, установ­
ленных неподвижно на поверхности объ­
екта, можно проконтролировать весь объ­
сигнализирует о развитии нежелательных
ект. При этом координаты дефектов опре­
процессов. Во многих случаях отмеченные
деляются без сканирования поверхности
процессы, приводящие к отказу объекта
объекта преобразователем. Следователь­
или его катастрофическому разрушению,
но, выполнение контроля и его результа­
оцениваются с использованием механики
ты не зависят от состояния поверхности и
ВВЕДЕНИЕ
качества ее обработки. Свойство интегральности особенно полезно при затрудненном или невозможном доступе к по­
верхности контролируемого объекта. Эта
ситуация характерна, например, для теп­
лоизолированных трубопроводов и сосу­
дов, объектов, размещенных под землей,
конструкций, работающих в сложных ус­
ловиях (ракет, самолетов, атомных реак­
торов и др.).
5. Дистанционностъ метода АЭ, ко­
торая проявляется в том, что контроль
объектов возможен при значительном
удалении оператора от контролируемого
объекта, поэтому контролем охватывают­
ся такие протяженные объекты, как маги­
стральные трубопроводы, недоступные
объекты и др.
6 . Возможность контроля различ­
ных технологических процессов и процес­
сов изменения свойств и состояния ма­
териалов в реальном времени, например,
контроль процесса сварки нашел уже дос­
таточно широкое применение. Своевре­
менное обнаружение дефектов в процессе
сварки позволяет оперативно проводить
ремонт, не снимая изделия со стенда, что
особенно важно при электронно-лучевой
сварке. Ремонт можно выполнять без раз­
герметизации камеры.
Открывается возможность адаптивного управления технологическим процессом, т.е. по сигналам АЭ можно управтехнологического
лять
параметрами
процесса, а приборы АЭ должны стать
17
его для отработки технологии сварки и
выбора сварочных материалов. Кроме
того, метод АЭ дает возможность судить
изменении
напряженно-деформи­
об
рованного состояния (НДС) материала
объекта, о процессах коррозии под на­
пряжением и действием других факторов,
влияющих на долговечность конструкции.
7. Выявляемость дефекта методом
АЭ независимо от его формы, положения
и ориентации. Для большинства методов
НК на выявляемость дефекта и достовер­
ность контроля влияют не только размеры
дефекта, но и его характер (плоскостной
или объемный), форма, местоположение и
ориентация.
8 . Меньшее количество ограничений,
связанных со свойствами и структурой
конструкционных материалов, чем для
других методов НК. Например, неодно­
родность материала оказывает большое
влияние на показания радиографического
и УЗ-методов, тогда как для метода АЭ
данные свойства материала не имеют су­
щественного значения. Поэтому у метода
АЭ более широкий диапазон применения
(по материалам). Его успешно использу­
ют, например, для контроля композици­
онных материалов.
9. Возможность контроля в реаль­
ном масштабе времени (в процессе работы объекта), что позволяет предотвратить
катастрофическое разрушение контролируемого объекта.
10. Высокое (возможно, максималь-
ное) отношение эффективность!стойэлементом системы управления сваро& __ масть в области НК и ТЛ.
ным процессом. Несомненно большое СД
. JL атында/ы ПМУЧн Д
будущее у метода АЭ при использрдарщ
fTpyWSWW5
атындагы гылы**м
ТАПХ
18
ВВЕДЕНИЕ
из помех и интерпретации. Это связано с
тем, что сигналы АЭ относятся к шумоподобным, поскольку АЭ является случайным импульсным процессом. Поэтому
когда сигналы АЭ малы по амплитуде,
выделение полезного сигнала из помех
представляет сложную задачу. Однако
учитывая факт, что при развитии дефекта,
когда его размеры существенно возраста­
ют и приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов АЭ и темп их
генерации резко увеличиваются, что при­
водит к значительному росту вероятности
обнаружения такого источника АЭ.
Метод АЭ может использоваться для
контроля на всех стадиях и этапах жизни
объектов: при их проектировании, изго­
товлении (в процессе приемочных испы­
таний), при периодических технических
освидетельствованиях, в процессе работы
объекта и при решении вопроса о прекра­
щении эксплуатации объекта.
АЭ-контроль технического состояния обследуемых объектов проводится
только при создании или существовании в
конструкции напряженного состояния,
инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект
ными, а метод АЭ - пассивным, так как
источником регистрируемого физического поля в этом случае является сам дефект. Причем природа этого поля и его
параметры обеспечивают получение такой
информации, какую невозможно получить, применяя другие методы НК.
Как пассивный метод НК метод АЭ
имеет определенное сходство с другими
пассивными методами: тепловым, вибрационным и другими; особенно он близок
к вибрационному методу. Принципиальное отличие метода АЭ от вибрационного
заключается в том, что при решении задачи обнаружения дефекта конструкции
метод АЭ позволяет непосредственно
найти развивающиеся дефекты, а вибра­
ционный метод выявляет только дефекты,
которые оказывают влияние на жесткость
объекта как целиковой конструкции.
Метод АЭ в проблеме технической
безопасности. Основной целью ТД, НК и
мониторинга сложных технических систем и опасных производственных объектов является повышение их надежности,
подвергается нагружению силои, давлением, температурным полем и т.д. Выбор
предотвращение аварий, вызывающих
большие экономические и социальные
потери, а во многих случаях сопровождающихся человеческими жертвами и
ущербом для окружающей среды [11].
вида нагрузки определяется конструкцией
объекта и условиями его работы, характе-
Подсистема НК и ТД состоит из совокупности видов (общее число которых пре-
ром испытаний.
Традиционные методы НК исполь-
вышает в настоящее время десять), включающих в себя набор принципов, методов,
зуют, как правило, пространственно ограниченные физические поля, возбуждавмые в контролируемом изделии инструментом контроля. С этой точки зрения
персонал, средства поиска и обнаружения
дефектов и оценки их влияния на работоспособность конструкции. Неразрушающий контроль - проверка соответствия
такие методы НК можно назвать актив-
объекта установленным техническим тре-
19
ВВЕДЕНИЕ
бованиям с использованием физических
методов, которые не приводят к наруше­
нию пригодности объекта к применению.
Техническое диагностирование - определение технического состояния объекта в
целях оценки его безопасности и опреде-
Правилами АЭ-контроля ("Правила
организации и проведения акустико­
эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов" ПБ 03-593-03) предусмотрено
ления ресурса
К задачам ТД ^относятся: контроль
применение метода АЭ для контроля промышленных объектов по следующим схе­
мам, предполагающим в ряде случаев ис-
технического состояния, поиск места и
пользование других методов НК.
определение причин отказа (неисправно-
АЭ-контроль объекта. В случае вы-
сти), прогнозирование технического состояния. На основе приведенных опреде-
явления источников АЭ в местах их рас­
положения проводят контроль одним из
лений, а также учитывая возможности
традиционных методов НК: ультразвуко-
метода АЭ, можно полагать, что этот метод позволяет решать комплекс задач,
вым (УЗК), радиационным (Р), магнитным
(МПД), капиллярным (КД) и другими,
предусмотренными нормативно-техничес
стоящих перед неразрушающим контролем, техническим диагностированием и
кими документами (НТД). Данная схема
мониторингом сложных технических сис
рекомендуется при контроле объектов,
тем и опасных производственных и при-
находящихся в эксплуатации. При этом
сокращается объем традиционных мето-
родных объектов.
Тот факт, что развивающиеся дефек-
дов, для реализации которых необходимо
ты излучают упругие колебания, исполь-
сканирование по всей поверхности (объе-
зован для создания принципиально нового
му) контролируемого объекта.
метода НК и ТД. Целями АЭ-контроля
являются: обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за ис-
Контроль объекта одним или несколькими методами НК. При обнаружении недопустимых (по нормам применен-
точниками АЭ, связанными с несплошно-
ных методов контроля) дефектов или воз-
стями на поверхности или в объеме стен-
никновении сомнения в достоверности
ки контролируемого объекта, сварного
соединения и изготовленных частей и
компонентов. В настоящее время еще не
применяемых методов НК проводят контроль объекта с использованием метода
завершено развитие методов распознавания образов АЭ-источников и оценки тех-
объекта к эксплуатации или ремонту обнаруженных дефектов принимают по ре-
нического состояния объекта по парамет-
зультатам АЭ-контроля.
рам АЭ в полном объеме, поэтому в ряде
случаев рекомендуется источники АЭ
идентифицировать с использованием дру-
По отношению к дефекту, выявленному одним из методов НК, метод АЭ
применяют для слежения за его развити-
гих методов НК.
ем. При этом может быть использован
АЭ. Окончательное решение о допуске
ВВЕДЕНИЕ
20
экономный вариант системы контроля, с
одноканальнои или малоканальной кон­
фигурацией АЭ-аппаратуры.
В соответствии с "Правилами уст­
ройства и безопасной эксплуатации сосу­
дов, работающих под давлением" Госгор­
технадзора России (ПБ 03-576-03) метод
АЭ применяют при
пневмоиспытании
объекта в качестве сопровождающего ме­
тода, повышающего безопасность испыта­
ний. В этом случае цель АЭ-контроля за­
ключается в предупреждении о возможно­
сти катастрофического разрушения. Метод
АЭ как сопровождающий рекомендуется и
при гидроиспытании объектов.
Метод АЭ может быть использован
для оценки остаточного ресурса и решения вопроса о дальнейшей эксплуатации
объекта. Оценка ресурса производится по
специально разработанным методикам,
согласованным с Ростехнадзором. При
этом достоверность результатов зависит
от объема и качества априорной информации о моделях развития повреждении
и состоянии материала контролируемого
объекта.
В соответствии с Правилами АЭконтроля метод АЭ применяется:
- во всех случаях, когда он преду­
смотрен правилами безопасности или тех­
нической документацией на объект;
- во всех случаях, когда НТД на объ­
ект предусмотрен НК, например, метода­
ми УЗК, радиографии, МПД, КД и други­
ми, но по техническим или иным причи­
нам проведение НК указанными методами
затруднительно или невозможно;
- самостоятельно, а также вместо
перечисленных методов НК по согласова­
нию с Ростехнадзором.
АЭ-метод может быть использован
также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекращения испытаний и предотвращения разрушения изделия. Регистрация АЭ позволяет определить образование свищей,
сквозных трещин, протечек в уплотнениях, заглушках арматуре и фланцевых соединениях.
Глава 1
ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Акустическая эмиссия (АЭ) физическое явление, связанное с излуче­
нием упругих волн исследуемым объек­
том при нелинейных трансформациях его
структуры.
Для твердого тела АЭ - это излуче­
ние объектом механических (акустиче­
ских) волн, вызванное локальной внут­
ренней динамической перестройкой ре­
шетки твердого тела, вследствие чего из­
меняются его структура и внутренняя
форма, что можно интерпретировать как
изменение информии. С изменением
структуры меняется энтропия тела и свя­
занная с ней информация (негэнтропия).
АЭ утечки, вызванная гидродинами­
ческими и (или) аэродинамическими яв­
лениями при протекании жидкости или
газа через сквозную несплошность объек­
та испытаний, связана, в первую очередь,
с возникновением турбулентных явлений,
что в настоящее время интерпретируется
как показатель самоорганизации среды.
АЭ трения, обусловленная трением по­
верхностей твердых тел, представляет
собой сложный акустико-вибрационный
процесс, сопровождающий трибоскопиче­
ские явления на поверхностях.
При изучении АЭ следует рассмат­
ривать динамические процессы в иерар­
хической последовательности моделей.
Как правило, учитываются три масштаб­
ных уровня: микроскопический, мезоско­
пический и макроскопический. В первом
случае анализируют первичные источни­
ки АЭ, обусловленные образованием,
перемещением и аннигиляцией единич­
ных дефектов кристаллической решетки
(для АЭ-материала). На макроскопиче­
ском уровне изучают процессы излучения
упругих волн при пластической дефор­
мации и разрушении объектов, когда ис­
точником излучения являются крупные
неоднородности в материале нагружаемо­
го объекта. Мезоскопические модели по­
зволяют связать точные решения, полу­
чаемые на микроскопическом уровне с
феноменологическими моделями макро­
уровня.
Поскольку в данной работе рассмат­
ривается явление АЭ как физическая ос­
нова специфического метода неразру­
шающего контроля и технической диагно­
стики (НК и ТД) объектов, основное вни­
мание уделяется информативным аспек­
там, связанным с АЭ-сигналами. Сигнал
АЭ есть изменяющаяся физическая вели­
чина, отражающая сообщение об акусти­
ческой эмиссии. Информация о событии
динамической перестройки структуры
твердого тела или процесса истечения
рабочего тела переносится физическим
носителем - упругой волной. Задачи, воз­
никающие в этом случае, близки к зада­
чам традиционной радиотехники.
В основе НК производственных объ­
ектов лежит представление, в соответст­
вии с которым сигнал содержит информа­
цию о состоянии контролируемого объек­
та. В этом случае следует считать, что
сигналом является АЭ-сообщение о со­
стоянии конструкции. Тогда сигнал может
быть выражен рядом параметров: распре­
делением источников АЭ на поверхности
объекта, их кластеризацией и характери­
стикой, параметрами импульсов АЭ и т.д.
Сигнал составляет портрет контролируе­
мого объекта в терминах, например, тео­
рии распознавания образов или теории
нейронных цепей. Единичный импульс
АЭ, возникающий в результате срабаты­
вания источника АЭ, непрерывная АЭ при
пластической деформации и протечке,
распределение источников АЭ на поверх­
ности контролируемого объекта, зависи­
мость параметров АЭ от обобщенной на­
грузки - все это сигналы, в которых со-
22
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
держится АЭ-информация о контроли­
руемом объекте.
1.1. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Аварии и разрушение производственных объектов происходят в большин­
стве случаев путем образования и распро­
странения трещин в материале объекта. В
этих случаях происходит формирование
единичного импульса АЭ в результате
возникновения трещины. Развитие маги­
стральной трещины представляет собой
некоторую последовательность скачков,
случайную во времени и пространстве,
ождается
причем каждый скачок
излучением соответствующего импульса.
В иерархическую систему моделей
полного сигнала АЭ (глобальная модель
АЭ) входят следующие частные модели
или элементы системы.
1. Излучение упругих колебаний при
нагружении (энергетической
накачке)
структуры твердого тела. Упругие колеба­
ния представляются в виде тепловых фононов с энергией порядка Ю' 10 Дж и характерной частотой колебаний 10м* ... 10,3Гц.
2. Квантово-механический гармонический осциллятор, возникающий в процессе деформирования цепочки атомов в
области существенной нелинейности.
3. Формирование последовательности (цуга) фононов в результате разрыва
единичной атомной связи. Возникающая
упругая волна представляет собой элементарный импульс АЭ. .
4. Генерация единичного импульса
АЭ путем формирования коррелированного (когерентного) потока элементарных
импульсов в результате массового разрыва атомных связей при образовании микротрещины или инкремента пластической
деформации.
5. Излучение областью релаксации
зоне разрыва атомных связей при образовании микротрещины или инкремента
пластической деформации, а также при
развитии макротрещин
6 . Формирование АЭ-процесса как
нестационарного импульсного потока
единичных импульсов АЭ при развитии
магистральной трещины или глобальной
пластической деформации. Стационарный
непрерывный АЭ-процесс возникает в
СЛучае формирования турбулентности в
гидро- или аэродинамических потоках.
7. Трансформация сигнала АЭ аку­
стическим каналом, по которому распро­
страняется сигнал.
8 . Сигнал АЭ, возникающий на вы­
ходе акустико-электронного преобразова­
теля в результате взаимодействия входно­
го сигнала с преобразователем.
9. Портрет источника АЭ и контро­
лируемого объекта, полученный в резуль­
тате преобразования АЭ-сигнала в аппа­
ратуре и представления зависимостей па­
раметров.
Г’
.
..
Рассмотрим модели сигналов АЭ,
связанные с природой материалов.
1.1.1. Элементарные источники АЭ
В идеальной кристаллической решетке твердого тела атомы расположены
в узлах и совершают тепловые колебания
около своего центрального положения, в
котором они могут находиться неподвижно только при абсолютном нуле температур, если не учитывать квантовых эффектов. Тепловое движение атомов создает
акустический шум, энергия которого распределена в частотном диапазоне от долей
до 1013 Гц. По аналогии с белым светом,
состоящим из электромагнитного излучения, частотный спектр которого равномерен по диапазону видимого света, тепло­
вой шум решетки называют "белым" шумом. При комнатной температуре энергия
тепловых шумов в единичном частотном
диапазоне E J /S f- 4 • 10‘21 Дж/Гц
Амплитуды тепловых колебаний
атомов решетки и их скорости статистически распределены в соответствии с законом Больцмана. Согласно этому закону,
есть некоторая часть атомов, которые
имеют высокие скорости движения и пе
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
ремещаются на большие расстояния. Они
от своего положения
могут
равновесия (узла) и оказаться между другими атомами. В этом случае образуются
два характерных дефекта: вакансия и атом
внедрения.
Эти дефекты вызывают искажения
кристаллической решетки, с ними связана
дополнительная потенциальная энергия
решетки. Обратное Событие - атом вне­
дрения может встретиться с вакансией. В
этот момент искажение кристаллической
решетки исчезает, два дефекта решетки
аннигилируют. Дополнительная потенци­
альная энергия кристаллической решетки
превращается в энергию упругих колеба­
ний, излучается импульс АЭ, энергия ко­
торого равна сумме энергий вакансии и
атома внедрения (в статической реакции
Для
,-19
Дж.
лученного
Параметры
личии в кристаллической решетке микро­
скопических дефектов должны отличаться
от параметров шума идеальной структу­
ры. Они определяются типом дефектов
кристаллической решетки, их числом и
размерами, а также условиями, в которых
находятся. Характер теплового шума
должен изменяться с увеличением вклада
в шумовой процесс излучения образую­
щихся, перемещающихся и аннигили­
рующих вакансий и атомов внедрения.
Белый тепловой шум приобретает "окраску". Однако интенсивность такого шума
настолько мала, что не имеет практического значения при контроле производственных объектов. Основными процессами, определяющими поведение контролируемого объекта, являются пластическая
деформация и образование и развитие
трещины.’
АЭ в одномерном кристалле. Предварительно, до рассмотрения формирова­
ния трещины и сопровождающего его
акустического излучения, представим деформацию и разрушение одномерного
кристалла в виде цепочки атомов, связан­
ных между собой силовыми линиями.
23
Одномерный кристалл - это модельная идеализация, которая достаточно широко используется при изучении ряда
процессов в твердом теле. На возможности представления твердого тела в виде
одномерных цепочек, двухмерных сеток
или трехмерных объемных структур, в
которых атомы изображаются в виде мас­
сивных образований (шариков), связан­
ных упругими силами межатомного взаи­
модействия, основаны осцилляторные
модели твердого тела [70, 98]. В подоб­
ных моделях твердое тело может быть
описано как набор фононов —элементар­
ных возбуждений решетки.
Нагружение цепочки атомов приво­
дит к растяжению связей. Совершается
работа по перемещению атомов цепочки с
преодолением сил межатомной связи.
Происходит накопление потенциальной
энергии в атомных связях. Связи растяги­
ваются до максимально возможных для
данного вещества значений rm, после чего
цепочка разрывается. Значение энергии в
области максимума силы связи для железа
составляет порядка 10‘19 Дж. Очевидно и
без детального анализа, что уловить сигнал с такой энергией не представляется
возможным. Величина гт максимально
возможного перемещения атома составля­
ет 10 ... 20 нм.
При непрерывном нагружении в не­
который момент цепочка атомов разрывается, при этом в месте разрыва происходит ускоренное взаимное перемещение
атомов. Атомы удаляются друг от друга с
уменьшением силы взаимодействия. Связи между другими парами атомов, при­
надлежащих рассматриваемой цепочке,
начинают релаксировать.
Релаксация в данном случае означает
высвобождение энергии, накопленной
предварительным растяжением, и соответствующее перемещение этих атомов
вдоль цепочки. Величина выделившейся
энергии и путь, пройденный атомом, расположенном на границе разрыва, пропорциональны числу прорелаксировавших
связей или, в данном случае, релаксации
ЯВЛЕНИЯ
24
О г гт
Г
Рис. 1.1. Зависимость силы атомной
связи/ от расстояния г с указанием
соответствующих энергий
половины длины цепочки. Если в половине длины цепочки порядка 1000 атомных
ячеек, то суммарная выделившаяся энергия составит порядка 10’16 Дж, а амплитуда
перемещения - порядка 10"6 м. А это уже
величины энергии и смещения частиц сре­
ды, которые можно обнаружить прибором.
На рис. 1.1 представлена зависимость
силы атомной связи от расстояния с указанием энергии, которые затрачиваются
на разрыв цепочки и на излучение АЭ,
здесь Ed —энергия диссоциации, т.е. энер­
гия, требующаяся для удаления двух со­
седних атомов на бесконечное расстоя­
ние; Еп - поверхностная энергия, Е'п =
= Еп - Ер; Ер - энергия релаксации;~г0 расстояние между атомами в состоянии
покоя; rm - критическое расстояние между
атомами. £ р является энергией акустиче­
ской эмиссии при релаксации от rm до г0.
Таким образом, энергия АЭ есть энергия
релаксации связей после разрыва одной из
них в цепочке атомов. В [35] предложено
называть квазичастицу, излучающуюся вв
результате разрыва единичной атомной
связи с соответствующей энергией, фрактоном. Тем самым вводится понятие о
фрактоне как некоем кванте разрушения,
включенном в описание процесса разрушения твердого тела.
Так как энергия фрактона несколько
меньше энергии связи атомов (£р< Eq, для
потенциала Морзе £ р~0,5 £/>), энергии
одного фрактона не хватит для разрыва
одной связи. Нужна дополнительная под­
питка энергией в результате релаксации
нескольких связей либо дополнительного
статического нагружения. Для перетека­
ния энергии от этих связей к месту раз­
рушения необходимо дополнительное
время. Эти процессы являются термофлуктуационными и на них влияют при­
ложенное напряжение, температура, свой­
ства материалов. Процессы термофлуктуационного развития разрушения осно­
вываются на кинетическои концепции
разрушения С.Н. Журкова [90], позво­
ляющей оценить долговечность т твердого
тела, находящегося при температуре Г, в
зависимости от приложенного напряжения а. В общем случае эта концепция выражается в виде
'U o - y c '
т = т0ехр
\ кТ у
( 1. 1)
где к - постоянная Больцмана, %, у и Uo константы материала.
На основе оценки времени ожидания
разрыва в соответствии с концепцией
Журкова и с использованием физических
моделей твердого тела (одномерных и
двумерных кристаллов, взаимодействие
между которыми задается потенциалами
Морзе или Леннарда-Джонсона) проведен
ряд вычислительных экспериментов, по­
зволяющих наглядно показать динамику
процесса [98].
Неравномерность распределения атомов вдоль цепочки связана с температурными флуктуациями. Разрушение структуры твердого тела, что видно даже на
примере одномерного кристалла, является
синергетическим, коллективным процессом. Коллективные возбуждения, названные дилатонами и представляющие собой
цуги фононов, приводят к растяжению и
последующему разрушению нагруженной
цепочки атомов [70]. Время ожидания
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
2S
разрыва атомной связи зависит от вели­
чины энергии нагружения цепочки (растя­
гивающей силы), энергии, необходимой
для разрыва (энергии активации), и тем­
пературы, определяющей энергию флук­
туаций, как это видно из выражения ( 1. 1).
1.1.2. Формирование единичного
импульса АЭ при развитии трещины
Рассмотрим процесс разрушения
твердого тела и сопровождающее его аку­
стическое излучение. Для этого использу­
ем представление структуры твердого
тела в виде плоской решетки (рис. 1.2 ).
Аналогичная атомная' модель трещины
рассматривалась также в [98]. Считаем,
что между атомами действуют силы связи
в приближении ближайшего соседа.
Прямые линии обозначают атомные
связи. Трещина в виде разрыва атомных
связей распространяется слева направо.
Сила F, приложенная к решетке
твердого тела в вертикальном направле­
нии (рис. 1.3), растягивает решетку, при
этом в нагруженных продольных атомных
связях накапливается упругая энергия.
Рис. 1.2. Атомная модель конца трещины
Рис. 1.3. Схема развития разрушения
атомной решетки в двухмерной структуре
Под продольными связями понимаем
атомные связи, расположенные вдоль
приложенной нагрузки, т.е. в направлении
оси Z. Представление твердого тела в виде
решетки атомных связей позволяет опи­
сать разрушение решетки и сопровож­
дающую разрушение АЭ как дискретный
процесс: разрыв атомной связи —> излуче­
ние коллектива фононов (фрактона) —>
разрыв следующей связи и т.д.
При увеличении расстояния между
атомами 11 и IV до значения гт и более
происходит разрыв атомной связи 1 и ато­
мы 11 и 1Г начинают динамически расхо­
диться. Процесс сопровождается релак­
сацией связи Г (в верхней части решетки)
и симметричной ей связи в нижней части
решетки. В результате релаксации и соот­
ветствующего перемещения атомов 11 и
IV в решетке возникает импульсное
возмущение, отходящее от места разрыва
в виде продольной Z,, поперечной S и
рэлеевской R волн. Импульс продольной
волны распространяется вдоль нагру­
женной связи; поперечной волны - в
поперечном направлении вправо (см. рис.
1.3). Через определенное время импульс­
ное возмущение достигает атомной связи
5 и создает дополнительное нагружение,
которое при достаточной величине приве­
дет к разрыву этой связи.
26
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Рис. 1.4. Схематическое представление
объема релаксации высотой А над трещиной
диаметром 2а и раскрытием Ъ
Скорость распространения попереч­
ного возмущения равна скорости попе­
речной волны в нагруженном участке рас­
сматриваемого твердого тела. Расхожде­
ние поверхностей образовавшейся трещи­
ны отрыва означает ее окончательное
формирование. Этот процесс распростра­
няется со скоростью рэлеевской волны,
что согласуется с теорией динамической
упругости. К моменту достижения попе­
речным возмущением связи 5 и началу ее
разрыва в процесс релаксации включают­
ся связи 1" (на "втором этаже" решетки) и
5 ' (на "первом этаже" решетки).
Таким образом, на первом шаге рас­
сматриваемого процесса происходит раз­
рыв одной вертикальной атомной связи 1
и релаксация двух атомных связей, лежа­
щих на продолжении разорвавшейся связи
выше и ниже ее. На втором шаге разру­
шения к энергии ранее срелаксировавших
связей добавляется энергия от релаксации
со следующего "этажа" решетки и от свя­
зей, расположенных непосредственно на
продолжении связей разрывающихся в
данный момент. Распространение процес­
са разрушения сопровождается появлени­
ем свободной поверхности (поверхность
разрушения) и процессом релаксации (вы­
деления упругой энергии) из объема над
поверхностью разрушения. Объем релак­
сации
приблизительно определяется
площадью поверхности разрушения и вы­
сотой эквивалентной пирамиды, опираю­
щейся
на
поверхность разрушения
(рис. 1.4).
Для рассмотрения процессов в трех­
мерном случае представим простую куби­
ческую структуру с атомами, помещен­
ными в узлы решетки (рис. 1.5). Для ку­
бической решетки принято обозначение
направления связей [ 100], [010 ] и [001 ].
Если сила действует на решетку в направ­
лении [ 100] (в рассматриваемом случае по
оси Z), то в этом направлении она растя­
гивает связи, накапливая в них упругую
энергию.
При медленном растяжении твердого
тела в направлении оси Z расстояние ме­
жду рассматриваемыми атомами увеличи­
вается от ор (ар = г0 - параметр решетки)
до гт. В момент, когда расстояние между
какими-либо двумя атомами превысит
критическое значение гт, происходит раз­
рыв атомной связи. Под действием при­
тяжения со стороны других атомов ре­
шетки, рассматриваемая пара атомов ди­
намически расходится.
Как было показано выше, в плоском
случае для некоторого значения нагрузки
какая-либо атомная связь в твердом теле,
например связь 1 (см. рис. 1.5), разрыва­
ется, т.е. атомы 11 и 11' (см. рис. 1.3) на­
чинают динамически расходиться, а ато­
мы 11 и 21, расположенные на продолже­
нии разорвавшейся связи 1, сближаться.
Релаксация сопровождается выделением
накопленной в результате нагружения
решетки упругой энергии.
Энергия, накопленная в атомных
связях при нагружении, излучается в
решетку твердого тела в виде эле­
ментарных возмущений - импульсов про­
дольной и поперечной волн. Элементар­
ный импульс поперечной волны через
связи а, Ь, с, а (см. рис. 1.5) передает ди­
намическое воздействие на продольные
связи 2, 3, 4, 5. В случае кубической ре­
шетки поперечное возмущение передается
на четыре соседние продольные связи.
Следующий шаг процесса разруше­
ния (после разрыва первой продольной
связи) приводит к разрыву еще четырех
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
27
Рис. 1.5. Трехмерная решетка твердого
тела в начале процесса разрушения
связей (для кубической решетки) и к ре­
лаксации продольных связей, находящих­
ся на продолжении рассматриваемых раз­
рывающихся связей (к ним принадлежат
связи 2 \ 3 \ 4 ' и 5 ’\ для "верхнего" полу­
пространства — "второй этаж"). На этом
же шаге процесса начинается релаксация
соответствующих связей "второго этажа"
нижнего полупространства.
На третьем шаге процесса разрыва­
ются продольные связи, ближайшие к свя­
зям, разорвавшимся на предыдущем (вто­
ром) шаге процесса. Для кубической ре­
шетки на третьем шаге процесса разры­
ваются дополнительно восемь продоль­
ных связей, находящихся в плоскости
разрушения. Происходит излучение вось­
ми элементарных импульсов (фрактонов)
с "первого этажа", четырех со "второго
этажа" и одного с "третьего этажа" решет­
ки для верхнего от плоскости разрушения
полупространства. Отметим, что каждая
сторона фронта разрушения для квадрат­
ной сетки увеличивается при последую­
щем шаге на одну атомную связь, соот­
ветственно периметр квадрата возрастает
на четыре связи ДN = 4 (рис. 1.6). Для
произвольной решетки фактор увеличения
равен координационному числу Кс в сте­
реографической проекции на плоскость ХУ.
Рис. 1.6. Распространение разрушения
в плоскости XY :
L - фронт разрушения; G - границы площадки
разрушения; о - первый шаг разрушения разорвавшаяся связь 7; + - второй шаг
разрушения - разорвавшиеся связи 2, Зу4, 5;
Д - третий шаг разрушения разорвавшиеся связи 6 г. 13, [2 - четвертый
ша^разрушения - разорвавшиеся
связи 14 ... 25
28
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Учитывая сказанное, уравнение для
приращения числа разорванных связей в
начале разрушения можно представить в
виде [321
AN
( 1.2)
=К
A/
Текущее значение числа разорван­
ных связей, пропорциональное площади
разрушения, получаем интегрированием
(1.5):
AN
числа разорванных связей в плоскости
разрушения по шагам продвижения фронта, оно связано с приращением числа разорванных связей во времени выражением
где к! - коэффициент, связанный со ско­
ростью разрушения и параметрами решетки твердого тела,
Поскольку релаксация атомных свя­
зей происходит приблизительно в объеме
пирамиды с основанием, равным площад­
ке разрушения (см. рис. 1.4, 1.5), поток
элементарных импульсов АЭ можно по­
лучить, умножив текущее значение числа
разорванных связей N (1.6) на высоту пирамиды h = сit, где с/ —скорость продольной волны. Тогда поток элементарных
импульсов АЭ из зоны разрушения принимает вид
dN
dr
1 dN
v dt
(1.3)
где v - скорость распространения разрыb o b (dr = vdt). Константа Кс в выражении
( 1.2 ) определяется симметрией фронта
разрушения, которая связана с симметри­
ей решетки и приращением периметра
фронта разрушения. Поскольку приращение периметра фигуры пропорционально
приращению радиуса (например, для ок­
ружности приращение радиуса на Аг вы­
зывает приращение длины на 2яДг), можно записать
AL = AN = Кс Аг,
(1.4)
где AL - приращение периметра фронта
разрушения, равное приращению числа
разорванных связей AN; Кс - коэффици­
ент, определяющий приращение длины
периметра или фронта разрушения (для
окружности Кс = 2я, для квадрата Кс = 4,
для гексагональной решетки Кс= 6).
Но поскольку вероятность разрыва
связей в угловых зонах фронта разруше­
ния несколько меньше, чем на линейных
участках (в угловых зонах на разрыв свя­
зей энергия поступает через меньшее чис­
ло поперечных связей решетки), то в ре­
зультате этого в реальных условиях фронт
разрушения в конце концов стремится к
форме, близкой к окружности. Из сказан­
ного следует, что
AN = Ксу/.
(1.5)
где V/ - приращение площади разрушения
2
£
2 I к"Г
2-3
( 1.6)
(1.7)
где k" = Кс ve/б. Таким образом, нараста­
ние потока элементарных импульсов на
этапе, когда процессу разрушения ничего
не препятствует (начальный этап разру­
шения), имеет кубическую зависимость от
времени. Можно считать, что примерно
такой же зависимостью характеризуется
величина перемещения точек поверхности
образующейся трещины на первом этапе.
Разрывы связей в идеальной решетке
распространяются вплоть до полного раз­
деления тела на две части. Распростране­
ние фронта разрыва протекает достаточно
быстро, в идеальной структуре - примерно
со скоростью рэлеевской волны (если не
происходит ветвления трещины). На ско­
рость распространения разрушения влияет
также локальное НДС материала. Расхож­
дение берегов трещины, завершающее про­
цесс разрушения, идет со скоростью по­
быстрое
верхностной
шение, при котором структура материала в
областях, прилегающих к поверхности
разрушения, не изменяется, считается
хрупким разрушением. Разрушение мате-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Sf
Рис. 1.7. Распространение
разрушения в объеме:
G - границы площадки разрушения;
Sf- площадка разрушения; 5, - плоскость
разрыва атомных связей; Р - нагрузка
I|ННР
риала в реальных условиях происходит,
как правило, со скоростями на порядок (и
более) медленнее, чем при идеальном
хрупком разрушении.
При нарушении структуры, появле­
нии какого-либо препятствия на пути
распространения фронта разрушения про­
цесс разрыва связей приостанавливается и
"хрупко" разрушается только некоторая
часть тела, ограниченная неоднородностью
структуры или поля напряжений. Проще
всего представить прекращение процесса
разрыва связей, полагая, что он заканчи­
вается при подходе фронта разрушения к
препятствию, например, к границам зерна
G (см. рис. 1.6 и 1.7).
Для квадратной сетки (зерна в виде
квадрата) и начала процесса разрушения в
центре зерна имеем два крайних случая
встречи фронта разрушения с границами
зерна (рис. 1.8).
Если фронт разрушения параллелен
границе, процесс разрыва связей прекра­
щается мгновенно. В сейсмоакустике этот
эффект называют стоп-фазой [1]. При на­
клонном "падении" фронта разрушения
29
Рис. 1.8. Зависимость изменения
числа разорванных связей от времени
для случаев:
/ - фронт разрушения под углом 45° к границе
зерна; 2 - фронт разрушения конгруэнтен
границе зерна; L - фронт разрушения;
G - границы зерна
на границу происходит плавное (линей­
ное) уменьшение числа разрывов.
На рис. 1.8 представлены кривые из­
менения числа разорванных связей квад­
ратной кристаллографической сетки, для
начала разрушения в центре квадрата
(кривые 1 и 2). Кривая 1 аналогична зави­
симостям, полученным в модели СатоХирасава-Сэвэджа [1, 164], когда фронт
разрыва в виде круга внезапно останавли­
вается на круговой же границе G.
В более общем случае (рис. 1.9) пер­
вая зона (или временная область) опреде­
ляется диапазоном времени от начала раз­
рушения связей до первого касания фрон­
та L разрушения границ зоны G разруше­
ния. Поток элементарных импульсов про­
порционален г:
п ~ [av /]3 для I зоны
( 1.8)
при 0 < t < /о, где ау - коэффициент, свя­
занный со скоростью подъема функции, а
следовательно, и с координационным
числом решетки твердого тела KQ9 скоро­
стью разрушения v (т.е. ау = Кс v) и ме­
стом начала разрушения.
Вторая зона характеризуется замед­
лением темпа нарастания потока элемен­
тарных импульсов:
п ~ [av f3 - я i( 1 - e 6t)\ - для II зоны (1.9)
при /0 < t < tu где 5 - параметр затухания,
определяемой статистикой встречи фрон­
тов разрушения с границами зерна; а —
безразмерный коэффициент.
30
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Рис. 1.9. Смещения частиц среды в
трехмерном теле, вызванные потоком
фрактонов от образовавшегося разрыва
(трещины) на различном расстоянии от
источника:
а - вблизи источника; б - в переходной зоне;
в - вдали от источника
Третья зона - окончание процесса
разрыва связей. Здесь можно рассмотреть
два случая. В первом —для одномерной
структуры - характерно дальнейшее на­
растание потока элементарных импульсов
или фрактонов пропорционально t :
n ~ c t - для III зоны (случай 1-й)' (1.10)
при t > 1\, где с - скорость распростране­
ния возмущения вдоль цепочки. Такой
ход зависимости п(() соответствует нарас­
танию смещения в линейной цепочке ато­
мов одномерного кристалла (а также в
стержне или отрезке резины).
Во втором случае - для трехмерной
структуры —для t > t\ происходит отрыв
потока элементарных импульсов от ис­
точника АЭ. Для этого периода времени
и ~ const, а когерентный поток элементар­
ных импульсов превращается в единич­
ный импульс АЭ, излучаемый источни­
ком.
Описанныи процесс нарастания по­
тока элементарных импульсов (кинемати­
ческая модель) характеризует процесс
когерентного формирования смещения
точек среды вблизи источника АЭ, т.е.
ближнюю зону источника. Поскольку ка­
ждый из элементарных импульсов соот­
ветствует элементарному смещению от­
дельной точки среды, то поток элемен­
тарных импульсов образует акустическое
смещение частиц среды вблизи источни­
ка АЭ.
Большое влияние на процесс оказы­
вает когерентность отдельных его состав­
ляющих. Для пластической деформации
или какого-либо другого случая, когда
источники АЭ случайно распределены как
в пространстве, так и во времени, харак­
терна непрерывная АЭ. При этом можно
говорить о полностью некоррелирован­
ных источниках и соответственно некор­
релированном потоке квазичастиц. Для
компактного источника - скачка трещины
или скачка деформации —можно говорить
о когерентности потока элементарных
импульсов.
Возвращаясь к выражениям (1.8)( 1. 10), можно выделить три зоны измене­
ния потока элементарных импульсов, про­
порционального величине релаксации
объема материала, расположенного над
площадкой разрушения. Первая зона свя­
зана с нарастанием потока пропорцио­
нально Г3. Следует отметить, что темп на­
растания величины смещения на начальном этапе зависит от места начала разру­
шения. Если оно приходится на "центр
зерна", то распространению фронта раз­
рушения ничего не препятствует и темп
нарастания максимален, т.е. п ~ аг, Если
разрушение началось на границе зерна
или даже в угловой зоне, то темп нараста­
ния в меньшей степени зависит от време­
ни. Когда фронт разрушения начинает
выходить на границы площадки разруше­
ния, а происходит это статистически по­
степенно (так, что увеличение площади
уменьшается пропорционально е % имеет
31
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
место снижение темпа роста потока фрактонов. Когда закончится релаксация всего
объема, связанного с неоднородным по­
лем образовавшейся трещины, поток
фрактонов пропорционален / так же, как в
одномерной структуре. Для трехмерного
тела акустические смещения, вызванные
потоком фрактонов от образовавшегося
разрыва в твердом теле на различном рас­
стоянии от источника, представлены на
рис. 1.9.
При случайном расположении начала
разрушения и случайных формах зерна и
ориентации его границ получаем плавное
уменьшение числа разорванных связей
для зерна выпуклой формы и соответст­
вующее этому процессу плавное сниже­
ние темпа нарастания смещения поверх­
ности разрушения. В конце концов этот
процесс останавливается при достижении
фронтом разрушения границ зерна. При
перемещении какой-либо точки на по­
верхности разрыва в результате релакса­
ции атомных связей вблизи поверхности
разрыва вначале происходит быстрое пе­
замедляется
ремещение,
конец полностью останавливается. В ре­
зультате движение какой-либо точки на
поверхности разрыва имеет временную
форму ступенчатого импульса с фронтом,
длительность и форма которого определяются величинои скачка трещины, ско­
ростью распространения трещины, фор­
мой поверхности разрушения и местом
начала разрушения.
Можно предложить выражение, которое аппроксимирует описанную зависимость в виде
\
г
т
а 1 -е
- 5/
( 1. 11)
/е
N = U0 =
6
5
/
Зависимость (1.11) есть выражение
для функции источника, которая в сейс­
моакустике определяется как временная
функция скачка смещений на внутренней
поверхности разрыва [ 1], а в предложеннои модели - как смещение точек поверх­
ности образующейся трещины. Можно
полагать, что это форма импульса АЭ не­
GTC 0Ц
О
5,0
10,0
t,MKC
а)
Рис. 1.10. Нормализованная функция
источника при образовании трещины
отрыва для образца GTC 04 (а) и форма
сигнала АЭ в эпицентре источника АЭ
для образца GTC 03 (0) [1491
посредственно вблизи источника АЭ.
Форма функции источника, получен­
ная в эксперименте (например, в [149]), в
деталях совпадает с формой функции источника рассчитываемой по представленной модели. В эксперименте, описанном в
[149], использовались стеклянные пласти­
ны толщиной 18,6 мм, на поверхности
которых стеклорезом наносились царапи­
ны длиной -1 мм, выступающие в даль­
нейшем концентратор напряжений. Тре­
щину получали путем импульсного охла­
ждения зоны концентратора жидким азо­
том. При этом образовывалась полуэллиптическая трещина по механизму хрупкого отрыва.
На ри^. 1.10 приведены формы функ­
ции источника для образца GTC04 (а) и
ПРИРОДА
32
U = Um Sir\ S2 t
0 s=£ t s J T
t
0)
UI
u =ate
6)
-b t
t
uk
Рис. 1.11. Усредненные формы импульсов
АЭ вдали от источника для различных
форм площадок разрушения:
а - круглая площадка (например, разрушение
волокна композиционного материала);
б - компактная площадка; в - протяженная
площадка разрушения
форма сигнала АЭ в эпицентре источника
АЭ для образца GTC03 (б) (обозначения
образцов по [149]). Эпицентром в сейс­
моакустике считается точка (зона) по­
верхности, расположенная непосредст­
венно над очагом землетрясения. Можно
полагать, что сигнал на рис. 1. 10, б зарегистрирован фактически в переходной
зоне, когда возмущения сохраняют еще
достаточно сложную форму. Функция
источника была получена с использованием зарегистрированного АЭ-сигнала в
эпицентре на поверхности пластины пу­
тем восстановления с использованием
метода деконволюции с теоретически рас­
считанной функцией Грина. Следует от­
метить, что мгновенное значение функции
источника совпадает с числом излучен­
ных элементарных импульсов в каждый
данный момент времени.
Авторы [149] назвали эту зависимость скоростью профиля трещины в соответствии с ее физическим содержанием
(производная от площади развивающейся
трещины). Однако, как было показано,
площадь развивающейся трещины соот­
ветствует функции источника. Поскольку
производная функции источника опреде­
ляет форму сигнала АЭ в дальней зоне [1],
то форма сигнала, представленная на
рис. 1. 10, б, является, по существу, фор­
мой импульса АЭ в дальней зоне согласно
рассмотренной кинематической модели
(см. рис. 1.9, в).
Простое выражение, аппроксими­
рующее усредненную форму кривой, по­
лученной в результате дифференцирова­
ния функции источника ( 1. 11), имеет вид
(см. рис. 1. 11, в)
и т AN = civte 51.
(1.12)
Это выражение можно использовать
для описания формы импульса АЭ в даль­
ней зоне согласно приведенной кинемати­
ческой модели. Формула (1.12) аппрокси­
мирует кривые, рассчитанные для протя­
женных площадок разрушения, для кото­
рых отношение максимального 2<zmax и ми­
нимального 2omin размеров превышает 2 .
Для площадок, у которых 2ятах/2дтт < 2,
лучшей аппроксимациеи является выраже­
ние типа (см. рис. 1. 11, 6 )
и
av /е
-
8/
(1.13)
В случае разрыва волокна в композиционном материале, поверхность разрушения которого можно считать кругом,
аппроксимировать форму (импульса АЭ в
дальней зоне) можно отрезком синусоиды
в диапазоне углов 0 ... я (рис. 1. 11, а)
(1.14)
и - итsin Qt,
где 0 < Clt < п.
Длительность переходного процесса
функции источника (от нуля до макси­
мального значения) связана с продолжи­
тельностью формирования трещины и
определяет длительность импульса АЭ в
дальней зоне. В экспериментах с формированием термических трещин в стеклянных пластинах время подъема функции
источника составляло в среднем 0,9 мкс с
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
U
ui
------- —► t
Единичныи им­
пульс Вблизи
источника АЭ
г
И
3
t
Единичный им­
пульс В даль­
ней зоне
1.3
----- ► t
Усредненная фор
ма импульса
В дальней зоне
ик
t
tЕдиничные импульсы В дальней
зоне при различных ориента­
циях фронта разрушения
ик
t
Усредненная форма
импульса в даль­
ней зоне
3.1
3.1
Единичный импульс
в дальней зоне
4
33
t
t
Усредненная форма им
пульса В дальней зоне
ик
Единичный импульс
В дальней зоне
5
Формы площадок
разрушения
Единичный импульс
в дальней зоне
t
Усредненная форма им­
пульса в дальней зоне
t
Усредненная форма им­
пульса В дальней зоне
Рис. 1.12. Теоретически рассчитанные формы единичных
импульсов АЭ в дальней зоне
крайними значениями 1,75 и 0,32 мкс (их
отношение составляет ~ 5,5).
Для образца GTC 05 (аналогичного
образцу GTC04) приведена площадь образовавшейся трещины 5 = 10 мм [149], что
позволяет оценить длительность времени
подъема функции источника другим путем. для полуэллиптическои термической
трещины площадью порядка 10 мм2 вероят­
ными размерами могут быть: глубина ~ 2
мм, длина / ~ 6,25 мм. Согласно скалярной
модели время подъема функции источника должно быть порядка / = //2v.„ где v, —
скорость сдвиговой волны, взятая для расчета 3,5 мм/мкс; t * 6 ,25/(2 • 3,5) =» 0,89
мкс.
2 — 4567
Коэффициент 2 в знаменателе взят из
предположения, что разрушение начинается в центре царапины, поэтому для расчета необходимо брать половину длины
образовавшейся трещины. Измеренное
значение времени подъема функции источника составило 1,2 мкс. Это означает,
что скорость разрушения была несколько
ниже скорости сдвиговой волны. Оценка
по
результатам
эксперимента
дает
v = 3,125 мм /1,12 мкс ~ 2,8 мм/мкс.
По завершении роста трещины кри­
вая функции источника выходит на стационарное значение [/„. Оно связано с
полным числам разорванных связей, пропорционально площади разрушения S и
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
34
10МКС
5
1
ui
10мкс
6
1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
и, мм
t.MKC
К мкм5
1с
7
3
2
V,m k m 3
Рис. 1.13. Экспериментально зарегистрированные формы единичных
импульсов АЭ, взятые из различных источников:
/, 2,5,6 - из [151]; 4,7,8- из [176]; 3 - из [24]
может быть получено из выражения ( 1. 11)
при больших /:
ВЩ 1
о
а \
2
'
5
(1.15)
Учитывая, что максимум кривой
u(t) = AN(t) имеет место при tm = 1/8 (для
компактной площадки разрушения), используя (1.15), получим связь этого момента, являющегося характерной фазой
кривой функции источника (точкой пере-
гиба), с полным числом разорванных связей (площадью разрушения):
‘м =
S
= cyfs ~ с • 2 а ,
а
(1.16)
константа, численное значение
где с
которой для разных материалов лежит в
пределах (1,5 ... 2,5), 2а - длина скачка
трещины.
Приняв аппроксимацию единичного
импульса выражением ( 1. 12), имеем одно-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
35
значную связь между амплитудои импуль­
са и временем достижения максимума:
а\*т аус
(1.17)
l = qU
ит В
где q ~ ау с/е - константа пропорциональ­
ности; / = 2а. Связь достаточно простая и
говорит о том, что с ростом времени дос­
тижения максимума, а также при увели­
t
чении скорости разрушения пропорцио­
Рис. 1.14. Влияние расположения
нально увеличивается амплитуда. Анало­
места начала разрушения на скорость
гичная связь параметров сигнала АЭ с
процесса
нарастания
фронта
функции
параметрами трещин установлена в экс­
источника:
периментальных работах [62, 82] и др.
1 - в теле зерна; 2 —на границе зерна;
Следует учитывать, что выражение (1.12)
3 - в угловой зоне
является аналитическим приближением
источника замедляется вплоть до полного
реального сигнала, который, как правило,
имеет более сложную форму. Однако данпрекращения процесса, связанного с пол­
ное приближение отражает, во-первых,
ной остановкой роста трещины. Функция
физику процесса, во-вторых, позволяет
источника достигает своего максимального значения.
оценить ряд параметров источника, в том
При оценке параметров импульсо
числе площадь разрушения (1.15).
Численные расчеты для зерен с форАЭ можно также использовать некоторые
мой границ, описанных в металлографирезультаты линейной механики разрушеческих исследованиях, дали единичные и
ния. Так, максимальное значение функции
источника можно поставить в соответст­
усредненные кривые изменения числа
разорванных связей, приведенные на
вие максимальному смещению статиче­
рис. 1.12. Сравнение импульсов, получен­
ской трещины. Выражение для определе­
ных расчетом и в экспериментах (рис. 1.13),
ния максимального смещения поверхно­
показывает достаточно хорошее совпаде­
сти статической трещины имеет вид
ние форм.
Зависимость формы и параметров
(1.18)
U00 = 2а(\ - V2 ) —
Е
импульса АЭ от местоположения начала
разрушения видна из рассмотрения
где 2а - длина трещины; v - коэффициент
рис. 1.8 и рис. 1.14. При расположении
Пуассона; а - действующее напряжение;
места начала разрушения в теле зерна
Е - модуль упругости (Юнга). Формула
приращение величины площадки разру­
справедлива для тела с трещиной, находя­
шения в единицу времени имеет опреде­
щегося в состоянии плоского напряжения.
ленное значение. Если разрушение начи­
В теории упругости получено также
нается на границе зерна, то величина при­
выражение
для
оценки
энергии
£
у,
выде­
ращения ограничивается фронтом разру­
ляющийся
при
образовании
трещины,
шения и границей зерна при этом, "кажу­
оценивается
работа
внешних
сил,
затра­
щаяся" скорость разрушения уменьшаетII
чиваемая
при
образовании
трещины
в
уп­
ся. Еще существеннее уменьшение "ка­
ругом
твердом
теле,
запасенная
энергия
жущейся" скорости, если начало место
которого без трещины под действием рас­
приходится на угловую зону.
В конце процесса разрушения, когда тягивающих напряжении о составляла
2
КвйвЯВа
фронт разрушения подходит к замыкаю- о / (2Е) на^диницу объема. После появщим границам, темп нарастания функции
ления трещины выделяется энергия
2*
36
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
ния, соответствующую функции источни­
к с а 2(\ - у 2)
(1.19)
ка;
полный
объем
релаксации
вблизи
об­
ЕУ~
Е
разовавшейся поверхности разрушения;
Численные оценки, рассчитанные с
связанное с объемом релаксации смещеиспользованием выражений (1.18) и
ние точек среды вблизи источника, т.е.
смещение в ближней зоне.
(1.19), дают завышенные значения, по­
В основу кинематической модели,
скольку не учитывают процессы излуче­
описывающей процессы, происходящие в
ния акустического сигнала. Однако они
источнике АЭ при разрыве атомных свя­
отражают связь параметров АЭ-имзей
,
положены
следующие
исходные
мо­
пульсов с механическими свойствами ма­
менты :
териалов и размером скачка трещины.
начало
разрушения
имеет
место
в
Из рассмотренной модели развития
определенной
области
в
некоторый
на­
процесса разрушения и релаксации атом­
чальный момент;
ных связей, сопровождающихся излуче­
начало
разрушения,
т.е.
положение
нием упругих колебаний, можно сделать
первой
разорвавшейся
связи,
в
однород­
ряд выводов:
ном
материале
может
быть
в
любой
точке
•
объем релаксации позволяет оце­
объема
и
определяется
термофлуктуацинить смещение элементов тела вблизи
онными
процессами
в
нагруженном
твер­
источника;
дом
теле
(однако
для
реального
материала,
для получения формы единичного
импульса в дальней зоне необходимо похарактеризующегося значительной неодлученную временную зависимость для
нородностью, начало разрушения располапотока элементарных импульсов в ближгается вблизи какой-либо неоднородности,
ней зоне продифференцировать дважды
вероятнее всего на границе зерна);
фронт разрушения распространяет­
по времени.
ся дискретными скачками конгруэнтно
Полученная зависимость от времени
величины площадки разрушения соответсамому себе с некоторой скоростью (v <
ствует функции источника в терминах
< Сд, где Cr - скорость рэлеевской волсейсмологии. Физически это соответствуны). Форма фронта разрушения соответет развитию релаксационного процесса в
ствует форме ячейки кристаллической
структуры твердого тела. Наиболее верообъеме, непосредственно прилегающем к
поверхности разрушения. Чтобы получить
ятно, что фронт мезоскопического акта
форму импульса в дальней зоне, необхоразрушения трансформируется в окруждимо продифференцировать функцию
ность;
источника по времени.
- при каждом скачке фронта разручисла
Для рассмотренной вычислительной
шения
происходит
модели, основанной на «кинематических
атомш
процессах, форма импульса в дальней
атомных связей в объеме, расположенных
зоне определяется путем расчета временнад площадкой разрушения;
ной зависимости приращения величины
- фронт разрушения тормозится на
площадки разрушения (которая совпадает
некоторых границах, создающих мсильс функцией источника). Таким образом,
ное" препятствие распространению развыбрав схему развития процесса разрыва
рушения. Как правило, скачок трещины
или пластической деформации происхо­
атомных связей, в одном вычислительном
дит на величину, определяемую однород­
эксперименте можно получить ряд вели­
ным пространством внутри фрагмента
чин: зависимость величины приращения
площадки разрушения; форму единичного
(отдельности, зерна);
- смещение точек среды на поверх­
импульса в дальней зоне; временную за­
ности разрыва и в непосредственной бливисимость величины площадки разруше-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
зости от нее является функцией источника
АЭ и пропорционально увеличению раз­
мера площадки разрушения.
Описанная модель формирования
единичного импульса АЭ при образовании
и распространении трещины позволяет
сделать ряд выводов:
• крутизна переднего фронта еди­
ничного импульса АЭ определяется не
только скоростью процесса разрушения,
но и местом начала разрушения;
• в случае начала разрушения на
границе площадки разрушения результи­
рующий импульс будет иметь более поло­
гий фронт, нежели начало разрушения в
центре площадки.
Приведенная схема протекания про­
цессов разрушения атомных связей по­
зволяет определить численным расчетом
временную характеристику нарастания
процессов релаксации, изменение объема
релаксации материала, характер измене­
ния размера площадки разрушения. С ПО­
37
мощью полученных данных можно опре­
делять форму и параметры единичного
импульса АЭ вдали от источника. Для
этого можно использовать временную
зависимость изменения объема релакса­
ции или размера площадки разрушения. В
первом случае для получения формы им­
пульса АЭ необходимо временную зави­
симость объема релаксации дважды про­
дифференцировать по времени [ 1].
В случае использования временной
зависимости изменения размера площадки
разрушения достаточно однократно про­
дифференцировать полученную времен­
ную функцию. Тогда размер площадки
разрушения можно интерпретировать как
величину подвижки в сейсмологических
терминах [1]. Точное выражение в век­
торной форме, позволяющее вычислить
величину смещения частиц среды в ре­
зультате образования разрыва смещений
на трещине сдвига в твердом теле с ис­
пользованием функции источника С/о,
имеет вид [ 1]
Г/С*
u(x,t) = - — F N —
4яр
r
\xU 0(t - i)<h +-------J
f
4 7cpcj
r/cL
+— Ц-F n S
4ярс£
r
r
Щ
S S fe i,
cL
4ярc s
где Cl, cs - скорости звука продольной и
поперечных волн соответственно; р плотность среды; FN - характеристика из­
лучения в ближней зоне; F IL, F IS - соот­
ветственно характеристики излучения для
продольной и поперечной волн в проме­
жуточной зоне; Р , F fs - соответственно
характеристики направленности излуче­
ния для продольной и поперечной волн;
г - расстояние от источника до точки на­
блюдения. Таким образом, смещение то­
чек среды в точке наблюдения является
функцией следующих аргументов:
и * u(x,t, Ф, 0,т, С/0, f/0).
(1-21)
I l\ u Q(t-— ) +- ± T F ,s\ u 0{t-—
Г
CL 4тсрс|
г
cs
F
n
l
O
г
o
(
t
~
)
t
(
1
2
0
■ ) +
)
Ж
Из выражения (1.20) следует, что
имеются три вида зависимости величины
возмущения от расстояния в объеме мате­
риала: 1) и - 1/г 4 ; 2 ) и - 1/г 2; 3) и ~ 1/г.
Вблизи источника необходимо рассчиты­
вать поле излучения, учитывая вклад всех
членов выражения (1.20). Это так назы­
ваемая ближняя зона. Несколько дальше
смещение точек среды определяется тре­
мя членами выражения (1.20). Это так
называемая переходная зона, когда опре­
деленное влияние оказывают члены, со­
держащие множитель 1/г2. Акустический
сигнал имеет достаточно сложный вид,
как, например, сигналы, изображенные на
ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ
38
рис. 1.9 , б, 1. 10, б, 1.13, кривые 3 и 6.
Вдали от источника сильно убываю­
щая зависимость от расстояния позволяет
пренебречь первыми тремя членами. Вре­
менная зависимость возмущения (функ­
ции источника), возникшего в месте раз­
рыва в среде, приводит к временной зави­
симости смещения частиц среды в дальней зоне при больших г. Происходит заметное разделение цуга на составляющие,
переносимые продольными и поперечны­
ми волнами.
Если длительность скачка трещины
Ттр достаточно мала, то в дальней зоне,
возможно принять импульсы продольной
и поперечной волн раздельно. Условие
для этого:
2 х1р<
1 _ y CL ~ c S
( 1.22)
CLCS
Для
расстояния от источника до приемника
порядка 100 мм это условие достаточно
хорошо выполняется. Скачок трещины на
1 мм2 совершается ориентировочно за
0,1 ... 0,2 мкс. Тогда правая часть условия
( 1.22 ) позволяет определить время раздельного приема импульсов продольной и
поперечной волн, оно равно ~15 мкс. Та­
ким образом, во многих случаях, встре­
чающихся на практике, продольные и по­
перечные волны, излученные источником,
могут быть зарегистрированы раздельно.
Однако эти сигналы существенно'разли­
чаются по амплитуде. Для трещины нор­
мального отрыва, расположенной в объе­
ме материала, которая моделируется су­
перпозицией трех векторных диполей с
соотношением амплитуд (X + 2р)/Х, : 1 : 1
[ 1], в случае стали имеем соотношение
амплитуд продольной составляющей акустического возмущения к поперечной
слу
2 ,6 : 1 : 1, а для алюминия
чае сдвигового разрыва амплитуда поперечной волны примерно в 5 раз больше
амплитуды продольной волны. При расположении точечного источника на по;ерхности объекта большая часть энергии
излучается в виде поверхностных волн
(67 %). Дальнюю зону источников АЭ
можно оценить соотношением
(1.23)
Это соответствует условию, что раз­
ница длин векторов от точки наблюдения
до двух максимально удаленных точек
поверхности разрыва существенно меньTil'®?,
ше 1/4 длины волны X. Дальнюю зону
можно еще определять как расстояние
между источником и точкой наблюдения,
которое соответствует расстоянию не­
скольких длин волн. В этом случае следудлину
ет выорат
(частоту).
Формы импульсов в ближней и даль­
ней зоне существенно различаются, что
хорошо видно из выражения (1.20). В
ближней зоне действуют все пять членов
выражения ( 1.20 ), однако наиболее суще­
ственный вклад вносит первый член, содерЖащий интеграл по времени от функции источника М Функция источника
есть скалярная величина, представляющая
собой смещение точек среды в источнике.
Можно полагать для определенности, как
было показано выше, что это есть перемещение точек поверхности разрыва. В
дальней зоне преобладают последние два
члена выражения (1.20). Это связано с
тем, что величина этих составляющих
изменяется от расстояния в функции г 1,
тогда как первый член выражения умень­
шается с расстоянием как г , а второй и
третий члены (вносящие вклад в величину
сигнала в промежуточной зоне) - как г ..
В сейсмоакустике источник характе­
ризуется пятью параметрами: длиной и
шириной разрыва, скоростью процесса
спарывания" (распространения разру­
шения), полной величиной подвижки
(максимальной величиной смещения поверхности трещины) и временем нарастания [ 1].
В области сейсмоакустики и АЭ, в
ряде случаев прибегают к спектральному
анализу сигналов. Спектр сигнала, выдля
импульса АЭ выражение (1.12), имеет вид
-
ft
.
-
________ ____
— _____________
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
а
S( со) = - 5 --- 2
8 -со + 2 / 8(0
39
(1.24)
Спектр содержит все параметры, ха­
рактеризующие временную форму им­
пульса а и 8, и ничего сверх того. Графи­
ческое представление спектра приведено
на рис. 1.15, кривая 7. Из рис. 1.15 видно,
что при © = 0 имеется существенная по­
стоянная составляющая So, соответствую­
щая постоянному смещению, а спектр
простирается от самых низких частот до
бесконечности. Однако поскольку акусти­
ческий источник не может излучать час­
тоты, для которых длина волны больше
размера источника излучения, спектр сигнала, пришедшего в точку наблюдения,
расположенную в дальней зоне, содержит
частоты выше некоторой частоты f m =
= с//,и, где Ьи - максимальный размер ис­
точника излучения, с - скорость звука.
Этому условию отвечает форма спектра
(см. рис. 1.15, кривая 2).
Экспериментальные
исследования
подтверждают основные положения при­
веденной скалярной модели. Приведен­
ные здесь экспериментальные данные
получены с использованием специальных
образцов и специальных широкополосных
преобразователей АЭ (ПАЭ) [24, 135,
149-151, 176, 178]. В качестве ПАЭ ис­
пользовались конденсаторный микрофон
[149, 150, 176] и лазерной интерферометр
[150,151].*'
На рис. 1.12 представлены рассчи­
танные формы единичных импульсов.
Расчет проводился с использованием кинематической (скалярной) модели формирования единичных импульсов, описанной выше. Следует отметить определенные черты сходства полученных в экспериментах и рассчитанных импульсов АЭ.
Анализ показывает, что по измеренным
временным параметрам сигналов АЭ
можно восстановить параметры источни­
ков АЭ.
Все импульсы, как теоретические,
так и полученные в экспериментах, характеризуются "гладким" фронтом, крутизна
Рис. 1.15. Влияние конечности размера
излучателя и расстояния от источника
излучения на спектр излученного сигнала:
1 - спектр видеоимпульсного сигнала
вблизи источника излучения; 2 - спектр
импульсного сигнала вдали от источника
излучения
которого имеет определенное значение. В
соответствии с приведенной моделью
крутизна фронта импульса АЭ зависит от
скорости процесса разрыва связей (скоро­
сти распространения разрыва) и места на­
чала разрыва. Импульсы АЭ имеют харак­
тер преимущественно однополярного им­
пульса с некоторыми осцилляциями мгно­
венного значения. Мгновенное значение
сигнала АЭ достигает максимума, после
которого форма кривой может быть весь­
ма разнообразной, что связано с рядом
причин. Если зарегистрированный им­
пульс АЭ имеет форму, близкую по внеш­
нему виду к функции Хэвисайда, то мож­
но сделать вывод, что источник АЭ расположен вблизи точки регистрации и,
следовательно, зарегистрировано смеще­
ние точек среды в ближней зоне (см. рис.
1.13, кривая 2 ).
Изменение мгновенного значения
импульса АЭ в зоне, расположенной за
максимумом импульса, можно связать с
существенным взаимодействием фронта
разрушения с границами площадки разрушения. В результате этого взаимодей­
ствия, приводящего к прекращению раз­
рушения в данной зоне, формируется спад
импульса.
Итак, фронт импульса определяется
двумя первичными факторами: скоростью
распространения фронта разрыва и местом начала разрыва. Скорость распро-
40
ПРИРОДА
странения тем выше, чем более однороден
материал, больше уровень напряжений.
Темп нарастания фронта импульса тем
больше, чем дальше начало разрыва распо­
ложено от границ площадки разрушения.
Для ниспадающей части импульса
характерны нерегулярности (осцилляции),
связанные с особенностями формы пло­
щадки разрушения и взаимодеиствием
фронта разрыва с границами площадки.
Выпуклой форме площадки соответствует
в среднем монотонный спадающий уча­
сток. Если на площадке разрушения есть
вогнутости, например площадка разрушения по форме похожа на цифру ”8 ", то
единичный импульс АЭ может иметь
один или несколько дополнительных мак­
симумов (см. рис 1.12, кривая 5.1). Первый после основного максимума выброс
на экспериментальном зарегистрирован­
ном импульсе (рис. 1.13, кривая 6) можно
связать именно с эффектом появления
дополнительных максимумов из-за осо­
бенностей форм площадок разрушения.
Еще одна причина, которая может
привести к образованию дополнительного
максимума, обусловлена задержкой раз­
рушения на какой-либо неоднородности в
материале, служащей препятствием для
распространения процесса разрыва. Таким
препятствием может быть любой дефект
кристаллической структуры, для преодо­
ления которого необходимо затратить
дополнительную энергию и соответствен­
но дополнительное время. Чем большей
высокоэнергетичностью
(прочностью)
отличается препятствие, тем требуется
больше энергии для ertf преодоления и
времени для "сбора1* энергии. После преодоления препятствия направление плос­
кости разрыва может сохраниться. В некоторых случаях может произойти изменение направления плоскости разруше­
ния, в результате сформируется "ступень­
ка". Вследствие этого увеличивается вре­
мя полного разрушения и появляется не­
когерентная составляющая АЭ.
Единичный импульс АЭ является су­
губо индивидуальным сигналом, несущим
информацию только о конкретной пло-
щадке разрушения, и может быть получен, строго говоря, только расчетным пу­
тем, т.е. принципиально не может быть
выражен в аналитической детерминиро­
ванной форме. Это связано со случайным
характером процесса разрушения и соот­
ветствующей ему поверхности разрушения.
Ряд причин оправдывает получение
аппроксимирующих зависимостей для
представления аналитической записи еди­
ничного импульса АЭ, среди которых:
необходимость создания модели полного
сигнала АЭ как стохастического импульс­
ного процесса; постановка задачи создания оптимального приемника АЭ; необ­
ходимость анализа прохождения сигналов
через акустико-электронный тракт кон­
тролируемых объектов и систем АЭконтроля; необходимость создания систем
классификации источников АЭ. Для ре­
шения перечисленных проблем требуется
аналитическое выражение для единичного
импульса АЭ.
Рассмотренная модель формирова­
ния единичного импульса АЭ и ее анали­
тические выражения представляют ряд
возможностей:
связать параметры импульса АЭ с
параметрами процесса разрушении, на­
пример, скачком трещины;
объяснить ряд характерных осо­
бенностей формы единичного импульса
АЭ, ранее не поддававшихся объяснению;
• создать модель полного сигнала
АЭ как случайного импульсного процесса;
• выполнить постановку задачи
создания оптимального приемника АЭсигналов;
• провести анализ акустического и
электроакустического тракта объектов и
АЭ-систем;
сформировать базу для создания
системы классификации источников АЭ и
составления критериев оценки состояния
объектов.
1.1.3. Модели АЭ при пластическом
деформации
Дефектом кристаллической решетки.
который оказывает решающее влияние на
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
41
X
Я)
А
X
1
X
х
X
В А
х
В
А
х
В А
X
3
2
—
в
*
б)
Рис. 1.16. Схема перемещения краевой дислокации под действием
сдвигового напряжения т
механические свойства реальных твердых
тел, является дислокация. Дислокация
вначале была предложена в виде гипотетического микродефекта для объяснения
различии свойств идеальной кристалличе­
ской решетки от реальных. Различия на­
пример, по прочности, составляли 2-3
порядка. Прочность реального тела в экс­
периментах была значительно меньше
расчетной.
