АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ РАННЕГО ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
ACOUSTIC-EMISSION METHOD FOR EARLY DETECTING DAMAGES IN DEFORMABLE ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к акустико-эмиссионному методу неразрушающего контроля и ранней диагностики полос локализованной деформации, вызывающих преждевременную коррозию и внезапное разрушение металлических сплавов, демонстрирующих полосообразование и прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье, особенно алюминиевых сплавов систем Al-Mg, используемых при производстве летательных аппаратов.
Известно, что источниками акустической эмиссии (АЭ) является трещинообразование, пластическая деформация и фазовые переходы [1-3]. Наиболее важным итогом исследования деформационной АЭ было обнаружение корреляции между интенсивностью спектра АЭ и кривой нагружения с максимумом интенсивности (одним или более) в районе предела текучести, которая демонстрирует временную неоднородность пластического течения практически у всех исследованных кристаллов. Было установлено, что первый максимум интенсивности АЭ связан с неравномерным развитием полос скольжения. При деформировании алюминиевых сплавов в условиях эффекта Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) было обнаружено, что каждому скачку разгрузки на кривой деформации соответствует всплеск сигнала АЭ, связанный, как предполагалось на основе визуальных наблюдений, с динамикой полос деформации [4, 5]. В работе [6] с помощью метода АЭ зафиксировано зарождение полосы деформации по повышению энергии сигнала и смещению спектра АЭ в сторону низких частот. В работах [7, 8] отмечена большая скорость счета малоамплитудных сигналов АЭ при распространении полосы Людерса в отожженных сплавах Al-Mg, в то же время эволюция последующих полос деформации сопровождается более редким и высокоамплитудными сигналами, откуда сделан вывод, что полоса Людерса менее локализована в пространстве и времени, чем полосы ПЛШ.
Вместе с тем, известные способы акустико-эмиссионного контроля предназначены не для идентификации полос макролокализованной деформации, способных вызвать внезапное разрушение конструкции, а в основном для определения координат источников сигнала АЭ (подвижных дислокационных скоплений, двойников и трещин) на основе анализа спектра акустического излучения [3, 9, 10], скорости затухания ультразвуковых волн [11] и т.д. Настоящее изобретение относится к устройствам технической диагностики и неразрушающего нелокального контроля материалов и изделий и предназначено для раннего выявления моментов потери механической устойчивости деформируемой давлением плоской заготовки или элемента конструкции из металлических сплавов, демонстрирующих прерывистую деформацию в результате зарождения и распространения в материале полос деформации, способных вызывать внезапное разрушение. Данное устройство технической диагностики может быть использовано в системах оперативного подавления полос нелокальными методами, например, с помощью пропускания электрического тока через заготовку (см. [12]).
Наиболее близким техническим решением является способ АЭ контроля (см. [13]), заключающийся в том, что на поверхности объекта контроля в наиболее нагруженных зонах конструкции устанавливают наборы хрупких тензоиндикаторов, настроенных на уровень пороговой деформации, меньшей или равной предельно допустимой для безопасной эксплуатации конструкции, а для дистанционного контроля за их состоянием используют акустико-эмиссионную (ультразвуковую) систему.
Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков: необходимость размещать на поверхности изделия не только приемники ультразвукового излучения, но и наборы хрупких тензоиндикаторов, которые являются источниками АЭ при достижении предельно допустимого состояния материала конструкции, т.е. представляет косвенный способ получения информации о состоянии объекта; невозможность различать трещины в тензоиндикаторе и в объеме материала конструкции по спектру сигнала АЭ; необходимость существенной перестройки акустической системы в случае материалов, демонстрирующих прерывистую деформацию и полосообразование из-за изменения характера корреляции между процессами трещинообразования в тензоиндикаторах и спектром сигнала АЭ.
Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и диагностики состояния механической неустойчивости. Сущность предлагаемого способа акустического контроля полос локализованной деформации и раннего предупреждения об опасности внезапного разрушения материалов и изделий состоит в том, что в наиболее нагруженных зонах изделия или конструкции устанавливается не ультразвуковой, а низкочастотный, в полосе 10-1000 Гц, акустический датчик (вибропреобразователь), настроенный на уровень пороговой деформации, соответствующей появлению полосы макролокализованной деформации, при этом полезным сигналом АЭ рассматривается только первый всплеск длительностью не более порядка 10 миллисекунд амплитудой выше пороговой в серии сигналов АЭ, который является ранним предвестником развития опасной механической неустойчивости материала или изделия.
Технический результат: обеспечение высокой степени надежности диагностирования состояния механической неустойчивости алюминиевого сплава и изделий с последующей сигнализацией об опасности раннего разрушения. Изобретение может быть использовано в системах непрерывного мониторинга состояния металлической поверхности и ранней диагностики повреждаемости конструкций и изделий из алюминиевых сплавов системы Al-Mg.
3
Апробация способа проводилась на образцах промышленного алюминий-магниевого сплава АМг6. Образцы в форме двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6×3×1.2 мм, вырезаемые из холоднокатаного листа, отжигали в течение часа при температуре 450°С и закаливали на воздухе. После термообработки образцы подвергали одноосному растяжению с постоянной скоростью возрастания напряжения  в «мягкой» деформационной машине [14]. Такой режим нагружения материала соответствует условиям эксплуатации материала, когда задан силовой закон воздействия (сила тяги, подъемная сила, сила лобового сопротивления, сила трения и т.д.), а измеряемым откликом является деформация материала. Для исследования динамики полос деформации использовалась скоростная видеосъемка со скоростью 500 кадров в секунду цифровой видеокамерой VS-FAST/G6 (НПО «Видеоскан»). Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма. При такой методике обработки изображений выделяются только движущиеся объекты - распространяющиеся полосы деформации [15].
4
5
Акустический вибропреобразователь АР34 (частотный диапазон 1-2⋅10 Гц) укреплялся через слой масла на нижней лопатке образца, связанной с базой (станиной испытательной машины). Сигнал пьезодатчика ϕ(t) усиливался широкополосным предусилителем (полоса пропускания 1-10 Гц), регистрировался осциллографом и параллельно оцифровывался с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и подавался на компьютер. Для синхронизации сигналов АЭ с данными видеосъемки использовали следующую схему (Фиг. 1). Изображение экрана осциллографа с помощью собирающей линзы проецировалось через небольшое отверстие в стальном экране на объектив видеокамеры. Такое устройство позволяло наблюдать в поле зрения видеокамеры поверхность деформируемого образца и одновременно перемещение луча осциллографа для последующей синхронизации видеофильма с акустическими сигналами, записанными с помощью АЦП и компьютера.
При нагружении с постоянной скоростью роста напряжения  в мягкой машине полосы деформации представляют собой расширяющиеся шейки [16]. Для выяснения их роли в развитии скачка пластической деформации в серии экспериментов проводили синхронную видеосъемку противоположных фронтальных поверхностей образца и боковой поверхности с использованием схемы видеосъемки с помощью двух зеркал (Фиг. 2).
∑
Анализ видеофильмов показывает, что картина деформационных полос на противоположных фронтальных поверхностях абсолютно идентична (Фиг. 2). Поэтому можно утверждать, что полоса макролокализованной деформации - сквозная, т.е. представляет собой объемный домен с более высокой скоростью пластической деформации, чем область образца вне полосы. Объем этого домена приближенно равен произведению толщины плоского образца w на площадь А, заключенную между границами полосы. Для оценки вклада в скачкообразную деформацию полос деформации, регистрируемых данным оптическим методом (включающим скоростную цифровую видеосъемку и оригинальную методику компьютерной обработки изображений), суммарную площадь всех полос, появившихся на поверхности к данному моменту времени, т.е. Α(t), сравнивали с формой скачка деформации Δε(t).
∑
∑
На фиг. 3 представлено сравнение временной зависимости суммарной площади полос Α(t), распространяющихся на фронте достаточно крупного скачка деформации амплитудой около 6% и формы фронта деформационного скачка Δε(t). Коэффициент корреляции этих зависимостей, рассчитанный с помощью программы «MathCad», равен k=0.9931. Столь высокая корреляция зависимостей Α(t) и Δε(t) с коэффициентом корреляции в интервале 0.9930-0.9985 характерна для всех деформационных скачков вплоть до последнего скачка с разрывом образца. Поэтому полосы макролокализованной деформации дают основной вклад в скачкообразную деформацию образца, т.е. почти вся пластическая деформация на фронте деформационных скачков осуществляется полосами. Этот факт подтверждает корректность применяемого метода регистрации полос.
