СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ДЕГРАДАЦИИ МАТЕРИАЛА, ОБРАЗОВАНИИ ТРЕЩИН И РАЗРУШЕНИИ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF IDENTIFYING SOURCES OF ACOUSTIC EMISSION SIGNALS ARISING FROM DEGRADATION OF MATERIAL, CRACKING AND STRUCTURAL FAILURE

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям прочности и предназначено для идентификации источников сигналов акустической эмиссии, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции.
Известен способ, когда регистрацию трещин в хрупких тензопокрытиях осуществляют с применением акустико-эмиссионного контроля [1]. При этом акустико-эмиссионная система регистрирует не только сигналы, возникающие при образовании трещин в хрупком слое покрытия, но и сигналы помех, а также сигналы, вызванные деградацией материала подложки в процессе ее деформирования и разрушения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является Патент №2403564 РФ: МПК G01N 29/14, опубликованный 10.11.10 [2].
В исследуемых зонах конструкции устанавливают хрупкие тензоиндикаторы, для дистанционного контроля за состоянием которых: регистрацией и локацией образующихся трещин используется акустико-эмиссионная система. Для отделения «полезных» сигналов (образования трещин в хрупком слое тензоиндикаторов) от всех других сигналов выполняется их фильтрация.
Недостатком этого технического решения является то, что в процессе фильтрации теряется полезная информация, которую дает метод акустической эмиссии (АЭ) о степени деградации материала подложки в процессе ее деформирования.
Задача, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделий идентифицировать источники регистрируемых сигналов, распознавать сигналы, возникающие при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции в ходе ее деформирования.
При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача осуществляется путем введения диаграммы параметров, характеризующих скорость затухания импульса и усредненную частоту выбросов.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что при регистрации сигналов акустико-эмиссионной системой дополнительно использован алгоритм для распознавания сигналов по форме затухающей волны.
В качестве существенных признаков, наиболее информативных для распознавания сигналов по форме затухающей волны, применены комбинированные параметры:
m
И
И
И
u/N, N/t,
m
где u - максимальная амплитуда импульса,
И
N - число выбросов,
И
t - длительность импульса.
m
И
И
И
Для классификации регистрируемых сигналов АЭ в поле этих параметров специально разработано программное обеспечение, позволяющее на диаграмме дескрипторов u/N и N/t проследить динамику формирования кластеров сигналов при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции в процессе ее нагружения.
m
И
th
Границы кластеров, формируемых сигналами АЭ, возникающими при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции, для параметра u/N зависят от порога регистрации u и их вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>,</mo><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>B</mi><mo>,</mo><mi>H</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>lg</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>lg</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>,</mo><msub><mi>H</mi><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
,
th
min
где (u) - минимально возможное значение порога регистрации, соответствующее 26 дБ, при котором не регистрируются шумы электрического тракта используемой АЭ аппаратуры,
th
K - коэффициент для определения границ кластера устанавливается в зависимости от природы источника сигнала и уровня порога u.
Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. контроля за состоянием материала конструкции в процессе ее деформирования, а следовательно, диагностики степени ее деградации и предотвращения разрушения материалов и изделий по условиям прочности.
m
И
И
И
В качестве примеров демонстрации заявляемого способа рассмотрено применение диаграммы параметров u/N и N/t при исследовании акустико-эмиссионных свойств многослойного оксидного тензопокрытия. Примеры сопровождаются графическими иллюстрациями, которые представлены на фиг. 1-7:
Фиг. 1 - схема образования трещины в оксидном тензоиндикаторе;
Фиг. 2 - график изменения деформации по длине балки при изгибе;
Фиг. 3 - сопоставительная локационная картина распределения сигналов в хрупком слое;
Фиг. 4 - осцилограмма сигналов при образовании трещин в тензоиндикаторах;
th
Фиг. 5 - кластер сигналов АС при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора при уровне порога u, равном 26 дБ;
th=60 дБ
Фиг. 6 - кластер сигналов акустической эмиссии при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора при уровне порога u;
th=32 дБ
Фиг. 7 - кластер сигналов акустической эмиссии при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора при уровне порога u.
Хрупкий оксидный тензоиндикатор фиг. 1 представляет собой тонкую алюминиевую фольгу, подвергнутую электрохимическому анодированию для получения прозрачной оксидной пленки (толщиной 15-35 мкм) и наклеенную на исследуемый элемент конструкции [3].