Дислокация представляет собой нарушение порядка кристаллическои решет­
ки. Основные типы дислокаций - краевая
и винтовая.
Краевая
дислокация
упрощенно
представляется как неполная атомная
к
плоскость, "вставленная" между целыми
атомными плоскостями (рис. 1.16, а). Там,
где "лишняя" атомная плоскость заканчи­
вается, кристаллическая решетка искаже­
на - это ядро дислокации. Зона искаже­
ния, представляющая собой линию дисло­
кации, тянется по линии обрыва плоскости, т.е. дислокация является линейным
дефектом, тогда как атом внедрения и
вакансия - точечными. Искажение решет­
ки связано с ее деформацией и, следовательно, с дополнительной механической
энергиеи, концентрирующейся в зоне ис­
кажения, в ядре.
Наличие дислокаций в кристалле в
значительной степени уменьшает его сопротивление механической деформации.
Представим, что на кристалл с дислокаци­
ей действуют силы (см. рис. 1.16, б): на
верхнюю часть действует сила, направ­
ленная влево, а на нижнюю часть - вправо
(либо она закреплена неподвижно). В ре­
зультате "лишняя" полуплоскость подталкивается влево и в некоторый момент со­
единяется с ближней нижней полуплоско­
стью, расположенной вначале левее верх­
ней полуплоскости. При этом "лишней"
становится соседняя слева полуплоскость
в верхней части кристалла. Такое пере­
мещение искажения кристаллическои ре­
шетки наблюдается при относительно
низких уровнях напряжения и называется
скольжением дислокации. Оно имеет ме­
сто при нагрузках, составляющих в зави­
симости от структуры ядра дислокации от
1(Г2С до 10 G (где G ® модуль сдвига).
Плоскость, по которой происходит пере­
мещение дислокации, называется плоско­
стью скольжения.
Перемещение ядра дислокации происходит
скачкообразно.
Невозможно
42
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
представить плавного без ускорений перемещения дислокации, а любое скачкообразное
механическое перемещение
должно сопровождаться явлениями типа
удара и, следовательно, излучением им­
пульса упругих волн. При каждом скачке
излучается элементарный импульс АЭ. В
процессе перемещения краевой дислока­
ции верхняя часть кристалла (см. рис.
1.16, б) смещается по отношению к ниж­
ней части скачкообразно шаг за шагом.
Если дислокация с лишней атомной
плоскостью "вверху" кристалла при своем
движении встретит дислокацию противоположного знака с лишнеи атомной плос­
костью "внизу" кристалла, то эти полу­
плоскости соединятся в одну целую плос­
кость. Это не что иное, как аннигиляция
дислокаций, т.е. их исчезновение. Одно­
временно должны исчезнуть искажение
решетки и вызванная искажениями по­
тенциальная механическая энергия. На
основе закона сохранения энергии дисло­
кация не может исчезнуть. Она выделяет­
ся в виде упругих колебаний, т.е. при ан­
нигиляции дислокаций так же, как и при
аннигиляции других дефектов кристалли­
ческой решетки, потенциальная механи­
ческая энергия дефекта превращается в
механическую энергию колебаний частиц
твердого тела.
В работах А.М. Косевича, В.Д. Нацика и ряда других ученых (приведены в
[42]) по динамике дислокаций показано,
что при нестационарном движении
также
частных случаях работы дислокационных
источников, аннигиляции дислокаций и
реакциях
дислокационных
других
происходит излучение звуковых волн.
Выход дислокации на поверхность
или слияние двух дислокации противопо­
ложного знака происходит ускоренно с
нарастанием скорости и сопровождается
излучением упругой волны, амплитуда
которой определяется скоростью процес­
са. В результате аннигиляции двух дислокаций противоположного знака или полного выхода дислокации на поверхность
кристалла энергия, равная полной энергии
искажения кристаллической решетки,
должна трансформироваться в энергию
Эта
ницу длины дислокации может быть оце­
нена [42] как
Ь р 2, L
(1.25)
V
где va —скорость сближения дислокаций;
L - размер кристалла; Ъ - вектор Бюргерса; р - плотность материала. При расчете
излучаемой энергии получено Е ~ 4- Ю' 10
Дж/м. Энергия, излучаемая при аннигиля­
ции дислокационных отрезков длиной
КГ6 ... КГ4 см, равна 4-(10'18... 10'16) Дж.
Следует отметить, что (1.25) дает пред­
ставление об энергии, излучающейся в
диапазоне, ограниченном снизу размером
кристалла L, а сверху - величиной вектора
Бюргерса Ь.
С положительным ускорением про­
текает также процесс выхода двойника на
поверхность кристалла или его исчезно­
вение в кристалле. Двойник можно пред­
ставить в виде коллектива дислокаций,
сгруппированных в определенной конфи­
гурации. Выражение для переднего фронта импульса, излучаемого при аннигиляции скопления дислокации в виде двоиника [42]:
а (0 = р с, sin" <р
(1 -26)
где ф, / - координаты источника сигнала
относительно приемного преобразователя;
v —относительная скорость дислокации в
момент аннигиляции; с, - скорость поперечной волны; а - постоянная решетки.
Эксперимент показал, что расчетная
форма фронта импульса практически сов­
падает с формой, полученной в экспери­
менте. Можно выделить два характерных
участка сигнала. Первый участок (фронт
импульса) связан с ускоренным сближе­
нием и аннигиляцией дислокаций. Для
данного участка характерно относительно
медленное возрастание напряжения на
фронте импульса. Это объясняется тем,
43
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
что дислокации движутся в поле постоянной силы с ускорением. Вначале процесс
развивается относительно медленно, за­
тем он ускоряется и заканчивается в мо­
мент аннигиляции последней дислокации
в скоплении. Можно представить, что в
этот момент начинает действовать источник напряжения ступенчатой функции
ида
1 при /< /0,
(1.27)
S* =
[О при / > / 0,
и полный сигнал выразится произведени­
ем c(t)S*(t). В результате действия им­
пульсного источника спад импульса опре­
деляется внезапным прекращением дейст­
вия акустического источника при оконча­
нии процесса аннигиляции дислокаций и
относительно быстрой релаксации напря­
жений до нуля.
Еще одним механизмом излучения
АЭ при пластической деформации являет­
ся динамический процесс срабатывания
источника дислокаций
Франка-Рида.
Форма акустического импульса, излучае­
мого при срабатывании источника дисло­
каций Франка-Рида, должна быть анало­
гична форме импульса рассмотренных
к*
источников аннигиляции дислокации при
исчезновении двойника внутри кристалла
или выходе двойника на поверхность.
оздеиствии
[ействительно, при
внешнего напряжения на отрезок дисло­
кации, закрепленный в двух точках, дис­
локация начинает выгибаться. Когда ра­
диус кривизны петли станет равным по­
ловине длины отрезка / дислокации, петля
теряет устойчивость и ускоренно выгиба­
ется до момента касания участков петли
дислокации и их слияния. Амплитуда
сигнала АЭ, излучаемого в результате
ускоренного движения участков петли и
представленная в виде напряжения о, бу­
дет определяться выражением
b I ъг с d 2S
(1.28)
а =G
dr2
’
1о
В
V
где В - константа отношения скоростей
звука; С - линейное натяжение дислокационной петли; В - коэффициент дислокационного трения; /0 - начальная длина дисло­
кации; S —площадь петли дислокации.
Амплитуда волны на расстоянии 1 см
от источника длиной /0= 10-4 см достигает
величины (10"7 ... 10 ' 8)С. Время испускания источником дислокационной петли
определяется выражением [42]
с
где /
G
V Gс у
функция нагрузки; G
(1 -29)
на-
\ GCJ
грузка; Gc - критическое напряжение сра­
батывания источника. Для внешней на­
грузки, превышающей в 2 раза критиче­
ское напряжение срабатывания источни­
ка, время излучения т = 5,1 мс для источдлинои - КГ 4 см Для
грузки, превышающей в 10 раз критиче­
ское напряжение, х = 0,48 мс для /0 = 10~3
см и т = 6 мке для /0= 10-4 см.
Сигнал, сформированный в результа­
те ускоренного движения, можно назвать
акселерационным или сигналом а-типа,
тогда как сигнал, возникающий в резуль­
тате внезапного разрыва материала, сле­
дует называть релаксационным или сиг­
налом р-типа. К сигналам a-типа относит­
ся также сигнал, получаемый при образо­
вании микротрещины в голове скопления
дислокаций. На рис. 1.17 приведено не­
сколько известных моделей образования
микротрещин из дислокационных скопле­
ний. Согласно условию образования мик­
ротрещины две головные дислокации
должны сблизиться на расстояние порядка
величины вектора Бюргерса. Началу слия­
ния первых дислокаций могут помочь
термические флуктуации, после чего при
достаточно большом напряжении все дис­
локации в скоплении вольются в микро­
трещину. Установлено, что при уровне
напряжения Р *= о!(2D) Ш 0,02 (где D Щ
= G/2n(\ ~i|i), ц - коэффициент Пуассона)
после слияния уже первых двух головных
44
ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ
р
р
Рис. 1.17. Модели образования микротрещин из дислокационных скоплений
(а, б, в, г, д) и схема роста трещины путем слияния ее с полостью, образующейся
перед концом трещины (е)
дислокаций остальные ускоренно сольются с образовавшейся микротрещиной. При
этом форма излучаемого упругого импульса должна быть аналогична форме
импульса при аннигиляции дислокаций,
описанных выше.
Рассмотрим подробнее ряд моделей
образования микротрещин в процессе
пластической деформации, обусловленной движением дислокаций. Дислокации,
на которые действуют возрастающие на­
пряжения, перемещаются по линиям
скольжения и останавливаются какимлибо препятствием: границей зерна (рис.
1.17, а), пересечением полос скольжения
(рис. 1.17, б), включением (рис. 1.17, г) и
т.п. При дальнейшем повышении напря­
жений либо дислокации прорвут препят­
ствие и произойдет быстрое перемещение
их в теле зерна, либо перед препятствием
или за ним образуются микротрещины,
либо часть д и с л о к а ц и й"переползет"
^^^^^^^^^И
линии скольжения, что снизит локальные
напряжения.
Микротрещины могут возникать пу­
т е м отрыва (рис. 1.17, в), при скольжении
(рис. 1.17, д). Рост трещин в вязком материале может происходить при разрыве
перешейка между трещиной и микроскопической полостью, образовывающейся
впереди трещины (рис. 1.17, ё).
Энергию упругих колебаний, которая
выделяется при образовании микротрещины из скопления дислокаций, можно
оценить следующим образом. При увеличении приложенной нагрузки атомы кри­
сталлической решетки удаляются друг от
друга, запасая упругую потенциальную
энергию, пропорциональную напряжению
а на пути, равном деформации е. Для единичного объема материала упругая энергия
Еу = ое/2.
Учитывая, что
о -е Е ,
получим
Еу | <т /(2 Е)
(1.30)
(1.31)
(1.32)
Разрыв атомных связей произойдет в
тот момент, когда действующее напряжение достигнет теоретической прочности
для данного материала. По приближен-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
ным оценкам прочность материала может
составлять omax ~ Е/5. Накопленная энер­
гия деформации при образовании разрыва
распределится между энергией у, необхо­
димой для образования поверхности мик­
ротрещины, и энергией АЭ, поэтому
ЕАЭ
Еу - у .
(1.33)
Для оценки энергии АЭ необходимо
знать поверхностную энергию для данного материала. Приближенно она составляет у i Еу а/50 (где а - постоянная решет­
ки). Будем считать, что объем образовав­
шейся микротрещины приблизительно
равен объему неоднородности, тогда
1 Е
hl(na)
2 25
Еа
Л/,
50
(1.34)
где h - глубина микротрещины; / - протя­
женность микротрещины; п - число дис­
локаций, которые положили начало обра­
зованию микротрещины. При достаточно
большом п поверхностная энергия по
сравнению с энергией АЭ не превышает
1 % суммарной накопленной энергии. Для
микротрещины в стали глубиной 0,1 мкм,
длиной 1 мкм и раскрытием (100 ... 1000)я
энергия АЭ составит Ю~10 ... 10"12 Дж.
Представленная оценка справедлива
для любой модели образования микро­
трещины. Например, если взять схему
образования микротрещины Зенера-Стро
(см. рис. 1.17, а ), то трещина возникает
вследствие возрастания концентрации
нормальных напряжений до уровня коге­
зионной прочности. Нормальные напря­
жения, создаваемые линейным скоплени­
ем дислокаций согласно расчету А. Стро
могут быть представлены выражением
0=
(1.35)
где т - касательное напряжение в момент
образования микротрещины (имеет поря­
док 20"3 G). Оценив величину а и приняв
упомянутые размеры микротрещин и вы-
45
ражение (1.34) для расчета энергии АЭ,
получим те же значения, что и для других
моделей. Это свидетельствует о том, что
основное значение имеют параметры мате­
риала и объем образовавшейся трещины.
Рассмотрим теперь случай прорыва
скопления дислокаций через препятствие.
Вначале при возрастании напряжений
происходит быстрый прорыв, после чего
следует более медленный процесс распространения дислокации, сопровождающий­
ся релаксацией микронапряжений. Можно
представить, что в момент прорыва дис­
локаций начинает действовать акустиче­
ский источник вида ступенчатой функции
S(t). Если рассматривать изменение на­
пряжений в зоне головной дислокации, то
там они упадут до нуля. Если рассматри­
вать перемещения элементов тела, то вна­
чале они равны нулю, а в конце процесса
принимают определенные значения, харастеризуемые статическим равновесием.
Однако в любом случае, рассматривают
ли изменения напряжения или изменения
смещений (деформаций), в матрицу твердого тела излучается импульс упругой
волны. Форма импульса определяется
акустическими свойствами источника
излучения и среды. Пространственная
конфигурация источника излучения ока­
зывает большее влияние на распределение
излучения в пространстве (диаграмму
излучения), чем на временную зависи­
мость формы сигнала.
Таким образом, на микроскопиче­
ском уровне АЭ связана с процессами
образования, движения и аннигиляции
дефектов решетки твердого тела. Эти ди­
намические процессы обусловлены разрывами атомных связей или их восста­
новлением.
Ряд численных оценок для рассмот­
ренных выше моделей микроисточников
АЭ приведен в табл. 1.1.
46
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
. П ар ам е тр ы си гн ало в д л я н екоторы х и сто ч н и к о в АЭ
Вид источника АЭ
Амплитуда или
энергия импульса
Длитель­
ность сиг­
нала, мкс
Ширина
спектра сиг
нала, МГц
Дислокационный источник Фран­
ка-Рида
Аннигиляция дислокации длинои|
10 ... 10 см
Сотни
Образование микротрещины
Исчезновение двойника размером
~1 мм
Пластическая деформация объема
со стороной 0,1 мм
Энергия тепловых шумов
4,2 • 10
Пластическая деформация и вязкое
разрушение сопровождаются некогерент­
ным акустическим излучением (непре­
рывная эмиссия) и аналогично в некото­
ром роде белому свету с распределением
энергии излучения по спектру, близкому к
равномерному в некотором диапазоне
волновых чисел.
Однако отдельные скачки пластиче­
ской деформации и соответственно еди­
ничные импульсы АЭ можно также опи­
сать, используя схему формирования им­
пульса АЭ, предложенную в настоящей
работе. В случае скачка пластической де­
формации схема модели сохраняется та­
кой же, как для трещины. Отличие заклю­
чается лишь в акустической модели эле­
ментарного источника АЭ.
В процессе скольжения дислокация,
имеющая определенную длину, "замета­
ет" некоторую площадь, при этом затра­
чивается определенная работа. При этом
так же, как и в случае скачкообразного
роста трещины, высвобождается энергия.
Величину смещения одной час!и кристал­
ла относительно другой можно предста­
вить в виде
Равномер­
ный спектр
до 107
Дж/Гц
Г = Sb/S0 ,
(1.36)
где S - площадь скольжения; So —площадь
сечения кристалла в плоскости скольже­
ния. Относительная деформация составит
_ ,,
Sb
Sb
/, т_ч
(
U
7
)
где | - высота кристалла; V - объем кри­
сталла. Скачок пластической деформации
моделируется двойной парой сил, тогда
как скачок трещины отрыва моделируется
сочетанием трех векторных диполей с от­
ношением амплитуд 1 : 1 : щШ 2р)А.] [I].
Как скачки хрупкой трещины, так и
вязкое разрушение и пластическая дефор­
мация относятся к случайным импульс­
ным процессам, первичными элементами
которых являются единичные импульсы
АЭ. Поэтому непрерывная АЭ не имеет
принципиальных отличий от дискретной
(различаются только параметрами про­
цесса и параметрами единичных импуль­
сов). Самое важное отличие как правило,
для пластической деформации имеет ме­
сто поток элементарных импульсов АЭ,
которые в результате особенностей реги­
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
страции, а также инерционности акусти­
ческого и электроакустического канала
перекрывают друг друга, образуя непре­
рывный стохастический процесс, полу­
чивший название непрерывной АЭ.
Элементарный источник сдвиговой
деформации, моделирующий работу дис­
локационной петли, отличается от источ­
ника продольной деформации, связанной
с образованием трещйны отрыва, в основ­
ном типом излучаемых волн и диаграм­
мой направленности излучения.
Отметим некоторые характерные
особенности процессов, порождающих
АЭ в твердом теле, и возникающие при
этом возможности. Анализ сигналов источников АЭ позволяет изучать парамет­
ры процессов возникновения, движения и
аннигиляции дефектов кристаллической
решетки в динамике, в реальном времени,
а не по статически зафиксированным сле­
дам процессов, как это делается традици­
онно при исследовании микроструктур с
использованием микроскопов.
Любая система стремится перейти из
состояния с высоким значением потенци­
альной энергии в состояние с меньшим ее
значением. Характер динамических про­
цессов, происходящих в нагруженном
твердом теле, носит окраску бифуркационно-релаксационных процессов. "Мед­
ленное” нагружение, когда скорость на­
гружения значительно меньше скорости
звука в материале объекта, порождает
после преодоления потенциального барь­
ера быстрые процессы релаксации в твер­
дом теле, что сопровождается излучением
упругих колебаний.
При медленном нагружении в твер­
дом теле постепенно возрастают механи­
ческие напряжения, решетка твердого
тела накапливает упругую потенциальную
энергию. Поскольку в большинстве слу­
чаев нагружаемые объекты неоднородны
по своим физико-механическим свойст­
вам, в некоторой области твердого тела
локальные напряжения достигают в ка­
кой-то момент предельного значения и
внутренние связи кристаллической ре­
в
47
шетки разрываются. При этом быстро
выделяется часть упругой энергии, на­
копленной ранее, определенная доля
энергии расходуется на быстрое пе­
ремещение частиц в локальной зоне, где
возникло нарушение связи. Происходит
излучение упругой волны, а напряжения,
сконцентрированные в зоне неоднородно­
сти, релаксируют.
Следует отметить, что при образова­
нии или подрастании трещины импульс­
ное воздействие на поверхности трещины
при каждом ее скачке не приводит к излу­
чению сигнала с длительными осцилля­
циями ввиду большой степени демпфиро­
вания излучающей поверхности (поверх­
ности трещины) телом объекта. Поэтому
наблюдаемые на практике сигналы АЭ
осцилляторного (радиоимпульсного) типа
возникают в результате многократных
отражений в объекте импульсов АЭ. При
этом объект работает как некоторый резо­
натор, возбуждаемый видеоимпульсом.
Осцилляции возможны также по причине
сложной формы площадки разрушения.
Таким образом, возбуждение упругих
волн в рассмотренных процессах воз­
можно только в случае достижения кри­
тических значений действующих сил (не­
зависимо от их природы). Критические
значения имеют место, когда сумма дей­
ствующих сил достигает величины силы
разрыва атомных связей. Неоднородно­
стями твердого тела, которые могут слу­
жить источниками АЭ при нагружении,
являются все типы дефектов кристалличе­
ской решетки.
Следовательно, условия, характер­
ные для возникновения акустической
эмиссии, в ряде случаев определяются
медленным изменением и затем быстрым
релаксационным изменением НДС, во
время которого излучаются упругие волны.
1.1.4. Обобщенная модель полного
сигнала
АЭ
^
11
...... _ - *■
“
Структура твердого тела представля­
ет собой случайный набор структурных
_
48
Глава 1.
ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Б
б
А
А
Рис. 1.18. Моделирование кристаллической
структуры твердого тела для расчета
единичных импульсов, образующих
АЭ-процесс
образований, который при рассмотрении
на одном масштабном уровне может быть
изображен как набор зерен на поверхно­
сти разрушения. Зерна могут иметь самые
разнообразные, случайные формы, в том
числе и формы зерен, использованных для
расчета единичных импульсов АЭ.
Процесс роста трещины представля­
ет собой разрушение структуры твердого
тела путем последовательного разруше­
ния отдельных структурных образований
(например, зерен).
Расчеты АЭ-процесса можно прово­
дить на основе моделирования структуры
твердого тела с использованием методики
многоугольников Вороного, применяемой
при вероятностном моделировании про­
цессов кристаллизации. Модельная струк­
тура твердого тела (рис. 1.18) была полу­
чена с использованием случайно распо­
ложенных на плоскости "точек кристал­
лизации , напоминающих звездное не­
бо". Проводя прямые линии между пара­
ми точек на равном расстоянии от них,
можно получить структуру, аналогичную
структуре реальной поверхности разру­
шения.
Процесс распространения трещины
протекает как последовательное продви­
жение фронта трещины от положения,
например, А-А на рис. 1.18, к положению
Б-Б. Поскольку структура твердого тела
является набором структурных образова­
ний - зерен, имеющих случайную форму,
то фронт распространяющейся трещины
также представляет собой не гладкие лиБ-Б
1
9
пространстве
ломаные" поверхности).
Разрушение тела происходит путем
последовательного (одного за другим)
разрушения зерен. Например, на рис. 1.18
продвижение трещины происходит от
условного положения фронта А-А (в на­
чале скачка трещины) к условному поло­
жению Б -Б (в конце скачка трещины) пу­
тем последовательного разрушения зерен
от 7, 2, 3 до 7, 5, 9, 10, 77. Каждому коге­
рентному разрушению отдельного зерна
соответствует излучение соответствую­
щего единичного импульса АЭ, парамет­
ры которого индивидуально соответству­
ют форме и размеру разрушившегося зер­
на. Последовательность сформировав­
шихся описанным образом импульсов
образует АЭ-процесс. Пример записи по­
добного АЭ-процесса, полученной при
испытании натурного сосуда давления,
приведен на рис. 1.19.
Ранее были сформулированы основ­
ные подходы к АЭ-сигналу [42, 113, 114],
которые предлагали рассматривать АЭ
как случайный импульсный процесс, ко­
торый можно представить в виде
п
(1.38)
1=1
Рис. 1.19. Запись реального АЭ-процесса
при испытании сосуда давления
49
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
где Uj и /, - амплитуды импульсов и моменты их появления - статистически незаслучайные
характеристика формы единичного им­
пульса. Формы единичных импульсов АЭ
могут быть аппроксимированы выраже­
нием вида (1.12), (1.13) или (1.14), а пара­
метры, например характеристики формы и
амплитуда отдельного импульса, могут
другом
вида (1.15).
Учитывая сказанное, (1.38) можно
записать в виде
п
о**>
1=1
означающим, что процесс АЭ моделиру­
ется потоком импульсов, амплитуда и
время достижения максимума которых
связаны аппроксимирующей зависимо­
стью
_
umi ~~
ц
е
*i»ri *
(1.40)
В случае представления АЭ в виде
пуассоновского процесса вероятность по­
явления N событий за время t составит
(аналогично случаю формирования еди­
ничного импульса из потока элементар­
ных импульсов). Спектральная плотность
процесса
G(co) = v<^>|s(co)|
(1 -42)
где S(со) получен ранее в форме (1.24),
<ит> - математическое ожидание ампли­
туд единичного импульса АЭ, определяе­
мое статистикой процесса в твердом теле.
^
й
Ш
Н
А
Э
.
функция
Корреляционная
процесса
к u{t, t +х)=v(u2J ja { z ), (1.43)
где Л(т) - корреляционная функция единичного импульса АЭ (1.12), (1.13) или
(1.14).
Корреляционная функция (1.43), за­
висящая от активности АЭ, квадрата ам-
плитуды и характеристики формы единичных импульсов, позволяет вычислить
мощность процесса
к ( о = (“ 2(о ) I k(t,x I о ) = v ( u t y m (1.44)
Предположение, что сигнал АЭ мож­
но представить простым пуассоновским
потоком, позволило выработать ряд пред­
ложений по методике оценок параметров
сигнала, как при малом, так и при относи­
тельно большом v [ 101], а также сформу­
лировать представления о параметрах АЭ
[ 110], кроме тех, которые выражены в
формулах (1.41 >-(1.43). Используя теорию
выбросов случайных процессов, можно
представить скорость счета в виде
со
\wu u.(un, У, t)dy
(1.45)
о
Здесь Wuu(u„, у, 0 - плотность совме­
стного распределения процессов и(0 , м'(0 .
и„- порог дискриминации. Учет того, что
при прохождении линейной узкополосной
системы процесс нормализуется и что для
стационарного процесса lVuy можно пред­
ставить в виде произведения распределе­
ний (гауссовских) для и(/) и u\t), дает
и
П
2 W (/)
(146)
где fo - резонансная частота преобразова­
теля. Выражение (1.46) нашло подтвер­
ждение в экспериментах на монокристал­
лах, тогда как для поликристаллов наблю­
дается зависимость типа 1Ы \Г~«П.
Приведенные выражения параметров
АЭ-процесса имеют ограниченное значе­
ние, поскольку выписаны с учетом стаЭто
для
случаев не соблюдаются. Однако для иро­
цессов АЭ при коррозии и трении приведенные выражения могут быть полезны.
В случке механического нагружения
при возрастании уровня напряжений, ко-
ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Глава 1.
50
гда в процесс вовлекаются все новые источники АЭ, невозможно считать процесс
срабатывания источников АЭ простым
пуассоновским, поскольку изменяется
интенсивность потока. Она становится
зависимой от времени (обобщенного параметра нагружения). В этом случае вероятность срабатывания источника АЭ
можно оценивать по формуле для неоднородного пуассоновского процесса:
1
Ш(') = к\
(•
л
VO
f
exp
| v(t) A
W
К
J
'
-
1
- (1.47)
|v ( T ) r f u
4 0
j
Математическое ожидание и диспер­
сия такого процесса представляют собой
М(/) I D(t) = jv(T)rfu.
о
(1.48)
Проблема нестационарной АЭ весь­
ма сложна как физическим содержанием,
так и математическим описанием и требу­
ет специального изучения. Можно только
предположительно считать АЭ нестацио­
нарным процессом первого порядка, ис­
пользуя классификацию, в которой поря­
док нестационарности определяется по­
рядком его моментной или корреляцион­
ной функции. В этом случае средние зна­
чения, дисперсии и другие моменты являются функциями обобщенного параметра нагружения (или времени), а оценка
параметров процесса производится в локальных сечениях и текущих отсчетах
аргумента.
Модель полного сигнала АЭ, выра­
женная в форме (1.38), позволяет решать
задачи анализа источника АЭ, а также
задачи прохождения сигнала по АЭканалу,
включающему
акустический,
электроакустический и электронный эле­
менты. Некоторые наиболее важные па­
раметры этой модели приведены в выражениях (1.41) - (1.46). Однакс ддя
характеристики объекта необходимо привлечение дополнительной информации.
Приведенные подходы позволяют
рассматривать полный сигнал АЭ как не­
рархическую систему частных моделей.
Система включает в себя последовательно: элементарный импульс АЭ, единичный импульс АЭ, акустико-эмиссионный
процесс (полный сигнал АЭ), источник
АЭ (в виде сигнала, включая кластеризацию и другие элементы образа источника
АЭ), АЭ-портрет объекта контроля, до­
полнением к которому могут быть пара­
метры механики разрушения, окружаю­
щие условия и история материала.
Перечисленные элементы предлага­
ется считать элементами глобальной
обобщенной модели АЭ-сигнала. В боль­
шей степени эта модель несет методоло­
гическую нагрузку. Схематическое пред­
ставление глобальной модели может быть
описано в следующем компактном виде.
\
Элементарный импульс АЭ.
Единичный импульс АЭ.
Полный сигнал АЭ:
непрерывная, дискретная АЭ.
Глобальная модель АЭ =
= Образ источника АЭ и его история
АЭ-портрет объекта.
В глобальной модели АЭ-сигнала
можно вычленить модель технического
сигнала АЭ, исключив некоторые детали
физического представления элементарного импульса АЭ. Данное предположение
связано с необходимостью сосредото­
читься только на тех представлениях, ко­
торые позволяют проводить оценку тех­
нического состояния контролируемого
объекта, что поможет в дальнейшем бо­
лее детально представить некоторые кри­
териальные соотношения.
В технической модели АЭ физиче­
ское содержание имеют модели АЭматериала, связанные с пластической де­
формацией и разрушением. Энергия акустической эмиссии при пластической де­
формации и хрупком разрушении может
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
быть одинаковой, однако качество ее для
того и другого процессов различно, что
связано с различием в энтропии процессов. Для АЭ при хрупком разрушении,
которая характеризуется высокой степенью когерентности, энтропия меньше, а
следовательно, качество энергии лучше,
чем для АЭ при пластической деформации.
Степень различия характеризуется
величиной энтропии или значением когерентности (функции корреляции) процесса. Следствием данного представления
является то, что при одинаковой энергии
АЭ, выделяющейся в результате пластической деформации или хрупкого разрушения, параметры импульсов будут разслучае сигнал имеет
длительность
Сигнал АЭ при хрупком разрушении в
отличие от сигнала при пластической деформации является минимально-фазовым
(сигнал минимальной длительности).
Единичный импульс инкремента пластической
деформации
когерентен.
Однако ввиду множественности источни­
ков, случайного их распределения в пространстве и времени полный сигнал АЭ
при пластической деформации имеет высокий уровень энтропии. Кроме того,
хрупкое и вязкое разрушение отличаются
объемом зоны пластической деформации
и ее положением. Различие между хруп­
ким и вязким разрушением носит принци­
пиальный характер, хотя, как правило,
разрушение конструкционных сталей
имеет смешанный характер: существуют
перемежающиеся участки хрупкого и вязкого разрушения. Признаком отличия
хрупкого и вязкого разрушения является
степень когерентности процесса разрыва
атомных связей, что связано также со
скоростью протекания процесса.
Для вязкого разрушения характерна
диссипация энергии вблизи зоны разрушения, проявляющаяся в виде повышенного тепловыделения и нагревания зоны
разрушения. В случае хрупкого разруше-
51
ния большая часть выделявшейся при
разрушении энергии уносится от зоны
разрушения в форме акустической эмиссии, затем равномерно рассеивается по
всему телу. Хрупкое разрушение прекращается или переходит в вязкое разрушение при уменьшении степени когерентности процесса разрыва связей. Когерентность процесса разрыва связей нарушается при деградации структуры материала,
вызванной пластической деформацией
зоны, расположенной на пути движения
трещины.
Критерий различия хрупкого и вязкого разрушения наиболее просто получить из скорости процесса разрушения и
связанных с ними параметров АЭ. Для
хрупкого разрушения скорость процесса
для
разрушения - к скорости теплопередачи,
В результате исследования общих закономерностей процессов, порождающих
АЭ, составлена следующая система классификации акустической эмиссии при
разрушении твердых тел
Импульс АЭ при идеальном хруп­
ком разрушении. Для этого вида разрушения характерна когерентность процесса
последовательного разрыва атомных связей. Разрыв атомных связей при таком
разрушении протекает со скоростью поперечной волны в нагруженном твердом
теле. Объект полностью разделяется по­
верхностями разрушения.
АЭ при реальном хрупком разру­
шении. Для этого вида разрушения характерно отсутствие вязкой диссипации
на кончике трещины и наличие "хрупкой
диссипации", которая проявляется в торможении развития трещины на нарушени­
ях однородности структуры тела. При
этом происходит нарушение когерентно­
сти пооиесса на препятствии с замедлением процесса разрыва связей, перескоком в
другую атомную плоскость или даже с
изменение^ направления плоскости раз­
рыва. Рассеяние связано с излучением
дополнительных
фононов,
уносящих
52
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
энергию. Эффективная скорость хрупкого
разрушения значительно уменьшается и
начинает зависеть от структуры и полей
НДС. Хрупкое разрушение сопровождает­
ся дискретной АЭ.
АЭ при квазихрупком разрушении.
В этом случае в почти идеальном хрупком
теле необходимо учитывать эффективную
поверхностную энергию у* > у, которая
больше истинной поверхностной энергии
на значение вязкой работы. Однако эта
поверхностная энергия не зависит от ско­
рости роста трещины. При квазихрупком
разрушении импульсы АЭ начинают
"размазываться", "расплываться", дли
тельность их увеличивается.
Разрушение почти упругого (бингамова) тела с преобладанием локализо­
ванного вязкого течения. Скорость раз­
рушения зависит от потока энергии в
вершину трещины, которая может изме­
нить характер разрушения. Наличие неод­
нородностей и деформационное упрочне­
ние определяет АЭ генераторно-релаксационного типа.
АЭ при разрушении вязкого мате­
риала порождает непрерывно-дискретнуюАЭ.
> '
АЭ при разрушении идеально вяз­
кого тела (бесструктурного) сопровожда­
ется непрерывной АЭ.
Следует отметить следующее: 1) на
практике разрушения чистого типа, как
правило, не наблюдаются; 2) могут вмешаться посторонние эффекты типа ветвления трещины. Здесь как бы ставится
знак равенства между состоянием хрупкости и состоянием когерентности. Все это
реализуется в материале с большими по
размерам структурными элементами или
кластерами. Поэтому важна не столько
структурная геометрия материала, сколько фактическое перколяционно-кластерное состояние.
Кластерное состояние определяется
как геометрией структуры материала, так
и структурой НДС, а также конструкцией
объекта. Благодаря этому мелкозернистый
материал может разрушаться хрупко, а
крупнозернистый материал - вязко, при
этом в крупнозернистом материале долж­
ны диссипировать мелкие ячейки, субзер­
на, фрагменты, блоки.
Для хрупкой трещины релаксация
есть когерентный процесс в макрообъеме,
расположенном над площадкой разруше­
ния. Для пластической деформации ре­
лаксация есть когерентный процесс в
микрообъеме и некогерентный процесс в
макрообъеме. Амплитуда единичного им­
пульса АЭ для трещины соответственно
больше амплитуды импульса для пласти­
ческой деформации, а амплитудное рас­
пределение для пластической деформации
имеет большую крутизну, что и наблюда­
ется на практике.
Физические и механические свойства
объектов, связанные со способностью
объекта сопротивляться разрушению,
принципиально связаны с геометрией по­
ля напряжений. При этом в зависимости
от масштаба рассмотрения существенное
влияние оказывает соответствующая мас­
штабу структура. На атомном уровне, ко­
гда поле охвата составляет 10’9 ... 10‘7 м —
это геометрия межатомных связей. При
рассмотрении зон размером до 10'7... 10 м
важное значение имеет геометрия зеренной
структуры, для диапазона 10" ... 10“ м геометрия части объекта, неоднородности
которой связаны с технологическим про­
цессом, для большего масштаба - геометрия объекта. Для каждого масштаба рассмотрения — своя геометрия (физика и
механика) процессов, которая позволяет
абстрагироваться в пределах своего масштаба и рассматривать только геометрические соотношения. Модели разрушения
отдельных элементов структуры приведены на рис. 1.20. Представлен иерархический ряд уровней фрагментации твердого
тела с диапазоном размеров 10' ... 1 м или
10 порядков.
Расчеты упругих полей микродефек­
тов показывают, что на расстояниях, больших 10 периодов решетки, однородность
поля напряжений решетки восстанавлива-
S3
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
10~8м
10~9м
2
/0 _4м
6
5
10~2м
►
7
\
8
10 ~1м
--------1
9
10
Рис. 1.20. Иерархия структурных образований в окрестности трещин
различных масштабов
ется и микродефекты перестают оказы­
вать влияние друг на друга. Дефекты на
таких и больших расстояниях не образуют
системы, которая бы существенно влияла
на свойства целого тела.
Представление о структурах твердо­
го тела в виде иерархической системы с
определенным соотношением ближайших
размеров должно оказать мощное влияние
на построение процессов разрушения и
соответственно на АЭ-представление.
Примером использования представлении
об иерархическом построении структур
твердого тела служит представление
этапности процесса разрушения, использованное в дальнейшем для анализа задержанного разрушения.
Факторы
амплитуд
сигналов
На амплитуду АЭ-сигналов, в том
числе единичные импульсы, влияет ряд
факторов, часть которых описана выше. В
данном разделе рассмотрим влияние эта­
пов разрушения объекта и ряд других сопутствующих факторов на амплитуду АЭсигналов.
Экспериментальные
исследования
широкого круга материалов, включая раз­
личные металлы, скальные породы, поли­
мерные материалы, с применением метода
АЭ показали, что амплитуда АЭ, так же
как и суммарная эмиссия, отображающая
процесс накопления повреждений, имеет
54
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
характерные участки: этапы развития и
накопления повреждений. В [61] сформу­
лирована модель этих процессов, которую
можно суммировать следующим образом.
Первой области (этапу) соответст­
вует возникновение зародышевых микро­
трещин и быстрое их накопление. Разме­
ры микротрещин в металлах составляют
0,2 мкм или несколько больше; определя­
ются они размерами структурных неодно­
родностей данного масштаба. Механизм
зарождения микротрещин носит термоак­
тивационный характер, а энергия актива­
ции близка энергии межатомной связи.
Скорость увеличения размеров микро­
трещин близка к предельной скорости
рэлеевской волны. При значительной на­
грузке, близкой к разрушающей, микро­
трещины начинают преодолевать барьеры
гетерогенности, быстро увеличиваются и
образуют магистральную трещину, при­
водящую к разрушению объекта. В этом
случае этап длительного развития трещи­
ны отсутствует, а этапы генерации микро­
трещин и ускоренного развития магист­
ральной трещины сливаются и их невоз­
можно различить.
Следует отметить, что интенсивный
поток импульсов АЭ на первом этапе мо­
жет иметь место не только по причине
образования микротрещин, но и в резуль­
тате скачкообразной локальной микропластической деформации, т.е. процесс
может быть отнесен к процессу накопле­
ния повреждений.
Вторая область (этап) связана с
процессом стабилизированного накопле­
ния микротрещин, приводящим к повы­
шению их концентрации. Размеры микро­
трещин в этот период, составляющий до
90 % "живучести" объекта, сохраняются
неизменными - 0,2 ... 0,1 мкм. По оцен­
кам чувствительность АЭ-аппаратуры при
использовании пьезоэлектрических дат­
чиков составляет именно такой порядок
значений, поэтому одиночные импульсы
АЭ могут иметь амплитуды ниже уровня
порога и в этом случае они не будут заре­
гистрированы (на втором этапе), но ин­
тенсивный поток импульсов АЭ может
быть зафиксирован в виде непрерывной
АЭ [7]. Увеличение концентрации С про­
исходит до определенного уровня, свя­
занного с размером / микротрещины со­
отношением [61]
к=
(1.49)
ePf,
где к = 3 при пороговой концентрации
С ~ 1012 см'3. Если исходные микротрещи­
ны имеют большую величину, то порого­
вая концентрация уменьшается, сохраняя
к неизменным. Значение порога концен­
трации микротрещин связано с образова­
нием ассоциации микротрещин, обра­
зующих кластер, вероятность появления
которого определяется выражением [61 ]
as ( 1 Y
И Й Я 1 ,
s
s'
\к ]
(1.50)
где а = — п т ; s - число микротрещин в
С •
gg
кластере. Возникновение кластера означа­
ет слияние и укрупнение микротрещин; в
результате формируется макротрещина.
Третья область (этап) соответствует
возникновению и развитию макротрещи­
ны, которая в конце концов приводит к
разрушению объекта. Накопление повре­
ждений, предшествующее формированию
магистральной трещины, можно связать с
процессом разрушения блоков, например,
У-го ранга, а развитие магистральной тре­
щины - с разрушением блоков (У + 1)-го
ранга. Разрушении блоков У-го ранга вы­
зывает локальные катастрофы (потерю
устойчивости в локальном У-м объеме),
тогда как развитие магистральной трещи­
ны является подготовкой глобальной ка­
тастрофы, соответствующей разрушению
объекта.
Установленные соотношения линей­
ных размеров находят отображение в па­
раметрах АЭ при исследованиях трещи­
ны. Воспользуемся данными по ампли­
тудному распределению АЭ для усталост­
ных трещин (УТ) [65]. При равномерном
росте УТ амплитуда сигналов АЭ состав­
ляет порядка 100 мкВ и соответствует
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
релаксации объемов, эквивалентных 1U ...
8 • 103 мкм3, и линейному размеру скачка
20 мкм. Сигналы больтрещины ~ 10
шей амплитуды не наблюдаются, что свя­
зано с уровнем нагружения. Сигналы
меньшей амплитуды обеспечивают воз­
растание числа в распределении для зна­
чения 20 мкВ (меньшие амплитуды не
наблюдались из-за величины порогового
напряжения 20 мкВ)^Ригналы меньшей
амплитуды соответствовали релаксации
объемов порядка ~10 мкм3 (линейный
размер ~ 3 мкм). Очевидно, что соотношение амплитуд сигналов АЭ равно 5,
что близко к величинам, принятым в [92]
за параметр инвариантности. Подтвер­
ждением вовлечения в процесс разруше­
ния все больших дискретных объемов при
увеличении нагрузки является зависи­
мость Nz от Р при испытании образцов
СТ-8 (рис. 1.21).
Параметры АЭ и параметры релакса­
ции фрагментов каждого иерархического
уровня фактически отображают времен­
ную область параметров структуры и да­
ют представление о соотношении времен
формирования структурных элементов
различных иерархических уровней. Это
позволяет сформулировать следующее
положение: если длительность релаксации
элемента а, составляет Т/, а для элемента
Д/+,(Д/+1 > ад длительность релаксации
как Т/4-i (т/+1 > т/), то можно составить отношения
О:/+1 _
1 _ Т//+]
(1.51)
ит.1
аi
На основании анализа факторов,
влияющих на амплитуду сигналов АЭ,
можно сделать ряд обобщений, которые в
дальнейшем будут использованы при формировании требований к аппаратуре АЭ.
Динамический диапазон аппаратуры
АЭ дает информацию о том, в каком диа­
пазоне амплитуд возможен прием и обра­
ботка сигналов АЭ. Этот параметр являет­
ся характеристикой, отражающей техни­
ческий уровень прибора. Как правило,
разработчики приборов стремятся сделать
динамический диапазон как можно шире,
55
А^ТО3
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1,0
Рис. 1.21. Зависимость суммарного
счета от нагрузки:
1 - модельное представление к = 3 и 4;
2 - экспериментальная зависимость, образец
СТ-8; 3 - масштабная сетка уровней к = 3
однако это не всегда нужно. Во многих
частных случаях диапазон изменения ам­
плитуд сигналов АЭ не превышает
20 ... 40 дБ, что снижает требования по
увеличению динамического диапазона
применяемого прибора. Поэтому следует
ввести классификацию аппаратуры АЭ по
амплитудному диапазону.
Подобная классификация позволяет
осуществить оптимальный выбор аппара­
туры АЭ для решения конкретной прак­
тической задачи. Параметры сигнала АЭ,
в частности амплитуды, неодинаковы на
разных стадиях роста трещины и для различных ее видов. Кроме того, параметры
сигналов АЭ зависят еще от множества
факторов, включая свойства материала,
параметры окружающей среды и нагру­
жения.
Анализ процессов образования и рос­
та трещин показывает, что возможна
следующая рриентировочная классифика­
ция сигналов АЭ по амплитудам импуль­
сов, принятым вблизи источника:
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
1.2. Параметры импульсов АЭ при образовании и росте трещин
Микротрещины
2а < 10 мкм
Параметр
Мезотрещины
2а = 10 ... 100 мкм
Макротре­
щины
2а> 100 мкм
Амплитуда смещения итЛ9 м
Амплитуда сигнала итэ, мкВ
Длительность фронта импуль­
са //, не
> 100
Длительность импульса /и, мкс
Энергия импульса £*, Дж
скачки трещин
I уровень
2 ... 20 мкВ;
и
А /~ 1 . 10 мкм
II уровень - скачки трещин
Д/ ~ 10 ... 100 мкм —| ит 20 ... 200 мкВ;
• III уровень - скачки трещин
и . ~ 200 мкВ ...
Д/ ~ 100 мкм ... 0,5 мм
1 мВ;
скачки трещин
• IV уровень
Д/ > 0,5 мм —> ит> 1 мВ.
Описанные уровни соответствуют:
±
I образованию микротрещин и локальным пластическим явлениям в материале объекта;
II - образованию микротрещин более
высокого ранга и началу образования
макротрещин, а также пластической де­
формации большей, чем для первого клас­
са объемов в материале объекта;
III - образованию и развитию' маги­
стральных трещин;
IV - соответствует развитию трещин
предкритического размера.
На основании проведенного анализа
можно составить обобщенную таблицу
параметров единичных импульсов АЭ,
возникающих в результате образования и
распространения трещин (табл. 1.2 ).
Для табл. 1.2 были выбраны основ­
ные параметры единичных импульсов АЭ.
Поскольку форма импульсов весьма
сложная и случайная, она должна быть
охарактеризована значительно большим
числом параметров, однако при прохожV
.
.
...
______ __
_ _____ j__________ _ ___ .__ _____ _____
п тгп л т ш а п т / т п ж
п п гтап и п к
D
дении акустико-электронного канала име­
ет место значительное искажение формы
импульса. Искажения, как показано в
гл. 5, настолько существенны, что инфор­
мация о ряде параметров (форме импуль­
са, частотном спектре и др.) почти полно­
стью теряется. Восстановление первона­
чальной формы акустического импульса
является принципиально некорректной
задачей, поэтому для оценки техническо­
го состояния производственного объекта
следует использовать только два физических параметра единичных импульсов
АЭ: амплитуду и энергию. Другие пара­
метры, включая длительность фронта,
длительность спада, полную длительность
импульса АЭ, характеристику формы и т.д.
являются некорректными для контроля
производственных объектов. Эти парамет­
ры в большей степени несут информацию о
канале распространения сигнала АЭ.
P V T IV
ПОПОМ АТПО
PnU U M U U U Y
U M n V lk P O R
1.1.6. Энергия сигналов АЭ
результатов
АЭоценке
При
контроля промышленных объектов в
большинстве случаев используют пара­
метры сигналов, которые можно измерить
тем или иным способом.
К измеряемым параметрам относят­
ся: амплитуда сигнала (амплитудное рас­
пределение); суммарная эмиссия (число
выбросов); число импульсов; скорость
счета (число выбросов в единицу време­
ни); активность (число импульсов в еди­
ницу времени) и ряд других.
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Один из важнейших параметров АЭпроцесса - энергия - в настоящее время
не измеряется, а вычисляется [21]. Это
связано с отсутствием относительно про­
стых технических средств (преобразова­
телей) и методик, позволяющих непо­
средственно измерять энергию акустиче­
ского сигнала в твердом теле. По причине
относительной технической сложности
точного расчета энерхуи в реальном вре­
мени для этой операции применялись раз­
личные упрощенные приемы. При разных
подходах к расчету энергии АЭ можно
ожидать отличие в результатах.
При вычислении Энергии АЭимпульса и "энергетических параметров"
(квазиэнергии) используют такие харак­
теристики и параметры АЭ сигнала, как:
амплитуда, временная зависимость мгно­
венного значения сигнала, временная за­
висимость огибающей электрического
АЭ-импульса на выходе преобразователя
АЭ и др. Для расчета энергии АЭ необхо­
димо задаться формой АЭ-импульса в
механическом (акустическом) и электри­
ческом - на выходе преобразователя АЭ
(ПАЭ) виде.
Ранее было показано, что форма аку­
стического импульса АЭ практически не
влияет на форму импульса АЭ на выходе
преобразователя [52], потому что дли­
тельность акустического импульса, как
правило, существенно меньше периода
собственных колебаний ПАЭ. В случае,
если импульс АЭ имеет относительно ма­
лую длительность, например меньше
0,5 ... 1,0 мкс, а резонансная частота ПАЭ
не выше 500 кГц, форма механического
импульса почти не оказывает влияния на
форму электрического импульса, выраба­
тываемого на выходе ПАЭ. Форма по­
следнего практически повторяет форму
импульсной характеристики (ИХ). Для
большинства ПАЭ, применяемых в прак­
тике АЭ-контроля, форма их имеет харак­
терный вид, приведенный на рис. 1.22 .
Особенностями
приведенной
на
рис. 1.22 импульсной характеристики
ПАЭ являются следующие.
57
Рис. 1.22. Типичная импульсная
характеристика резонансного ПАЭ с
параметрами, выбранными для расчетов:
ит - 4,14 мВ, Т - 5 мкс, /и - 60 мкс, В = 0,089
1. Ярко выраженные осцилляции
сигнала, характерная частота которых
определяется частотой максимума АЧХ.
Данная частота соответствует выбранной
для работы резонансной частоте ПАЭ и
принимается в качестве рабочей. С доста­
точной для практики точностью для опре­
деления резонансной (рабочей) частоты fo
ПАЭ можно использовать выражение [49]
F o = l/7 ;
(1.52)
где Г - период осцилляций, который удоб­
но
измерять,
используя
цифровой
осциллограф. Простота этой формулы
позволяет рекомендовать вместо опреде­
ления АЧХ преобразователя АЭ прово­
дить измерение только периода осцилля­
ций ИХ, а значение резонансной частоты
F использовать только для классифика­
ции ПАЭ по частотному диапазону.
2. Содержание, как правило, порядка
трех периодов колебаний с нарастающей
амплитудой в передней части ИХ для ре­
зонансных ПАЭ. Форма этой части ИХ
определяется фазовыми свойствами (фа­
зовой характеристикой) ПАЭ и апертур­
ным эффектом. Фазово-частотную харак­
теристику резонансного ПАЭ можно в
некотором диапазоне частот вблизи резо­
нанса (в полосе пропускания) считать ли­
нейной.
I
3. Спад амплитуды колебаний после
достижения максимума. Спадающая часть
58
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
электрического импульса связана с затуханием колебательного процесса в преобразователе.
Таким образом, форму электрического импульса, т.е. импульса на выходе
ПАЭ, можно аппроксимировать выражением
и - At ■ к-
Вг
sin со/,
(1.53)
где А - амплитудный коэффициент, В/с
численное значение его может выбираться
при выполнении калибровки; В — параметр затухания осцилляций, связанный с
потерями в преобразователе.
Для принятой формы импульса (1.53)
момент достижения максимума колебаний
можно определить, продифференцировав
и приравняв нулю коэффициент при сину­
се этого выражения. Оказывается, момент
достижения максимума колебаний связан
с параметром затухания В и может быть
определен как
(1.54)
/т 1/5.
Величина максимума после подста­
учетом
новки tт
положительной полуволны имеет место
при Ш = кп/2 (где к - нечетное целое число), равна
(1.55)
ит А ! B e .
В дальнейшем при анализе зависимости
энергии сигнала АЭ и энергетических
параметров от амплитуды сигнала АЭ
изменение ит будет задаваться изменени­
ем численного значения амплитудного
коэффициента А .
Е т — е-2 Bt
и
A
l
4Z
/ /2
t
1
— + ----+
Вг 2Въ)
V
1
(Яг+сог)
В большинстве случаев для резонансных ПАЭ, используемых в практике
АЭ-контроля промышленных изделий,
характерно достижение сигналом максимума положительной полуволны при фазе
сигнала, равной 5я/2; тогда из условия
получим соотношения - 0 ,8/0
Шт
= = 0,8/Г. В этом случае при любом изме­
нении амплитуды механического импуль­
са, поступающего на ПАЭ, электрический
импульс достигает своего максимального
значения через Ш Зя/2, т.е. на третьем
положительном полупериоде. Теперь с
учетом представленных замечаний прове­
дем расчет энергии импульсного сигнала
АЭ [21]. Энергия любого сигнала определяется с использованием выражения
Е
1
Z
[u2d t
(1.56)
,
где и - мгновенное значение сигнала
(электрического сигнала АЭ в рассматри­
ваемом случае), Z - электрический импе­
данс (сопротивление) элемента электри­
ческой цепи, в которой оценивается энер­
гия сигнала (здесь это электрический имПАЭ с учетом входной цепи прибора).
выражение
АЭ-импульса (1.53):
Е
1
Z
t
A 2t2e
2Bt sin Ш dt
(1.57)
о
и, выполнив интегрирование, получим
/
\
Вг - I I / - Вг —Зо)2 В cos 2со/ +
-5 /2 “
Вг
+
С
02
2(В
2
+
С
02
)
V
\
Вод
ЪВг —<$2
со sin 2со/
/+
+ СО/2 + 2
Вг + 002
2(52 + С021 7
г
Выражение (1.58) для энергии Е
представляет собой функцию, аргументами которой являются время t, амплитуда
(1.58)
сигнала ит (выраженная через амплитудный коэффициент А) и параметры В, ш, Z,
т.е. Е = E(t, ит, В , со, Z). Для вычисления
59
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
значений энергии и расчета зависимости
энергии от амплитуды сигнала необходимо подставить пределы интегрирования
по времени. Одним из пределов является
значение / = 0, а другой предел следует
выбирать из значений / = /и (/и - длительность импульса АЭ), либо / —►оо.
Следует отметить, что длительность
импульса определяется промежутком времени между пересечениями фронтом и
спадом импульса выбранного порога, задаваемого значением порогового напряжения
(или и,и). Подставляя в (1.58)
указанные значения /, получим:
для пределов интегрирования [О, /и]
Е
(<м.
' т ')
= и
1
v
4Z
т
(В 1 I (о2)
1
2 В 2е 2
+и
th
4Z
и
-In 2
\
V
и
и
В
т
th
1
+
2В
/
/
*>2 >2 2
В - 3(0
02 (В
/ D2 *+
,* со2 ч2
)
In
1
2 W да
*
и
th
и
В
th
и
3
2к
Ф
\
1
( В 2 I to2)
\
В ( В 2 - Зю 2)
cos
In
+
d
2
,
2
ч
2
U
2
(5
+
со
)
В ( В 2 + (О2)
1
th
У
\
1 D 2
2
U
3 5 - со
СО
In - л + со л / п 2
sin
2
\
2
и
2
(5
Ф
со
)
( В 2 + со2)
th
is*
а
*
th
U
th
(1.59)
для пределов интегрирования [0, оо]:
Е
(О,со )
=
U
т
B 2t 2
4Z
1
2Я
+
1
В 2 - Зю 2
(В 2 + 1 I )
2 ( 5 2 | (о 2 ) 2
Если ип = const и равно фиксированному значению порогового напряжения,
то пороговое время /п изменяется в зависимости от ит в соответствии с выражением
ta = n T
В
ип
(1.61)
где мп - пороговое напряжение, которое
определяет измеряемую часть сигнала в
пределах 0 < t < /п; ит - амплитуда им1ение (1.61) получено из
выражения и = ит е Вг, представляющего
собой часть выражения (1.53), в котором
опущена синусоида и вместо Atmзаписано
ит. Если за начало координат взять момент / = 0, то /„ = /„ + {т- Поэтому, исполь-
(1.60)
зуя /п вместо /и, следует помнить о внесении небольшой ошибки, что приемлемо,
поскольку это значительно упрощает выкладки, а ошибка не превышает 5 %. Кро­
ме того, в (1.59) и (1.60) учтено, что
А = итBe.
В выражении (1.59) зависимость
энергии от амплитуды более сильная, чем
квадратичная, поскольку имеются лога­
рифмические члены, содержащие амплитуду. Это объясняется тем, что при постоянном пороге при увеличении амплитуды
сигнала одновременно растет и длительность импульса, поскольку момент пересечения сигналом порога (измеряемая
часть сигнала) удаляется от начала импульса. Увеличивается длительность из-
ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ
60
меряемой части сигнала и добавляется
энергия, однако численные оценки пока­
зали, что вклад логарифмических частей в
(1.60) незначителен и им можно пренеб­
речь.
’*
’
"
Если аппаратура АЭ построена таким
образом, что измерения энергии произво­
дятся при выполнении условия u j u n- С,
где С можно выбирать, например равным
0,1, тогда сохраняется постоянство таких
величин, как п и t„. В этом случае энергия
импульса АЭ не зависит от длительности
Следовательно, результат расчета Е завинеобсит от построения аппаратуры и это необ­
ходимо учитывать при анализе результатов АЭ-контроля.
Ряд разработчиков аппаратуры АЭ
полагает, что расчет энергии сигнала АЭ в
реальном времени относительно сложен
(предполагает возведение мгновенных
значений сигнала в квадрат и интегриро­
вание полученной функции). Поэтому
для
параметры
. В США.
таточно широко используют параметр
MARSE (Measured Area under Rectifaied
Sygnal Envelope, [133]), представляющий
собой интеграл от огибающей сигнала.
Если аппроксимировать огибающую й
выражением
-В!
(1.62)
й = A te
то параметр MARSE можно рассчитать
следующим образом:
MARSE = \и dt =
Ate Brdt = А
-B t
t
2В
t
\
1
4В
о
Для пределов i
том (1.61) получаем
П
=и
MARSE
\
ит
+1
1+ 1п^* 2 In
ип
U fn V
/
о
(1.65)
В этом выражении зависимость параметра MARSE от ит уже отличается от
линейной зависимости в результате влияния логарифмических членов в квадратной скобке выражения (1.65). Можно полатать:
■ Н И 1 umaF(B, g §
(1.66)
где 1 < а < 2.
Если принять ит I и„ = const (порог,
привязанный к ит), то
MARSE = к ит *
(1.67)
где к - константа. Таким образом MARSE
сохраняет в этом случае линейную зави­
симость от ит так же, как и для (1.64); из­
меняется только численное значение коэффициента при ит.
конструировании
Очевидно, что
аппаратуры и выборе методики измерения
MARSE важно учитывать рассмотренные
обстоятельства. В зависимости от разных
подходов могут изменяться не только
значения констант, которые можно учесть
при калибровке, но и вид зависимости
энергии от амплитуды сигнала. Иногда
вводят и другие квазиэнергетические па­
раметры, которые каким-то образом свя­
заны с энергией процесса, но значительно
проще рассчитываются:
(1.63)
Для пределов интеграла [0, оо] имеем
00
и е
т
(1.64)
MARSE
4В
ШшмШ
и
In -*
ВТ
ип
и
Ж
В. U * п
иП
ну,
-Bt
Е" ШШШж
0
Обращаем внимание на линеиную
зависимость MARSE от ит.
ВТ
и
т In -*
ип
ВТ
( 1.68)
(1.69)
(170)
61
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Если при калибровке аппаратуры ис­
пользуется в качестве калибровочного
сигнала прямоугольный радиоимпульс
длительностью
тогда энергия вычисля­
ется следующим образом:
Е /к ;
tИ
Е*
1
2 sin 2 (Sitdt =
(1.71)
0,5/
—
—
sin
2co/
—и2
m
и 4co
у
V
О
Следует отметить, что второй член в
круглых скобках выражения (1.71), как
правило, меньше первого в 10 раз и более.
Используя калибровочный радиоимпульс
с целым числом периодов, получим
Е = ит f„/2.
(1.72)
В отличие от предыдущих случаев в
выражении (1.72) /и является постоянной
величиной, поэтому здесь имеем чистую
квадратичную зависимость энергии от
амплитуды импульса.
Для построения зависимостей энер­
гии и энергетических параметров от ам­
плитуды сигнала зададимся конкретными
значениями необходимых параметров в
выражениях (1.52) и (1.53):
резонансная рабочая частота
F — 200 кГц (соответственно период
колебаний Г = \/F = 5 мкс);
- постоянная затухания радиоим­
пульса В = 0,089 мкс" .
Для выбранных значений параметров
вид сигнала АЭ на выходе резонансного
ПАЭ приведен на рис. 1.22.
Если принять значение амплитудно­
го коэффициента А = 10"3 В/мкс, тогда на
рис. 1.22 (с учетом принятых значений
А/Ве =
ддя
= 4,14 мВ (здесь е = 2,72 - основание натуральных лографимов), время достиже1/В = 2,25 Г =
максимума
11*25 мкс if /ф (/ф длительность
или время достижения максимума сигнала),
/п = ЮТ — длительность спада (от макси­
мального значения сигнала до значения
0,lum). Зависимости энергии сигнала и энер-
0,5
U/Um
U0
Рис. 1.23. Расчетные зависимости энергии
и энергетических параметров от
амплитуды АЭ-импульса:
1 - выражение (1.64), к\ ==0,13; 2 - выражение
(1.68), к2 = 0,57; 3 - выражение (1.65),
63 = 1,00 • 103; 4 - выражение (1.59),
64 = 0,96 * 105; 5 выражение (1.60),
&4 = 0,96 • 105; б - выражение (1.70),
*6 = 0,96 • 105
гетических параметров от амплитуды сигнала ит для выбранных значений пара­
метров приведены на рис. 1.23.
Как видно из рис. 1.23 (кривые 4 и 5),
зависимости энергии для случаев, когда
интегрирование по времени t ведется в
пределах [0, оо] или [0, /„], практически
совпадают; различия отмечаются в треть­
ем знаке. Значение энергетического пара­
метра MARSE зависит в сильной степени
от пределов интегрирования и, кроме то­
го, существенно отличается от значений
при точных вычислениях.
На основании проведенного анализа
можно рекомендовать использовать на
практике для расчета энергии сигнала АЭ
выражение (1.60), но необходимо предва­
рительно определить параметры ПАЭ (затухание импульсной характеристики В и
резонансную частоту F) и измерить амплитуду АЭ-импульса.
1.1.7. Технический сигнал АЭ и
основные параметры процесса,
используемые для контроля
производственных объектов
.Из полого сигнала АЭ (см. п. 1.1.4)
следует выделить техническим сигнал,
к*
62
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
t,MKG
Рис. 1.24. Единичный импульс АЭ на экране
осциллографа с указанием основных параметров
параметры
для контро___I
Щ I
Базовым элементом полного сигнала АЭ
является единичный импульс. Первичными параметрами его являются те параметры, которые можно непосредственно из­
мерить, зарегистрировав сигнал, напри­
мер, на экране запоминающего осцилло
графа (см. рис. 1.19, рис. 1.24). К первичньш параметрам относятся: максималь­
ное значение сигнала мт ; длительность
фронта Гф; длительность спада /с; длитель­
ность импульса
период основных коле­
баний Т.
Вторичными параметрами считают
те, которые можно определить, пользуясь
формой единичного импульса и значением его параметров. К таким параметрам
относятся: энергия Е, энергетический параметр Е„, параметры, связанные с интегральными преобразованиями (например,
преобразованием Фурье, преобразованием
Лапласа, вейвлет-преобразованием и др.),
т.е. параметры частотного и фазового
ыбраны
могут
спектро
различные системы базовых функций:
гармонические функции (синус
„.
, ____ Щ____Котельникова
__ __
Единичный импульс несет информацию об однократном действии источника
АЭ. Процесс деградации твердого тела
является сложным (многостадийным и
полимасштабным) процессом [38], поро­
ждающим сигнал АЭ в виде многомерного стохастического, в общем случае нестационарного импульсного процесса,
который должен характеризоваться мно­
гомерной функцией распределения. Для
систематизации подходов необходимо
ввести систему первичных параметров
процесса
Поскольку случайный процесс характеризуется в наиболее полной степени
статистическими распределениями, представляемыми параметрами распределения
(моментами), они и должны использоваться при анализе сигналов АЭ [113,
114]. Непрерывная АЭ является последовательностью перекрывающихся импуль­
сов АЭ. К наиболее употребительным
параметрам при описании непрерывной
АЭ относятся: число событий Afe; число
63
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
выбросов ЛГ; активность
, скорость
счета N . Дополнительно иногда исполь­
зуется среднеквадратическое значение й
(уровень АЭ).
Число событий (импульсов) АЭ Afe, и
связанное с ним количество выбросов N одни из наиболее важных и легко регист­
рируемых параметров как непрерывной,
так и дискретной Д^. В ряде случаев
можно найти закономерную связь между
количеством зарегистрированных сигналов
и такими параметрами, как длина трещины
или ее площадь. Подсчитывая количество
сигналов, можно судить об увеличении
длины дефекта и его площади.
Другим важным параметром АЭ является активность
(частота следова­
ния импульсов). Количество импульсов в
единицу времени говорит о скорости раз­
вития повреждений; моменты времени
прихода сигналов АЭ на преобразователи
также важны при определении координат
источника сигнало
Уже были перечислены некоторые
общие параметры АЭ, выделены параметры и их аналитические выражения, приня­
тые в статистической радиотехнике для
пуассоновского потока импульсов, описа­
ны параметры сигнала, специфичные
именно для АЭ. При этом отмечалась не­
обходимость учитывать влияние ПАЭ,
поскольку он существенно изменяет па­
раметры сигнала.
В практике АЭ-контроля в подав­
ляющем большинстве случаев использу­
ются пьезоэлектрические преобразователи
АЭ, как правило узкополосные. Подроб­
ный анализ работы ПАЭ приведен в
гл. 4. Для этих преобразователей свойственна реакция в виде затухающей сину­
соиды при возбуждении их коротким им­
пульсом. Акустический канал в виде слоя
(стенки сосуда или трубы) характеризует­
ся весьма сложной реакцией, которую
можно аппроксимировать, как это иногда
делают в сейсмоакустике, обобщенной
(либо простой) функцией Берлаге в виде
набора затухающих синусоид:
к
м (0 =
Yumle x p (-5 ,/)sin (c o ,/ + ср,)
1= 1
(1.73,а)
либо
и(0 = У
ехр(-Я,/) sin(oo,-/ + <р,).
1= 1
(1.73,6)
g частности, модели сферического
источника АЭ соответствует одна затухающая синусоида, т.е. один член из
(1.73, а) с соответствующими параметрами. Электрический сигнал АЭ при использовании узкополосного преобразователя также аппроксимируется затухающей
синусоидой. При этом суммарный счет
АЭ, соответствующий случайному числу
выбросов сигнала через порог ип за время
наблюдений, можно рассчитать, используя выражение
п
I.
( 174)
1=1
f p = С0р/2п - рабочая частота преобразователя; ит1 - амплитуда j- го импульса
АЭ; ип - напряжение порога; У затуха­
ние импульсной характеристики преобра­
зователя.
Регистрируемое значение суммарно­
го счета соответствует математическому
ожиданию выражения (1.74):
/
N(t,um) = \n(um)n (x,um)d x , (1.75)
О
где
00
где
и*(т,м_) = -г- \ н ^ - ) Р ( и m,x)duт ,(1.76)
X
п
Uт
где Р(ит, t) - плотность распределения ит
в момент /; X - параметр распределения. В
случае, когда амплитуды импульсов АЭ
распределены по Парето
*' Р(ит) = Х / и
(1.77)
имеем распределение
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
64
/
р
(1.78)
1ШЙ1
(1.79)
ит
/
где n(t) = |и (т)Л - общее число событий
О
Ч,; .
(I
АЭ за время /. Распределение типа (1.77)
было использовано А. Поллоком для ап­
проксимации опытных данных (Interna­
tional Advances in Nondestructive Testing.
1979. V. 6. P. 239-262; 1981. V. 7. P. 215239).
Из (1.78) получаем
■
А
N=N
(1.80)
вг.
Следовательно, суммарный счет АЭ
зависит от суммы импульсов, а коэффициент пропорциональности определяется
параметрами преобразователя: рабочей
частотой f p, параметром затухания процесса колебаний В и параметром распределения амплитуд импульсов X.
Важной характеристикой АЭ-процесса является скорость счета, которая
рассчитывается по выражениям (1.45),
(1.46).
Огибающая стохастического узкополосного процесса АЭ й на выходе ПАЭ
имеет рэлеевское распределение вида
и
к тшш шш
ехр
и
т т
. (1.81)
Используя выражения (1.46) и (1.81),
можно получить связь
Wu § У 0
W
1 d N (t,u )
ди
л
(1.82)
Кроме перечисленных натуральных
параметров, возможно еще построение
комплексных (или составных) параметров. Примером может служить параметр
введенный в [2]:
(1.83)
Р и», / А/и ,
содержащий отношение амплитуды им­
пульса к временному промежутку между
регистрацией двух импульсов и отобра­
жает фактически темп нарастания процес­
са деградации материала. Можно ввести
еще один параметр - объем АЭ-сигнала:
Wc ~ t cAfc uт у
(1.84)
для
теристики некоторых свойств источника
АЭ и предъявления требований к акустико-электронному каналу. В выражении
(1.84) Д/с - эффективная полоса частот
эффективная длиспектра АЭ-сигнала; tc-- эф
тельность сигнала; ит, —
- максимальное
значение. Поскольку все эти параметры
можно связать через линейные параметры
источника, характеристика объема для
единичного импульса приобретает буквальный смысл и его можно оценивать в
кубических метрах:
W„ = aW,источника?
