Исследование повреждаемости углеродистой стали методом акустической эмиссии

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2012. Вып. 1. С. 203-210

ФизикА

УДК 620.179.17

Исследование повреждаемости углеродистой стали методом акустической эмиссии

А. Н. Чуканов, А. Н. Никитин, Р. Н. Васин, М. В. Жачко

Аннотация. Представлены результаты исследований повреждаемости образцов конструкционной стали 20 с использованием метода акустической эмиссии. В динамике развития повреждаемости стали 20 выявлены 3 характерные стадии. Установлено, что метод акустической эмиссии адекватно описывает процессы, происходящие в поврежденном материале. Зафиксированная в данной работе смена интенсивности суммарной энергии и суммарного количества сигналов акустической эмиссии связана со сменой характера (механизма) деформации.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, повреждаемость,

суммарный счет, суммарная энергия, сталь 20, наводороживание.

Введение. В настоящее время использование стальных конструкций в условиях напряжения и в водородосодержащих средах делает актуальной задачу исследования повреждаемости их материалов. Своевременное прогнозирование зарождения разрушения позволяет оценить ресурс изделий и конструкций и предотвратить катастрофическую поломку оборудования. В настоящее время всё более широкое применение в практике неразрушающего контроля находят акустические методы. Физическая природа возникновения акустической эмиссии (АЭ) прямо связана с зарождением и развитием повреждаемости в материалах, поскольку АЭ является своеобразным откликом состояния исследуемого объекта. АЭ вызвана локальной динамической перестройкой внутренней структуры материала [1, 2].

В данной работе исследовали изменения параметров сигналов АЭ в зависимости от длительности внешнего деструктивного воздействия (насыщение водородом).

Целью работы являлся анализ параметров сигналов АЭ и установление связи данных параметров с процессами развития повреждаемости материала.

Материалы и методика эксперимента. Измерения параметров сигналов АЭ проводили в ОИЯИ (Дубна), ЛНФ с помощью системы Vallen AMSY-5 (рис. 1), разработанной компанией Systeme Gmbh (Германия) [3]. Данная система предназначена для проведения полевых испытаний, мониторинга технологических процессов и лабораторных исследований [4]. AMSY-5 снабжена 12-ю независимыми каналами регистрации АЭ ASIPP (Acoustic Signal Processor) с 10 МГц 16-и битным АЦП. Каждый канал снабжен фильтром 95-850 КГц, модулем TR-4M (с 8 Мб буфером данных) для записи волновых форм [4].

Исследования АЭ проводили на образцах малоуглеродистой стали 20. Образцы имели цилиндрическую форму длинной l = 200 мм и диаметром d = 8 мм и различную степень коррозионной поврежденности. Для создания поврежденных материалов в работе использовали широко распространенный при эксплуатации процесс — наводороживание. Наводороживание проводили по методу катодной поляризации в растворе H2S О4 (плотность тока j = = 60 А/м2). Для стимуляции наводороживания и контроля уровня общей коррозионной поврежденности применяли тиомочевину — NH2CNSH2.

Рис. 1. Схема установки датчиков (слева) и 12-тиканальная система УаПеп ЛМБУ-5 и нагружающее устройство с образцом (справа) [4]

После насыщения водородом образцы помещали в нагружающее устройство и подвергали одноосному сжатию в диапазоне 41-255 МПа, не допуская пластической деформации, сохраняя геометрическую стабильность образцов. Датчики на образцах закреплялись вдоль боковой поверхности по спирали (рис.1).

Результаты эксперимента. На рис. 2 приведены зависимости энергии (Ее) и суммарного количества сигналов АЭ (^н) для стали 20 (^ = 60 А/м2) от напряжения. Аналогичные зависимости наблюдались для всех образцов стали 20 с различным временем наводороживания. Подобное резкое изменение активности АЭ, примерно в 2-4 раза, наблюдается при нагрузке 130-150 МПа. На этих зависимостях наблюдается перегиб, связанный с изменением интенсивности АЭ.

Рис. 2. Суммарная энергия и суммарное количество сигналов АЭ в зависимости от напряжения для стали 20 (длительность наводороживания

т = 5 ч)

Зависимости длительности сигналов АЭ также подтверждают наличие двух участков различной интенсивности (рис. 3). Это можно объяснить сменой характера механизмов развития повреждаемости в материале.

Рис. 3. Длительность сигнала АЭ в зависимости от времени эксперимента. Одна точка = один сигнал. Сталь 20 ] =60 А/м2, время наводороживания 5 ч. Нагрузка 14.1—^255.8 МПа

Далее провели линейную аппроксимацию указанных областей (рис. 4) при напряжениях: 0-130 МПа и 130-255,4 МПа, чтобы найти значения интенсивностей СКъ/йа и 1Еъ/йа.