1
0
0
0
При возникновении в подложке алюминиевой фольги деформаций ε, превышающих величину пороговой деформации ε в оксидной пленке тензоиндикаторов, образуются картины трещин, отражающие силовое поле наибольших главных напряжений (деформаций) на поверхности конструкции. Используя тестовые характеристики тензочувствительности (σ, ε) и график изменения численности трещин в хрупкой оксидной пленке (Ψ) от уровня деформаций в подложке, можно с погрешностью не большей 15% с применением тензоиндикаторов произвести оценку значений главных напряжений (деформаций) на исследуемой поверхности конструкции в области распространения трещин [3].
Хрупкий оксидный тензоиндикатор представляет собой многослойное покрытие, которое включает хрупкий наружный слой толщиной 10-35 мкм, беспористый барьерный слой толщиной порядка 1 мкм, слой алюминиевой фольги толщиной 60-90 мкм и хрупкий слой эпоксидного клея толщиной 60-100 мкм. Все слои тензоиндикатора являются потенциальными источниками сигналов АЭ. По мере повышения уровня деформации в подложке разрушение тензоиндикатора происходит в следующей последовательности. Вначале разрушается наружный хрупкий слой оксида алюминия, затем барьерный слой, потом возникают пластические деформации в алюминиевой фольге и, наконец, разрушается клеевой слой, связывающий тензоиндикатор с поверхностью изделия. Каждый слой генерирует свои сигналы, отличающиеся как по энергетическим, так и по временным параметрам.
2
0
0
Для исследования акустико-эмиссионных свойств оксидных тензоиндикаторов использовалась алюминиевая фольга А7 толщиной 100 мкм, которая наклеивалась на поверхность тестовых образцов с применением эпоксидного клея. Электрохимическое анодирование алюминиевой фольги проводилось в 15% водном растворе серной кислоты с использованием предварительно отработанных режимов оксидирования. Длительность процесса электрохимического анодирования варьировалась от 20 до 60 минут, плотность тока от 4 до 6 А/дм, температура электролита от 0 до 20°С. Такой способ получения тензоиндикаторов позволял регулировать их чувствительность от предельно низких значений ε, равных 400÷500 мкм/м, до ε,равных 2000÷2500 мкм/м.
B
Экспериментальные исследования АЭ свойств оксидных тензоиндикаторов проводились на тестовых образцах в виде калибровочных балок с размерами 200×20×5 мм. При тестировании тензоиндикаторов использовались калибровочные балки из оргстекла СТ-1 и эпоксидной смолы ЭД-20. Эти материалы имеют при относительно низком модуле упругости Е, равном 2900 МПа, предел прочности σ, равный или более 100 МПа, и относительное удлинение при разрыве не менее 3% [4]. К тому же они не являются источниками сигналов АЭ, что особенно важно для уменьшения количества помех, возникающих при тестовых испытаниях тензоиндикаторов.
На фиг.2 показана схема расположение тензоиндикаторов и преобразователей АЭ на поверхности калибровочных балок при испытаниях на консольный изгиб. Между уровнем прилагаемой на конце балки нагрузки и величиной ее прогиба имеет место следующая зависимость:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo>⋅</mo><mi>b</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>6</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>L</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Е - модуль упругости материала балки,
L - длина консоли от заделки до места приложения нагрузки,
b и h - ширина и толщина калибровочной балки.
При величине прогиба f, равной 1 мм, деформации в подложке тензоиндикатора изменялись в зависимости от расстояния до заделки от 60 до 200 мкм/м.
Для регистрации сигналов АЭ при испытаниях образцов исследуемых материалов и тестировании тензоиндикаторов использовались многоканальная многопараметрическая акустико-эмиссионная система A-Line 32D ООО «Интерюнис» и двухканальная система DiSP-2 фирмы «РАС». В качестве акустико-эмиссионных преобразователей (ПАЭ) использовались преобразователи GT200 ООО «ГлобалТест» и резонансные преобразователи DP-151 фирмы «РАС».
Собственные шумы электрического тракта АЭ системы A-Line 32D, включающего ПАЭ, предусилитель, блок сбора и предварительной обработки информации, составляли 26 дБ, а для АЭ системы DiSP-2 с интегральными преобразователями DP-151 - 24 дБ. В зависимости от акустических шумов, возникавших при испытаниях, порог регистрации сигналов АЭ устанавливался в пределах от 26 до 60 дБ.