(1.85)
где а - коэффициент, обеспечивающий
масштаб и размерность.
Анализ показывает, что параметры
сигнала АЭ могут быть независимые и
связанные, причем можно выделить, по
крайней мере, два источника связи. Первый источник базируется на физике явления АЭ. Например, из модели единичного
импульса следует, что
~Д 5),
где S - площадь скачка трещины или
площадь сечения объема пластической
деформации. Эти параметры связаны ме­
жду собой, могут быть использованы садля
размеров скачка трещины (пластической
деформации); появляется возможность
выбора параметра сигнала АЭ, приемле­
мого для оценки скачка трещины. Вторая
система связи является результатом воз­
действия АЭ-канала. Имеет место связь
числа выбросов АЭ с амплитудой сигнала,
получаемая вследствие воздействия АЭканала, включая ПАЭ, который рассматриваем как линейную систему, описывае­
мую волновым уравнением. В этом случае
65
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
амплитуда импульснои характеристики.
представляющей собой реакцию преобразователя на входное воздействие, отображает статистические свойства входного
сигнала, являющегося стохастическим
импульсным процессом. Форма сигнала
существенно зависит от частотных
свойств ПАЭ. В случае резонансного пре­
образователя, на вход которого воздейст­
вует сигнал малой длительности /„ « Г,
где Т - период колебаний ПАЭ, на его
выходе имеем сигнал с многими осцилля­
циями (см. рис. 1.19, рис. 1.24).
При прохождении через ПАЭ изменяется вид статистического распределе­
ния параметров сигнала. В частности, ин­
тересен вид статистического распределе­
ния числа осцилляций на выходе ПАЭ,
при этом будем считать заданным распре­
деление амплитуд. Из статистической ра­
диотехники известно, что функциональ­
ное преобразование случайных величин,
имеющее место, например, при выраже­
нии числа осцилляций через амплитуду
сигнала АЭ, изменяет функцию распреде­
ления:
dx
( 1.86 )
dy
п - число осцилляции, а
где х — ит, у
функциональная зависимость дается вы­
ражением (1.61). Тогда
КА
dx
du т _
__—
dn
dy
(1.87)
методическое значение, позволяющее выразить, например, критерии оценки источника АЭ либо в амплитудном представлении, либо в представлении суммарного счета. Распределение числа выбро­
сов (осцилляций) сигнала для показатель­
ного амплитудного распределения можно
также рассчитать с использованием вы­
ражения [ 18]
00
W(n)= [б(п - с, In ^ - ) - г1+1
-т
1 (1.89)
I
где 5 - дельта-функция; с\ = 1/ВТ; А. - параметр кривой. Вычисления дают
ит К
W(n) - — exp
1
V
(1.90)
ип с.1 J
Выражение (1.90) представляет со­
бой распределение числа осцилляций сиг­
нала на выходе ПАЭ и позволяет связать
параметры распределения суммарного
счета с параметрами амплитудного рас­
пределения (в частном случае это распре­
деление Парето).
Математическое ожидание амплиту­
ды сигнала АЭ можно вычислить по фор­
муле
00
X
UП ■
ит =
\u mw \(u m’ u n)d u m =
Х-\
ип
(1.91)
Математическое ожидание энергии
сигналов АЭ при А,> 2 имеет вид
И
Wi(n) = W](um)unB T .
( 1.88)
и
П
Амплитудное распределение АЭ
можно принять либо в виде нормального
распределения, связанного с нормальным
распределением размеров отдельностей,
либо в усеченном представлении, аппрок­
симируемом эмпирическим показатель­
ным распределением, использованном
Поллоком в виде (1.77).
Выражение (1.88) связывает стати­
стическое распределение амплитуд АЭсигнала с распределением суммарного
счета на выходе ПАЭ. Оно имеет большое
3
_
4567
(1.92)
A -X
= Xu
X -2
иn
Математическое ожидание числа ос­
цилляций (приращение суммарного счета)
представляет собой
и
00
с, In ^
ип
1 4
ит
п
1
W, (ит , и„)
dum
т=
а ип
ад
(1.93)
66
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Экспериментальная проверка рас­
пределения скачков суммарного счета
была проведена [18] с использованием
призматических изгибных образцов из
стали 15Х1М1Ф с усталостной трещиной.
Экспериментальные данные достаточно
хорошо аппроксимируются зависимостью
ехр(-0
типа (1.90) в виде W(n)
При этом гипотеза экспонециальности
распределения, т.е. соответствие выражению (1.90), подтверждается с уровнем
значимости 5 % по критерию эе2. Следова­
тельно, показано, что при соблюдении
ряда условий (определенного вида рас­
пределения параметров, типа ПАЭ, диапа­
зона изменения амплитуд) имеется кон­
тролируемая связь амплитуд импульсов
АЭ и числа выбросов, а также связь их
статистических характеристик, т.е. в экс­
периментах можно во многих случаях
пользоваться одним из этих параметров
вместо другого.
Наиболее полная информация содержится в первичных параметрах сигналов АЭ. Для получения вторичных параметров (спектра, корреляционной функции и т.д.) необходимо проведение дополнительных операций (возведение в
квадрат, задержка, интегрирование и т.д.),
при выполнении которых возможно внесение ошибок, ухудшение отношения
сигнал/шум.
Рекомендуется ориентироваться на
выделение первичных параметров АЭ, в
частности, например, вместо расчетов
или измерения спектра АЭ-импульса из­
мерять его длительность или амплитуду,
поскольку информация о размерах скачка
трещины заложена во всех этих параметрах.
Практика АЭ-исследований и кон­
троля показала, что в настоящее время
используется относительно небольшое
число параметров сигналов АЭ. Наи­
большее применение находят параметры:
число импульсов; суммарный счет; активамплитуда
гия.
Параметры процесса также могут
быть первичными (перечислены выше) и
вторичными, выделяющимися в результа­
те как операций аналоговой обработки,
так и вычислительных действий (к ним
относится получение корреляционных
функций и спектров).
ключает
параметров
себя следующие классы: первичные пара­
комплекс
ные параметры, а также измеряемые, вы­
числяемые, независимые и связанные параметры. Система параметров сигналов
АЭ сведена в табл. 1.3, в которой представлены наиболее употребляемые пара­
метры, а также те, которые характеризуют
процессы и должны использоваться при
выполнении АЭ-контроля производственных объектов.
Ж.
Щ
Л
т
1.3. Система параметров сигналов АЭ
Наименование
Максимальное
значение
сигнала АЭ (амплитуда)
Среднеквадратическое
значение сигнала
Средняя мощность сигнала
АЭ___________ __
Энергия сигнала АЭ
Обозна­
чение
Тип
Вид
Класс
Простой
Измеряемый
Первичный
и
Простой
Измеряемый
Вычисляемый
Первичный
W
Простои
Вычисляемый
Первичный
Е
Простой
Вычисляемый
Первичный
ит
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Продолжение табл. 1.3
Наименование
Обозна
чение
Класс
Энергетический параметр
Е\
Простой
сигнала АЭ (£'
или
MARSE
MARSE)
Вычисляемый
Первичный
Длительность импульса
Простой
Измеряемый
Первичный
Длительность переднего
фронта импульса
Простой
Измеряемый
Первичный
Разница во времени при­
хода импульсов на преоб­
разователи АЭ (РВП)
Простои
Измеряемый
Первичный
Число импульсов АЭ
Простой
Измеряемый
Первичный
Суммарный счет АЭ
Простой
Измеряемый
Первичныи
Простой
Измеряемый
Вычисляемый
Первичный
Скорость счета АЭ
Простой
Измеряемый
Вычисляемый
Первичный
Интервал между импуль­
сами
Простой
Измеряемый
Первичный
Сумма амплитуд
Простой
Вычисляемый
Первичный
Амплитудное распределе­
ние
Комплекс- Вычисляемый
ныи
Измеряемый
Вторичный
Первичный
Коэффициент корреляции
процесса
КомплексВычисляемый
ныи
Вторичный
Спектральная
мощности
Комплекс
ный
Вычисляемый
Вторичный
Кепстр
Комплекс
ный
Вычисляемый
Вторичный
Параметры разложения в
ряд Уолша, Хаара
Комплекс
ный
Вычисляемый
Вторичный
Количество,
изменение,
изменчивость спектра Фу-
Комплекс
ный
Вычисляемый
Вторичный
Коэффициент динамики
развития процесса
Комплекс
ный
Вычисляемый
Вторичный
Корреляция между ампли­
тудой и интервалами между
импульсами
Комплекс­
Вычисляемый
ный
Вторичный
Активность АЭ
з*
плотность
68
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Продолжение табл. 1.3
Наименование
Обозна
чение
Класс
Комплек
сныи
Вычисляемым
Вторичный
Простой
Измеряемый
Первичный
Время когерентности
Простои
Вычисляемый
Первичный
Длина когерентности
Простои
Вычисляемый
Первичный
Степень кластеризации
Тип волны
L, о, Л,
Лэмба
Использование тех или иных пара­
метров АЭ сложилось исторически, по­
этому нельзя утверждать, что их выбор
является оптимальным (в смысле просто­
ты измерения и информативности).
Вследствие этого возникает задача осоз­
нанного выбора рабочего параметра АЭ, в
результате решения которой должны быть
сформулированы требования к измеряе­
мому параметру и критерии, которым он
должен удовлетворять.
В этой связи было введено понятие
устойчивости параметров сигналов АЭ ,
поставлена задача анализа устойчивости и
для ряда параметров получены данные по
устойчивости [51, 103]. Рассмотрим под­
робнее это понятие с точки зрения прак­
тического использования результатов.
%4
1.1.8. Устойчивость параметров АЭ
При выполнении АЭ-контроля выбор
информативного параметра определяется
целью контроля. В первую очередь учи­
тывается связь параметра АЭ и парамет­
ров процесса разрушения (или пластиче­
ской деформации) и связь параметров
между собой. При этом необходимо вы­
бирать параметр, дающий максимум ин­
формации, удобный для выделения и об­
работки, устойчивый (или помехоустой­
чивый) по отношению к возмущающим
факторам.
Под устойчивостью параметра сиг­
нала АЭ понимается способность пара­
метра сохранять моменты статистическо­
го распределения величины этого пара­
метра неизменными или изменяющимися
в допустимых пределах при определен­
ных изменениях факторов (условий),
влияющих на результаты измерений.
Этим определением вводится понятие о
комплексной устойчивости. Каждый мо­
мент распределения характеризует моментную или частную устойчивость.
Большой разброс данных, получае­
мых в работах с использованием метода
АЭ, и их несопоставимость в различных
экспериментах во многом связаны с тем,
что значения зарегистрированных пара­
метров АЭ существенно зависят от усло­
вий измерения. Отмечается зависимость
параметров сигналов: от формы объекта
исследования, свойств преобразователя,
расстояния от преобразователя до источ­
ника АЭ, от полосы пропускания частот
аппаратуры, выбранного порога дискри­
минации, толщины контактного слоя, ус­
ловий контакта и т.д. Влияние этих фак­
торов, как правило, неизвестно, что за­
трудняет интерпретацию полученных в
экспериментах или при контроле резуль­
татов и сравнение результатов работы
различных исследователей.
69
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Приведем наиболее простой пример,
характеризующий влияние некоторого
фактора на измеряемый параметр. Акустический импульс АЭ можно представить видеоимпульсом, имеющим, например, форму я ,
b
t
и = ит е
(1.94)
Тот же импульс, прошедший через резо­
нансный ПАЭ (электрический импульс
АЭ), имеет принципиальные отличия от
акустического. Его можно представить в
виде
B
t
(1.95)
и ит е sin СО/.
При регистрации счетчик зафиксиру­
ет ряд выбросов, число которых
1
п=
(1.96)
liA
ВТО и
где То - период собственных колебаний
ПАЭ; В затухание; иП- порог дискриминации аппаратуры, Изменяемость числа
выбросов, определяемая дифференциалом
по флуктуирующим аргументам,
1
dn =
Ш
ВТо и
;!ЯиЕ 1
(1.97)
Рассмотрим второй член выражения
(1.97):
1 и
(1.98)
du
Из (1.98) следует, что флуктуация и„
при разных исходных величинах порогового напряжения вызывает различные
значения приращения числа выбросов п.
Чистая функциональная зависимость при
постоянном dum имеет вид dn(un) ~ -1/мпОтсюда видно, что приращение параметра
(изменчивость), а также дисперсия изме­
няются (значительно и нелинейно) при
изменении ип.
Важно оценить устойчивость пара­
метров АЭ по отношению к различным
возмущающим факторам. Априорно мож­
но предположить, что энергия импульса
АЭ - более устойчивый параметр, чем
длительность импульса и фаза волны, или
число выбросов выше порогового уровня,
Положим, что анализируется изменение
значений параметров АЭ в зависимости от
уровня порога обнаружения. Меняя пороговое напряжение в пределах диапазона
изменения амплитуд сигнала, следует из­
мерить величину параметров АЭ, зафик­
сировав все остальные параметры экспе­
римента. Метод факторного анализа по­
зволяет определить, влияет ли пороговое
напряжение на величину параметра АЭ и
оценить степень этого влияния [103].
Если при проведении эксперимента
одновременно с порогом изменять другой
фактор, например расстояние до источни­
ка сигналов, то можно оценить не только
влияние отдельных факторов, но и влия­
ние их взаимодействия. Степень влияния
взаимодействия двух факторов определя­
ет, например, насколько изменится влия­
ние порога на параметры АЭ при измене­
нии расстояния до источника, т.е. при из­
мерениях в других условиях.
Для оценки устойчивости парамет­
ров сигнала АЭ к воздействующему фак­
тору проводится N = кп измерений, где к число уровней исследуемого фактора
(число уровней порога, различных объек­
тов, на которых производятся измерения,
и т а ).
При каждом уровне фактора t Щ.$
2, ..., к выполняется п измерений параметра акустической эмиссии х . : 1 ,2 ,... п.
Таким образом, имеется к групп для каж­
дого уровня фактора по п измерений па­
раметра в каждой. Среднее значение па­
раметра для каждого уровня фактора со­
ставляет
п
a t e
(1.99)
пы
По всем наблюдениям
*
X
I
УпХ
N r*i
( 1. 100)
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
70
второй фактор:
N
100
а
пк
( 2)
1
80
/=1
совместное действие двух факторов:
60
п
а
40
( 1. 106)
х У ^ ( X i - X i - X i + X ) 2,
/=1 i=l
20
0
0,5
0,3
0,1
Рис. 1.25. Зависимость суммарного
счета N от расстояния R до источника АЭ
Можно вычислить средний квадрат
отклонении средних значении параметра
внутри групп от общего среднего
1
Y ^ n { X , - X ) 2 (1.101)
к -\А
,_1
и средний квадрат отклонений параметра
от его среднего значения внутри групп
а1
1
а 2 =
N
(Х- - Х - ,) 2 . (1.102)
1=1 «=1
Заметное превышение среднего квад­
рата между группами над средним
квадратом внутри групп указывает на ре­
альные различия между группами в отно­
шении математических ожиданий. Мерой
такого различия может являться отношение средних квадратов отклонении
КА
Ь
I
Л = ст,2 /ст
(1.103)
Аналогичную меру можно найти для
большего количества факторов и их взаимодействий. Средние квадраты отклонений для двух факторов вычисляются по
формулам:
первый фактор:
К _ _
(1.104)
ст(О = — У ( Ю - Х ) 2 ;
к - \ б"4
■я
где с - количество уровней второго фак­
тора.
При некоторых допущениях можно
доказать, что отношение (1.103) имеет
нецентральное F -распределение с (£-1) и
'(л-it) степенями свободы, на которое су­
ществуют подробные таблицы. Последние
для
мального критерия в целях проверки ги­
потезы о влиянии соответствующего фактора при определенном уровне значимосхи. Так, например, взяв отношение к табличному значению ^-распределения
RF
R
Fk - \ , N - k ,
(1.107)
0
, 9
9
9
можно с заданной вероятностью, например
0,999, оценить влияние исследуемого фак­
тора на соответствующий параметр АЭ.
В эксперименте для оценки устойчи­
вости некоторых параметров АЭ в реаль­
ных условиях возмущения вносились в
результате изменения положения прием­
ного преобразователя относительно ис­
точника АЭ. При этом изменялось рас­
стояние между источником и приемным
преобразователем, что сопровождалось
изменением параметров акустического
канала. Сигналы обрабатывали при различных уровнях дискриминации.
Важным условием получения повто­
ряющихся результатов является наличие
стабильного источника сигналов. В связи
с этим источником служил пьезоэлектри-
71
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
ческий преобразователь, возбуждаемый
импульсным сигналом. В качестве среды
распространения использовали цилиндри­
ческий сосуд давления высотой 1600 мм,
диаметром 600 мм, с толщиной стенки
80 мм, изготовленный из корпусной стали
15Х2НМФА. Прием сигналов осуществ­
лялся дифференциальным преобразовате­
лем Д9202 фирмы "Данеган/Эндевко"
(США). Общее усиление приемного кана­
ла 80 дБ. Усиленный сигнал записывался
на цифровом запоминающем осциллогра­
фе, время выборки на точку 0,5 мкс. С
осциллографа сигнал вводился в ЭВМ,
для вычисления параметров АЭ.
Приемные преобразователи устанав­
ливали через каждые 100 мм, причем в
каждой точке было проведено четыре не­
зависимых измерения. По записанным
сигналам определяли основные парамет­
ры сигнала АЭ (суммарный счет N, мак­
симальную амплитуду ит, энергию Е, дли­
тельность сигнала /и, время нарастания /т,
а также наблюдаемую скорость распро­
странения v). Так как большинство пара­
метров зависит от значения порога, вы­
числения проводили для различных поро­
гов - от 0,2 до 1 В через каждый 0,1 В
(рис. 1.25, 1.26).
Зависимости суммарного счета АЭ
от расстояния до источника при различ­
ных порогах приведены на рис. 1.25. При
увеличении расстояния счет АЭ уменьша­
ется линейно, зависимость счета от порога
близка к логарифмической [в соответст­
вии с (1.74)]. Подобный характер имеют
также зависимости длительности сигна­
ла Т от расстояния при различных по­
рогах.
Уровень порога ип изменялся от 0,2 В
(верхние кривые на рис. 1.25, 1.27), до
1,0 В (нижние кривые) через 0,1 В.
Амплитуда сигнала зависит от рас­
стояния подобно энергии на рис. 1.27.
Коэффициенты устойчивости Rf
(1.107), вычисленные для ряда измерен­
ных параметров, приведены в (табл. 1.4).
Е
0,0
0,6
0А
ол
о
0,1
0,2
0,3
ол
0,5
Я,*
Рис. 1.26. Зависимость энергии Е сигнала
АЭ от расстояния R до источника при
различных порогах дискриминации
Значения RF показывают, что наибо­
лее неустойчивым параметром из рас­
смотренных по отношению к порогу явля­
ется суммарный счет сигнала, наиболее
устойчивым - энергия и амплитуда (пос­
ледняя вообще не зависит от порога).
Относительная устойчивость к одно­
му фактору сопровождается неустойчиво­
стью к другому, т.е. наблюдается некото­
рая зависимость сохранения суммы коэф­
фициента устойчивости к порогу и
расстоянию.
в
5
J
2
0,1
0 ,3
0 ,5
R ,M
\
Рис. 1.27. Зависимость амплитуды сигнала
АЭ от расстояния до источника АЭ
72
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
1.4. Коэффициенты устойчивости Rp для параметров
сигнала АЭ при изменении порога и расстояния
Значение R f для соответствующих параметров АЭ
Источник
изменчивости
N
'и
Е
Щп
Порог дискриминации
53
42
0,1
0
Расстояние
11
2,6
44
55
v„*
V~
20
16
! •—
19
16
79
irj L
\
«т
*vn - наблюдаемая скорость распространения сигнала АЭ (отношение расстояния до ис­
точника сигнала АЭ ко времени прихода сигнала, измеряемого по пересечению порога).
**
- наблюдаемая скорость распространения сигнала АЭ (измеряемая по моменту ре
т
гистрации максимума сигнала).
Аналогично можно оценить влияние и
других факторов на устойчивость параметров АЭ (конструкции объекта, преобразователя, полосы пропускания аппаратуры и т.д.), а по взаимодействию факторов можно определить, как условия экс­
перимента влияют на полученные коэф­
фициенты устойчивости. Количественные
данные показывают, что различные пара­
метры сигнала АЭ обладают неодинако­
вой устойчивостью к возмущающим фак­
торам. В связи с этим при выборе пара­
метров АЭ необходимо при прочих рав­
ных условиях исходить из условия обеспечения максимальной степени устойчивости параметра или принятия мер для
этого.
При подготовке к АЭ-испыханиям
каждый раз необходимо анализировать
возможные источники нестабильности
показаний, по возможности устранять их
или учитывать. Например, устойчивые по
отношению к флуктуации порога энергия
и амплитуда становятся неустойчивыми в
случае изменения расстояния между ис­
точником АЭ и ПАЭ. Однако эта неус­
тойчивость условная, поскольку является
функциональной зависимостью. Влияние
данного фактора можно легко устранить,
вводя коррекцию уменьшения энергии и
амплитуды сигнала в зависимости от расстояния.
Следует заметить еще, что широко
используемый в АЭ-практике параметр —
суммарный счет обладает сравнительно
высоким показанием устойчивости по
отношению к изменяющемуся расстоя­
нию. Вследствие этого приемлема реко­
мендация пользоваться именно данным
параметром в случае отсутствия коррек­
ции на затухание сигнала. При наличии
коррекции, по-видимому, более целесооб­
разно использовать энергию либо ампли­
туду АЭ-импульсов.
Можно также заметить, что разброс
значений разрушающей нагрузки от объ­
екта к объекту больше, чем разброс формы зависимостей суммарной АЭ от нагрузки ЩР), которая может быть охарактеризована, например, изменчивостью,
выраженной ДА^/АР. Это означает пре­
имущество оценки состояния объекта по
параметрам АЭ перед расчетной оценкой,
получаемой при использовании методов
механики разрушения.
Обобщенный подход при анализе ус­
тойчивости параметров АЭ связан с под­
бором и формированием инвариантов. В
первом случае необходимо отыскать та­
кой параметр сигнала АЭ, который бы
определялся только источником и испы­
тывал пренебрежимо малое влияние со
стороны различных факторов, в большин­
стве случаев неконтролируемых. Во втором случае инвариант можно сформировать при условии контролируемости или
АЭ ПРИ УТЕЧКЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕИ
73
возможности учета влияния какого-либо
фактора. К таким факторам можно отне­
сти, например, зависимость параметров от
расстояния между источником и ПАЭ,
температуру и ряд других.
При отыскании инвариантов АЭ
можно использовать: амплитуду сигнала,
энергию, суммарный счет, местоположе­
ние источника, распределение моментов
излучения по нагрузкам при циклических
испытаниях, форму зависимости суммар­
ной АЭ от нагрузки на заключительном
этапе разрушения. Это, по сути дела, со­
храняющиеся закономерности, которые в
некоторых случаях можно использовать
для выделения сигналов АЭ или их иден­
тификации.
I.
Рис. 1.28. Схема образования и
распространения сигнала АЭ от течи:
1.2. АЭ ПРИ УТЕЧКЕ ГАЗОВ И
ЖИДКОСТЕИ
1 - жидкая рабочая среда; 2 - металлическая
стенка объекта; 3 - приемная среда (газ);
4,5 - преобразователь АЭ [30]
/
1
КА
1.2.1. Физика акустического излучения
при истечении рабочих сред
Акустические сигналы, возникающие
при протекании жидкостей и газов через
каналы, используются для обнаружения
сквозных отверстий-протечек в контролируемых объектах [30]. Из объекта в виде
емкости (сосуда, трубопровода и др.) со
сквозным отверстием, нарушающим гер­
метичность объекта, под действием внутреннего (наружного) давления происходит истечение рабочей среды. Различают
два варианта акустического течеискания.
Методика, по которой приемный преобразователь размещают вблизи контролируемого объекта, называют ультразвуковым
(УЗ) течеисканием. При расположении
преобразователя непосредственно на контролируемом объекте методику называют
АЭ-течеисканием. В этом случае принимается сигнал, который распространяется
по стенке контролируемого объекта.
Течь можно представить в виде цилиндрического канала длиной £, соответствующей толщине стенки объекта, эквивалентным диаметром (раскрытием), равным 2г (рис. 1.28). Параметры возникающих акустических сигналов зависят от
3
продукта истечения, режимов его движе­
ния по каналу, а также от среды, в которую происходит истечение (приемной
среды). В случае газообразного рабочего
тела движение в течи может быть молеку­
лярным или вязкостным. В большинстве
случаев минимально возможное давление
Для производственных объектов соизмеримо с атмосферным и составляет
~ 0,1 МПа, а длина /с свободного пробега
'-4"'
“
молекул газа « 10' мм. В этом случае условие, обеспечивающее молекулярное
течение (/с» 2 мм), не соблюдается во
всем реальном диапазоне раскрытия течи,
Поэтому для производственных объектов,
работающих под избыточным давлением^
имеет место исключительно
вязкостное
~ _____________________
движение, которое может быть ламинарным или турбулентным. Акустическое
излучение возникает только при турбулентном движении, когда появление вих­
рей вызывает пульсации давления, возбуждающие акустические сигналы.
С ростом перепада давлений в зоне
входа потока в канал происходит отрыв
жидкости от (Стенок канала и образование
кавитационных пузырьков. Область кавитационных пузырьков образует каверну.
КА
ПРИРОДА
74
а)
б)
—
г)
А)
т
^•
д)
Г
Н
Рис. 1.29. Схемы движения жидкой рабочей
среды в канале в различных режимах:
а - капельный; б - сплошное заполнение
канала; в - кавитационный; г - полный отрыв
потока от стенок канала; д —распад струи
внутри канала [30]
Кавитация сопровождается мощными
акустическими сигналами, уровень кото­
рых на порядок и более превышает уро­
вень шумов турбулентности. При даль­
нейшем росте перепада давлений наблю­
даются увеличение длины каверны и вы­
ход ее конца из канала. Если приемная
среда газовая, то каверна разрушается и
наступает режим полного отрыва струи
жидкости от стенок течи. Это препятству­
ет прохождению акустических сигналов в
стенку объекта. Дальнейший рост перепада давлений может привести к неустоичивости струи жидкости, ее искривлению
ОРкап &Рт ДРк
йРо
Рис. 1.30 Зависимости й среднеквадратиче­
ских значений акустического сигнала от
перепада давлений Др (30):
а, б, в, г, d - см. рис. 1.29
и распаду на отдельные капли (распыле­
нию). Если распад струи происходит
внутри канала и частицы неустойчивой
струи или оторвавшихся от струи капель
жидкости ударяются о стенки канала, воз­
буждаются мощные акустические сигна­
лы. Они связаны с соударениями отдель­
ных частиц жидкости со стенками канала.
На рис. 1.29 представлены схемы режи­
мов течения жидкости в канале истечения.
На рис j j q показана зависимость уровня
акустического излучения й (среднеквад­
ратического значения принятого сигнала)
от перепада давлений Др.
В случае перегретых, двух- и много­
фазных жидких сред возможны и другие
механизмы генерации акустических сиг­
налов, связанные с кипением, паровой
кавитацией, конденсацией жидкой фазы и
др. На режимы течения в канале может
также влиять приемная среда. Например,
если вытекающая и приемная среды жид­
кие, то при истечении разрушения кавер­
ны не происходит. Приемную среду мож­
но использовать в качестве канала пере­
дачи акустического сигнала к приемному
преобразователю АЭ. Акустические сиг­
налы, связанные с утечкой, могут распро­
страняться следующими путями (см.
рИС j .28): I - непосредственно по стенке
объекта; II - через рабочее вещество с
трансформацией на границе сред 1 и 2;
III - через приемную среду с трансформа­
цией на границе сред 5 и 2.
Возможны четыре сочетания рабочих
и приемных сред 1 и 3 (см. рис. 1.28): ис­
течение газа в газ (ГГ), газа в жидкость
(ГЖ), жидкости в газ (ЖГ) и жидкости в
жидкость (ЖЖ). При выборе схемы кон­
троля следует стремиться к ситуации, ко­
гда количество границ раздела в акусти­
ческом канале минимально и акустиче­
ские волновые импедансы граничащих
сред равны или близки по значению. Ва­
риант ГГ при установке преобразователя
на стенку объекта наиболее неблагоприя­
тен для контроля, поскольку акустическая
75
АЭ ПРИ УТЕЧКЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
случае
энергия
на границе газ - металл. Большое различие волновых сопротивлении указанных
сред приводит к тому, что в металл пере­
ходит ничтожно малая доля энергии. При
вариантах истечения Ж Г и ГЖ возможен
так называемый капельный режим тече­
ния. При очень малых перепадах давления
продвижению продукта^истечения по ка­
налу препятствует поверхностное натяже­
ние жидкости на границе раздела сред.
Движение в канале начинается при опре­
деленном перепаде давлений, достаточ­
ном для преодоления сил поверхностного
натяжения. В области выходного сечения
образуются отдельные капли жидкости
либо пузырьки газа. Возникающие акустические сигналы носят импульсный
характер и связаны с динамическими эф­
фектами при замыкании и отрыве каждого
отдельного пузырька или капли.
Основными характеристиками метода и средств течеискания являются порог
чувствительности и эффективность кон­
троля. В АЭ-течеискании под порогом
чувствительности понимают наименьший
регистрируемый поток газообразного или
расход жидкого пробного вещества через
течи [30]. Порогом чувствительности
можно также считать минимальные вели­
чины диаметра (размеров раскрытия) об­
наруживаемого отверстия при определен­
ных значениях перепада давления и ха­
рактеристиках сред.
Порог чувствительности определяет­
ся уровнем собственных тепловых шумов
аппаратуры. Этот параметр должен изме­
ряться при отсутствии посторонних аку­
стических шумов и расположении преоб­
разователя в зоне утечки. Измерение про­
водят, уменьшая перепад давлений или
сечение канала. Минимальным расходам
соответствует капельный режим истече­
ния жидкости в газ или пузырьковый при
истечении газа в жидкость.
Значения порога чувствительности
традиционных методов (по расходу пробного
спектрометри
вещества) составляют
ческий 5 • 10 13 м3 Па/с, люминесцентный
-10 мз . Па/
10-ю
галогенНый 10"7 м3 • Па/с и
пузырьковый компрессионный 10'5 м • Па/с.
Предельные чувствительности АЭметода течеискания существенно превос­
ходят чувствительности других методов.
Так, начало капельного режима истечения
можно определить, используя выражение
А р кап
2т/г.
(1.107)
Например, для воды (поверхностное
натяжение т = 7,5 • 10‘2 Н/м) при перепаде
давлений, равном 0,75 МПа, и диаметре
отверстия 2г < 0,4 мкм в канале отсутствует движение. Сигналы появляются при
превышении указанного давления либо
увеличении диаметра отверстия. Для тур­
булентного течения порог чувствительности (2г)п можно оценить с помощью формулы
uRe кр u Re кр
(1.108)
ШШ СР Н УРяРя
S
где |х - динамическая вязкость вытекаю­
щей среды; Re^ - критическое число Рей­
нольдса; с - скорость звука в среде; ри плотность среды; v - скорость движения
среды в канале; рн - давление в выходном
сечении канала.
Порог чувствительности при значениях
|А= 1,8 • 10_5Па с;ря= 1,2 кг/м3;р#=0,1 МПа;
Re^ = 2 • 103составляет (2г)„ ~ 0,1 мм. Это
значение соответствует условию утечки в
атмосферу сжатого воздуха при нор­
мальной температуре. Для случая истече­
ния воды при нормальной температуре
(ц = 10'3 Па • с; ри = Ю3 кг/м3; перепад
давлений 1 МПа, относительная длина
Lf(2r) = 100) ^порог чувствительности со­
ставляет (2г)п %0,08 мм.
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
76
1.5. Экспериментальные значения предельной чувствительности
акустического контактного течеискателя (30]
Условия
истечения
Вода в воздух
Воздух в воду
Гелий в воду
Ар,
МПа
1,6
6,0
10,0
Расход в начале
капельного (пузырь­
кового) режима
q ■10®, м3/с
2,3
6,7
Детектор
5,0
Двухполупериодныи линеиныи
1,0
Двухполупериодный линейный
2,5
Двухполупериодныи линеиныи
0,2
Корреляционный
5,3
Измерения для оценки предельной
твительности по расходу вьшолнялись
утечках воды в атмосферу через течь в
клиновидной задвижке
газа в жидкость
тиле с использс
тактного течеискателя (АКТ) — корреляционного течеискателя [30]. Уменьшение
размеров канала при фиксированном перепаде давлений приводило к переходу на
(пузырько
истечеого режима аку< 1ческии
регистрировался полосе
10 кГц. При да аеивдем
уменьшении расхода (диаметра канала) у
импульсных сигналов снижались амплитуда
и частота следования (до 1 имп/мин). Ре­
зультаты измерений по оценке предельной
чувствительности приведены в табл. 1.5
Метод АЭ-течеискания превосходит
большинство используемых методов те­
чеискания по порогу чувствительности.
Традиционные методы нуждаются в создании специальных испытательных режимов
и применении специальных пробных (индикаторных) веществ и их применение
И
Порог
чувствительности
АКТ Ю9, м3 • Па/с
возможно только при непосредственном
взаимодействии с объектом контроля, т.е.
дистанционности в работе с традиционны­
ми методами течеискания практически нет.
При использовании традиционных методов
для обнаружения течи необходим непосредственный доступ к ней либо приемного преобразователя, либо устройства
дающего входное воздействие (например,
устройства для обдувания герметизированного сосуда пробным газом снаружи),
что и определяет в значительной степени
низкий порог чувствительности методов,
метолы можно применять также в
режиме сканирования контролируемой
поверхности, что резко снижает произво­
дительность работ при контроле крупногабаритных объектов. Для выявления недоступных течей (например, внутренних
утечек в гидроагрегатах при условии не­
возможности их разборки) традиционные
методы вообще неприемлемы.
Эксперименты [30] подтвердили зависимости параметров акустического излучения от размеров отверстий, их формы, параметров рабочих и приемных сред.
АЭ ПРИ УТЕЧКЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Частотные характеристики сигналов
АЭ в течеискании также связаны с пара­
метрами канала, несмотря на то, что тур­
булентность и кавитация являются возбу­
дителями широкополосных акустических
колебаний с непрерывным спектром. Наи­
более сильное возбуждение колебаний
происходит на частотах, совпадающих с
собственными частотами узкого удлинен­
ного канала, рассматриваемого в качестве
акустического резонатора.
Важное направление применения
АЭ-течеискания связано с контролем тру­
бопроводов. Если трубопровод имеет
изоляцию, то для установки преобразова­
телей ее необходимо удалить. В случае
невозможности удаления изоляции ис­
пользуют выходящие на поверхность аку­
стические волноводы, обеспечивающие
акустический контакт (сварной, паяный,
контактный под нагрузкой) непосредст­
венно с поверхностью трубопровода. В
ряде случаев преобразователи устанавли­
вают на поверхность трубопровода, а ка­
бель, соединяющий ПАЭ с прибором,
пропускают сквозь изоляцию. Волново­
дами могут служить элементы трубопро­
водов, выходящие за изоляцию (напри­
мер, элементы запорного устройства,
имеющие акустический контакт с трубо­
проводом).
При контроле трубопроводов следует
ставить задачу обнаружения течи и опре­
деления ее координат, так как трубопро­
воды, как правило, ремонтопригодны.
Наиболее вероятные места утечек в тру­
бопроводах - сварные швы, фланцевые
соединения, места гибов. На чувствитель­
ность к утечкам и погрешность локации
оказывают существенное влияние такие
конструктивные элементы, как задвижки,
запорные устройства, фланцевые соеди­
нения, ответвления, перегородки, диа­
фрагмы и т.п. - они вносят затухание.
Кроме того, соединения являются наибо­
лее вероятными местами появления течи.
Внутренние неоднородности также явля­
ются источниками акустических помех
77
при обтекании их рабочим веществом,
затрудняют определение течи.
Поиск утечек на подводных трубо­
проводах может выполняться бесконтакт­
но через слой воды толщиной до 30 м.
Перед обследованием подводного трубо­
провода его освобождают от продуктов
перекачки и заполняют водой. Для гене­
рации акустической эмиссии утечкой в
трубе создают избыточное давление 1 ... 2
МПа.
При
использовании
прибора
АЭТ-1МС [71] пороговая чувствитель­
ность по расходу воды составляла от 8 до
25 л/ч, что эквивалентно расходу через
отверстие диаметром 0,3 мм. Точность
локализации достигает 10 % глубины ук­
ладки трубы. В зависимости от времени
года контроль летом осуществляется с
плавсредства, а зимой —со льда.
Летом пульт течеискателя устанавли­
вают на плавсредстве (лодке, понтоне),
акустический зонд погружают в воду на
глубину 0,5 м. Перемещение по поверхно­
сти водоема происходит с помощью весел
или мотора при малых оборотах гребного
винта со скоростью до 3,5 км/ч. Прибор
должен удерживаться в створе трубы в
пределах ±5 м. Подводную часть нефте­
провода отсекают от основной трубы и
заполняют речной водой. При давлении
2 МПа обнаруживались утечки через тре­
щину сварного шва площадью сечения
трещины 1 ... 1,5 мм2, длиной порядка
25 мм. Толщина засыпки над трубой в мес­
те утечки может быть 0 ... 0,5 м при общей
глубине водоема до 7 м [71]. Другие мето­
ды поиска утечки, в частности использова­
ние красителей, не всегда дают положи­
тельные результаты. Краситель, как прави­
ло, фильтруется грунтом, растворяется в
воде и разносится течением, не достигнув
поверхности водоема.
Для поиска утечек в зимнее время
вдоль трубопровода во льду бурят сква­
жины диаметром 100... 150 мм с интерва­
лом (20 ± 5‘) м. Акустический зонд опус­
кают в воду'на 50 ... 100 мм ниже уровня
кромки ледового покрова и измеряют аку-
78
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
стический шум. Местоположение утечки
определяют по максимальному значению
акустического шума, операции по поиску
утечек занимают около 2 ч.
Для определения местоположения
утечек жидкости и газа на подземных
трубопроводах для доступа к трубе про­
кладывают шурфы с интервалом 100 ... 300
м. На вскрытых участках со стенки трубы
снимают изоляцию и через слой контакт­
ной смазки с помощью магнитного дер­
жателя устанавливают преобразователь
АЭ. В трубопроводе также создается из­
быточное давление. Поиск утечки ведется
в две стадии: на первой определяют уча­
сток с утечкой, на второй устанавливают
ее местоположение. Оператор с прибором
перемещается от шурфа к шурфу и по
отклонению стрелки определяет участок
трубопровода с утечкой (используется
самая низкая частота регистрации АЭ),
затем локализует ее.
Обнаружение внутренних протечек в
запорной арматуре проводят при опрес­
совке участков трубопроводов. Герметич­
ность запорной арматуры контролируют
следующим образом. Закрывают запор­
ный узел арматуры. На запорном элементе
создается перепад давления 1 ... 2 МПа.
Акустический зонд устанавливают на
корпус запорной арматуры или рядом с
ним на стенку трубы на расстоянии не
более 1 м. Акустическую эмиссию изме­
ряют в диапазоне частот 30 ... 100- кГц.
Данным способом удается зафиксировать
протечки в запорной арматуре порядка
4 ... 25 л/ч.
Контроль за прохождением переме­
щаемых по трубопроводам внутритрубных объектов (очистных устройств, раз­
делителей, приборов внутритрубной ди­
агностики) может выполняться двумя спо­
собами: контактно со стенки трубы с
использованием акустического зонда и
бесконтактно с поверхности грунта над
трубой с применением сейсмоприемника.
Вторым способом пользуются в том слу­
чае, когда нет доступа к стенке трубы или
близко расположенной задвижке. Чувст­
вительность прибора позволяет зафикси­
ровать приближение внутритрубного объ­
екта к точке контроля за 15 ... 20 мин до
его прохода (примерно за 200 ... 800 м в
зависимости от типа перемещаемого объ­
екта и скорости перекачки продукта). При
этом движение объекта сопровождается
характерным шумом в головных телефо­
нах и отклонением стрелки индикатора. В
момент прохождения по трубопроводу
объекта на пульте загорается цифровое
табло, а в телефонах появляется звуковой
сигнал частотой 800... 1000 Гц. При рабо­
те с сейсмоприемником острие его вдав­
ливается в грунт (зимой сейсмоприемник
устанавливается на грунт, очищенный от
снега). Помехой может быть шум от близ­
ко идущего транспорта.
Обнаружение мест частичной заку­
порки трубопроводов (при образовании
парафиновых или ледяных пробок, оста­
новках внутритрубных объектов) прово­
дится таким же образом, как и поиск уте­
чек на подземных трубопроводах. При
этом в первую очередь обследуют участ­
ки, на которых вероятность закупорки
наиболее высокая (задвижки, повороты,
низкие места).
1.2.2. Приборы и информативные
параметры АЭ-течеискания
Особенности АЭ-сигналов от течи и
специфика условий и объектов контроля
привели к созданию специализированных
приборов I течеискателей. Данные при­
боры относятся к IV классу по классифи­
кации РД 03-299-99 "Требования к аппа­
ратуре акустической эмиссии, используе­
мой для контроля опасных производст­
венных объектов". Акустические течеискатели различаются по частотному диа­
пазону принимаемых сигналов. Наиболее
часто используемые диапазоны: звуковой
диапазон от десятков герц до 20 кГц;
нижний УЗ-диапазон 25... 100 кГц; средний
и верхний УЗ-диапазон 0,1 ... 1,0 МГц.
АЭ ПРИ УТЕЧКЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Выбор полосы частот приема зависит
от ряда факторов: расстояния до течи (при
увеличении расстояния снижается верхняя граница частотного диапазона); распределения по спектру производственных
шумов; метода приема и др. Как правило,
помехи и шумы от работающих произволственных объектов (работающих насосов,
моторов, механизмов, протечек жидкости
в трубопроводах и дру) лежат в диапазоне
до 60 кГц. Их мощность с повышением
частоты снижается. Огибающая спектра
помехи с 10 %-ной относительной погреш­
ностью изменяется в соответствии с завиШИ|ЕаД|^|- ^•<■
2/*
л - У-'
^
симостью ехо(-Аг/'), где к = 6 • 10 кГц ,
/ - частота, кГц [30].
Спектры сигналов, генерируемых течью, занимают более широкую полосу,
поэтому переход в область частот выше
60 кГц позволяет в значительной мере
уменьшить влияние внешних помех. Частотныи диапазон рекомендуется ограни­
чивать по верхней частоте. С повышением
частоты полезный сигнал затухает, а соб­
ственные тепловые шумы прибора возрас­
тают из-за расширения полосы частот.
Кроме того, усиливается воздействие ра­
диопомех.
В зависимости от параметров ме­
шающих шумов, спектра сигнала и аку­
стических свойств объекта верхнюю гра­
ницу выбирают в пределах 100 ... 600 кГц
для контроля производственных объектов
и 10 ... 100 кГц - для контроля магистральных трубопроводов. В стандарте
ASTME 1211-87 в одном случае (при
испытании клапана сброса давления) использовался диапазон 5 ... 10 кГц, в дру­
гом (при испытании шарового клапана
морской воды) - диапазон 10... 100 кГц.
Чувствительность акустических течеискателей ограничивается собственными тепловыми шумами аппаратуры, которые составляют 2 ... 10 мкВ в зависимости
от полосы пропускаемых частот и качества аппаратуры (внешними мешающими
шумами могут быть дождь, снег, удары
посторонних предметов и мусора, ветер и
другие факторы, связанные с механиче-
79
ским воздействием на контролируемый
объект).
В соответствии с решаемыми задачами различают обнаружители течи и ука­
затели ее местоположения [30]. Однако
такое разделение условно, поскольку в
большинстве случаев по значению информативного параметра с определенной
точностью пытаются судить о месте утечки. Так называемым "браковочным признаком или критерием дефектности” для
течеискания в большинстве случаев является сам факт обнаружения течи.
Для определения координат исполь­
зуют такие способы, как поиск сигнала по
направлению, корреляционный и амплитудный.
Для установления направления блок
преобразователей поворачивают вокруг
общей оси до получения максимального
сигнала на выходе.
Максимум сигнала имеет место, когда источник сигнала находится на пря­
мой перпендикулярно отрезку, соеди­
няющему преобразователи. Достоинство
способа поиска источника сигнала по на­
правлению- получение наибольшего от­
ношения уровня сигнала к уровню собст­
венных шумов. Недостаток заключается в
двузначности указания направления к те­
чи. При контроле ряда объектов, напри­
мер сосудов, этот недостаток можно уст­
ранить, определяя место течи методом
триангуляции. Для этого направление к
источнику течи определяют из двух-трех
разнесенных точек.
Для локации течи в объектах с за­
крытым доступом к поверхности приме­
няют корреляционный способ, который
заключается в нахождении на оси времени
задержки максимума взаимной корреляционной функции сигналов от источников, расположенных между разнесенными
преобразователями АЭ. Задержка пропорциональна расстоянию до источника,
Принцип работы устройств, основанных
на амплитудной локации, заключается в
сравнении амплитуд акустических сигна-
80
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
лов, принимаемых в различных точках
поверхности объекта контроля. Координаты источника определяют по известному
затуханию акустических колебаний в выбранном диапазоне частот. Способ амплиподходит для
контроля закрытых объектов сложной
конструкции.
Акустические течеискатели, используемые в промышленности, типа ИСТ-3 и
ОМТ-1Э (разработка НПО "Дальстандарти), относятся к подклассу обнаружителей утечек. Прибор ИСТ-3 предназначен для поиска утечек жидкостей и газов в
трубопроводах, сосудах, работающих под
давлением, и запорных устройствах.
Принцип действия прибора основан на
измерении средневыпрямленного значе­
ния (уровня) и мощности акустических
сигналов. Прибор ОМТ-1Э служит для
обнаружения малых утечек преимущест­
венно в запорной арматуре.
Простейшими определителями на­
правления к течи являются приборы
АТ-1Э и ТУКП-1 (разработка НПО 11Дальстандарт"). Это переносные малогабарит­
ные приборы, позволяющие путем ручно­
го сканирования быстро установить место
течи. Двухканальный акустический течеискатель АТ-1Э предназначен для обнаружения и определения направления к течи
жидкостей и газов в трубопроводах и сосудах, работающих под давлением. Течеискатель ультразвуковой контактный
переносной ТУКП-1, являющийся анало­
гом прибора АТ-1Э, предназначен для
эксплуатации в сложных условиях высо­
кой влажности, коррозионной среды, по­
вышенных перепадов температур и дав­
лений.
В комплект к прибору ТУКП-1 вхо­
дит имитатор сигналов утечки ИУ-1, по­
зволяющий проверить чувствительность и
правильность показаний направления к
течи. Генератор шума, встроенный в ими­
татор, вырабатывает шумовой сигнал в
полосе частот 20 ... 250 кГц. Шумовой
сигнал подается на пьезопреобразователи,
расположенные на волноводе — металлическом стержне с концами, выполненными в виде конусов с малыми углами при
вершине. Конусы покрыты пористой редля
кой волновод имитирует объект бесконечной длины. С помощью излучателей в
волноводе можно создать режим бегущих
волн, направление распространения которых определяется тем излучающим преобразователем, который в данный момент
возбуждается.
Для локации течей в стационарных
условиях используется прибор ОКТ-1
(разработка НПО "Дальстандарт"), пред­
назначенный для определения местона­
хождения течи в сосудах, работающих
под давлением, в трубных досках тепло­
обменных аппаратов.
Для контроля магистральных трубо­
проводов используется переносной АЭтечеискатель АЭТ-1МС (разработка НИИ
интроскопии ТПУ, Томск). Прибор состо­
ит из акустического зонда и пульта с ор­
ганами управления и коммутации, соеди­
ненных между собой кабелем. Питание
прибора - от батарейного блока, смонти­
рованного в пульте управления. В комплект поставки входят также сеисмоприемник, магнитный держатель акустического зонда, головные телефоны, кабель
длиной 10 м. К прибору дополнительно
поставляются кабель длиной 50 м, бур
ручной (для шурфовки грунта) диаметром
80 мм, штангодержатель акустического
зонда. Прибор регистрирует сигналы АЭ
(шума) в узкой полосе диапазона частот
10 ... 150 кГц с помощью стрелочного из­
мерителя. Пороговая чувствительность
прибора 8 ... 25 л/ч, точность локализац и и - 5 ... 10 м.
1.3. АЭ ПРИ ТРЕНИИ
ПОВЕРХНОСТЕЙ И
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Процессы трения сопровождаются
акустическим излучением, преимущест-
АЭ ПРИ ТРЕНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
венно непрерывного типа в широком диа­
пазоне частот. Считается, что при трении
твердых тел возникают три вида колеба­
ний [94]:
• автоколебания, образующиеся в
результате изменения статистических,
динамических или кинематических усло­
вий сопряжений твердых тел;
• эмиссионные сигналы в объеме
тела (непосредствен!*) АЭ материала),
вызванные пластическим деформировани­
ем, структурно-фазовой перестройкой и
разрушением поверхности трения;
• поверхностные волны.
Эти процессы взаимосвязаны и по­
этому их можно отнести к области АЭ.
Исследования закономерностей и
механизмов возникновения АЭ при тре­
нии позволяют выявить и оценить пара­
метры сложных физических процессов
данного явления [86, 93].
1.3.1. Источники АЭ при трении
твердых тел
Особенностью акустических явлений
в динамическом фрикционном контакте
является множество одновременно дейст­
вующих акустических источников раз­
личной природы и параметров (энергии,
частотного спектра, статистических ха­
рактеристик); эти источники случайно
распределены в контактирующих поверх­
ностях.
Среди основных источников АЭ при
трении можно отметить: ударное взаимо­
действие микровыступов контактирую­
щих поверхностей, процессы разрушения
фрикционных связей и структурно­
фазовой перестройки материалов, образо­
вание и развитие трещин и микротрещин
в поверхностных слоях взаимодействую­
щих тел, отделение частиц износа [94].
Ввиду сложности процессов, происходя­
щих на взаимодействующих поверхно­
стях, в настоящее время не удается уста­
новить общие закономерности, количест­
венно описывающие их феноменологию.
В трении участвует ряд физических про­
81
цессов, и выделить воздействие каждого
из них зачастую невозможно. Как и в слу­
чае анализа АЭ в материалах, АЭ при
трении следует рассматривать на микро-,
мезо- и макроуровнях. На микроуровне
сигнал АЭ связан с локальной перестрой­
кой структуры твердого тела, возникнове­
нием микродефектов, дислокационными
явлениями в поверхностных слоях взаи­
модействующих тел. К мезоскопическим
явлениям можно отнести дифракционные
и интерференционные явления при воз­
никновении фрикционных акустических
колебаний. Под их воздействием поверх­
ностные слои контактирующих материа­
лов входят в состояние "виброактивиза­
ции" как в зоне фактического касания, так
и вне ее. Активируются к развитию по­
верхностные дефекты (акустическая уста­
лость). Виброполе модулирует главные
контактные напряжения. Все это приво­
дит к структурно-энергетическим измене­
ниям в поверхностных слоях пар трения, а
также в зазоре сопряжения поверхностей.
Воздействие акустического поля при тре­
нии с жидкими смазками вызывает гидро­
динамическую и акустическую кавита­
цию. Кавитация сопровождается выделе­
нием газообразной среды и ионизацией
газового промежутка, что приводит к воз­
никновению трибохимических процессов
со значительной энергией активации. Под
действием пондеромоторных сил акусти­
ческого поля происходит коагуляция
твердых микрокомплексов, взвешенных в
твердой смазке. Это может обусловливать
создание дополнительных кавитационных
центров, разрушающих слой смазки.
На макроуровне источниками аку­
стического излучения являются в основ­
ном возникающие автоколебания контак­
тирующих тел в случае трения как сколь­
жения, так и качения. Автоколебания об­
разуются в результате взаимодействия
поверхностей трения и изменяются в за­
висимости от статических, динамических
и кинематических условий сопряжения. В
82
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
случае трения качения на параметры про
цесса существенно влияют амплитуда и
частота колебаний нормальной нагрузки и
в меньшей степени жесткость вибрирующего тела при его деформации в направ­
лении движения.
Несмотря на то что фрикционный
контакт дискретен, АЭ имеет характер
непрерывного стохастического процесса.
Строго говоря, этот процесс в общем слу­
чае является нестационарным. Это связа­
но с тем, ято площади всех пятен факти­
ческого контакта и контурных площадок
на вершинах выступов непостоянны, а
изменяются относительно средних значе­
ний, что приводит к соответствующим
изменениям контактного давления. Нестационарность процесса, выражающаяся
в сложной динамическои картине распределения деформаций и напряжений в поерхностных слоях трущихся тел, обусловливает и своеобразие акустических
явлений при трении.
Трение - это результат упругих и неупругих взаимодействий микрошероховатостей поверхностей твердых тел. В микрообластях фактического касания при
трении возникают мгновенные давления
большой величины. Процесс имеет ярко
выраженный характер удара. При ударном
взаимодействии микронеровностей время
от момента возникновения фрикционной
связи до ее разрыва составляет 10" ...
КГ6 с, что и определяет спектральный
состав сигнала АЭ.
Эффекты схватывания поверхностей,
фрикционный перенос, прорыв масляной
пленки сопровождаются качественным
изменением спектральных характеристик
АЭ. По результатам [94] в момент появ­
ления на дорожках трения кольцевых
микротрещин формировался устойчивый
эмиссионный спектр, близкий по форме к
"гауссовой кривой" с максимумом на час­
тоте 20 ... 40 кГц при исследуемой облас­
ти частот до 500 кГц. Параметры акусти­
ческого излучения отражают природу
происходящих процессов разрушения.
Поэтому для получения полной информа­
ции о кинетике этих процессов необходима одновременная регистрация нескольких параметров АЭ.
При анализе фрикционного разруше­
ния (износа) твердых тел установлена
корреляция между параметрами АЭ и ко­
личеством пятен касания, разрушающихся
с отделением частиц износа. Эти данные
основаны на предположении, что каждое
пятно касания является источником АЭ,
параметры которого определяются его
площадью, напряженным состоянием,
временем контакта. Кроме того, регистри­
руются только те источники АЭ, для ко­
торых пятна касания разрушаются с отде­
лением частиц материала и эффективный
радиус частицы изнашивания совпадает
со средним диаметром площадки контакта
(предположения справедливы, например,
в условиях микрорезания, абразивного
изнашивания хрупких тел).
Анализ теоретических и эксперимен­
тальных данных по источникам АЭ при
фрикционном взаимодействии показывает, что наибольшей энергией обладают
источники, активируемые образованием
исновых поверхностей, наименьшей
точники, связанные с пластической деформацией в контактирующих поверхностях. При контактировании разнородных
по электрическим свойствам тел (напри­
мер, в сопряжении полимер - металл) су­
щественный вклад в АЭ вносят акустиче­
ские источники, инициируемые электроадгезионными явлениями. Теоретическое
обоснование соотношений между пара­
метрами АЭ и характеристиками фрикци­
онных процессов требует учета комплекс­
ности и многообразия источников, коопе­
ративного характера их действия, а также
законов распределения источников по
номинальной площади касания.
1.3.2. Основные факторы, влияющие
на акустическое излучение во
фрикционном! контакте
Параметры АЭ, возбуждаемой фрик­
ционным взаимодействием тел, зависят от
АЭ ПРИ ТРЕНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
геометрических, механических, физиче­
ских и химических факторов. Наиболее
важным является геометрический фактор,
характеризуемый отношением глубины
внедрения выступа или величины сжатия
к радиусу единичной неровности. Этот
фактор влияет на распределение контакт­
ных напряжений в поверхностных слоях и
микрообъемах взаимодействующих по­
верхностей и существенно влияет на энер­
гетические и спектральные (временные)
параметры АЭ.
Следующим фактором является физико-механический, характеризующийся
отношением тангенциальной прочности
молекулярной связи к пределу текучести
материала основы. Он оказывает сущест­
венное влияние на энергетические пара­
метры излучения. В частности, если проч­
ность фрикционной связи выше прочно­
сти какого-либо из контактирующих ма­
териалов, то динамическое нарушение
связи (разрушение) происходит не на по­
верхности раздела двух тел, а в глубине
менее прочного материала (когезионный
отрыв) и сопровождается импульсами
значительной амплитуды.
Если нагрузка, действующая при
контакте поверхностей и адгезия не при­
водят к возникновению в зоне контакта
напряжений, превышающих предел теку­
чести, то имеет место упругое оттеснение
материала выступами контртела. При уве­
личении скорости перемещения энергия
эмиссии возрастает.
С увеличением длительности воздей­
ствия в результате фрикционной устало­
сти наблюдается износ материала. При
значительных нормальных составляющих
нагрузки, когда контактные напряжения
достигают разрушающих значении, на­
блюдается микрорезание. Оно возбуждает
АЭ, имеющую значительную мощность,
так как в этом случае активируются наи­
более энергоемкие источники излучения,
связанные с разрушением материала.
АЭ возникает на пятнах фактическо­
го касания (ФПК) контактирующих тел.
Для сопряжения полимер - металл при
малой удельной мощности трения наблю­
83
дается однозначная связь между суммар­
ным счетом АЭ и общей площадью ФПК.
Увеличение площади контакта приводит к
возрастанию суммарного счета [94]. Уве­
личение общей площади ФПК в экспери­
менте достигалось повышением нормаль­
ного давления. На среднем участке кри­
вой приращение суммарного счета про­
порционально приращению ФПК поверх­
ностей. При больших давлениях происхо­
дит определенное насыщение, связанное с
развитием пластической деформации, что
приводит к уменьшению контактных дав­
лений на единичных пятнах касания. В
случае стационарного процесса трения
суммарная площадь всех пятен остается
неизменной.
1.3.3. Д иагностика прирабаты ваемости
подвижны х сопряжении
Одним из очевидных применений
метода АЭ для контроля процессов, в ко­
торых трение играет существенную роль,
является контроль процесса прирабаты­
ваемости подвижных соединений. Под
приработкой понимается процесс измене­
ния геометрии поверхностей трения и
физико-механических свойств поверхно­
стных слоев материала в начальный пери­
од трения, обычно проявляющийся при
постоянных внешних условиях в умень­
шении работы трения, температуры и ин­
тенсивности изнашивания [94]. Износ по­
верхностей в этот период может достигать
20... 30 % допустимых значений.
Условия нагружения контактирую­
щих поверхностей, материал пары трения,
режимы трения влияют на длительность
приработки, которая может изменяться в
широких пределах, поэтому существует
много технических регламентов по при­
работке узлов трения. В большинстве
случаев оценка качества приработки кон­
тактирующих поверхностей выполняется
субъективно и с большими затратами
времени.
В традиционных методах оценки
степени приработки пары трения в каче­
стве контролйруемых параметров исполь­
зуются температура в зоне трения, коэф-
84
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
фициент трения, электрическое сопротивление контакта, величина упругой и пластической составляющих полной деформации поверхностных слоев материала в
локальной зоне. Однако эти методы ха­
рактеризуются низкими точностью и достоверностью результатов, требуют разборки узла трения, имеют ограничения по
исследуемых
В промышленности оценка времени
окончания приработки чаще всего прово­
дится по признаку появления так назы­
ваемого зеркала на поверхности трения и
по стабилизации скорости изнашивания.
В первом методе проявляются субъектив­
ность в оценке площади приработанной
поверхности и необходимость разборки
конструкции для замера износа. Второй
метод исключает возможность ускорен­
ных испытаний (экспресс-анализ).
Метод АЭ дает больше объективной
информации о процессе эволюции кон­
тактирующих поверхностей (приработки),
чем любой другой метод. Присутствие АЭ
при работе пар трения в любых условиях
(со смазочным материалом и без него),
выполненных из самых разных материа­
лов (металлов, керамики, полимеров и
т.д.), свидетельствует об универсальности
метода: не требуется дорогостоящей ап­
паратуры, изменений в конструкциях ис­
пытательных
машин или реальных
объектов.
Прирабатываемость пар трения, про­
цесс трения и изнашивания могут оцени­
ваться по ряду параметров АЭ, включая
скорость счета или мощность АЭ. Об
окончании приработки судят по достиже­
нию этими параметрами'постоянного зна­
чения. Для .повышения точности опреде­
ления момента окончания приработки
сигнал АЭ от исследуемого объекта сравнивают с сигналом от предварительно
приработанного (эталонного) образца.
1.3.4. Контроль изнашивания
механизмов
Поскольку параметры акустического
связаны
излучения непосредственно щЩШШШШ
размером и числом разрушаемых фрикци-
онных связей, то связь между этими величинами можно использовать для
тивной оценки процесса изнашивания
работающего механизма.
Разрушение фрикционной связи со­
провождается отделением частиц, форма
которых близка к сферической. Радиус
частиц соответствует радиусу разрушающегося пятна контакта. При отделении
частицы износа генерируется импульс
АЭ, длительность и амплитуда которого
пропорциональны диаметру частицы.
Размер частицы износа [94]:
L = c/(2F),
(1.109)
где с - скорость звука в материале объек­
частота максимума спектра АЭ.
та; F
Оценку повреждаемости поверхностей
трения можно проводить, анализируя из­
менение амплитуд непрерывной (при упругопластическом многоточечном контак
тировании) и дискретной АЭ (изнашива­
ние). Отношение максимальной амплиту­
ды дискретной АЭ к среднеквадратиче­
скому значению непрерывной АЭ свиде­
тельствует о степени поврежденности по­
верхностей трения. Исследования показы­
вают, что степень повреждения растет при
увеличении отношения. Скорость объем­
ного изнашивания металлов при абразив­
ном характере контактирования связана
со скоростью счета АЭ.
1.3.5. Диагностика состояния
антифрикционных покрытий и
смазочных слоев
При разрушении антифрикционного
покрытия или нарушении смазочного слоя
на контактирующих поверхностях, как
правило, происходит потеря работоспо­
собности пары трения. Момент разрушения покрытия определяют по возрастанию
силы трения (при ее непрерывной регистрации). Техническое состояние пары тре­
ния в реальных условиях можно устано­
вить лишь при разборке. Осмотр поверх­
ностей позволяет выявить такие дефекты,
как задиры, царапины, трещины и т.п.,
которые являются, как правило, следстви­
ем разрушения покрытия или смазочного
слоя на поверхности трения.
АЭ В ПРОЦЕССЕ КОРРОЗИИ
Метод АЭ при контроле состояния
покрытия или смазочного слоя представ­
ляет возможность разрушение антифрик­
ционного покрытия и нарушение смазоч­
ного слоя выявлять без разбора механиз­
ма, в процессе его работы. В качестве ин­
формационного параметра предложено
использовать скорость счета АЭ [93].
1.3.6. Контроль процессов
механической обработки
Механическая обработка включает в
себя деформирование (упругое и пласти­
ческое) и разрушение поверхностного
слоя обрабатываемого материала, а также
трение между инструментом и обрабаты­
ваемой деталью. Влияние технологиче­
ских параметров обработки материалов
(скорости резания, износа инструмента,
физико-механических свойств обрабаты­
ваемого материала) на параметры акусти­
ческого излучения обеспечивает методу
АЭ уникальные возможности контроля
процесса обработки в реальном времени.
Обнаружена корреляция между оп­
тимальными скоростями обработки мате­
риалов и характером изменения удельной
мощности АЭ. Контроль изнашивания
режущего инструмента в процессе выпол­
нения технологической операции весьма
важен в производственных условиях, осо­
бенно в автоматизированных линиях об­
работки изделий резанием. Традиционные
способы, основанные на анализе термоси­
ловых характеристик, не позволяют ре­
шить комплекс вопросов, связанных с
оптимизацией, контролем и управлением
процесса механической обработки. Они
малоинформативны, обладают низкой
разрешающей способностью и сложно­
стью применения в производственных
условиях.
Решение данной задачи возможно на
основе использования АЭ, возникающей в
зоне резания [86]. Интенсивность изна­
шивания режущего инструмента опреде­
ляется на основе анализа амплитудного
распределения сигналов АЭ.
85
1.4. АЭ В ПРОЦЕССЕ КОРРОЗИИ
1.4.1. Источники АЭ при коррозии
Процессы коррозии, как и другие не­
линейные явления в твердом теле, сопро­
вождает акустическое излучение [9].
Существует большое число видов
коррозии: сплошная или общая; местная локальная (точечная или пиггинговая);
межкристаллитная; поверхностная; хими­
ческая; электрохимическая; атмосферная;
газовая; коррозия под напряжением; кон­
тактная; при трении и др.
Коррозия происходит при химиче­
ском взаимодействии объекта в основном
с жидкой или газообразной средой. Чисто
химическая коррозия металлических объ­
ектов выражается в окислении металла и
восстановлении окислительной компо­
ненты коррозионной среды в одном акте
взаимодействия. Окисление металла в
растворе электролита и восстановление
коррозионной среды в процессе электро­
химической коррозии происходит в раз­
личных актах, разнесенных в пространст­
ве и времени. В процессе электрохимиче­
ской коррозии между металлом и средой
протекает электрический ток. Коррозия
металлов под напряжением сочетает в
себе химические и электрохимические
процессы с воздействием механических
нагрузок, что значительно ускоряет де­
градацию металла.
Выделение газов в процессе корро­
зии возбуждает дополнительное акусти­
ческое излучение в результате отрыва
пузырьков газа от поверхности металла, а
также отслоения и разрушения поверхно­
стной окисной пленки на металле выде­
ляющимся под пленкой водородом (при
точечной коррозии). Растрескивание и
отслоение образующейся на поверхности
металла окисной пленки происходит из-за
механических напряжений, возникающих
в ней в процессе роста пленки. Механиче­
ские напряжения образуются из-за разли­
чия физикб-механических свойств метал­
лической основы и растущей пленки.
86
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
При коррозии под напряжением АЭ
возникает в результате образования и раз­
вития трещины. Коррозия металлов под
напряжением часто приводит к разруше­
нию таких объектов, как магистральные и
промысловые трубопроводы, сосуды и
другие промышленные объекты. Как пра­
вило, при этой коррозии на поверхности
объекта отсутствуют следы дефектов, од­
нако металл оказывается пораженным
глубокими трещинами, которые могут
привести к катастрофическому разруше­
нию. Обнаружение коррозионного пора­
жения металла традиционными методами
НК и ТД весьма затруднено.
В производственных условиях до­
вольно часто встречаются случаи водо­
родного охрупчивания металлов, проис­
ходящие в атмосфере водорода при по­
вышенных температурах. Источником АЭ
в этом случае могут быть процессы выде­
ления по границам зерен молекулярного
водорода, паров воды, метана, создающих
повышенное давление в полостях, где они
выделяются, и разрушающих связь между
кристаллитами. При растрескивании в
результате разрушения связи между кри­
сталлитами происходит излучение упру­
гих волн.
Генерация АЭ происходит также:
при электрическом пробое пассивирую­
щих пленок на металлах и сплавах, сопро­
вождающем, например, точечную корро­
зию; при флуктуациях процесса корро­
зии, связанного с хаотическим протекани­
ем конкурирующих процессов разруше­
ния и образования защитной пленки [9].
Параметры АЭ коррелируют с флуктуация­
ми коррозионного тока и потенциала корро­
зии (электрохимический шум коррозии),
сопровождающими указанный процесс.
Несмотря на то что процессы корро­
зии весьма разнообразны, метод АЭ мо­
жет успешно использоваться для исследо­
вания и контроля различных стадий и ви­
дов коррозии, а также прогнозирования
коррозионного разрушения. Это обуслов­
лено тем, что параметры АЭ-процесса
отображают параметры процессов кор­
розии.
Как правило, сигнал АЭ, сопровож­
дающий процессы коррозии, —это непре­
рывный процесс, отдельные дискретные
(квантовые) составляющие которого не­
различимы, поскольку они представляют
собой поток малоэнергетических собы­
тий. При исследованиях коррозии с при­
менением метода АЭ используются сле­
дующие параметры АЭ-процесса: средне­
квадратическое значение сигнала (уровень
АЭ), амплитуда (амплитудное распреде­
ление), спектральная плотность, скорость
счета. Для непрерывного стационарного
процесса при правильном выборе уровня
дискриминации и соответствующей обра­
ботке результатов скорость счета пропор­
циональна уровню АЭ [9].
