СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF NON-DESTRUCTIVE METAL DAMAGE CONTROL

Изобретение относится к способам исследования или анализа материалов с помощью ультразвуковых волн, в частности к способам неразрушающего контроля путем измерения времени распространения акустических волн при разных температурах материала и может быть использовано для контроля накопленных повреждений и интенсивности процесса накопления повреждений в металлоконструкции.
Известен способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования, заключающийся в том, что определение времени задержки поверхностной волны производят на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента, а затем определяют критерий поврежденности эксплуатируемого элемента. (Смирнов А.Н., Хапонен Н.А. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования (RU 2231057): G01N 29/20).
Недостатком указанного способа является то, что поверхностные волны чувствительны к геометрии поверхности (например, изменение радиуса кривизны), а так же к микрогеометрии поверхности (шероховатости, волнистости). Эти характеристики поверхности могут меняться в процессе эксплуатации объекта и вносить значительный вклад в эффект, тем самым увеличивая погрешность.
В качестве прототипа выбран способ оценки поврежденности материала конструкций, заключающийся в измерении времени задержки поверхностной, продольной и сдвиговых волн на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента. (Хлыбов А.А., Углов А.Л. Способ оценки поврежденности материала конструкций (RU 2507514): G01N 29/04).
Недостатком указанного способа является необходимость применения трех типов волн, что делает задачу трудоемкой. Так как в способе применяются поверхностные волны, он не лишен и предыдущего недостатка, описанного выше. Более того, поверхностная волна распространяется на поверхности материала и в приповерхностном слое, и изменение временных задержек будет связано с состоянием и повреждением этого слоя, тогда, как продольные и сдвиговые волны распространяются в объеме материала, и, соответственно, изменение временных задержек в этом случае будет связано с состоянием и повреждением объема материала. Состояние поверхности и приповерхностного слоя и объема материала - не одно тоже и, в общем случае, не связаны между собой. Поэтому совместное использование объемных и поверхностных волн для оценки поврежденности локального объема материала не обосновано и значительно увеличивает погрешность при определении поврежденности.
Кроме того, можно выделить один общий недостаток приведенных выше изобретений: для определения поврежденности необходимо иметь новый элемент и разрушенный элемент, что не всегда возможно.
Предлагаемый способ лишен этих недостатков.
Задачей, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешности и снижение трудоемкости определения поврежденности металла.
Технический эффект достигается тем, что, как и в прототипе, определяют временные задержки распространения упругой волны.
Новым является то, что определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя формулу
а
2
1
2
1
ψ=(t/t-1)/(Т-Т)+b,
а
1
2
1
2
где  и b - коэффициенты, определяемые экспериментально, t и t - временные задержки распространения объемной упругой волны при температуре T и Т соответственно.
Новым в частном случае реализации способа по п. 2 формулы изобретения является то, что при деформировании расчет интенсивности накопления повреждений производят по формуле:
1
0
2
1
1
2
1
20
10
0
2
1
1
0
1
0
где ψ - текущее значение поврежденности, ψ - предыдущее значение поврежденности, t' и t' - временные задержки распространения объемной упругой волны для текущей поврежденности ψ при температуре Т' и T' соответственно, t и t - временные задержки распространения объемной упругой волны для предыдущего значения поврежденности ψ при температуре Т и T, ε, ε - величины деформации при текущем значении поврежденности ψ и начальном значении поврежденности ψ соответственно.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
В металле возбуждают объемную упругую волну, измеряют временную задержку ее распространения, нагревают или охлаждают материал до заданной температуры, повторно определяют временную задержку и по результатам измерений рассчитывают поврежденность:
а
1
2
1
2
где  и b - коэффициенты, определяемые экспериментально, t и t - временные задержки распространения объемных упругих волн при температуре T и Т соответственно.
а
Положительный эффект от предлагаемого способа можно пояснить следующим образом. В процессе накопления микроповреждений в кристаллической решетке металла происходит образование дефектов, влияющих на среднюю энергию тепловых колебаний атомов, которая определяет температурную зависимость модулей упругости. Модули упругости материала определяют акустические характеристики материала, в частности скорость распространения объемной упругой волны и, как следствие, временной задержки ее распространения. Предлагаемый способ, в котором измерения временной задержки распространения объемной упругой волны осуществляют при разных температурах, дает возможность учесть влияние температуры на временные задержки волны и выявить временную задержку, связанную только с поврежденностью. Даже учитывая тот факт, что изменение временной задержки, связанной с изменением линейных размеров материала при нагревании или охлаждении, на порядки меньше наблюдаемого эффекта, и для простоты расчета это влияние не учитывают, предлагаемый способ дает заведомо более точный результат по сравнению с прототипом. На уменьшение погрешности также влияет то обстоятельство, что в данном способе используют для измерений и оценки поврежденности только объемные упругие волны, в отличие от прототипа, где совместное использование объемных и поверхностных волн для оценки поврежденности - локального объема материала увеличивает погрешность при определении поврежденности. Кроме того, для осуществления предлагаемого способа нет необходимости постоянно иметь в наличии новый и разрушенный образцы материала, достаточно провести измерения один раз и, вычислив коэффициенты  и b, пользоваться ими для расчета поврежденности в последующих измерениях, что удобно при периодическом обследовании состояния конкретного элемента металлической конструкции.
