Физико-механические и статистические аспекты акустико-эмиссионной диагностики предразрушающего состояния

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.............................................................6
Глава 1
Акустическая эмиссия и ес связь с процессами деформации и деструкции твердых тел........................................21
1.1. Механизм элементарного
акта акустической эмиссии....................................21
1.2. Дислокационные источники и
механизмы акустической эмиссии.............................. 23
1.3. Акустическое излучение в процессе зарождения
и роста трещин.............................................. 32
1.4. Физико-механическая природа акта акустической эмиссии при переходе скопления дислокаций через границу.
Связь амплитуды излучения со скоростью деформации ...........39
1.5. Связь выборочных функций распределения прочности и долговечности с количеством актов акустической эмиссии..........43
1.6. Связь параметров акустического излучения растущей трещины с коэффициентом интенсивности напряжений и типом напряженно-деформированного состояния.......................... 47
Глава 2
Вопросы информативности и достоверности оценки регистрируемых параметров.....................................54
2.1. Информативные параметры акустической эмиссии и их связь со случайным характером процессов
структурных изменений в твердых телах........................54
2.2. Концепция определения информативных признаков акустической эмиссии............................................60
2.3. Вероятностно-информационные аспекты оценки достоверности результатов физического эксперимента, неразрушающего контроля и диагностики .........................................69
2
Глава 3
Количественное восстановление потока структурных изменений по регистрируемым сигналам
сопутствующей эмиссии..............................................79
3.1. Пуассоновский поток как модель описания последовательности актов структурных изменений в процессах кристаллизации, деформации и разрушения тел........................................79
3.2. Оценка средней длительности регистрируемых импульсов акустической эмиссии...............................................83
3.3. Методы восстановления потока актов излучения внутри тела по регистрируемым сигналам эмиссии
на его поверхности.............................................87
3.4. Экспериментальное моделирование пуассоновского потока.
Оценка искажения и точности восстановления
потока актов эмиссии...........................................96
3.5. Сравнение достоверности существующих методов измерения
и метода восстановления потока актов эмиссии..................102
3.6. Метод и результаты восстановления количества потерянных актов структурных преобразований с амплитудами сопутствующей эмиссии ниже порога дискриминации при изменении динамического диапазона регистрируемых сигналов...................105
Глава 4
Использование статистических моделей для повышения достоверности оценок спектральных, энергетических и амплитудных параметров акустического излучения при изменении структуры тела......................................113
4.1. Применение модели пуассоновского потока для восстановления спектральной плотности эмиссии.
Оценка длительности и энергии акта излучения..................113
4.2. Диагностика стадий деформации по энергетическим и временным параметрам акта эмиссии. Достоверность оценки спектральной плотности, мощности и энергии акта АЭ................117
4.3. Общий вид и параметры амплитудного распределения эмиссии
в процессе деформации твердых тел.............................120
3
4.4. Плотность амплитудного распределения акустического излучения при разрушении микрообъема твердого тела 125
4.5. Использование степенной модели пуассоновского потока для учета искажения амплитудного распределения эмиссии.
Причины и условия появления ложных амплитудных максимумов..................................................131
4.6. Достоверность оценки вида амплитудного распределения эмиссии и аппаратурная реализация метода ее повышения..........136
4.7. Применение степенного вида амплитудного распределения эмиссии для «прореживания» потока триангуляционных серий импульсов при высокой интенсивности источника..................142
4.8. Диагностика предразрушающего состояния по анализу формы амплитудного распределения сигналов эмиссии....................146
Глава 5
Идентификация стадий деформации и разрушения по параметрам восстановленного потока актов акустической эмиссии. Экспериментальная оценка критерия
разрушения по данным эмиссии....................................150
5.1. Стадийность процессов деформации и разрушения твердых тел ..150
5.2. Идентификация стадий деформации и разрушения по положению особых точек
восстановленного потока актов эмиссии.......................154
5.3. Диагностика стадий разрушения по положению переломов кривой потока актов сопутствующей эмиссии......................160
5.4. Задача оценки концентрации повреждений по положению нижнего перелома кривой потока актов эмиссии
(случай одной особой точки).................................164
5.5. Задача оценки концентрации повреждений по положению нижнего и верхнего переломов кривой потока актов эмиссии (случай двух особых точек). Диагностика предразрушающего состояния в рамках концентрационного критерия..................167
5.6. Диагностика предразрушающего состояния по амплитудным
и временным инвариантам потока актов акустической эмиссии... 171
4
5.7. Информативность «прореженных потоков» актов эмиссии 182
Глава 6
Реализация разработанных моделей, алгоритмов п методов АЭ диагностики предразрушающего состояния