На рис. 4 представлены графики ёМъ/1а(т) и ІЕъ/Іа(т) сигналов АЭ от напряжения.

Рис. 4. Суммарное количество и суммарная энергия сигналов АЭ в зависимости от напряжения для стали 20 ^ = 60 А/м2, длительность наводороживания т = 5 ч)

На участке 0-130 МПа наблюдается максимум интенсивностей параметров АЭ (рис. 5). Для ёМ^/ёа(т), так и для йЕ^/йа(т), этот максимум приходится на 5 ч наводороживания.

Рис. 5. Зависимость интенсивности количества импульсов АЭ от длительности наводороживания для стали 20

Подобные максимумы также присутствуют на зависимостях энергии, медианной частоты (Емы) и среднего значения сигнала АЭ (иЯМБ) от длительности наводороживания, полученных ранее на акустико-эмиссионной установке ЭЯ-2 (рис. 6).

На рис. 5 стадия роста фиксировавшихся параметров сигнала АЭ свидетельствует о хаотическом зарождении и интенсивном накоплении источников внутренних напряжений в материале. Это отражает накопление, диффузию атомарного и мегомолизацию водорода в коллекторах (в лакунах и трещинах). Параллельно идут процессы дислокационно-примесного и дислокационного взаимодействия. При увеличении длительности насыщения водородом до 15 ч, активизируются процессы, приводящие к релаксации микронапряжений, это соответствует ниспадающей ветви (рис. 5). Видимо,

после 5 ч наводороживания достигается некий максимум локальных микронапряжений. После чего происходит их релаксация.

Рис. 6. Зависимость энергии и медианной частоты сигнала АЭ от длительности наводороживания для стали 20

Кроме того, на зависимостях количества импульсов сигналов АЭ от приложенных растягивающих напряжений фиксировали три пика (рис. 7). Первые два находятся в области упругой деформации материала и связаны с образованием и движением дислокаций. В работах [9, 10] показано, что данные пики активности АЭ, соответствующие стадии упругой деформации, связаны с коллективным движением и размножением дислокаций в области границ зерен преимущественно поверхностного слоя, а также с их выходом на поверхность. Кроме того, как свидетельствуют результаты эксперимента [11], стадия упругой деформации сопровождается активным образованием микронесплошностей в зернограничных областях.

Третий пик лежит в области предела текучести материала рис. 7 (для стали 20 ат = 250 МПа [12]). Сигналы АЭ, регистрируемые на данной стадии, по мнению авторов [11] свидетельствуют об активной генерации и движении дислокаций в процессе легкого скольжения при пластической деформации. Происходит увеличение плотности дислокаций с их выходом на границы зерен и поверхность материала.

Рис. 7. Зависимость количества импульсов сигналов АЭ от напряжения

Заключение. В процессе одноосного сжатия образцов стали 20, предварительно насыщенных водородом в диапазоне 1-15 часов,

фиксировали три диапазона акустического излучения различной интенсивности:

1) 0-5 ч. Энергия, среднее значение, медианная частота сигнала АЭ растут до максимальных значений. Зафиксировано относительно большое количество импульсов сигнала АЭ. Что может свидетельствовать о том, что резко растет количество источников.

2) 5-10 ч. Количество импульсов резко падает (~65 раз), при этом плавно снижаются среднее значение сигнала, медианная частота и энергия сигналов

АЭ.

3) 10-15 ч. Количество сигналов АЭ незначительно растет, а значения всех остальных параметров АЭ достигают своих минимальных значений. Это говорит о том, что происходит смена источников сигнала АЭ.

Из эксперимента следует что, независимо от схемы нагружения, зависимости параметров сигналов АЭ имеют схожий характер. В обоих случаях зафиксированы три характерных диапазона и максимумы при 5 ч насыщения материала водородом. Подобные зависимости с наличием трех диапазонов были получены в работах [5, 13].

Зафиксированная в данной работе смена интенсивности суммарной энергии и суммарного количества сигналов АЭ связана со сменой характера (механизма) деформации [6, 8]. Здесь упругая деформация переходит в микропластическую.

Выводы. Насыщение сталей водородом способствует объемным изменениям и возникновению внутренних напряжений в конструкционных материалах, приводит к увеличению дефектов структуры и зарождению микротрещин.

Так как чисто упругие деформации не рождают АЭ, регистрация ее в зоне упругих деформаций конструкционных материалов свидетельствует о появлении в них пластически деформируемых микрообъемов уже при низкой нагрузке.