Протекание равномерной коррозии
при малых скоростях удается установить
по АЭ, связанной с образованием газовых
пузырьков (водорода, реже кислорода), их
отрывом от корродирующей поверхности
и разрушением после всплытия. Хотя кор­
розия идет непрерывно, регистрация
акустических сигналов, связанных с пу­
зырьками газа, носит дискретный харак­
тер. При больших скоростях, типичных
для ускоренных испытаний, регистриру­
ется непрерывная АЭ.
Коррозия
алюминиевого
сплава
Д16Т в 0,01 %-ном растворе NaOH при
комнатной температуре происходит с ми­
нимальной скоростью - около 2 мм/год.
Применение АЭ-метода показало [9], что
возможна регистрация процесса равно­
мерной коррозии, причем период повто­
рения импульсов, вызванных пузырьками
газа, в среднем составляет около 80 с.
Уменьшение концентрации щелочи при­
водит к увеличению среднего периода
регистрации. Повышения надежности
результатов можно добиться методом
корреляционной обработки данных о ско­
рости счета импульсов за равные проме­
жутки времени.
АЭ В ПРОЦЕССЕ КОРРОЗИИ
Пропускание через поверхность об­
разца поляризующего тока большой плот­
ности (до 250 мА/см ) увеличивает ско­
рость коррозии. Период повторения им­
пульсов существенно уменьшается и они
"налагаются", образуя непрерывную АЭ.
Анализ показывает наличие периодиче­
ских составляющих процесса с периодами
16, 8, 4 и 2 с (рис. 1.31). Эти эффекты свя­
заны с проявлением^электрохимического
фликкер-шума (шума со спектральной
плотностью G(m) = Aq / / а ,а «1).
Повышение температуры исследуе­
мых сред, естественно приводит к возрас­
танию скорости счета, происходящему по
■е ф - O I R T
. Оценка
закону Аррениуса N = шщ е
энергии активации дает значение 45 ...
50 кДж/кг • моль, соответствующее энер­
гии активации выделения водорода. Ав­
торы [9] используют достаточно широко
применяемый общий подход к изучению
температурной зависимости параметров
АЭ в процессах, активирующихся с рос­
том температуры. Выявляется темпера­
турная зависимость и с ее использованием
вычисляется энергия активации АЭ. В
данном случае указанная энергия сопоставляется с известными значениями энергий активации составляющих коррозионного процесса, после чего может быть
сделано заключение о механизме, контро­
лирующем коррозионный процесс.
Значительное число видов развитой
коррозии, таких как, например, межкристаллитная коррозия, инициируются то­
чечной (питтинговой) коррозией. В при­
сутствии галоген-ионов в коррозионной
среде становится возможным активирова­
ние поверхности объекта в отдельных
зонах. Такими зонами могут быть различного рода неоднородности: структурные
дефекты, неметаллические включения,
границы зерен и т.д. На этих участках
хлор-ионы вытесняют кислород с поверхности и способствуют началу развития
коррозии.
87
Рис. 1.31. Изменение скорости счета АЭ от
времени в процессе равномерной коррозии
сплава Д16Т при поляризующем анодном
токе плотностью 285 мА/см2 [9]
Между отдельными очагами зарож­
дения коррозионного процесса и остальной поверхностью возникает коррозион­
ный элемент, в котором анодами являются
питтинги, а катодом - поверхность объекта с разностью потенциалов порядка
0,5 В.
Процесс развития питтинга имеет не­
сколько стадий: электрический пробой
защитной пленки и начало проникновения
ионов в подповерхностный слой металла;
накопление в этом слое молекулярного
водорода; отслоение пленки вблизи места
пробоя под давлением выделившегося
газа; выход пузырька газа на поверхность.
Установлено [9], что АЭ регистрируется
надежно для процессов отслоения пленки
и выхода пузырьков.
В течение первых 1 ... 5 мин скорость
счета N и уровень й АЭ уменьшаются на
10 ... 200 %, достигая установившегося
значения. Активное излучение на началь­
ном периоде связывается с процессами
нарушения целостности окисной пленки,
излучение на более поздней стадии - с
ростом образовавшихся питтингов. При
рассмотрении в оптическом микроскопе
(400х) обнаружены вздутия пленки и питтинги диаметром до 10 мкм. Электронномикроскопическое исследование показало
наличие вздутий малого диаметра (порядка десятцх долей мкм) с отверстием в
центре и веерообразно расходящихся от
него трещинами.
88
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
1.4.2. Ускоренные АЭ-испытания
коррозионных процессов
Исследование коррозионных процес­
сов занимает много времени, поскольку
процессы коррозии относительно медлен­
но разворачиваются. Для ускорения ис­
следований влияния различных факторов
на параметры процесса коррозии исполь­
зуют повышенные концентрации агрес­
сивной среды и температуры, наложение
поляризующего напряжения и другие фак­
торы. Метод АЭ может послужить
эффективным средством контроля проте­
кания ускоренной коррозии, позволяет
избежать возможных ошибок, которые
также должны быть исключены методиче­
скими приемами. При выполнении уско­
ренных испытаний коррозионного процес­
са обеспечивались следующие условия Щ
1) механизм коррозии должен быть неиз­
менным; 2 ) состав и свойства испытатель­
ной коррозионной среды и среды, в кото­
рой будет работать изделие, не должны
существенно отличаться; 3) метод испыта­
ния должен учитывать условия работы
изделия: температурные, силовые и др.;
4 ) для каждой группы металлов и сплавов
должны быть разработаны свои методы
испытаний; 5) при оценке коррозионной
стойкости материалов и средств противокоррозионной защиты важно правильно
выбрать показатель коррозии; 6 ) при выбо­
ре метода ускорения коррозионного про­
цесса необходимо учитывать контроли­
рующий фактор: если скорость коррозионного процесса определяется скоростью
электрохимических реакций, то ускорять
следует ту из них, которая наиболее замедлена (при сравнимых скоростях ускорять
обе); если скорость коррозионного процес­
са определяется также сопротивлением
электролита, т.е. омическим падением потенциала, можно ускорить испытания, увеличивая электропроводность среды; 7) агрессивность среды должна быть неизменной: чрезмерное сокращение времени испытания путем увеличения агрессивности
среды может привести к изменению соста-
ва и структуры образующихся продуктов
коррозии и их распределения по поверхно­
сти; 8 ) при ускоренных испытаниях новых
сплавов или средств защиты целесообраз­
но параллельно испытывать родственные
сплавы или покрытия, по которым уже
имеются данные; 9) результаты ускорен­
ных испытаний необходимо сопоставлять с
данными по эксплуатации изделий, что
постепенно позволит накопить материал
для определения коэффициентов пересчета
и прогнозирования коррозионной стойко­
сти материалов в условиях эксплуатации
по данным ускоренных испытаний.
1.4.3. Определение склонности сплавов
к межкристаллитной коррозии
Межкристаллитная коррозия (МКК) эксплуатационный дефект, существенно
снижающий прочность объекта. Особая
опасность МКК состоит в том, что внеш­
ний вид объекта заметно не изменяется и
пораженные участки не выявляются дру­
гими методами НК. Традиционный метод
испытаний изделий и деталей на МКК
заключается в анодном травлении в тече­
ние 5 мин контролируемых участков по­
верхности детали, включенной в цепь потока
(плотность
тока
стоянного
элек­
0.65 А/см
тролита, содержащего 65 % H2SO4 и 0,5 %
ингибитора. Затем деталь промывают во­
дой, протирают фильтровальной бумагой,
изгибают под углом 90° и исследуют под
микроскопом. Склонность к межкристаллитной коррозии устанавливают визуально по наличию сетки непрерывных разрушений в местах анодного травления.
Субъективность визуального наблю­
дения исключает возможность количест­
венных оценок склонности материала к
МКК. Необходимость существенной механической деформации препятствует
выполнению контроля натурных изделий,
Метод АЭ позволяет получить количественные данные, ускорить испытания,
уменьшить влияние субъективных факто-
АЭ В ПРОЦЕССЕ КОРРОЗИИ
ров на результаты контроля. Акустиче­
ские сигналы излучаются в результате
появления на корродирующей поверхно­
сти газовых пузырьков, их отрыва от по­
верхности металла и разрыва на поверх­
ности коррозионной среды. Количество
газовых пузырьков связано с интенсивно­
стью МКК, что определяет связь парамет­
ров АЭ с параметрами коррозионного
процесса.
^
Эксперименты на образцах коррозионно-стойкой стали Х18Н10Т и дюралю­
миния Д16Т показали [9]: 1) плотность
поляризующего тока при испытаниях с
применением АЭ может быть выбрана
меньшей, по крайней мере, в 10 раз по
сравнению с традиционным методом;
2) для установления стационарной скоро­
сти счета достаточно 0,5 ... 1 мин; 3) воз­
можна более детальная градация резуль­
татов контроля и введение балльных оце­
нок склонности к МКК.
Уменьшение токов и длительности
их воздействия на объект контроля позво­
ляет избежать его повреждения, а также
исключить возможность участия другого
механизма в коррозионном процессе. При
применении метода АЭ время испытаний
сокращается от нескольких часов (затра­
чиваемых в традиционных химическом
или электрохимическом методах) до не­
скольких минут.
1.4.4. Исследования склонности
сплавов к коррозионному
растрескиванию
Коррозия металлов под напряжением
является одним из опаснейших процессов,
приводящих к разрушению промышлен­
ного оборудования. При коррозионном
растрескивании следы явной дефектности
поверхности отсутствуют, однако металл
поражен глубокими трещинами. Многие
ответственные узлы энергооборудования
работают именно в условиях, вызываю­
щих коррозию под напряжением. В ре­
зультате коррозионного растрескивания
на объектах атомной энергетики неодно­
89
кратно разрушались: тепловыделяющие
элементы (ТВЭЛы) активной зоны, пла­
кировка корпуса ядерного реактора, тру­
бопроводы первого и второго контуров, а
также пароперегреватели, дренажные ли­
нии, циркуляционный контур, болтовые
соединения и ряд других конструкцион­
ных элементов. Выявление коррозионного
поражения металла традиционными мето­
дами затруднено.
Причина коррозии оборудования, ра­
ботающего в сложных условиях, связана с
действием совокупности факторов: меха­
ническими напряжениями, составом и
структурой металла, ионным составом и
температурой коррозионной среды и др.
Коррозионное растрескивание
может
быть обусловлено двумя причинами [9]:
1) наличием микродефектов (дислокации,
карбиды по границам зерен и др.), на ко­
торых воздействие коррозионной среды
усиливается; 2) пробоем пассивной плен­
ки на металле в результате воздействия
анионов среды.
При развитии процесса коррозии под
напряжением происходит: продвижение
трещины и локализованная в устье тре­
щины электрохимическая коррозия. Тре­
щины распространяются под действием
механической нагрузки до остановки их
препятствием (границей зерна, включени­
ем), которое постепенно ослабляется кор­
розионной средой.
В случае испытания металлов на
склонность к коррозионному растрескива­
нию нагружают образец при одновремен­
ном воздействии коррозионной среды.
Применяют традиционные методы нагру­
жения: статическое растяжение, изгиб,
циклическое нагружение. Образец погру­
жается в агрессивную жидкость, которая
часто нагревается до кипения, чтобы сокра­
тить время до разрушения. Для ускорения
процесса испытаний в образце делают над­
рез и выращивают усталостную трещину.
Для коррозии под напряжением ха­
рактерны два вида сигналов АЭ - мощные
сигналы, связанные с продвижением тре­
щины, и сигналы малой амплитуды, свя-
90
Глава 1. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
занные с пластической деформацией и
непосредственно с коррозией. В момент
приложения нагрузки происходит рост
скорости счета АЭ и значений других па­
раметров, затем спад и в конце —повтор­
ное нарастание, связанное с ускоренным
ростом трещины.
1.4.5, Исследования АЭ в
наводороженных объектах
Наличие водорода в металлах суще­
ственно изменяет их сопротивление раз­
рушению, поскольку облегчает зарожде­
ние и рост трещин в металлах. Метод АЭ
позволяет изучить влияние водорода в
металлах на их свойства. В [3] при изуче­
нии АЭ в наводороженных объектах
предложена модель зарождения дискооб­
разной трещины в металле. Образование
трещины вызвано совместным воздейст­
вием водорода, собранного посредством
диффузии в кластере, и приложенной на­
грузки. Повышение локальной концен­
трации водорода приводит к уменьшению
поверхностной энергии, высокому давле­
нию молекулярного водорода в микропус­
тотах, понижению когезии решетки. В
результате становится возможным обра­
зование и развитие микротрещин в метал­
ле. Накопление водорода может происхо­
дить путем направленной диффузии в об­
ласти максимальных растягивающих на­
пряжений, а также при увлечении водоро­
да дислокациями. В голове дислокацион­
ного скопления, образующегося на пре­
пятствиях, наблюдается докальное повы­
шение концентрации водорода: оно ста­
новится существенно выше средней его
концентрации в объеме металла.
Даже при первоначально равномер­
ном распределении водорода в кристалли­
ческой решетке впоследствии в результате
диффузии происходит образование класте­
ров водорода, поскольку равномерное его
распределение по объему энергетически
невыгодно. Объединение в кластеры сни­
жает энергию системы металл - водород.
Приложение внешней нагрузки является
дополнительным фактором, способст­
вующим образованию водородных кла­
стеров и затем микротрещин.
Кластер можно представить в виде
диска радиусом гв ~ (20 ... 30)10 см и
толщиной b — вектор Бюргерса. Концен­
трация атомов водорода (например, для
железа) может быть порядка (10 ...1 0 “ )
см"3. В подобных условиях при наложе­
нии растягивающих усилий создаются
предпосылки для зарождения микротре­
щины дискообразной формы, и при дос­
тижении растягивающих напряжений в
месте их концентрации критической ве­
личины происходит образование дискооб­
разной микротрещины.
В экспериментальных исследованиях
АЭ-образцы предварительно наводороживают [9] посредством катодной поляриза­
ции в 3 %-ном растворе NaOH при плот­
ности тока 250 мА/см в течение 10 мин ...
6 ч. Испытания проводят при катодной
поляризации током с плотностью 0 ...
50 мА/см2. Отмечается, что различия ско­
рости счета АЭ существенно превосходят
различия поляризационных кривых. От­
личия велики уже при плотностях тока в
десятые доли мА/см\ АЭ растет до плот­
ности тока 20 ... 50 мА/см2, после чего
наступает насыщение.
Возможен следующий механизм ге­
нерации АЭ. В процессе наводороживания образца ионы водорода накапливают­
ся в дефектных полостях, где рекомбини­
руют. Образующиеся молекулы водоро­
да, обладая меньшей проникающей спо­
собностью, создают в полостях избыточ­
ное давление, величина которого зависит
от экспозиции. По мере выделения водо­
рода в полостях последние увеличивают
объем и приводят к разрушениям в гра­
ничных с полостями областях.
При исследовании роста трещины с
катодной поляризацией образцов из высо­
копрочной стали 4340 (США) с концен­
траторами напряжений и в условиях во­
дородного охрупчивания получены эмпи­
рические выражения, связывающие скорость счета АЭ N и скорость роста тре-
ДРУГИЕ ВИДЫ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
щины / с коэффициентом интенсивности
напряжений К:
N = a tf-K h
(1 П 0 )
/ = Ц К - К„),
где Ко - начальное значение коэффициен­
та интенсивности напряжений.
1.4.6. Контроль защитных покрытий
и ингиоиторов коррозии
Контролировать защитные покрытия
методом АЭ можно в процессе нанесения
гальванических покрытий (осаждением), а
также в процессе их испытаний. В про­
цессе осаждения гальванических покры­
тий АЭ возникает в результате наводороживания поверхностного слоя основного
металла при катодном осаждении металла
и в связи с растрескиванием наносимого
покрытия под действием механических
напряжений. Возможно также движение
дислокаций, вызванное проникновением
водорода в металл.
Различить АЭ при выделении газов и
растрескивании несложно. Образование
трещин сопровождается АЭ, имеющей
высокие скорости счета (до 104с”1). Обра­
зование пузырьков водорода создает ско­
рость счета менее 0,1 мин" . При отсутст­
вии сигналов от растрескивания и пу­
зырьков газа можно полагать, что АЭ не­
посредственно вызвана процессами осаж­
дения. Скорость счета при осаждении ме­
ди составляла 100 мин'1.
Отмечается также излучение акусти­
ческих импульсов поверхностью электро­
да при электрокристаллизации и раство­
рении меди. Амплитуда импульсов воз­
растала с увеличением тока осаждения.
Это явление можно объяснить изменени­
ем объема локальных масс выделяющего­
ся или растворяющегося металла, а также
импульсным характером процессов. АЭ
проявляется и при контактном выделении
серебра на меди из раствора AgNOj, меди
91
на железе из CuS04, при перекристалли­
зации металлических осадков, происхо­
дящей вслед за выключением поляриза­
ции,
В процессе испытаний покрытий АЭ
может использоваться: для регистрации
момента нарушения сцепления покрытия
с основой при механическом нагружении
образца или ином, например, при химиче­
ском или тепловом воздействии на обра­
зец; для определения момента нарушения
стойкости покрытия по возникновению
АЭ в результате проникновения агрессив­
ной среды к поверхности основного ме­
талла.
Испытания ингибиторов коррозии
могут быть проведены по прекращению
регистрации АЭ или резкому уменьше­
нию ее параметров после введения инги­
битора в коррозионную среду.
1.5.
ДРУГИЕ ВИДЫ
АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ:
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ТВЕРДОГО
ТЕЛА С ПОЛЯМИ, ИЗЛУЧЕНИЯМИ,
В РЕЗУЛЬТАТЕ ФИЗИЧЕСКИХ И
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В результате взаимодействия раз­
личных физических полей и излучений с
материалами возникает акустическое из­
лучение, которое можно использовать для
исследования материалов и контроля объ­
ектов. Выявлено, что при конденсации
пара происходит когерентная генерация
звука, природа которой аналогична при­
роде процессов излучения лазеров (см.
Котюсов А.Н., Немцов Б.Е. Акустический
лазер // Акустический журнал. 1991. № 1.
С. 123-129).
Наиболее широко используемым эф­
фектом является пьезоэлектрический, ко­
гда при воздействии на тело (с пьезоэлек­
трическими свойствами) электрического
поля внутри него возникают акустические
колебание и волны. Менее известен магнитопьезозффект, заключающийся в том.
92
Глава 1.
ЯВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
что электрический ток, образующийся в
пьезоэлектрике при его акустическом воз­
буждении, сопровождается изменением
магнитного поля, которое может быть
использовано для анализа информации и
расширения возможностей традиционных
пьезопреобразователей. Однако отнести
этот эффект к области АЭ было бы некор­
ректно, в том числе и по причине линей­
ности являений, порождающих акустиче­
ское излучение.
То же самое можно отнести и к явле­
нию магнитострикции, которое также является в определенном диапазоне воздей­
ствий линейным эффектом.
1.5.1. Магнитоакустическая эмиссия
Магнитоакусгическая эмиссия (МАЭ) явление акустического излучения, сопро­
вождающее процессы в твердом теле на­
ряду с проявлением эффекта Баркгаузена.
Известно, что при внешнем воздействии
на ферромагнетик, например воздействии
на него магнитным полем, в нем происхо­
дит изменение намагниченности. Этот
эффект, названный эффектом Баркгаузе­
на, связан со скачкообразным смещением
границ ферромагнитных доменов в маг­
нитном поле. Поскольку в твердом теле
это процесс динамический, он непремен­
но должен сопровождаться акустическим
излучением [72,152].
На пне. 1.32 поивелены зависимости
эффективного значения магнитоакустической эмиссии для ряда материалов
[152]. Для большинства' Fe-Ni-сплавов
эффективное значение МАЭ растет почти
линейно при увеличении магнитнои индукции до значений 0,2Bs, где Bs - индукСледует
ние на относительно небольшие величины
сигнала МАЭ, лежащие в диапазоне 3 ...
30 мкВ.
Акустическое излучение при перемагничивании твердого тела может быть
использовано наряду с эффектом Баркгаузена и позволяет контролировать все не-
U, мкВ
30 125
2 0 \-
15 10
-
5
О
Рис. 1.32. Зависимость эффективного
значения магнито-акустической эмиссии и
от относительного значения индукции
В/В„ где В j - индукция насыщения:
• - Ni; о - Fe-42Ni; ■ - Fe-47Ni; □ - Fe;
▲- Fe-36Ni
обходимые свойства объекта, т.е. структуру
дефектов, твердость и др. Однако у мето­
да АЭ имеется определенное преимуще­
ство, связанное с тем, что при использо­
вании эффекта Баркгаузена информация
поступает преимущественно из поверхно­
стных слоев материала, тогда как МАЭ
позволяет контролировать внутренние
объемы.
1.5.2. Контроль разложения
перекиси водорода
Метод АЭ можно применить для
обеспечения безопасной работы объектов
(промышленных, военной и авиационнокосмической техники), в которых исполь­
зуется перекись водорода. Для нее характерна повышенная склонность к лавинообразному разложению с ростом температуры, при этом выделяется большое количество кислорода, что неоднократно приводило к взрывам и катастрофическим
разрушениям. Традиционные способы
контроля стабильности перекиси относительно инерционны и требуют повышенного внимания обслуживающего персонала. Разложение перекиси сопровождается
ДРУГИЕ ВИДЫ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
АЭ, что позволяет оперативно (сокращение времени до 10 раз) и достоверно (контролируются все элементы системы) прогнозировать возможность взрыва. С помощью специализированных систем АЭ
(Гиевко А.И. и др. Акустико-эмиссионный
93
способ контроля стабильности перекиси
водорода. Пат. России № 2185619 от
20.07.02) можно проводить мониторинг
состояния перекиси, открывая новые перспективы для применения экологически
чистого, но опасного энергоносителя.
Глава 2
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ
НАГРУЖЕНИИ
Основными источниками АЭ, котоДЛЯ
ТД промышленных объектов, являются
пластическая деформация и рост трещин.
В некоторых случаях информацию о со­
стоянии объекта контроля несет АЭ от
фазовых превращений, которая регистри­
руется, например, в случае контроля про­
цессов сварки и термообработки. В дан­
ной главе основное внимание будет со­
средоточено на исследовании процессов
АЭ при пластической деформации и разрушении металлов. В гл. 1 рассмотрены
модели сигналов АЭ, формирование еди­
ничных импульсов АЭ, связь параметров
сигналов АЭ с параметрами динамических процессов в твердом теле. Исследооние носило физический характер и позволило сформировать некоторые основные представления об источниках АЭ,
процессах излучения упругих колебаний.
Основанные на фундаментальных физических моделях материалы гл. 1 не могут
дать непосредственных ответов на неко­
торые практические вопросы (например,
чем определяются параметры АЭ как процесса, отображающего деградацию объек­
та контроля, и как по параметрам'АЭ судить о техническом состоянии объекта и
др.). Рассмотренные в гл. 1 физические
модели источника АЭ позволяют описать
единичные события, носящие локальный
характер как в пространстве, так и во вре­
мени. Процесс деградации объекта форми­
руется из единичных, случайных событий,
требующих другого масштабного простран­
ственно-временного уровня рассмотрения.
Физические модели процессов де­
формации и разрушения [5], обладающие
относительной структурной простотой,
описывают трансформацию локальных
объемов твердого тела. Регистрируемые
при этом сигналы не содержат непосред­
ственно информацию о состоянии кон­
тролируемого объекта как несущей конст­
рукции. Поэтому необходимо рассматри­
вать объект, содержащий дефект, с помощью моделей и представлений механики
разрушения и механики деформируемого
твердого тела [75].
Для создания методик АЭ-контроля
объектов необходимо установить связь
параметров сигналов АЭ с параметрами
механики разрушения (для теоретических
моделей) и с параметрами развивающихся
дефектов (в экспериментальных исследо­
ваниях). Сравнение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными позволяет выявить деист(енность интегрирующих свойств АЭметода для исследования процессов раз­
рушения и определения технического со­
стояния объекта. Для этого необходимо
перейти от микроскопического и мезоскопического уровня рассмотрения процессов к макроскопическим моделям пласти­
ческой деформации и роста трещины,
принадлежащих
шения.
случайного
_
, ч,;;
пульсного процесса отображают параметры процесса пластической деформации и
роста трещины. Стохастичность АЭпроцесса связана со стохастичностью
структуры твердого тела, а моменты про­
цесса отображают те или иные сущест­
венные характеристики процесса разру­
шения.
Последовательный подход к созда­
нию основ АЭ как метода НК заключается
в выполнении ряда исследований, предва­
ряющих создание аппаратуры и нормативно-техническои документации, Результатом исследований должна явиться
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
разработка системы оценки источнико
АЭ, их классификация, критерии бракования. Для создания портрета источника АЭ
необходимо изучить параметры АЭ при
пластической деформации, образовании и
развитии трещин как основных причин,
приводящих к отказу оборудования.
Основные исходные требования к
производственному объекту связаны с его
способностью выдерживать номинальные
рабочие нагрузки. Существенная пласти­
ческая деформация и рост трещин свиде­
тельствуют об изменении свойств объекта
относительно расчетных значений. Объ­
ект при возникновении подобных нели­
нейных эффектов переходит из одного
состояния в другое. A S можно считать
акустическим проявлением поведения
механической (акустической) системы в
переходных условиях. В исходном поло­
жении акустическая система или объект
находится в некотором метастабильном
состоянии.
Данное состояние характеризуется
наиболее общими параметрами, одним из
которых является потенциальная энергия
Е\ - функция состояния системы. Любая
система стремится перейти в состояние с
меньшей потенциальной энергией. Пере­
ход сопровождается выделением некото­
рой части энергии, равной разнице энер­
гий начального и конечного состояния
ДЕ Р Ел - Еч- Как показано в гл. 1, энергия
переносится в рассматриваемом случае
акустическим сигналом в виде ступеньки.
Ранее этот сигнал был назван релаксационным сигналом АЭ [42], поскольку обусловлен релаксационным процессом, соответствующим переходу системы из метастабильного в локально стабильное состояние.
В конструкционных материалах, используемых для изготовления промыш­
ленных объектов, регистрируемая АЭ свя­
зана с двумя основными источниками:
пластической деформацией и образован ием и развитием трещин. АЭ, вызываемая
другими источниками, для контроля
95
промышленных объектов практически не
используется. Поэтому основное внима­
ние будет уделено АЭ от пластической
деформации, от образования и роста трещин в твердых материалах,
2.1. АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
Пластическая деформация наблюда­
ется в большинстве материалов и почти в
любом их состоянии; даже в структуре
алмаза отмечались пластические явления.
Для конструкционных металлов пласти­
ческая деформация имеет место практиче­
ски при любых уровнях нагружения. В
ряде случаев она может приводить к пре­
дельному состоянию, не допускаемому по
условию эксплуатации объекта. В других
случаях, когда отказ объекта вызван рос­
том трещин, пластическая деформация
является
сопутствующим
процессом,
предшествует образованию трещин и со­
провождает их развитие. Считается, что
развитие пластической деформации опре­
деляется свойствами твердого тела, про­
являемыми на мезоскопическом уровне
[19].
В связи со сказанным становится яс­
но, что изучение АЭ при пластической
деформации объекта должно стать обяза­
тельным этапом. Задачей является установление связей параметров пластической
деформации с параметрами АЭ. Пластическая деформация металлов определяется массовым образованием и перемещением дефектов кристаллической решетки
при ее нагружении. Главную роль в процессе пластической деформации играют
дислокации. Возможны два основных механизма пластической деформации скольжение и двоиникование, связанные с
образованием и движением дислокаций и
сопровождающиеся излучением упругих
колебаний.
Изучение АЭ, сопровождающей пластическую реформацию, позволяет получать новые сведения о механизме деформации. Практическое значение имеет ис-
96
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
пользование АЭ в качестве метода НК
конструкций.
Дислокационные механизмы АЭ.
По современным представлениям, пластическая деформация вызывается дисло­
кационными реакциями и поэтому АЭ
со
Скофилда
начиная
связывают,
[116,123], с теми или иными дислокаци­
онными процессами в металле: образова­
нием и аннигиляцией дислокаций, их
взаимодействием с препятствиями и т.д.
Существует большое число дислока­
ционных моделей АЭ. В [116] делается
вывод, что импульсы эмиссии вызывают­
ся лавинным размножением дислокаций
по механизму поперечного скольжения в
результате действия источников ФранкаРида с двойным закреплением и что ско­
рость счета пропорциональна плотности
подвижных дислокаций. В [148] при рас­
смотрении генерации дислокаций источ­
никами Франка-Рида получено соотношение
Подробное рассмотрение дислокаци­
онной модели АЭ представлено в [146].
Пусть / - площадь, "ометаемая" дислокаЦИей, при одном скачке деформации; /
(2 . 1)
При экспериментальном исследова­
нии АЭ наиболее часто используют сле­
дующие параметры: среднеквадратическое значение м; суммарный счет N\ скорость счета N = dNldt\ число импульсов
U
PmV0,
где и 2 - средняя мощность сигналов АЭ;
плотность подвижных дислокаций;
Рт
Vo объем рабочей части образца.
Джеймс и Карпентер [145] получили
связь
(2 .2 )
цщ т
’
Ж
где N - скорость счета. По оценкам этих
авторов, в каждом импульсе АЭ участву­
ют 105 ... 106 дислокаций, т.е. отрыв дисызывающии
ло-кации от препятствии
импульсы АЭ, носит лавинный характер.
О.В. Гусев и др. [28] уточнили эту модель
и получили соотношение
к*
А=р
(2.3)
т
где А
объединенный пара-
2 > .* i
т-\
метр АЭ; Nj - число скачков с амплитудой
ит; т принятое число уровней дискри­
минации амплитуды.
среднее значение / ; щ - число скачков в
единицу времени. Пластическая деформа­
ция одного скачка пропорциональна/ и
для
8 ос И0/ .
(2.4)
Дислокационными моделями пользо­
вались и для объяснения влияния на па­
раметры АЭ структурных изменений в
сплавах [116, 179], размера зерна в
поликристаллах [116, 169], энергии
[171]
и
дефектов
упаковки
др.
Пластическую деформацию металло
изучали
исследователи
многие
применением АЭ [25,42, 116, 109-114].
П араметры АЭ при пластической
деформации
■
ш
А^; активность
= dN^/dt; амплитудное
распределение; мощность W\ спектр ам­
плитуд или мощности.
АЭ при пластической деформации
представляет собой импульсный процесс.
Однако в большинстве случаев импульсы
от срабатывания отдельных источников
АЭ генерируются настолько часто, что изза "инерционности” канала распростране­
ния они сливаются друг с другом и обра­
зуют непрерывный процесс. В связи с
этим появляется необходимость в поясне­
нии некоторых параметров. Так, за число
импульсов можно принять среднее число
максимумов огибающей непрерывного
сигнала АЭ м(/), которую можно обозна­
чить значком м, за время /, превысивших
порог ип\ соответственно активность есть
97
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
производная по времени от числа импуль­
сов. Амплитудное распределение - рас­
пределение высот максимумов огибаю­
щей непрерывного сигнала АЭ. Спектр
мощности сигнала u(t) - образ Фурье его
корреляционной функции.
В практике АЭ-исследований иногда
используется параметр, равный числу из­
лученных импульсов АЭ из единичного
объема Ne(e). Этот параметр отражает
свойство материала излучать импульсы
АЭ при деформации единичного объема и
является, по существу, параметром мате­
риала. А. Поллоком предложено название
этого параметра - акустическая эмиссивность. Можно его также определить как
удельное излучение или удельную актив­
ность. Для стали А516 сорта 70 удельное
излучение (эмиссивность) составило, по
данным А. Поллока, 6 имп/мм3.
Значения эмиссивности для некото­
рых материалов представлены в табл. 2.1
[25].
Эмиссивность ряда материалов
Материал
Сталь (в состоянии
поставки)
СтЗ
20
35
40
45
15ХГСА
ЗОХГСНА
Сплавы алюминиевые
Д16М
Д1
АМцМ
Эмиссивность,
10”", имп • м3
0,8
0,6
0,95
1,3
1,4
1,3
0,4
4,6
0,6
0,09
сивность уменьшается соответственно
амплитудному распределению. Для ис­
следованных марок материалов и режи­
мов термообработки изменения химиче­
ского состава в пределах допуска не
влияют существенно на параметры АЭ
[25]. В общем случае эмиссивность зави­
сит от состояния в момент испытаний,
истории нагружения материала, темпера­
туры, при которой происходит деформа­
ция, и степени пластической деформации.
Однако если проводятся испытания при
использовании единообразной и регла­
ментированной методики, указанный па­
раметр позволяет сравненивать материалы
по значению этого параметра. В дальней­
шем можно рекомендовать проводить
испытания производственных объектов
только при наличии информации о значе­
нии данного параметра.
2.1.1.
О сновны е результаты
экспериментальны х исследований
АЭ при пластической деформации
Изучение АЭ при пластической де­
формации проводят в условиях одноосно­
го растяжения гладких образцов с при­
близительно постоянной скоростью де­
формирования 6. При этом деформация
удлинения £ = 8 / пропорциональна вре­
мени растяжения t и параметры АЭ можно
выражать как в функции е, так и в функ­
ции t. Результаты исследований гладких
образцов на растяжение с применением
метода АЭ позволили соотнести АЭ с ос­
новными закономерностями пластической
деформации металлов.
На рис. 2.1 [125] представлены зави­
симости скорости счета АЭ от деформанЙ
|
ции N (е), кривая нагружения для алюми­
ниевого сплава 7075-Т6 (А Н ,6 Си 2,5 Mg) с(е), а также зависимость плотно­
сти подвижных дислокаций по Гилману
(штриховая кривая). Кривая N (е) являет­
ся практически гладкой. Отдельные зубцы
(выбросы) т ней можно связать с разру­
шением включений. Максимум отвечает
началу деформационного упрочнения. В
щ
Данные табл. 2.1 получены при зна­
чении порогового напряжения аппаратуры
ип = 5 мкВ, приведенного ко входу преду­
силителя. При увеличении порога эмис­
4
—
4567
98
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
■
Рис. 2.1. Зависимость скорости счета АЭ N от деформации е
и кривая нагружения а(г) для алюминиевого сплава 7075-Т6 [125]
этом случае кривая N (г) хорошо описы­
вается известным уравнением Джонсто­
на-Гилмана (2.5), выражающим зависи­
мость плотности подвижных дислокаций
от пластической деформации:
Р = (Р0 + тре р)е
,
(2.5)
где Р - плотность подвижных дислока­
ций; Р0 - число исходных подвижных
дислокаций; тр - коэффициент размноже­
ния; гр - пластическая деформация;
jj. = Н/с (Я - коэффициент работы упроч­
нения; а - среднеквадратическое значение
сдвигового напряжения). Таким образом,
в этом случае можно наблюдать почти
полное совпадение формы зависимости
одного из параметров АЭ с зависимостью,
характерной для физики твердого тела
(см. так же [96,97, 137]).
Практически
полное совпадение
формы кривых скорости счета АЭ и плот­
ности подвижных дислокаций доказывает
дислокационную природу АЭ при пласти­
ческой деформации скольжением. Ско­
рость счета АЭ быстро увеличивается при
деформации ~1 %, при деформации ~2 %
она достигает максимума, после чего
плавно спадает (см. рис. 2.1). Вид зависи­
мости N (е), показанный на рис. 2.1, ха­
рактерен для металлов и сплавов с ГЦКрешеткой. Кривая подобного типа полу­
чается и для
среднеквадратического
значения сигнала АЭ.
На рис. 2.2 приведены зависимости
N (0 для ряда материалов, взятых из [28,
146]. В большинстве случаев наблюдается
связь между особенностями кривой растя­
гивающего усилия P(t) [пропорциональ­
ного напряжению о(/)] и "зубчатостью"
кривой N (о, t). Местам спада Р или а
Щ
отвечают резкие всплески N (0, что осо­
бенно заметно на участке, соответствую­
щем формированию полос Людерса. На
участке упрочнения зубчатость P(t) выра­
жена слабо, соответственно общий уро­
вень, а также степень зубчатости кривой
N (t) резко снижаются. Резкий спад P(t)
связывают с появлением новой полосы
Людерса, более мелкие спады - со скач­
кообразным
распространением
уже
имеющихся полос. Эта связь всплесков на
кривой N (0 со скачкообразностью кри­
вой деформирования четко проявляется
также для материалов, обнаруживающих
эффект Портевена-Лешателье за преде­
лом текучести.
I #
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
б'10,МПа
О
0,01
N'10~?UMn/c
б - ю , МПа
N,UMn/c
0,04 Е
0
99
2
4 Е ,°/о
щ
Рис. 2.2. Зависимость скорости счета АЭ iV и кривых нагружения
(усилия Р и механического напряжения а от времени t и деформации г при растяжении
образцов из различных материалов)
а - сталь 22NiMoCr3 [146]; б - a-Fe [28]; в - монокристаллы молибдена Мо <100 [146];
г -С т З [146]
АЭ для сталей 10ГН2МФА и 10. На
рис. 2.3 представлены зависимости среднеквадратического значения и от удлине­
ния Д/, полученные усреднением резуль­
татов испытаний пяти образцов из стали
10ГН2МФА и пяти образцов из стали 10
при скорости растяжения 2 -10'3 с '1. Уста­
новлено, что эти зависимости типичны
для сталей перлитного класса [129]. Пере­
ход от упругих к упругопластическим
деформациям сопровождается быстрым
Ч 7
'4*w кt
увеличением й и N до максимума. Даль­
нейшее пластическое деформирование
приводит к плавному снижению практи­
чески до уровня шумов аппаратуры в об­
ласти удлинения 6 ... 8 мм.
4
*
Испытания проводились с использо­
ванием гладких плоских образцов на рас­
тяжение (фотографию см. в Приложе­
нии /, рис. П1.1) с двумя парами отвер­
стий для предварительного обжатия. В
ряде случаев применялись гладкие цилин­
дрические образцы. Плоские образцы ис­
пытывались с использованием узла на­
гружения, представленного в Приложе­
нии I (см. рис. П1.2).
Вид закономерности изменения й для
обеих сталей подобен, однако для стали
10 можно отметить более низкий уровень
среднеквадратического значения АЭ и
наличие отдельных мощных импульсов в
области упрочнения. Такие сигналы ха­
рактерны для АЭ дискретного типа, свя-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ
100
0
и, мк В
2
4
6
а)
в
А1,мм
б, мп а
больших деформациях, в результате чего
происходит перераспределение напряже­
ний при увеличении степени пластиче­
ской деформации. В стали 10ГН2МФА,
имеющей более однородную бейнитную
структуру, релаксируют малые объемы
материала и непрерывная АЭ преобладает
во всем диапазоне деформаций.
На основании выполненных экспе­
риментов можно установить эмпириче­
ское соотношение, связывающее скорость
счета АЭ N для сталей 10ГН2МФА и
стали 10 со среднеквадратическими зна­
чениями и в виде
Ф
*'
f gA
9
' : SkellKJ
*
~
nfflU
Uп
U
N = се
6)
Рис. 2.3. Усредненные зависимости средне­
квадратических и значений АЭ от удлине­
ния Д/ при испытании гладких образцов на
растяжение для стали 10ГН2МФА (а) и
стали 10 (б); а - механическое напряжение
(кривая нагружения)
занного с растрескиванием неметалличе­
ских включений.
Графически зависимости скорости
от удлинения для стали
счета N
10ГН2МФА и стали 10 схожи с зависимостями среднеквадратического значения й
для этих же материалов, однако имеют
более резкий спад после достижения мак­
симума на пределе текучести. Результаты
были получены на тех же образцах, для
которых приведены зависимости й, при
усилении 97 дБ (для стали 10ГН2МФА) и
100 дБ (для стали 10) и пороге дискрими­
нации 1,0 В.
Различия параметров АЭ в сталях
10ГН2МФА и 10 можно объяснить влия­
нием неоднородности микроструктур при
(2.6)
где с - коэффициент пропорциональнозначение I которого
численное
сти,
приблизительно равно 85 • 104 для обеих
сталей. Однако для стали 10 соотношение
(2.6) выполняется только при дефор­
мациях, близких к пределу текучести, т.е.
на максимуме среднеквадратического
Щ
значения й и скорости счета N . Поэтому
данное соотношение справедливо только
АЭ.
В
области
непрерывной
для
упрочнения регистрируется АЭ дискретного
типа и нахождение связи скорости счета
N со среднеквадратическим значением й
теряет смысл.
Из приведенных экспериментальных
данных получено также выражение, свя­
зывающее среднеквадратическое значение
АЭ й с величиной пластической деформации ер и скоростью деформации е :
.0
-Ш
и
(2.7)
где Щ и d —константы эксперимента.
Выражение, связывающее скорость
счета АЭ и параметры пластической де­
формации, имеет вид
т
N - А ехр - м
-
1/2
u„ exp( d e D)
( 2 .8 )
Это выражение может быть аппрок­
симировано линейной зависимостью в
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
диапазоне исследованных скоростей рас­
тяжения (деформации). На рис. 2.4 приве­
дена зависимость максимума скорости
счета от скорости деформации для стали
10ГН2МФА.
Зависимость мощности АЭ от скоро­
сти деформации при различных удлине­
ниях образцов также носит линейный ха­
рактер. Экспериментальные данные во
всех работах, где проводились исследова­
ния зависимости параметров АЭ от скоро­
сти нагружения (деформации), свидетель­
ствуют о ее влиянии на параметры АЭ:
чем выше скорость деформации, тем
большие значения они принимают. Объ­
яснение этому может быть следующее:
чем выше скорость деформации, тем при
более высоких напряжениях происходит
пластическое деформирование образцов.
А более высоким напряжениям соответст­
вует большая скорость дислокаций при их
отрыве от препятствий. Все это приводит
к увеличению значений параметров АЭ.
Максимум скорости счета АЭ в рай­
оне зуба и площадки текучести (см.
рис. 2.1, 2.2) авторы [59] объясняют неод­
нородностью протекания деформации по
длине образца. Во всех материалах,
имеющих зуб и площадку текучести, де­
формация в этих областях происходит
путем распространения полос ЛюдерсаЧернова. В полосе деформация концен­
трируется в большей степени на ее фронте
толщиной в несколько десятков микро­
метров, где фактическая скорость дефор­
мации на пять-шесть порядков превышает
номинальную. Этим же объясняют мак­
симум параметров АЭ на начальной ста­
дии пластической деформации. Неодно­
родность материалов способствует гене­
рации импульсной АЭ.
Для АЭ непрерывного типа соответ­
ствующий сигнал u(t) имеет вид непрерывающегося радиосигнала, сходного с шу­
мовым. Но сигнал u(t) часто имеет вид
раздельных импульсных затухающих
радиосигналов, не перекрывающих друг
101
N• 10~,имп/с
Рис. 2.4. Зависимость максимума скорости
счета АЭ от скорости деформации для стали
10ГН2МФА
друга. Число их в единицу времени может
быть весьма небольшим, как это было
получено при испытаниях на растяжение
монокристаллов Zn [144]. В этом случае
говорят об АЭ дискретного или взрывного
типа. Как правило, подобная импульсная
АЭ имеет амплитуды, близкие к амплиту­
дам от продвижения трещины.
С другой стороны, имеются материа­
лы (сильно наклепанные металлы, неко­
торые мелкозернистые стали, мягкие
алюминиевые сплавы типа АМц), у кото­
рых АЭ при деформации почти не регист­
рируется (амплитуды и эффективное зна­
чение сигнала не превышает порога чув­
ствительности аппаратуры) и лишь на
подходе к окончательному разрыву об­
разца появляется некоторое количество
сигналов (обычно дискретных), связанных
с образованием трещин и резким увели­
чением скорости локальной деформации.
В [99] приведены детальные исследования
АЭ при деформировании и разрушении
ряда конструкционных материалов:
АЭ в алюминиевом сплаве АМгб
[99]. Для гладких образцов из сплава
АМгб характерно наличие как минимум
двух пиков скорости счета и амплитуды
АЭ. Начало развития пластических де­
формаций сопровождается появлением
пика амплитуды АЭ ит и уменьшением
скорости счета N . Затем, при росте наЩ
102
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
грузки на 5 ... 10% , следует пик скорости
счета АЭ N . Значение напряжения в этот
момент времени наиболее близко к значе­
нию
условного
предела
текучести
140 МПа, определенного по диаграмме
деформирования.
После прохождения предела текуче­
сти амплитуда АЭ вначале резко умень­
шается, а затем наблюдаются колебания,
что свидетельствует о неравномерности
развития деформационного упрочнения
поликристаллического материала АМгб.
Второй относительно большой максимум
амплитуды ит имеет место на участке де­
формационного упрочнения 280 МПа,
предшествующем ов. Вслед за ним ампли­
туда АЭ уменьшается вплоть до момента
разрушения образца.
При испытании образцов сплава
АМгб при температуре -196 °С (темпера­
тура кипения жидкого азота) вид зависи­
мостей параметров АЭ изменяется незна­
чительно. Напряжения, соответствующие
первому максимуму амплитуды мт, мень­
ше значения Оод примерно на 10 % для
всех испытанных образцов и скоростей
деформирования.
0
I
Первый максимум N имеет место
при напряжениях, в среднем равных 138,
144, 152 МПа [для скоростей перемеще­
ния активного захвата 1,67 • 10'4 м/с (или
2,38 • L0-3с '1), 1,67 • 10~3м/с (или 2,38 *1(Г2с_1)
и 3,33 • 10~3 м/с (или 4,76 • 10~2 с-1) соот­
ветственно] при комнатной температуре.
Эти напряжения меньШе условного пре­
дела текучести на 2,7; 5,6 и 4,0 % соот­
ветственно. При 77 К эти напряжения име­
ют среднюю величину 168, 174, 178 МПа,
а отклонения от предела текучести 3; 5,4 и
6,1 % соответственно. Второй максимум
N имеет место при напряжениях 315, 328
и 349 МПа (для скоростей перемещения
1,67 • 10"4, 1,67 • 10~3 и 3,33 • 1 0 3 м/с) при
комнатной температуре, что ниже предела
прочности на 12, 10 и 7 % соответственно.
При 77 К эти напряжения имеют величину
378, 380 и 392 МПа, а отклонения от пре­
дела прочности на 4,1; 6,9 и 7,3 % соот­
ветственно.
Вторые максимумы амплитуды сиг­
налов АЭ и скорости счета соответствуют
одним и тем же напряжениям, причем
разница между этими напряжениями и
пределом прочности весьма постоянна и
мало зависит от скорости деформации и
температуры испытания. Поэтому авторы
[99] считают возможным использовать
эти величины в качестве опорных точек
при разработке методики прогнозирова­
ния максимальной (разрушающей) на­
грузки при статическом нагружении об­
разцов по регистрируемым параметрам
АЭ. Следует заметить, однако, что зави­
симости параметров АЭ носят весьма из­
резанный характер с многими пиками,
среди которых не всегда просто выделить
"второй" по величине пик.
При низкой температуре процесс
пластического деформирования сплава
АМгб развивается более однородно, чем
при комнатной температуре; возможно
даже некоторое увеличение характери­
стик пластичности. При этом количест;енные значения параметров АЭ несколь­
ко снижаются. Так, характерные значения
амплитуды АЭ уменьшаются с понижени­
ем температуры испытаний от 293 до 77 К
соответственно скоростям перемещения
активного захвата 1,67 • 10"4, 1,67 • 10~3 и
3,33 * 10“3 м/с на 97, 59 и 76 % для первого
максимума и на 4, 36, 40 % для второго
максимума. Аналогичное уменьшение
характерных значений скорости счета
составило 63, 31 и 30 % для первого мак­
симума и на 8, 27 и 35 % для второго
максимума.
АЭ в стали 12Х18Н10Т [991. По­
скольку при охлаждении до криогенных
температур изменяется фазовый состав
этой стали, то можно ожидать влияния
температуры на значения как механиче­
ских, так и АЭ-характеристик, получен­
ных при испытаниях стали при темпера­
турах 293 и 77 К. В случае испытаний
гладких образцов при комнатной темпера-
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
103
U,MKBgQ
40
Рис. 2.5. Типичные зависимости скорости счета АЭ N, амплитуды АЭ и и
нагрузки о при растяжении образцов из стали 12Х18Н10Т при 293 К
и скорости деформирования, с-1:
а - 2,38 • 10 ; 6 - 2 , 3 8 • 10 , в - 4,76 • 10 [99]
туре (рис. 2.5) амплитуда АЭ итдостигает
своего максимума при напряжениях, со­
ставляющих 95, 146 и 186 МПа, которые
ниже условного предела текучести на
67,6; 54,9 и 44,3 % соответственно для
скоростей перемещения активного захвата
1,67 • КГ4 м/с (или 2,38 • 1(Г3 с-1), 1,67 х
х 10~3 м/с (или 2,38 • 1(Г2с '1) и 3,33 • 1(Г3 м/с
(или 4,76 • КГ2 с-1). Второй пик имеет ме­
сто при напряжениях 204, 248 и
257 МПа, что ниже значения условного
предела текучести на 30,6; 20,2 и 20,5 %.
Затем амплитуда АЭ уменьшается до ми­
нимального значения. После этого имеет
место подъем амплитуды при нагрузках
около 75 % предела прочности с после­
дующим спадом. При нагрузках около
92 % о„, начинается рост амплитуды АЭ,
заканчивающийся максимумом амплиту­
ды в момент разрушения образца.
Кривая скорости счета АЭ (при
Т = 293 К) в значительной степени соот­
ветствует графику амплитуды, отличаясь
большей "зубчатостью". Первый макси-
л
Ц
мум скорости счета iVmax имеет место
при напряжениях 282, 284 и 306 МПа, что
ниже условного предела текучести 00,2 на
4,0; 6,9 и 8,3 %, соответственно для ско­
ростей перемещения подвижного захвата
1,67 • 1O'4, 1,67 • 10‘3 и 3,33 ■ 10 '3 м/с. В
момент разрушения образца Nmax при
комнатной температуре возрастает.
При температуре жидкого азота
77 К вид диаграмм деформирования и
параметров АЭ принципиально изменяет­
ся. На диаграмме нагрузка - деформация
отмечается ярко выраженная площадка
текучести. Первому максимуму амплиту­
ды АЭ соответствуют напряжения 321,
362, 391 МПа, которые ниже условного
предела текучести на 26,9; 29,0 и 26,3 %.
Следующий пик амплитуды АЭ прихо­
дится на начало площадки текучести. По­
сле резкого спада амплитуда АЭ постоян­
но увеличивается и достигает ярко выра­
женного максимума при нагрузках, со­
ставляющий 91,6 ... 97,5 % предела проч­
ности материала.
104
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
График скорости счета при низкой
температуре имеет первый максимум
Nmax при напряжениях 272, 295 и 316
МПа, что меньше предела текучести на
38,1; 42,3, и 40,4 %. Еще один характер­
ный пик наблюдается в начале участка
деформационного упрочнения. Далее ско­
рость счета изменяется незначительно
вплоть до максимума
, предшест­
вующего достижению предела прочности
при напряжениях, меньших ов на 3 ... 6 %
для всех трех скоростей деформирования.
Характер графиков амплитуды и
скорости счета АЭ при испытаниях при
одинаковой температуре и разных скоро­
стях деформирования изменяется незна­
чительно. По данным [99], значения параметров АЭ возрастают в 1,5-3 раза при
увеличении скорости деформации на порядок, что заметнее проявляется при низкой температуре. Такие закономерности
прису щи и другим материалам [99].
При исследовании влияния темпера­
туры на параметры АЭ гладких образцов
установлено [59], что с понижением температуры испытания уменьшается пластичность и повышаются напряжения течения для большинства материалов (за
сплава
алюминиевого
исключением
АМгб), что приводит к росту скорости
счета и амплитуды АЭ: при 77 К в 2-3
раза относительно значений параметров
при комнатной температуре. Это связано
как с повышением напряжении течения,
так и со склонностью материала к еще
большей неоднородности деформации по
длине образца. Все это обусловливает
увеличение фактической скорости деформации и средней скорости дислокации и
приводит к повышению значений пара­
метров АЭ.
структурных факторов
АЭ. Все факторы, влияющие на пластиче­
скую деформацию, в той или иной степени должны сказываться и на параметрах
АЭ. Влияние типа решетки обнаружива-
ется в том, что у металлов с Г ЦК, дефор­
мация которых осуществляется в основ­
ном скольжением, наблюдается непре­
рывная АЭ. У металлов с ГПУ (Zn, Mg и
др.) и более сложной решеткой (Sn) реги­
стрируется АЭ дискретного типа [42, 132],
что обусловлено склонностью данных
металлов к двойникованию. Для металлов
с решеткой ОЦК дискретность связана с
их высокой энергией дефекта упаковки
(см., например, данные для монокристал­
лов Мо в [28]). В [77] при испытании об­
разцов из поликристаллического Zn на­
блюдали переход от скольжения к двой­
никованию при изменении скорости де­
формации; соответственно изменялись и
параметры АЭ.
Влияние энергии дефекта упаковки
исследовано в работах J.R. Frederick,
D.K. Felbeck, Е. Имаэда и др. [42, 116, 139,
171], но данные их противоречивы. Согласно [139], мощность АЭ растет с уве­
личением энергии дефекта упаковки. По
сведениям [116, 171], суммарный счет в
процессе разгрузки с ростом энергии де­
фекта упаковки снижается. Е. Имаэда [42]
обнаружил, что среднеквадратический
сигнал для металлов Ag, Си, Al, Ni, рас­
положенных в последовательности с воз­
растанием энергии дефекта упаковки,
имеет минимум для Си. Неоднозначность
результатов обусловлена, по-видимому,
неучетом влияния других факторов (на­
пример, размера зерна).
Введение примесей в чистый металл
с решеткой ГЦК, снижает общий уровень
мощности АЭ и увеличивает количество
дискретных сигналов на общем фоне непрерывной АЭ [148]. Предполагается, что
примеси создают дополнительные центры
закрепления дислокации, отрыв от кото­
рых требует более высоких напряжений,
чем отрыв от препятствий, характерных
для чистых металлов, например дислокаций леса. Появление дискретной АЭ может быть вызвано наличием интерметал-
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
лидных включений, как показано в [118]
для алюминиевого сплава 7075-Т6. Со­
гласно работам [143, 160], в низколегиро­
ванных сталях включения MnS являются
главным источником АЭ.
Легирование и структура сплава, ес­
тественно, оказывают большое влияние на
АЭ. Кривая N (г) для сплава может иметь
тот же вид, что и для чистых металлов, но
может быть и существенно иной [97, 129].
Так, например, для алюминиевого сплава
AlCuMg 2, по данным Цайтлера [129], по­
мимо пика в области предела текучести,
характерного для чистых металлов ГЦК,
имеется второй пик, который связывают с
появлением неоднородности пластиче­
ской деформации, вызванной дисперси­
онным твердением.
Хороший пример влияния структуры
сплава на параметры АЭ приводится в
[179]. На чистом сплаве А1-4Си обнару­
жен максимум энергии АЭ (которую по­
лучали интегрированием мощности за
время достижения удлинения образца на
1 мм) в функции времени отжига при
170 °С после закалки на твердый раствор
с температуры 540 °С. Предложена мо­
дель, качественно объясняющая это пове­
дение взаимодействием дислокаций с зо­
нами Гинье-Престона и некогерентными
частицами Э'-фазы. Однако остается необъясненным резкое расхождение времен
отжига, отвечающих максимумам АЭ
(2 ч) и твердости (2 ... 4 дня). Влияние
структуры изучалось также учеными
J.R. Frederick, D.K. Felbeck [116].
Методически показательными явля­
ются исследования АЭ при деформирова­
нии образцов из конструкционных сталей,
применяемых в мостостроении [180]. Ис­
пытаниям были подвергнуты две марки
промышленных конструкционных сталей
BS 4360, сорта 50D и 50DM, используе­
мых для морских платформ, и сплавы Fe-C.
Сорт 50DM имеет низкое содержание се­
ры и редкоземельных элементов и приме­
няется в напряженных элементах конст­
рукций морских платформ.
ш
105
а
С:
5:
Qj
:э
Б
*а:
с*.
с:
сэ
О 5 10 15 20 25 30 35
Пластическая деформация
Рис. 2.6. Зависимости нагрузка-деформация
для Fe-C сплавов и сталей марки BS 4360,
сорт 50D и 50DM. Участок упругой
деформации не показан [180]
Образцы с рабочими размерами
32 мм (длина рабочей части) и 24,3 мм
(площадь сечения), изготовленные так,
чтобы растяжение шло параллельно на­
правлению проката, нагружали с помо­
щью механической винтовой испытатель­
ной машины со скоростью 2,6 -10 с" . В
испытаниях использовался преобразова­
тель фирмы "Данеган-Эндевко" модели
S140B с резонансной частотой 140 кГц и
усилением аппаратуры 99 дБ. Уменьше­
ния шумов, возникающих в захватах ис­
пытательной машины, достигали про­
кладкой из фторопластовой пленки, по­
мещаемой в отверстия испытательных
образцов. Проводилось также обжатие
отверстий в испытательных образцах в
процессе предварительного нагружения
нагрузками, превышающими испытатель­
ные нагрузки.
Были проведены тщательные метал­
лографические исследования структуры и
химический анализ состава испытуемых
материалов. Анализ микроструктуры ис­
пользуемых сплавов Fe-C и сталей показал, что они подобны по содержанию уг­
лерода. В сталях, кроме того, имелись
включения MnS и MnjO^S. В стали 50DM
наблюдались также сферические включе­
ния сульфидов редкоземельных элемен­
тов. Химические составы металлов приве­
дены в табл. 2.2.
W
ш *I Я
р
106
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
2.2. Химические составы испытанных образцов |180|
Содержание элементов, % (по массе)
Мате­
риал
Si
С
50D
50DM
0,23
0,15
0,1 ...
сплавы Г,27
Мп
Р
Сг
S
Мо
Ni
Nb
А1
V
0,06
<0,02
0,08
0,007 0,029 <0,02
0,02 0,008 0,18
<0,02
0,01
0,037 0,025 <0,02
0,34
1,26 0,031 0,045
0,40
1,50
<0,02 <0,05 0,008 <0,01 <0,02 <0,02 < 0,02
if
—
—
—
РЗЭ*
—
Да
—
*РЗЭ | редкоземельные элементы.
2.3. Параметры включений в сталях [180]
Включения
50DM
Тип включений
Средний размер, мкм:
в продольном направ
лении L
в поперечном направ
лении Т
Число включении в де­
формируемой области
2,4 • 104
Коэффициент формы TIL
- церий, лантан, неодим и празеодим
В табли 2.3 представлены сведения о
включениях в стали BS 4360 сортов 50D и
50DM. '
*" Щ " Ш
Кривые нагрузка - деформация для
испытываемых образцов имели три харак­
терные области: упругая область от нуля
до предела текучести; область пластиче­
ского деформирования (~ 2,5 %, начиная
от предела текучести); область деформа­
ционного упрочнения, которая продолжа­
ется вплоть до области разрушения образ­
ца. Типичные кривые нагружения для ис­
пытательных образцов из рассматривае­
мых материалов приведены на рис. 2.6.
На рис. 2.7, а представлена зависи­
мость суммарного счета АЭ от содержа­
ния углерода в ряде материалов для упру­
гой области нагружения [180], на рис. 2.7,
б - влияние содержания углерода вблизи
предела текучести [53]. Для рис. 2.7, а
каждая точка представляет усредненные
данные по меньшей мере по трем измере-
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
ниям. Данные по этим измерениям отли­
чаются в 2-3 раза, что является не столь
значительной величиной уже регистри­
руемых изменений искомой величины,
составляющих два-три порядка. Причиной
различия акустической активности сталей
и сплавов было, по мнению авторов, от­
личие состава
ключении, поскольку
размеры зерна и содержание перлита для
исследуемых материалов были подобны.
Начальная активность АЭ в упругом
диапазоне деформирования была обнару­
жена на низких напряжениях, причем мак­
симум был при нагрузках порядка 40 %
предела текучести. Затем уже при нагрузках порядка 75 ... 80 % предела теку­
чести отмечался второй, более сущест­
венный максимум активности. Это может
быть связано с двумя различными меха­
низмами. Регистрируемую АЭ в области
упругого деформирования (до предела
текучести) авторы связывали с движением
стенок доменов. Исследованиями магнит­
но-акустической эмиссии установлено,
что перемещения стенок доменов и, сле­
довательно, активность АЭ уменьшаются
при увеличении содержания углерода.
Этот эффект наблюдался при росте со­
держания углерода до 0,8 %, но уже при
механическом растяжении он отмечался в
данных исследованиях и в упругой области. Другим источником АЭ в упругой области была микропластическая деформа­
ция, которая имеет место до наступления
общей текучести в образце. Показано, что
границы зерен (феррит/ферритные и феррит/цементитные поверхности) являются
важным источником дислокаций на ранних стадиях деформирования и, следовательно, источником сигналов АЭ в облас­
ти общей упругой деформации материала.
Большая АЭ-активность сталей по сравнению с активностью сплавов связана,
по- видимому, с включениями, поскольку
эти материалы отличаются только их наличием. Размеры зерна и содержание перлита в обоих типах металлов одинаковы.
107
КА
0
0,2
0Д
0,6
0,8
1,0
1,1
1,4
Содержание углеродау %
N , отн. ед.
а'
100
Содержание углерода , %
|
Рис. 2.7. Влияние содержания углерода
на суммарный счет АЭ:
- на упругом участке деформации образца
[ 180]; 6 - вблизи предела текучести [53];
х - охлаждение на воздухе; о - в состоянии
поставки; • —50DM; ■ ~ 50D
а
Растрескивание включений могло дать
существенный вклад в АЭ. Разрушались в
большей степени те включения, которые
располагались на поверхности.
Генерация сигналов АЭ в стали при
механических напряжениях вблизи преде­
ла текучести определяется содержанием
углерода, что связано с развитием процессов образования карбида (температурой
отпуска). Для сталей, не содержащих
кремний, максимум АЭ соответствует от­
пуску при температуре 300 °С. Кремний,
задерживающий процессы образования
карбида, сдвигает максимум АЭ в сторону
более высоких температур отпуска. Максимальное значение суммарной АЭ регистрируется $ря сталей, содержащих 0,1 ...
0,3 % С. Уменьшение содержания углеро-
108
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
да до уровня не более 0,03 % приводит к
уменьшению уровня АЭ. В безуглеродистом сплаве (Н18Т4, см. рис. 2.7, б) с мартенситной
структурой,
содержащем
~ 0,001 % С, непрерывная АЭ при напря­
жениях вблизи предела текучести не
регистрируется [53].
На АЭ кроме процессов, связанных с
наличием карбидной фазы (разрушение,
отслоение и т.д.), влияют перемещения
подвижных дислокаций, образующиеся в
процессе у-а-превращения (закалки ста­
ли). Деформационное старение мартенси­
та, приводящее к закреплению подвиж­
ных дислокаций, уменьшает АЭ вблизи
предела текучести. Считается, что увели­
чение суммарного счета АЭ при увеличе­
нии содержания С в области, превышаю­
щей 0,8 % С [180], связано с дислокаци­
онной активностью в свободном феррите,
который присутствует из-за деградации
структуры. Однако, учитывая, что коли­
чество такого феррита относительно не­
велико, маловероятно, чтобы суммарный
счет увеличивался столь значительно с
ростом содержания углерода. Более веро­
ятно, что поверхности раздела цементит феррит являются более мощным генера­
тором дислокаций (и АЭ), чем ферритферритные поверхности в малоуглероди­
стых сплавах. Дислокационная активность
может увеличиваться также с ростом
влияния проэвтектоидного цементита.
Для более полного понимания этих явле­
ний необходимы дополнительные иссле­
дования.
'
j%f
Амплитудные распределение АЭ для
рассматриваемого диапазона нагрузок
хорошо аппроксимируются выражением
типа п = а и ь, где b лежит в диапазоне
2,3 ... 3,1. Максимальные значения ампли­
туд достигают —100 мкВ. Однородность
закона распределения говорит о том, что в
распределение вносит основной вклад АЭ,
регистрируемая в области более высоких
напряжений.
В кривых нагружения описываемого
эксперимента характерными являются
деформации Людерса для образцов из
низкоуглеродистых сплавов и двух марок
сталей. Для высокоуглеродистых сплавов
деформации Людерса не наблюдались. В
полосах Людерса отмечалось отслоение и
растрескивание включений, причем вна­
чале растрескивались включения больших
размеров. Отслаивались включения значи­
тельно реже, чем растрескивались (90 ...
94 % всех случаев). В области деформи­
рования, соответствующей формирова­
нию полос Людерса, растрескивание и
отслоение включений происходило пре­
имущественно на поверхности образца.
Растрескивание цементита наблюда­
лось в гиперэвтектоидных сплавах, при­
чем разрушались преимущественно час­
тицы, вытянутые вдоль направления на­
гружения. Разрушение происходило попе­
рек вытянутых частиц. Полностью разо­
браться в механизмах образования микро­
трещин при пластической деформации
весьма сложно. Например, в процессе пла­
стической деформации имеет место также
растрескивание перлитных колоний по
механизму сдвига. Этот процесс про­
исходит и при малых деформациях, одна­
ко вполне определенно идентифицируется
только при больших деформациях.
В области пластических деформаций
до 2,5 % предела текучести дислокацион­
ный механизм обусловливал генерацию
сигналов АЭ величиной меньше 0,06 мВ
для всех исследованных материалов [180].
Форма зависимости суммарной АЭ от
содержания углерода в зоне пластическо­
го течения подобна форме зависимости в
упругой области.
Для малоуглеродистых сплавов и
сталей эмиссия хорошо коррелирует с
появлением полос Людерса на кривой
деформирования. Однако в сталях отме­
чается большее число сигналов АЭ, чем в
сплавах, эквивалентных по содержанию
углерода. Это объяснялось большей дис­
локационной активностью, связанной с
увеличением влияния концентрации на­
пряжений на включениях.
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
а)
£
б)
€
в)
109
£
Рис. 2.8. Характерные зависимости эффективного значения АЭ при
растяжении гладких образцов из разных металлов [128]
В медных сплавах на АЭ оказывает
влияние закрепление дислокаций на примесных атомах, находящихся как в ядре,
так и в атмосфере дислокации. В твердых
растворах меди увеличение содержания
примесей Zn, As, Cd и Mg в диапазоне
концентраций 10-5... 10-3 приводит к снижению уровня АЭ, при этом высота пика
мощности АЭ Wmax линейно понижается с
увеличением энергии связи примесь дислокация, что объясняется увеличением
силы сопротивления движению дислокации и не связано с отрывом дислокации от
примесных точек закрепления. Начиная с
каждого легирующего элемента концен­
трации с*, высота пика мощности, наблю­
даемого в области предела текучести,
вновь возрастает и при этом существенно
зависит от таких структурных факторов,
как размер зерна и текстура отжига [60].
При растяжении одноосных медных
образцов пластическая деформация по
глубине образца протекает существенно
неоднородно. Сначала процессом пласти­
ческого течения охватывается поверхностныи слои, а затем постепенно вовлека­
ются последующие слои. При уровне на­
пряжения, соответствующем пределу те­
кучести, толщина поверхностного слоя со
следами пластической деформации не
превышает 100 мкм. Основным источни-
ком непрерывной АЭ на начальной стадии
пластической деформации является выход
дислокаций на поверхность кристалла [60].
Кривые зависимостей скорости счета
АЭ и других параметров для гладких образцов различных материалов весьма раз­
нообразны. Однако можно выделить некоторые закономерные связи АЭ с про­
цессом деформирования. На рис. 2.8 при­
ведены характерные зависимости эффек­
тивного значения АЭ для металлов,
имеющих различные типы кривых нагру­
жения [128].
Для первого типа кривых нагруже­
ния с явным зубом текучести и деформа­
цией, сопровождающейся распростране­
нием полос Людерса-Чернова, кривая
эффективного значения АЭ имеет два ви­
да (рис. 2.8, а). Вид / характерен для углеродистои стали, армко-железа и пред­
ставляет собой непрерывную АЭ с макси­
мумом в районе зуба и площадки текуче­
сти. Вид 2 кроме непрерывной АЭ содер­
жит импульсы большой амплитуды, свя­
занные с разрушением цементитовых пла­
стинок в перлите углеродистых сталей.