при механическом и тепловом воздействии..........................186
6.1. Акустико-эмиссионная диагностика состояния Царь-колокола 186
6.2. Акустико-эмиссионная диагностика теплозащиты
первого отечественного космического самолета «Буран».........191
6.3. Применение метода акустической эмиссии к исследованию воздействия среды водорода на свойства материалов ...............196
6.4. Аппаратурная реализация полученных результатов..............201
6.5. Диагностика долговечности титановых лопаток авиационных двигателей по потоку актов акустической эмиссии..................207
6.6. Акустико-эмиссионный контроль и диагностика
опасных динамических явлений в угольном пласте...............215
6.7. Возбуждение акустической эмиссии лазерным излучением для исследования структурных изменений
в композитах и полимерах.....................................220
6.8. Совмещенная термогравиметрическая и акустико-эмиссионная диагностика стадий термодеструкции веществ и материалов 229
Заключение..........................................................236
Литература..........................................................240
Приложение
1. Акт об использовании результатов диссертационной работы
в «ООО Центр ОКТАЭДР».........................................273
2. Акт о реализации результатов диссертации
в ИМАШ, им. A.A. Благонравова РАН.............................274
3. Акт о реализации результатов диссертации
в ОАО «Мотор-Сич» и ЗНТУ......................................275
4. Акт о реализации результатов диссертации
в Ростовском военном институте Ракетных войск.................276
5. Протокол о передаче результатов в ИЭС им. Е.О Патона
для использования при разработке средств АЭ диагностики.......278
5
ВВЕДЕНИЕ
В предлагаемой диссертационной работе сделана попытка междисциплинарного подхода к решению проблемы повышения достоверности результатов мониторинга структурных и прочностных свойств материалов по параметрам акустического излучения, генерируемого непосредственно в ходе изменения или повреждения структуры тела при различных внешних воздействиях.
Актуальность проблемы. В последние годы в физике конденсированного состояния, физике прочности и механике разрушения для определения структурных изменений в материалах начинают находить применение методы акустико-эмиссионного (ЛЭ) анализа, контроля и диагностики. Суть метода АЭ состоит в анализе параметров чрезвычайно слабого ультразвукового излучения, сопровождающего любое изменение, либо повреждение структуры металлов, их сплавов, композиционных материалов.
Несовершенства структуры тел, в особенности дислокации - объект физики конденсированного состояния, имеющий не только чисто теоретическое, но и исключительно важное практическое значение, поскольку механическая прочность реальных материалов зависит главным образом именно от наличия и поведения дислокаций и их скоплений.
Метод АЭ в принципе позволяет проводить обнаружение (а во многих случаях и идентификацию) широкого класса структурных преобразований в твердых телах, например, фазовых переходов, зарождения микродефектов, срывов скоплений дислокаций с точек закрепления и других наноструктурных изменений по сигналам ЛЭ, т.к. фиксирует единичные акты с энергией до 10'16 Дж.
6
Рис. 1. Форма и спектр сигналов ЛЭ фазового перехода в материале композитного иозистора инициированного воздействием излучения лазера на парах ртути
Установлено, что каждый акт изменения структуры тела сопровождается коротким упругий импульсом, процесс излучения которого представляет собой гак называемый акт акустической эмиссии (акт АЭ). В качестве примера на рис. 1 приведены сигналы АЭ фазового перехода, зарегистрированные нами в процессе лазерного облучения композитного позистора.
Острая необходимость в разработке новых методов мониторинга структурных и прочностных свойств материалов вызывается тем, что в настоящее время все более актуальными становятся задачи оценки и прогнозирования остаточного ресурса изделий и объектов ответственного назначения в машиностроении, судостроении, трубопроводном транспорте, авиационной и ракетно-космической технике.
В силу ряда причин, значительная часть таких объектов эксплуатируется уже вблизи, или даже за пределами гарантийных сроков, что обуславливает повышенные требования к оценке их надежности и степени опасности. Метод АЭ обладает уникальными возможностями в решении этих задач, т.к. позволяет выявлять именно растущие (т.е. наиболее опасные) дефекты.
Метод АЭ дает возможность исследовать кинетику процессов на самых ранних стадиях микродеформации, дислокационного зарождения и накопления микронесплошностей. Это в принципе позволяет диагностировать и прогнозировать по сопутствующей АЭ сам момент зарождения трещины.
Кроме того, современной наукой установлено, что для каждой уже зародившейся трещины существует некоторый критический, зависящий от свойств материала размер. До этого размера трещина подрастает очень медленно (до десятков лет) посредством огромного количества небольших дискретных скачков. И каждый такой скачок сопровождается коротким упругим импульсом, процесс излучения которого тоже представляет собой акт АЭ.
Принимая с помощью особой высокочувствительной аппаратуры и измеряя (в самом простейшем случае) интенсивность Агд = ДЛ^/Дг (количество в единицу времени), а так же общее количество актов АЭ Ма, удается по данным АЭ экспериментально оценить скорость роста, длину трещины и про-
7
гнозировать близость разрушения. Дело в том, что после достижения трещиной критического размера происходит катастрофическое разрушение, т.к. ее дальнейший рост идет уже с гигантской скоростью, близкой к половине скорости звука в материале конструкции.