∑
Таким образом, деформационные скачки происходят за счет зарождения и роста полос макролокализованной деформации, которые являются доменами высокоскоростной деформации. В плоской геометрии образца эти домены сквозные, а хорошей мерой их объема является площадь полос. Поэтому кинетику скачкообразной деформации можно рассматривать аналогично кинетике фазового перехода [17] и положить в качестве кинетической кривой «фазового перехода» временную зависимость суммарной площади полос A(t) как кривую роста «новой фазы» - домена пластической деформации - в пластически недеформированном материале - «старой фазе». Явление АЭ при фазовых переходах первого рода хорошо известно [3, 18]. Можно ожидать, что наиболее быстрые стадии роста деформационных полос будут сопровождаться генерированием сигналов АЭ. Действительно, ранее было обнаружено, что при деформировании сплава системы Al-Mg в жесткой испытательной машине каждый тип неустойчивости на деформационных кривых, А, В и С, сопровождается характерным сигналом АЭ, причем отдельному скачку разгрузки «машина-образец» соответствует всплеск сигнала АЭ, который по визуальным наблюдениям связывался с эволюцией полос деформации [5]. Отличительной особенностью настоящего технического решения является использование синхронно с измерением акустических сигналов методики одновременной регистрации с помощью скоростной видеокамеры деформационных полос на различных поверхностях образца, деформируемого с постоянной скоростью возрастания приложенного напряжения .
∑
На фиг. 4 представлены синхронные записи сигнала АЭ - временной зависимости потенциала ϕ (t) акустического датчика («осциллограмма» сигнала АЭ) и временной зависимости суммарной площади полос Α (t), а на фиг. 5 представлен соответствующий этому временному интервалу фрагмент видеозаписи начальной стадии зарождения и развития полос деформации на фронтальной поверхности образца.
Данные видеосъемки со скоростью 500 кадров в секунду показывают, что потеря устойчивого пластического течения начинается с зарождения первичной полосы на поверхности образца (фиг. 5, кадр 39). Первичная полоса зарождается обычно в некоторой точке на ребре кристалла и распространяется на фронтальной поверхности вдоль направления, перпендикулярного оси растяжения, а на боковой - в направлении, составляющем угол около 45° к оси растяжения. В первые миллисекунды ширина первичной полосы не превышает величины порядка размера зерна (10-20 мкм), а через несколько десятков миллисекунд первичная полоса локализованного сдвига переходит в расширяющуюся шейку (фиг. 5, кадры 49, 50), составляющую на фронтальной поверхности угол 53-63°, а на боковой - около 90° к оси растяжения. Начальная ширина полосы-шейки составляет уже около 2 мм.
∑
Первый скачок зависимости Α(t) связан с начальной стадией зарождения и распространения первичной узкой полосы локализованного сдвига и резким переходом ее в расширяющуюся шейку (кадры 39-48 на фиг. 5). Этот нестационарный процесс продолжительностью около 18 мс «толкает» добротную систему машина-образец на частоте, близкой к резонансной (период собственных колебаний системы на данном участке кривой нагружения равен 15 мс). Это приводит к раскачке системы на ее собственной частоте с затуханием после окончания скачка деформации, т.е. спустя приблизительно 0.4-0.5 с после зарождения первичной полосы деформации. Поэтому корреляцию акустического сигнала с динамикой полос деформации имеет смысл искать только на начальной стадии развития пластической неустойчивости продолжительностью 18-20 мс.
