4. Акусто-эмиссионный метод

4.1. Физические основы метода

Акусто-эмиссионный метод – один из пассивных методов АК. Акустическая эмиссия (АЭ) – это генерация упругих волн в твердых телах из-за локальной динамической перестройки их структуры. Метод основан на анализе параметров этих волн.

Основные источники АЭ – процессы пластической деформации, связанные с появлением, движением и исчезновением дефектов кристаллической решетки, возникновение и развитие микро- и макротрещин; трение (включая «берега» трещины друг о друга); фазовые (аллотропические) превращения в твер­дом теле. Эмиссия проявляется в виде отдельных акустических им­пульсов. Покажем на примере механических разрушений.

Процесс нагружения ОК происходит намного медлен­нее, чем распространение упругого импульса в объекте. Внутренние напряжения в ОК распределены неравномерно из-за неоднородной внутренней структуры. В некоторой облас­ти локальные напряжения достигают пре­дельного значения, из-за чего возникает разрыв внутренних связей. В ре­зультате происходит снятие (релаксация) напряжения в этой об­ласти. Накопленная энергия быстро выделяется, часть ее излучается в виде упругого импульса – сигнала АЭ.

Связь АЭ с дефектами кристаллической решетки. В идеальной решетке атомы расположены в узлах и совершают тепловые колебания, создающие «белый» (не зависящий от частоты) акустический шум. Энергия этого шума в еди­ничном интервале частотного диапазона при комнатной температуре равна

Дж/Гц.

Точечные дефекты кристаллической решетки – атомы внедрения и вакансии (лишний или отсутствующий атом в узле решетки), возникают под действием тепловых колебаний. С ними связана дополнительная потенциальная энергия. Искажения перемещаются по решетке. Если атом внедрения встречает­ся с вакансией, дефекты решетки аннигилируются, выделяя энергию порядка 10^–19 Дж в виде упругого импульса. Сигналы такого уровня обычно не регистрируются.

Более крупный линейный дефект кристаллической решетки – дислокация (лат. dislocatio – смешение, перемещение). Это линейное несовершенство кристаллической решетки, которое в двух изме­рениях имеет размеры порядка атома, в третьем – гораздо больше. Когда между атомными плоскостями «вставлена» дополни­тельная неполная плоскость, край ее называют краевой дислокацией. Ее энергия порядка 10^–16 – 10^–17 Дж. Она ослабляет прочность кристалла на 2 ...3 порядка, т.к. участки с разным количеством плоскостей сдвигаются относительно друг друга при значительно мень­ших напряжениях, чем на других участках, где атомы расположены регулярно в узлах решет­ки. Это смещение представляют как движение дислокации по кристаллу. При встрече двух участков кристалла с лишними полу­плоскостями образуется полная плоскость, т.е. дислокация аннигилирует.

Рис. 14. Форма первичных импульсов АЭ (а) и соответ­ствующих импульсов в прием­ном тракте (б)

Сущест­вуют другие типы дислокаций, например вин­тообразные. Дислокации накапливаются у пре­пятствий в виде других нарушений кристаллической решетки. Преодоление препятст­вий происходит путем совместного движения группы дислокаций, вызывая более интенсивные сигналы АЭ.

Плоским дефектом кристаллической решетки является двойникование – по­ворот узлов одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Возникновение таких дефектов связано с изменением энергии на значение поряд­ка 10^–3 Дж.

Форма импульсов АЭ, возникающих в результате перестройки структуры, зависит от природы процесса и материала изделия. Рассмотренный выше процесс снятия локальных напряжений пу­тем разрушения вызывает импульс с крутым фронтом, как большин­ство импульсов на рис. 14–а. Процесс восстановления первона­чального состояния называют релаксацией. Первоначальное состо­яние – ненагруженное. Разрыв связей соответствует возвращению к ненагруженному состоянию. Он происходит быстро, за время по­рядка 10^–13 с.