Сопоставление распределения сигналов АЭ, слоцированных в процессе нагружения калибровочной балки, с картиной распространения трещин в хрупком слое покрытия показано на фиг. 3. В верхней части фигуры приведена локационная картина распределения сигналов АЭ, отражающая процесс распространения трещин в хрупком слое оксидной пленки при нагружения тензоиндикатора. Из фигуры видно, что количество лоцированных сигналов и их распределение между ПАЭ 1 и 2 достаточно хорошо согласуется с числом трещин и их расположением по длине тензоиндикатора. Каждый лоцируемый сигнал АЭ отражает процесс распространения трещины в хрупком слое покрытия.
Возникновение и распространение трещин в хрупком слое тензоиндикатора генерирует сигналы АЭ, параметры которых зависят от многих факторов, в том числе и от толщины хрупкого слоя. Чем больше толщина, тем больше амплитуда импульса, генерируемая при образовании трещины в тензопокрытии. Сигналы, регистрируемые при образовании трещин в хрупком слое тензопокрытия, характеризуются значительной амплитудой и высокой скоростью затухания. На фиг.4 приведены осциллограммы типичных импульсов сигналов, генерируемых образованием трещин в тензопокрытиях при толщине хрупкого слоя 21 и 33 мкм.
m
И
И
И
m
И
И
И
С применением разработанной программы, позволяющей в поле дескрипторов u/N, N/t проследить динамику формирования кластеров сигналов в процессе деформирования и разрушения объекта АЭ диагностики, проведены тестовые испытания многослойной структуры тензоиндикатора в процессе его деформирования и разрушения. На диаграмме параметров u/N, N/t определены кластеры, формируемые сигналами АЭ, возникающими при разрушении хрупкого слоя, алюминиевой фольги (подложки) и клеевого слоя.
m
И
th
th
m
И
Анализ диаграмм, регистрируемых сигналов АЭ, вызываемых образованием трещин в хрупком слое тензопокрытия показал, что границы параметра u/N кластеров регистрируемых сигналов зависят от уровня порога регистрации u. С повышением порога u уменьшается количество регистрируемых выбросов, а следовательно, возрастает величина параметра u/N.
0
th
m
И
th
th
И
И
И
И
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены диаграммы рассматриваемых параметров для сигналов АЭ, вызываемых образованием трещин в хрупком слое для тензоиндикаторов с величиной пороговой деформации ε, равной 500 мкм/м, при уровне порога регистрации u,равном 26 и 60 дБ. С повышением уровня порога интервал значений параметра u/N регистрируемых сигналов существенно возрастает от 20 до 80 мкВ/ед. при u, равном 26 дБ, а также возрастает до 200-1000 мкВ/ед. при u, равном 60 дБ. При этом интервал усредненных частот выбросов N/t регистрируемых импульсов при образовании трещин в хрупком слое покрытия сохраняется в одних и тех же границах от 90 до 170 кГц. Для сигналов, амплитуда которых превышает порог регистрации не более чем в два раза (менее, чем на 6 дБ), параметр N/t может достигать 200 кГц.
m
И
th
Как показали проведенные экспериментальные исследования, границы кластеров, формируемых сигналами образования трещин в тензопокрытии и сигналами, возникающими при разрушении материала подложки, для параметра u/N, зависят от устанавливаемого уровня порога регистрации u и могут быть подсчитаны по формуле:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>,</mo><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>⋅</mo><mi>K</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>lg</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>lg</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>B</mi><mo>,</mo><msub><mi>H</mi><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
, где
th
min
(u) - минимально возможное значение устанавливаемого порога регистрации, соответствующее 26 дБ, при котором не регистрировались шумы используемой АЭ аппаратуры,
th
K - коэффициент для определения границ кластера, величина которого в зависимости от природы источника сигнала и уровня порога u изменяется от 0,1 до 1,1.
th
th
th
min
В качестве примера определим границы кластера для сигналов АЭ, возникающих при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора при уровне порога u, равном 32 дБ. При этом величина коэффициента для определения границ кластера сигналов АЭ составит 0,33. Такое значение коэффициента применяется, когда u превышает (u) на 2 дБ и более.
m
И
th
th
th
min
В приведенной выше формуле границы кластеров параметра u/N подсчитываются как отношение максимальной амплитуды сигнала (мкВ) к количеству выбросов (ед.) до ухода волны под порог u, величина которого также измеряется в мкВ. Для перехода к децибелам в формуле используется следующая зависимость: 20·(lg(u)-lg(u)).
