ЛЕКЦИЯ №6. Акустико-эмиссионный метод НК

Акустическая эмиссия (АЭ) - испускание объектом контроля (испытаний) акустических волн (ГОСТ 27655-88). Данное определение охватывает широкий круг явлений.

Акустическая эмиссия как физическое явление, используемое для исследования веществ, материалов, объектов, а также для их неразрушающего контроля и технической диагностики (Т Д и НК), представляет собой излучение акустических волн из объекта при протекании различных нелинейных процессов: при перестройке структуры твердого тела, возникновении турбулентности, трении, ударах и т.д.

Целями АЭ контроля являются обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов.

Физической основой метода АЭ является акустическое излучение при пластической деформации твердых сред, развитии дефектов, трении, прохождении жидких и газообразных сред через узкие отверстия - сквозные дефекты. Эти процессы неизбежно порождают волны, регистрируя которые, можно судить о протекании процессов и их параметрах.

Метод АЭ позволяет оценить степень опасности дефекта, получить ин-формацию о статической прочности объекта, близости его к разрушению, определить срок безопасной эксплуатации объекта. Метод АЭ позволяет наблюдать и изучать динамику, процессы деформации, разрушения, перестройки структуры, химических реакций, взаимодействия излучения с веществом и т.д.

В зависимости от физического источника принято разделять явление АЭ на следующие виды.

1. Акустическая эмиссия материала - акустическая эмиссия, вызванная локальной динамической перестройкой структуры материала.

2. Акустическая эмиссия утечки - акустическая эмиссия, вызванная гидродинамическими и (или) аэродинамическими явлениями при протекании жидкости или газа через сквозную несплошность объекта испытаний.

3. Акустическая эмиссия трения - акустическая эмиссия, вызванная трением поверхностей твердых тел.

4. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях - акустическая эмиссия, связанная с фазовыми превращениями в веществах и материалах.

5. Магнитная акустическая эмиссия - акустическая эмиссия, связанная с излучением звуковых волн при перемагничивании материалов.

6. Акустическая эмиссия радиационного взаимодействия - акустическая эмиссия, возникающая в результате нелинейного взаимодействия излучения с веществами и материалами.

Из перечисленных видов АЭ наибольшее применение для контроля промышленных объектов нашли первые три вида.

АЭ контроль объектов проводится только при создании или существовании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи (рис.6.) принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Основными источниками акустической эмиссии для целей диагностики и НК технического состояния промышленных объектов являются пластическая деформация и рост трещин.

1 - объект контроля;

2 - преобразователи;

3 - усилитель;

4 - блок обработки информации с индикатором

Рис.6. Схема АЭ контроля

Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний.

Источники АЭ

Основные параметры сигнала АЭ, используемые для оценки процесса развития трещины в объекте, следующие:

• суммарный счет АЭ N - число зарегистрированных выбросов электрического сигнала АЭ за время регистрации;

• скорость счета акустической эмиссии N - число зарегистрированных выбросов сигнала АЭ в единицу времени;

• активность акустической эмиссии N_Σ - число зарегистрированных импульсов акустической эмиссии за единицу времени;

• энергия акустической эмиссии Е_АЭ - акустическая энергия, выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале;

• амплитуда сигнала АЗ U_m - максимальное значение сигнала АЭ. Единица измерения амплитуды акустического импульса - метр, электрического импульса - вольт.

а) АЭ при пластической деформации

Связь параметров АЭ с механическими свойствами материалов устанавливают при испытании стандартных образцов на растяжение.

Для большинства металлов максимум активности, скорости счета и эффективного значения АЭ совпадает с пределом текучести, что позволяет измерять предел текучести по параметрам АЭ. Факторы, влияющие на пластическую деформацию, в той или иной степени сказываются и на параметрах АЭ.

Генерация сигналов АЭ в стали при механических напряжениях вблизи предела текучести определяется содержанием углерода, что, в свою очередь, связано с развитием процессов образования карбида (температурой отпуска).

Для сталей, не содержащих кремний, максимум АЭ соответствует отпуску при 3000С. Кремний, задерживающий процессы образования карбида, сдвигает максимум АЭ в сторону более высоких температур отпуска.

Кривые зависимостей эффективного значения АЭ скорости счета (и других параметров) для гладких образцов различных материалов разнообразны. Однако можно выделить некоторые закономерные связи АЭ с процессом деформирования.

При уменьшении размера зерна число дислокаций в скоплении уменьшается, поскольку недостаточно пространства для накопления большого числа дислокаций. Действующие напряжения уменьшаются, что снижает энергию импульсов АЭ и уменьшает вероятность обнаружения источника АЭ при уменьшении размера зерна. Действие этих двух конкурирующих механизмов приводит к появлению максимума в зависимости числа импульсов АЭ от размера зерна.