Спад импульса соответствует восстановлению внутренних на­пряжений (иногда они не восстанавливаются или восстанавлива­ются не полностью). Здесь первоначальное состояние – напряжен­ное, и под релаксацией понимают возвращение к напряженному со­стоянию. Оно происходит медленнее, чем разрыв, может сопровож­даться быстрозатухающими колебаниями, см. пер­вый импульс на рис. 14–а. Импульсы рассматриваемого типа называют релаксационными. Они характерны для процессов возник­новения и движения дислокаций и их групп, возникновения и развития трещин.

Третий тип импульсов на рис. 14–а соответствует акселерационному процессу. При сближении дислокаций противополож­ного знака они аннигилируют, либо дислокация выходит на поверхность и исчезает, в обоих случаях их энергия преобразуется в упругую. Сближение или выход дисло­каций на поверхность происходят с ускорением, что легло в основу названия импульса. Энергия процесса аннигиляции дислокаций порядка 10^–18 ... 10^–16 Дж, длительность импульса – 10^–11 с, ширина спектра – сотни МГц. Другие дислокационные источники имеют большую длительность и энергию (10^–6 Дж).

Точечный удаленный от поверхности источник АЭ излучает сфе­рические продольную и поперечную волны. Затухание волн в ме­талле вызывает ослабление высокочастотной со­ставляющей сигнала, т.к. затухание быстро ­растет с частотой. При падении на поверхности ОК эти волны отра­жаются и трансформируются, приводя к появлению поверх­ностных волн. Их амплитуда уменьшается с расстоянием медленнее, чем сферических волн, поэтому приемником преимущественно регистрируются поверхност­ные волны. Это приводит к значительному искажению первоначального сигнала АЭ в точке приема.

Похождение импульсов через приемный преоб­разователь и усилительный тракт с ограниченной полосой пропус­кания приводит к дальнейшему искажению импульсов. Они принимают вид колебаний, длительность их увеличивается, быстро следующие друг за другом импульсы сливаются, рис. 14–б.

Эмиссия может быть дискретной, если длительность регистри­руемых импульсов меньше интервала между ними, или непрерывной в противном случае. Появление импульсов АЭ – процесс во времени статисти­ческий, поэтому можно говорить лишь о средней длительности им­пульсов и интервалов между ними. Дискретность или непрерывность зависит от разрешающей способности регистрирую­щей аппаратуры.

Основные параметры АЭ (ГОСТ 27655-88): число им­пульсов за время наблюдения и активность , равная количеству импульсов за некоторый интервал времени наблюдения (обычно 0,1 или 1 с). Фактически регистрируют не все импульсы АЭ, а лишь превышающие определенный порог (рис. 14-б). Тогда параметры эмиссии обозначают: суммарный счет и ско­рость счета .

Для характеристики процесса АЭ важно знать количество и амплитуды импульсов. Эффективное значение АЭ ( ) – параметр, учитывающий обе величины, он пропорционале­н произведению активности (или скорости счета) АЭ на среднее значение амплитуды сигналов АЭ за единицу времени. Ее обычно выражают в вольтах (микровольтах).

Рассмотрим акустическую эмиссию при деформации материалов. Каждому диаграмме напряжение–деформация ( ), получаемой при испытании на растяжение, соответствует свое изменение процесса АЭ, рис. 15. АЭ наблюдается даже в области упругой деформации (0 … ). Причиной ее появления является неоднородность материала и неравномерное нагружение ОК, из-за чего в отдельных областях происходит плас­тическая деформация. В целом процесс деформации для области (0 … ) остается упругим.

Рис. 15. Типичные кривые изменения эффективности АЭ в сопоставле­нии с диаграммами напряжение — деформация для железа (а, 1) ста­ли (а, 2), металлов с гранецентрированной кубической решеткой (б), стареющих алюминиевых и титановых сплавов (в)

Согласно рис. 15-(а – в) при переходе к пластической деформации АЭ резко возрастает, здесь не пропорционально . Пластическая деформация связана с массовым образованием и перемещением дефектов кристаллической решетки. Происходит образование и движение дислокаций, двойникование. Все эти процессы сопровождаются сигналами АЭ. Пластическая деформация объема мм³ вызывает импульсы АЭ с энергией порядка 10^–4 Дж и шириной спектра порядка 0,5 МГц.