К сожалению, физико-механическая природа самого явления АЭ изучена явно недостаточно, и в существующих моделях эффекта этого излучения еще не нашел должного отражения случайных характер процессов структурных преобразований в твердых телах.
Кроме того, практическое применение метода АЭ тормозится всегда присутствующим искажением и перекрытием реальных сигналов АЭ при их
многомодовом распростране- 0 1,6 3,2 *' 10 с
, Рис. 2. Типичная картина тонкой структуры
нии в твердом теле (рис. 2), что , ч а г»
г (осцилляции) сигналов ЛЭ, регистрируемых
сильно затрудняет (а во многих датчиком АЭ на поверхности исследуемого тела
случаях делает невозможным) решение обратной задачи, то есть количественное восстановление параметров процессов структурных изменений в материалах по регистрируемым сигналам АЭ. Это существенно снижает достоверность результатов и тормозит использование акустической эмиссии в качестве метода исследования, контроля и диагностики.
Проблема повышения достоверности результатов метода АЭ достаточно многофакторная, имеет междисциплинарный характер и требует для своего решения привлечения достижений из самых различных разделов физики, механики, математики.
Существенную помощь в решении конкретных задач повышения достоверности метода акустической эмиссии оказывают результаты исследований по физико-механическим и статистическим аспектам прочности кристаллических и аморфных тел, изменению их физических свойств при различных внешних воздействиях, по моделированию акустического излучения дисло-
8
каций и микротрещин, по распространению упругих волн, по количественной оценке информативности и достоверности получаемых результатов, а также по применению метода ЛЭ в физических исследованиях, задачах неразрушающего контроля и диагностики.
Большой вклад в развитие исследований но затрагиваемым вопросам внесли такие ученые и организаторы науки как Н.П.Алешин, В.А.Бабешко, В.М. Баранов, А.В.Белоконь, В.В.Болотин, Г.А.Бигус, К.Б.Вакар, А.О.Ватульян, И.И.Ворович, В.А.Грешников, Ю.М.Гуфан, Ю.Б.Дробот, В.П.Дудкевич, С.Н. Журков, Л.К.Зарембо, В.С.Иванова, В.И.Иванов, В.В.Калинчук, В.В .Клюев,
Э.В.Козлов, И.А.Конева, В.С.Куксенко, А.М.Лексовский, А.А.Ляпин, H.A. Махутов, Н.Ф.Морозов, Г.Б.Муравин, В.В.Муравьев, В.Д.Нацик, А.Я. Недо-сека, П.В.Новицкий, В.Е.Панин, Б.В.Патон, В.А.Плотников, В.В.Поляков, Л.М.Рыбакова, Г.А.Сарычев, А.Н.Серьезнов, Л.Н.Степанова, А.С.Трипалин, А.Ф.Улитко, В.М.Финкель, И. Ахенбах, С. Вахавиолос, X. Данеган, А. Грин, П. Гиллис, Д. Джеймс, С. Карпентер, Р. Коллакот, М. Миховски, Д. Нотт, А. Тетельман, Я. Немец, А. Поллок, X. Хатано, К. Шеннон и другие.
Цель работы состоит в выявлении физико-механической природы, статистических закономерностей явления акустической эмиссии и создании новых методов диагностики предразрушающего состояния твердых тел с повышенной достоверностью результатов при различных внешних воздействиях.
Для достижения этой цели автором предложен и развивается не имеющий аналогов принципиально новый подход, позволяющий создание эффективных методов восстановления истинных параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений по регистрируемым сигналам сопутствующего акустического излучения. Суть подхода состоит в использовании при решении конкретных задач пуассоновской модели процесса де-фектообразования и обнаруженных экспериментально физико-механических особенностей явления ЛЭ (включая устойчивые в силу ряда предельных теорем статистические параметры случайного процесса АЭ).
9
Методы исследования и математический аппарат включают элементы физики конденсированного состояния, теории упругости, физики прочности, механики разрушения, математического анализа, теории вероятностей, статистической радиофизики и теории потоков случайных событий. Экспериментальные исследования проводились на физическом и механическом оборудовании общего и специального назначения, включая собственные оригинальные разработки.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью использования математического аппарата, четкостью и ясностью выявляемых физических и механических эффектов, а также согласованностью результатов, полученных с использованием разных методов исследования и с результатами других исследователей.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Физико-механическая природа акта акустической эмиссии адекватно описывается в рамках дислокационной модели и определяет экспериментально наблюдаемую зависимость амплитуды излучения от скорости и частоты деформации. Восстановленные по данным акустической эмиссии энергия Еа и длительность та акта излучения связаны со степенью деформации, слабо зависят от её скорости и для сплавов на основе 17е и 77 имеют следующие средние значения: Еа = 10",5...10~13 Дж при та< 10 6с.
2. Выборочные функции распределения прочности и долговечности подобны функциям распределения суммарного количества актов сопутствующего акустического излучения, что позволяет количественно связать кинетику процесса накопления повреждений с параметрами АЭ. Параметры акустического излучения трещины зависят от коэффициента интенсивности напряжений и определяются видом напряженно-деформированного состояния.
