СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА ОБРАЗЦА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
METHOD OF INSPECTING QUALITY OF SAMPLE MATERIAL BY ACOUSTIC EMISSION

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и может быть использовано для определения предела прочности при одноосном сжатии скальных геоматериалов на образцах.
Известен способ контроля качества материала образцов методом акустической эмиссии, заключающийся в том, что принимают акустическим преобразователем деформационные шумы, сопровождающие трещинообразование в материале, регистрируют импульсные электрические сигналы на выходе преобразователя путем их разделения на группы с близкими по величине амплитудами, и производят считывание количества импульсов в каждой из групп [1].
Недостатком этого способа является его низкая надежность из-за искажения картины распределения амплитуд сигналов акустической эмиссии, обусловленного различным затуханием сигналов, возникающих на различных расстояниях от приемного преобразователя.
Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля материала образцов методом акустической эмиссии, включающий термическое с возрастающей температурой воздействие на образец и регистрацию возникающих в нем сигналов акустической эмиссии [2].
Недостатком известного способа является невозможность с его помощью определить предел прочности материала образца.
В настоящей заявке решается задача определения предела прочности материала образцов скальных горных пород, без их разрушения.
Для решения поставленной задачи в способе контроля материала образцов методом акустической эмиссии, включающем термическое с возрастающей температурой воздействие на образец и регистрацию возникающих в нем сигналов акустической эмиссии, термическому воздействию подвергают серию однотипных выполненных из одного материала образцов до температуры 90°C и для каждого из них определяют среднее значение активности акустической эмиссии в диапазоне 30÷90°C, далее эти образцы подвергаются одноосному механическому нагружению, по результатам которого определяют их предел прочности, строят тарировочную кривую, описывающую взаимосвязь между средней активностью акустической эмиссии и пределом прочности материала для всей серии испытанных образцов, по которой определяют предел прочности материала вновь испытываемых образцов того же типа по их средней активности термоакустической эмиссии в диапазоне 30÷90°C.
Предлагаемый способ базируется на следующих физических предпосылках и установленных авторами экспериментально закономерностях акустической эмиссии в образцах скальных геоматериалов, имеющих различный предел прочности, при их нагревании.
Известно, что при нагревании образцов скальных геоматериалов, таких, например, как гранит, значимая для регистрации акустическая эмиссия возникает при температурах не ниже 30°C, причем вплоть до 90°C ее активность возрастает пропорционально нарастанию термонапряжений, т.е. температуре, без каких-либо явных аномалий. В то же время нагревание до 90°C не приводит к значимому изменению предела прочности скальных геоматериалов, что позволяет рассматривать соответствующий термоакустоэмиссионный контроль как неразрушающий.
При нагревании в указанной выше низкотемпературной области относительно однородных образцов, не содержащих макродефекты, в них возникает некоторое число событий акустической эмиссии за счет термонапряжений по границам микродефектов и зерен включений. Из-за малой частоты возникновения таких событий термоакустической эмиссии можно говорить о достаточной взаимной близости ее усредненных по некоторой температурной области значений для всей группы образцов. В тоже время затухание сигналов термоакустической эмиссии в результате диссипативных потерь и рассеяния на микродефектах велико и тем больше, чем больше в материале образца указанных дефектов. Другими словами конкретное зарегистрированное значение средней акустической эмиссии определяется именно затуханием ее сигналов, т.е. числом микродефектов с увеличением числа которых прочность геоматериала образца уменьшается. Таким образом между искомой прочностью и усредненной в диапазоне нагрева активностью акустической эмиссии существует высоко коррелированная взаимосвязь. Это позволяет с помощью полученных тарировочных зависимостей определять предел прочности скальных геоматериалов по характерной для них средней активности термоакустической эмиссии.
Отмеченные закономерности были подтверждены при проведении авторами экспериментальных исследований на образцах таких геоматериалов как мрамор, гранит, диабаз и других.
Способ контроля качества материала образца методом акустической эмиссии иллюстрируется фиг.1, где приведена тарировочная кривая, описывающая взаимосвязь между средней активностью акустической эмиссии и пределом прочности материала для всей серии испытанных образцов, по которой определяют прочность материала вновь испытываемых образцов того же типа, по их средней активности термоакустической эмиссии, в диапазоне от 30°C до 90°C.