По полученным зависимостям параметров сигналов АЭ можно судить о смене механизмов деформации в материале.

Результаты, полученные методом АЭ, качественно описывают процессы, происходящие в исследуемых материалах.

В данной статье приведены результаты начального этапа исследований. В дальнейшем планируется продолжить развитие этого направления с применением нового программного обеспечения. Планируется проведение совместного анализа параметров сигнала АЭ и характеристик неупругих эффектов, полученных методом механической спектроскопии (метод внутреннего трения), для уточнения природы сигналов АЭ в поврежденных образцах.

Список литературы

1. Стрижало В.А., Добровольский Ю.В., Стрельченко В.А. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкции. Ин-т проблем прочности. Киев: Наук. думка, 1990. 232 с.

2. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Стандарты, 1976. 256 с.

3. Родкин М.В., Никитин А.Н., Васин Р.Н. Сейсмотектонические эффекты твердофазных превращений в геоматериалах. М.: ГЕОС, 2009. 198 с.

4. Обзор аппаратуры акустической эмиссии. www.panatest.ru

5. Абрамов К.А., Бурнышев И.Н. Связь акустической эмиссии с водородопрони-цаемостью и степенью повреждаемости стали 08КП при электролитическом наводороживании // Физическая химия и мезоскопия. 2008. Т.10. №4. С.474-481.

6. Камышниченко Н.В., Кузьменко И.Н., Роганин М.Н. Исследование акустической эмиссии в стали 45 при постоянной скорости деформации // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. 2005. Т.10. Вып.2. С.153-156.

7. Мерсон Д.Л. Перспективные материалы: учебное пособие для вузов. М.: ТГУ, МИСИС, 2007. Т.2. 468 с.

8. Башков О.В., Семашко Н.А. Акустическая эмиссия при смене механизмов деформации пластичных конструкционных материалов // Физическая мезомеханика. 2004. Т.7. №6. С.59-62.

9. Пенкин А.Г, Терентьев В.Ф. Оценка степени повреждаемости конструкционной стали 19Г при статистическом и циклическом деформировании с использованием акустической эмиссии // Металлы. 2004. №3. С.78-85.

10. Одинг И.А., Либеров Ю.П. Накопление дефектов и образование субмикроскопических трещин при статическом деформировании армко-железа // Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия и топливо, горное дело. 1964. №1. С.113-119.

11. Башков О.В., Панин С.В., Башкова Т.И. Исследование и идентификация механизмов деформации и разрушения стали 12Х18Н10Т методом акустической эмиссии // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2010. №11-1(2). С.145-154.

12. www.spt-sib.ru

13. Бурнышев И.Н., Абрамов К.А. Об акустической эмиссии при наводороживании малоуглеродистой стали // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. Вып.2. С.90-94.

Чуканов Александр Николаевич (alexchukanov@yandex.ru), д.т.н., профессор, кафедра физики, Тульский государственный университет.

Никитин Анатолий Николаевич (nikitin@nf.jinr.ru), д.ф.-м.н., заведующий лабораторией, лаборатория нейтронной физики им. Франка, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Васин Роман Николаевич (olddragon@mail.ru), к.т.н., младший научный сотрудник, лаборатория нейтронной физики им. Франка, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Жачко Марина Викторовна (jasvomj@mail.ru), аспирант, кафедра физики, Тульский государственный университет.

Investigation of damage to carbon steel by acoustic emission A.N. Chukanov, A.N. Nikitin, R. N. Vasin, M.V. Zhachko

Abstract. The results of studies of damage to structural steel samples 20 using the method of acoustic emission. In the dynamics of damage to steel 20 identified three characteristic stages. It is established that the acoustic emission method adequately describes the processes occurring in the damaged material. Recorded in this paper change the intensity of the total energy and total number of acoustic emission signals associated with a change in the nature (mechanism) of deformation.

Keywords: acoustic emission, damaging, total emission, acoustic emission energy, steel 20, hydrogenation.

Chukanov Alexander (alexchukanov@yandex.ru), doctor of technical sciences, professor, department of physics, Tula State University.

Nikitin Anatoly (nikitin@nf.jinr.ru), doctor of physical and mathematical science, head of laboratory, Frank laboratory of neutron physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna.

Vasin Roman (olddragon@mail.ru), candidate of technical sciences, junior researcher, Frank laboratory of neutron physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna.

Zhachko Marina (jasvomj@mail.ru), postgraduate student, department of physics, Tula State University.

Поступила 10.11.2011