3. Совмещенный термогравиметрический и акустико-эмиссионный способ определения стадий термодеструкции веществ и материалов, в том числе
10
при лазерном инициировании, позволяет идентифицировать фазовые переходы (плавление, сублимация) при нагревании и обеспечиваег более раннее их выявление, чем существующие методы термического анализа.
4. Восстановление параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений внутри материала становится возможным и достаточно эффективным при подходе, состоящем в использовании пуассоновской модели потока случайных событий и экспериментально обнаруженных физико-механических особенностей сопутствующего акустического излучения.
5. Регистрация обнаруженных особых точек (локальные экстремумы, точки перелома) восстановленного потока актов сопутствующего акустического излучения обеспечивает надежную идентификацию стадий процессов деформации и накопления повреждений. При этом стадии накопления повреждений адекватно описываются в рамках экспоненциальной модели, позволяющей количественно оценить концентрацию и константы размножения микронесплошностей по положению переломов кривой восстановленной интенсивности потока актов эмиссии.
6. Соотношения статистических амплитудных и временных параметров потока актов акустической эмиссии имеют устойчивые (инвариантные) значения, отклонения от которых являются критерием наступления предразру-шающего состояния.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
1. Развит впервые предложенный автором и не имеющий аналогов принципиально новый подход, позволяющий создание эффективных методов восстановления истинных параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений по регистрируемым сигналам сопутствующего акустического излучения. Суть подхода состоит в использовании при решении конкретных задач пуассоновской модели процесса структурных изменений и обнаруженных экспериментально физико-механических особенностей
И
явления акустической эмиссии (включая устойчивые в силу ряда предельных теорем статистические параметры случайного процесса АЭ).
2. Впервые предложен и разработан метод совмещенной термогравиметрической и акустико-эмиссионной диагностики стадий термодеструкции веществ и материалов, обеспечивающий более раннее выявление и идентификацию фазовых переходов в процессе нагревания, чем их обнаружение существующими методами термического анализа (Патент РФ № 2324923).
3. Впервые предложены и разработаны основы метода идентификации стадий процессов деформации и накопления повреждений по положению различных особых точек (локальных экстремумов, точек перелома) параметров сопутствующего акустического излучения и разработан метод количественной оценки концентрации и постоянных размножения микронесплошно-стей по положению переломов кривой восстановленной интенсивности потока актов АЭ. Предложен метод определения точки деструкции материала по обнаружению нижнего перелома интенсивности потока, либо суммарного количества восстановленного потока актов АЭ.
Таким образом, становится возможным рассчитать по данным АЭ исследований реальную концентрацию повреждений (микродефектов) в любой момент на1ружения и количественно оценить концентрационный критерий в момент разрушения. Эту информацию (особенно в динамике) затруднительно, а чаще всего вообще невозможно получить экспериментально какими-либо другими физическими методами исследований.
4. На примере модели акустического излучения скопления дислокаций решена задача о связи амплитуды АЭ ансамбля микродефектов со скоростью деформации и разработан метод восстановления количества актов сопутствующей АЭ при изменении динамического диапазона регистрируемых сигналов. Эти результаты позволили предложить метод дополнительного повышения. достоверности оценки параметров процесса накопления повреждений за счет восстановления потерянных актов структурных преобразова-
12
ний с амплитудами сопутствующего излучения ниже порога дискриминации аппаратуры.
5. Впервые предложен метод и приведены результаты диагностики пред-разрушающего состояния по отклонению от устойчивых (инвариантных) в силу ряда предельных теорем соотношений статистических амплитудных и временных параметров потока актов сопутствующего акустического излучения. Установлена связь метода инвариантов АЭ с методологией синергетического подхода к разрушению твердых тел. Инвариантные соотношения АЭ оценены как при испытании стандартных образцов корпусной стали, так и по полученным ранее данным АЭ испытаний при гидростатических нагружениях корпуса атомного реактора ВВЭР-1000.
6. Впервые предложено понятие информационной достоверности и разработай принципиально новый метод определения достоверности непосредственно по количеству Шенноновской информации, полученной в ходе проведения самой операции эксперимента, контроля или диагностики.
7. Для наиболее распространенного степенного вида амплитудного распределения и пуассоновской модели потока актов структурных изменений внутри материала впервые получены условия появления и положение ложных амплитудных максимумов, сильно снижающих достоверность результатов амплитудного анализа при высокой интенсивности источника АЭ.
Развитие получили и другие методы, и подходы применительно к рассматриваемым задачам.
Практическая ценность, реализации щ использование результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы дают существенное увеличение точности оценки параметров процессов структурных преобразований и накопления повреждений- в материалах по данным АЭ исследований. Их применение позволяет заметно (не менее чем до двух раз) повысить достоверность результатов АЭ диагностики предразрушающего состояния.