Способ контроля качества материала образца методом акустической эмиссии реализуют следующим образом.
Предварительно с помощью ультразвукового и визуально-измерительного контроля исключают из исследуемой серии образцов геоматериала, те из них, которые содержат макродефекты (т.е. осуществляют операцию цензурирования выборки). На каждом из оставшихся в серии после ее цензурирования образцов подготавливают плоскую поверхность для контакта с кварцевым волноводом диаметром 10 мм, через который осуществляют прием сигналов акустической эмиссии, возникающих при нагревании образца геоматериала. Последовательно каждый из образцов серии помещают в трубчатую печь, например Nabertherm RT 50/250/11 с контроллером типа P320, и проводят его нагрев от 30°C до 90°C, со скоростью примерно 1,5 град./мин. Регистрируют активность возникающей в результате нагревания образцов акустической эмиссии с помощью, например, акустико-эмиссионной измерительной системы A-Line 32D. Затем вычислят среднюю активность акустической эмиссии в диапазоне 30-90°C для каждого из образцов. Далее эти образцы подвергают одноосному механическому нагружению с помощью пресса, например ИП 6011-500-1, по результатам которого определяют предел прочности при одноосном сжатии каждого конкретного образца серии. Строят тарировочную кривую описывающую взаимосвязь между средней активностью акустической эмиссии и пределом прочности материала для всей серии испытанных образцов. Далее по этой кривой определяют прочность материала вновь испытываемых образцов того же типа, по их средней активности термоакустической эмиссии, в диапазоне 30÷90°C.
На фиг.1 приведена, в качестве примера, экспериментально полученная тарировочная кривая, описывающая взаимосвязь между средней активностью акустической эмиссии в диапазоне 30÷90°C и пределом прочности материала образцов гранита Капустинского месторождения. Указанная кривая может быть записана как:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>N</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>N</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>N</mi><mi>Σ</mi><mn>3</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>N</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
a
n
- структурно зависимые коэффициенты получаемые экспериментально, в рассматриваемом случае:
a
a
a
a
a
1
2
3
4
6
=-2383,4; =92,2; =-1.17; =0,005; =-26,49
сж
σ - предел прочности материала, МПа;
Σ
N - средняя активность ТАЭ в диапазоне 30÷90°C, имп.
Для определения значений предела прочности трех ранее не исследованных образов Капустинского гранита, т.е. не входивших в выборку, на основе которой была получена зависимость описываемая формулой (1), эти образцы были нагреты в диапазоне 30÷90°C. В ходе этого нагрева регистрировали среднее значение активности акустической эмиссии, которая составила для первого образца - 35,4 имп., для второго - 37,6 имп. и для третьего - 34,7 имп. Используя зависимость на фиг.1 были получены значения предела прочности этих образцов составившие, соответственно: 76,4 МПа, 83,8 МПа и 74,3 МПа. Для проверки полученных значений предела прочности эти образы были испытаны на прессе ИП 6011-500-1. В результате были получены следующие значения: 79,2 МПа - для первого образца, 80,9 МПа - для второго образца и 77,5 МПа - для третьего образца. Исходя из этого относительная погрешность определения предела прочности для первого из образцов составила 3,5%, для второго - 3,6% и для третьего - 4,1%. Помимо этого по зависимости на фиг.1 и, соответственно, по формуле (1) были определены значения предела прочности контрольной серии из 36 образцов гранита Капустинского месторождения. Каждое из этих значений отличалось от полученного в результате механических испытаний не более чем на 6,8%, а усредненная по всей серии относительная погрешность составила 5,2%.
Таким образом предложенный способ контроля качества материала образца методом акустической эмиссии позволяет определять предел прочности этого материала при одноосном сжатии по полученной предварительно тарировочной зависимости между средней активностью акустической эмиссии в диапазоне 30÷90°C и пределом прочности материала. При этом наличие соответствующей тарировочной зависимости позволяет определять прочность испытываемых образцов без их механического нагружения и разрушения, т.е. обеспечивают неразрушающий характер проведения соответствующего контроля.
Источники информации, принятые во внимании при составлении заявки:
1 Авторское свидетельство СССР №464813, кл. G01N 29/14, 1975.
2 Авторское свидетельство СССР №905777, кл. G01N 29/14, 1982.