∑
∑
На фиг. 6а сравниваются временные зависимости сигнала акустического датчика ϕ(t) и площади полос Α(t) для начальной стадии развития полос, представленной кадрами 38-55 на фиг. 5. Коэффициент корреляции между зависимостями ϕ(t) и А(t) на этом временном отрезке весьма высокий, k:=0.9856, и, как хорошо видно, формы этих зависимостей почти совпадают. Видно также, что основные особенности динамики полос на этой стадии отражены в особенностях акустического сигнала. Первое заметное изменение сигнала АЭ соответствует стадии зарождения и незавершенного роста первичной полосы, когда она пересекает поперечное сечение образца со скоростью около 0.4 м/с (кадры 39-42). Затем начинается активный рост сигнала АЭ почти с постоянной скоростью роста, продолжительностью 10 мс, которому соответствует расширение первичной полосы также приблизительно с постоянной скоростью. Наконец, наибольшая скорость роста сигнала АЭ и соответственно площади полос происходит на стадии перехода первичной полосы в расширяющуюся шейку (кадры 47-49), продолжительностью 4-6 мс.
∑
Соответствующий временной интервал выделен серой полосой на фиг. 6а. Затем скорость расширения полосы затухает во времени (кадры 50-55) и соответственно уменьшается корреляция между ростом площади Α(t) и акустическим сигналом ϕ(t), который теперь будет регистрировать в основном лишь собственные колебания системы машина-образец.
∑
∑
∑
2
Наиболее высокая корреляция функций ϕ(t) и Α(t) наблюдается на начальном временном интервале между кадрами 42 и 49. Зависимость ϕ(Α) на этом интервале носит линейный характер ϕ=mΑ (Фиг. 6b), где m (=0.13 В/мм) - коэффициент пропорциональности, который зависит от чувствительности акустического метода регистрации напряжения (т.е. от коэффициента электромеханической связи вибропреобразователя, жесткости и собственных частот системы машина-образец и т.д.).
∑
Таким образом, на основе прямого наблюдения деформационных полос с помощью скоростной видеосъемки и одновременного измерения сигнала АЭ выявлена связь между сигналом АЭ и эволюцией первых полос деформации на начальной стадии развития деформационного скачка в плоском образце сплава АМг6. Установлено, что в первые ~10 мс после зарождения первичной полосы рост электрического потенциала на вибропреобразователе ϕ(t) определяется ростом площади полос А(t). Затем корреляция между акустическим сигналом и динамикой деформационных полос падает вследствие возбуждения собственных колебаний системы машина-образец. Поэтому наиболее информативной характеристикой сигнала АЭ, генерируемого в ходе скачкообразной деформации, является сигнала ϕ(t) в первые ~10 мс, который, как установлено, обусловлен зарождением и начальной стадией распространения первых деформационных полос. Поскольку продолжительность скачка деформации обычно составляет 300-500 мс, то резкий рост сигнала АЭ в первые ~10 мс после зарождения первичной полосы деформации можно рассматривать как акустический предвестник потери механической устойчивости образца.
Наиболее вероятным источником акустического сигнала, сопровождающего развитие деформационной полосы, являются избыточные напряжения сдвига вблизи границы полосы, обусловленные неоднородностью пластического течения на границе между пластически деформируемой и пластически недеформированной макрообластями материала, которые рассматриваются в литературе как один из основных механизмов распространения деформационных полос. Акустические сигналы-предвестники потери механической устойчивости материала могут быть использованы для запуска устройств с отрицательной обратной связью с целью подавления деформационных полос, например, для синхронизации с генератором импульсов электрического тока, которые, протекая по алюминий-магниевому сплаву, способны подавлять развитие полосообразования [12].
Источники информации
1. James D.R., Carpenter S.H. Relationship between acoustic emission and dislocation kinetics in crystalline solids // J. App. Phys. 1971. V. 42. №12. P. 4685-4697.
2. Грешников Β.Α., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Издательство стандартов, 1976. 276 с.
3. В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7. Кн.1. М.: Машиностроение. 2005. 829 с.
4. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и акустическую эмиссию при прерывистой текучести в алюминиево-магниевых сплавах // ФММ. 1991. №10. С. 187.
5. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии при деформировании Al-Mg сплавов // ФММ. 1996. Т. 81. №1. С. 156.
6. Криштал Μ.М., Хрусталев А.К., Разуваев Α.Α., Демин И.С. Спектральные особенности акустической эмиссии и макролокализация деформации при прерывистой текучести сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. №1. С. 28.