Результаты работы использованы при диагностике прочности Царь-колокола в Московском Кремле, элементов теплозащиты первого Российско-
13
го космического самолета "Буран", титановых лопаток турбин авиационных двигателей, при разработке комплекса термического анализа ОКТАЭДР (образцовый криотермический АЭ дериватограф), а так же при диагностике ряда других изделий и объектов ответственного назначения. В Приложении к диссертации приведены 5 актов о передаче и использовании результатов работы.
Результаты работы так же используются в учебном процессе в Южном федеральном университете при экспериментальном определении критерия разрушения по данным АЭ испытаний студентами 5-го курса факультета механики, математики и компьютерных наук, и в Ростовском военном институте Ракетных войск при выполнении лабораторного практикума. Материалы диссертации в виде электронного учебника, разработанного по гранту ЮФУ 05/6-98, с 2007 года общедоступны на сайте http://uran.ip.rsu.ru.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались более чем на 60 научных конференциях и симпозиумах, среди которых отметим: I Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); III Европейскую конференцию по неразрушающему контролю (Флоренция, 1984); II Всесоюзный симпозиум по механике разрушения (Житомир, 1985); I Международную школу «Акустическая эмиссия в диагностике предразрушающего состояния и прогнозировании разрушения» (Варна,
1986); II Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Кишинев,
1987); X Всесоюзный симпозиум «Механоэмиссия и механохимия твердых тел» (Ростов-на-Дону, 1986); Всесоюзную конференцию «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1987); XII Всемирную конференцию но неразрушающему контролю (Амстердам, 1989); Международную конференцию «Сварные конструкции» (Киев, 1990); XII Всесоюзную конференцию «Неразрушающие физические методы контроля» (Свердловск, 1990); III Всесоюзную конференцию по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV Конференцию по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (Воронеж, 1992); Научно-техническую конференцию стран
14
СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международную конференцию по механике разрушения (Киев, 1993); XIV Российскую научно-техническую конференцию «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996); Конференцию-выставку подпрограммы «Транспорт» Программы МО РФ «Научные исследования ВШ по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва-Звенигород, 2001); XXIV Международную конференцию «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004); III Научно-техническую конференцию МИФИ «Научно-инновационное сотрудничество» (Москва, 2004); II Международную Конференцию «Наука и будущее: идеи, которые изменят мир» (Москва, 2005); IX Международный симпозиум «Упорядочения в металлах и сплавах» ОМА-9 (Лоо, 2006); I Международный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (МиШГегго1с5-2007) (Лоо, 2007); XIII-XVII Международные конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005-2009); XI Международный междисциплинарный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах» (ОМА-11) (Лоо, 2008); Н-ХН Международные конференции "Современные проблемы механики сплошной среды" (Ростов-на-Дону, 1996-2008); II Международный междисциплинарный симпозиум «Плавление-кристаллизация металлов и оксидов», МСМО-2 (Лоо, 2009).
Результаты работы отражены в отчетах ряда тем и госбюджетных НИР, в том числе выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов АЭ диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (№ ГР 01.9.20.011833); по гранту Минобразования РФ 91 Гр 98 «Развитие АЭ метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по Фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики; НИР № 05.01.01.36 «Развитие метода АЭ оценки момента наступления предразрушающего состояния
15
элементов конструкций средств воздушного транспорта» в рамках Программы: «Научные исследования ВШ в области транспорта»; гранта ТОО-7.4-2801 «Обоснование новых подходов к диагностике ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок по данным ЛЭ испытаний» по Фундаментальным исследованиям в области ядерной техники; НИР в рамках ЕЗН «Развитие акустических методов обнаружения скоплений дефектов в твердых телах» (№ ГР 01.2.00.106768), по грантам РФФИ 06-08-01039-а «Метод идентификации ранних стадий разрушения материалов и конструкций» и РФФИ 09-08-00283-а «Метод контроля динамики химических реакций и физико-химических процессов в жидких средах». Во всех вышеуказанных работах С. И. Буйно был, либо является в настоящее время руководителем.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 138 научных работ, в том числе 2 монографии, действующий Патент РФ, 4 авторских свидетельства на изобретения и 32 публикации в центральных изданиях, включенных ВАК РФ в перечень периодических изданий для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения.
Общий объем 279 страниц, включая 88 рисунков, библиографию из 282 наименований и Приложение на 7 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматривается связь явления акустической эмиссии с процессами деформации и разрушения твердых тел, возможные источники и механизмы акта АЭ. Показано, что т.к. каждый элементарный акт деформации или разрушения сопровождается (хотя бы временным) разрывом межатомных связей с высвобождением некоторой энергии, то акустическое излучение сопутствует как процессу деформирования, так и процессу разрушения. Проведены обзор, и сравнительный анализ различных механизмов излучения АЭ на уровне дислокаций и микротрещин. На примере модели излуче-
16
ния при переходе скопления дислокации через границу исследована связь амплитуды сопутствующего излучения со скоростью (частотой) деформации.