Второй тип кривых нагружения
(рис. 2.8, б) соответствует металлам с
ГЦК-решеткой (А 1, Ag, Си, латунь), угле­
родистых стилей при повышенной темпе-
110
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
U ,M KB
и ,м к В
N 10
б, МПа
Рис. 2.9. Зависимости эффективного значения и активности АЭ от деформация
на растяжение для гладких образцов:
а - из алюминия; б - из кадмия (скорость деформации образцов 2 • НГ4с !)
ратуре (> 250 °С). Импульсные сигналы
АЭ характерны для металлов Sn, Zn и свя­
заны с двойникованием. Латунь, алюми­
ниевые сплавы типа AlMg3 и AlZnMg3,
углеродистые стали при высоких темпе­
ратурах, сплавы на основе никеля описы­
ваются кривыми, представленными на
рис. 2.8, в. При деформации, соответст­
вующей пределу текучерти, наблюдается
максимум АЭ, далее образование и рас­
пространение деформационных полос
(эффект Портевена-Лешателье) сопрово­
ждается импульсами АЭ большой ампли­
туды.
Пик АЭ при деформации упрочняю­
щихся при старении алюминиевых сплаBOB AlCuMg2 (2024), AlZnMgCu (7075) и
AlSi 1OMg находится у предела текучести.
Такая же кривая АЭ, но имеющая второй
для
чие второго пика объясняется двойнико-
ванием (рис. 2.8, г). Для отожженных стаметаллов
ных холодной прокаткой аустенитных
также
ратуры с низкой чувствительностью, АЭ
не наблюдается вплоть до разрушения
образца (рис. 2.8, Щ Это объясняется ма­
лым путем скольжения дислокаций в зер­
нах. Зависимости активности (скорости
счета) АЭ от деформации также весьма
разнообразны, но их сводят к трем типам
[25], характерным для металлов, в кото­
рых протекает деформация скольжением
и двойникованием: для мелкозернистых
материалов, аустенитных и конструкци­
онных сталей.
Тип кристаллической решетки ме­
таллов во многом определяет и законо­
пластической
деформации,
от
мерности
которых в свою очередь зависят парамет­
р а АЭ. На рис. 2.9 для иллюст-
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
рации приведены кривые деформирования
гладких образцов, а также запись эффективного значения и скорости счета АЭ для
алюминия и кадмия, имеющих решетки
типа ГЦК и ГПУ соответственно (данные
К. Имаэда [42]).
Для большинства металлов макси­
мумы активности, скорости счета АЭ и
эффективного значения совпадают с пре­
делом текучести, что^юзволяет измерять
предел текучести по параметрам АЭ. По­
грешность измерения предела текучести
по максимуму скорости счета (активно­
сти) АЭ составляет ±0,5 % для материа­
лов, имеющих явно выраженную площад­
ку текучести, и ±(2 ... 5) % для материа­
лов без площадки текучести [25]. В этих
экспериментах
использовали
прибор
РПТ-1, позволяющий обнаружить возник­
новение пластических деформаций (в
стержневом образце) в объеме 0,2 см3 при
размещении пьезопреобразователя на рас­
стоянии до 3 м от источников сигнала.
На основе анализа закономерностей
пластической деформации с использованием АЭ выявлена зависимость активно­
сти АЭ от степени деформации [25]. По­
скольку активность является функцией
деформации и времени
N ? (s, / ) ,
(2.9)
то (2.9) можно представить в виде
№
где
\г / \
N eЩ
dN I
dt
_
dN z
I ~ Г
dNz дг
= Ns ( б ) £ ,
де dt
(2.10)
число импульсов на
г ае
единицу деформации, изменяющиеся в
зависимости от доли пластической де­
формации в единичной деформации; £ скорость деформации.
Распределение в единичной деформации между упругой и пластической
частями зависит от области деформации, в
которой находится образец. На площадке
текучести доля пластической деформации
превосходит долю упругой деформации и
Щ е) имеет максимум. Для материалов с
111
выраженной площадкой текучести максимум г (/) приходится на площадку текучести. Суммирование всех перечисленных
факторов приводит к тому, что активность
АЭ имеет максимум на площадке те­
кучести.
Влияние внешних факторов на АЭ.
Вид зависимостей АЭ и ее параметры свя­
заны с такими внешними факторами, как
скорость деформации г , длина L и объем
V0 рабочей части образца, температура и
характер напряженного состояния. Дан­
ные работ [25, 42, 145] позволяют предпо­
ложить существование соотношения
(2 . 11)
ШШШжо
где а - коэффициент, зависящий в общем
случае от деформации. При постоянном
сечении образца (2.11) примет вид
(2.12)
N = asL ,
предложенный Фишером и Лалли [132].
Эти авторы, исследуя монокристаллы Mg,
установили справедливость формулы
(2.12) даже при различных сечениях об­
разца, что, на первый взгляд, противоре­
чит соотношению (2.11). Однако нетрудно
представить ситуацию (наиболее вероят­
ную для монокристаллов), когда АЭ вы­
зывается образованием пачек скольжения
(или пластинок двойников), быстро пере­
резающих все сечение образца. Тогда АЭ
не должна зависеть от поперечного сече­
ния образца и будут выполняться условия
(2.12) и (2.11). Если же количество источников АЭ пропорционально объему, то
будет выполняться только условие (2.11).
Зависимость эффективного значения
АЭ от деформации и скорости ее измене­
ния для таких материалов, как медь, ла­
тунь, различные стали, можно аппрокси­
мировать выражением
s
(2.13)
где -1,5 <, Щ:< -0,5. Характерно, что для
большинства1»металлов (латунь, поликристаллические Си и Al) S = 0,5 [146]. Одна-
112
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
ко для монокристаллов Си S « 1, для алю­
миниевого сплава A lM g 3 S « 1,5.
В работах [137, 146, 148, 169] пока­
зана справедливость аналогичных завиДЛЯ
НОИ
и
Woe и2 = р ё V0.
(2.14)
Wccu2= Bi а\ zL.
(2.15)
Зависимость (2.14) свидетельствует,
по-видимому, о том, что мощность АЭ
пропорциональна флуктуации механиче­
ской мощности а г V0, затрачиваемой на
деформирование образца в процессе испытания (а - растягивающее напряжение).
Пропорциональность и2 величине V0 связана, очевидно, с тем, что число источни­
ков излучений АЭ в общем случае про­
порционально объему. Пропорциональ­
ность же и2 величине г следует, вероятно,
рассматривать как неизменность меха­
низма деформации в определенном диапа­
зоне условий: с увеличением г наблюда­
ется та же последовательность актов де­
формации, но за более короткий проме­
жуток времени. В этом можно усмотреть
автомодельность данного процесса. Правда, вместо N нужно использовать актив­
ность
Влияние порога дискриминации на
скорость счета АЭ- В [129, 146] обраще­
но внимание на то, что вид кривых скоро­
сти счета N (б) в значительной степени
зависит от выбранного порога дискрими­
нации ип. Влияние порога на скорость
счета (для непрерывной АЭ) иллюстриру­
ет рис. 2.10. Прямая 1 отвечает максиму­
му N (г) (г * 0,04 %), остальные прямые более высоким деформациям. Их можно
описать уравнением
N = Ж ехр(-амцХ
(2.16)
где N0 не зависит от е (что означает сходимость всех прямых на рис. 2.10 в полюс
на оси^ а а возрастает с увеличением в.
Для монокристаллов меди э'
торы нашли другое соотношение:
N = F0ехр(-р2
),
(2.17)
где F0 - резонансная частота преобразова­
теля; Р - константа, зависящая от е. Заме-1
Я
'С
10* г
Bt
Ш
. Поэтому косвенно зависимость
г позволяет предположить сущест­
N
вование пропорциональности между N и
. Экспериментальные данные, подтверждающие ее наличие, представлены в
[122,140].
В [153] высказано мнение, что вели­
чина N должна возрастать с увеличением
g быстрее, чем по линейному закону, так
как при этом возрастает доля событий АЭ
с повышенными амплитудами, дающих
большее число пересечений с порогом.
Эксперименты в основном подтвер­
дили рассмотренные связи параметров АЭ
параметрами процесса деформации.
Отмечается преимущественно линейная
зависимость скорости счета АЭ [25] и эф­
фективного значения й [42] от скорости
деформации.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 и п ,мВ
9
Рис. 2.10. Скорость счета N в функции
порога дискриминации и„ для поликристаллической меди при различных значе­
ниях деформаций (деформация возрастает в
ряде прямых 1-10, прямая 1 соответствует
максимуму N (б » 0,04 %) 1129,146]
(прямые 5-7, 9 на рис. не представлены)
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
113
■
тим, что в (2.16) и (2.17) N есть функция
е и м„, однако поскольку для активного
растяжения величина 8 пропорциональна
времени /, это равносильно зависимости
N (/, и„).
Амплитудное распределение сиг­
налов АЭ. Одним из наиболее важных
параметров АЭ при пластической дефор­
мации является амшщтудное распределе­
ние, показывающее, какое число сигналов
АЭ определенной амплитуды ит регист­
рируется при деформации объекта испы­
таний. Анализ распределения ит может
дать полезную информацию о процессе
деформации. Согласно опытным данным,
диапазон изменения ит может достигать
четырех порядков величины (80 дБ) и
больше.
Экспериментально амплитудное рас­
пределение получают в виде гистограммы
распределения максимумов сигналов АЭ,
т.е. максимумов огибающей ит. В случае
дискретной АЭ, когда сигналы не перекрываются, это действительно дает распределение амплитуд А отдельных импульсов. Непрерывная же АЭ является
суперпозицией отдельных импульсов, о
чем следует помнить при анализе резуль­
татов. Характерный вид амплитудного
распределения АЭ для конструкционной
стали А516 (сорт 70) приведен на рис.
2.11 (данные А. Поллока [42]).
Выражение для амплитудного рас­
пределения можно записать как
N(um) = {um/u n)~b ,
(2.18)
в логарифмическом виде оно имеет вид
log N(u m) = —*(log ит - log ип). (2.19)
т
Показатель Ь определяет наклон заДл пластичных материалов большинство сигналов имеет малую амплитуду и поэтому
наклон кривой амплитудного распределе­
ния Ь весьма велик. Значения показателя
Ь, полученные А. Поллоком (International
Рис. 2.11. Интегральное амплитудное
распределение при пластической деформации конструкционной стали:
Nj - число импульсов в i-м канале;
ит - число децибелов относительно 1 мкВ
Advances in Nondestructive Testing. 1981.
у . 7 . р. 215-239), для некоторых материалов приведены в табл. 2.4 [42].
Меньшие значения Ъ характерны для
деформации в высокопрочных хрупких
материалах, когда деформация осуществ­
ляется небольшим числом крупных скач­
ков, а также для роста трещин, тогда как
для малопрочных мягких, пластичных
материалов показатель Ь имеет большую
величину.
Значения амплитудных распределе­
ний импульсов АЭ равны b = 4,2 для слу­
чаев роста пластической зоны в стали
марки А516 и для роста трещины в усло­
виях коррозии под напряжением в стали
4340.
Изменение величины Ь в процессе
испытаний свидетельствует о смене механизма деформации и разрушения. Вид и
значения параметров амплитудного распределения влиякгг на обнаружение ис*
точников АЭ. Для амплитудного распределения с b > 3 ... 4 изменение усиления
аппаратуры либо расстояния от источника
до ПАЭ, либо выбор порога дискримина­
ции (и его изменения) существенно влияет
114
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
2.4. Параметр амплитудного распределения для различных
материалов и процессов
Материал
Процесс
Сталь:
А516
Рост пластической зоны
А537
Рост пластической зоны
Аустенитная (Х6 Cr Ni 18 11)
Рост пластической зоны, 550 °С
Аустенитная (Komarc 55)
Рост пластической зоны, 300 °С
HY-130
Ducol
сталь)
(низколегированная
Субкритический рост трещины
Субкритический рост трещины
(-135 °С)
4340
■
_ ; ■.<
Трещина в условиях коррозии под
напряжением
Ti-13Al-22Nb
Рост трещины и пластической зо­
ны
Испытания на растяжение
Cu-1 OGe*
Испытания на растяжение
Другие металлы
7075-Т6 А1
Неметаллические материалы
Фиберглас
Распространение трещины внутри
слоя
Графит-эпоксидный композит
Разрушения на поверхности при
термических напряжениях
Графит-эпоксидный композит
Внутренние разрушения при тер­
мических напряжениях
Фанера
Сдвиг по слоям перед разрушени­
ем
Сдвиг по слоям после частичного
разрушения
Резина
Стальной трубопровод
Испытания на растяжение
Воздействие дождя**
*[146], деформация двойникованием.
**Следует заметить, что помехи от "воздействия дождя" воспрепятствовали попытке
проведения АЭ-мониторинга царь-колокола в Московском Кремле в 1982 г.
115
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
на возможность обнаружения этого ис­
точника, тогда как для источника, харак­
теризуемого распределением с значения­
ми b < 1, изменения указанных парамет­
ров на 20 ... 40 дБ (в 10 ... 100 раз) может
не оказать существенного влияния.
В отличие от случая дискретной АЭ,
под амплитудным распределением непре­
рывной АЭ понимается одинарное рас­
пределение для огибающей u ( t ) процесса
АЭ £(/). Пусть т\(а, /) - плотность этого
распределения, т.е. т\(а, t)da - вероят­
ность того, что удовлетворяет условию
а < и т< a f da. В работах [129, 146] полудля
чены
пределений непрерывной АЭ. Амплитуд­
для поликристаллов
ное
можно представить как в виде
В
1 1 аехр(-а
и„),
(2 .20)
так и в виде
(т)
т Оп, 0 = 2(32ип ехр(-р2 ип ). (2.21)
Оба распределения нормированы на
единицу. Распределение (2.20) получено
также в работах [25, 101] для простых
углеродистых сталей, хотя в них наблю­
далась импульсная АЭ. По данным [146],
для сталей и сплавов, деформирующихся
с образованием полос Людерса, экспери­
ментальные данные лучше всего описы­
ваются
комбинацией
распределений
(2.20), (2.21). При не слишком высоких
значениях ип лучше выполняется (2.20), в
другом случае более хорошим приближе­
нием оказывается (2.21). Отметим, что
выражение (2.21) совпадает (при р, не
зависящем от /) с распределением Рэлея
для огибающей нормального стационар­
ного сигнала, известным из статистиче­
ской радиотехники.
К. Оно [160], рассматривая сигнал
АЭ как стационарный гауссовский процесс и используя известное в радиотехнидля
чайного сигнала за порог, определил, что
для узкополосного сигнала распределение
т(а, /) является рэлеевским, а для широ-
М,Дж
ь
10
5
AL Си NL
АдЛат Fe
V Та Mo Zn Z r Ti Cd Sn
"■ —
А AM
1
1
LJУ3 1Li ?
1
AI Си NL Ад Л ат Fe V Та Mo Zn Z r TL Cd Sn
Рис. 2.12. Параметры акустической эмиссии
для различных металлов и сплавов:
• и —среднеквадратическое значение АЭ;
о W —энергия события АЭ;
Ъ —параметр
наклона амплитудного распределения;
лат - латунь
кополосного - гауссовским, и экспери­
ментально показал, что рэлеевское рас­
пределение
хорошо
аппроксимирует
опытные данные для узкополосных и ши­
рокополосных условий регистрации сиг­
налов. Кроме того, автор [160] считает,
что степенное выражение для непрерыв­
ной АЭ непригодно.
Интересный пример амплитудного
распределения для поликристаллического
цинка представлен в работе [77]. Авторы
обнаружили двухмодальное распределе­
ние, в котором они связывают первый
максимум на низких амплитудах со
скольжением, второй максимум (на втрое
больших амплитудах) - двойникованием.
Показатели амплитудного распреде­
ления b различных материалов сущест­
венно различаются. На рис. 2.12 приведе­
ны средние статистические величины эф­
фективного значения м, энергии импульса
АЭ W, а также наклона Ъ амплитудного
распределения АЭ при пластической
деформации для некоторых металлов и
сплавов, полученные К. Имаэдой (цитируется по [42]).
Металлы и сплавы с решеткой ГЦК
(A l, Си, Ni, Ag, латунь) при пластическом
деформировании излучают много импульсов АЭ небольшой амплитуды и энергии.
АЭ такого типа регистрируется как не-
ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
116
прерывный процесс. Для них *арактерна
деформация скольжением. Металлы и
сплавы, имеющие решетку ОЦК (Fe, V,
излучают
большей амплитуды и энергии, а наклон
амплитудного распределения у них мень­
ший, т.е. доля сигналов с большей ампли­
тудой для этих материалов возрастает.
Металлы и сплавы с решеткой ГПУ (Zn,
Zr, Ti, Cd) деформируются двойникованием, при этом амплитуда и энергия АЭ
больше, чем для других металлов (олово
имеет структуру типа алмаза).
Влияние размера зерна на пара­
метры АЭ. Эксперименты показали, что
параметры АЭ существенно зависят от
размера зерна. Влияние размера зерна
поликристалла исследовано во многих
работах, но в них получены противоречи­
вые результаты. По данным Дж. Фредери­
ка и Д. Фелбека, приведенных в [42, 116],
суммарный счет для А1 имеет максимум
при размере зерна d —350 мкм (рис. 2.13).
Для образцов из чистого алюминия (99,99
%) максимум кривой расположен в районе
350 ... 400 мкм, при изменении размера
зерна в образцах —в диапазоне 10 мкм ...
1,6 мм. Однако согласно [148], мощность
АЭ монотонно возрастает с повышением
d, стремясь к значению, отвечающему
монокристаллу. В [179] приведены данные, согласно которым наблюдается монотонное снижение среднеквадратическодля
Щ р] описан монотонный рост суммардля
и сплава Zn —0,4А1. Курибаяси и другие
для
мость энергии АЭ от d с максимумом (при
d » 50 мкм) при частоте пьезопреобразо­
вателя 30 кГц и монотонное убывание при
частоте 140 кГц. По данным [117], для Си
суммарный счет, скорость счета и актив­
ность изменяются по кривой с максиму­
мом при do * 70 мкм (см. рис. 2.13).
Скраби и другие авторы [ 169] в весь­
ма тщательно выполненной работе, специ­
ально поставленной для разрешения
указанных противоречивых заключений,
установили для А1 99,999 монотонный
рост энергии Е (интеграл от мощности за
все время испытания) в зависимости от
интервале d - (0,46 ...
размера зерна
3,96) мм (диаметр образцов равен 3 мм).
Величина Е монотонно возрастает с уве­
личением d, стремясь к значению, харак­
терному для монокристалла, что согласу­
ется с данными [148]. Этот результат
авторы объясняют тем, что с ростом d
п ■10
0,Ч-
0,8
1, 2 d.MM
а)
Рис. 2.13. Зависимость числа импульсов АЭ от среднего размера d зерна
W
]
в алюминии (99,99 %) (116] (а) и зависимость суммарного счета N, скорости счета N и числа
1 Си 99,99 (117J
событий N* (б) от размера зерна для
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
увеличивается число надпороговых (обнаруживаемых) событий. Однако в той же
работе для высокочистого сплава А1 —
1,3 Мо в одинаковых условиях экспери­
мента получена зависимость с острым
максимумом. Расхождение, по всей вероятности, связано с различиями в объектах,
методах и условиях исследования.
Дж. Фредерик и Д. Фелбек [116]
предложили объяснение зависимости числа импульсов АЭ от размера зерна при
деформации
образцов,
пластическои
справедливое для зерен размерами по
крайней мере до 1 мм. При уменьшении
зерна увеличивается число препятствий
скольжению дислокаций в виде границ
зерна. Это должно увеличивать число ис­
точников АЭ, когда напряжения на границе зерна, создаваемые группой задержан­
ных дислокаций, инициируют срабатыва­
ние источников дислокаций в соседнем
зерне.
Однако при уменьшении размера
зерна число дислокаций в скоплении так­
же уменьшается, поскольку недостаточно
пространства для накопления большого
числа дислокаций. Действующие напря­
жения уменьшаются, что снижает энер­
гию импульсов АЭ и уменьшает вероят­
ность обнаружения источника АЭ при
сокращении размера зерна. Действие этих
двух конкурирующих механизмов приво­
дит к появлению максимума в зависимо­
сти числа импульсов АЭ от размера зерна
(см. рис. 2.13, а и б).
Механизм уменьшения величины па­
раметров АЭ вплоть до полного прекра­
щения регистрации АЭ, при уменьшении
размера зерна, можно получить в экспе­
риментах. Эффект "исчезновения" АЭ
описан в работах [83, 134] при переходе
сплава Zn - 0,4А1 из нормального состоя­
ния (d = 50 мкм) в сверх пластическое
(</ > 2 мкм). Следует подчеркнуть, что
исчезновения АЭ при пластической деформации нет. Можно предположить, что
прекращается только регистрация АЭ,
поскольку амплитуды сигналов АЭ при
117
сверхпластической деформации не превышают порога аппаратуры,
Хэмстед и другие авторы, исследо­
вавшие влияние двухосности нагружения
на АЭ алюминиевого сплава 7075-Т651
[136] и коррозионно-стойких сталей [137],
показали, что при таком нагружении сигналывысокие
АЭ имеют более
ды, чем в случае одноосного растяжения,
Кроме того, в первом случае сигналы по­
являлись раньше - уже в макроскопически упругой области, тогда как во втором
случае до начала пластической деформации АЭ незначительна.
При испытаниях образцов на растя­
жение на экспериментальных графиках
зависимости параметров АЭ от деформа­
ции для большинства материалов имеются
максимумы амплитуд и скорости счета
АЭ, расположенные в области условного
предела текучести. Эти максимумы в
большинстве случаев предшествуют пре­
делу текучести, но в отдельных случаях
могут и следовать за ним. В.П. Ченцовым
было предложено считать напряжение,
при котором регистрируется максимум
скорости счета АЭ, физическим пределом
текучести материала. Это позволяет дос­
таточно просто и без всяких условностей
определить предел текучести материала
даже для тех материалов, для которых
кривая деформирования является "глад­
кой" и не имеет никаких графических
особенностей, например, в виде площадки
или зуба текучести.
Большой фактический материал ра­
бот [25, 99, 109-114, 137, 144, 146] и дру­
гих позволяет отметить два обстоятельст­
ва: 1) данные об АЭ представляют наибо­
лее прямое доказательство прерывистости
(в пространстве и времени) процесса пла­
стической деформации, регистрируемое в
реальном времени; 2) случайный характер
сигнала АЭ является отражением случайного характера процесса самой пластической деформации.
О прямой связи АЭ со скачками пластической деформации свидетельствует и
АКУСТИЧЕСКАЯ
118
установленная Кайзером [81] в одних из
первых систематических и целенаправленных исследованиях в этой области необратимость АЭ (эффект Кайзера): при
разгрузке объекта и на упругом этапе повторного нагружения АЭ отсутствует,
пока не будет достигнут уровень напряжения, с которого проводилась разгрузка.
Очевидно, что эффект Кайзера является
отражением необратимости самой пластической деформации. Следует уточнить,
что правильнее понимать эффект Кайзера
не как полное отсутствие АЭ после цикла
разгрузка - последующее нагружение, а
лишь как уменьшение значений параметров АЭ по сравнению с первым нагружением. Так, в [116, 171] показано, что сигналы АЭ наблюдаются в процессе разгрузки и на упругом участке последующе­
го нагружения. Но при этом суммарный
счет на два порядка меньше счета, достигнутого перед разгрузкой.
Для ряда материалов установлено,
что при снятии нагрузки возникала АЭ,
хотя число зарегистрированных импуль­
сов было во много раз меньше, чем при
нагружении. АЭ наблюдалась и при последующих циклах нагружения - разгруз­
ки. Соответственно эффект Кайзера в
полном объеме не выполнялся. Высказано
предположение [116], что АЭ при разгрузке материала связана с эффектом
Баушингера, который состоит в том, что
сопротивление деформации уменьшается
в том случае, если материал был предварительно нагружен в противоположном
направлении. В терминах дислокационных представлений эффект Баушингера
заключается в следующем. При первоначальном нагружении образца отдельные
дислокации выгибаются и перемещают
впереди себя препятствие, например сетку
дислокаций, расположенных в других
плоскостях. Однако часть этих препятст­
вий прорывается и они остаются сзади
фронта переместившейся дислокации,
Плотность препятствий перед дислокацией больше, чем за ней. Поэтому при обратном движении дислокации сопротивление этому движению меньше. Кроме
того, дислокация начинает срываться с
точек закрепления, которые она приобрела при первоначальном движении, и преодолевать те препятствия, которые остались за фронтом дислокации.
В табл. 2.5 приведены данные для
показывающие
некоторых
металлов,
зависимость АЭ при разгрузке от
деформации Баушингера, полученные Дж.
Фредериком и Д. Фелбеком [116].
материалов
Материал
Тип кристалличе
ской структуры
Деформация
Баушингера, 10
Число импульсов АЭ
при разгрузке
А1 (99,99 %)
Сплав А1
Сплав А1
Латунь
Сплав Си-7,9А1
Mg (99,95 %)
12 400
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
Влияние повышенной температу­
ры на параметры АЭ. Важным во мно­
гих отношениях представляется изучение
влияния температуры на параметры АЭ.
Исходя из рассмотренных моделей пла­
стической деформации и учитывая влия­
ние температуры на процессы преодоле­
ния стопоров движущимися дислокация­
ми (в соответстви и кон ц еп ц и ей С.М.
Журкова [85, 90]), можно предположить,
что изменение температуры должно су­
щественно изменить и энергию АЭ.
Количественные данные о влиянии
температуры Т на параметры АЭ практи­
чески отсутствуют. X. Данеганом и А. Грином при испытании образцов из стали
А508 (0,22 С; 0,67 Мп; 0,61 Мо; 0,69 Ni)
сделана попытка показать, что мощность
АЭ зависит от Г по активационному зако­
ну [116]. Однако приведенных данных
недостаточно, чтобы принять безусловно
такой вывод. В пользу его говорит нали­
чие соотношений (2.14), так как для в
выполнение активационной зависимости
не вызывает сомнений. Более того, из
(2.11) и (2.12) следует, что эта зависи­
мость будет справедлива и для скорости
счета.
Для определения влияния повышен­
ной температуры были проведены экспе­
рименты (рис. 2.14) с использованием глад­
ких цилиндрических образцов из стали
14Х1МФГ (рис. П1.3). Образцы испы­
тывались при температурах 25, 800 и
захватов
составляла
Усиление аппаратуры было выбрано 91 дБ,
полоса частот 0,1 ... 0,3 МГц, резонансная
частота преобразователя 150 кГц.
На рис. 2.14 представлены зависимо­
сти суммарной энергии АЭ и нагрузки от
времени. Кривые деформирования образ­
цов и энергии АЭ подобны друг другу
вплоть до предела текучести. Величина
нагрузки и энергия АЭ снижаются при
увеличении температуры, что связано с
уменьшением энергии активации процес-
500
тс .
1 Г ^
0
щ
119
8
800°С
6
Ч
209-Р
1
0
12
0,8
0Л
0
Ч t.MUH
Рис. 2.14. Зависимость энергии АЭ от
времени при растяжении гладких образцов
при различных температурах окружающей
среды
сов образования и движения дислокации.
Энергия АЭ снижается в 5-6 раз при из­
менении температуры от 25 до 1100 °С.
Отмеченное явление вынуждает сделать
вывод о том, что энергия АЭ при образо­
вании и росте горячих трещин меньше,
чем энергия АЭ при аналогичных скачках
холодных трещин, что уменьшает вероят­
ность обнаружения горячих трещин при
высоких (800... 1400 °С) температурах.
АЭ при ползучести. К. Адамс и дру­
гие авторы (цитируется по [123, 131]),
вероятно, впервые исследовали "задер­
жанную АЭ" в бериллии. Так была назва­
на эмиссия, регистрируемая при нагружении образца постоянным напряжением (и
при постоянной температуре), т.е. в условиях ползучести. Испытания проводили в
интервале Температур от комнатной до
93 °С при напряжениях, близких к преде-
120
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
лу текучести. Было установлено, что ве­
личина N в функции времени ведет себя
аналогично скорости ползучести и может
быть описана суммой затухающих экспо­
нент:
П
( 2 .22)
N
М
где С/, Xi - константы, причем хорошее
описание отмечается лишь при п > 3. При
t = const величина N зависела от напря­
жения а согласно выражению
N =А ехрВ о,
(2.23)
где А, В - константы. Аналогичные данw
ные получены и для цинка при комнатной
температуре. В этом случае N (t) затуха­
ет, стремясь не к нулевой величине, как
следует из (2.22), а к постоянному уров­
ню, причем этот уровень достигается то­
гда, когда скорость ползучести тоже при­
нимает постоянное значение. Следовательно. и для Zn характер изменения N
во времени такой же, как и скорости ползучести. Э. Зигель [172] изучал АЭ в процессе ползучести поликристаллических
Al, Cd и РЬ при комнатной температуре.
Основной его вывод сводится к тому, что
кривая суммарного счета N(t) во всех слу­
чаях качественно сходна с кривой ползу­
чести е(/) и, следовательно, скорость счета
N (/) качественно сходна по виду со ско­
ростью ползучести ё (/). В [172] он пыта-
ется объяснить сходство кривых N (/) и
Ё (/) путем соединения "микродинамической теории пластичности" Гилмана и
дислокационной модели АЭ Седжвика
[170].
Теоретическое изучение АЭ при пол­
зучести может быть основано на фор­
мально-активационной модели пластиче­
ской деформации [110], в соответствии с
которой твердое тело представляется со­
стоящим из большого числа элементов
N - реоменов. Реомен - термин, введен-
ный в [23] и означающий "реологический
домен", т.е. элемент твердого тела, исход­
ное недеформированное состояние кото­
рого соответствует минимуму энергии.
Полагается, что каждый реомен обладает
двумя устойчивыми состояниями (потен­
циальными ямами, разделенными энерге­
тическим барьером): исходным — ненагруженный реомен; конечным - реомен,
претерпевший пластическое деформиро­
вание. Переброс реомена из одного со­
стояния в другое протекает термофлуктуационно, что позволяет воспользоваться
представлениями кинетических концеп­
ций процессов в конденсированных сис­
темах. Скорость активационного процесса
определяется вероятностью [90]
ЕмЧ
тт
U -уа
(2.24)
Р = Р0 ехр
ш
где U - барьер, соответствующий энергии
активации; у - активационный объем
(подробно эти параметры рассмотрены в
[90]). Аналогичным выражением описы­
вается вероятность выхода из второй по­
тенциальной ямы. Для ползучести, когда
| и Т постоянны, получены [110] значения
суммы импульсов АЭ и активности в
форме
N
ЯШ
( 1 - е " х') +
А;
ШЖ
где
N..P,
X
X
X
t , (2.25)
(2.26)
= р 0(/) + />,(/); Nv - общее число
реоменов в объеме.
Важно еще отметить, что, поскольку
каждому
импульс
связи пластической деформации и ее ско­
рости с суммарной АЭ и скоростью счета
в виде
(2.27)
е(о | < а д > |
в (/) = а N (t).
(2.28)
Полученные выражения описывают
процесс АЭ-ползучести в металлах. Для
АЭ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
аналогичного описания АЭ при пластиче­
ской деформации необходимо учитывать
факторы, обусловленные ограничениями
на объем деформации, т.е. истощением
ресурса для протекания деформации и
явлениями, тормозящими протекание пла­
стической деформации. По мере развития
пластической деформации увеличивается
число дислокаций, основной механизм
размножения который в металлах связан
со множественным поперечным скольже­
нием и действием источника ФранкаРида. Поэтому можно предположить, что
приращение числа дислокаций зависит от
существующего в данный момент числа
дислокаций, т.е.
,
аг
—f l(a N ),
(2.29)
где / 1 - обозначает некоторую функцию.
В выражении (2.30) функция / и показа­
тель отличает эту функцию от/ .
В результате размножения дислока­
ций при двойных поперечных скольжениях,
являющихся основным и наиболее важным
в конструкционных металлах, образуется
необходимое для пластической деформа­
ции количество дислокаций [19]. В недеформированных металлах длина свободно­
го пробега может превышать 10 мкм, дос­
тигая в монокристаллах величины / - 1 мм
[19]. Число дислокаций на единицу пло­
щади составляет Ns 1010 ... 1012 м' . Уве­
личение числа дислокаций в ограничен­
ном объеме тела приводит к увеличению
их плотности и соответственно уменьше­
нию длины свободного пробега. Плот­
ность дислокаций в сильно деформиро­
ванном металле достигает значения
Ns ~ 10!4 ... 1016 м ' , а длина свободного
пробега ~ 0,1 мкм и менее. Таким обра­
зом, по мере развития пластической де­
формации начинают работать процессы,
тормозящие ее, вызывающие также уп­
рочнение металла. Работают несколько
механизмов упрочнения, а именно взаи­
модействие дислокаций, образующих
структуру "леса" дислокаций, торможение
включениями и т.д. Приращение количе­
121
ства подвижных дислокации, участвую­
щих в формировании АЭ, начинает
уменьшаться
- j - = f 11(~bN ).
аг
(2.30)
Таким образом, деформация опреде­
ляется конкурирующими процессами на­
растания и спада приращения числа под­
вижных дислокаций. Уравнение, учиты­
вающее механизмы увеличения числа
дислокаций и последующее их уменьше­
ние в результате истощения ресурса (ог­
раниченность объема пластически дефор­
мирующегося тела), может быть пред­
ставлено в виде, аналогичном одной из
форм нелинейного уравнения развития,
которое используется в синергетике для
описания разнообразных процессов раз­
вития [ 104]:
Ш = a (B -b N ),
аг
(2.31)
где В - константа, равная числу реоменов,
которые могут претерпеть пластическую
деформацию, а член (-bN) определяет
процесс истощения источников АЭ; а константа пропорциональности. Общий
анализ нелинейного дифференциального
уравнения типа (2.31) достаточно сложен
и представляет самостоятельную задачу.
В рассматриваемом случае достаточно
знать тенденции процесса. Решение (2.31)
может быть представлено в виде
N
= I....
В ~ ABt
1+ с е
\
(2-32)
где с - константа интегрирования.
Выбором начальных условий и диа­
пазона изменения г можно добиться до­
вольно близкого соответствия экспери­
ментальным кривым. Выражение (2.32)
есть уравнение логистической кривой,
которая достаточно часто используется
для описания процессов развития разно­
образных систем с учетом ограниченно­
сти ресурсов. Аналогичный вид имеет
смещение чАстиц среды вблизи формиро­
вания поверхности разрушения твердого
122
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
тела. Уравнение (2.31), записанное в виде
системы, объединяющей уравнения типа
(2.29), (2.30), аналогично уравнениям,
описывающим работу лазера. В этом смыс­
ле можно провести также аналогию гене­
рации импульса лазера с процессом фор­
мирования единичного импульса АЭ связанного со скачком трещины, в предложенной модели [32]. В экспериментах, как
правило, АЭ-информацию представляют в
виде зависимости N (е), которую можно
получить, дифференцируя (2.32) по вре­
мени (учитывая в первом приближении
пропорциональность деформации време­
ни 8 ~ й;
-ы
(2.33)
N (t) - at t
Ф
при этом полагалось, что число подвиж­
ных дислокаций соответствует числу единичных импульсов АЭ; тогда N (/) есть
активность АЭ. Таким образом, зависи­
мость активности АЭ от деформации, ка­
чественно соответствующей зависимости,
полученной в эксперименте (см. рис. 2.1).
Спад регистрируемой активности АЭ,
■
следующий за максимумом в области пре­
дела текучести в деформационно-упрочняющихся материалах, связан в основ­
ном с истощением источников АЭ.
В материалах, для которых характер­
на большая пластическая деформация или
при создании условий сверхпластичности,
также отмечен спад активности, а в ряде
случаев и невозможность регистрации
АЭ. Этот эффект, как указано выше, оши­
бочно был интерпретирован как исчезно­
вение АЭ при сверхпластичности [83]. На
самом деле эффект спада активности свя­
зан с сокращением числа регистрируемых
импульсов АЭ при развитой пластической
деформации, обусловленного уменьшени­
ем амплитуды импульса с соответствую­
щим снижением вероятности превышения
порога. Данное предположение наглядно
подтверждает результаты экспериментов
[129], где показано, что спад зависимости
N (t) при деформациях, превышающих
предел текучести, становится менее вы­
раженным при уменьшении порогового
напряжения.
2.6. Ф акторы , влияющ ие на амплитуду АЭ
Повышающие амплитуду АЭ
Высокая прочность
Высокая скорость деформации
Анизотропность
I
Неоднородность
Увеличение толщины материала
Двойникование
•1
Разрушение отрывом
Низкие температуры
Дефекты в материале
Мартенситные фазовые превращения
Распространение трещины
Литая структура
Крупное зерно
Понижающие амплитуду АЭ
Низкая прочность
Низкая скорость деформации
Изотропность
Однородность
Уменьшение толщины материала
Разрушение сдвигом
Высокие температуры
Отсутствие дефектов
Фазовые превращения диффузи­
онного типа
Пластическая деформация сколь­
жением
Кованая структура
Мелкое зерно
123
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
Для эллиптического отверстия с ло­
Ф акторы, влияющие на АЭ (обобщение). Все физические и механические
луосями напряжения изменяются от носвойства материала при его деформироваминального напряжения он на далеком
нии находят отражение в параметрах АЭ.
расстоянии до максимального значения от
Общие качественные оценки влияния
на контуре отверстия. Согласно принципу
Сен-Венана это расстояние в 10 раз или
свойств материалов на АЭ сформулировал
более превышает величину зоны резкого
X. Данеган с сотрудниками [116]. Анизо­
изменения формы границы.
тропные материалы дают большую ам­
Максимальные
напряжения
при
на­
плитуду АЭ; с повышением степени ани­
личии
эллиптического
отверстия,
имею­
зотропии амплитуда увеличивается. Ма­
щие
место
в
вершинах
эллипса,
и
концен­
териалы типа олова, урана, бериллия, или
трация
напряжений
могут
быть
оценены
с
материалы, энергия решетки которых
использованием
выражений
[84]:
больше (решетка типа ГПУ), при дефор­
а
а
т
мации излучают сигналы более высокой
о+
=<*н + т ) ;
Кк
b
ан
амплитуды, чем материалы с решеткой
ГЦК. На амплитуду сигналов АЭ влияют
(2.34)
и упругие постоянные.
где а и Ъ - большая и малая полуоси эл­
Важное значение имеет история ма­
липса; Кк - коэффициент концентрации
териала - виды обработки, которые он
напряжений, представляющий собой от­
претерпел. У литых изделий и металла
ношение местного (максимального) на­
сварного шва, как правило, крупное зерно,
пряжения к номинальному.
малая плотность дислокаций, что приво- 1
Эллипс, для которого
знадит к излучению импульсов АЭ большой
чительно больше другой, можно испольамплитуды при нагружении материала; в
зовать для имитации трещины (а » й),
табл. 2.6 приведены факторы, влияющие
вводят радиус кривизны в вершине боль­
на амплитуду АЭ [116].
шей полуоси (вершине трещины) р = b /а.
Максимальное напряжение на контуре
2.2. АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
отверстия с ти концентрацию напряжений
на конце трещины Кк можно оценить с
Катастрофические разрушения про­
использованием выражений [84]:
мышленных объектов, как правило, связа­
ны с развитием трещин. По современным
а = а н(1 + 2 | ) | К к = - ^ - = (1 + 2
представлениям, любой технический про­
ан
мышленный объект содержит трещины
(2.35)
того или иного размера. Микроскопиче­
ские и мезоскопические трещины в боль­
Из приведенных выражений видно,
шинстве случаев не представляют непо­
что для круглого отверстия (а = Ь) коэф­
средственной опасности. Но трещины,
фициент концентрации напряжений равен
которые могут быть обнаружены и иден­
Kk ~ gJ oн “ 3. Для трещины, которая мо­
тифицированы техническими средствами
жет моделироваться сплющенным эллип­
сом, концентрация может быть весьма
НК и ТД, недопустимы. Вследствие этого
исследование АЭ при образовании и развелика, а напряжения при нагружении
могут превышать пределы текучести от и
витии трещин представляется весьма важ­
предел прочности о*. Следовательно, при
ной задачей.
нагружении объекта, изготовленного из
Главной характерной особенностью
конструкционного материала с дефектател с дефектами является концентрация в
дефектной области напряжения при нами< в зоне концентраторов в первую очегружении тела.
редь проходит упругая деформация, затем
(
1
2
124
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
пластическая деформация, за которой
следует деформационное упрочнение и,
наконец, разрушение.
2.2.1. АЭ в телах с трещ инами при
статическом нагружении
Принципиально новые возможности
исследования роста трещины представля­
ются при использовании АЭ в механике
разрушения. X. Данеган с сотрудниками
[116] одним из первых высказал предпо­
ложение о связи суммарной АЭ N с коэф­
фициентом интенсивности напряжений К:
N = aK 4.
(2.36)
Данный коэффициент связан с НДС
материала вблизи кончика трещины и ха­
рактеризует работу, затрачиваемую на
разрушение (вследствие этого его иногда
называют вязкостью разрушения). Он за­
висит от свойств материала объекта, его
геометрии, размера, формы и положения
трещины. Выражение вида (2.36) исполь­
зовалось X. Данеганом для описания АЭ
при росте трещины в различных материа­
лах, как в металлах, так и в композицион­
ных материалах [79].
Связь коэффициента интенсивности
напряжений с числом импульсов АЭ при
росте трещины (2.36) основана на сле­
дующих предпосылках. Увеличение на­
грузки на объект, содержащий трещину,
увеличивает действующее общее (номи­
нальное) напряжение и в особенности
локальное напряжение на .конце трещины.
Локальное напряжение в конце концов
достигает предела текучести материала.
Впереди фронта трещины образуется зона
пластической деформации, изменение
объема которой определяется изменением
коэффициента интенсивности напряже­
ний. Число импульсов АЭ пропорцио­
нально числу элементарных источников в
пластически деформируемом
объеме,
размер которого определяется коэффи­
циентом интенсивности напряжений. На
рис. 2.15 условно представлены области в
окрестности конца трещины, находящиеся
в различных НДС.
Обобщая подход X. Данегана [116],
можно представить связь между коэффи­
циентом интенсивности напряжений К и
суммарным счетом АЭ N при развитии
трещины в виде
N = аК т,
(2.37)
Н
где а к т - параметры, зависящие от со­
стояния материала, условий роста трещи­
ны. Для различных материалов и условий
испытаний параметр т может изменяться
в больших пределах (/и = 4 ... 12) и в
дальнейшем используется в "Правилах
АЭ контроля" (РД 03-131-99) для оценки
состояния контролируемого объекта.
Следует обратить внимание на то,
что, строго говоря, в (2.37) должно быть
использовано число импульсов АЭ N i, а
не суммарный счет N. Однако в большин­
стве случаев между ними не делают раз­
личия, что не приводит к существенным
ошибкам, когда рассматриваются не абсо­
лютные величины, а темп изменения ве­
личин. О связи числа импульсов АЭ с
суммарным счетом говорилось в гл. 1.
Коэффициент интенсивности на­
пряжений тонкой пластины с трещиной
длиной 21, при однородном растягиваю­
щем напряжении о равен [55,74,75]:
К = G yfnl.
(2.38)
Подставляя (2.38) в (2.37) при т = 4, име­
ем
N = a o V /2,
(2.39)
т.е. измерение числа импульсов АЭ (или
суммарного счета) дает информацию (при
определенных условиях) о размерах тре­
щины. В гл. 1 было показано также, что
величина скачка трещины связана с ам­
плитудой импульса АЭ.
Размер зоны пластической деформа­
ции и соответственно параметры АЭ зави­
сят от многих факторов, в том числе от
вида НДС. Пластическую зону прибли­
женно можно представить в виде некото­
рой сферы. Радиус пластической зоны для
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
125
rY =
Рис. 2.15. Области в окрестности
конца трещины:
1 - поверхность трещины (свободна от нор­
мальных напряжений); 2 область упрочнен­
ного и охрупченного в результате ’’глубокой"
деформации материала за пределом текучести;
3 - область пластической деформации;
4 - область пластического течения на границе
области пластической деформации;
5 - область упругой деформации
трещины нормального отрыва можно оце­
нить по формуле
КI
(2.40)
27ССГ
где К\ - коэффициент интенсивности на­
пряжений; от - предел текучести материа­
ла. Оценка величины радиуса области
пластической деформации трещины кри­
тического размера по (2.40) для стали,
используемой в крановой балке при тем­
пературе 0 °С (К\0 = 60 МПа • м1/2, от =
= 480 МПа) дает значение г у Щ2,5 мм [84].
Следовательно, объем зоны пластической
деформации, полагая ее для простоты
сферической, V = (4/3)к г3 « 65 мм3. Для
общего представления приведем данные
(табл. 2.7), взятые из [181], о размерах
области пластической деформации при
различных значениях коэффициента ин­
тенсивности напряжений (КИН).
Материалы приведены в состоянии
поставки. Вид напряженного состояния
связан с относительными размерами пла­
стической зоны и толщиной объекта (об­
разца). Если отношение размера пластиче­
ской зоны к толщине образца порядка еди-
2.7. Размеры области пластической деформации в зависимости от КИН
Материал
Коэффициент
интенсивности
напряжений
К, МН/м3/2
Размер зоны пластической деформации гу, мм, в компакт­
ном образце толщиной 12,7 мм, с длиной трещины 22,5 мм
Плоское напряжение
Плоская деформация
А36
49,5
60.4
71.4
6.3
9.4
13,2
2,1
3,1
4,4
А514
49,5
60,4
71,4
0,8
1,2
А588
49,5
60,4
71,4
щ
^
I.7
0,3
0,4
0,5
-
3,3
4,9
6,8
1,1
1,6
2,3
П р и м е ч а н и я : 1. Размер зоны пластической деформации оценивается радиусом rY эк­
вивалентной сферы, равной реальному объему указанной зоны. 1
2. Приведенные материалы используются в США для мостов*
126
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
ницы, то преобладает состояние плоского
напряжения. В случае, когда это отноше­
ние менее 0,025, - преобладает плоская
деформация. Используя положение о про­
порциональности числа импульсов АЭ
пластически деформируемому объему на
кончике трещины и модель Д. Дагдайла
для оценки величины пластического объ­
ема, И. Палмер и П. Хилд получили выражение, связывающее число импульсов
АЭ Nz с приложенным напряжением а
[161], которое было представлено в следующем виде:
N z = Da sec
по
2о т
\
(2.41)
1
У
*
N = bно
—
Ы
)
(Юнга) ; —ногде Е
минальное напряжение; а - полная длина
усталостной трещины (от плоскости, в
которой расположены центры отверстий
для нагружающих пальцев, до конца уста­
лостной трещины), получено выражение
для суммарного счета в виде [141]
ЛГ = ^ Ч 5 - 8 о ) ,
(2.45)
8o va
где D - постоянная, определяемая усло­
виями испытаний, параметрами материала
и геометрией образца; а - половина дли­
ны трещины; от- прочность материала.
А. Поллок показал, что обе модели
дают удовлетворительные результаты,
достаточно хорошо совпадающие с экспе­
риментом.
Дж. Холт и Д. Годдард [141] по ре­
зультатам испытаний компактных образ­
цов на растяжение из стали А533В предложили еще одно выражение, связываю­
щее суммарную АЭ N с величиной нагрузки Р, приложенной к образцу:
3
хР'
f
In
sec
In sec
—
для
на конце трещины 5 (смещение при раскрытии трещины) [ 141 ]
/
л
ПО
8стуа ,
(2.44)
5 = — -—In sec
. 2ау j
пЕ
\\
, (2.42)
, 2 ро )
где bHG - константа; Р\ - нагрузочная ха­
рактеристика образца; Ра —величина мак­
симальной . нагрузки при выращивании
усталостной трещины в образце при под­
готовке его к испытанию. Pi определяется
ыражением
(2.43)
Р\ - q O yB W ,
где I - максимальная нагрузка при испы­
тании; ау - предел текучести; В - ширина
образца; W - "глубина" образца (расстоя­
ние между плоскостью, в которой распо­
ложены центры отверстий под нагру­
жающие пальцы (стержни) испытательной
машины, и задней плоскостью образца).
где 50 - раскрытие усталостной трещины
при ее выращивании.
Суммарная АЭ (либо число импуль­
сов АЭ) связаны со значением коэффици­
ента интенсивности напряжений и изменяются в темпе изменения этого парамет­
ра механики разрушения. Через КИН
можно определить и размеры растущей
трещины [(выражение 2.39)]. Однако для
этого необходимо регистрировать всю АЭ
от начала роста трещины. По-видимому,
все описанные модели, несмотря на их
разные формы записей и различные ис­
пользованные параметры, отражают ис­
тинные зависимости, существующие в
природе. Это проявляется в подобии форм
зависимостей N(P) для рассмотренных
случаев. Необходимо только отметить,
что модель X. Данегана была предложена
раньше и получила большее распространение.
Величины отдельных скачков тре­
щины связаны непосредственно с ампли­
тудами единичных импульсов АЭ. В гл. 1
на примере физической модели роста
трещины показано, что амплитуда еди­
ничного импульса АЭ пропорциональна
(в среднем) скачку трещины. В механике
разрушения также имеются простые соот­
ношения, которые можно использовать
для оценки связи размера скачка трещины
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
127
*
N40
N10
Рис. 2.16. Зависимость суммарного счета АЭ:
а - от нагрузки для пластин с дефектами разной длины: А - а = 14 мм; В - а - 12,7 мм;
С - а = 9,1 мм; Д - а = 8,2 мм; б - от коэффициента интенсивности напряжений
для представленных образцов
с амплитудой АЭ-импульса. При образо­
вании трещины происходит перемещение
точек среды. Это приводит к генерированию в среде ступенчатого акустического
импульса, форма которого подробно рассматривалась в гл. 1. Амплитуда излучаемого сигнала связана с величиной перемещения исследуемой точки среды ит.
Согласно механике твердого тела,
можно оценить перемещение точки на
поверхности разрыва с использованием
формул механики твердого тела:
(2.46)
ит = 2а
Из этого выражения получаем пря­
мую пропорциональную зависимость ам­
плитуды сигнала АЭ от величины скачка
трещины:
(2.47)
ит кт\
где кт1 - коэффициент пропорционально­
сти.
Более детальный анализ для опреде­
ления связи величины скачка трещины с
амплитудои сигнала позволяет составить
выражение [3]
«и*
3/2
где Д/ - размер скачка трещины.
(2.48)
Следует обратить внимание на то,
что аналитическая часть механики разрушения, выраженная через акустические
величины (перемещение частиц среды,
скорость перемещения, ускорение, число
импульсов АЭ и другие параметры), является одновременно элементом теории АЭметода. Практически все основные пара­
метры АЭ-сигнала: суммарный счет АЭ,
сумма импульсов, скорость счета, актив­
ность, амплитуда, энергия и другие (см.
табл. 1.3), - отображают соответствующие
параметры процесса разрушения. Упомя­
нутые параметры стали основными, по­
скольку они связаны с показателями (про­
цесса разрушения) технического состоя­
ния объекта, выраженными в параметрах
механики разрушения.
Зависимость вида (2.37) хорошо под­
твердилась X. Данеганом, Д. Хэррисом и
К. Тэтро (цитируется по [42, 116]) в экс­
периментах с пластинами из алюминиево­
го сплава 7075-Т6, имеющими надрезы
различной длины (рис. 2.16). Толщина
испытанных пластин 10 мм, ширина
57 мм, начальная длина надрезов: 14 мм для А; 13 мм - для В; 9,1 мм - для С;
8,2 м м -д л я JO.
При увеличении нагрузки регистра­
ция АЭ начинается раньше для пластин с
128
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
более глубоким надрезом, т.е. чем больше
дефект, тем раньше он начинается активизироваться, что и приводит к излучению
упругих волн. Если пересчитать нагрузку
в параметры КИН, то кривые на рис. 2.16,
а фактически совпадут, что видно на
рис. 2.16, б. Это доказывает принципи­
альную связь числа импульсов АЭ с КИН
(вязкостью разрушения) в соответствии с
выражением (2.37). В [25] описаны мето­
дические приемы определения вязкости
разрушения с использованием АЭ.
Для исследования АЭ в объектах с
дефектами испытывали образцы двух ти­
пов с концентраторами. Образцы первого
типа изготавливали из стали 10ГН2МФА
и стали 10. Конструктивно они были
идентичны гладким образцам на растяже­
ние, однако в середине рабочей части был
нанесен концентратор напряжений - над­
рез глубиной 0,3 ... 1,5 мм. Затем в каж­
дом образце выращивали усталостную
трещину. При этом напряжение в цикле
выбирали из условия формирования трещины после 105 циклов, что практически
появление
пластической деформации на конце трещи­
ны. Затем образцы подвергали испытаниям
на растяжение. Увеличение нагрузки проводили с постоянной скоростью 2 • 10‘3 с"1.
Для испытаний изгибных образцов
из сталей 10ГН2МФА и 15Х1М1Ф было
подготовлено три партии по 20 образцов
данного типа. Все они подвергались трехточечному изгибу до разрушения с постоянной скоростью движения пуансона ис­
пытательной машины 4 * Ю ^с \
для
цов с надрезом существенно отличаются
от параметров АЭ для гладких образцов.
Неоднородное напряженное состояние
вблизи кончика трещины приводит к генерации сигналов АЭ дискретного типа.
для
является непрерывной, а вид функции
ш
N (() существенно изменяется.
При испытаниях образцов из стали
10 с трещиной акустическая эмиссия имеет в значительной степени дискретныи
характер, существенная часть акустических сигналов излучается в области упру­
гих деформаций.
Непрерывная АЭ регистрируется
только на образцах с неглубокими трещи­
нами (порядка 0,4 мм) при усилении
97 дБ. С увеличением длины трещины
возрастает доля дискретной АЭ и основ­
ная часть излучения смещается в область
упругих деформаций. Эксперименты по­
казали, что дискретная АЭ в объектах с
концентраторами имеет большие значения
параметров и поэтому ее легче использо­
вать на практике для оценки технического
состояния объекта.
При усилении 97 дБ регистрируются
сигналы АЭ обоих типов, при усилении
91 дБ - только АЭ дискретного типа. Как
было отмечено, АЭ начинает регистриро­
ваться при меньших нагрузках в случае
наличия трещины. Ее значение увеличивается при повышении КИН как показательная функция с показателем степени
т**2 Wim
В описываемых экспериментах про­
водились также измерения суммарной
энергии АЭ, которая уменьшалась с ростом длины трещины. Казалось бы, это
противоречит приведенным данным, однако этому есть объяснение. При отсутствии или малой длине трещины происходит пластическая деформация в относительно большом объеме. Для описанных
гладких образцов этот объем составляет
6 х 6 х 10 = 360 мм3. Для образцов с
трещиной Fr ~ (50... 80) мм3. При наличии
надреза (трещины) концентрация деформаций приводит к значительному уменьшению объема пластической деформации
в образце. Энергия непрерывной эмиссии
соответственно уменьшается, что не мо­
жет быть перекрыто увеличением энергии
дискретной АЭ, которая как раз и определяется КИН.
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
Отмеченная особенность находит
косвенное подтверждение в диаграммах
разрушения, полученных на основе двух­
критериального подхода в механике разрушения. Согласно экспериментальным
данным, при испытаниях крупномасштаб­
ных образцов размером 150 х 600 мм зна­
чение разрушающей нагрузки не зависит
от размера трещин вплоть до значений
порядка 50 мм. Это означает: 1) при ста­
тических испытаниях дефекты значитель­
ных размеров (до 1/3 толщины объекта)
не являются "критическими" для конст­
рукции в определенных условиях; 2) в
данном случае имеет место преимущест­
венно пластическая деформация и опас­
ность хрупкого разрушения в данной си­
туации не грозит.
i} _
При перенесении результатов испы­
таний с образцов на натурные объекты
помимо изменения НДС следует учиты­
вать также изменение акустических фак­
торов. Ранее было показано, что при воз­
буждении резонансного преобразователя
АЭ на его выходе имеем сигнал в виде
затухающей синусоиды. Для затухающего
радиоимпульса амплитудой wm, озникающего в результате возбуждения еди­
ничным импульсом АЭ узкополосного
преобразователя АЭ с рабочей частотой
и затуханием В (добротностью 0 , число
пересечений порога ып, как это было пока­
зано выше, определяется выражением
В
иП
(2.49)
В случае, если преобразователь уста­
новлен на образец, то изменяется в определенной степени его резонансная частота
и затухание. Значение В и Jp легко опреде­
лить экспериментально. Данная зависи­
мость часто используется для идентифи­
кации импульсов АЭ.
Если зарегистрированный сигнал по­
падает в зону III, определенную в предва­
рительных экспериментах (рис. 5.2), значит, этот сигнал относится к истинному
источнику АЭ. При выходе из обозначен5
—
4567
129
А/г - 1 0 ~ , и м п
Ыт- 10~*имп
Рис. 2.17. Зависимость суммарного счета
от нагрузки при испытании образцов
на растяжение с трещиной:
а - сталь 10ГН2МФА: 1 - длина трещины
15 мм; 2 - длина трещины 10 мм;
б - сталь 1 0 : / - длина трещины 18 мм;
2 - длина трещины 14 мм
ной зоны импульс создается той или иной
помехой.
Значение постоянной затухания для
глад
трещинои
10
призматических образцов В = 70 • 10 5с.
Суммарный счет является одним из
наиболее удобных параметров АЭ, отра­
жающим кинетику процессов пластиче­
ской деформации и разрушения. К важ­
ным достоинствам этого параметра отно­
сится простота регистрации, что служит
его широкому применению в практике
АЭ-исследовАций и контроля объектов. В
исследованиях АЭ при нагружении как
130
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
образцов, так и реальных объектов, осо­
бенно важна информация о состоянии
объекта вблизи предельной нагрузки. По­
этому при исследовании АЭ во всех слу­
чаях, когда это возможно, объект следует
доводить до разрушения.
Для конструкционных материалов
зависимости суммарного счета N от на­
грузки представляют собой возрастающие
кривые (рис. 2.17), которые могут быть
аппроксимированы степенным соотноше­
нием
N = кРт ,
(2.50)
где т и к - константы, определяемые
свойствами материала и условиями экспе­
римента.
Кривые на рис. 2.17 типичны для
большинства конструкционных сталей
[25, 42]. Вид кривых сохраняется и при
изменении вида НДС, слабо влияющего
на параметры АЭ. Так, например, функ­
ция скорости v разрушения следующим
образом зависит от вида НДС: для пло­
ской деформации имеем пропорциональ­
ность ~ (1 - v), для плоского напряжения
~ 1/(1 + v). Для значения v = 0,3 в первом
случае имеем значение 0,7, во втором слу­
чае ~ 0,8.
Поэтому следует ожидать, что значе­
ния параметров АЭ (амплитуда, энергия и
др.) во втором случае будут несколько
больше значений параметров АЭ в первом
случае. На рис. 2.17 приведены результа­
ты испытаний призматического образца
второго типа из сталей 10ГН2МФА и 10.
В зависимости от вида испытаний в
выражений (2.50) может быть использо­
ван любой параметр нагружения (нагруз­
ка, число циклов, время, КИН и т.п.); в
этом смысле параметр Р в (2.50) может
быть назван обобщенным параметром
нагружения.
Исследования показали, что зависи­
мости типа (2.50), полученные при разных
порогах, подобны. Это означает, что по­
рог дискриминации в определенных пре­
делах не оказывает существенного влия­
ния на показатель степени т, изменяется
только коэффициент пропорционально­
сти. Данные зависимости имеют место
только для дискретной АЭ и могут нару­
шаться при низких порогах дискримина­
ции, когда к дискретной АЭ "подмешива­
ется" непрерывная АЭ.
2.2.2. Амплитудное распределение
сигналов АЭ при росте трещин
Два процесса - пластическая дефор­
мация и рост трещин различаются по виду
амплитудных распределений сигналов
АЭ, что ясно уже из общих соображений.
Пластическая деформация происходит в
достаточно больших объемах относитель­
но малыми ступенями, обусловленными
малыми по масштабу всего объекта еди­
ничными деформационными ступенями инкрементами пластической деформации.
При одинаковых энергетических вложе­
ниях трещины продвигаются большими
скачками, что также отражается на пара­
метрах АЭ.
При разрушении, вызванном ростом
трещины, акты АЭ генерируют импульсы
большой амплитуды и следуют реже, чем
при пластической деформации. Однако в
каждом конкретном случае необходимо
устанавливать количественные соотноше­
ния, разделяющие параметры АЭ при пла­
стической деформации и росте трещины.
Дело в том, что пластическая деформация
также может сопровождаться относитель­
но большими по амплитуде импульсами
АЭ. Например, при двойниковании сигна­
лы АЭ могут быть по энергии (амплитуде)
больше, чем эти параметры сигналов, воз­
никающие в результате образования и
роста микротрещин.
И. Накамура с сотрудниками показа­
ли [116], что при субкритическом росте
трещин относительно малого размера
(размером от нескольких микрометров до
долей миллиметра) в образцах из стали
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
D6aC, изготовленных из поковок и прока­
та и прошедших различную термообра­
ботку, амплитуды сигналов АЭ распреде­
лены в диапазоне 60 дБ, соответственно
энергия исследованных источников АЭ
различается в 106раз. Показатель степени
в формуле Данегана (2.37) для указанных
материалов лежал в диапазоне 3 < т < 20.
Столь существенное отличие значе­
ний параметров АЭ связано с различиями
в свойствах образцов из одного и того же
материала. Это достигалось различными
режимами термической обработки образ­
цов. Можно отметить, что вид амплитуд­
ного распределения определенным обра­
зом связан со значениями вязкости раз­
рушения материала. Амплитудное рас­
пределение с максимумом в среднем диа­
пазоне распределения характерно для ма­
терила с относительно высоким значени­
ем вязкости разрушения и большим зна­
чением показателя т = 15... 20.
Вязкость разрушения (критический
коэффициент интенсивности напряжений
Кс) является параметром механики разру­
шения и служит показателем свойства
материала, характеризующим сопротив­
ление разрушению при росте трещины в
материале. Вязкость разрушения материа­
ла тем выше, чем больше совместно его
прочность и вязкость. Хрупкие материалы
имеют малые значения вязкости разруше­
ния.
Амплитудные распределения, для
которых характерны большое число сиг­
налов малой амплитуды и небольшое чис­
ло высокоамплитудных сигналов, отно­
сятся к источникам АЭ в объектах с ма­
лым значением прочности. Значение по­
казателя Данегана на заключительном
этапе разрушения для таких объектов
имеет минимальную величину т - 3 ... 4.
Рост трещины, сопровождающийся
деформацией двойникованием, а также
хрупкое разрушение дает показатели сте­
пени Данегана т , превышающие 4.
Для развивающихся трещин в высо­
копрочных корпусных материалах, по­
5
*
131
добных сталям 15Х2НМФА (низколеги­
рованная Cr-Mo-V сталь перлитного клас­
са), 10ГН2, 09Г2С и близким им по свой­
ствам амплитудное распределение имеет
характерный вид, представленный на рис.
3.21. Четко различаются зоны пластиче­
ской деформации и роста трещины. Ам­
плитудное распределение АЭ можно ис­
пользовать для классификации источни­
ков АЭ и создания критериев оценки тех­
нического состояния объекта.
АЭ на этапах зарождения и распро­
странения разрушения имеет особенно­
сти, обусловленные различной природой
процессов, генерирующих акустические
сигналы. Анализ распределения импуль­
сов по амплитудам показывает, что в зоне
концентраций напряжений в период,
предшествующий возникновению магист­
ральных трещин, генерируется главным
образом "низкоамплитудная" АЭ. Ампли­
туды сигналов не превышают 40 ... 46 дБ
(см. рис. 3.21), что соответствует ампли­
тудам сигналов на преобразователе по­
рядка 100 ... 200 мкВ. При возникновении
и распространении магистральных тре­
щин на фоне "низкоамплитудной" АЭ
регистрируются импульсы с амплитудами
более чем на порядок выше.
Поскольку известны две группы
процессов, сопровождающихся излучени­
ем АЭ в материале: пластическая дефор­
мация (движение дислокаций, распад дис­
локационных комплексов, прорыв дисло­
кационных скоплений через разнообраз­
ные границы, работа дислокационных
источников любой природы и т.д.) и упру­
гие микроразрывы в сплошном материале,
- то к каждой из этих групп естественно
отнести характерную АЭ. С процессами
пластической деформации в зонах кон­
центрации напряжений, в том числе в
вершине трещин, следует связывать низ­
коамплитудную АЭ, а с процессами рас­
пространения трещин, которые проявля­
ются в виде микроразрывов и сопровож­
даются появлением новых поверхностей
трещин, - выс?окоамплитудную АЭ.
132
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
ных
изменений
в
результаты.
Размеры
При пластической деформации поли­
образцов
выбирают
достаточно
больши­
кристаллов как в гладких образцах, так и
ми, чтобы при их сварке воспроизводи­
в объектах с макротрещинами образуется
лись термический цикл (особенно ско­
большое количество микротрещин. В
рость охлаждения в области температур
1 см3 может появиться от 106 до 10 мик­
650 ... 400 °С) и металлургические про­
ротрещин, длина которых составляет не­
цессы, характерные для сварки конструк­
сколько микрометров. Эти данные полу­
ций из металла данной толщины. Модель
чены во многих экспериментах [155], а
остаточных сварочных напряжений, дей­
также подтверждены теоретически [107].
ствующих в реальных конструкциях,
Параметры АЭ-сигналов при образовании
можно получить при воздействии на обра­
микротрещин в эксперименте практиче­
зец внешней нагрузки непосредственно
ски невозможно отличить от параметров
после сварки при температуре образца
сигналов при пластической деформации
без проведения металлографического ана­
+50 °С.
Наиболее полную картину процесса
лиза. Поэтому, пользуясь только диа­
граммой амплитудного распределения,
задержанного разрушения при исследова­
источники АЭ, связанные с пластической
нии и контроле кинетики развития трещин
деформацией, и источники, связанные с
в объектах можно получить с помощью
микротрещинами, различить невозможно.
метода АЭ [89]. Склонность сталей марки
Численные значения амплитуд могут
25ХНЗМФА к задержанному разрушению
существенно различаться в зависимости
исследовали с использованием плоского
от свойств объекта измерений, техниче­
сварного образца, изготовленного таким
ских характеристик и режимов работы
образом, чтобы трещина проходила в ос­
аппаратуры АЭ и преобразователей, усло­
новном металле по зоне термического
вий акустического контакта и т.д. Однако
влияния. Сварку образца вели электрода­
характер распределения АЭ по амплиту­
ми, которые по составу соответствовали
дам сохраняется. Рассмотренные особен­
основному металлу. Для создания струк­
ности акустической эмиссии позволяют
туры зоны термического влияния (по со­
более детально исследовать процессы
стоянию и структуре близкой к зоне тер­
разрушения на разных стадиях их возник­
мического влияния многослойной ручной
новения и развития.
дуговой и автоматической сварки) за
сваркой первого валика накладывали ря­
2.2.3. АЭ при постоянной нагрузке
дом второй "отжигающий" валик. Для
стали, например 25ХНЗМФА, рекомен­
Испытание объектов, в частности
дуются покрытые электроды ЦТ-45.
сварных образцов, содержащих дефекты
Непосредственно после сварки об­
(трещины и непровары), при постоянной
разцы помещали в испытательную маши­
нагрузке или испытание на задержанное
ну, позволяющую прикладывать постоян­
разрушение является одним из методов
ную нагрузку. Нагрузку выбирали такой,
оценки сопротивляемости сталей образо­
чтобы в образце устанавливались напря­
ванию холодных трещин при сварке. За
жения 300 ... 500 МПа. Скорость нагруже­
количественный показатель сопротивляе­
ния должна быть постоянной и равной
мости принимают минимальное растяги­
120 ... 180 Н/с. Преобразователь АЭ уста­
вающее напряжение от постоянной внешнавливали на образце в непосредственной
ней нагрузки, при котором в образце воз­
близости от сварного соединения. В рабо­
никают трещины. Обычно для сталей пер­
те [89] полосу рабочих частот выбирали в
литного и мартенситного классов время
пределах 0,3 ... 1,0 МГц. Во всех случаях
испытаний составляет 24 ч. Более дли­
сразу после завершения подъема нагрузки
тельные испытания не вносят существен
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
отмечали высокую скорость нарастания
суммарного счета АЭ (рис. 2.18); по исте­
чении 10 ...15 мин она в ряде случаев сни­
жалась.