7. Chmelik F., Ziegenbein Α., Neuhauser Η., Lukac P. Investigation the Portevin-Le Chatelier effect by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. Eng. 2002. V. A324. P. 200.
8. Chmelik F., Klose F.B., Dierke H. et al. Investigating the Portevin-Le Chatelier effect in strain rate and stress rate controlled test by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. and Eng. 2007. V. A462. P. 53.
9. Патент РФ №2498293. Способ определения координат источника акустической эмиссии / Виноградов А.Ю., Костин В.И., Мерсон Д.Л. Опубл. 10.11.13.
10. Патент РФ №2515423. Способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии на основе спектрально-временного самоподобия / Растегаев И.А., Данюк А.В., Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л., Чугунов А.В. Опубл. 10.05.14.
11. Патент РФ №2523077. Способ локации дефектов / Виноградов А.Ю., Костин В.И., Мерсон Д.Л. Опубл. 20.07.14.
12. Патент РФ №2544721. Электрофизический способ подавления механической неустойчивости промышленного алюминий-магниевого сплава / Шибков Α.Α., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Михлик Д.В. Опубл. 20.03.15.
13. Патент РФ №2403564. 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. Опубл. 10.11.10.
14. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. №7. С. 20.
15. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Лебедкин М.А. // Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. №9. С. 1372.
16. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. №5. С. 412.
17. Криштал М.М. Общая теория неустойчивости и мезоскопической неоднородности пластической деформации // Известия РАН. Серия физическая. 2004. Т. 68. №10. Р. 1391.
18. Лубе Э.Л., Багдасаров Х.С., Федоров Е.А., Златкин А.Т., Антонов Е.В. Акустоэмиссионная дефектоскопия крупных кристаллов в процессе выращивания при высоких температурах // Кристаллография. 1982. Т. 27. №3. С. 584.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. а) Схема синхронизации видеофильма с сигналом АЭ:
1 - плоский металлический образец, 2 - шток деформационной машины, 3 - экран электрометрической ячейки, 4 - осциллограф (источник света - луч на экране осциллографа), 5 - собирающая линза, 6 - цифровая видеокамера, 7 - пьезодатчик, 8 - предусилитель акустического сигнала, 9 - АЦП, 10 – компьютер;
б) Видеоизображение поверхности деформируемого образца АМг6 в момент зарождения деформационной полосы и соответствующий сигнал АЭ.
Фиг. 2. Схема видеосъемки с двумя зеркалами для получения синхронных изображений полос на боковой и двух противоположных фронтальных поверхностях плоского образца. Ось растяжения перпендикулярна плоскости фигуры. На вставке фотографии деформационной полосы: а и б - на противоположных фронтальных поверхностях, в - на боковой поверхности.
∑
∑
Фиг. 3. Сравнение временной зависимости площади полос Α (штриховая линия) и формы фронта скачка деформации Δε (сплошная линия). Коэффициент корреляции между зависимостями A(t) и Δε(t):k=0.9931.
∑
Фиг. 4. Результаты обработки данных акустического и оптического мониторинга первого скачка деформации сплава АМг6: вверху - сигнал АЭ ϕ(t), внизу - временная зависимость суммарной площади полос Α(t). Цифрами (39 и 55) отмечены номера кадров видеофильма, показанного на фиг. 5.
2
Фиг. 5. Результаты компьютерной обработки видеофильма роста деформационных полос на фронте первого скачка деформации. Фронтальная съемка (вид со стороны поверхности 3×6 мм). Временной интервал между кадрами 2 мс. Ось растяжения горизонтальна.
∑
∑
∑
Фиг. 6. Связь между акустическим сигналом и площадью полос на начальной стадии развития первых полос деформации: а - сравнение формы фронта акустического сигнала ϕ (сплошная линия) и временной зависимости суммарной площади полос Α (штриховая линия). Коэффициент корреляции между зависимостями ϕ(t) и Α(t):k=0.9856; b - зависимость ϕ(Α). Цифрами отмечены номера кадров видеофильма, показанного на фиг. 5.