На основе проведенных экспериментов сделан вывод о подобии выборочных функций распределения прочности и долговечности с функцией распределения суммарного количества актов сопутствующего излучения. Представлены результаты по корреляции параметров АЭ расту щей трещины с коэффициентом интенсивности напряжений при различном типе напряженно-деформированного состояния.
Во второй главе исследована информативность различных измеряемых параметров АЭ, описана концепция выбора из них наиболее информативных, предложен принципиально новый подход к определению достоверности результатов контроля и диагностики. Введено понятие информационной достоверности и получены соотношения для ее количественной оценки по количеству Шенноновской информации, получаемой непосредственно в ходе проведения самой операции измерения контроля или диагностики.
В третьей главе проведено исследование применимости пуассоновской модели к процессам кристаллизации, деформации, разрушения тел и получены соотношения для оценки средней длительности регистрируемых импульсов АЭ для наиболее часто встречающегося степенного вида амплитудного распределения сопутствующей АЭ. Описываются разработанные автором методы количественного восстановления потока структурных преобразований по регистрируемым сигналам эмиссии.
На основе пуассоновской модели получены формулы для восстановления-интенсивности потока излученных актов АЭ не только с использованием предложенного нами ранее достаточно сложного специального амплитудновременного селектирования, но и по обычным продетектированным сигналам АЭ.
Проведено экспериментальное моделирование пуассоновского потока и оценены реальная точность и достоверность процедуры восстановления. Предложен метод и приведены результаты восстановления количества поте-
17
рянных актов структурных преобразований с амплитудами сопутствующей эмиссии ниже порога дискриминации при изменении динамического диапазона регистрируемых сигналов.
Четвертая глава посвящена применению статистических моделей для повышения достоверности оценок спектральных, энергетических и амплитудных параметров акустического излучения при изменении структуры тела. Описаны метод и результаты применения модели пуассоновского потока для восстановления спектральной плотности излучения, оценке истинной длительности и энергии акта АЭ по регистрируемым сигналам АЭ на разных стадиях деформации. Предложен метод диагностики стадий деформации по энергетическим и временным параметрам акта эмиссии.
Установлены общий вид и параметры амплитудного распределения эмиссии в процессе деформации твердых тел. На основе модели пуассоновского потока и степенной модели амплитудного распределения определены причины и условия появления ложных амплитудных максимумов регистрируемой эмиссии. Определена достоверность оценки вида амплитудного распределения эмиссии и предложена аппаратурная реализация метода ее повышения.
Показана возможность использования степенного вида амплитудного распределения эмиссии для «прореживания» потока триангуляционных серий импульсов при высокой интенсивности источника и приведены некоторые практические результаты диагностики предразрушающего состояния по анализу формы амплитудного распределения сигналов эмиссии.
Пятая глава посвящена разработке методов идентификации стадий деформации и разрушения по параметрам восстановленного потока актов акустической эмиссии. Предложен метод идентификации стадий деформации и разрушения по положению обнаруженных особых критических точек (локальных экстремумов и переломов) интенсивности и общего количества восстановленного потока актов АЭ.
Для модели экспоненциально размножающегося процесса решены задачи оценки количества повреждений как при наличии только одного нижнего
(случай одной особой точки), так и при наличии нижнего и верхнего переломов кривой потока актов эмиссии (случай двух особых точек). Это позволило разработать метод количестве}той оценки концентрации, постоянных размножения повреждении и оценить критерий разрушения по данным АЭ исследований.
Предложен метод и приведены результаты диагностики предразрушаю-щего состояния по отклонению от устойчивых (инвариантных) соотношений статистических амплитудных и временных параметров потока актов АЭ. Инвариантные соотношения АЭ оценены как при испытании стандартных образцов корпусной стали, так и но полученным ранее данным АЭ испытаний корпуса атомного реактора ВВЭР-1000. Исследована информативность «прореженных» (путем выделения каждого т - го импульса) потоков АЭ. Сделан вывод о невозможности оценки степени опасности дефекта по каким-либо статистическим параметрам «прореженных» потоков (естественно, включая и метод инвариантов) даже при относительно малых коэффициентах пересчета т . Такой метод оценки опасности дефекта по прореженным потокам АЭ предлагается некоторыми исследователями.
В шестой главе приведены результаты реализации разработанных автором моделей, алгоритмов и методов АЭ диагностики прочности, разрушения, фазовых переходов в процессе термодеструкции материалов. Показано их использование на примере диагностики прочности Царь-колокола в Московском Кремле, элементов теплозащиты первого Российского космического самолета "Буран”, титановых лопаток турбин авиационных двигателей, ряде других изделий и объектов ответственного назначения. Приведены характеристики некоторых аппаратурных АЭ диагностических комплексов; реализующих предложенные автором методы и полученные алгоритмы.
Показана принципиальная возможность акустико-эмиссионного исследо-' вания, контроля и диагностики опасных динамических явлений в угольном пласте.
19
Исследована возможность локального возбуждения акустической эмиссии лазерным излучением для АЭ диагностики структурных изменений в композитах и полимерах.