По параметрам АЭ в процессе вы­
держки судят о классе источника АЭ и
степени его опасности для объекта. Если
напряжение в объекте ниже 300 МПа для
стали 25ХНЗМФА, то снижение скорости
счета АЭ продолжается практически до
полного прекращения регистрации сигна­
лов АЭ (кривая а , рис. 2.18).
Если величина напряжений состав­
ляет 330 ... 470 МПа (кривые в, г, рис.
2.18), после незначительного по времени
периода снижения темпа нарастания сум­
марной АЭ наблюдается второй этап на­
растания суммарного счета. При этом с
увеличением нагрузки (механических на­
пряжений) скорость нарастания увеличи­
валась, а время снижения активности (ла­
тентный период зарождения трещины
"критических" размеров) уменьшалось. За
25 ... 30 мин до полного разрушения объ­
екта по ходу кривой изменения суммар­
ной АЭ момент разрушения можно опре­
делить с высокой степенью точности. При
напряжении более 500 МПа (кривые д, е,
рис. 2.18) замедление темпа роста сум­
марной АЭ не наблюдается. Количество
импульсов АЭ ускоренно увеличивается с
момента приложения нагрузки до полного
разрушения образца.
Для установления связи между пара­
метрами АЭ и процессом разрушения об­
разца на разных его этапах, в образец со
стороны конструктивного зазора можно
использовать краску "Судан-5" и быстро
(~ 0,5 мин) довести образец до разруше­
ния.
В подобных испытаниях во всех об­
разцах трещины развивались от конструк­
тивного зазора, причем на начальном эта­
пе одновременно по всей поверхности
образца на глубину примерно 15 ... 20 %
размера катета по околошовной зоне. За­
тем разрушение концентрируется на 30 ...
50 % ширины образца. При увеличении
действующих напряжений выше предела
О
133
2
4
6
t 94
Рис. 2.18. Зависимость суммарного счета
АЭ от времени при постоянной нагрузке
для непроваров различной величины
текучести материала происходит "бы­
строе" полное разрушение (долом под
углом -45°).
Пороговое напряжение, ниже кото­
рого не происходит разрушения в течение
24 ч и более, характеризует склонность
стали к задержанному разрушению. Важ­
ную роль играет время до разрушения
объекта при напряжении, превышающем
пороговое. Как правило, задержанное раз­
рушение происходит в несколько этапов.
Для описанного испытания можно выде­
лить три этапа (кривые г, в, рис. 2.18):
начальный этап; этап медленного разви­
тия трещины; этап ускоренного развития
трещины до критического размера.
Можно отметить схожесть зависимо­
стей, характеризующих механическое
состояние объекта при задержанном раз­
рушении и при ползучести металлов. На
кривых ползучести металлов различаются
также три этапа деформации. Первый,
начальный, этап характеризуется накоп­
лением деформации; второй - равномер­
ной ползучестью; третии, ускоренный.
134
АКУСТИЧЕСКАЯ
этап представляет собой лавинообразный
процесс. Кривую ползучести можно аппроксимировать выражением [6]
е(/) = е0 + е, [l - ехр(-аГ)]+
+ V/ + У
4 ехр [ р ,( '- 'Р)]’
(2.51)
1= 1
где £(/) - текущая деформация ползуче­
сти; во, р | а, р, v - параметры, характери­
зующие кривую ползучести, определяе­
мые при подборе аппроксимирующей
кривой; /р - долговечность.
Подобные по форме зависимости по­
лучены в экспериментах по усталостному
росту трещин [102]. Долговечность образцов от образования трещины до разрушения при усталостных испытаниях состадля
ка 75 % для стали 12ХНЗА.
Аналогично (2.51) можно подобрать
выражение, характеризующее зависи­
мость суммарного счета АЭ от времени:
N (t) = N, [l - ехр(-у0]+ N 2t / т +
+ N3 exp 8(/ - 1 ),
(2.52)
где N\, Щь Nj, у, 6, т - параметры, определяющие кривую N (t\ получаемые в экс­
перименте
2.2.4. Акустическая эмиссия при
циклическом нагружении
Параметры АЭ в процессах статического и циклического нагружения, происходящих в твердом теле, существенно
различаются. Характерной особенностью
АЭ при циклическом нагружении является быстрое уменьшение числа импульсов
АЭ и их амплитуд при первом и каждом
последующем нагружениях (эффект Кай­
зера). В настоящее время этот эффект
формулируется как отсутствие регистрации АЭ в материале до тех пор, пока не
превышен уровень предыдущего воздействия. Типичное проявление эффекта
Кайзера можно видеть на рис. 2.19, где
приведены результаты регистрации АЭ
при ступенчатом гидронагружении (с разгрузками) трубы диаметром 210 мм, тол­
щиной стенки 40 мм, изготовленной из
стали марки 12Х1МФ. После шести цик­
лов нагружения на этой же трубе был сде­
лан надрез снаружи в осевом направлении
глубиной 18 мм (0,45 толщины стенки) и
длиной 250 мм (фотография трубы после
испытания представлена на рис. П1.5).
Как видно, в первом же после выполне­
ния надреза нагружении АЭ регистриро­
валась в зоне надреза уже при малых зна­
чениях внутреннего давления (порядка
3 МПа), что свидетельствовало о появлении в конструкции опасного дефекта.
Абсолютное исчезновение АЭ при
повторном нагружении должно свиде­
тельствовать о том, что материал не повреждается
довательно, усталостного разрушения не
будет при любом числе циклов нагруже­
ния. Если же при повторных нагружениях
значения параметров АЭ уменьшаются в
малой степени, то идет быстрое накопле­
ние повреждений и соответственно быстрое усталостное разрушение объекта.
Развитие усталостной трещины (УТ) со­
провождается пластической деформацией
материала в ее вершине. Пластическая
деформация приводит к повреждению
материала, что в дальнейшем способству­
ет развитию УТ.
Очевидно, динамика пластического
течения материала в вершине трещины,
определяя механизм разрушения, будет
определять и кинетику ее развития. В начальный период развития УТ происходит
активное накопление в материале необратимых изменении, связанных с процессом
пластического деформирования. На этой
стадии АЭ обусловлена импульсным вы­
делением энергии в микрообъемах материала при генерации дислокаций, их движении, распаде дислокационных скоплений и т.д. и обнаруживает характерные
особенности, отличающие ее от АЭ, связанной с продвижением трещин.
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
135
1
Рис. 2.20. Эскиз изгибного образца,
используемого при испытаниях на
циклическую прочность:
/ - образец; 2 - опоры; 3 - пуансон
испытательной машины; 4 - надрез;
5 - направление циклического нагружения
0
25
50
Р, МПа
Рис. 2.19. АЭ при повторных нагружениях
трубы без надреза и после нанесения
надреза (область N , превышающая 3600)
Для исследования параметров АЭ
при малоцикловой усталости проводили
испытания на изгиб образцов из корпус­
ной стали 15Х2НМФА с надрезом (сече­
ние образца 20 х 40 мм, длина 300 мм,
глубина надреза 5 мм). Эскиз образца и
схема нагружения показаны на рис. 2.20,
сечение образца и поверхность разруше­
ния после циклических испытаний - на
рис. 2.21.
В первом цикле нагружения при воз­
растании нагрузки от 0 до Ртах происхо­
дит интенсивное пластическое деформи­
рование материала в кончике надреза и
регистрируется большое число импульсов
АЭ (соответственно число выбросов АЭ порядка 103 ... 104) с достаточной для ре­
гистрации амплитудой.
Один из образцов (К50) помимо над­
реза глубиной 8 мм (20 % толщины об­
разца) имел предварительно выращенную
усталостную трещину глубиной 5 мм, что
давало дополнительную концентрацию
напряжений. Общее уменьшение толщи­
ны образца составляло несколько более
30 %. Разрушение этого образца про­
изошло в первом цикле нагружения уже
при достижении нагрузки значения 64 кН.
Для данного образца получен показатель
т > 6 в диапазоне нагрузок 56 ... 64 кН;
для других образцов т = 3 ... 3,5 в первом
цикле. Циклическое нагружение образцов
проводилось при изменении усилия в
пределах Ртт= 3 кН, Ртш= 70 кН.
Типичная кривая зависимости сум­
марного счета АЭ от числа циклов при
малоцикловои усталости, реализованной в
описываемом эксперименте, приведена на
рис. 2.22. Можно различить ряд этапов
роста усталостной трещины, которые
также отображены на поверхности разру­
шения (см. рис. 2.21, б, в). В каждом по­
следующем цикле нагружения число вы­
бросов снижается на один-два порядка.
После пяти-семи циклов нагружения
энергия сигналов АЭ уменьшается на­
столько, что они перестают регистриро­
ваться аппаратурой. Тем не менее повре­
ждения медленно накапливаются (участок
ВС соответствует этапу 2 на рис. 2.21, 5),
поскольку
в дальнейшем
трещина
подрастает. ‘
При циклическом нагружении на оп­
ределенных этапах накопления поврежде-
136
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Надрез
Надрез
*)
В)
зарождения
а - поперечное сечение образца на начальном этапе роста усталостной трещины (УТ),
зарождающейся
(описание этапов см. рис. 2.22); в - фотография поверхности разрушения после испытаний
ний и роста усталостной трещины в объ­
екте происходит перераспределение на­
пряжений и ускоренный рост трещины
(участки CD и EF на рис. 2.22). На участ­
ке CD усталостная трещина, зародившись
в центре надреза, начала ускоренно рас­
пространяться от центра к боковым по­
верхностям образца, практически не уг­
лубляясь в тело образца (см. рис. 2.21, а).
Ускоренный рост трещины произошел в
районе 180 ... 220 циклов (см. этапЗ на
рис. 2.21, б и 2.22). К этому периоду мож­
но отнести формирование макроскопиче­
ской трещины из микроскопической. Визуально выход макроскопической трещины на боковые поверхности образца был
обнаружен только через несколько десятков циклов (порядка 30 ... 50) после того,
как рост ее в надрезе был зарегистрирован
прибором АЭ.
Именно зависимость суммарной АЭ
на этапе 3 (участок CD на рис. 2.22) пока­
зывает весьма высокие возможности ме­
тода АЭ - распознавать возникновение и
следить за развитием усталостных трещин
в условиях, когда никаким другим спосо­
бом невозможно обнаружить какие-либо
изменения в исследуемом объекте.
Вслед за образованием макроскопи­
ческой трещины началось ее медленное
развитие без существенного продвижения
фронта трещины в глубь материала (уча­
сток DE). Этому периоду соответствуют
малые по амплитуде импульсы АЭ, зачас­
тую не регистрируемые аппаратурой АЭ
при пороге дискриминации 20 ... 30 мкВ.
Относительно медленный рост усталост­
ной трещины имеет место до размера по­
рядка 1,0 мм. При сохранении параметров
циклического нагружения в дальнейшем
начинается ускоренное развитие с пре­
имущественным вязким механизмом раз­
рушения, сопровождаемое активным и
достаточно мощным излучением упругих
волн. Этому участку роста трещины соответствует участок EF (см. рис. 2.22) на
кривой N (этап 5, см. рис. 2.21, б) с пока­
зателем степени т —2,5... 3,5.
Данная стадия роста трещины закан­
чивается либо прорастанием трещины на
всю толщину объекта, либо хрупким раз­
рушением после достижения трещиной
критического размера. В любом случае по
отмеченному участку EF на кривой АЭ
можно судить о приближающемся катастрофическом разрушении или отказе в работе объекта. Источник АЭ, соответст-
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
вующий ускоренному росту магистраль­
ной трещины, авторами назван катастро­
фически активным источником.
На рис. 2.21, 6, в представлены схе­
матическое изображение и фотография
поверхности разрушения с отмеченными
этапами разрушения. Этапы /, 2, j на
макроскопическом изображении поверх­
ности сливаются, тогда как на кривых
зависимостей параметров АЭ (см. рис.
2.22) эти этапы принципиально различа­
ются. Этап вязкого разрушения 5 (EF)
виден хорошо как на поверхности разру­
шения, так и на зависимости УУ(П), где П параметр нагружения, в качестве которого
можно использовать число циклов нагру­
жения, возрастающую 4нагрузку, время
при постоянной нагрузке и другие пара­
метры.
Для образца, поверхность разруше­
ния которого приведена на рис. 2.21, б ив,
после ускоренного вязкого разрушения
(этап 5, участок EF) возникло хрупкое
разрушение (этап б). Затем в результате
инерционности силового контура обра­
зец - испытательная машина развитие
хрупкого разрушения образца затормозилось и развитие трещины вновь приняло
характер вязкого разрушения (этап 5').
После завершения данного этапа образец
окончательно разрушился хрупко. Этапы
разрушения 5', 6, б' имели место в одном
последнем цикле нагружения.
Этап 1 (участок АВ) в данных испытаниях занял порядка 0,6 % жизни объекта; этап 2 (участок ВС) - порядка 18 ...
22 % жизни объекта; этап 3 (участок
CD) — порядка 4 ... 6 % жизни объекта;
эman 4 (участок DE) - порядка 68 ... 72 %
жизни объекта; этап 5 (участок EF) - порядка 10 ... 12 % жизни объекта. Можно
считать точку Е (начало этапа 5) достижением предельного состояния объекта,
точку F на кривой зависимости N(n) (окончание этапа 5) окончанием жизни
объекта.
При исследовании роста УТ замечено, что регистрируемая АЭ на этапах зарождения и распространения разрушения
137
Nz -10?unn
2,0
15
Ю
0,5
0
Этапы
0
200
400
600
800 пмикмы
Рис. 2.22. Зависимость суммарного
счета АЭ от числа циклов нагружения при
росте усталостной трещины
имеет особенности, обусловленные раз­
личной природой процессов, генерирую­
щих акустические импульсы на этих эта­
пах. Анализ распределения импульсов по
амплитудам показывает, что в зоне концентрации напряжении в период, предшествующий возникновению трещин, регистрируется главным образом "низкоам­
плитудная" АЭ. При возникновении и в
процессе распространения трещин на фоне "низкоамплитудной" выявляется АЭ с
амплитудами более чем на порядок выше.
Можно полагать, что при развитии
УТ проявляются две группы процессов,
сопровождающихся
излучением
АЭ:
1) пластическая деформация (работа дислокационных источников любой природы,
движение дислокаций, распад дислокационных комплексов, прорыв дислокационных скоплений через разнообразные границы и т.д.; 2) подрастание трещин в результате когерентных микроразрывов в
сплошном материале. АЭ для каждой из
этих групп источников имеет свои индивидуальные параметры, С процессами
пластической деформации в зонах концентрации напряжений, в том числе в
вершине трещин, следует связывать низкоамплитудную АЭ, а с процессами распространени^ трещин, которые проявляются в виде когерентных микроразрывов
и сопровождаются появлением новых по-
138
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
верхностей трещин, - высокоамплитуд­
ную АЭ.
Вид амплитудного распределения в
процессе образования и роста усталостной
трещины изменяется (рис. 2.23). В на­
чальный период регистрируется АЭ относительно малой амплитуды: основная до­
ля сигналов менее 50 мкВ. По мере разви­
тия УТ амплитудное распределение
трансформируется: появляются сигналы
выше 50 мкВ. При равномерном росте
усталостной трещины отмечаются пре­
имущественно сигналы определенной
амплитуды —порядка 80 ... 90 мкВ. УТ в
данном случае является генератором сиг­
налов АЭ определенной и относительно
"стабильной" амплитуды. Это также сви­
детельствует о стационарности и равно­
мерности процесса развития УТ на дан­
ном этапе.
Амплитудное распределение весьма
чувствительно к особенностям режима
испытаний (в частности, к перерыву в
испытаниях). В [48] отмечалось, что ре­
лаксационные процессы в материале, свя­
занные с перерывом, приводят к тому, что
в первых циклах нагружения после пере­
рыва испытаний наблюдается значительно
большее число импульсов малой ампли­
туды от усталостной трещины, чем при
непрерывном нагружении, и требуется
прохождение некоторого числа циклов,
чтобы снова началось развитие фронта
трещины. Это свидетельствует об "отды­
хе" материала на конце трещины.
При усталостных испытаниях с при­
менением АЭ в ряде случаев можно отметить характерное явление, связанное с
закономерностью разрушения при цикли­
ческих нагружениях [47, 48, 63—67], кото­
рое заключается в том, что излучение
сигналов при равномерном росте устало­
стной трещины происходит не при мак­
симальных нагрузках, а некоторых про­
межуточных их значениях.
Рассмотрим подробнее результаты
изучения АЭ при испытании на усталость
образцов и сосудов высокого давления из
стали 22К. Призматические образцы дли­
ной 250 мм, сечением 40 х 40 мм нагру­
жались по схеме трехточечного изгиба.
Усталостная трещина развивалась от
предварительно нанесенного надреза. База
испытаний образцов до разрушения со­
ставляла до 104 циклов. Средняя скорость
роста трещины на стадии стабильного
развития АI/Ап « 3 • 10*4 мм/цикл.
С помощью стробирования по на­
грузке сигналы АЭ регистрировались
только на участке возрастания нагрузки.
Запись результатов регистрации АЭ про­
водилась на двухкоординатном самопис­
це: по оси абсцисс - приложенная внеш­
няя нагрузка; по оси ординат — события
АЭ. Такая форма регистрации позволяет
наблюдать и регистрировать значение
нагрузки, при которой излучается и реги­
стрируется сигнал АЭ. Амплитуда каждо­
го зарегистрированного сигнала заноси­
лась в память анализатора распределений
и данные по амплитудам за определенное
число циклов нагружения выводились в
виде диаграмм распределения числа слу­
чаев АЭ по значениям амплитуд (ампли­
тудное распределение).
Характерные записи АЭ при устало­
стном испытании образцов приведены на
рис. 2.24. Каждому зарегистрированному
случаю АЭ соответствует приращение
показания по оси ординат — "ступеньки"
на диаграмме (см. рис. 2.24). Все отме­
ченные сигналы АЭ относятся к полуциклу возрастания нагрузки, так как в полуцикле сброса приемный канал аппаратуры
стробировался. Соответственно число
ступенек в каждом цикле нагружения дает
количество событий АЭ в данном цикле.
До образования в надрезе усталостной
трещины и в самом начале ее роста рас­
пределение сигналов АЭ по значениям
приложенной нагрузки не обнаруживает
какой-либо закономерности (рис. 2.24, а).
Для этого случая значения амплитуд
сигналов, полученных с пьезоэлектриче­
ского датчика, лежат в пределах 10 ...
100 мкВ (снизу значения амплитуд огра­
ничены порогом, отсекающим собствен-
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
139
Рис. 2.23. Амплитудное распределение им­
пульсов АЭ при образовании и росте уста­
лостной трещины:
а, б - образование УТ; в, г - развитие УТ
ные тепловые шумы регистрирующей
аппаратуры). Такое распределение можно
отнести к "низкоамплитудной" АЭ, ис­
точником которой являются процессы
пластической деформации и, возможно,
образование микротрещин.
С появлением в надрезе УТ и ее рав­
номерном развитии распределение сигналов
АЭ по нагрузкам обнаруживает особенно­
сти, которые можно видеть на рис. 2.24, б и
в. Так, на диаграмме рис. 2.24, б, импульсы
АЭ также распределены по всему диапазону
значений циклических нагрузок, но при
некоторых значениях нагрузки сигналы АЭ
отмечаются наиболее часто.
Наряду с низкоамплитудной АЭ от­
мечаются импульсы с более высокой ам­
плитудой. Эти сигналы обусловлены скач­
кообразными продвижениями фронта
усталостной трещины и отмечаются при
определенных значениях нагрузки. Объ­
яснение этого эффекта, приведенное в
работах [63, 67, 91], рассмотрено более
подробно ниже. На некоторых этапах раз­
вития УТ преимущественно регистриру­
ются сигналы от скачков трещины (рис.
2.24, б и в). Соответствующее этому слу­
чаю амплитудное распределение имеет ярковыраженный пик в области 100 мкВ. На
рис. 2.24, г приведена запись на самопис­
це сигналов АЭ на заключительной ста­
дии роста УТ, когда почти в каждом цик­
ле отмечаются события АЭ, причем не-
События АЭ
большие скачки
трещины
События
max
m in
Рис. 2.24. Запись событий АЭ в полуцикле
возрастающей нагрузки на разных
этапах зарождения и развития усталостной
трещины в образцах из стали 22К
(Рmin* 30 Н; />
* 40 кН)
которые из них соответствуют большим
скачкам трещины.
Изучением АЭ, сопровождающей
рост УТ, выявлено, что источники АЭ
140
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Наблюдения
показывают,
что
АЭ
оп­
распределены вдоль фронта трещины не­
ределяется
условиями
нагружения
тела
с
равномерно на каждом этапе ее роста [68].
трещиной (направлением, величиной и
Исследования проводили с использовани­
характером
изменения
действующих
на­
ем сосудов высокого давления (отрезков
пряжений
в
зоне
распространения
трещи­
трубы), изготовленных из стали 12Х1МФ,
ны).
Внешние
нагрузки,
при
которых
ре­
длиной 1040 мм и диаметром 240 мм, при
гистрируется акустическое излучение,
толщине стенок 40 мм. Трещины развива­
исходящее
от
фронта
распространяющих­
лись от поверхностного полуэллиптичеся
трещин,
соответствуют
весьма
низкому
ского надреза длиной 250 мм и глубиной
уровню номинальных действующих на­
20 мм, ориентированного вдоль оси трубы
пряжений (3 ... 5 МПа). Эти данные полу­
(см. рис. П1.5). Макроскопический рост
чены в экспериментах по изучению про­
трещины, складывается из дискретных
цессов разрушения в локализованных об­
продвижений локальных участков ее
ластях материала у фронта распростра­
фронта. Это дает возможность по резуль­
няющихся трещин [63, 142]. В указанных
татам локации определить местоположе­
работах
для
оценки
конструкционной
ние, протяженность и ориентацию разви­
прочности
трубопроводов
энергетических
вающихся трещин. Следует отметить, что
блоков испытывали натурные секции тру­
развитие трещины по фронту происходит
бопроводов и их сварных соединений при
неравномерно во времени —периоды рос­
статическом
и
повторно-статическом
на­
та на отдельных участках фронта череду­
гружении внутренним давлением: трубо­
ются с периодами прекращения роста и
проводы из сталей 15Х1М1Ф, 12Х1МФ и
перехода в состояние подготовки к даль­
20
диаметром
220
мм
с
толщиной
стенок
нейшему развитию.
2
0
...
45
мм;
трубопроводы
из
стали
22К
(с
Это хорошо видно на рис. 2.25, где
антикоррозионной внутренней наплавкой)
приведено распределение источников АЭ
диаметром 848 мм с толщиной стенок
по фронту усталостной трещины в раз­
48 мм. Для инициирования трещин (при
личные периоды циклического нагруже­
испытаниях)
на
наружной
поверхности
ния.
трубопроводов в области основного ме­
На этапе 1 (циклы нагружения 3550 талла
и
у
сварных
соединений
путем
ме­
3700), этапе 3 (циклы 3850 - 4000), этапе
ханической
обработки
выполняли
надре­
4 (циклы 4001 - 4250), этапе 5 (циклы
зы
различных
размеров.
4250- 4300) трещина развивалась в ос­
Испытания
проводили
при
комнат­
новном в своей верхней зоне фронта; на
ной
температуре
на
базе
нагружения
10
этапе 2 (циклы 3700 - 3850) развитие тре­
циклов.
Скорость
нагружения
составляла
щины шло в верхних и нижних участках
примерно
10-4...
10
3
отн.
ед.
деф./мин
(по
фронта; на этапе 6 (циклы 4300 - 4350)
данным
тензометрических
измерений).
В
трещина развивалась достаточно равно­
процессе
испытаний
осуществляли
непре­
мерно по фронту. Таким образом, про­
рывную
регистрацию
контролируемых
странственное распределение отдельных
параметров АЭ (время поступления собы­
источников АЭ дает информацию о дли­
тия, координаты источников, количество и
не, ориентации трещины и характере ее
амплитудное распределение импульсов,
развития. Распределение источников АЭ
количество выбросов в импульсе, соот­
по координатам вдоль фронта трещины
ветствующее событию значение внешней
при циклическом нагружении толстостен­
нагрузки и т.д.), режима нагружения и
ного сосуда внутренним давлением свиде­
изменения электрических потенциалов
тельствует о том, что распространение
берегов измеряемых поверхностных тре­
трещины складывается из локальных про­
щин. Отмеченное явление излучения сигдвижений ее вдоль фронта.
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
/
г
141
3
.
.
®
Ш
щ
•
••
в
ч
.
аmф
W
в
£
V
>
®
ш
Ч •
® •*
е
♦
4-
*
т
*
5
®
1й
6
[ Д
Ш
0
/ Й
ж
И
д
З
J
w
E
*
-
2
*
*
в
в
•л
•
в
®
т
\
Рис. 2.25. Распределение источников АЭ по фронту усталостной трещины
на различных этапах нагружения
налов АЭ в процессе роста усталостной
трещины не при максимальных нагрузках,
а при некоторых промежуточных их зна­
чениях, наблюдается и при испытаниях
натурных объектов (рис. 2.24).
Рассмотрим случай циклического на­
гружения сосуда высокого давления из
стали 12X1 M lФ (диаметр 250 мм, толщина стенки 40 мм, рис. П. 1.5). Распределение моментов регистрации импульсов
акустической эмиссии по параметру возрастающей в цикле нагрузки (внутреннего
давления) на этапе равномерно роста
трещины носило характер, показанный на
рис. 2.24.
Следует отметить, что изменение
режимов внешнего нагружения (например, величины максимального в цикле
внутреннего давления) не приводит к
сколько-нибудь заметному изменению
нагрузок, при которых регистрируется
АЭ, обусловленная продвижением фронта
трещины. Это обстоятельство представляет интерес для определения условий нестабильного распространения трещин и
оценки критических значений характеристик сопротивления разрушению в ло-
кальных объемах материала у фронта
трещин.
Непрерывные измерения длины раз­
вивающихся трещин методом электриче­
ского потенциала подтвердило результаты
АЭ измерений. В процессе измерения
длины трещин методом электрического
потенциала (использован переменный ток
частотой 1000 Гц) определены характерные особенности поведения материала в
малой области у вершины трещин в цикле
изменения внешних нагрузок. Измерения
электрических потенциалов выявили кажущееся" изменение длины трещины за
цикл (чувствительность использованной в
работе аппаратуры составляет примерно
единицы микроампер), которое при указанном способе измерений объясняется
изменением магнитнои восприимчивости
материала, гальвано- и термомагнитными
явлениями, чувствительными к упругим и
пластическим деформациям. Как свидетельствуют многочисленные измерения,
форма диаграмм и размах кажущегося изменения длцны трещины определенным
образом связаны с размерами трещины и
условиями нагружения.
142
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
При испытании на вязкость разрушения образцов и моделей сосудов давления
из разных материалов (низкой и средней
прочности) с использованием методик
линейной механики разрушения были
получены критические значения коэффи­
циентов
интенсивности
напряжений
~ 700 ... 800 Н I мм'32. В этих оценках в
качестве разрушающих нагрузок прини­
мали нагрузки, при которых регистриро­
валась АЭ ( с м . рис. 2.24). Эти величины
близки к самым низким значениям вязко­
сти разрушения, наблюдающимся в экс­
периментах.
Экспериментальные результаты по­
зволили сформулировать модель роста
усталостной трещины. Можно представить, что некоторый локальный объем
деформационно-упрочнившегося
мате­
риала на кончике трещины с максималь­
ной степенью поврежденности и поэтому
максимально хрупкий (имеющий низкое
значение вязкости разрушения) погружен
в материал, все еще способный пластиче­
ски деформироваться. Этот микрообъем
"перемещается" в пластичном материале,
одновременно увеличиваясь в размерах.
Фактически перемещается фаза упроч­
ненного состояния материала, что имеет
определенную аналогию с перемещением
фазы волны. В тот момент, когда работа
по перемещению охрупченной зоны при
возрастании нагрузки в цикле сравняется
с предельной энергией для данного
хрупкого
состояния
материала
в
локальной зоне, происходит когерентное
разрушение материала локального объема
в виде скачкообразного продвижения
трещины на некотором участке фронта.
Скачок трещины сопровождается
импульсным излучением упругих колеба­
ний. Происходит перераспределение на­
пряжений по фронту трещины и в глубину
материала на продолжении трещины. При
этом вовлекаются в пластическую дефор­
мацию свежие участки материала. Однако
из-за малого объема пластически дефор­
мирующегося материала в локальной зоне
продвижения трещины и некогерентности
АЭ при пластической деформации сигна­
лы при дальнейшем увеличении нагрузки
вплоть до максимальной нагрузки в цикле
не регистрируются, поскольку они, повидимому, ниже порогового уровня. Если
произойдет несколько скачков трещины
на различных участках в течение одного
цикла нагружения, регистрируется не­
сколько импульсов АЭ.
При дальнейшем повышении нагруз­
ки выше Ртах начнется монотонное стати­
ческое деформирование и разрушение
материала. Произойдет значительное уве­
личение объема пластически деформи­
рующегося материала на конце трещины и
объект будет разрушаться так же, как и при
статическом нагружении, сопровождаю­
щемся существенным нарастанием числа
импульсов АЭ.
Широко используемое простейшее
эмпирическое уравнение Пэриса
^ - = а Ь К т,А К = К тах- К тт (2.53)
an
в ряде случаев (при соответствующем
подборе коэффициентов а и т) достаточ­
но хорошо описывает рост усталостных
трещин при средних уровнях нагружения
в диапазоне скоростей роста порядка
10"5... 10"3 мм/цикл для конструкционных
сталей.
При более детальном анализе про­
цесса
роста
усталостной
трещины
Г.П. Черепанов (см. "Механика разруше­
ния". М.: Физматгиз, 1974) предложил
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
использовать следующее уравнение, связывающее скорость роста трещины dltdn с
параметрами нагружения К !max, ATlmin наибольшим и наименьшим значениями
коэффициента интенсивности напряжений
за цикл и вязкостью разрушения Кс:
dn
= -р
к Iraax - к
к
2
K i - лк 1шах
к:-к
lmin у
(2.54)
где Р - константа материала. Развитие
представлений о росте усталостных трещин потребовало модификации уравнений Пэриса [54] путем' введения в него
Kth - порогового коэффициента интенсив­
ности напряжении:
dl_
dn
/
B(AK2 -AK?h) 1 +
ДК
\
К
—
К
л с
max у
143
ловием прекращения роста УТ для уравнения (2.54) является Ктях < Ку где Ку предел усталости при выполнении усло­
вий тонкой структуры. По-видимому, пре­
дел усталости также можно связать со
значением КАэ- В случае, когда Ктах изме­
няется, оставаясь больше КАэ, наблюдает­
ся изменение скорости роста УТ, однако
значение нагрузки, при котором регист­
рируются сигналы АЭ, меняется мало.
экспериментальные
Приведенные
данные позволяют заключить, что рост
УТ следует характеризовать следующими
значениями нагрузки: Pmjn, РюаХ5 Рдэ или
соответствующими им значениями Ктmm?
\
dt_
- FШ min, max , K A3)
^тах? ^*АЭ) Т.е.
АЭ . В
dn
таком случае можно модифицировать вы­
ражение (2.55) и представить его в виде
г
(2.55)
где В - коэффициент. Введение параметра
Kth позволило получить совмещение эмпирическои кривои с экспериментальны­
ми точками в большом диапазоне скоростеи роста трещины.
Выполненные эксперименты и оцен­
ки минимального значения критического
коэффициента интенсивности напряжении, соответствующего минимальным
значениям нагрузки, при которой проис­
ходит рост усталостных трещин, позволя­
ет сделать вывод о том, что этот коэффи­
циент интенсивности напряжений, который можно обозначить КАэ соответствует
пороговому значению К,/,.
Если максимальная нагрузка в цикле
такова, что
> КАЭ (или Ртах> Р Аэ) и
постоянна, то скорость роста УТ постоянна. При Щ < КАЭ прекращается регистрация сигналов АЭ и рост трещины. УсКА
КА
АК
1+
К с — К max
V
\
у
(2.56)
где ДАдэ = ^тах ~ ^ аэ- Таким образом,
имеется возможность оценивать скорость
роста УТ, используя физически ясный и
определенныи параметр, значение которо­
го легко получить в эксперименте.
Интересным экспериментальным на­
блюдением была регистрация роста
двух УТ в образце. На диаграмме са­
мописца отмечалось два события АЭ в
пределах одного цикла увеличения на­
грузки, причем скачки трещин происхо­
дили при различных значениях нагрузки.
Некоторое время две трещины, из кото­
рых одна была магистральной трещиной
(трещина /), а другая исходила из нее
(трещина 2), росли с примерно одинаковой скоростью. Затем .нагрузка, при
которой происходили скачки трещины 2,
стала уменьшаться, и после того, как она
КА
144
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
приблизилась к значению нагрузки скачков
трещины 1, произошла остановка трещины
2. В дальнейшем она не развивалась, в ре­
зультате чего прекратилась регистрация
сигналов АЭ. Таким образом, этот экспери­
мент подтверждает предположение о том,
что КАэ соответствует пороговому значе­
нию коэффициента интенсивности напря­
жений. В таком случае появляется возмож­
ность оценивать Кги по значениям Р аэ>
полученным в эксперименте по малоцик­
ловой усталости.
В работах [26, 27] при исследовании
роста УТ также регистрировались сигналы на промежуточных (не максимальных)
нагрузках на этапе подъема нагрузки. Авторы в поисках корреляции между сигналами АЭ и нагрузкой P op (нагрузкой открытия трещины), соответствующей мо­
менту их размыкания, связывали эти сиг­
налы с трением берегов усталостной тре­
щины. Исследования роста УТ проводи­
лись на образцах из высокопрочной (пре­
дел
текучести
1000
МПа)
стали
15ХН4МДФ в виде пластины размером
1000 х 450 х 43 мм с надрезом длиной 40 мм
и глубиной 2 мм с использованием размаха нагрузок 70 ... 1370 кН. На основании
их были сделаны выводы, что высокопрочные материалы типа 15ХН4МДФ
характеризуются низкой активностью
излучения
(пластическое деформирование, образо­
вание микропор, скачки трещины). В подобных материалах активность АЭ от
трения берегов трещины более чем на
порядок превышает активность источни­
ков АЭ перед ее вершиной.
Авторы [26, 27], анализируя распредлине
липтической УТ при возрастании нагруз­
ки в цикле, предположили, что основное
количество АЭ сигналов генерируется
центральной частью полуэллиптическои
трещины, причем средняя нагрузка реги­
страции сигналов АЭ коррелирует со
средней нагрузкой, соответствующей мо­
менту раскрытия УТ. Более детальный
анализ распределения источников АЭ в
пространстве (см. рис. 2.25) показывает,
что развитие трещин вдоль фронта проис­
ходит нерегулярно: в процессе развития
УТ на разных этапах продвижение фронта
трещины последовательно отмечается в
различных зонах контура.
Средняя нагрузка цикла, соответст­
вующая моменту регистрации сигналов
д д имеет тенденцию к снижению с увеличением размера трещины. Сам факт
регистрации подобных событий АЭ (вне
зависимости от их природы), а также динамика изменений параметров при росте
УТ позволяет использовать нагрузку Р аэ
и параметры ее изменения в качестве ди­
агностических признаков для идентифи­
кации УТ по сигналам АЭ и для контроля
параметров развития трещины. Достоин­
ством такой методики является то, что не
требуется измерения параметров единич­
ного импульса АЭ, искаженных при про­
хождении им акустико-электронного канала. На результаты не оказывает существенного влияния потеря определенного
числа сигналов АЭ при блокировке аппаратуры, используемой для селектирования
акустических
Для УТ получено эмпирическое выра­
жение, связывающее число выбросов зарегистрированных в цикле нагружения
d7
которое
трещины
dn
учитывая сказанное выше, можно представить в виде [181]
М
dl_
dn
, (2 .57)
АЭ В ТЕЛАХ С ДЕФЕКТАМИ
где к - коэффициент пропорционально­
сти; Ру ‘ предел текучести материала; по­
казатель степени
^ m im ^А Э ?
Р у ) ~~ С1^ т а х
^2^т т
+ С зА Г д э + С 4/ + С 5 Р у + С 6,
С2, сз, С4, с5, с6 - константы, которые
можно получить из экспериментов.
При оценке результатов измерения
АЭ в процессе роста УТ необходимо учи­
тывать влияние изменения режимов рабо­
ты конструкции: изменения максималь­
ных и минимальных нагрузок в цикле,
пуски и остановы, выдержки под нагруз­
кой и т.д. Например, перерыв в нагруже­
нии объекта и связанные с ним релакса­
ционные процессы в материале у верши­
ны трещины приводят к тому, что в пер­
вом нагружении после перерыва трещина
дает более высокий уровень АЭ, чем при
непрерывном нагружении. Обнаруженное
явление может быть положено в основу
методики выявления УТ в конструкциях
без их дополнительного нагружения сверх
рабочих нагрузок. Описанные эффекты
могут быть использованы, например, при
контроле магистральных трубопроводов,
для которых превышение рабочих нагру­
зок технически затруднено.
При многоцикловой усталости уро­
вень нагружения невелик. Накопление
повреждений в цикле незначительно и
соответственно амплитуда АЭ мала. В
связи с этим при контроле многоцикловой
усталости необходимо особое внимание
обращать на уменьшение шумов оборудо­
вания и тепловых шумов аппаратуры кон­
троля. Одним из действенных методов
уменьшения шумов при усталостных ис­
пытаниях является стробирование сигна­
лов по циклу нагружения. Распределение
моментов регистрации АЭ, а следователь­
145
но, моментов скачков трещины по значе­
ниям возрастающей в цикле нагрузки от­
личается малым разбросом при стабиль­
ных условиях нагружения и равномерной
скорости роста УТ.
Как для малоцикловой, так и во мно­
гих случаях для многоцикловой усталости
можно наблюдать в процессе развития УТ
увеличение значения параметров АЭ, свя­
занных с энергетикой процесса. Так,
среднее значение амплитудного распреде­
ления или эффективное (среднеквадрати­
ческое) значение сигналов АЭ в процессе
роста трещины изменяется. Общие тен­
денции заключаются в увеличении как
этих значений, так и доли высокоампли­
тудных импульсов и их энергии.
Исследованиями
выявлена связь
этапности процессов роста трещины и АЭ
процесса. Для каждого этапа характерны­
ми являются различные фазы, включаю­
щие в себя медленное нарастание пара­
метров, затем относительно быстрый рост
их значений, после чего темп существен­
но снижается. На рис. 2.22 можно выде­
лить пять ярко выраженных этапов.
Наступление этапов можно рассмат­
ривать как преодоление некоторых барье­
ров в начале каждого этапа. Сначала идет
подготовка роста дефекта путем накопле­
ния повреждений, затем ускорение разви­
тия дефекта, которое заканчивается либо
затуханием процесса разрушения (в слу­
чае "сильного11 препятствия), либо пол­
ным разрушением объекта.
Отмеченная этапность характерна
для всех масштабов разрушения. Это от­
носится к формированию единичного им­
пульса АЭ (проиллюстрировано на
рис. 1.19, а), к развитию АЭ-процесса при
?\ :
;’ '
_
задержанном разрушении (проиллюстрировано на рис. 2.18) и к АЭ, сопровождаю-
146
Глава 2. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
щей рост УТ (проиллюстрировано на
рис. 2.22). Подобное разворачивание событий подробно анализируется в теории
развития различных систем - синергетике.
В общем случае процесс АЭ можно представить уравнением развития [88, 104]:
лдг
2 ~
~
9
(2.58)
где а и Ъ - константы; R - ресурс или про­
странство событий (максимальное число
импульсов, собранных с поверхности разрушения); ■ - текущее значение суммы
импульсов АЭ. Решением этого уравнения
логистическая кривая. Набор
этих решении для каждого барьера представляет полный портрет контролируемо0бъекТа в терминах АЭ.
Глава 3
АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ ДИАГНОСТИКА
И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
3.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЭ ДЛЯ НК И ТД
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Возможность ратрушения производ­
ственного объекта в большинстве случаев
связана с наличием в нем дефектов. В лю­
бой конструкции всегда присутствуют те
или иные дефекты, исключить которые
невозможно. Задача состоит в обеспече­
нии безопасной эксплуатации реального
объекта с наименьшими затратами. Среди
достаточно многочисленных способов
повышения безопасности объекта можно
выделить:
• использование оптимальных для
данного объекта, условий его эксплуата­
ции, материалов и технологий изготовле­
ния, что требует выполнения весьма
большого объема работ при их создании;
• проведение периодического или
непрерывного НК и ТД состояния объекта
(мониторинг);
• снижение уровня действующих на­
пряжений в объекте и ряд других мер.
Реализация их требует дополнитель­
ных расходов. Однако экономия на рабо­
тах, обеспечивающих повышение безо­
пасности, приводит к затратам на ликви­
дацию последствий разрушения. Когда
расходы при разрушении опасного произ­
водственного объекта велики, принима­
ются меры по уменьшению вероятности
разрушения, что обусловливает увеличе­
ние затрат на оптимальное проектирова­
ние, квалифицированное производство,
тщательный приемочный контроль и мо­
ниторинг технического состояния в про­
цессе эксплуатации.
Пока экологические штрафы для
предприятий составляли незначительные
суммы, в ряде отраслей, таких как нефтя­
ная, газовая и другие, главное внимание
уделялось не предупреждению аварии, а
ремонту после них. Уровень развития НК,
ТД и других методов предупреждения
аварий находился не на должной высоте.
Для ряда объектов вероятность разруше­
ния должна быть весьма малой в силу ка­
тастрофических последствий их разруше­
ния. А* таким объектам относятся конструкции:
• при разрушении которых выделя­
ются большие количества энергии и/или
вредных веществ;
• при разрушении которых большое
число людей подвергается воздействию
высвобожденной энергии или веществ;
• у которых стоимость материала для
замены или ремонта весьма велика;
• из высокопрочных хрупких мате­
риалов, у которых разрушение элемента
конструкции немедленно ведет к полному
хрупкому разрушению всей конструкции;
• для которых невозможно проекти­
рование на основе критерия "течь перед
разрушением", так как при этом выделя­
ются опасные вещества.
К таким объектам можно отнести
авиакосмические объекты, оборудование
атомных электростанций, корпуса под­
водных лодок, нефтяные, химические и
нефтехимические объекты. Опасные про­
изводственные объекты определены в
Федеральном законе "О промышленной
безопасности опасных производственных
объектов" от 21.07.97 № 116-ФЗ. Мето^I
АЭ является одним из наиболее мощных
средств в системе обеспечения безаварий­
ной эксплуатации оборудования на опас­
ных производственных объектах. Резуль­
таты исследований, представленные в
гл. 2, позволяют выделить основные эле­
менты некоторой совокупности научных
представлений и технических средств,
которые являются обязательными для АЭ
148
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
как метода НК и ТД: система научных
представлений о физике явления; методи­
ки контроля; средства контроля; норма­
тивно-техническая документация; специа­
листы соответствующей квалификации;
ответственные решения по применению
метода.
• Возможность использования явле­
ния АЭ для выявления трещин, очагов
пластической деформации и слежения за
их развитием, стала стимулом для разви­
тия работ по применению метода АЭ. В
настоящее время сложились определен­
ные концепции традиционных методов
НК, которые превращают физические
эксперименты в промышленный метод,
используемый для выявления дефектов,
их оценки и установления категории объ­
екта (брак/годный).
• Для того чтобы с помощью какоголибо физического явления (например,
взаимодействия ультразвуковой (УЗ) вол­
ны с несплошностью в твердом теле и
определение параметров этой несплошности по параметрам рассеянного поля)
можно было контролировать промышлен­
ные объекты, необходимо обеспечить вы­
полнение ряда формализованных требо­
ваний, образующих метод контроля, таких
как: подготовка поверхности под кон­
троль, способ сканирования, выбор типа
физического поля и т.д.
• Средства контроля, по существу,
определяют в большой степени возмож­
ность выявления и регистрации дефектов.
• Обобщающим элементом метода
НК является нормативно-техническая до­
кументация.
.»
Ш
• Все методы НК и ТД представляют
собой информационные технологии. В
методе АЭ основой является процесс из­
влечения информации, заключенной в
параметрах сигнала. Построение методи­
ки НК базируется на создании условий,
способствующих извлечению информа­
ции с минимальными потерями после
прохождения сигнала через канал переда­
чи [39]. Вследствие близости методов АЭ
и УЗК (носителем информации в обоих
методах выступают упругие волны УЗ-
частот) некоторые методические приемы
имеют сходные характеристики. С другой
стороны, метод АЭ контроля базируется
на подходах механики разрушения, оце­
нивающей влияние дефекта на степень
безопасности объекта, и это принципи­
ально отличает его от УЗК и других мето­
дов НК.
'/
|
Допустимая вероятность разрушения
опасного производственного объекта мо­
жет быть обеспечена в большинстве слу­
чаев поддержанием относительно низких
механических напряжений снижением
вероятности присутствия дефектов в кон­
струкции и повышением вероятности их
обнаружения методами НК. Вероятность
разрушения для конструкций, содержа­
щих дефект размером /, будет тем мень­
ше, чем ниже уровни номинальных на­
пряжений, выше рабочая температура и
трещиностойкость материала (2.38). На­
пример, если критическое значение коэф­
фициента интенсивности напряжений со­
ставляет К \с = 280 МПа ■м1/2 и номиналь­
ное механическое напряжение с = 280
МПа, то /кр = 0,3 м (Механика разруше­
ния. Разрушение конструкций. М.: Мир,
1980). Подобный дефект практически не­
возможно не обнаружить.
Для материалов с относительно вы­
соким пределом текучести Оу = 1200 ...
1700 МПа номинальный уровень дейст­
вующих напряжений обычно составляет
порядка 700 МПа. Для таких материалов
критический коэффициент интенсивности
напряжений составляет величину порядка
50 МПа • м1/2, а критический размер тре­
щин /кр в элементе конструкции равен
1,3 ... 2,5 мм, т.е. лежит в области преде­
лов чувствительности большинства мето­
дов НК в производственных условиях.
Поскольку инциденты, аварии и ка­
тастрофические разрушения промышлен­
ных объектов происходят преимущест­
венно в результате развития трещин,
принципиальным требованием к промыш­
ленным методам НК и ТД является спо­
собность выявления трещин, их иденти-
149
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЭ
фикация и оценка степени опасности для
объекта.
Процесс развития трещин носит
скачкообразный характер. Каждый скачок
соответствует преодолению некоторого
барьера с выделением упругой энергии.
Вследствие этого формируется импульс
АЭ, который, в свою очередь, отображает
процесс разрушения объекта. При исполь­
зовании явления А ЭТда целей НК необ­
ходимо установить набор параметров АЭ,
несущих информацию об интересующих
сторонах контролируемого процесса, и
выбрать наиболее помехоустойчивый па­
раметр или их сочетание. Например, рост
трещин в конструкциях, как правило, кон­
тролируют по следующим параметрам
АЭ: числу импульсов, числу выбросов
сигнала АЭ через порог, активности (скороста счета), амплитуде импульсов (амплитудному распределению), эффективному значению АЭ процесса, координатам источников АЭ.
Качественный визуальный анализ
кривых показывает, что наиболее информативным и наглядным параметром при
анализе процесса разрушения сосуда вы­
сокого давления является зависимость
общего числа импульсов АЭ (либо сум­
марного счета) от нагрузки (рис. 3.1) [42].
Хорошо различаются участки, определяющие состояние сосуда. Достаточно
уверенно можно идентифицировать стадию, предшествующую разрушению.
Заключительная стадия характеризуется определенной закономерностью рос­
та числа импульсов АЭ при повышении
нагрузки. Относительно резкое увеличе­
ние числа импульсов на промежуточных
участках носит случайный характер и вызвано быстрым развитием отдельных дефектов, размер которых не является критическим для конструкции. При повышении нагрузки один из дефектов достигает
субкритического размера, после чего наблюдается ускоренный рост дефекта
вплоть до хрупкого катастрофического
разрушения объекта. На рис. 3.1 хорошо
N, имп/с
Разрушение
N
О
г,5
5,0
7,5
р,ИПа
Рис. 3.1. Зависимость скорости счета АЭ
■
УУ, суммарной АЭ N и эффекти[ В Н О Г О
значения АЭ и от внутреннего давления
при нагружении сосуда
виден перегиб зависимости N(p) в области
р ~ 9 МПа.
Ускоренный или нестабильный рост
трещины в натурных объектах, изготовленных из "вязких” сталей и сплавов, происходит, как правило, вязким образом и
подчиняется закономерности (2.37). Когда
увеличение числа импульсов АЭ начинает
подчиняться степенному закону с показа­
телем степени т = 4 или больше, можно
прогнозировать с некоторой степенью
вероятности разрушение.
Для высокопрочных материалов, когда наряду с импульсами от пластической
деформации на кончике трещины начинают регистрироваться импульсы от когерентных скачков трещины, процессов
двойникования и других динамических
процессов, показатель степени возрастает
до 10 ... 12. Это зависит от АЭ свойств
материалов, которые необходимо учитывать при выполнении АЭ контроля производственных объектов.
Анализ параметров АЭ при нагружении объектов вплоть до разрушения показал, что признаком приближающегося
катастрофического разрушения могут
служить особенности формы зависимости
числа импульсов АЭ (либо суммарной
АЭ) от параметра нагружения. Следует
150
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
отметить, что в степенной зависимости
числа импульсов АЭ (суммарной АЭ) в
качестве аргумента можно принимать
возрастающую нагрузку, время при по­
стоянной нагрузке, число циклов нагру­
жения и другие параметры; все эти пара­
метры можно свести к одному, исполь­
зуемому в механике разрушения, Ц коэф­
фициенту интенсивности напряжений.
Зависимости, приведенные на рис. 3.1,
являются типичными в большинстве слу­
чаев разрушения объектов (сосудов, тру­
бопроводов и др.)* Однако каждый раз
при выполнении АЭ-контроля следует
выбирать информативные параметры сиг­
нала АЭ с использованием количествен­
ного анализа. При приближении формы
зависимости числа импульсов АЭ к зако­
номерности (2.37) практически неизбежно
наступает стадия вязкого разрушения, ко­
торая заканчивается выходом объекта из
строя в результате появления сквозной
трещины либо хрупкого разрушения.
Именно на стадии вязкого разрушения
можно реализовать потенциальную воз­
можность метода АЭ предупреждать раз­
рушения. Это положение следует приме­
нять в первую очередь при создании мето­
дик контроля объектов с использованием
АЭ в качестве критериев оценки техниче­
ского состояния объектов.
Иллюстрацией качественного подхо­
да к выявлению параметра АЭ, адекватно
характеризующего исследуемые процес­
сы, являются: выбор активности АЭ (для
контроля качества сварки и сварных швов
[42]) и идентификация источников АЭ по
распределению амплитуд [116, 160].
Для пластической деформации ха­
рактерен плавный спад зависимости числа
импульсов от амплитуды в амплитудном
распределении, т.е. импульсов с малой
амплитудой регистрируется больше, чем с
большой. Для источников АЭ в виде тре­
щин отмечаются более равномерное рас­
пределение амплитуд и, как правило,
имеются максимумы.
I|
Определение состояния контроли­
руемого объекта по параметрам АЭ ос­
ложняется тем, что в настоящее время
еще нет абсолютно достоверных и хорошо
отработанных методов идентификации
различных типов источников истинной
АЭ (пластической деформации и роста
трещин), позволяющих отличить "истин­
ную” АЭ от акустических сигналов, не
связанных с ростом трещин, но вызывае­
мых другими нежелательными процес­
сами.
На данном этапе развития метода АЭ
существуют (или близки к осуществле­
нию) несколько исходных положений, на
которых должна базироваться оценка
хода разрушения объекта : 1) анализ со­
стояния объекта и определение вероятно­
сти дальнейшего развития повреждений;
2) подсчет числа импульсов АЭ с начала
нагружения; 3) сравнение значений какого-либо параметра АЭ с эталонной кривой
(установленной экспериментально зако­
номерностью); 4) регистрация смены за­
кономерности изменений какого-либо
параметра.
Поскольку все перечисленные поло­
жения опираются на реально происходя­
щие процессы разрушения, все они взаи­
мосвязаны и фактически отображают раз­
ные стороны одного и того же процесса.
Положение 1 является наиболее общим и
может включать (как частные случаи)
следующие три. Оно основано на рас­
смотрении процессов разрушения с пози­
ции статистической теории прочности
твердых тел, в котором предполагается
оценка вероятности прохождения объек­
том различных состояний в процессе де­
градации из-за накопления повреждений.
Положение 2 основано на следующем
допущении. Если каждый импульс АЭ
соответствует единичному акту разруше­
ния материала на некоторой площади, то,
подсчитывая число импульсов, можно
определить площадь разрушения и соот­
ветственно площадь "живого” сечения.
Это наиболее простое положение, однако
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЭ
оно действует в весьма ограниченных ус­
ловиях. Регистрация сигналов от пласти­
ческой деформации и пропуск сигналов от
разрушения с амплитудой меньше поро­
гового уровня может внести значитель­
ную погрешность. Кроме того, примене­
ние этого положения возможно только в
случае слежения за ростом дефекта с мо­
мента его образования.
Сравнение значений параметров АЭ
с эталонными зависимостями, сформули­
рованное в положении 3, предполагает
проведение предварительных экспери­
ментов в рабочих условиях с натурными
объектами, содержащими те же дефекты,
что и контролируемые изделия. В боль­
шинстве случаев э т а ' невозможно. Для
перенесения данных АЭ с образцов на
объект требуется введение поправочных
функций (коэффициентов). При создании
методик контроля на базе испытаний об­
разцов необходимо учитывать разницу
как акустических, так и АЭ-параметров
образцов и объектов, Положение 4 , тесно
связанное со вторым, наиболее прорабо­
тано в настоящее время. Эксперименталь­
ная зависимость суммарного счета АЭ от
числа циклов нагружения (см., например,
рис. 2.22) позволяет сделать определен­
ные выводы, которые в общих чертах
подтверждают перечисленные исходные
положения по анализу хода разрушения с
использованием АЭ. Смена закономерно­
сти изменения числа импульсов АЭ и со­
ответственно этапов разрушения наблю­
дается в точках А, В, С, D, Е, F (см. рис.
2.22), причем наиболее важным измене­
нием закономерности является переход от
стабильного роста трещины (DE) к неста­
бильному (EF). Нестабильный рост тре­
щины сопровождается АЭ, описываемой
уравнением (2.37), которое может быть
записано в виде
N = аРт,
(3.1)
где Р = Р(К) - параметр, связанный с ко­
эффициентом
интенсивности
напря­
жений К.
Параметром Р может быть усилие,
время, число циклов нагружения и др.;
151
постоянные а и т определяются материа­
лом и условиями нагружения. Выражение
(3.1) аналогично уравнению (2.37), если
вместо параметра Р используется непо­
средственно КИН; уравнение подтвер­
ждается многочисленными эксперимен­
тальными данными, полученными при
циклических и статических нагружениях.
На основании сказанного можно сде­
лать вывод об универсальности уравнения
Данегана, которое связывает КИН с чис­
лом импульсов АЭ. Действительно, лю­
бой процесс разрушения сопровождается
повышением КИН со временем вне зави­
симости от того, повышается ли прило­
женная нагрузка, сохраняет ли она посто­
янную величину или разрушение идет в
условиях переменного (по всем парамет­
рам) нагружения.
Это универсальное условие протека­
ния процесса разрушения отражается на
сопровождающем его явлении АЭ, поэто­
му для интерпретации АЭ-процесса в из­
делии необходимы сведения о материале,
т.е. коэффициенты уравнения (2.37) и (3.1),
полученные на лабораторных образцах из
того же материала, что и контролируемое
изделие, и при тех же условиях. Если для
контролируемого объекта выведена зако­
номерность типа (3.1), значит, параметр
нагружения прямо пропорционален коэф­
фициенту интенсивности напряжений и
происходит нестабильный рост трещины.
В проблеме выявления критической
или катастрофической ситуации важно
различить участки АВ, CD и EF (см. рис.
2.22). Участок АВ, вероятно, относительно
легко можно идентифицировать по пред­
варительным данным о дефектах и про­
грамме нагружения. Участки CD и EF
имеют одну и ту же природу, т.е. они вы­
званы нестабильным ростом трещины.
Различить их можно только по масштабу
явления, а также используя другие пара­
метры АЭ, например, амплитуду, энергию,
координаты и т.д. По-видимому, на данном
этапе смена закономерности зависимости
числа импульсов в точке Е может быть
наиболее м'ощным признаком оценки со­
стояния об'&екта и прогностическим при­
знаком разрушения объекта.
152
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
N
Рис. 3.2. Характерная зависимость
7V- числа импульсов АЭ от нагрузки
Согласно американскому стандарту
(ASTM Е 569) - одному из первых норма­
тивно-технических документов в области
АЭ, источники АЭ классифицируются по
активности на три группы. Источник
считается неактивным, если при увели­
чении параметра нагружения (давления,
времени при постоянном давлении, числа
циклов и т.д.) число импульсов АЭ увели­
чивается незначительно; подобный источ­
ник АЭ в дальнейшем не требует внима­
ния. В том случае, когда число импульсов
АЭ увеличивается с закономерностью,
близкой к линейной, источник проявляет
активность и требует внимания. И, нако­
нец, когда число импульсов АЭ увеличи­
вается более быстрыми темпами, источ­
ник считается активным (дефект разви­
вается быстро, необходимо приостановить
нагружение и проверить участок, на кото­
ром происходит рост дефекта).
Источники АЭ можно также подраз­
делять по степени их энергетической ин­
тенсивности 1 [176], которую определяют
по одному из трех показателей: средней
амплитуде события, числу осцилляций в
событии и просто по энергии события.
Эти показатели связаны между собой.
Интенсивным (сильным) источником АЭ
является тот, интенсивность которого (ус­
ловно /,) превосходит среднюю интенсив­
ность всех других источников АЭ в кон­
тролируемом объекте (условно 1%), т.е.
/i > h •
Рассмотрим характерную кривую за­
висимости числа импульсов АЭ от увели
чивающейся механической нагрузки Р . На
рис. 3.2 отмечено пять характерных участ­
ков поведения источника АЭ для режима
увеличения нагрузки. На первом участке до
Р\ источник АЭ неактивен. На участке меж­
ду Р\ и Ц активность источника АЭ повы­
шается. При нагружении от Р2 до Рз источ­
ник вновь классифицируется как пассив­
ный; or i f до .Р4 источник АЭ критически
активный. При дальнейшем повышении
нагрузки источник АЭ становится более чем
критически активным, его можно назвать
катастрофически активным [42]. Харак­
терным для этого участка является непре­
менное разрушение объекта при сохране­
нии режима нагружения образование
сквозного
дефекта,
пронизывающего
толщину стенки объекта.
На кривой зависимости числа им­
пульсов АЭ от того или иного параметра
можно выделить два принципиально раз­
личных участка: на рис. 3.2 это участки до
Pt, и после данной нагрузки, а на рис. 2.22
участки АЕ и EF. Для первого участка
характерно колебание приращения числа
импульсов АЭ в некоторых пределах. Од­
нако при сохранении режима нагружения
стабильного увеличения числа импульсов
АЭ не наблюдается. На этих участках
происходит скачкообразный рост трещи­
ны, однако средняя скорость роста тре­
щины невысока и нет возможности с не­
обходимой точностью предсказать тен­
денцию и скорость дальнейшего роста
трещины.
Для другого типа участка кривой
числа импульсов АЭ, расположенного
после /*4, характерно стабильное увеличе­
ние числа импульсов АЭ при сохранении
режимов нагружения. При этом непре­
менно наступает разрушение объекта при
сохранении закономерности увеличения
числа импульсов АЭ (суммарной АЭ).
Такое изменение объясняется ускоренным
ростом трещины и сигнализирует о на­
ступлении заключительной стадии разру­
шения объекта. Таким образом, класси­
фикация источников АЭ по их активности
и интенсивности позволяет оценить опас­
ность дефекта для конструкции.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЭ
Катастрофически активный источник
сигнализирует о необходимости немедленной остановки работы объекта и сбросе нагрузки. Если источник АЭ подпадает
под определение критически активного
или критически интенсивного либо явля­
ется тем и другим вместе, то считается,
что конструкция находится в критической
ситуации и необходимо применить другие
для эценки дефектов.
Если источник характеризуется как
интенсивный, то возможен дальнейший
рост дефекта. Параметры такого дефекта
также необходимо оценить другими мето­
дами НК. Активный источник, но не ин­
тенсивный, должен быть зарегистрирован
для оценки его дальнейшего поведения.
Источники с малой активностью или малой интенсивностью могут быть в дальнейшем оставлены без внимания.
Анализ зависимости числа импульсов АЭ показывает, что по изменению
этого параметра можно судить в опреде­
ленный момент о приближающемся раз­
рушении и своевременно принять меры к
его предотвращению. Следует обратить
внимание на то, что метод АЭ представ­
ляет возможность по-новому подойти к
понятию дефекта и в дальнейшем при
накоплении дополнительного материала
это понятие уточнить. В ГОСТ 15467-79
дано определение: "дефект - это каждое
несоответствие продукции требованиям,
установленным нормативной документа­
цией". Во многих случаях в технических
условиях на продукцию к дефектам относят несплошности материала, которые
можно выявить существующими физическими методами неразрушающего контроля.
Как показывает опыт, не все не­
сплошности, порой даже весьма больших
размеров, сравнимых с толщинои стенки
изделия, вызывают отказ в работе объекта, а классифицирование таких несплошностей, как недопустимые дефекты, мо­
жет привести к большим экономическим
и временным потерям. Поэтому при полной уверенности в том, что из-за имею-
153
щеися несплошности не произойдет отказа в работе объекта, ее можно считать не
дефектом, а особенностью конструкции,
не влияющей на работоспособность объекта. Такую уверенность может потенциально дать только метод АЭ. Данное по­
ложение служит основой для оценки эко­
номических аспектов метода АЭ. К основным положениям экономической эффективности применения метода АЭ относятся: повышение безопасности при
эксплуатации объектов; замена традиционных методов НК и сокращение их объ­
ема; совершенствование конструкции из­
делий на базе обоснованного снижения
запасов прочности в целях экономии ма­
териала.
Повышение безопасности эксплуатации ответственного оборудования путем
предупреждения внезапных разрушений
при использовании аппаратуры АЭ является достаточно наглядным. Два послед­
них положения менее безусловны. Воз­
можна ли замена традиционных методов
НК или сокращение их объема? В на­
стоящее время можно говорить о сокра­
щении объема, но полной замены быть не
может. Однако при наличии отработанной
устойчивой технологии изготовления
объектов, применении качественных ма­
териалов и достаточной культуре про­
изводства в конце концов можно перейти
к проведению НК только при выпуске
продукции с завода-изготовителя и обеспечить этот контроль методом АЭ. При
эксплуатации объекта в случае мониторинга технического состояния с использованием метода АЭ и других методов можно предполагать возможность существен­
ного сокращения объемов традиционных
методов НК.
Применение метода АЭ позволит
конструкторам ответственного оборудования установить более низкие коэффициенты запаса без потери уверенности в
надежности'объектов. При этом уменьше­
ние массы иуолщины несущих конструкций не только не приведет к снижению
154
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
вероятности выхода объекта из строя, но
должно повысить надежность изделий в
результате уменьшения вероятности воз­
никновения дефекта в процессе производства.
3.2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК
АЭ-КОНТРОЛЯ ПРОМ Ы Ш ЛЕННЫ Х
ОБЪЕКТОВ
В настоящее время существует ряд
нормативно-технических
документов
(НТД), определяющих методики проведе­
ния АЭ-контроля для различных видов
промышленной продукции и производст­
венных объектов. Анализ имеющейся
НТД показывает, что ни один из существующих стандартов, как зарубежных, так
и отечественных (за исключением в определенной степени "Правил АЭ-контроля"), не отвечает в полной мере современным требованиям. Это не позволяет реа­
лизовать потенциал метода АЭ и с боль­
шей пользой использовать его для кон­
троля опасных производственных объек­
тов. Различия в подходах в каждом из из­
вестных стандартов АЭ объясняются от­
сутствием обобщенной методики контро­
ля. Вследствие этого возникла задача соз­
дания алгоритма разработки такой мето­
дики, на базе которой в дальнейшем мож­
но было бы разрабатывать НТД для АЭконтроля конкретных объектов [50].
Цель АЭ-контроля, в первую очередь, выявление признаков наступления пре­
дельного состояния объекта по параметрам сигнала АЭ. Наиболее важно определить параметры предельного состояния
объекта, возникающего в результате развития трещин как наиболее частой и серьезной причины отказов работающего оборудования, а также в результате развития
глобальной пластической деформации. Основой методики АЭ-контроля являются
соотношения, связывающие параметры
процесса разрушения с параметрами сигнала АЭ. Вследствие этого в процессе
контроля необходимо на основании апри­
орных данных оценить состояние контрож
-ft
т
^
щ
f
^
v
у»-
#
>/
}
лируемого объекта по параметрам сигнала АЭ.
Рассмотрим систему априорных дандля
дики АЭ-контроля. В первую очередь
нужны данные об акустических свойствах
объекта. К таким свойствам относятся
скорости: CL - продольной волны, Cs - по­
перечной волны, С\ — волны Лэмба,
CR- волны Рэлея и затухание этих волн.
Значения скоростей волн необходидля расчета в дальне
очников АЭ. а также
конструкции
риала, расположения приемника АЭ (ПАЭ)
вида
ческого канала, механизма источника АЭ
выбирают или экспериментально определяют тип волны и проводят калибровку
аппаратуры в соответствии с выбранным
типом волн. Показатели процесса затуха­
ния необходимы для восстановления зна­
чения амплитуды и энергетических пара­
метров источников АЭ до истинных значе­
ний вблизи источника. В общем случае
требуется знание затухания всех типов
волн, используемых для контроля.
Помимо чисто акустических пара­
метров материала нужны сведения о спе­
цифических АЭ-свойствах материала и
конструкции, которые определяются ме­
ханизмом контролируемого динамическо­
го процесса (ростом трещины, скачком
пластической деформации). Одним из АЭсвойств, характеризующих материал, яв­
ляется ранее упоминавшаяся эмиссивность (число импульсов АЭ, излученное
при пластической деформации опреде­
ленного объема материала). Эмиссивность
может служить АЭ-характеристикои материала, позволяя сравнивать материалы
между собой. При разработке методики
АЭ-контроля необходимо оценить возможность: возникновения источников
каждого типа (рост трещин и др.), их
идентификации, влияния механизма развития источника на конструкцию.
принципиальный мо­
Следующи
м ент- выбор (создание) системы классиК*
РАЗРАБОТКА МЕТОДИК АЭ-КОНТРОЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
155
фикации источников АЭ и критерия пре­
как правило, невозможно прогнозировать,
дельного состояния контролируемого
требуются обязательные измерения их
объекта по параметрам АЭ. Тип предель­
значений предварительно перед выполне­
ного состояния устанавливается в резуль­
нием АЭ-контроля. В алгоритмической
тате проектирования объекта и наступает
форме последовательность и набор дейстпри определенных условиях воздействия
вий при создании методики АЭ-контроля
на объект. При разработке методики АЭмогут иметь следующий вид.
контроля необходимо получить или иметь
набор параметров АЭ, соответствующих
Алгоритм создания методики
предельному состоянию объекта и харак­
АЭ-контроля
теризующих его. Критерием предельного
• 1. Исследование акустических свой­
состояния, как правило, служит неравен­
ств материалов объекта.
ство, которое удовлетворяется при неко­
1.1. Измерение скорости звуковых
тором сочетании параметров АЭ и пара­
волн: Ci —продольной волны, Cs - попеметров нагрузки.
Важным самостоятельным разделом
речной волны, С\ - волны Лэмба, Cr волны Рэлея.
является разработка методических аспек­
1.2.
тов АЭ-контроля, включающая в себя:
перенос акустических, специфичепродольной волны, 8s - поперечной вол­
ны, 8х —волны Лэмба, 8* - волны Рэлея.
ских свойств источника АЭ, получаемых,
как правило, на образцах (призматиче­
• 2. Исследование АЭ-свойств мате­
ских, лопаточных и др.) и моделях, на
риала.
реальные изделия, т.е. учет масштабного
2.1.
2 . 1. Определение эмиссионности
фактора (визуальный анализ (см. рис. 3.7
N3= N!V (N - число импульсов АЭ; V и 3.10) наглядно показывает различие сигобъем пластической деформации),
налов АЭ, регистрируемых в образцах и в
2.2. Исследование параметров сигна­
реальных изделиях);
лов АЭ от возможных источников АЭ в
- анализ прохождения сигнала по
данном материале (от пластической де­
элементам конструкции (определение заформации, роста трещины).