б) АЭ при росте трещин

Наибольшую опасность представляют трещиноподобные дефекты; аварии и разрушения происходят в большинстве случаев вследствие распространения трещин. Развитие трещин представляет собой иерархический многостадийный процесс. Его параметры отображаются в параметрах сигнала АЭ. Образование трещины порождает отдельный импульс АЭ, ее развитие сопровождается формированием АЭ процесса.

Скачки хрупкой трещины, вязкое разрушение и пластическая деформация являются случайными импульсными процессами, первичными элементами которых являются единичные импульсы АЭ.

Для тонкой пластины с трещиной длиной 2а коэффициент интенсивности напряжений при однородном растягивающем напряжении а имеет вид:

К = σ

Число импульсов АЭ и, соответственно, суммарная АЭ - N пропорционально числу элементарных источников в пластически-деформируемом объеме, размер которого определяется коэффициентом интенсивности напряжений К. Зависимость суммарной АЭ –N от коэффициента интенсивности напряжений К:

N = сК^m 

где m - параметр, связанный со свойствами материалов и скоростью развития разрушения (трещины); с-коэффициент условий испытаний.

в) АЭ при циклическом нагружении.

Параметры АЭ при статическом и циклическом нагружениях объектов существенно различаются. Особенностью АЭ при циклическом нагружении является быстрое уменьшение числа импульсов АЭ и их амплитуд в каждом последующем после первого нагружении. Это связано с проявлением эффекта адаптации материала к напряжениям при развитии усталостной трещины.

Типичная кривая зависимости суммарного счета АЭ от числа циклов при малоцикловой усталости приведена на рис. 7. Можно различить ряд этапов роста усталостной трещины. При первом нагружении регистрируется порядка 10⁴ выбросов. В каждом последующем цикле нагружения число выбросов снижается на один - два порядка. После 5 ... 7 циклов нагружения амплитуда (энергия) сигналов АЭ уменьшается настолько, что сигналы АЭ перестают регистрироваться аппаратурой. Тем не менее, повреждения медленно накапливаются (участок ВС), поскольку в дальнейшем трещина растет.

На определенных этапах накопления повреждений в объекте происходят перераспределение напряжений и ускоренный рост трещины (участки СD и ЕF). К периоду активизации источника АЭ (область в окрестности D) можно отнести формирование макроскопической трещины. Зависимость суммарной АЭ на этапе 3 (участок СD) показывает возможность метода АЭ обнаруживать возникновение трещины и следить за ее развитием в условиях, когда никаким другим способом невозможно обнаружить какие-либо изменения в контролируемом объекте.

После образования макроскопической трещины начинается ее медленное развитие без существенного продвижения фронта трещины в глубь материала (участок DЕ). Этому периоду соответствуют импульсы АЭ, малые по амплитуде и часто не регистрируемые аппаратурой АЭ при пороге дискриминации 20 ... 30 мкВ. Относительно медленный рост усталостной трещины (УТ) имеет место до размера 1,0 мм.

При сохранении параметров циклического нагружения в дальнейшем начинается ускоренное развитие трещины с преимущественно вязким механизмом разрушения, сопровождаемое активным и достаточно мощным излучением упругих волн. Этому участку роста трещины соответствует участок ЕF.

200 400 600 800 1000 п, циклы

Рис.7. Зависимость суммарного счета АЭ от числа циклов нагружения при росте усталостной трещины

Данная стадия роста трещины заканчивается либо прорастанием трещины на всю толщину объекта, либо хрупким разрушением после достижения трещиной критического размера. В любом случае по участку ЕF можно судить о приближающемся катастрофическом разрушении или отказе объекта.

Источник АЭ, соответствующий ускоренному росту магистральной трещины, назван катастрофически активным источником.

При развитии УТ проявляются две группы процессов, сопровождающихся акустической эмиссией:

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.

Источники АЭ по степени активности делят на 4 класса (табл. 1).

В ряде случаев при усталостных испытаниях можно отметить, что излучение сигналов при равномерном росте усталостной трещины происходит не при максимальных нагрузках в цикле, а при некоторых промежуточных их значениях.

Координаты источников акустической эмиссии вычисляют по разнице времени прихода сигналов на преобразователи, расположенные на поверхности контролируемого объекта.

Аппаратура АЭ диагностики

Приборы АЭ подразделяются на одноканальные и многоканальные.

По способу использования подразделяются на: стационарные, мобильные (установленные на технических средствах перемещения), переносные.

По области применения: универсальные, специализированные.

В зависимости от ее функционального назначения и сложности выполнения: приборы производственного применения, многофункциональные приборы лабораторного и производственного применения, системы АЭ контроля.

Установки представляют собой комплекс по приему, усилению, обработке и анализу АЭ сигналов.

Характеристики приборов АЭ: число независимых каналов - до 64; стандартный частотный диапазон - 10... 2000 кГц; производительность контроля - не менее 20000 АЭ событий на канал; диапазон регистрации амплитуды импульса АЭ 16.100 дБ; библиотека высокоэффективных цифровых программируемых НЧ и ВЧ фильтров; мощные средства анализа сигналов встроенный режим излучения у каждого датчика для калибровки и самотестирования.