Описан предложенный в соавторстве с сотрудниками НИИ Физики ЮФУ и Академии государственной противопожарной службы МЧС РФ (г. Москва) метод совмещенной термогравиметрической и акустико-эмиссионной диагностики стадий термодеструкции веществ и материалов. Показано, что метод АЭ обеспечивает более раннее выявление и идентификацию фазовых переходов (точки плавления и сублимации) в процессе нагревания, чем их обнаружение существующими методами дифференциальной и термогравиметрии.
В заключении кратко изложены основные результаты диссертации.
В приложении приведены документы, подтверждающие передачу и использование результатов работы.
Вклад автора. Все основные приведенные в диссертации результаты получены лично автором. Соавторы совместных публикаций участвовали в постановке задач, проведении экспериментов и обсуждении результатов, что подтверждено соответствующими документами.
Благодарности. Автор признателен В.В. Залесскому и A.C. Трипалину, организаторам работ по АЭ тематике в Ростовском госуниверситете, академику РАН В.А. Бабешко, в чьем отделе эти исследования получили так необходимую на первоначальном этапе поддержку; автор выражает глубокую признательность научному консультанту, президенту ЮФУ профессору A.B. Белоконю за постоянное внимание и помощь в работе над диссертацией. Особую благодарность за постоянный интерес, внимание и поддержку автор
организатору и пожизненному ди-
выражает академику РАИ И.И. Воровичу,
ректору НИИМ и ПМ. Хочу так же поблагодарить всех своих соавторов, совместный труд с которыми привел к полученным в диссертации результатам.
20
Глава 1. Акустическая эмиссия и ее связь с процессами деформации и деструкции твердых тел
1.1. Механизм элементарного акта акустической эмиссии
Согласно кинетической концепции прочности в твердом теле в результате теплового движения атомов идут непрерывные процессы разрыва и восстановления межатомных связей [174, 175, 225, 229]. В отсутствие внешней нагрузки эти процессы равновероятны и находятся в динамическом равновесии. При появлении нагрузки разрыв межатомных связей происходит более интенсивно, чем их восстановление, и в твердом геле могут происходить два физико-механических процесса: деформация и разрушение (деструкция).
Исследование пластичности и кинетики микроразрушения в процессе деформации является одной из старейших задач в физике конденсированного состояния. В последние годы существенное внимание уделяется динамике структурных дефектов, и в настоящее время имеется значительное количество данных по определению динамических законов, описывающих поведение дислокаций, их скоплений и микротрещин [167, 225].
Под деформацией понимается накопление в теле необратимых сдвигов, в результате которых межатомные связи в теле (за исключением границ) существенно не нарушаются. Вместе с тем, элементарный акт деформации (образование и перемещение дислокаций) предполагает временный разрыв межатомных связей с их последующим восстановлением. При этом скорость макроскопической деформации £ описывается следующим соотношением
где и о - потенциальный барьер неупругой деформации, препятствующий элементарному сдвигу; е0, а — некоторые константы материала; сг - приложенное напряжение; к - постоянная Больцмана.
(1.1)
21
Под разрушением понимается образование в теле несплошностей такого размера, при котором действием межатомных сил уже можно пренебречь, и долговечность (время до разрушения) гразр описывается выражением
где г0 - период тепловых колебаний атомов; и0 - энергия активации разрушения; у — коэффициент снижения начального потенциального барьера приложенным напряжением.
Элементарный акт разрушения (зарождение и рост микротрещин) предполагает необратимый разрыв межатомных связей.
Таким образом, каждый элементарный акт деформации или разрушения сопровождается (хотя бы временным) разрывом межатомных связей. Часть энергии, высвобождаемой при разрыве межатомных связей расходуется на излучение в материале упругого импульса. Следовательно, акустическое излучение должно сопутствовать как процессу деформирования (1.1), так и разрушения (1.2). В зависимости от соотношения между конкретными величи-
• 19
нами и0, и0, а, у и приложенного напряжения <т преобладающим может быть один из этих процессов.
Тем не менее, чрезвычайно малая энергия этого излучения не позволяет зафиксировать разрывы отдельных единичных межатомных связей при существующем уровне чувствительности приемной аппаратуры. Однако, накопление повреждений и коллективный разрыв межатомных связей могут создать акустический импульс, вполне достаточный для регистрации.
Известно,.что при каждом коллективном акте перестройки (или повреждения) структуры материала генерируется первичный упругий импульс, процесс излучения которого представляет собой так называемый акт акустической эмиссии (акт АЭ). Следовательно, измерение интенсивности потока (скорости следования) актов АЭ Na=dNa|dt, их общего количества N 1г и
(1.2)
•1
22
других параметров АЭ в принципе позволяет количественно исследовать кинетику широкого класса процессов структурных преобразований, в том числе оценить параметры потоков микродеформации, накопления микронесплош-ностей, а так же оценить параметры деградационных процессов при температурном воздействии. Это позволяет диагностировать (а во многих случаях и идентифицировать) по данным АЭ исследований самые ранние стадии предразрушающего состояния материалов.