Для отслеживания состояния металла и процесса накопления поврежденности в динамике удобно использовать формулу для расчета приращения или изменения поврежденности:
1
0
2
1
1
2
1
20
10
0
2
1
где ψ - текущее значение поврежденности, ψ - предыдущее значение поврежденности, t' и t' - временные задержки распространения объемной упругой волны для текущей поврежденности ψ при температурах Т' и Т' соответственно, t и t - временные задержки распространения объемной упругой волны для предыдущего значения поврежденности ψ при температуре Т и T соответственно. Как видно из формулы (2), при расчете приращения или изменения поврежденности нет необходимости в определении коэффициента b, что также существенно уменьшает погрешность.
0
1
Для ψ=0 формулы (2) можно использовать для определения текущего значения поврежденности Δψ=ψ.
Поврежденность ψ изменяется в диапазоне от 0 до 1. При достижении поврежденности 1 материал считается разрушенным. Значение поврежденности, при котором объект должен выводиться из эксплуатации, устанавливается нормативными документами предприятия. В общем случае при достижении поврежденности значения 0,7 и выше эксплуатацию объекта считают опасной.
Пример применения.
0
0
0
0
0
0
0
Измерения проводились на материале АМг6. В материале имелось три участка с различной поврежденностью. В данном случае под поврежденностью понимается относительное изменение разуплотнения материала вследствие одноосного растяжения. Разуплотнение материала рассчитывается по формуле Р=(ρ-ρ)/ρ, где ρ, ρ - начальное и текущее значения плотности материала соответственно. Максимальное разуплотнение материала в области разрыва рассчитывается по формуле Р*=(ρ-ρ*)/ρ, где ρ* - критическое значение плотности материала в области разрыва. Определим поврежденность как относительное изменение разуплотнения материала ψ=Р/Р*=(ρ-ρ)/(ρ-ρ*). Значение поврежденности изменяется в пределах от 0 до 1.
0
Плотность материала с высокой точностью определялась методом гидростатического взвешивания. Первый участок был не поврежденным, т.е. ρ=ρ, ψ=0; второй участок имел максимальную поврежденность: Р=Р*=0,95%, ψ=1. Третий участок имел неизвестную поврежденность, которую необходимо было найти.
2
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
На первом и втором участках были измерены временные задержки объемной упругой продольной волны (несущая частота 5 МГц) при медленном охлаждении от комнатной температуры. График зависимости отношения временных задержек t/t от изменения температуры представлен на фиг. 1, где t - временная задержка при температуре T=293 К, t - временная задержка при текущей температуре Т. Зависимости имеют линейный вид. Найдем коэффициенты а и b, решив систему двух уравнений для случаев ψ=0 и ψ=1. С учетом экспериментальных данных (фиг. 1) отношение временных задержек t/t=0,9873 при Т-T=-65 К для случая ψ=0; t/t=0,9753 при T-T=-65 К для случая ψ=1 в соответствии с формулой (1) запишем систему уравнений:
а
1=(-0,0247)/(-65)+b,
а
0=(-0,0127)/(-65)+b.
а
Таким образом =-6304, b=2,2.
2
1
а
Для определения неизвестной поврежденности на третьем участке с неизвестной поврежденностью получим временные задержки объемной упругой продольной волны в зависимости от температуры. При охлаждении материала T-T=-50 К отношение временных задержек упругих волн составило t2/t1=0,986. Используя формулу (1), с учетом известных  и b получим:
ψ=-6304(-0,0136/-50)+2,2=0,49.
С целью верификации результата методом гидростатического взвешивания была определена плотность материала третьего участка и рассчитаны разуплотнение и поврежденность материала. Среднее значение разуплотнения материала составило Р=0,45%, поврежденность ψ=0,47.
В режиме мониторинга, с учетом, что ψ=0, приращение поврежденности Δψ можно рассчитать формулы (2):
Δψ=ψ-0=-6304*((-0,0136/-50)-(-0,0127)/(-65))=0,48.
При необходимости прогнозировать остаточный ресурс материала при регулярных режимах нагружения мерой скорости накопления повреждения служит интенсивность накопления повреждения. Этот частный случай описан в п. 2 формулы изобретения. При деформировании материала интенсивность накопления повреждения запишется как:
1
0
1
0
где ε, ε - величины деформации при текущем значении поврежденности ψ и начальном значении поврежденности ψ соответственно.
Определение деформации зачастую связано с техническими трудностями, а порой и невозможно, например, при одностороннем доступе к конструкции. Поэтому удобно, в прикладном плане, для определения величины деформации использовать параметр акустической анизотропии, рассчитываемый через объемные упругие поперечные волны. В результате проведенных исследований установлено, что изменение параметра акустической анизотропии ΔА не зависит от температуры и функционально связано с величиной деформации материала по формуле:
1
2
1
0
zx
zy
c, c - константы, определяемые экспериментально, ΔА=А(ψ)-A(ψ) - изменение параметра акустической анизотропии, определяемого через времена распространения поперечных объемных упругих волн, поляризованных вдоль t и поперек t оси деформирования материала по формуле .