тухания), калибровка базы антенной ре­
2.2.1. Параметры АЭ от пластиче­
шетки, оценка точности измерения коор­
ской деформации как на образцах, так и
динат источников АЭ;
на моделях и натурных объектах.
—
учет и оценка влияния прохожде­
2.2.2. Параметры АЭ при росте трения сигналов АЭ по элементам конструк­
щин: статической, усталостной и т.д.
ции на используемые критерии.
2.3. Выявление АЭ-признаков преВесь перечисленный набор данных в
дельных состоянии.
большинстве случаев можно получить
2.3.1. Создание классификации ис­
только в экспериментальных исследова­
точников АЭ
ниях, поскольку значения чисто акустиче­
2.3.2.
Выбор
критериев
оценки
ре­
ских величин и тем более АЭ-свойств ма­
зультатов
контроля
(признаки
брака).
териалов зависят от многих факторов, не
•
3.
Разработка
методических
ас­
поддающихся в общем случае аналитиче­
пектов АЭ-контроля.
ским расчетам. В данном случае теорети­
3.1. Анализ прохождения и преобра­
ческие подходы важны для оценки тензования сигналов в акустическом канале.
денции, ориентации в получаемых данных
3.1.1. Определение комплексного кои интерпретации результатов контроля.
эффициент^ передачи типовых элементов
Неотъемлемой частью методик АЭконтроля является предварительное изу­
конструкций* а также конструкции в цечение шумов. Поскольку шумы и помехи,
лом.
V#
км
156
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
3.1.2. Учет масштабного фактора перенос критериев классификации источников АЭ на контролируемый объект.
3.1.3. Выбор схемы расположения
ПАЭ (конфигурации антенной решетки).
3.1.4. Калибровка базы антенной решетки.
3.1.5. Анализ ошибок определения
координат и оценка погрешностей лока­
лизации источников АЭ.
3.2. Оценка влияния конкретного
акустического канала на используемые
критерии.
3.3. Анализ параметров шумов.
• 4. Разработка нормативно-технической документации (методик, инструк­
ций, технологий).
• 5. Выбор параметров контроля и
средств, обеспечивающих проведение
контроля объектов.
Краткий анализ необходимых эле­
ментов, требующихся для составления
методики АЭ-контроля, выраженный в
форме эвристического алгоритма, позво­
лит проводить разработки методик АЭконтроля производственных объектов. В
конкретных случаях может отсутствовать
какой-то элемент методики. Но если име­
ются достоверные данные о тех или иных
элементах алгоритма, то можно использо­
вать их при контроле конкретного
объекта.
Достаточно подробный анализ АЭсвойств материалов приведен в гл. 2. По­
этому здесь лишь очень коротко предста­
вим некоторые данные, которые помогут
понять, что необходимо учитывать при
исследований акустических каналов, со­
ставлении методик АЭ-контроля и интер­
претации результатов.
Л ш щ
3.3. АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ
КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
Сигналы АЭ при распространении их
по объекту контроля существенно изме­
няют все свои характеристики и парамет­
ры. Путь сигнала АЭ от источника до
приемного преобразователя, прохождение
вплоть
образования акустического сигнала в
электрический считается акустическим
каналом. Акустический канал значитель­
но искажает образ источника АЭ, что может привести к неправильным представконтро
лируемого объекта; при выполнении контроля производственных объектов на это
следует обращать особое внимание.
Акустический импульс, возникший в
определенной области пространства, из­
меняет свою форму и параметры как при
излучении его источником сигнала, так и
при распространении в пространстве. Это
хорошо известный факт в общей акустике,
который иллюстрируется, например, из­
менением формы прямоугольного акусти­
ческого импульса [95].
При излучении прямоугольного им­
пульса в ближнем поле импульс сохраня­
ет прямоугольную форму, два импульса в
дальнем поле имеют различную поляр­
ность, что соответствует переднему и зад­
нему фронтам прямоугольного импульса.
Трехмерная среда оказывает "квазидифференцирующее" действие (здесь напра­
шивается аналогия с действием принципа
Сен-Венана в статическом случае [12]; как
в акустическом, так и в статическом слу­
чае благодаря свойствам трехмерной сре­
ды, постоянная составляющая сигнала не
передается на расстояния, превышающие
несколько характерных линейных разме­
ров источника).
Постепенное уменьшение постоян­
ной составляющей импульсного сигнала
при удалении от источника хорошо видно
на рис. 3.3 [8]. Расчет проводился при
воздействии ступенчатого импульса дав­
ления на поверхность сферической полос­
ти, расположенной в твердом теле. Этот
случай для внутреннего взрыва в массиве
твердой породы был проанализирован
академиком М.С. Садовским, а для оцен­
ки работы АЭ-источника был предложен в
[251. Ввиду симметрии сферического исизлучение
дольной волны.
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
157
Рис. 3.3. Изменение формы акустического импульсного сигнала на различных
расстояниях тот сферического источника радиуса R. Сферическая полость возбуждается
к#
ступенчатым импульсом амплитудои р; с{ - скорость продольной волны;
/
\
r-R
cl
и
Х = t;У =
pR3l(4Gr2)
V С/
В ближней зоне сферического источ­
ника сигнала (рис. 3.3) на расстоянии
r/R = 1 от поверхности сферы сигнал бли­
зок по форме к ступенчатому импульсу,
действующему на поверхность сферы. На
расстоянии, в 100 раз превышающем ра­
диус R сферы, имеем сигнал в форме им­
пульса с небольшими быстро затухающи­
ми осцилляциями. В длительности перво­
го полупериода заложена информация о
размерах сферического источника; сфери­
ческий источник акустического излучения
являлся симметричным.
При излучении несимметричного ис­
точника, как это бывает в подавляющем
большинстве случаев, наблюдаются про­
дольные и поперечные волны (в твердом
теле). Если источник находится на по­
верхности, то регистрируются еще и рэлеевские (поверхностные волны). Источник
звука в области раздела двух твердых сред
возбуждает волны Лява и Стоили. Источ­
ник, находящийся в пластине, возбуждает
волны Лэмба (нормальные волны).
Форма акустических сигналов суще­
ственно изменяется при распространении
их по поверхности или в стенке объекта.
Наиболее простой случай - возбуждение
точечным источником поверхности твер­
дого тела. Этот случай называется задачей
Лэмба (по имени исследователя, впервые
сформулировавшего и решившего ее).
Применительно к методу АЭ данная зада­
ча интересна тем, что она описывает ра­
боту источника акустического излучения,
который используется весьма часто для
имитации сигналов АЭ, а также для калиб­
ровки акустических каналов и преобразо­
вателей. Имеется в виду источник СуНильсена, представляющий собой каран-
ДИАГНОСТИКА
158
U,n
С туп ен чаты й
импульс
нагружения
т
- —
1
t
Ч)
2,0 t
б)
АЭ-им пульса, возбуждаемого скачком
трещины размером, соответствующим
диаметру стержня карандаша. Это дейст­
вительно так, поскольку трещина имити­
руется реальным процессом излома
стержня. Недостатком данного источника
является однократность его действия.
Диаметр стержня карандаша обычно
составляет 0,3 ... 0,5 мм. Стержень выдвига­
ется из карандаша таким образом, чтобы из
насадки выступало 2 ... 3 мм. Для того что­
бы при изломе стержня не было удара кон­
чика карандаша о поверхность тела, в ре­
зультате которого может возникнуть дополнительныи мешающии импульс, использу­
ется насадка из фторопласта.
При ступенчатом точечном нагруже­
нии поверхности твердого тела от места
нагружения излучается акустическое воз­
мущение, которое переносится вдоль по­
верхности тела продольной, поперечной и
рэлеевской волнами. На некотором рас­
стоянии от точки возбуждения ступенча­
тый импульс трансформируется в сигнал
достаточно сложной формы (рис. 3.4
[158]). Первым приходит возмущение,
переносимое продольной волной, затем
вступает поперечная волна (на рис. 3.4, а
это момент ( — 1), после чего рэлеевская
волна несет наибольшую энергию сигнала
(в данном случае). Зная скорости про­
дольной и поверхностной (или рэлеевской
волн) и измерив разницу времен прихода
рассмотренных возмущений на приемный
преобразователь, можно определить рас­
стояние от источника до приемника аку­
стических сигналов.
При воздействии точечного источни­
ка типа источника Су-Нильсена на по­
верхность объекта возбуждаемая про­
дольная волна L имеет небольшую ампли­
туду и энергию. Величина смещения в
поперечной волне S превосходит смеще­
ние поверхности в продольной волне. Ос­
новная доля энергии источника излучения
переносится рэлеевской волной R. При
взаимодействии фронта продольной вол­
ны с поверхностью объекта происходит
возбуждение поперечной волны SL, которая как бы тянется за продольной волной.
КА
Рис. 3.4. Отклик полупространства на
воздействие ступенчатого импульса
(источник Су-Нильсена)
/
а - смещение, нормальное к поверхности;
б - смещение, параллельное поверхности;
Ск - скорость рэлеевской волны; / - расстоя­
ние между источником и приемником
д а т , стержень которого ломается на по­
верхности твердого тела. Стержень ка­
рандаша с усилием упирают в поверх­
ность объекта и надавливают на него до
тех пор, пока не сломается. При относи­
тельно медленном "квазистатическом"
надавливании стержня на поверхность
тела возникает статический прогиб. В мо­
мент излома происходит очень быстрое
(за несколько десятков наносекунд), сня­
тие нагрузки. После этого акустическое
возмущение в результате снятия нагрузки
"отходит" от места контакта стержня ка­
рандаша и излучается как вдоль поверх­
ности, так и в тело объекта в виде про­
дольных, поперечных и поверхностных
волн. Излом карандаша эквивалентен
приложению ступенчатой нагрузки к по­
верхности объекта.
Данный источник широко использу­
ется в практике АЭ-контроля, поскольку
имеет ряд неоспоримых достоинств. Од­
ним из основных достоинств является то,
что параметры возбуждаемого акустического сигнала весьма близки к параметрам
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
159
Рис. 3.5. Формы сигнала для различных источников, имеющих одну и ту же
"функцию источника" - ступенчатый импульс [120]:
и2- вертикальное перемещение поверхности (отн. ед.); иг - горизонтальное перемещение
поверхности (отн. ед.)
Таким образом, источник АЭ, генери­
рующий единичное событие, создает даже
на свободной поверхности (без границ и
отражателей) последовательность (цуг)
импульсов, два из которых (импульс про­
дольной волны и импульс, переносимый
поперечной и рэлеевской волнами) доста­
точно хорошо различимы.
Нетривиальная форма и у сигнала,
возбужденного на свободной поверхности
объекта при воздействии точечной силой,
расположенной внутри объекта и имею­
щей ступенчатую временную зависи­
мость. Форма сигнала на поверхности не
повторяет форму сигнала вблизи источ­
ника.
На рис. 3.5 [120] показаны разнооб­
разные формы сигналов на поверхности
пластины при возбуждении источниками
в виде одиночной силы (монополь), изо­
браженной в виде стрелки и двойной силы
(диполь по [1, 120]), представленной в
виде двух противоположно направ­
ленных стрелок. Приемный преобразова­
тель изображен в виде зачерненного тре­
угольника.
На рис. 3.6, а представлены формы
акустических сигналов, полученных в
экспериментах, выполненных с использова­
нием пластины из стекла размерами
160 х 160 х 18,6 мм [149]. На одну из по­
верхностей предварительно наносилась
стеклорезом царапина длиной -1 мм,
служившая в дальнейшем концентрато­
ром напряжений. Полуэллиптическая тре­
щина нормального отрыва длиной -4 мм,
глубиной -1 мм (площадью ~~3 мм2) воз­
никала в результате охлаждения поверх­
ности жидким азотом.
Прием акустических импульсов про­
изводился конденсаторным преобразова­
телем, расположенным в эпицентре на
160
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
5,0
tf.Af Ь
и.мЬ
U. мВ
5,0
105
5,0
60
0
0
0
5,0
5,0
t. мкс
t, МКС
t,MKC
-5,0
-5,0
-5,0
30
Эпицентр
135
0
г,
мкс
-5,0
t,MKC
270°
t, мкс
30
30
t,MKC
t, мкс
Рис. 3.6. Формы акустических сигналов, принятых конденсаторными
преобразователями, расположенными на поверхности стеклянной пластины,
противоположной той, на которой возбуждался импульсный сигнал при образовании
трещины (в); диаграмма направленности излучения; А Т - значение диаграммы
направленности при угле 6 (б) (149)
поверхности пластины противоположной
поверхности, на которой возбуждался
импульсный сигнал от возникшей трещи­
ны (см. рис. 3.6, а). На этой же поверхно­
сти на разных направлениях по азимуту
располагались по кругу восемь широко­
полосных пьезоэлектрических преобразо­
вателей.
КАНАЛОВ
Анализ приведенных рисунков позволяет заключить, что сигнал на некото­
ром расстоянии от излучающего источни­
ка приобретает весьма сложную форму,
даже, когда сигнал источника возбуждения является простейшей функцией. Особенно усложняется форма сигнала при
распространении его в пластине. На
рис. 3.5 и 3.6 во всех случаях для расчета
использовалась ступенчатая функция
(функция Хэвисайда), которая имитировала как образовывающуюся трещину, так
и работу источника Су-Нильсена.
Многочисленные эксперименты по­
казали, что при прохождении импульсно­
го сигнала через реальный акустикоэлектронный канал происходит полная
потеря первоначальной формы сигнала,
которую он имеет вблизи источника АЭ.
Соответственно частотное содержание
сигнала АЭ отражает в большей степени
информацию об акустико-электронном
канале, нежели об источнике АЭ. Задача
восстановления формы излучаемого источником сигнала (что также эквивалентно задаче восстановления исходного спектра излучения источника) является некорректно поставленной задачей.
При усложнении формы акустического канала усложняется и форма акустического сигнала, распространяющегося
по каналу. Существенную роль в этом
процессе играет преобразователь АЭ
(ПАЭ). Более подробно ПАЭ рассмотрены
в гл. 4. Здесь же представим иллюстрации
влияния ПАЭ, входящего в акустико­
электронный канал, на форму акустиче­
ского сигнала, передаваемого через канал,
и преобразованного из акустического сигнала в электрический.
Из множества возможных случаев
выберем наиболее характерные и показательные. Поскольку в практике АЭконтроля используются преимущественно
резонансные преобразователи (см. рис. 4.3),
экспериментальные данные представлены
с использованием резонансных ПАЭ.
Наиболее простая форма сигнала на вы6
—
4567
161
ходе ПАЭ представляет собой одиночный
резонансный затухающий радиоимпульс,
использованный, например, при расчетах
энергии АЭ-импульса (см. гл. 2). На
рис. 4.3 представлены также спектр этого
импульса (или амплитудно-частотная
характеристика ПАЭ - АЧХ) и импульсная характеристика ПАЭ — ИХ. Возбуждение акустического импульса проводилось с использованием источника СуНильсена. В качестве приемного преобразователя АЭ был использован резонан­
сный ПАЭ фирмы "Данеган/Эндевко"
мод. D 9202 (/^е3= 450 кГц).
Импульс имеет достаточно сложную
форму. Первая половина представленной
записи, длящаяся чуть более 40 мкс, содержит три различимые части. Вначале
видно вступление, обусловленное прямым
прохождением продольной волны от места возбуждения до преобразователя. Затем
следует основная часть импульса, передний фронт которого содержит три периода колебаний.
Основная часть импульса имеет наибольшую энергию, которая переносится
поперечной и, главным образом, рэлеевской волной. На спад основной части накладывается импульс, отраженный от
нижней поверхности объекта толщиной
80 мм, на который установлен ПАЭ. Основная часть импульса на рис. 4.3 может
дать также представление об ИХ использованного ПАЭ, как если бы преобразова­
тель размещался на полупространстве, а
не на объекте ограниченного размера.
Вторая половина записи сигнала связана
уже с многократными отражениями в объекте.
Важно учитывать многократные от­
ражения сигнала в объекте в случае, когда
исследуются процессы разрушения с использованием образцов. Все зависимости
параметров АЭ, приведенные в гл. 2, получены главным образом на образцах материалов, размеры которых ограничены. В
качестве иллюстрации (см. рис. 2.20)
приведен эскиз изгибного образца в виде
162
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
размещении этого ПАЭ на призматиче­
ском образце из стали 15Х2НМФА соот­
ветствует частоте 468,2 кГц. В большин­
стве случаев максимум частоты преобра­
зования для использованного преобразо­
вателя уходил от собственной резонанс­
ной частоты на величину порядка ± ( 1 5 ...
20) кГц. Несмотря на кажущуюся незна­
чительность этой величины, этот факт
нужно учитывать, особенно имея в виду,
что скорости волн Лэмба в листовых кон­
струкциях весьма критичны к значениям
толщины и рабочей частоты.
Рис. 3.7. Реакция системы
Рассмотренные данные позволяют
ПАЭ - испытательный образец при
дать следующие рекомендации:
возбуждении ее источником Су-Нильсена.
- рабочая частота электронной аппа­
Представлена часть сигнала на протяжении
ратуры должна соответствовать частоте
2 мс. Образец изготовлен из стали
резонанса
системы
ПАЭ
—
объект
контро­
15Х2НМФ А
ля. При этом полоса пропускания аппара­
призмы с размерами, например, 20 х 40 х
туры должна быть как можно уже, но не
X 300 ММ.
,
меньше, чем возможный уход максимума
Примеры записи реверберационной
частоты преобразования конкретной ко­
картины (ИХ системы образец - ПАЭ)
лебательной системы ПАЭ - объект;
при размещении источника сигнала (Су- в большинстве случаев полоса про­
Нильсена) в центре такого образца и при­
пускания аппаратуры должна находиться
емного резонансного преобразователя,
в пределах 3 0 ... 40 кГц;
расположенного на расстоянии примерно
- для повышения чувствительности
90 мм от места излома стержня каранда­
контроля
необходимо
согласовывать
ПАЭ
ша, показаны на рис. 3.7. Запись импульс­
с материалом объекта по акустическому
ной характеристики системы преобразоа т е л ь - образец представлена только до
импедансу.
Во всех рассматриваемых случаях
момента времени, равного 2000 мкс.
ИХ и АЧХ резонансного преобразод ц х было рассчитано по ИХ с использоателя, размещенного на полупространстванием быстрого Фурье-преобразования.
ве, и преобразователя, установленного на
Интересно сравнить ИХ при уста­
испытательном образце, отличаются друг
новке ПАЭ на объекты, изготовленные из
от друга.
>( |
разных материалов. Аустенитная сталь
Это связано с существенной разни­
имеет большее поглощение ультразвука,
цей акустических каналов и их относи­
чем перлитная, что проявляется в более
тельной сложностью (что определяет
быстром спаде процесса реверберации.
сложность АЧХ-каналов), максимум пре­
При рассмотрении реверберации в приз­
образования несколько уходит от основ­
матическом образце из АМг5 обращает на
ной резонансной частоты преобразо­
себя внимание существенно большая дли
вателя.
тельность
процесса.
Спад
процесса
до
При установке ПАЭ с резонансной
уровня
0,5
от
максимальной
амплитуды
частотой 450 кГц на лист из алюминиевопродолжается
1,5
...
2,0
мс.
При
этом
чисго сплава максимум частоты преобразования имеет место при 460, 124 кГц. Макло выбросов через этот уровень составило
симальная частота преобразования при
порядка 60 ... 100, т.е. коэффициент уве-
и, В
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
личения (размножения) достигает порядка
6 0 ... 100. Это означает, что при срабаты­
вании единичного источника АЭ в образ­
це, соответствующего одному событию
или акту АЭ, прибор зарегистрирует око­
ло 100 выбросов, превышающих уровень
0,5 от максимального значения сигнала.
Для порога, установленного на уровне
5 ... 10 мкВ, число выбросов может дости­
гать до 10 .
В призматическом образце из коррозионно-стойкой стали, где затухание ульт­
развука выше, чем в алюминиевых спла­
вах, реверберационная картина имеет
другие параметры: происходят более бы­
стрые нарастание и спад реверберационного процесса, максимальное значение
импульса в 1,5-2,0 раза меньше, чем в
образце из алюминиевого сплава. Послед­
ний факт говорит о влиянии различий
акустических импедансов образцов из
указанных материалов. Алюминиевый
сплав более близок по акустическому им­
педансу к преобразователю АЭ и поэтому
лучше с ним согласован, чем коррозионно-стойкая сталь. Этот факт отмечается и
при анализе сигналов, получаемых в лис­
товых объектах.
Анализ картины многократных от­
ражений показывает, что резонансные
свойства испытательных образцов начи­
нают сказываться при потере когерентно­
сти регистрируемого импульса, когда
происходит наложение многократных
отражений. При этом импульсная АЭ пре­
вращается в цуг колебаний, в котором уже
невозможно различить отдельные им­
пульсные составляющие. В этом случае,
по-видимому, затруднительно или даже
невозможно использовать методики [101]
для восстановления параметров импульс­
ного процесса.
Эквивалентное расстояние, на кото­
ром происходит затухание отдельных цу­
гов колебаний, порожденных одним со­
бытием АЭ, зависит от поглощения ульт­
развука в материале образца. Для упо­
6*
163
и ,В
Рис. 3.8. Затухание реверберационного
процесса в призматических образцах:
1 - алюминиевый сплав АМг5;
2 - сталь 15Х2НМФА; 3 - коррозионно-
стойкая сталь 12Х18Н1ОТ
мянутых материалов эквивалентное рас­
стояние составляет: порядка 1 м — для
коррозионно-стойкой стали, порядка 4 м для стали 15Х2НМФА и порядка 10 ...
12 м для алюминиевого сплава.
Длительность сигнала в призматиче­
ском образце из коррозионно-стойкой
стали было равно -130 мкс на уровне 0,5
от максимального значения, число выбро­
сов порядка 10 ... 20, т.е. в ~5 раз меньше,
чем в алюминиевом сплаве. В образце из
стали 15Х2НМФА длительность ревербе­
рационного процесса составляла 0,8 ... 0,9
мс, число выбросов порядка 40 ... 80, мак­
симальное значение импульса 1,3 В (уси­
ление аппаратуры 40 дБ).
На рис. 3.8 представлены зависимо­
сти затухания реверберационного процес­
са в призматических образцах из различ­
ных металлов. Затухание процесса ревер­
берации в призматических образцах мож­
но описать аппроксимирующим выраже­
нием вида
— =е
,
(3.2)
ит
где 5 - коэффициент затухания, значения
которого для разных материалов приведе­
ны в табл. X I. Суммарные данные по трем
обсуждаемым материалам также пред­
ставлены в табл. 3.1.
164
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
3.1. Значения параметров реверберационного процесса
в призматических образцах
Материал
Амплиту­
да им­
пульса, В
Длительность
процесса ре­
верберации,
мкс
Число вы­
бросов над
уровнем
0,5
Коэффи
циент
"размно
жения"
Коэффи­
циент за­
тухания 8,
мкс"
Алюминиевый
сплав АМг5
Коррозионностойкая сталь
12Х18Н10Т
Корпусная сталь
15Х2НМФА
Реверберационная картина в образ­
цах на растяжение для коррозионностойкой стали и стали 15Х2НМФА сохра­
няет качественно описанную картину,
однако параметры реверберации несколь­
ко увеличиваются (на 10 ... 20 %). Это
связано, по-видимому, с меньшим объе­
мом образцов на растяжение.
Интересно наблюдать разницу в сиг­
нале при импульсном возбуждении сис­
тем ПАЭ - образец и ПАЭ - протяженный
объект. Это важно с той точки зрения,
и. В
0
10
t,MC
2,0
Рис. 3.9. Реакция системы ПАЭ испытательный образец при возбуждении
ее источником Су-Нильсена.
(Представлена часть сигнала на
протяжении 2 мс. Образец изготовлен
из алюминиевого сплава АМг5)
что некоторые акустические характери­
стики можно было бы определять предва­
рительно не на натурном объекте, а на
листах из того же материала, из которого
изготавливается объект контроля (сосуд).
Это позволило бы разработать методику
определения параметров контроля в лабо­
раторных условиях, без необходимости
иметь в наличии полномасштабный объ­
ект, что расширяет возможности при под­
готовке к контролю объекта.
Для измерений были использованы
листы из алюминиевого сплава и коррозионно-стойкой стали толщиной 19,8 и
11,7 мм соответственно и размерами
1000 х 500 мм; ПАЭ устанавливали в се­
редине листа. Акустический импульс воз­
буждали с использованием источника С уНильсена на расстоянии 2 см от ПАЭ.
Данные, полученные на призматиче­
ских образцах, подтвердили, что ПАЭ
лучше согласован акустически с алюми­
ниевым сплавом, чем с коррозионностойкой сталью. Максимальное значение
сигнала для алюминиевого сплава состав­
ляет ит- 1,4 В, для коррозионно-стойкой
стали ит = 1,1 В, что практически совпа­
дает с данными для призматических об­
разцов (рис. 3.8, рис. 3.9).
После резкого вступления происхо­
дит быстрый спад сигнала и затем при­
мерно через 170 мкс наблюдается приход
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
сигнала амплитудой примерно 0,25 В;
этот сигнал можно связать с отражением
от краев листа, после которого можно
наблюдать затухающий реверберационный процесс, обусловленный уже много­
кратными отражениями как от поверхно­
стей, так и от краев листа.
Таким образом, первый цуг (им­
пульс) представляет собой прямой сигнал,
оступающий непосредственно на ПАЭ, и
второй цуг (импульс) является сигналом,
отраженным от ближайших краев листа.
За ними наблюдается реверберационная
картина, в которой уже невозможно выде­
лить и идентифицировать отдельные цуги
колебаний. По промежутку времени между первыми двумя цугами, соответствующими времени распределения сигнала от
центра листа до ближайших краев листа и
обратно, можно рассчитать скорость рас­
пространения волны в листе; она соответ­
ствует скорости распространения волны в
стенке объекта.
1ля алюминиевого сплава промежуток времени между максимальными зна­
чениями первого и второго цугов равен
161,5 мкс, что соответствует групповой ско­
рости волны уф = 500/161,5 = 3,1 мм/мкс.
Для коррозионно-стойкой стали уф =
= 500/168 т 2,98 мм/мкс.
Время достижения максимума для
стали составляет порядка трех периодов,
время достижения максимума для алюми­
ниевого сплава - порядка семи периодов
собственных колебаний ПАЭ. Длитель­
ность импульсов как на уровне 0,5wm, так
и на уровне 0,1 ит для обоих материалов
примерно одинакова, с несколько мень­
шими (на 10... 20 %) значениями для коррозионно-стойкой стали.
Эксперименты на натурных объектах
дают дополнительную информацию по
распространению акустических сигналов.
На рис. 3.10 представлены сигналы
от излома стержня карандаша в сосуде
диаметром 3 м с толщиной стенки 12 мм,
изготовленном из стали 12Х18Н10Т (со-
165
Рис. 3.10. Сигналы от излома стержня
карандаша, возникающие в сосуде
диаметром 3 м, толщиной стенки 12 мм,
изготовленном из стали 12Х18Н10Т:
а - расстояние от источника до приемника
3 см; 6 - расстояние от источника до
приемника 1 м
суд заполнен воздухом), на расстоянии от
источника до приемника 3 см (а) (т.е. в
непосредственной близости источника от
ПАЭ) и на расстоянии 1 м (б). На рис. 3.11
показана картина сигналов от излома
стержня карандаша, возникающих в сосуде диаметром 2,5 м, длиной 15 м, с тол­
щиной стенки 12 мм, изготовленного из
сплава АМгб, сосуд заполнен воздухом.
Характерными внешними признака­
ми зарегистрированных сигналов, кото­
рые могут повлиять на результаты кон­
троля являются:
слабозависящая от расстояния ам­
плитуда цуга волн для сосуда из алюми­
ниевого сплава. На расстоянии 6 ...8 м
Рис. 3.11. Сигналы от излома стержня
карандаша, возникающие в сосуде
диаметром 2,5 м, длиной 15 м, толщиной
стенки 12 мм, изготовленного из
сплава АМгб:
а - расстояние от источника до приемника
2 м; 6 расстояние от источника до
приемника 3 м
166
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
импульсы. Однако эти же импульсы мож­
но в принципе использовать для подтвер­
ждения истинности АЭ-события, имевше­
го место в площади антенной решетки.
При гидроиспытаниях помехами могут
быть импульсы, прошедшие на приемные
преобразователи
непосредственно по
I
жидкости.
Незначительное затухание звука в
стенке сосудов (цилиндрических или сфе­
Рис. 3.12. Схема, поясняющая картину
рических) позволяет проводить измерение
нмпульсов на рис. 3.10,3.11
скорости звука с помощью только одного
преобразователя.
Пояснить
данную
амплитуда уменьшается не более, чем на
возможность можно с использованием
4 дБ. Такое относительно слабое затуха­
рис. 3.10 или 3.11 и 3.12.
ние в объектах из алюминиевых сплавов
Скорость звука можно определить,
не накладывает ограничений на выбор
измерив промежуток времени между дву­
базы антенной решетки (расстояния меж­
мя импульсами: первым, пришедшим на
ду преобразователями), которая может
преобразователь непосредственно, и вто­
рым импульсом, прошедшим по спираль­
быть 3 ... 5 м и более;
—
значительная реверберация, приво­ной траектории (рис. 3.12), при этом раз­
дящая к тому, что иногда амплитуда цуга
ность расстояния, вызывающая разницу
волн, пришедших прямо на преобразова­
во времени прихода импульсов можно
тель от источника сигнала, оказывается
определить так:
меньше амплитуды цуга волн, пришед­
вг = 7 (2 nR)2 + а б - а б ,
(3.3)
ших на преобразователь по спирали (на
рис. 3.10 и 3.11 это вторые импульсы на
где
R
радиус
сосуда,
а
отрезки
аб,
вг
развертках).
показаны
на
рис.
3.12,
на
котором
приве­
Парадоксальное увеличение ампли­
дена
и
развертка
сосуда
по
линии
(обра­
туды волн, прошедших большее расстоя­
зующей),
соединяющей
точки
размещения
ние, объясняется следующим эффектом.
источника
АЭ
и
ПАЭ;
разница
во
времени
Первый импульс на рис. 3.11 прошел не­
прихода
имеет
максимальное
значение
при
посредственно на преобразователь, при
аб
=
0
и
составляет
длину
окружности
со­
этом отсутствовали другие сигналы. Вто­
суда.
Если
источник
АЭ
расположен
вбли­
рой импульс, пришедший по спирали,
зи
ПАЭ
(аб
=
0),
то
время
прихода
второго
принимался преобразователем тогда, ко­
импульса
определяется
только
диаметром
гда еще не затух реверберационный про­
сосуда, т.е. вг —2nR.
цесс от первого импульса. Эти сигналы
При удалении источника сигналов от
энергетически складываются, в результате
ПАЭ на развертке наблюдается сближе­
увеличивается амплитуда второго импульса.
ние импульсов - пришедшего непосредст­
Малое затухание волн приводит к
венно
на
ПАЭ
и
прошедшего
по
спирали;
многократной циркуляции акустического
сближение
происходит
вплоть
до
их
су­
импульса, который может также много­
щественного перекрытия.
кратно быть зарегистрирован АЭ-аппараИзмерения
описанным
способом
по­
турой. Отсюда можно сделать вывод, что
казали,
что
скорость
распространения
при пневмоиспытаниях полезно вводить
цуга
лэмбовских
волн,
определенная
по
ограничения (схемные или программные),
промежутку
времени
между
максимальны­
которые позволяют исключить много­
ми значениями цугов, для сосуда из алюкратно циркулирующие по окружности
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПРИ АЭ-КОНТРОЛЕ
167
со
5:
ьГ
-СЗ
Б
Со
о>
С5
Со
ос
СЭ
со
о
Рис. 3.13. Групповые скорости волн Лэмба в твердом волноводе
в зависимости от произведения частоты на толщину волновода:
Si - симметричные моды; А, - антисимметричные м о д ы ;/- частота;
h - толщина стенки объекта
миниевого сплава \ i - 2,94 ± 0,03 мм/мкс,
что несколько отличается от скорости,
полученной при измерении на листе, где
\ L = 3,1 мм/мкс. Это можно связать с разницей в толщине листа и сосуда, а также с
точностью замера расстояний.
Разница в толщине приводит к тому,
что возбуждаются различные наборы moj
лэмбовских волн, которые имеют разли
чающиеся групповые скорости. Следовательно, при калибровке АЭ-системы с
помощью листа необходимо толщину его
выбирать точно равной толщине сосуда.
Следует заметить, что такое же влияние
может оказывать и рабочая (резонансная)
частота ПАЭ, поэтому рабочие частоты
преобразователей, использующиеся при
измерении групповых скоростей волн и
при контроле натурного объекта, должны
быть одинаковы. Кроме того, на резульнаправле­
могут
ния распространения волн. Скорости волн
в направлениях по окружности и по образующей могут различаться, что необходимо учитывать в практической работе.
Сложность картины волн, распространяющихся в объектах типа листа,
трубы, стержня, связана с тем, что суммарное поле определяется наложением
многократных отражении от поверхно­
стей объектов. Эти объекты объединены
одним признаком: они являются волноводами для распространяющихся волн раз­
личных типов - продольных, поперечных,
поверхностных. Комбинация этих волн в
твердом волноводе формирует так называемые волны Лэмба, представляющие
собой набор симметричных и антисимметричных мод. При импульсном воздействии на волновод в нем возбуждаются
большое количество подобных мод. Волноводы обладают дисперсионными свойствами, связанными с различием фазовых
и групповых скоростей возбуждаемых
мод на разных частотах. На рис. 3.13 приведены частотные зависимости скоростей
распространения различных мод волн
Лэмба. Можно понять, что в зависимости
от частоты и толщины стенки объекта
групповые скорости существенно разли­
чаются.
При возбуждении в определенном
месте импульсного сигнала, содержащего
широкий спектр колебаний, на приемный
преобразователь, расположен н ый вдали
от источника, сигнал придет в виде нескольких цутёв волн в различные моменты времени. Задержки во времени связаны
к*
168
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
СЭ CJ
^ *
£сз *
ccs 5j
cs рсэ
5 а
* ^
s *
It
^ с;
с:
г*
С5.
ем
Рис. 3.14. Нормализованные групповые задержки четырех первых мод волн Лэмба
в зависимости от нормализованного произведения частоты на толщину волновода [116]:
Vj - скорость поперечной волны; / - расстояние между источником и приемником;
/ —частота; А—толщина стенки объекта
с различными скоростями различных мод
волн Лэмба. На рис. 3.14 приведены зависимости задержки от произведения частоты на толщину стенки объекта, изготовленного из алюминия (данные К. Фоулера
и Э. Пападакиса [116]).
/ = 200 кГц,
Для рабочей част
скорости поперечной волны в алюминии
v, = 3,08 мм/мкс и толщине стенки порядка 15 мм значение hfl\s ~ 1. Из рис. 3.14
можно видеть, что на приемник придут
четыре волны (импульса). Если расстояние между источником и приемником
/ = 1 м, то моменты прихода импульсов
290; ~325; -390 и -455 мкс.
При выполнении точных измерений
координат источников акустических сигналов следует учитывать также, что парамогут отгоеделенным образом влиять на значение
рабочей частоты (частоты максимума преобразования) ПАЭ.
Большое значение при выборе параметров АЭ-контроля имеет затухание сиг­
нала по мере его распространения. На
рис. 3.15 представлены результаты измерения затухания амплитуды акустического сигнала в цилиндрическом сосуде
[158]. Можно заметить, что на расстояни-
ях до 0,5 м изменение затухания весьма
велико, после чего оно выравнивается и
изменяется незначительно вплоть до 10 м.
Отмеченный эффект имеет место во
многих случаях и связан с уже отмечавшимся явлением наложения сигналов распространяющихся по образующей и по
спирали. Вблизи источника возбуждения
амплитуда сигнала уменьшается как
вследствие поглощения волн, так и из-за
геометрического расхождения. После
прохождения
некоторого
расстояния
вдоль образующей трубы "геометрический объем" сигнала становится равным
объему сечения трубы, сигнал заполняет
все сечение трубы и затухание в результате геометрического расхождения сигнала
исчезает. Разделение на ближнюю и дальнюю зоны может быть также связано с
формированием цуга волн Лэмба в дальней зоне. На уменьшение амплитуды сигнала в дальней зоне влияет только затухание ультразвука в материале.
.
Из акустики известно, что затухание
ультразвука зависит от частоты сигнала,
Чем выше частота, тем больше затухание,
Этот эффект представлен на рис. 3.16, где
изображены кривые затухания сигналов
на разных частотах в цилиндрическом
АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
сосуде с внутренним диаметром 1,2 м и
толщиной стенки 125 мм. Сигналы воз­
буждали шумовым источником. Зону от­
носительно быстрого затухания на не­
больших расстояниях от ПАЭ можно на­
звать геометрической ("ближней"), зону
"медленного" затухания - волноводной
("дальней") зоной.
Положение источника сигнала относительно поверхностей объекта итрает
существенную роль. Исследования зако­
номерностей возбуждения сигналов АЭ
внутренним источником, т.е. источником,
расположенным внутри стенки контроли­
руемого объекта [16], показали, что в од­
нородных идеальных условиях возбужде­
ния рэлеевских волн на поверхности объ­
екта внутренним источником не должно
быть. Возбуждение имеет место при соблюдении ряда условий, одно из которых
состоит в том, что возникают волны, для
которых глубина погружения источника
должна быть сравнима с длиной возбуж­
даемой рэлеевской волны.
Многочисленные измерения при вы­
полнении контроля промышленных объ­
ектов показали, что, как правило, сигна-|
лы, распространяющиеся в направлении
вдоль оси контролируемого сосуда, зату­
хают быстрее, чем сигналы, распространя­
ющиеся по окружности [157].
Затухание сигнала в существенной
степени зависит от конструктивных осо­
бенностей изделия: толщины стенки; разнотолщинности; наличия сварных соеди­
нений; покрытия на поверхности и кон­
такта поверхности с внешней средой; пат­
рубков, отверстий, вварок и других эле­
ментов на пути сигнала и других факто­
ров, которые необходимо учитывать при
расстановке преобразователей на объекте.
Приведенные примеры показывают,
что на параметры АЭ-сигнала, по кото­
рым определяется техническое состояние
контролируемого объекта, существенно
влияют свойства акустико-электронного
канала передачи сигнала. Значения скоро­
стей звука и затухания сигналов зависят
169
\д Ь
°
г
А = -15.88 Х 0,11В
-10
о
-20
п
о
° о
~ о
-J0
О
15
5,0
15
Х,м
Рис. 3.15. Затухание акустического
сигнала в стальной трубе диаметром 560 мм
толщиной стенки 10,5 мм [158]
не только от акустических свойств мате­
риалов, но также от геометрии объекта.
Знание параметров затухания сигналов в
объекте необходимо для оценки истинно­
го значения амплитуды АЭ-импульсов
вблизи источника, определения базы ан­
тенной решетки (расстояния между пре­
образователями АЭ), а также выявления
возможных мешающих сигналов, связанных с отражениями от конструктивных
элементов и сигнало , пришедших к пре­
образователю различными путями. По­
этому кроме общих акустических свойств
материала объекта, представленных скои .д б
Рис. 3.16. Затухание акустического сигнала
на разных частотах в цилиндрическом
сосуде с внутренним диаметром 1,2 м
и толщиной стенки 125 мм [1581
170
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
ростями продольных и поперечных волн и
затуханием в материале, необходимо
знать специфические акустические свой­
ства: скорости рэлеевских волн, волн
Лэмба, а также реверберационные пара­
метры объекта.
Следует различать затухание сигнала
в образце и объекте. В образце затухание
происходит в результате поглощения
ультразвука в материале. В протяженном
объекте к затуханию в материале добав­
ляются пртери амплитуды в результате
геометрического расхождения. Кроме то­
го, начинают влиять различные эффекты,
связанные с геометрией объекта.
По степени сложности акустико­
электронные каналы можно разделить на
следующие виды:
1) одномерное пространство (струна,
стержень при условии d « X, где й —диа­
метр стержня; X - длина волны);
2) трехмерное пространство (неогра­
ниченная среда);
3) двумерное пространство (поверх­
ность полупространства);
4) волновод (стержень, пластина,
труба);
5) пространство с переменными па­
раметрами (объект, геометрические раз­
меры либо акустические параметры кото­
рого непостоянны);
6)
акустико-электронный
канал,
включающий сочетание объект - преобра­
зователь АЭ.
Таким образом, при перенесении ре­
зультатов исследований АЭ и акустиче­
ских свойств различных материалов, по­
лученных с использованием испытатель­
ных образцов, на контролируемые про­
мышленные объекты, следует учитывать
указанные эффекты.
С другой стороны, чувствительность
приборов АЭ весьма велика, в результате
чего можно регистрировать скачки тре­
щин, составляющих доли миллиметра, т.е.
достаточно большие по амплитуде им­
пульсы АЭ порождаются релаксацией
весьма малых объемов материала. Эти
объемы на несколько порядков меньше
объемов как испытательных образцов, так
и натурных объектов. Отсюда следует,
что размеры объекта (включая и размеры
испытательного образца) не влияют на па­
раметры источника АЭ как акустического
излучателя и, следовательно, изучение па­
раметров сигналов АЭ можно проводить с
использованием испытательных образцов.
Можно утверждать, что работа ис­
точника АЭ не в значительной степени
зависит от так называемого масштабного
фактора, который существенно влияет на
параметры механики разрушения и, сле­
довательно, на развитие процесса разру­
шения. Вид НДС объекта (плоское напря­
жение либо плоская деформация) несуще­
ственно сказывается на основных пара­
метрах, используемых для оценки техни­
ческого состояния объекта. В значительно
большей степени на параметры результи­
рующего АЭ-сигнала оказывают влияние
свойства акустико-электронного канала,
как показано в данном разделе. Ситуация
облегчается тем, что учесть это влияние
не представляет особой проблемы.
3.4. М ЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ АЭ
Одним из важнейших параметров
АЭ-контроля являются координаты ис­
точника АЭ, определение которых со­
ставляет основную технологическую опе­
рацию, предусмотренную в большинстве
нормативных документов по выполнению
АЭ-контроля. Это связано с тем, что по­
сле выявления источника АЭ и определе­
ния степени его опасности для конструк­
ции, необходимо либо выполнить ремонт
дефектного места, либо провести кон­
троль другими методами НК, для чего
необходимо иметь информацию о месте
расположения источника АЭ.
При использовании ряда критериев
оценки степени опасности дефекта также
нужно знать его координаты. К таким
критериям относится амплитудный кри­
терий, в котором обязательным условием
применения является определение ампли­
туды сигнала в зоне действия источника
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ АЭ
АЭ. Отказ от определения координат ис­
точников АЭ в подавляющем большинст­
ве случаев связан только с невозможно­
стью сделать это по каким-либо техниче­
ским причинам. К таким причинам можно
отнести: чрезмерное затухание АЭсигнала, сложность конфигурации объек­
та, особенности сигнала АЭ, которые тре­
буют специализированных приемов для
определения координат источников. На­
пример, если прибор обеспечивает опре­
деление координат источников импульс­
ных сигналов, то источник АЭ вырабаты­
вает непрерывный сигнал.
В большинстве случаев определение
координат источников АЭ основано на
измерении разницы во времени прихода
сигналов от одного источника на разне­
сенные в пространстве приемные преоб­
разователи АЭ. На практике достаточно
часто встречается (при контроле протя­
женных объектов типа трубопроводов)
использование двух ПАЭ.
Если источник АЭ расположен по­
средине между двумя ПАЭ, то сигналы
приходят одновременно и разница во вре­
мени прихода At = 0. Если источник сме­
щен к одному из ПАЭ, то разница во вре­
мени прихода составит At = 2А Не, где Д/ смещение источника относительно цен­
тра; с - скорость ультразвука в объекте.
Измерив At и зная скорость звука с, мож­
но определить А/, т.е. координату источ­
ника АЭ на линии, соединяющей оба
ПАЭ.
Для определения координат источ­
ника АЭ на плоскости данная методика не
подходит, поскольку координаты можно
получить только как проекции источника
на линию, соединяющую ПАЭ. Необхо­
дим, как минимум, третий преобразова­
тель, причем чем больше приемных пре­
образователей используется, тем меньше
методическая ошибка определения коор­
динат. На практике наиболее часто встре­
чается случай, когда для определения ко­
ординат применяется антенна, состоящая
из четырех приемных преобразователей.
Существует ряд методик расчета ко­
ординат источников АЭ, достаточно под­
робно рассмотренных в литературе [2, 25,
171
Рис. 3.17. Схема антенной группы
в виде центрированного треугольника
58, 158]. Все эти методики основаны на
рассмотрении геометрических картинок,
которыми занимались еще древние греки
в III веке до н.э., в частности Аполлониум
из Перга [158]. В геодезии данная задача
имеет название "триангуляция".
В случае использования | преобразо­
вателей АЭ необходимо определить коор­
динаты точки пересечения i окружностей с
центрами в местах расположения преобра­
зователей и с радиусами, связанными с
разницей во времени прихода сигналов на
каждый преобразователь относительно
момента поступления сигнала на первый
преобразователь (рис. 3.17). В зависимости
от числа преобразователей имеем i урав­
нений вида [25]
( х - х ,)21 (у - У,)2 = (До + Щ
(3.4)
где щ = с(/, - fo); с - скорость ультразвука;
to, Щ- моменты прихода сигнала на пер­
вый и последующие преобразователи, i =
= 0, 1, 2 , п.
В случае трех преобразователей сис­
тема уравнений (3.4) представляет собой
три уравнения с тремя неизвестными /?0, *,
у, которые достаточно легко решить.
При использовании в качестве ан­
тенной решетки равностороннего центри­
рованного треугольника (рис. 3.17)
координаты источника АЭ можно рассчи­
тать, используя выражения, приведенные
в методике МИ 207-80:
*ис ~ f a - r2)(2R + г2+ гг)!2В V3 ;
£■'
У н с ^ - п Р Я + пУаВ-,
- %V
ЩЩ&
Д 1 (35^ -
(3.5)
gyifcaf
г2 - г2 - г2)/2 (г, - г 2- г3),
172
ДИАГНОСТИКА
центрального преобразователя; г, = Аг, с;
At,- - разности времен прихода (РВП) сиг­
налов АЭ на периферийные преобразова­
тели по отношению к центральному; с скорость ультразвука в объекте.
Детальный анализ ошибок локализа­
ции для схемы антенной решетки в виде
центрированного треугольника показал,
что, если источник АЭ располагается в
пределах площади антенн*
максимальная относительная ошибка ло­
кализации не превышает ARIB < 0 ,1 для
Дг —Дтс = 0,018, где Дт - ошибка измере­
ния РВП [58]. Зависимость максимальной
относительной ошибки локализации от
расстояния между источником АЭ и цен­
тральным ПАЭ приведена на рис. 3.18, где
параметром кривых служит величина Дг.
Если источник АЭ располагается вне
площади треугольника, то ошибки опре­
деления координат существенно возрас­
тают.
Известно большое число вариантов
конфигураций антенных решеток, исполь­
зуемых для различных форм поверхно­
стей контролируемых объектов, из кото­
рых пять вариантов антенных решеток и
соответственно алгоритмов определения
координат источников сигналов АЭ рас­
смотрены в [58], среди них: центрирован­
ный треугольник на плоскости и на сфере;
квадрат на плоскости и на сфере; взаимно­
перпендикулярное расположение двух пар
приемников на цилиндре.
Многочисленные
эксперименталь­
ные данные показывают, что ошибки ло­
кализации даже для источников, располо­
женных в пределах площади треугольни19нереальных" велимогут
чин. На рис. 3.19 приведены результаты
определения координат источников АЭ
при испытании сосуда давления с наруж­
ным диаметром 680 мм, длиной цилинд­
рической части 570 мм и толщиной стен­
ки 75 мм (рис. П1.7). Было использовано
4 канала (0-1 -2-3) системы 1032 фирмы
анеган/Эндевко". Источником АЭ был
ка
Рис. 3.18. Зависимость максимальной
относительной ошибки локализации от
расстояния между источником АЭ
и центральным ПАЭ [58]
между
база антенны
где
периферийными преобразователями и
центральным; *ис и Уис ~ координаты ис­
точника; R - расстояние от источника до
Рис. 3.19. Картина распределения
индикаций источников АЭ при испытании
сосуда высокого давления
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ АЭ
протяженный дефект (в виде надреза)
длиной 70 мм и глубиной 15 мм, ориентированный вдоль продольной оси сосуда.
Как видно из рис. 3.19, отдельные точки
на контуре сосуда, представляющие собой
индикации источников АЭ, распределены
почти по всему сосуду и даже выходят за
его контуры.
Основная масса индикаций сосредо­
точена в зоне расположения дефекта, од­
нако ориентация распределения источни­
ков имеет некоторый наклон, тогда как
протяженный дефект был точно ориенти­
рован вдоль оси сосуда. Подобный наклон
распределения индикаций отмечался и в
других подобных экспериментах, результаты и картина распределения которых
приведены в гл. 2.
Среди многочисленных причин по­
явления ошибок при расчете координат
источников АЭ выделим: неадекватный
алгоритм расчета координат источников
АЭ; неточные значения скорости ультра­
звука, используемые для расчета; ошибки
в определении моментов прихода импуль­
сов АЭ; неопределенность путей прихода
сигналов АЭ. Каждая из перечисленных
позиций является некоторым классом
причин, которые требуют специального
анализа.
Погрешности измерения координат
источников АЭ могут быть определены с
использованием различных методических
приемов в виде тестов, например, по из­
менению конфигурации кругов с центром
в центре симметрии антенной решетки и с
радиусами, обеспечивающими очерчива­
ние площади антенной решетки и др.
События при контроле регистриру­
ются с некоторым разбросом по коорди­
натам и образуют группу, по которой
можно судить о средних координатах источника. Для оценки активности того или
иного источника точное (до 1 ... 5 мм)
определение координат не является обязательным условием. Более важная задача группировка отдельных событий по источникам. Как правило, события образуют
173
достаточно компактные группы, относящиеся к одному источнику. В связи с этим
кластеризация событий АЭ по источникам
не представляет значительной трудности.
В случае, когда визуально трудно
определить границы кластера одного источника, необходимо ввести меру, кото­
рая позволит отнести событие к источни­
ку либо отбросить его как случайное по­
казание [2]. Наиболее простой мерой яв­
ляется расстояние между источниками на
поверхности изделия.
Для предварительной визуальной
группировки полезно провести следую­
щую предварительную обработку данных.
Берется весь массив зарегистрированных
событий и для каждого события опреде­
ляется расстояние до ближайшего сосед­
него события, затем эти расстояния ус­
редняются по всему количеству событий
и определяется величина dmjn. Эта величи­
на служит критерием значимости собы­
тия. Если событие имеет ближайшего со­
седа на расстоянии d < dmin, то оно являет­
ся значимым и принимается для дальней­
шего рассмотрения. Если d > 4шт то со­
бытие исключается из рассмотрения и
считается статистически незначимым.
Такой, эвристический, подход к группи­
ровке событий не имеет под собой теоре­
тического обоснования, однако позволяет
выделить компактные, хорошо разделен­
ные выборки. Вообще критерий расстоя­
ния может быть выбран достаточно про­
извольно. В частности, критерием может
служить величина среднеквадратичного
отклонения, определенная из предвари­
тельных экспериментов с имитатором
сигналов АЭ.
Сгруппированные в один кластер со­
бытия АЭ являются результатом действия
одного источника. Здесь под источником
АЭ понимаем область неоднородных напряжений в структуре материала и возникающие в связи с ней процессы пластической деформации и разрушения подобно
тому, как при испытании образцов с надрезами считаем источником АЭ область ма­
териала, прилегающую к концентратору.
ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА
174
Рис. 3.20. Сигналы от одного события АЭ на
выходе четырех преобразователей
антенной решетки, расположенных на
разных расстояниях от источника сигнала
Одним из источников, существенно
увеличивающим ошибки при определении
координат, является искажение формы
акустических импульсов, распространяющихся по акустико-электронному каналу. Это видно из рис. 3.10-3.11, на которых представлены записи формы импульсов АЭ, распространяющих по реальным промышленным объектам. На рис.
3.20 показаны импульсы, принятые четырьмя преобразователями АЭ, образую­
щими антенную решетку, установленную
на сосуде, подобном представленному на
рис. 3.19 и рис. П1.7 (Приложение 1).
Как видно из рис. 3.20, сигналы на
выходе четырех преобразователей антен­
ной решетки, расположенные на разных
расстояниях от источника сигнала, значи­
тельно отличаются по форме. Амплитуда
сигнала, принятого ближним к источнику
АЭ-преобразователем, много выше поро­
гового уровня, а фронт импульса доста­
точно крутой. По мере увеличения рас­
стояния между преобразователем и источником АЭ форма сигнала меняется,
✓
•
ж
ж
— -----------
^
Я П
¥ I
~
r
амплитуда импульса уменьшается, а
фронт растягивается.
Если амплитуда импульса хотя бы в
одном канале станет меньше порогового
уровня, то координаты источника АЭ уже
нельзя рассчитать, информация пропада­
ет. Из-за флуктуаций амплитуды импуль­
са, приводящей к неопределенности по­
ложения точки пересечения фронта им­
пульса с уровнем порога (т.е. неопреде­
ленности момента регистрации импульса),
ошибки могут достигать нескольких де­
сятков микросекунд, что эквивалентно
неопределенности по расстоянию не­
скольким десяткам сантиметров. Поэтому
в большинстве современных систем от­
счет момента прихода импульса произво­
дят не по пересечению фронтом импульса
порогового уровня, а по моменту достижения импульсом максимума. Это связано
с тем, что фазовые или частотные пара­
метры более неустойчивы, чем энергетические.
Нормативный документ по определению местоположения развивающихся
дефектов акустико-эмиссионным методом, разработанный НПО "Дальстандарт"
207-80), регламентирует операции и
схемы расположения преобразователей
д э при контроле объектов любых геометрических форм и любых сварных соединений, выполненных дуговой, электрошлаковой, газовой и электронно-лучевой
сваркой.
Объекты с крупными габаритами могут
ванием одной или нескольких антенных
решеток (групп) приемных преобразователей, размещенных на объекте по определенной схеме. Методика МИ 207-80
устанавливает, что минимальные размеры
объектов контроля, которые могут быть
проконтролированы стандартными при­
борами АЭ, составляют не менее 0,1 м в
одном измерении. Для определения коор­
динат источников АЭ в объектах меньших
размеров требуются специальные методи­
ки и приборы. При контроле объектов
простой геометрической формы обеспеj.-
'
—
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ АЭ
чивается наименьшая погрешность уста­
новления местоположения развивающих­
ся дефектов.
При определении координат источ­
ников АЭ необходимо проделать ряд опе­
раций. В первую очередь проводят внешнии осмотр с целью установления отсутствия механических повреждений и составления схемы контроля. Проверяют
работоспособность прибора АЭ в соответствии с инструкцией по эксплуатации и
"Правилами АЭ-контроля". Поверхность
объекта контроля должна быть соответст­
вующим образом подготовлена. Основными операциями подготовки поверхности являются очистка поверхности объек­
та контроля от покрытий, ржавчины, за­
грязнений. Сварные швы очищают от
шлаковой корки. В местах установки ПАЭ
поверхность зачищают до чистоты Rz 40.
ПАЭ расставляют на объекте так,
чтобы они охватывали всю область кон­
троля. Не допускается устанавливать пье­
зопреобразователи в местах объекта, тем­
пература которых во время контроля мо­
жет превысить предельную рабочую тем­
пературу преобразователя. Акустический
контакт обеспечивается использованием,
как правило, жидкои контактной среды,
например машинного масла, вводимого
между поверхностью объекта контроля и
преобразователями. Необходимо убедить­
ся в качественном акустическом контакте
между ПАЭ и объектом контроля.
С помощью электронного имитатора
и калибровочного акустического преобразователя либо источника Су-Нильсена в
некоторых точках объекта возбуждают
имитирующий акустический импульсный
сигнал. В качестве акустического имитатора можно использовать обычный преобразователь АЭ либо любой другой ненаправленный акустический преобразова­
тель. Генератором, возбуждающим имитатор, может служить стандартный гене­
ратор импульсов.
Параметры электрического импульса
возбуждающего
генератора-имитатора,
КА
КА
КА
175
излучающий преобразователь, выбирают
следующими: амплитуда импульсов 0,1 ...
40 В; длительность 0,1 ... 1,0 мкс, частота
повторения не более 100 Гц.
Затем проверяют идентичность чув­
ствительности приемно-усилительных каналов аппаратуры. Разброс чувствительности каналов как в процессе калибровки,
так и после нее не должен превышать
20... 30 % от средней величины.
Практические показатели точности
определения координат источников АЭ во
многих работах различаются. Общепри­
нято, что погрешности определения координат источников АЭ составляют порядка
толщины стенки объекта. Эксперименты
НПО "Дальстандарт" с использованием
прибора "АМУР-Д4" показали погрешность
порядка 20 ... 30 см. Погрешности, отне­
сенные к максимальному размеру объекта,
составили 2,2... 3,3 %.
При испытании сферического газ­
гольдера диаметром 35,6 м и толщиной
стенки 31 мм средняя точность определе­
ния координат АЭ составила 42,5 см, или
3,8 % максимального расстояния между
преобразователями [157]. При этом в
гладкой области сосуда средняя погреш­
ность составляла 30,2 см, в области с при­
варками и сварными швами погрешность
достигала 54,8 см. Скорость звука, ис­
пользуемая для расчета, была 2,95 мм/мкс.
По данным работы [157], точность
определения координат в патрубковой
зоне реакторов в эксперименте с использованием улучшенной программы расчета
координат со случайной конфигурацией
группы датчиков составляла менее 33 см,
тогда как при линейной локации толстостенного трубопровода точность в аксиальном направлении достигала 3 % расстояния между преобразователями.
Поскольку зоны, из которых проис­
ходит излучение упругих импульсов, в
дальнейшем проверяют другими метода­
ми НК, особь строгие требования к точности определения координат источников не
предъявляются. Однако в дальнейшем
KJ
176
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
можно предположить необходимость ана­
лиза погрешностей, особенно в сложных
условиях, например при установке преоб­
разователей в зоне патрубков.
3.5.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ОБЪЕКТОВ ПО ПАРАМЕТРАМ АЭ
Большой потенциал метода АЭ,
обеспечивающий предотвращение нару­
шения технологических процессов, сни­
жение вероятности возникновения аварий
на промышленных объектах, реализуется
через адекватное определение техниче­
ского состояния объекта, которое является
основной функцией технической диагно­
стики. Это один из немногих физических
методов, с помощью которого в полном
объеме выполняются основные задачи
технического диагностирования:
— контроль технического состояния
объекта;
—поиск места и определение причин
отказа;
— прогнозирование технического со­
стояния.
,'й - у
В методе АЭ диагностическими па­
раметрами являются параметры сигналов
АЭ, которые информируют о присутствии
в объекте дефектов и их развитии. Изме­
нение технического состояния контроли­
руемого объекта, связанное с развитием
дефектов, характеризуется изменением
значений диагностических параметров комплекса параметров акустической эмис­
сии.
,е
Сигналы АЭ следует рассматривать
как физический процесс, содержащий ин­
формацию об отклонении технического
состояния объекта от нормированного
(принятого технической документацией
на объект). Параметры сигналов АЭ можно связать с прямыми параметрами тех­
нического состояния. Прямой параметр
технического состояния — это параметр,
непосредственно характеризующий за­
данное свойство объекта и связанный с
его предельным состоянием.
Основной задачей АЭ-контроля яв­
ляется оценка технического состояния
объекта по параметрам сигналов, отобра­
жающих информацию об источниках АЭ.
Поэтому встает проблема классификации
источников АЭ и критериев оценки тех­
нического состояния объекта. Это специ­
фично для метода АЭ, поскольку он по­
зволяет связать параметры АЭ с парамет­
рами предельного состояния объекта, ко­
торое характеризуется потерей прочности
и его разрушением.
В п. 3.1 кратко изложены основные
подходы к классификации источников
АЭ. Здесь рассмотрим современные под­
ходы к классификации источников АЭ и
критериям бракования.
В процессе контроля осуществляют
оперативное накопление и обработку дан­
ных. Система контроля должна обеспечи­
вать регистрацию источника АЭ соответ­
ствующего IV классу (катастрофически
активному источнику) в реальном мас­
штабе времени. После выполнения кон­
троля объекта проводят обработку и ана­
лиз данных в полном объеме.
Накопление данных происходит по­
сле выделения параметров сигналов АЭ.
При наличии цифровых регистраторов
используется запоминание сигналов АЭ в
целях последующего анализа процесса.
Результаты АЭ-контроля представ­
ляют в виде перечня зарегистрированных
источников АЭ, отнесенных к тому или
иному классу в зависимости от значения
параметров АЭ. Оценку выполняют для
каждого источника АЭ-сигналов. Состоя­
ние контролируемого объекта определяют
по наличию в контролируемом объекте
источников АЭ того или иного класса.
Обработку и анализ данных выпол­
няют в соответствии с выбранной систе­
мой классификации источников АЭ и
критериями оценки результатов контроля.
Все зарегистрированные сигналы АЭ раз­
деляются на источники АЭ в зависимости
от их положения в контролируемом объ­
екте; классифицируются источники по
значениям их параметров.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
Оценку источников АЭ проводят по
этапам в соответствии с режимом нагру­
жения и временем, затрачиваемым на кон­
троль. Каждый этап, как правило, не
должен превышать 4 ч непрерывного кон­
троля; длительность всего процесса АЭконтроля не регламентируется.
Зонный контроль применяется в слу­
чае невозможности либо нецелесообраз­
ности определения координат источников
АЭ. Для использования указанного под­
хода предварительно подготавливают ис­
ходную информацию, необходимую для
выбора и применения того или иного кри­
терия; обработку данных следует прово­
дить на ЭВМ, входящей в систему АЭконтроля.
Программа обработки АЭ-информации должна обеспечивать определение
местоположения источников АЭ-сигналов
по времени прихода сигналов на преобра­
зователи АЭ либо по амплитуде и ото­
бражать положение сигналов в виде ин­
дикаций источника АЭ на карте локации
(а в процессе контроля - на дисплее). На
карте локации выделяют зоны повышен­
ной концентрации (кластеры) индикаций
АЭ, которые в совокупности формируют
полный образ источника АЭ.
Местоположения полученных зон
сопоставляют с технологической тополо­
гией объекта для отделения возможных
источников механических шумов, не свя­
занных с развивающимися дефектами, от
источников АЭ. Информация о зонах кон­
центрации индикаций АЭ регистрируется
и обрабатывается с использованием про­
грамм для построения графиков по каж­
дой выделенной зоне и классификации
источников АЭ.
3.5.1. Оценка результатов контроля
Одним из основных принципиальных
моментов, превращающих физический
эксперимент в промышленный метод НК,
является введение критериальных соот­
ношений, составленных из параметров
сигналов, полученных в результате кон­
троля. Браковочные критериальные соот­
ношения определяют границу двух облас­
177
тей, в которых может пребывать объект
(брак или годен).
Утверждения о том, что контроли­
руемый объект содержит дефект, обнару­
женный по показаниям АЭ, недостаточно
для принятия решения о допуске объекта
в эксплуатацию, продолжении его работы,
проведении ремонта или прекращения его
эксплуатации. То или иное решение сле­
дует принимать после оценки степени
опасности дефекта на основе представле­
ний о закономерностях связи АЭ с про­
цессом деградации объекта, изложенными
выше.
Определение признаков предельных
состояний в соответствии с ГОСТ 27.103
("Критерии отказов и предельных состоя­
ний") осуществляет разработчик объекта.
Для металлоконструкций в случае рас­
смотрения прочности при статических
нагружениях в качестве предельных со­
стояний различают состояния наступле­
ния текучести и разрушений (катастро­
фического, хрупкого, квазихрупкого или
вязкого). Информация о достижении ука­
занных предельных состояний заложена в
параметрах АЭ-сигнала.
После обработки принятых сигналов
результаты контроля представляют в виде
идентифицированных и классифициро­
ванных источников АЭ. Решение по ре­
зультатам АЭ-контроля применяют на
основе сведений обо всех источниках АЭ,
их классификации и данных об источни­
ках АЭ, параметры которых превышают
допустимый уровень. Допустимый уро­
вень источника АЭ устанавливает испол­
нитель при подготовке к АЭ-контролю
конкретного объекта. Это связано с тем,
что в нормативных документах по АЭконтролю в большинстве случаев отсутст­
вуют конкретные данные по критериям
бракования.
Источники АЭ классифицируют в
большинстве случаев с использованием
следующих параметров сигналов: сум­
марный счет, число импульсов, амплитуда
(амплитудное распределение), энергия
(либо энергетический параметр), скорость
счета, активность, концентрация источи и-
ДИАГНОСТИКА
178
3.2. Мероприятия, выполняемые оператором АЭ-контроля
Класс и наименование
Действия оператора АЭ-контроля
источника АЭ
Источник
(пассивный)
для
класса
тия
Источник II класса
(активный)
1. Регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе
выполнения данного контроля.
2. Отмечают в отчете и записывают рекомендации по про­
ведению дополнительного контроля с использованием дру­
гих методов
класса
актив-
1. Регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе
выполнения данного контроля.
2. Отмечают в отчете и записывают рекомендации по про­
ведению дополнительного контроля с использованием дру­
гих методов.
3. Предпринимают меры по подготовке возможного сброса
нагрузки
___ _
класса
Источник
(катастрофически ак­
тивный)
1. Немедленно уменьшают нагрузку до нуля, либо до вели­
чины, при которой класс источника АЭ снизится до уровня
II или I класса.
2. После сброса нагрузки проводят осмотр объекта и при
необходимости контролируют другими методами
Источник
(критически
ный)
также
входят параметры нагружения контролируемого объекта и время.
Выявленные и идентифицированные
источники АЭ рекомендуется разделять
на четыре класса: I, II, III и IV, указанные
ниже.
Источник I класса...............
Пассивный
Источник II класса.............
Активный
Источник III класса..........».*
Критически
активный
Источник IV класса............
Катастрофиче­
ски активный
Выбор системы классификации ис­
точников АЭ и допустимого уровня (клас­
са) источников рекомендуется осуществ­
лять каждый раз при АЭ-контроле кон­
кретного объекта.
Рекомендуемые действия персонала,
выполняющего АЭ-контроль при выявле­
нии источников АЭ того или иного клас­
са, приведены в табл. 3.2.
Каждый более высокий класс источника АЭ предполагает выполнение всех
для
ников более низких классов. При положительной оценке технического состояния
объекта по результатам АЭ-контроля или
отсутствии зарегистрированных источни­
ков АЭ применение дополнительных ви­
дов неразрушающего контроля не требу­
ется. Если интерпретация результатов АЭконтроля неопределенна, рекомендуется
использовать дополнительные виды не­
разрушающего контроля.
Окончательная оценка допустимости
выявленных источников АЭ и индикаций
при использовании дополнительных ви­
дов НК осуществляется с помощью изме­
ренных параметров дефектов на основе
нормативных методов механики разруше­
ния, методик по расчету конструкций на
прочность и других действующих норма­
тивных документов.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
Применение
конкретных систем
классификации источников АЭ и крите­
риев оценки состояния объектов зависит
от механических и АЭ-свойств материа­
лов контролируемых объектов. Выбор
системы классификации и критериев
оценки состояния объекта проводят, ис­
пользуя перечисленные ниже системы
классификации и критерии оценки со­
стояния контролируемого объекта. Каж­
дый раз при использовании той или иной
системы классификации и критериев
оценки (и соответствующих значений па­
раметров сигналов АЭ, определяющих
классы источников и критерии оценки)
следует обосновывать их применение.
Выбор производят: перед выполнени­
ем АЭ-контроля, после которого исполни­
тель должен произвести соответствую­
щую настройку аппаратуры и разработку
требуемого программного продукта (при
необходимости).
3.5.2. Системы классификации
источников АЭ
Классификация источников АЭ при
выполнении контроля производственного
объекта является одной из наиболее важ­
ных и принципиальных технологических
операций АЭ-метода. В каждом случае
регистрации источника АЭ для отнесения
его к тому или иному классу следует учи­
тывать много факторов. Например, из
данных, представленных в гл. 2, может
последовать вывод, что образование мик­
ротрещин не носит непосредственной уг­
розы объекту (при определенных услови­
ях нагружения) до тех пор, пока они не
объединятся в магистральную трещину с
критическим размером для данного эле­
мента конструкции.
