2797.Метод регистрации сигналов акустической эмиссии применительно к иссл

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.И. Шилова

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Под редакцией В.Э. Вильдемана

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2015

1

6.1.Экспериментальное исследование процесса накопления повреждений углеродных композиционных материалов на базе регистрации

3

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время благодаря развитию современных технологий всё большее применение находят методы неразрушающего контроля, которые позволяют получить дополнительную информацию о поведении материала при проведении механических испытаний. К таким методам относится и метод акустической эмиссии (АЭ), преимуществом которого является возможность изучения процесса накопления повреждений во всём объёме материала

вреальном масштабе времени, а также соотнесения регистрируемых сигналов с основными механизмами разрушения.

Первые эксперименты с применением специальной аппаратуры для регистрации сигналов АЭ были проведены Ф. Форстером и И. Шейли в 1936 г. [23]. Им удалось зарегистрировать шумы, вызванные формированием мартенсита в образцах в виде проволоки, изготовленных из стали с добавлением никеля. Свой вклад в изучение акустической эмиссии нагруженных кристаллов внесли А.И. Иофе и П.С. Эрнфест.

Само явление акустической эмиссии стали изучать с середины XX в. Дж. Кайзером в 1950 г. были опубликованы первые подробные исследования акустических процессов, происходящих

вматериалах при нагружении [25]. Также им был открыт эффект невоспроизводимости сигналов АЭ, который заключается в отсутствии регистрации сигналов АЭ в металлах при повторном нагружении до тех пор, пока нагрузка не превысит ранее прикладываемые значения. Этот эффект носит имя открывателя – эффект Кайзера. В 1954 г. Б. Скофилд с соавторами повторил и развил работы Кайзера [29]. Также Б. Скофилдом впервые был введён термин «акустическая эмиссия» (acoustic emission).

Внаши дни метод АЭ активно используется в разных областях науки. Его применяют как для решения прикладных задач – в качестве метода неразрушающего контроля производственных объектов: трубопроводов, сосудов давления и др., так

4

идля решения фундоментальных задач – для исследования процессов накопления и развития дефектов в различных материалах. На основе регистрации сигналов АЭ ведутся исследования: металлов, горных пород, композиционных материалов и др.

Основы метода и методические вопросы его применения к широкому кругу исследовательских и производственных задач отражены в работах [2–4, 6, 8, 9, 12, 13, 15].

Цель написания учебного пособия – дополнение методического обеспечения программ подготовки специалистов, бакалавров и магистров, связанных с вопросами экспериментального изучения свойств материалов и применения методов специальной диагностики и дефектоскопии для исследования процесса разрушения материалов и конструкций.

Учебное пособие знакомит с основными особенностями метода регистрации сигналов АЭ и его применением при изучении процесса накопления повреждений материалов при проведении механических испытаний. В издании отражены основные параметры регистрации сигналов, а также методы обработки

иинтерпретации полученных данных. Для закрепления знаний описан небольшой лабораторный практикум проведения испы-

тания на растяжение образца с регистрацией сигналов АЭ, а также представлены примеры работ, направленных на изучение процесса накопления повреждений в материалах на основе применения данного метода.

Автор выражает свою искреннюю благодарность профессору, доктору физико-математических наук В.Э. Вильдеману за поддержку и помощь в редактировании работы, а также сотрудникам Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

5

1. ОСНОВЫ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Метод акустической эмиссии (АЭ) основан на регистрации упругих волн, излучаемых материалом, в процессе внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Источниками акустической эмиссии являются зарождение и развитие трещин, фазовые превращения, пластические деформация и др.

Акустико-эмиссионный отклик зависит от структуры материала и режима деформирования. Материалы при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению.

Простейший тип волны от акустико-эмиссионного источника представлен на рис. 1. По существу, это импульс напряжения, соответствующий смещению поверхности материала.

Волновое смещение представляет собой функцию, близкую к ступенчатой. Напряжение, соответствующее смещению, имеет форму импульса, ширина и высота которого зависят от динамики процесса излучения. Импульсы таких источников, как проскок микротрещины или разрушение осажденных фракций, имеют малую длительность (порядка микросекунд или долей микросекунд). Амплитуда и энергия первоначального импульса АЭ могут меняться в широком диапазоне в зависимости от типа

источника акустической эмиссии. Зародившаяся волна (импульс) распространяется от источника во всех направлениях, при этом распространение в соответствии с природой источника

6

может носить ярко выраженный анизотропный характер (т.е. зависимость скорости распространения от направления, а также анизотропный характер самого излучения импульса).