Рассмотрим более подробно возможные источники п механизмы АЭ.
1.2. Дислокационные источники и механизмы акустической эмиссии.
Во многих исследованиях [37, 38, 45, 62, 124, 205-208, 265-268] акустическое излучение структуры металлов связывается с различными дислокационными механизмами. Дислокации - это линейные дефекты кристаллической решетки реальных моно- и поликристаллических тел. Представление о дислокациях в атомной структуре было введено в 30-х годах прошлого века Тейлором, Орованом и Поляни для объяснения большого различия между прочностью реальных тел и теоретической прочностью идеальных материалов. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные. Наиболее простой вид имеет краевая дислокация, которая может быть представлена линией, отделяющей в кристалле вставленную лишнюю атомную полуплоскость.
Линейные дефекты способны двигаться через кристаллическую решетку намного быстрее, чем другие типы дефектов. Они вызывают деформации и могут взаимодействовать с другими дефектами. Движение дислокации с высокой скоростью при наличии локальных полей напряжения вокруг нее должно сопровождаться генерацией упругих импульсов.
Согласно Коттреллу [191] нарушение правильности расположения атомов создает у центра дислокации менее плотную упаковку, что приводит к возрастанию удельного объема в этой области. Размеры и форма этой зоны
23
при движении дислокации со скоростью V меняются с частотой / «у/л, где а - параметр решетки в направлении движения дислокации. Это приводит к возникновению упругой волны с частотой /.
Вместе с тем проведенный Гиллисом [268] качественный анализ возможных дислокационных механизмов акустического излучения показал, что излучение при простом движении единичной дислокации должно быть крайне низким. Это объясняется тем, что упругая энергия дислокации медленно меняется с изменением ее положения в кристалле и существенно меняется только в непосредственной близости от какого-либо препятствия. Совместное однородное движение многих дислокаций с одинаковой скоростью может давать акустическое излучение обнаруживаемого уровня.
В.Д. Нацик с сотр. [205-208] рассмотрел возможность излучения звука движущейся дислокацией при ее переходе через плоскость разрыва модулей упругости. Установлено, что в момент, перехода через границу резко перестраивается упругое поле дислокации, в результате чего поле как бы отрывается от нее и распространяется через кристалл в виде звукового импульса. Излучение по механизму Нацика возможно при переходе любой границы разрыва упругих модулей, например в случае выхода дислокации на поверхность кристалла, при переходе границ зерен в поликристаллах и т. д. В работе [205] им построена общая теория переходного звукового излучения. Согласно этой теории для изотропной среды излучение в общем случае состоит из продольных и поперечных объемных и поверхностных рэлеевских волн. Основной вклад в излучение дает возмущение ядрами дислокаций, выходящих на поверхность.
В работе [62] нами рассмотрена модель акустического излучения скопления дислокаций при его переходе через границу. Получена зависимость амплитуды акта АЭ от скорости деформации и частоты нагружения (модель и результаты более подробно описаны в разделе 1.4).
Для случая степенного амплитудного распределения получены алгоритмы, позволяющие восстановить количество потерянных актов АЭ ниже поро-
24
га дискриминации аппаратуры. Описан метод корректировки параметров ре-гистрируемого потока при различном пороге дискриминации, частоте и скорости нагружения. Показана возможность повышения точности и достоверности оценки потока актов АЭ путем приведения результатов измерения в разных условиях к какому-либо единому рефсренсному уровню порога дискриминации. Предложен метод оценки динамического диапазона по среднему значению регистрируемых амплитуд сигналов АЭ. Болес подробно метод восстановления потерянных актов АЭ ниже порога дискриминации описывается в разделе 3.6.
Акустическое излучение достаточно высокого уровня проявляется и в процессе двойникования [37, 268]. Поскольку двойникование приводит к существенным локальным формоизменениям кристалла, оно должно сопровождаться возникновением упругих волн.
B.C. Бойко и Р.И. Гарбер с сотр. [37-39] экспериментально подтвердили существование переходного излучения в случае упругого двойникования. Ими установлена однозначная связь между входом и выходом скопления двойникующихся дислокаций на поверхность кристалла кальцита и появлением акустического сигнала. Возникновение акустического излучения возможно также при аннигиляции пар дислокаций [208], работе источника Франка -Рида [206], при структурных фазовых переходах кооперативного типа (мар-тенситные реакции) [256].
В. М. Баранов с сотр. [10, 12] обнаружили акустическое излучение при электрохимическом взаимодействии металлов с агрессивной средой и наличии механического напряжения. Установлен существенный вклад в это явление процессов, связанных с пластическим деформированием металла в поверхностном слое: торможением движения и выходом дислокаций и двойников на поверхность.
Энергетические параметры некоторых возможных дислокационных механизмов АЭ приведены в [266]. Эти оценки довольно приближенные. В то же время они позволяют сделать вывод о невозможности обнаружения акустиче-
25