th
min
m
И
th
Исходя из того, что при (u), равном 26 дБ, границы параметра u/N кластера, формируемого сигналами АЭ, возникающими при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора при толщине оксидной пленки 33 мкм, составляют 20 и 80 мкВ/ед. (см. фиг.5), определим примерные границы кластера при u, равном 32 дБ:
m
И
H
(u/N)=0,33.(32-26).20=40 мкВ/ед.;
m
И
B
(u/N)=0,33.(32-26).80=160 мкВ/ед.
m
И
th
Подсчитанные значения границ параметра u/N кластера достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при уровне порога u, равном 32 дБ (см. фиг.7) для сигналов АЭ, возникающих при образовании трещин в хрупком слое тензопокрытия.
m
И
И
И
Сигналы АЭ, генерируемые разными слоями тензоиндикатора, на диаграмме u/N, N/t имеют свои специфические области кластеризации. Для записи сигналов АЭ, генерируемых при пластическом деформировании и разрыве алюминиевой фольги, использовались два способа: первый, когда образец фольги непосредственно подвергался испытанию на разрыв, и второй, когда фольга наклеивалась на калибровочную балку из оргстекла, которая нагружалась консольным изгибом.
С целью регистрации сигналов АЭ, наблюдаемых при разрушении клеевого слоя и отслаивании фольги, были проведены следующие эксперименты. К калибровочным балкам из оргстекла с размерами 240×22×6 мм приклеивались полоска алюминиевой фольги длиной 200 мм и шириной 20 мм. Наклейка осуществлялась с одного конца фольги на длине 140 мм. Свободный конец фольги длиной 60 мм загибался под прямым углом и зажимался с края на длине 40 мм между стальными накладками. Затем балка жестко крепилась в неподвижных опорах, установленных на расстоянии 200 мм. Преобразователи DP-151 размещались на верхней плоскости балки на расстоянии 160 мм. Испытания фольги на отрыв проводились в несколько этапов. На каждом новом этапе нагрузка повышалась на 10 Н и выдерживалась в течение 30 секунд, если не наблюдался отрыв фольги. После этого образец разгружался и выдерживался в течение 3 минут перед следующим испытанием.
th
m
И
И
И
На фиг.7 для уровня u, равного 32 дБ, на диаграмме дескрипторов u/N, N/t приведены кластеры сигналов АЭ, генерируемых различными слоями тензоиндикатора в процессе его разрушения при повышении уровня растягивающих деформаций в подложке.
Как видно из фигуры, границы кластера, образуемого сигналами, возникающими при разрушении хрупкого слоя тензоиндикатора (1), частично перекрываются кластером сигналов, возникающих при разрушении клеевого слоя и отслаивании фольги от подложки (3). Границы кластеров (2) и (4), формируемых сигналами, возникающими при пластическом деформировании и разрыве алюминиевой фольги, располагаются заметно ниже.
4
Для разделения сигналов кластеров (1) и (3) могут быть использованы параметры времени, нагрузки или деформации. Активное разрушение хрупкого слоя тензоиндикатора происходит в области упругих деформаций, задолго до возникновения необратимых структурных изменений в материале подложки. Разрушение же клеевого слоя наблюдается лишь при значительных пластических деформациях, как правило, превышающих 10 мкм/м, когда в хрупком слое тензоиндикатора уже имеет место высокая плотность трещин и процесс образования новых трещин заметно затормаживается, требуя все большего приращения нагрузки. Поэтому при таких значениях деформаций рост активности сигналов АЭ в основном обусловлен процессами отслаивания покрытия и разрушения подложки.
Приведенные примеры показали высокую информативность заявляемого способа не только для регистрации сигналов образования трещин в тензоиндикаторе, но и для оценки степени деградации материала подложки в процессе ее деформирования.
Литература
1. Махутов Н.А., Шемякин В.В, Ушаков Б.Н., Петерсен Т.Е., Васильев И.Е. Применение акустической эмиссии для контроля за процессом образования трещин в хрупких оксидных тензоиндикаторах // Заводская лаборатория. - 2011. №6. 41-44 с.
2. Патент №2403564 РФ, МПК G01N 29/14. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий/ Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А., Ушаков Б.Н.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, №2009100183/28, заяв. 11.01.09, опубл. 10.11.10, Бюл. №31.
3. Напряженно-деформированные состояния ЖРД. / Под ред. Махутова Н.А., Рачука B.C. М.: Наука, 2013, - 646 с.
4. Методы и средства определения полей деформаций: Справочник / Под. ред. Н.И. Пригоровского. М.: Машиностроение, 1983. 248 с.