Форма первоначальной волны претерпевает существенные изменения при распространении в среде материала и при преобразовании датчиком, поэтому сигнал, пришедший с датчика, весьма отдаленно напоминает исходный сигнал от источника. На рис. 2 приведён типовой сигнал эмиссии.

Рис. 2. Типовой импульсный сигнал АЭ

Такое изменение формы сигнала АЭ является важной проблемой, с которой приходится сталкиваться как при исследованиях функции источника, так и при решении практических задач неразрушающего контроля.

В целом исследователями выделяются следующие характерные преимущества метода АЭ:

1.Обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты по степени их опасности.

2.Интегральность. Используя один или несколько преобразователей, установленных неподвижно на поверхности объек-

7

та, можно исследовать весь объект целиком без необходимости сканирования поверхности датчиками.

3.Возможность контроля процессов изменения свойств и состояния материалов в реальном времени, например контроль процесса сварки. Кроме того, метод даёт возможность судить об изменении напряжённо-деформированного состояния материала.

4.Выявляемость дефекта независимо от его формы, положения и ориентации.

5.Возможность исследования различных материалов с разнообразными свойствами и структурой. Метод применяют для изучения горных пород, композиционных материалов, металлов и т.п.

К недостаткам метода относят трудность выделения сигналов АЭ из помех и интерпретации полученных данных. Это связано с тем, что сигналы АЭ относятся к шумоподобным, поскольку АЭ является случайным процессом. Поэтому выделение полезного сигнала из помех представляет сложную задачу. Также трудоёмким является процесс сопоставления основных механизмов разрушения с сигналами акустической эмиссии.

Вопросы для самоконтроля

1.На чём основан метод АЭ?

2.Что может являться источниками АЭ?

3.От чего зависит отклик АЭ?

4.В каких направлениях в материале распространяется импульс АЭ?

5.Каковы основные преимущества метода АЭ?

6.Каковы основные недостатки метода АЭ?

8

2. МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Существует множество подходов к интерпретации сигналов акустической эмиссии. К ним относятся параметрический, спектральный анализы, анализ формы волны и классификация, основанная на методах распознавания образов. Рассмотрим подробнее каждый подход.

2.1.Параметрический анализ сигналов

Вкачестве основных параметров для первого подхода выделяют пиковую амплитуду, количество осцилляций, длительность импульса, время нарастания импульса и энергетический параметр или энергию сигнала (рис. 3).

Рис. 3. Типовые параметры сигнала акустической эмиссии [24]

9

Пиковая амплитуда в ряде случаев позволяет охарактеризовать вид источника акустической эмиссии (механизмы разрушения) и представляет собой значение максимальной амплитуды регистрируемого сигнала. На рис. 4 представлены данные, полученные исследователями для различных типов композиционных материалов и связывающие основные типы разрушения и значения пиковых амплитуд регистрируемых сигналов.

Имеется некоторый разброс данных из разных источников, что можно связать с разными типами материалов, оборудования, параметров и видов испытаний.

Количество осцилляций – это число пересечения сигналом установленного порога. Длительность импульса – время распространения сигнала с момента первого пересечения сигналом порога и до последнего пересечения. Энергия сигнала позволяет охарактеризовать общую повреждённость материала. Существует большое количество вариантов вычисления энергии сигналов акустической эмиссии. В системе регистрации сигналов АЭ компании Vallen-Systeme GmbH энергетический параметр вычисляется, как площадь под огибающей функцией сигнала по формуле (Vallen AE Suit / Vallen-Systeme GmbH, 2010)

где U(t) – напряжение сигнала на выходе преобразователя акустической эмиссии; T – константа, определяемая системой и равная 6,5 мс. Более подробно способы вычисления энергии сигнала АЭ рассматриваются в работе [11].

Параметрический анализ сигналов АЭ прост в использовании, но при этом менее точен, поскольку в процессе деформирования происходит наложение сигналов от разных источников, проявляющих себя одновременно, поэтому классификация сигналов по пиковой амплитуде является предварительной.

10