Максимум эффективного значения и активности АЭ достигает вблизи предела текучести . Это напряжение соответствует усло­вию, где пластическая деформация составляет 0,2% длины об­разца. Затем значения и уменьшаются, т.к. движение образующихся дислокаций ограничивают существу­ющие (дислокации не могут пересекаться). Поэтому сигналы АЭ с достаточной для регистрации амплитудой появляются все реже.

Дополнительные максимумы АЭ у некоторых материалов (рис. 15-а) наблюдаются в конце площадки текучести или вбли­зи максимума напряжения . Они связаны с разрушением цементитовых пластинок в стали (рис. 15-а, кривая 2) и двойникованием, рис. 15-в. Перед разрушением ОК обычно на­блюдают импульсы большой амплитуды.

Важный параметр АЭ при пластической деформации – ампли­тудное распределение. Металлы с решеткой типа гранецентрированный куб (алюминий, -железо) имеют небольшую среднюю энер­гию импульса (менее 10^–10 Дж), сигналы большой амплитуды наблюдают редко. Здесь характерна деформация скольже­нием.

Металлы с решеткой типа объемно центрированный куб ( -железо) имеют большие значения энергии импульсов. Деформация металлов с гексагональной плот­но упакованной решеткой (цинк, титан) сопровождается им­пульсами АЭ с амплитудой в тысячи раз большей (порядка 10^–6 Дж), т.к. они деформируются двойникованием.

Факторы, повышающие амплитуду сиг­налов АЭ: высокая прочность, анизотропия, неоднородность, крупнозернистость (литая структура), большая толщина мате­риала, большая скорость деформации, низкая температура, нали­чие надрезов.

В ОК с искусственными (надре­зы) и естественными (трещины) дефектами происходит концентрация напряжений вблизи острого края дефекта. Здесь образует­ся локальная зона пластической деформации, объем которой про­порционален коэффициенту интенсивности напряжений ( ) – вели­чина, характеризующая напряженное состояние.

Для тонкой пластины с трещиной длиной :

.

В этой зоне появляются импульсы АЭ, число которых связано с . Если локальное напряжение превосходит предел прочности, про­исходит микроразрыв – скачкообразный рост дефекта, который проходит через эту зону. Появляются сиг­налы АЭ. При дальнейшем нагружении процесс повторяется. Число импульсов АЭ растет с ростом :

,

(7)

где и зависят от материала и условий испытаний ( = 1 … 20).

Эмиссия при многократном нагружении. При повторном нагру­жении АЭ резко ослабевает, начиная вновь регистрироваться при достижении максимальной нагрузки первого цикла. Это яв­ление называют эффектом Кайзера. Он хорошо прояв­ляется на гладких образцах, хуже на образцах с надрезом, что указывает на накопление повреждений при повторных нагрузках.

Рис. 16. Число импульсов АЭ и раскрытие трещины в зависимости от числа циклов нагружения . Мак­симальное напряжение постоянно

На рис. 16 показан рост числа импульсов АЭ в зависимо­сти от числа циклов нагружения при малоцикловых испытаниях образца с надрезом. Участок соответствует первому циклу, сум­марный счет импульсов здесь быстро растет. В окрестностях точки рост замедляется в 10 ... 100 раз, на участке суммар­ный счет остается практически постоянным. В этом проявляется эффект Кайзера.

При циклических нагрузках повреждения в металле образца мед­ленно накапливаются, после чего эффект Кайзера перестает действовать. Перед появле­нием видимой трещины происходит ускоренный рост (участок ) и далее медленное увеличение с ростом трещины ( ). При до­стижении трещиной определенного раз­мера происходит разрушение, со­провождаемое ростом ( ). Кривая на рис. 16 условна, т.к. трещина растет скачками, и линия имеет ряд ступеней, которые сглажены.

Для неметаллических матери­алов существуют особенности в поведении АЭ. Для стеклопласти­ков, например, установлен эф­фект послезвучания, т.е. при не­изменной нагрузке и при разгруз­ке АЭ продолжается. Отсутствует эффект Кайзера: при каждом повторном нагружении возника­ют сигналы АЭ, активность которой несколько снижается при повторных циклах.