4.3. Области применения аэ

1. Испытания и эксплуатация конструкций. В задачи АЭ входит оценка разрушающей нагрузки при воздействии на ОК низкой (испытательной) нагрузки или диагностика работы ОК при воздействии рабо­чей нагрузки. Объектами испытаний являются работаю­щие под давлением сосуды, трубные системы, детали самолетов, ракет, мосты и др. При испытании на ОК разме­щают несколько ПЭП (рис. 19) и регистрируют их по­казания. Для успешных испытаний важен правильный выбор параметров и методики контроля.

Частоту или диапазон частот, в котором регистрируют сиг­налы АЭ, выбирают с учетом уровня шумов ОК. Анализ шумов прово­дят до нагружения и при малом нагружении. Шумы имеют различное происхождение и, как правило, уменьша­ются с частотой. Для корпусов атомных реакторов амп­литуда гидравлических шумов ниже 300 кГц намного больше сигналов АЭ, на частотах выше 800 ... 1000 кГц шумы практически не меша­ют контролю. Кавитационные шумы, возникающие от захлопывания пузырьков в жидкости, имеют частоты до 1...1,2 МГц. Они отличаются от сигналов АЭ большим количеством сиг­налов на единицу времени и не зависят от приложенной нагрузки.

Возмож­ной причиной помех может быть разрушение покрытия ОК (лаки, краски) и поверхностного окисного слоя. Чем выше регистрируемая частота, тем легче отстройка от шу­мов, но быстрее затуха­ют с расстоянием сигналы.

Количество ПЭП выбирают в зависи­мости от задач контроля. При механических испытаниях образцов в форме стержня достаточно иметь один ПЭП, расположенный на торце или другой части образца. Но и в этом случае полезно применять два ПЭП, расположенных по разные стороны от облас­ти, где ожидается разрушение. Тогда можно, используя систему локации источников АЭ, выделять сигналы из этой области и от­страиваться от шумов, возникающих в системе крепления образ­ца.

Более сложная проблема – контроль объектов с большой пло­щадью поверхности. Здесь определяют необходимое рас­стояние между ПЭП с учетом затухания ультразвука в выбранном диапазоне частот. ПЭП размещают на ОК так, чтобы обеспечить надежный контроль областей с наиболее вероятным появлением и развитие дефектов: сварные швы, места концентрации напряжений. На сосудах давления ПЭП размещают на расстоянии 200 ... 5000 мм друг от друга вблизи особо напря­женных сварных швов, радиусных переходов, патрубков (рис. 18 и рис. 19). Правильность размещения ПЭП и работоспособность аппаратуры проверяют имитатором АЭ. Конт­ролируют надежность регистрации сигналов на разных участках ОК и точность определения координат источников.

Рис. 19. Испытание участка трубы ме­тодом АЭ четырьмя ПЭП. Внизу пока­заны предусилители

Наиболее сложная проблема методики дефектоскопического контроля с по­мощью АЭ – это задание критериев опасного состояния объекта, т.е. какой параметр АЭ и его количествен­ное значение следует принять как предвестники разрушения.

Трудность задачи состоит в выделении АЭ от растущей трещины на фоне сигналов, связанных с пластической деформа­цией. Изучение пара­метров АЭ в процессе испытаний показало, что активность и амплитуда сигналов из­меняется немонотонно: они могут достигать максимумов, превы­шающих значения этих параметров перед разрушением.

В настоящее время наиболее информативным параметром, сигнализирующим о приближении разрушения, – считается рост суммарного числа импульсов с начала испытаний. Каждый импульс АЭ свидетельствует о единичным акте разрушения. Коэффициент интенсивности напряжения в (7) растет при каждом новом разру­шении. Поэтому для разрушающегося ОК подобно (7) можно записать:

,

(8)

где – аналогичен входящему в (7); – кон­станта; – параметр нагружения, который может соответствовать ме­ханическому напряжению, числу циклов испытаний, времени ис­пытаний при коррозионном растрескивании и т. д.