При разработке методики АЭконтроля необходимо определить: воз­
можность возникновения источников ка­
ждого типа - непрерывной АЭ и дискрет­
ной АЭ; возможность их идентификации,
оценки и определения важности иденти­
фикации и влияния процессов в источнике
179
на конструкцию, а также влияние конст­
рукции на процессы в источнике. При
этом можно считать, что непосредствен­
ное влияние масштабного фактора на па­
раметры АЭ оказывается в меньшей сте­
пени, чем влияние его на параметры ме­
ханики разрушения [87]. Это связано с
тем, что параметры АЭ непосредственно
связаны только с локальными условиями
протекания динамических процессов, и
только через них - с условиями нагруже­
ния и НДС объекта. Данный фактор уп­
рощает перенесение данных АЭ с образ­
цов на объект. Следовательно, возникает
задача предварительного исследования
материала для определения характерных
типов источников АЭ, описывающих ма­
териал и АЭ-поведение материала в кон­
струкции. По существу, на данном этапе
необходимо получить АЭ-образ материа­
ла и связать его с НДС объекта.
Имея в распоряжении указанные
данные, полученные из разных источни­
ков или по собственным экспериментам,
разработчик методики АЭ-контроля полу­
чает возможность составить предвари­
тельную схему размещения ПАЭ на объ­
екте, определить количество каналов ап­
паратуры и соответственно модель систе­
мы контроля, определить параметры кон­
троля.
Следующим принципиальным мо­
ментом является разработка критериев
предельного состояния объекта по пара­
метрам АЭ. Сам тип предельного состоя­
ния определяется проектировщиком обо­
рудования и наступает при определенных
условиях воздействия на объект. Разра­
ботчик методики АЭ-контроля должен
получить или иметь набор параметров
АЭ, соответствующих и характеризую­
щих заданное предельное состояние объ­
екта. Критерием предельного состояния,
как правило, является неравенство, кото­
рое удовлетворяется при некотором соче­
тании параметров АЭ и нагрузки.
В основу классификации положены
значения параметров, которые в макси­
ЭМИСИОННАЯ
180
В зависимости от вида амплитудного
распределения и установления соответст­
вия амплитуд выбранному предельному
состоянию, условиям достоверности при
обнаружении и идентификации сигналов
АЭ и других факторов, выбирают систему
классификации и критерии бракования по
амплитудному признаку.
Например, согласно правилам АЭконтроля (ПБ 03-593-03) производят вы­
З.5.2.1.
Классификация импульсовчисление средней амплитуды
не менее
акустической эмиссии по амплитуде.
трех импульсов с индивидуальной ампли­
При использовании амплитудного критетудой Ас для каждого источника АЭ за
рия необходимо знать амплитуду сигнала
выбранный интервал наблюдения. АмАЭ вблизи источника, порождающего
плитуда корректируется с учетом затуха­
ния АЭ-сигналов при их распространении
этот сигнал. Для этого следует измерить
координаты источника АЭ и восстановить
в материале.
В предварительных экспериментах
амплитуду принятого импульса АЭ до
величины, которую имеет импульс вблизи
определяют граничное значение допустиамплитуды
источника излучения.
(3.6)
Критерии классификации источни­
А,
ков АЭ создают в процессе предваритель­
амплитудном
где U„
ных испытаний образцов, моделей и надискриминации; Ас - величина превышетурных объектов. Как правило, в экспения П0р0га АЭ-сигналом, соответствуюриментах устанавливают амплитудам
щим росту трещины в материале; ti\ и В2распределение сигналов АЭ. Например,
коэффициенты, определяемые из экспепри испытании образцов из высокопрочримента. Значения этих коэффициентов
находятся в пределах 0 .. .1.
ной корпусной стали марки 1эл2НМФА,
Классификацию источников прово­
которую применяют при изготовлении
дят в соответствии с табл. 3.3.
корпусов реакторов АЭС, было получено
Конкретные значения А,, В\ и В2 за­
амплитудное распределение с помощью
висят
от
материала
контролируемого
объаппаратуры ~Щ
I
3.21, из которого хорошо видны все диаекта и определяются в предварительных
экспериментах
пазоны амплитуд при развитии трещин
мальной степени отражают техническое
состояние объекта.
Наиболее часто при классификации
используют следующие параметры АЭ:
амплитуда (амплитудное распределение);
энергия (энергетические параметры); чис­
ло импульсов АЭ; суммарный счет; ско­
рость счета; активность АЭ.
^
--^
т.
W Г
амплиту,
Класс источника АЭ
Признаки формирования класса
I класс
для
амплитуды импульсов (получено менее трех импульсов за ин­
тервал наблюдения)
II класс
Источник, для которого выполняется неравенство Aq, < А,
III класс
Источник, для которого выполняется неравенство Аср > А,
IV класс
Источник, включающий не менее трех зарегистрированных им
пульсов, для которых выполняется неравенство А^ > А,
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
О
to
20
JO
ЬО
50
60
70
ВО
181
ит,дБ
Рис. 3.21. Амплитудное распределение при развитии трещины
в стали 15Х2НМФА
В комплексной критериальной таблице 3.11 фирмы РАС, приведенной ниже,
амплитудный признак используется не­
сколько в другой форме. Например, для
сосудов давления, находящихся в экс­
плуатации, регламентируется, что ампли­
туда любого принятого импульса АЭ не
должна превышать 65 дБ для объектов,
изготовленных из углеродистых сталей,
титана или циркония. Для изделий из
алюминиевых сплавов и коррозионностоиких сталей амплитуда не должна пре­
вышать 60 дБ.
Эти требования достаточно хорошо
иллюстрируются амплитудным распреде­
лением (рис. 3.21). Действительно, если
происходит регистрация сигналов с ам­
плитудой, превышающей 60 ... 65 дБ,
можно с большой степенью уверенности
говорить о развитии трещины достаточно
большими скачками и о приближающемся
разрушении.
Может быть использована и другая
форма классификации источников АЭ по
амплитудному признаку. Приведем кон­
кретный пример, базирующийся на ам­
плитудном распределении, полученном в
эксперименте с использованием образцов
из стали 15Х2НМФА (см. рис. 3.21). Вы­
бирают и устанавливают амплитудный
уровень классификации источника АЭ
t /ак, значение которого превышает вели-
чину порогового напряжения СЩ выбранного, например, на 6 дБ выше уровня шумов.
(3.7)
£/ак > и п- иш+ 6 дБ.
Обычно выбирают £/« £/н й§ (20
30) дБ. На рис. 3.21 значения {/ак = 50 дБ,
Un - 22 дБ, напряжение шумов в экспери­
менте -16 дБ (-5 мкВ).
Величина превышения задается при
разработке технологии АЭ-контроля. Как
правило, величина и лк должна соответствовать минимальным амплитудам АЭимпульсов, возникающим при росте трещины в материале контролируемого объекта.
Амплитуда корректируется с учетом
затухания АЭ-сигналов при их распро­
странении в материале. Все оценки про­
водят по значениям амплитуд импульсов
АЭ, соответствующих амплитудам вблизи
источника АЭ (на расстояниях, не превы­
шающих 5 см). Классификацию источников АЭ проводят в соответствии с
табл. 3.4.
В приведенном примере амплитуд­
ное распределение получено при испыта­
нии образцов из стали 15Х2НМФА. Сле­
довательно, его можно использовать при
АЭ-контроле объектов, изготовленных из
корпусных сталей подобного класса. Рас­
пределение амплитуд импульсов АЭ ана­
логично распределению длин скачков трещин.
182
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
3.4. Классификация источников АЭ по амплитудному признаку
для высокопрочных корпусных сталей
Класс источника АЭ
Признаки формирования класса источника АЭ
I класс
Источник, для которого зарегистрировано менее 5 импуль­
сов АЭ-амплитудой, меньшей Um
11 класс
Источник, для которого зарегистрировано 5 или более им­
пульсов АЭ-амплитудой, меньшей
III класс
Источник, для которого зарегистрировано от 1 до 3 импуль­
сов АЭ-амплитудой, превышающей и ш
IV класс
Источник, для которого зарегистрировано 4 и более импуль| сов АЭ-амплитудой, превышающей
3.5.2.2. Классификация по показаактивность сила источника АЭ.
Опасность источника АЭ часто оценивают по активности и силе источника. Ак­
тивность источника определяется числом
излучаемых импульсов, а сила источника
есть средняя амплитуда сигналов, излу­
чаемых источником за время наблюдения
(регистрации).
Для каждого источника вычисляют
его АЭ-активность:
А=—У
*+ 1
(3.8)
N
А < 1 при
1 при Nk = 0 и Nk+1 > 0
0 при Nk > 0 и N k+j = 0 ,
Nк
к=
0 при Nk = 0 и N k+1 = 0
1, 2 ,
А « 1 при
A^+i j |
1 У Щк±4.я
N
т
ж
3.
| * = 1 , 2 , . . . , К;
(3.10)
А > 1 при
к = 1 ,2 , ..., К.
Nk
Nk+
N к+3
(3.11)
где Nk - число событий в к-м интервале
оценки параметров; Л/*+.i - число событий
в к + 1-м интервале оценки параметров;
параметров
к
К - общее число интервалов оценки пара­
метров (интервал наблюдения).
В зависимости от активности источ­
ника могут быть случаи, когда:
1.
2.
( 3 .9)
Вычисляют относительную силу У*
источника АЭ на каждом интервале реги­
страции:
к
J t-u J w y u ,
(3.12)
где Uk - средняя амплитуда сигналов ис­
точника за интервал к; W - коэффициент,
определяемый в предварительных экспек
риментах; V t / f- - средняя амплитуда
/=1
сигналов всех источников АЭ по всему
объекту за исключением анализируемого
за интервал к. Затем классифицируют ис­
точники АЭ по табл. 3.5.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
3.5. Классификационная таблица по
показателю активность - сила АЭ
N 10
183
6
Класс точности АЭ
/< 1
I
II
III
/* 1
II
II
III
/> 1
III
III
IV
3.5.2.3. Классификация по крите­
рию Иванова-Быкова (локально-дина­
мическому показателю источника АЭ).
Локально-динамический показатель клас­
сификации источников АЭ, достаточно
широко используемый в практике контро­
ля промышленных объектов, был впервые
предложен в 1981 г, [40] и впоследствии
развит в работах [44, 45].
Ранее было показано, что зависимо­
сти суммарного счета дискретной АЭ при
нагружении объекта с дефектом являются
закономерностями
степенными
(рис.
2.16-2.19, 3.22). Наиболее наглядно изме­
нение закономерности изменения N видно
в случае представления данных в лога­
рифмических координатах (рис. 3.24). На
всех кривых имеется точка перелома, сви­
детельствующая об изменении значения
показателя степени, характеризующем
смену закономерности разрушения. Точка
перелома на графике соответствует мо­
менту наступления катастрофической ак­
тивности, который связан с началом уско­
ренного развития трещины. Данный при­
знак может служить индикатором наступ­
ления предельного состояния.
В работах Данегана и других авторов
[116, 125, 131] состояние объекта описывалось зависимостью суммарного счета
АЭ от коэффициента интенсивности напряжений. Константами материала и ус­
ловий эксперимента были коэффициент а
и показатель степени т . Выражение Дане­
гана можно трактовать по-новому, используя вместо КИН обобщенный параметр
Сплав 22NiM0Cr3i
5:
х
СО
:э
з:
<хэ
Порог
25JMKB
U Перемещение
я
&
Г
520мк&
ll I ^Г \ I___I___I
10 20 30 ЬО 50 60 70 P W3,H
Рис. 3.22. Зависимость суммарного
счета АЭ от нагрузки при различных
значениях порогового напряжения [175]
В качестве обобщенного параметра
могут выступать, помимо КИН, собствен­
но нагрузка, число циклов, время и т.д.
Это позволяет расширить диапазон применения степенной зависимости суммар­
ного счета. Учитывая сказанное, перепи­
шем обобщенное выражение для суммар­
ного счета в виде
К *
N = aP
т
(3.13)
Это выражение является закономер­
ностью, аппроксимирующей реальные
записи суммарного счета и не может быть
непосредственно использовано для оценсостояния
ки
объекта.
Требуется
модификация "гладкой" закономерности
вида (3.13), которая применялась ранее в
работах Данегана, Палмера и других [116,
161]. Это связано с тем, что реальный АЭпроцесс является импульсным, а соот­
ветствующая ему кривая суммарного сче­
та - скачкообразной, ступенчатой. Промежуток времени между импульсами АЭ
и величина скачков - случайные величи■
u#
184
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
ны. На рис. 3.22 приведены характерные
для объектов с трещинами зависимости
суммарного счета от параметра нагруже­
ния, иллюстрирующие это наблюдение.
Пользуясь обозначениями на рис. 3.22 и
дифференцируя обобщенное выражение
для суммарного счета (3.13), запишем
выражение для скачка суммарного счета:
в l-й момент времени (или при г-м значении обобщенного параметра Р,)
г
т
(3.13 а)
И
(3.14)
AN:/ ш Ш ж 1
для (/ + 1)-го значения обобщенного па­
раметра, которое фиксируется в момент
регистрации события АЭ, следующего за
регистрацией /-го события
ANM = та(Р'+ APi+])
т -1
АР;
(3.15)
где учтено, что
N../+1
Ng ШANM и Рм = Р{ + АРм .
(3.16)
Разделив (3.15) на (3.14.), получим
выражение, которое можно использовать
в качестве критерия оценки состояния
объекта:
\ т -1
г
АРi+l
AN 1
. (3.17)
> 1 1к
АР.I
рI У
ANх■ V
Знак ">" свидетельствует о том, при
каждой последующей регистраций АЭ
приращение суммарного счета происхо­
дит со скоростью, превышающей ско­
рость, определяемую показателем т.
Данный критерий характеризуется
тем, что в нем использованы значения
суммарного счета и обобщенного пара­
метра нагружения, измеренные в реаль­
ном масштабе времени и отображающие в
параметрах АЭ НДС объекта в текущий
момент времени, сравнивая его с НДС в
непосредственно предшествующий зна­
чащий момент времени. Поэтому данный
критерий был назван авторами локально­
динамическим критерием.
Анализ экспериментальных данных,
полученных при испытаниях объектов,
изготовленных из самых разнообразных
металлических_ _ _ _ _ _
металлических, показал, что характер за­
висимости ряда параметров, таких как ~N
(а также Nr), от обобщенного параметра
для
риалов. Основное сходство заключается в
том, что ускоренное развитие трещины,
предшествующее разрушению объекта,
отображается в ускоренном скачкообразном нарастании параметра N. Этот факт
позволяет надеяться, что критерий вида
(3.17) может быть использован достаточ­
но широко для оценки технического со­
стояния объектов, из разных конструкци­
онных материалов.
Свойства материалов и их состояние
отображается в основном в показателе т ,
который таким образом приобретает
большое значение. Простота критерия
(3.17) по сравнению с критериями, приня­
тыми в зарубежных НТД, объясняется
тем, что он составлен на базе относительных оценок параметров в два последовательных момента времени,
Исследованиями перлитных высокодля
изготовления корпусных объектов, установлено, что показатель т имеет несколь­
ко характерных значений, описывающих
соответственно различные состояния объ­
екта.
При больших уровнях нагрузки и в
случае ускоренного развития трещины
приращения значений обобщенного пара­
метра нагружения при последовательной
регистрации АЭ-импульсов близки по
величине, т.е. APt = АРм [44]. Это позво­
ляет упростить выражение (3.17):
AN:т
г
\ т -1
АР,+1
> 1+
Р
AN:I
I
V
(3.18)
Возводя двучленное выражение в
правой части неравенства (3.18) в степень
т -1 и пренебрегая членами высшего по-
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
185
рядка, получим
^ iL > l + ( w - l ) - ^ ± i
АЖI
АРI
(3.19)
Показатель степени т является слу­
чайной величиной и на стадии ускоренно­
го развития трещин характеризуется зна­
чением т > 4. Принимая для определен­
ности значение т = 4J125], получим вы­
ражение критерия ускоренного развития
трещины в наипростейшем виде [40]
ДМ
др.
(3.20)
Анализ экспериментальных данных
показал, что стадии катастрофического
состояния объекта, при котором величина
ускоренно развивающейся трещины дос­
тигает критического значения (по терми­
нологии механики разрушения), соответ­
ствует троекратное выполнение критерия
(ЗЛ7).
Эксперименты показывают, что кри­
терии (3.19), (3.20) выполняются на на­
чальной стадии роста трещины, а крите­
рий (3.18) реализуется преимущественно
на стадии ускоренного развития трещины.
Он является менее жестким, чем два по­
следних и дает меньшее значение вероятности ложной тревоги и соответственно
меньшую перебраковку.
Показатель степени т, входящий в
качестве важного параметра в критерии,
можно использовать для классификации
источников АЭ. Комбинацией (3.14) и
(3.15) и простыми преобразованиями, получим следующее выражение для текущего значения т $: ИЩ?
! '
/И/(дг1= AN, Pj / N jAPh
(3.21)
Наряду с параметром N можно ис­
пользовать также энергию Е. Тогда крите­
рий можно записать в виде
тт | AEi Pt/Ej APh
(3.22)
где ANj = Nj+i - Nh A£, = EM Nl+i число выбросов в последующем событии;
Ni - суммарное число выбросов (суммар-
Рис. 3.23. Распределение параметра т:
а - на первом участке нагружения;
б -н а втором участке нагружения
ная АЭ); £,+1 - энергия (энергетический
параметр) последующего АЭ-события;
суммарная энергия (энергетический
»
параметр) за время наблюдения; Рж значение параметра нагружения в момент
регистрации последующего события (если
в качестве параметра используют время,
тогда это промежуток времени от начала
интервала наблюдения); Р, - значение па­I
раметра нагружения в момент регистра­
ции предыдущего события (если в качест­
ве параметра используют время, тогда это
промежуток времени от начала интервала
наблюдения); АР, - приращение значения
параметра нагружения между моментами i
и » + 1.
Величин'а т является случайной и
изменяется в широких пределах. Анализи­
руя ее изменения от нагрузки, можно от-
186
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
марного счета от нагрузки в логарифми­
ческих координатах. Как всякая случайная
величина, т описывается функцией рас­
пределения, изменения параметров кото­
рой будут свидетельствовать об измене­
нии закономерности разрушения. На
рис. 3.23 приведены распределения пара­
метра т на первом (а) и втором (б) участ­
ках нагружения, соответствующих равно­
мерному и ускоренному развитию трещи­
ны в объекте. Переход от первого этапа ко
второму отображается точкой перегиба на
рис. 3.24.
Гистограммы распределения пара­
метра w, приведенные на рис. 3.23, ап­
проксимируются
экспоненциальными
зависимостями вида
А (т) = /o iе_/о,т »
Рис. 3.24. Логарифмическая зависимость
суммарной АЭ от нагрузки при испытании
изгибных образцов с трещиной:
а - сталь 10; б - сталь 10ГН2МФА;
в - сталь 15Х1М1Ф
метить, что т имеет два участка с различными средними значениями. Нагрузка,
при которой изменяется среднее значение
т, совпадает с точкой перелома, полученной при представлении зависимости сум-
(3 23)
со значениями f 0\ = 0,99, Уо2 = 0>33.
Общий анализ развития процессов
разрушения, а также многочисленные экс­
периментальные данные приводят к вы­
воду, что в основу принципа оценки со­
стояния объекта по параметрам АЭ можно
положить смену закономерности процесса
разрушения. Именно тем значениям обоб­
щенного параметра разрушения, которым
соответствует изменение закономерности в
зависимостях параметров АЭ, соответству­
ет и смена закономерности процесса раз­
рушения. При этом, как указывалось выше,
важно выявить наступление предельного
состояния, названного авторами полно­
масштабной (или глобальной) катастро­
фой, и отличить это состояние от локаль­
ных катастроф, связанных с локальным
перераспределением напряжений в объек­
те при развитии дефекта.
В точках бифуркации (критических
точках) смены закономерности, а следова­
тельно, параметров разрушения изменяетСя характер зависимости параметров АЭ.
Поэтому в основу классификации источников АЭ положено использование показателя степени т, а не коэффициента а в
зависимости (3.13).
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
187
3.6. Классификация источников АЭ по показателю степени
Класс источника АЭ
Значение показателя тх
Характеристика источника АЭ
I
ТП\ < 1
Пассивный
п
ГП\ « 1
Активный
1 < ГП\ <6
Критически активный
ТП\> 6
Катастрофически активный
ni
IV
J
1
Анализ экспериментальных данных
показал, что в случае, когда значение
т < 1, зависимость суммарного счета от
нагрузки, описываемая степенным соотношением, принимает характер насьпцения, соответствующего замедлению про-
цесса разрушения. Такой источник будем
классифицировать как пассивный. Когда
значение т « 1, процесс АЭ представляет
собой однородный пуассоновский поток с
постоянной интенсивностью X. Такой источник будем считать активным.
3.7. Детальная градация источников АЭ
Класс
Характеристика
источник
консервативный
Обозначение
1-1
Пассивный
будущего)
(без
1-2
Пассивный источник эволюционирующий (с бу­
дущим)
П-2
U-1
Активный источник с переходом в пассивный
А-1
И-2
Активный источник с долговременным развити­
ем
А-2
П-З
Активный источник с переходом в критически
активный
А-3
III-1
Критически активный с переходом в активный
КрА-1
III-2
Критически активный с переходом в катастрофи­
чески активный
КрА-2
IV-1
Катастрофически активный с переходом в крити­
чески активный или более низкий класс
КтА-1
IV-2
Катастрофически активный вплоть до 'разруше­
ния объекта
КтА-2
П-1
188
ЭМИССИОННАЯ
Возрастание интенсивности потока
(к) импульсов АЭ в ходе нагружения свидетельствует об ускорении развития про­
цессов разрушения. Поток импульсов АЭ
трансформируется в неоднородный пуассоновский процесс. Такой источник АЭ
будем считать критически активным, переходящим в катастрофически активный
источник АЭ на последних стадиях раз­
рушения, при этом параметр т > 6.
Анализ экспериментальных зависи­
мостей параметра т от нагрузки, а также
сопоставление фрактографии поверхности
разрушения с АЭ-зависимостями позво­
лил установить соотношения для класси­
фикации источников АЭ, которые приве­
дены в табл. 3.6.
Вялое накопление повреждении в
объекте соответствует пассивным источ­
никам АЭ. После достижения критических концентраций в какой-либо зоне
объекта и образования там макротрещин
источник АЭ переходит в другой класс.
Один и тот же источник может развивать­
ся от пассивного до катастрофически ак­
тивного. Наличие критически и катастрофически активных источников отражает
стадии ускоренного разрушения, причем
катастрофически активный источник соответствует наступлению предельного
состояния (глобальной катастрофы). Процедуру оценки и установления решающего правила, по которому классифици­
руются источники АЭ, использующие
распределения (3.23), основываются на
методах математической статистики. Кри­
терии оценки источников должны носить
статистический характер.
Учитывая возможность развития ис­
точников АЭ как в сторону увеличения
степени опасности, так и в сторону кон­
сервации состояния объекта, можно пред­
ложить более детальную градацию источ­
ников АЭ (табл. 3.7)
3.5.2.4. Классификация по коицеитрационно-динамическому показателю
источника АЭ. Показатель является комплексным (составным) и включает в себя
степень концентрации индикаций источников АЭ и динамику изменения картины
этих индикаций. Для каждого источника
определяют концентрацию С:
(3.24)
С = N i/R 2,
где R - средний радиус источника АЭ; JV,-—
число выбросов в зоне источника АЭ.
Для каждого источника определяют
суммарный энергетический параметр
я » . У (v * ?
*=i
nк »
(3.25)
где Um - амплитуда k-го импульса АЭ;
JVV- число выбросов в импульсе АЭ.
Согласно проведенным операциям,
оценивают положение точки на плоскости
координатах lgC - lg Е
каждой
не свой ранг. Устанавливают ранг источ
ника. Положение разграничивающих линий определяют предварительными экспериментами.
Формируют величину Р, характеризующую динамику энерговыделения источника на интервале наблюдения:
*+i
(3.26)
Р=
2>
*=1
N к+1
N
1 при ^ = 0
и N k+l > 0
0 при N k > 0 и N k+i = 0
(3.27)
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
Устанавливают тип источника со­
гласно табл. 3.8.
3.8. Характеристика типов
источников АЭ
р
^
1
р< 1
2
р= 1
3
реальном времени (аппаратура фирмы
РАС). Кроме того, в данной технологии
источники АЭ классифицируют в форме,
представленной в табл. 3.10 и 3.11.
3.5.2.6. Система классификации
источников АЭ в технологии MONPAC.
Источники АЭ разделяют на классы в со­
ответствии со значениями параметров
"силовой индекс'1 и "исторический ин­
декс1^ 133]. Силовой индекс
определя­
ется выражением
Тип
р « 1
S сгя
р> 1
4
Производят классификацию источ­
ника согласно табл. 3.9.
3.9. Классификация источников АЭ
по типу и рангу
Ранг
Тип
3
■
1
I
2
2
1
189
4
I
II
III
I
II
II
III
3
I
II
III
III
4
I
III
IV
IV
3.5.2.5. Критерии кода ASME. При
оценке результатов АЭ-контроля в соответствии с критериями кода ASME используются конкретные значения пара­
метров, которые зависят от условий контроля, материала контролируемого объекта и его состояния. Данный подход реали­
зован и конкретизирован в критериальном
таблице, применяемой в технологии
MONPAC для систем регистрации АЭ в
1 1=10
— Z S
1о Ш °'
(3.28)
где Soi - сила сигнала i-го события, пред­
ставляющая собой удвоенную площадь
под огибающей импульса АЭ: Soi/2 —
- MARSE.
Исторический индекс определяется
выражением
N
'
т *
N
________ Ы К + 1
Ж0 =
N -K *
2*^о»
/=1
(3.29)
После вычисления значений индек­
сов для каждого зарегистрированного им­
пульса АЭ классифицируют источники в
соответствии с табл. 3.12. Каждому классу
приписывают специальные значения
и
# , полученные в предварительных экспе­
риментах.
3.5.2.7. Критерий непрерывной АЭ
(критерий - течь перед разрушением),
Регистрация непрерывной АЭ, уровень
которои превышает пороговый уровень
системы контроля, свидетельствует о наличии течи в стенке контролируемого
объекта. По критерию непрерывной АЭ
ситуация классифицируется следующим
образом: I - отсутствие непрерывной АЭ;
И - регистрация непрерывной АЭ.
190
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
S
*Си
з
3со
ос
£
аси
>
со
аО>
X
3
9>
(У
3.10. Критерии оценки для зонной локации
11
£
*
и
О
а.
о
с
3S
3
х
хл
СП
h
ь?
•С
ч
О
<
сОо
2со
С
и
СЙ
С
К
S
X
©
sr
cd
X
сп
<&
3
S
X
о
Щ
со
сл
<
Ш
о
4о
й
о
5
X
0нQ
о
6со
£О
О
о
п
©
3
X
X
cd
со
I
S
ас Й
<а X
у
w
ей
X
со
О
со ю
О
sf
I
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
U
3.11. Критерии оценки в технологии MONPAC для систем регистрации АЭ в реальном времени (аппаратура РАС)
£ го
О
’
f
i
О
С
о
*
*о
О
ЧО
•л
0
I
О) ев
оо Я _
н
__ X
Ь
4
>
н
о
о о
0сиая> 0
Н
СО
ь х
я I а б-
£н
о0 сг i
CUоQ- § &
Е
Г
Он
Ж
0 в
| °Ь
ор
0
33
с &
2S
2з i«
1 1
IБ IЛ
S |
S to
0
1
4О) еIв
О Я _
я
о S Is
§
&
&
р Си
X
& и4>
н
о
0си О 0
Я Н ро
и оси и >*
X в си &
I0
5
W
«Я «40/•>
0
О
о о
eо?
я
ST
I
I6
>я
и
X
о
о
о
*
я
I0 оЯ
о
о
* еоо к
& О>5 о >S
си
о
о
9о оЖ он СП яо»
I
О
0
4
)
Я
я
е* О« эЯ
о
ч
о £Г> И я _ о
ЧО
Я
о
0
а
>
X
я
"
ас>
БЙ
?
со
О
ю 0 10 Си **
«
«и О >ч СГ
0 о
X и* я ю
О
ej
5я
щ «а
3
s&Р„
аК> Ч
«л
о3 *v
О Си с;
си
I
uQ
В
I0
0
н
оев
э
3
0
эЯ
I0
0
О
чо
<D
о
m
й
>
О
еО?
ю
а>
X
й>
о
ю
а>
X
I
0Я
&о
0
2О Я
№ Я«
п
О >4
&
0
5S
а<D
>
1О=5
О
О
Ю
и
X
Я
2
5я
5й>
СГ
о ^
S
О
о,
о
к
U
I
0
я
о
о
о
5£
ои
vo
о
и
SE
&
0
О
I
ЗЯ О Я
а<>
у
О
и
Я
Q
J
ь
Л
tg
Н
S
п
о >г
0N
vo р
4) 2 £ С) я
X Я 0
я
Я
J
О >1 сг Е
(Г) *
2
0
S 2
р 3 0 (S
Б
^ (Т) <U
2 - У я
х
<N
8
я
0
X
Си
о
>яя
Оч
<Р
н
я
&
0
о Я
X 2
я
О
зси
0
О
0 3
аа>
>
7 #
&
П
К
<р
I0
*
о *
Ч
©
о4
£ «П
Й
о
о
а х
Я
и
VO
5.
&
191
Продолжение табл. 3.11
192
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
193
3.12. Классификацию источников в соответствии с технологией MONPAC
Класс
А
Описание
для
дущих испытаниях
Регистрируется для учета в будущих испытаниях, осматрива­
ется поверхность объекта для выявления поверхностных де­
фектов вида коррозии, питтинга, трещин и др.
С
Свидетельствует о наличии дефекта, требующего после­
дующего анализа данных АЭ-контроля, повторного АЭконтроля или контроля с использованием других методов
D
Свидетельствует о наличии значительного дефекта, тре­
бующего последующего контроля с использованием других
методов
Е
Свидетельствует о наличии большого дефекта, требующего
немедленного прекращения нагружения и контроля други­
ми методами
3.5.2.8.
Выбор системы классифи­
Для хрупкого материала характерно
кации источников АЭ и критериев бра­
небольшое число импульсов, после чего
ковки. Весьма важным моментом при
происходит быстрое разрушение объекта.
выполнении АЭ-контроля является пра­
Амплитуда импульсов достигает значений
вильный выбор системы классификации
нескольких единиц или десятков миллиюльт. На диаграмме амплитудного расисточников АЭ и критериев браковки. На
рис. 3.25. приведены четыре характерные
зависимости суммарной АЭ от параметра
нагружения. Материалы, имеющие боль­
шую вязкость, показывают, как правило,
невыразительную зависимость суммарной
АЭ от параметра нагружения.
Амплитуды сигналов АЭ для таких
материалов обычно невелики и находятся
в диапазоне 5 ... 50 мкВ, параметр ампли­
тудного распределения имеет значение,
превышающее b > 2 ... 3, т.е. кривая ам­
плитудного распределения круто идет
вниз после значения порога. Быстрого и
Рис. 3.25. Характеристики зависимости
масштабного разрушения при этом, как
суммарной АЭЛ^для разных материалов
при развитии трещины:
правило, не происходит, а имеет место
а - в хрупком материале; б - в вязком
течь перед разрушением, которая в меха­
материале;
в
в
вязко-хрупком
материале
нике разрушения полагается критерием
при наличии двух этапов; г - в вязко-хрупком
некатастрофического отказа. Образую­
материале; р ~ нагрузка; Р? - нагрузка в
щаяся течь легко регистрируется аппара­
момент разрушения; Np- суммарная АЭ в
турой АЭ.
момент разрушения
■
7 — 4567
194
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
пределения эти сигналы имеют значение
порядка 80 дБ.
Поэтому при контроле объекта из
хрупкого материала или с охрупченными
зонами, например со сварными соедине­
ниями, выполненные с нарушением тех­
нологии, или с охрупчиванием, вызван­
ным условиями эксплуатации, то регист­
рация небольшого числа сигналов должна
серьезно насторожить оператора. В этом
случае необходимо использовать ампли­
тудные критерии и браковать контролируемый объект при регистрации небольшого
числа импульсов АЭ большой амплитуды.
Наиболее часто встречается ситуа­
ция, соответствующая зависимости на
рис. 3.25, в. В этом случае применяют все
критерии или их комплекс. Для таких ма­
териалов метод АЭ в полном объеме мо­
жет реализовать свой прогностический
потенциал. Приведенные на рис. 3.25 за­
висимости не исчерпывают всего разно­
образия зависимостей параметров АЭ от
параметра нагружения.
3.6. АЭ-КОНТРОЛЬ НАТУРНЫХ
ОБЪЕКТОВ
Для выработки методик контроля и
установления критериев бракования в
начальный период развития метода АЭконтроля были проведены многочислен­
ные испытания натурных объектов с до­
ведением их до разрушения. Такой подход
позволил составить АЭ-портрет контро­
лируемого объекта на всем протяжении
его жизни и выработать критерии оценки
его состояния на всех этапах развития
разрушения.
Разработка системы классификации
источников АЭ и локально-динамического критерия, использованного в Прави­
лах АЭ-контроля, потребовала проведе­
ния разрушающих испытаний более 50
натурных объектов и более 1000 лабора­
торных образцов и моделей. Ряд фотогра­
фий испытанных объектов и их деталей
приведен на рис. П1.5 ... П1.10. При раз­
работке и опробовании технологии
MONPAC было испытано более 2000 со­
судов [133] (без доведения их до разру­
шения). Фирмой Тидрилл" (США) испы­
тано более 1250 объектов, результаты ко­
торых использованы при создании стан­
дарта.
В объектах с дефектами, как прави­
ло, регистрация АЭ начинается раньше,
чем в качественных объектах (см. п. 2.2),
кроме того, скорость увеличения суммар­
ного счета в дефектном сосуде больше,
чем в бездефектном (при меньших на­
грузках).
АЭ начинает регистрироваться в объ­
ектах с крупными дефектами задолго до
наступления предельного состояния. При
нагрузках, соответствующих 85 ... 95 %
разрушающей нагрузки, предсказание
остающегося времени жизни объекта воз­
можно с высокой степенью достоверно­
сти. Это подтверждают многочисленные
эксперименты и опыт производственного
контроля авторов и других специали­
стов АЭ.
Возвращаясь к характерным резуль­
татам, представленным в [121], можно
отметить следующее. В диапазоне 76 ...
93,5 % разрушающей нагрузки были по­
лучены следующие значения параметров
АЭ для мартенситно стареющей стали с
18 % Ni:
Q g
I 1Q & 11*
— пиковая амплитуда превышает
70 дБ в фазе нагружения;
— активность АЭ превышает 3 с в
фазе нагружения;
—средняя скорость счета превышает
100 с 1 в фазе нагружения;
— максимальное число выбросов в
событии превышает 1000;
—в течение первой минуты выдерж­
ки регистрируется более трех импульсов
амплитудой, превышающей 60 дБ;
— длительность события превышает
5 мс в процессе выдержки;
— максимальное значение числа вы­
бросов в событии в процессе выдержки
превышает 1000;
— активность АЭ превышает 3 с в
процессе выдержки;
— средняя величина скорости счета
превышает 100 с"1 в процессе выдержки;
АЭ-КОНТРОЛЬ НАТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ
- в течение первой минуты регист­
рируется более трех импульсов длитель­
ностью, превышающей 5 мс в процессе
выдержки;
- среднее значение активности пре­
вышает 1 с" в фазе нагружения;
- средняя величина активности пре­
вышает 1 с-1 в процессе выдержки.
Подход, основанный на нагружении
объекта до разрушение в целях получения
АЭ-портрета данного объекта на протя­
жении всей его жизни, реализован при
испытании ряда натурных объектов. В
качестве примера приведем результаты
испытаний отрезка трубопровода Ду850 АЭС блока "Реактор большой мощно­
сти канальный'* (РБМК) [68]. Трубопро­
вод изготовлен на Ижорском заводе (Ле­
нинградская обл.) из стали 22К (ов =
= 440 ... 530 МПа) с наплавкой из стали
10Х18Н10Т на внутренней поверхности.
Диаметр трубопровода 848 мм, толщина
стенки 42 мм, толщина наплавки 5 мм.
Было испытано четыре отрезка трубопро­
вода (индексы РБМК1 ... РБМК4), каж­
дый длиной около 2 м (Приложение 1,
рис. П1.6).
После термообработки часть трубо­
провода длиной 1600 мм была проконтро­
лирована с использованием радиографии,
УЗК и затем цветной дефектоскопии
(ЦД), затем к торцам были приварены
крышки для гидроиспытаний. Данные
трубопроводы изготавливаются из полуобечаек и имеют два продольных сварных
соединения. В процессе испытаний с по­
мощью тензометрических измерений кон­
тролировалось НДС трубопроводов. Аку­
стическая эмиссия регистрировалась сис­
темой модели 1032 (фирма "Данеган/Эндевко,г).
П арам етры ап п ар ату р ы :
Число используемых каналов........... 8
Усиление каждого канала, д Б .......... 90
Уровень дискриминации, В ............... 0,6
Полоса пропускания, М Г ц ........... 0,3 ... 1
Максимальная скорость
регистрации, с"1.................................... 102
Расстояние между ПАЭ, мм ................750
1*
195
Для определения координат источ­
ников АЭ на трубопроводах устанавли­
вались две группы преобразователей по
схеме равностороннего треугольника с
центральным преобразователем. Каждая
группа из четырех преобразователей кон­
тролирует половину трубопровода. Ме­
стоположение на трубопроводе каждого
зарегистрированного источника сигнала
отмечается точкой на схеме. Наложение
сигналов от разных источников приводит
к регистрации ложных локационных се­
рий. На схеме эти аппаратурные ошибки
определения местоположения источника
сигнала представлены точками за преде­
лами трубопровода. Возможность опреде­
ления координат источников АЭ позволя­
ет анализировать данные АЭ как по всему
трубопроводу, так и по отдельным эле­
ментам и зонам.
На рис. 3.26 представлена суммарная
АЭ, зарегистрированная за весь период
нагружения трубопровода без дефектов.
Данная зависимость построена с исполь­
зованием всех зарегистрированных сигна­
лов, независимо от местоположения ис­
точника АЭ на трубопроводе и представ­
лена в форме, которая демонстрируется на
экране АЭ-системы. Анализ суммарной
АЭ дает интегральную характеристику
состояния трубопровода в процессе на­
гружения. Появление сигналов АЭ в дан­
ном случае свидетельствовало о начале
локальных пластических деформаций в
конструкции. При достижении нагрузки
Р = 20 МПа регистрируется интенсивная
АЭ, указывающая на пластическое тече­
ние материала трубопровода. Это видно
при сопоставлении диаграммы деформи­
рования трубопровода (см. рис. 3.26, а ) и
суммарной АЭ (см. рис. 3.26, б).
При ступенчатом (со сбросом давле­
ния) нагружении сосуда видно, что АЭ
при повторных нагружениях начинает
регистрироваться по достижении макси­
мальных нагрузок предыдущего нагруже­
ния (эффект Кайзера). "Следовательно,
можно сделать вывод, что при нагруже­
нии механические шумы не влияют на
196
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
ЛИ0
О
5
10
20
30
р, МПа
Д е ф о р м а ц и я ,%
А)
б)
Рис. 3.26. Диаграмма деформирования (я) отрезка трубопровода Ду-850 и суммарная
АЭ для всего объекта (б) при возрастании внутреннего давления
результаты контроля, т.е. вся зарегистри­
рованная АЭ связана с процессами де­
формирования материала. Такая проверка
важным
при проведении контроля методом АЭ со­
судов высокого давления и трубопроводов.
Рассматриваемые результаты полу­
чены при испытании трубопровода, пред­
назначенного для эксплуатации при внут­
реннем давлении рабочей среды до
10 МПа. Измерение АЭ и диаграммы де­
формирования в различных зонах конст­
рукции показывают, что при рабочей на­
грузке в трубопроводе нет концентрато­
ров напряжений, приводящих к локаль­
ным пластическим деформациям, т.е. нет
опасных дефектов, которые могли бы интенсивно развиваться в процессе эксплуа­
тации трубопровода.
1альнейшее повышение нагрузки
приводит к появлению в трубопроводе
локальных пластических деформаций,
общей деформации и в конце концов к
разрушению. Сигналы интенсивной АЭ
регистрируются при нагрузках, прибли­
жающихся к 20 МПа и выше, что состав­
ляет двукратное превышение испытатель­
ных напряжений над рабочими. После ин­
тегральной оценки трубопровода необхо-
димо переходить к оценке его элементов.
На основании результатов, описан­
ных АЭ-испытаний можно сделать сле­
дующие выводы.
• Объект, не содержащий макро­
скопических дефектов, не проявляет АЭактивности вплоть до наступления интен­
сивной пластической деформации, соот­
ветствующей предельной нагрузке (в дан­
ном случае 20 МПа).
• Сварные соединения обладают
(по сравнению с основным металлом)
большей неоднородностью, причем неод­
нородные участки более когерентны.
Вследствие этого, несмотря на большую
степень пластической деформации основного металла по сравнению со сварными
швами (рис. П1.6, б), большую АЭ-активность показывают сварные соединения.
• Активность источников АЭ изменяется в процессе нагружения до разрушения таким образом, что может поменяться показание наиболее опасного ис­
точника, при этом также изменяется класс
источников и перераспределяется показа­
ние степени их опасности.
•
Непосредственно перед разруше
нием значения параметров источника АЭ,
соответствующего дефекту, приводящему
А Ж О Н ТРО Л Ь НАТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ
1*7
к разрушению, превалируют над значе­
ниями параметров всех других источни­
ков АЭ.
•
Приведенный пример иллюстри­
рует понятия полного сигнала АЭ и АЭобраза объекта. В данном случае из АЭобраза объекта выпали черты, связанные с
пластической деформацией основного ме­
талла.
объясни
аппаратуры, а именно мертвым временем,
требующимся на обработку одного им­
Рис. 3.27. Зависимость длины усталостной
пульса АЭ, в течение которого другие сиг­
трещины от числа циклов при случайном
налы не принимаются. Это привело к тому,
нагружении
что регистрировались только наиболее
мощные импульсы от источников пластириала и условий его нагружения.
М ногочислен н ыми
испытаниями
ческой деформации в сварных соединени­
ях. Сигналы от пластической деформации
подтверждено, что параметры АЭ в большеи степени зависят от относительной
основного металла могли также оказаться
близости испытуемого объекта к разруше­
ниже порогового уровня.
нию, чем от каких-либо других факторов.
Таким образом, перед оператором,
проводящим контроль, всегда стоит зада­
Это хорошо видно на эксперимен­
ча по искаженному АЭ-образу объекта
тальных зависимостях ряда параметров
составить представление о НДС этого
АЭ (средней, максимальной скоростей
объекта. Важным положением является
счета; средней, максимальной активно­
то, что отсутствие АЭ-сигнала (но не про­
стей АЭ; амплитуды, длительности собы­
пуск сигнала) несет информацию о со­
тий АЭ) от нагрузки, выраженной в про­
стоянии объекта и поэтому является эле­
центах относительно нагрузки, при кото­
ментом его образа.
рой происходит разрушение объекта.
Те же результаты дают и теоретиче­
3.6.1. Характерные особенности
ские оценки. На рис. 3.27 приведены ре­
зависимостей параметров при
зультаты расчета длин усталостных тре­
АЭ-исп ытаниях
щин от числа циклов нагружения [14]. По
оси абсцисс отложено статистическое
Зависимости параметров АЭ от па­
среднее числа циклов случайного нагру­
раметра нагружения показывают, что
жения, а по оси ординат - длина трещины.
наиболее стабильным показателем явля­
Моделировался
рост
усталостной
трещи­
ется форма зависимости, а не абсолютные
ны
при
воздействии
случайной
цикличе­
значения параметров. Разброс абсолют­
ской
нагрузки
в
виде
стационарного
узко­
ных значений параметров АЭ может дос­
полосного нормального процесса с рав­
тигать значительных величин. Например,
ным нулю математическим ожиданием
зависимости скорости счета при лабора­
значения нагрузки. При расчете использо­
торном испытании гладких образцов в
валось уравнение Пэриса-Эрдогана:
стабильных условиях имеют весьма рез­
кие колебания и побочные максимумы
т
d l! d n - с(ЛК)
[25]. Там же отмечается, что уровень ско­
(3.30)
рости счета в районе предела текучести
может изменяться в широких пределах в
где / - длина Трещины; АК - размах коэфзависимости от типа исследуемого матефициента интенсивности напряжений.
198
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
данных - 39 мм. Отношение максималь­
ного размера трещины к минимальному
было равно 5,7, т.е. дисперсия по длине
трещины превышала дисперсию по числу
циклов нагружения до наступления пре­
дельного состояния.
Даже в относительно однородных
условиях лабораторных испытаний образ­
цов разброс значений параметров АЭ
весьма велик (И.В. Гулевский // Дефекто­
скопия. 1979. № 8). В результате испыта­
ний девяти образцов на растяжение из
сплава Д16, содержащих предварительно
Рис. 3.28. Зависимости числа импульсов АЭ
выращенные усталостные трещины оди­
от нагрузки при испытании образцов на
наковой длины, получены следующие
растяжение с усталостными трещинами
данные.
Регистрация
АЭ
началась
при
(заштрихованная область является областью
нагрузке -9,25 кН, соответствующей на­
разброса данных для испытанных девяти
грузке, при которой проводилось выра­
образцов)
щивание усталостной трещины.
Начальные длины трещин в момент
Разброс значений суммы импульсов
времени Дйя всех случаев были выбраны
для разных образцов на начальном участ­
равными 0,5 мм. В результате нагружения
ке (до 10 кН) относительно невелик. По
трещины вырастали до критического зна­
мере роста нагрузки разброс суммы им­
чения, непосредственно предшествующе­
пульсов увеличивается и при нагрузках,
го разрушению. Величины критических
превышающих 20 кН, достигает двукрат­
значений приведены возле соответствую­
ного значения и более. Причиной разбро­
щих кривых.
са является в основном стохастичность
Достаточно хорошо видно, что при
структуры материала. Больший разброс
приближении ситуации к катастрофиче­
связан с более неоднородными условиями
скому исходу резко меняется зависимость
испытаний, что видно, например, из
длины трещины от числа циклов нагру­
рис. 3.28.
жения. Эта ситуация в деталях отобража­
Отмечая переход к заключительному
ется на зависимостях большинства пара­
этапу развития процесса разрушения по
метров АЭ от параметра нагружения.
изменению темпов роста трещины (что
В приведенном примере в среднем
соответствует наступлению стадии реги­
страции источника АЭ IV класса при ис­
по всем объектам число циклов до разру­
пользовании
локально-динамического
шения достигло 900.. Максимально бы­
критерия), получаем существенно мень­
строе разрушение произошло в районе
шие разбросы данных. Наступление за­
400 цикла, максимально позднее разру­
ключительного этапа происходит за 50 ...
шение в районе 1400 цикла, т.е. разброс
150 циклов нагружения, что составляет в
по циклам составил 1000 циклов при
среднем 10... 15 % жизни объекта.
среднем значении ~900 циклов. Отноше­
Таким
образом,
регистрируя
(с
ис­
ние максимального числа циклов к мини­
пользованием
АЭ-сигнала)
переход
в
за­
мальному, равное 3,5, говорит о весьма
ключительную
стадию
развития
дефекта,
большой энтропии ситуации по циклам.
можно
существенно
увеличить
объем
из­
Максимальный размер катастрофи­
влекаемой информации, нежели проводя
ческой трещины составлял, по оценкам
измерения абсолютных размеров дефекта
[14], 102,7 мм, минимальный размер или число импульсов АЭ. Регистрация
18,0 мм, средний размер из приведенных
199
НАГРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТА АЭ-КОНТРОЛЯ
отмеченного перегиба повышает надежность и достоверность выполняемого кон­
троля технического состояния объекта.
3.7. НАГРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТА
АЭ-КОНТРОЛЯ
Важным аспектом при выполнении
контроля производственных объектов яв­
ляется нагружение объекта внутренним
давлением, которое проводят после вы­
полнения подготовительных и настроеч­
ных работ. АЭ-контроль выполняют в
процессе нагружения объекта до заранее
выбранной величины и в процессе вы­
держки нагрузки на заданных уровнях.
При нагружении объекта контроля
внутренним давлением максимальное его
значение р исп (испытательное давление)
должно превышать разрешенное рабочее
давление /?раб (эксплуатационную нагрузку
согласно технологическому регламенту)
не менее чем на 5 ... 10 %, но не превы­
шать пробного
rm
МЬ
Р п р аР Г 1 >
И /
где р —расчетное давление сосуда, МПа
(кгс/см2); [а]20, [сг], - допускаемые напряжения для материала сосуда или его эле­
ментов соответственно при 20 °С и расчет= 1,25 ной температуре, МПа (кгс/см ); а —
для всех сосудов, кроме литых; а = 1,5 - для
литых сосудов (см. п. 4.6.3-4.6.5).
Если максимальное давление испы­
тания равно величине пробного давления,
длительность выдержки (табл. 3.13) для
объектов, находящихся в эксплуатации,
не должна превышать 5 мин, а при испы­
тании вновь изготовленных объектов
выбирается в соответствии с табл. 3.13.
Если максимальное давление испы­
тания меньше пробного давления, дли­
тельность выдержки при испытании но­
вых объектов должна быть не менее
10 мин. При АЭ-контроле резервуаров для
хранения нефти, нефтепродуктов и других
жидких сред максимальная величина на­
грузки составляет /?исп = 1,05/?раб.
При АЭ-контроле объектов, испы­
туемых под налив, время выдержки при
максимальном допустимом уровне запол­
нения должно быть не менее 2 ч. При на­
значении максимального давления испы­
таний должны учитываться характеристи­
ки материала, условия эксплуатации объ­
екта контроля, температура, а также пре­
дыстория его нагружения. Нагружение
осуществляется с использованием специ­
ального оборудования, обеспечивающего
внутреннего
повышение нагрузки
(внешнего) давления по заданному графику, который определяет скорость нагру­
жения, время выдержек объекта под на­
грузкой и значения нагрузок. В методиках
АЭ-контроля (например, ПБ 03-593-03)
приводятся, как правило, типовые графи­
ки нагружения. Допускается отклонение
от типового графика нагружения с необ­
ходимым обоснованием в отчете.
3.13. Время выдержки нагрузки в зависимости от толщины стенки сосуда
Толщина стенки сосуда, мм
Время выдержки, мин
>50
10
50 > 100
20
< 100
30
Для литых и многослойных независимо от
толщины стенки
60
ч
200
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
Испытания производственного объ­
екта подразделяют на предварительные и
рабочие. Предварительные испытания
имеют целью: проверку работоспособно­
сти всей аппаратуры; уточнение уровня
шумов и корректировку порога дискри­
минации; опрессовку заглушек и сальни­
ковых уплотнений; выявление источников
акустического излучения, связанных с
трением в точках подвески (крепления)
объектов, опор, конструкционных элемен­
тов жесткости и пр.
Предварительные испытания проводят при циклическом нагружении в диапа­
зоне 0 ... 0,25р„аб. Для объектов без плаки­
рующих
нагружения
для прочих —не менее 5. Рекомендуется
нагружение при рабочем испытании про­
водить ступенями, с выдержками давления
уровне
исп
Время выдержки на промежуточных сту­
пенях, как правило, 10 мин.
Нагружение объектов должно прово­
диться плавно, со скоростью, при которой
не возникают помехи, превышающие до­
пустимый уровень. Рекомендуемые ско­
рости повышения давления (МПа/мин)
jp iic ij/6 0
.Р и с п /2 0 .
Допускаются испытания со скоро­
стью нагружения, меньшей минимально­
указанной. В этих случаях промежуточные выдержки можно не проводить. АЭконтроль резервуаров большого объема и
хранилищ выполняют в режиме мониторинга либо по специальной программе.
каждого
го объекта составляется индивидуально. В
качестве нагружающей среды могут быть
использованы вода, масло, рабочая среда
объекта в виде жидкой среды (гидроиспы­
тание) либо газообразной среды (пневмо­
испытание). При гидроиспытаниях на­
гружающую жидкость подают через пат­
рубок, расположенный в нижней части
сосуда, ниже уровня жидкости, запол­
няющей сосуд.
Для снижения уровня шумов и помех
во время контроля должны быть приостал
ль— в. I1 'р
"
w
т
цЯ
.
новлены все посторонние работы на са­
мом объекте и вблизи него (исключено
хождение по площадкам обслуживания,
передвижение автотранспорта и др.).
При контроле объектов большой
протяженности или крупногабаритных
объектов допускается выполнение кон­
троля по этапам с интервалом между ни­
ми не менее 24 ч.
При испытании новых объектов, ко­
торые не проходили термообработки по­
сле сварки, возможна регистрация АЭ,
вызванная выравниванием напряжении и
не связанная с развитием дефектов. Поэтому при первом нагружении, как прави­
ло, принимают во внимание только сигна­
лы, амплитуда которых превышает уро­
вень порога более чем на 20 дБ, и сигна­
лы, регистрируемые в течение выдержки.
Если при первом нагружении были
выявлены источники АЭ II или III класса
(система классификации источников АЭ
дана в гл. 6) или получены неопределен­
ные результаты, сосуд должен быть в обя­
зательном порядке нагружен вторым ра­
бочим циклом нагружения с изменением
нагрузки от 50 до 100 % испытательного
давления..
В процессе нагружения допускается
изменение чувствительности усилитель­
ных трактов с обязательной регистрацией
момента и значений внесенных изменетакже
процессе нагружения рекомендуется непрерывно наблюдать на экране монитора
обзорную картину АЭ-излучения испы­
туемого объекта. Испытания прекраща­
ются досрочно в случаях, когда регистри­
руемый источник АЭ достигает класса IV.
Быстрое (экспоненциальное) нарастание
суммарного счета, амплитуды импульсов,
энергии или MARSE может служить пока­
зателем ускоренного роста трещины, при­
водящего к разрушению. Объект должен
быть разгружен, испытание либо прекра­
щено, либо выяснен источник АЭ и уста­
новлена безопасность продолжения испытании.
ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА
Регистрация давления и температуры
(при ее изменении) ведется в течение все­
го цикла подъема и сброса нагрузки. Дав­
ление необходимо контролировать непре­
рывно с погрешностью ±2 % максималь­
ного испытательного давления. Шкала
аналогового манометра должна иметь
максимальное значение не менее 1,5кратного и не более 5-кратного значения
испытательного давления. Погрешность
цифрового прибора не должна превышать
1 % испытательного давления.
Важным аспектом при испытаниях
производственных объектов является аде­
кватность НДС объекта в процессе испы­
таний состоянию объекта при рабочих
нагрузках. Если соответствия НДС нет, то
повышается вероятность пропуска дефектов, возникающих в процессе эксплуата­
ции.
3.8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТОДА АЭ И ОБЪЕКТЫ
АЭ-КОНТРОЛЯ
Широкие возможности метода АЭ
можно проиллюстрировать перечислени­
ем тех объектов и процессов, контроль
которых проводился и проводится в регулярном порядке или упоминался в печатных работах.
Контроль производственных объектов
• Объекты котлонадзора: паровые и
водогрейные котлы; электрические котлы;
сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа (трубопроводы пара и горячей воды с рабочим давлением пара более
0,07 МПа и температурой свыше 115 °С и
их элементы; барокамеры.
Системы газоснабжения (газораспределения): наружные и подземные газопроводы; детали и узлы, газовое оборудование; внутренние газопроводы^
• Подъемные сооружения: грузо­
подъемные краны; подъемники (вышки);
канатные дороги; фуникулеры; эскалаторы; лифты; краны-трубоукладчики; краны-манипуляторы.
201
• Объекты горнорудной промышлен­
ности: здания и сооружения поверхност­
ных комплексов рудников; шахтные подъ­
емные машины; вентиляторы главного про­
ветривания; главные компрессорные уста­
новки.
• Объекты угольной промышленно­
сти: оборудование шахтных установок;
оборудование шахтных подъемников;
вентиляторы главного проветривания.
• Оборудование нефтяной и газовой
промышленности: вышки буровые и их
основания, агрегаты, инструмент и при­
способления для спуско-подьемных опе­
раций при бурении, капитальном и под­
земном ремонте скважин на суше и кон­
тинентальном шельфе; превентеры; арматура литая; задвижки; контроль протека­
ния задвижек; контроль степени перекры­
тия потока; контроль задвижек: открытазакрыта.
•
Газонефтепродуктопроводы: тру­
бопроводы магистральные; линейные час­
ти трубопроводов; подводные и воздуш­
ные переходы трубопроводов через реки,
каналы, водоемы, дороги автомобильные
и железные; трубопроводы технологиче­
ские; трубопроводы металлические, пластмассовые и из композиционных материалов; обвязка сосудов; трубопроводы на
морских буровых платформах; пароконденсатные трубопроводные линии;
морские буровые платформы; пылеуловители на ГРС; трубные контейнеры для
транспортировки газов; подъемные сооружения на буровых; подъемные сооружения на судостроительных заводах; контроль стальных канатов.
• Оборудование металлургической
промышленности:
металлоконструкции
технических устройств, зданий и сооружении; газопроводы технологических газ о в ; подъемники доменных печей и цапфы
чугуновозов, стальковшеи, металлоразли­
вочных ковшей.
• Оборудование взрывопожароопасных и химичёски опасных производств:
Оборудование химических, нефте­
химических и нефтеперерабатывающих
202
Глава 3. АКУСТИКО-ЭМИСИОННАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ
производств (аппараты; емкостное, колонное, реакторное, теплообменное обо­
рудование), работающее под давлением, и
оборудование химических, нефтехимиче­
ских и свыше 16 МПа, а также под вакуу­
мом; резервуары для хранения взрывопо­
жароопасных и токсичных веществ; изо­
термические
хранилища,
хранилища
сжиженных углеводородных газов под
давлением; криогенное оборудование;
оборудование аммиачных холодильных
установок; печи; компрессорное и насос­
ное оборудование; центрифуги, сепарато­
ры; цистерны, контейнеры (бочки), бал­
лоны для взрывопожароопасных и ток­
сичных веществ; котлы-утилизаторы (па­
ровые, водогрейные); энерготехнологиче­
ские котлы; арматура и предохранитель­
ные устройства; технологические трубо­
проводы, трубопроводы пара и горячей
воды; сферические резервуары для хране­
ния аммония; автоклавы; регенераторы;
хранилища аммиака с плоским дном; го­
ризонтальные резервуары; подземные
хранилища газа; сферические хранилища
бутана; вакуумные сосуды; оборудование
каталитического крекинга; аппараты неф­
техимической промышленности; реак­
торы.
•
Объекты
железнодорожного
транспорта: подвижной состав и контей­
неры, предназначенные для транспорти­
рования опасных веществ; железнодо­
рожные подъездные пути.
• Объекты хранения и переработки
зерна : воздуходувные .машины (турбо­
компрессоры воздушные, турбовоздухо­
дувки); вентиляторы (центробежные, ра­
диальные, ВВД); дробилки молотковые,
вальцовые станки, энтолейторы.
• Авиационно-космическая техника:
авиа- и космические объекты; объекты из
органических композиционных материа­
лов и композиционных материалов с ме­
таллической матрицей.
• Другие объекты : суда, корабли,
включая подводные, и их оборудование;
мосты; здания; фундаменты; строитель­
ные сооружения и конструкции; валки
прокатных станов, станины; контроль ме­
ханизмов; насосов подшипников; обору­
дование АЭС и тепловых электростанций;
корпуса атомных электростанций; первый
контур АЭС; циркониевые сплавы в атом­
ной энергетике; оборудование гидростан­
ций; турбины; дамбы; шлюзовые затворы
плотин; контроль деталей и элементов в
электронной промышленности; много­
слойные керамические конденсаторы;
высоковольтные конденсаторы подвод­
ных ретрансляторов; изоляторы; инте­
гральные схемы и микроэлектронные
компоненты (пайка и болтающиеся части­
цы); пробой диэлектриков; электрический
разряд.
• Характер использования АЭметода при контроле производственных
объектов: испытание объектов перед пус­
ком в эксплуатацию; контроль в процессе
эксплуатации; периодический контроль;
мониторинг; непрерывное наблюдение;
обследование и контроль для принятия
решения о продлении ресурса.
• Диагностика разрушения костей
человеческого скелета. Эксперименталь­
ная и клиническая педиатрическая орто­
педия.
К онтроль различны х технологиче­
ских процессов на предприятии: про­
цессы сварки: точечная сварка, дуговая
сварка, электронно-лучевая сварка, лазер­
ная сварка, сварка трением и сварных со­
единений; фазовые превращения; расплавление-затвердевание; испарение-кон­
денсация; термообработка; механическая
обработка; механическая обработка реза­
нием; сверление (контроль изнашивания
сверл); шлифовка; фрезерование; токар­
ные работы; литье; штамповка; контроль
процесса изготовления термореактивных
композиционных материалов.
К онтроль
природны х
объектов:
предупреждение горных ударов; контроль
состояния массива горных пород по аку­
стической активности горных пород; кон­
троль ледников; сверхпроводящие маг­
ниты.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА АЭ И ОБЪЕКТЫ АЭ-КОНТРОЛЯ
Использование АЭ-метода при от­
работке технологии и материалов: в
области сварки: отработка технологии
сварки (свариваемость материалов); атте­
стация технологий сварочных процессов;
исследование на задержанное разрушение
сварных соединений; оценка квалифика­
ции сварщиков; тестирование флюсов.
• Исследование коррозии, включая
коррозию под напряжением: АЭ при кор­
розии; растрескивание при коррозии; во­
дородное охрупчивание.
• Исследование трения и износа.
• Исследование процессов резания.
• Исследования деформации, прочно­
сти и разрушения материалов: пластиче­
ской деформации материалов и объектов;
мартенситных превращений.
• Измерение механических свойств
материалов и параметров, включая пре­
делы прочности, текучести, параметров
усталости и др.; применение при исследо­
вании статической прочности, К-тарировка, определении J-интеграла.
203
• Исследование зарождения и роста
трещин (статических, динамических, ус­
талостных):
малоцикловая усталость;
многоцикловая усталость; определение
различных механизмов разрушения; раз­
работка норм допустимых дефектов.
• Исследование напряжений: с ис­
пользованием явления магнитноакусти­
ческой эмиссии (МАЭ); поверхностных
напряжений методом стимулированной
релаксации напряжений.
• Огнеупорные материалы; термоудары.
• Определение момента изменения
состояния и структуры контролируемого
объекта: возникновения турбулентности;
кавитации; кипения жидкой среды; иссле­
дование и регистрация фазовых превра­
щений; регистрация возгорания и т.д.
• Определение возможности даль­
нейшей эксплуатации зданий и сооруже­
ний, претерпевших сверхнормативное
воздействие в результате землетрясений,
взрывов и других явлений с катастрофи­
ческими последствиями.
Глава 4
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ) является важнейшим элеменаппаратуры
новное назначение ПАЭ заключается в
приеме акустического сигнала АЭпроцесса и преобразовании его в электрический, параметры которого используются для оценки технического состояния.
Технические характеристики и параметры
ПАЭ фундаментальным образом влияют
на параметры электрических сигналов
АЭ. При контроле промышленных объек­
тов ПАЭ трансформируют параметры
сигнала и тем самым существенно влияют
на достоверность АЭ-контроля и интер­
претацию его результатов. Требования к
ПАЭ устанавливают в зависимости от
целей контроля и условий его проведения.
При решении вопросов практического
использования метода АЭ для контроля
производственных объектов значитель­
ную роль играет правильное применение
преобразователей АЭ.
4.1. ДИНАМ ИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АЭ
Преобразователи АЭ играют принципиальную роль не только как техническое средство, обеспечивающее преобразование акустических колебаний в электрические, но и как элемент электроакустического тракта, который существенным образом влияет на количество и качество передаваемой полезной информа­
ции. При анализе ПАЭ должно прини­
маться во внимание представление Шен­
нона об информационной пропускной
способности канала:
\
Р.
(4.1)
AF
Рп У
полоса пропускания канала;
где AF
р /рп_ отношение мощностей сигнал/шум.
Интуитивная ориентация на положение Шеннона предопределила классифиПАЭ
вые и узкополосные [42]. При этом предполагалось, что широкополосные ПАЭ
передают максимум информации, но обладают более низкой чувствительностью,
чем узкополосные. ! олосовые же ПАЭ
имеют достоинства обоих типов преобра30вателей, что привело к выработке рекопреимущественному
Следует
создания ука
занных ПАЭ и неразработанность теореширокому
использованию полосовых ПАЭ для кон­
троля производственных объектов. ПАЭ,
обеспечивая прием и первичную обработ­
ку АЭ-сигнала, должен обладать опреде­
ленными свойствами, отображенными в
параметрах и технических характерис­
тиках.
Работу любого динамического уст­
ройства, каким является и преобразова­
тель АЭ, можно охарактеризовать в пол­
ной мере пятью способами, достаточными
для большинства случаев их практического использования, а именно: дифференциальным уравнением; переходной характеристикой; импульсной характеристикой
(ИХ); передаточной функцией; совокупностью амплитудою- и фазово-частотных
характеристик (АЧХ, ФЧХ).
В практике применения метода АЭ
наибольшее распространение получили
пьезоэлектрические преобразователи. В
них активным преобразователем, трансформирующим акустический сигнал в
электрический, является пьезоэлемент.
Наиболее полное описание работы пьезо­
преобразователя дают дифференциальные
уравнения, описывающие работу преобразователя в виде пьезопластины, совер-
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АЭ
шающей колебания по толщине и содеруравнения
пиЭЛ Ш ! I Ь ) - п 2г м
для
+ Z,
+ Z,
,
205
1 I I 1
(4.3)
уравнения
[411:
г
,I l b
Е3 -
Z RC
^33^3’
h33Si + P3V >3>
(4.2)
Р
dt
дх
где Тх
механическое напряжение по
толщине пьезопластины (в направлении
нормальном к плоским поверхностям);
Ш
модуль упругости при постоянной
индукции; S3 - деформация по толщине;
йзз - пьезоэлектрическая константа, свя­
зывающая изменение электрической ин­
дукции с изменением механического на­
пряжения; /?з - электрическая индукция;
£з - напряженность электрического поля;
р» -
диэлектрическая постоянная; р плотность среды; £ - смещение точек среды; с — модуль упругости. Первые два
уравнения
это уравнения электромеха­
нического состояния пьезосреды, третье
уравнение является волновым.
Система уравнений (4.2) определяет
процесс распространения УЗ-волн в тонкой (толщина много меньше диаметра)
пьезоэлектрическои
совер­
пластине,
шающей толщинные колебания. Решение
волнового уравнения [нижняя строка в
системе уравнений (4.2)] в пьезоэлектри­
ческой среде, свойства которой задаются
двумя верхними уравнениями системы
(4.2), с учетом граничных условий позво­
ляет получить выражения для всех техни­
ческих характеристик и параметров ПАЭ.
Решения указанных уравнений с ис­
пользованием скоростей смещения поверхностей пьезопластины | = dtjdt име­
I
ют вид [41]:
пи
1 Л
Zs(4. +42)s, +s2)+
+z,4,+z, 4„
где п = Й33С0, Со - электрическая емкость
пьезопластины; мэл - электрическое на­
пряжение на обкладках пьезопластины
(на выходе преобразователя); I - ток через
pcov
пьезопластину; Zs
A, v
CKOj sin kl
рость звука в пьезопластине, к —волновое
число, / - толщина пьезопластины, А площадь пьезопластины; ZRc = 1/(/юС<>).
Уравнениям (4.3) соответствует эк­
вивалентная схема пьезопластины, приве­
денная на рис. 4.1 (где Z, —jp\Atg(kll2)).
Из системы (4.3) путем несложных преобразовании можно получить выражения:
коэффициента преобразования по смещеншо s%, (акустическое смещение £ на ра­
бочей поверхности преобразователя
электрическое напряжение и на выходе
преобразователя), коэффициента преобразования по колебательной скорости s
электрическое напряжение и), акустические входные импедансы, электрическии импеданс
пьезопластины и все другие необходимые
параметры.
Приведем только два выражения:
электрический импеданс пьезоэлектрического преобразователя
Z=
/
RC
1-
п Z RC
ЫШ Ш Шш
(z,+z,)+(z2+z,)
(4.4)
коэффициент преобразования по
смещению пьезоэлектрического преобра­
зователя
'\
Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Рис. 4.1. Эквивалентная электрическая схема