На рис. 20 показана кривая роста числа импуль­сов при увеличении статической нагрузки ОК. На пер­вом участке до рост определяется зависимостью (8), . На участке показатель . Локальная область, где про­исходит этот рост, соответствует активному источнику и требует внимания. Участок соответствует упрочнению мате­риала. На участке дефект преодолел зону упрочнения и раз­вивается. Здесь , источник АЭ критически активен. При даль­нейшей нагрузке источник становится катастрофически активным, . При сохранении режима нагружения ОК обязательно разрушится по участку, где был источник эмиссии. Ступенчатый ха­рактер кривой соответствует скачкообразному росту трещин.

Рис. 20. Характерная зависи­мость числа импульсов АЭ от ста­тической нагрузки

Сравнение рис. 20 и рис. 16 демонстрирует сходство кривых на завер­шающем участке перед разрушени­ем. В одном случае параметр – статическая нагрузка , в другом это число циклов нагрузки , что подтверждает правильность предположений в (2.54).

Метод АЭ обеспечивает ин­тегральный контроль кон­струкций и обнаружи­вает несплошности, пред­ставляющие действительную опас­ность. Но он не дает достаточной информации для предска­зания работоспособности ОК задолго до разрушения.

2. Испытание материалов. Исследования АЭ могут быть направлены на уточнения поведения АЭ в процессе других, более сложных, испытаний (сварка), либо для изучения природы процессов, происходящих в материале.

Механические испытания материалов – наиболее очевидное применение АЭ. Для этой цели разрабатывают специальные «бесшумные» испытательные машины с минимальным уровнем шумов от сочленений, приводов, зажимов.

Применение АЭ для испытания композитных материа­лов (стеклопластики) позволило установить механизм разрушения. Слабые сигналы АЭ соответствуют разрушению адге­зии эпоксидной смолы, наиболее сильные – разрыву стеклово­локна.

Использование АЭ при термических испытаниях пока­зали, что изменение агрегатного состояния (плавление, затверде­ние) вызывает появление значительной АЭ лишь в случае, когда об­разец «зажат», т.е. условия испытаний ограничивают изменение размеров образца. Эмиссия в этом случае связана с механически­ми нагрузками.

Аллотропические превращения кристаллической решетки в твер­дом состоянии сопровождаются сигналами АЭ большой интенсив­ности при мартенситном превращении. Такое превращение проис­ходит при охлаждении ниже точки перекристаллизации в неболь­ших объемах путем небольшого перемещения атомов в решетке. Появляющаяся фаза имеет больший объем, чем исходная.

Например, образование мартенситных плоскостей в стали (на шлифе имеют вид игл) в переохлажденном аустените – растворе углерода в -железе. Мартенсит – это пе­ресыщенный твердый раствор углерода в -железе. АЭ позволяет определить скорость и полноту мартенситного превращения, время образования мартенситных игл.

Коррозионные испытания. Метод АЭ эффективен для слежения за коррозией под напряжением. В этих испытаниях механически нагруженный деформированный ОК подвергают действию аг­рессивной среды. Напряжения интенсифицируют процесс корро­зии. В образце появляются трещины, деформация усиливается, на­пряжение снимается. Возникновение коррозионных трещин сопровождается появле­нием интенсивных сигналов АЭ. По ним можно судить о проте­кании процесса без доступа к месту коррозии.

Контроль процесса сварки методом АЭ связан с идентификацией большого количества сигналов:

1. – помехи из-за истечения защитного газа и горения дуги не превышает 10 дБ;

2. – амплитуда сигналов АЭ при плав­лении и последующей кристаллизации основного и присадочного металлов достигает 26 дБ. Они связа­ны с деформацией объема и мартенситными превращениями при охлаждении;

3. – сигналы растрескивания оксидной и шлаковой пленки на по­верхности – до 35 дБ;

4. – сигналы от горячих трещин не превышают 20 дБ;

5. – наибольшие сигналы (до 50 дБ) от холодных трещин. За 0 дБ при­нят минимальный сигнал, регистрируемый аппаратурой.

Для разных типов сварки характерно различное распределение сигналов АЭ во времени. Для бездефектной сварки под флюсом и в среде углекислого газа наблюдается непрерывная эмиссия на уровне 30 ... 40 дБ. Дуговая сварка сопровождается более четкими импульсами АЭ такой же амплитуды. Изменение в рас­пределении сигналов АЭ говорит о нарушении сварочного про­цесса.