Эффект электромагнитной эмиссии при разрушении металлических материалов

УДК 534.8

В.В. Поляков, Д.С. Салита, А.А. Лепендин

Эффект электромагнитной эмиссии при разрушении металлических материалов

V.V. Pоlyakov, D.S. Salita, A.A. Lependin

Effect of Electromagnetic Emission at Destruction of Metallic Materials

Проведено экспериментальное исследование электромагнитного излучения в процессе статического разрушения металлических материалов. Описано устройство для измерения характеристик этого излучения. Обнаружены и проанализированы сигналы электромагнитной эмиссии при разрушении образцов из стали.

Ключевые слова металлические материалы, электромагнитные свойства, разрушение, электромагнитная

эмиссия.

Разработка новых материалов с повышенными прочностными характеристиками, предназначенными для использования в условиях переменных механических и температурных полей, требует разработки новых методов исследования деформационного поведения. Физической основой этих методов выступают явления и эффекты, связанные непосредственно с локальной перестройкой структуры материала при пластической деформации и разрушении. Примером таких явлений служат излучение акустических волн при возникновении и движении дефектов структуры [1], повышение температуры в локальных областях развития пластической деформации [2]. В последние годы в задачах исследования и диагностики конденсированных непроводящих сред значительное внимание было уделено эффекту электромагнитной эмиссии. Именно при зарождении микротрещин на них могут возникать электростатические заряды. В процессе развития и выхода трещин к поверхности эти заряды релаксируют, вызывая колебания электромагнитного поля, интерпретируемые как электромагнитная эмиссия [3, 4]. Измеряя характеристики электромагнитно -го излучения, можно исследовать особенности трещи-нообразования в конкретном материале.

Возможность подобных эффектов при разрушении металлических материалов, обладающих высокой электропроводностью, требует специального исследования. Очевидно, что в проводящей среде процессы возникновения и релаксации электрических зарядов на трещинах должны обладать значительной спецификой по сравнению с диэлектрическими материалами. Для металлических материалов с сильными магнитными свойствами деформация, сопровождающаяся развитием трещин, может вызывать изме-

The experimental investigation of electromagnetic radiation during static destruction of metallic materials was conducted. The article describes a device for measuring the characteristics of radiation. As a result, electromagnetic emission signals at failure of steel are detected and analyzed.

Key words: metal materials, electromagnetic properties, destruction, electromagnetic emission.

нения магнитных характеристик. В ряде работ было описано появление электромагнитных импульсов при нагружении металлов с разными электрическими и магнитными свойствами [5-7]. Нужно отметить, что результаты этих работ допускают различную интерпретацию. Электромагнитные импульсы связывались с изменением геометрии образцов при выходе полос пластической деформации на поверхность [5], с электростатическими процессами при трещино-образовании [6]. В определенной степени трудность интерпретации связана с объективной сложностью измерений слабого электромагнитного излучения при механических испытаниях, поскольку такие измерения сопровождаются, как правило, сильными электромагнитными помехами от электромеханических узлов испытательных машин. Кроме того, амплитудные характеристики сигнала и его частотный спектр зависят от методики измерения, именно разные результаты могут появляться при использовании датчиков емкостного типа, улавливающих изменения электрической составляющей излучения, и индуктивного типа, измеряющих колебания проходящего через датчик магнитного потока.

В настоящей работе проведено исследование электромагнитных эффектов, которые могут возникать в процессах пластической деформации и разрушения металлических материалов при статической нагрузке [7]. Для обеспечения корректности измерений испытания проводились на установке с водяной системой нагружения, в которой были исключены электромеханические узлы [8]. Установка обеспечивала одноосное растяжение образца с постоянной скоростью нагружения. Для измерения электромагнитных колебаний использовался специально изготовленный про-

Эффект электромагнитной эмиссии при разрушении металлических материалов

ходной датчик индуктивного типа. Металлический образец размещался по оси датчика (катушки индуктивности), что позволяло наиболее эффективно измерять колебания магнитного потока. Результаты измерений представлялись в виде зависимостей величины, приложенной к образцу силы F, и электрического напряжения и от времени нагружения 1

В качестве материалов для испытаний использовались ферромагнитные образцы, изготовленные из стали Ст10, и образцы дюралюминия с парамагнитными свойствами. Выбор материалов был обусловлен хорошей изученностью их свойств и широким распространением в технике. Образцы имели форму плоских стержней длиной 30 мм и сечением 2х3 мм, испытания проводились при комнатной температуре. При растя-

жении образцы изолировались от металлических захватов диэлектрической прокладкой.

На рисунке 1 приведены типичные результаты измерений для стали (отсчет времени для удобства соответствует началу процесса разрушения). Как видно из рисунков 1а-б, резкий спад величины силы Е описывающий разрушение образца, сопровождался сигналом достаточно сложной формы на зависимостях напряжения и от времени 1 Интересно отметить, что локальные перегибы на отдельных участках кривой F-t (рис. 1б), обусловленные случайными особенностями в развитии разрушения, сопровождались дополнительными пиками, усложнявшими форму электромагнитного сигнала по сравнению со случаем монотонной кривой (рис. 1а).

50

и, мВ 0

-50

0

\

ІМС

Р, кН

і мс

Рис. 1. Сигналы электромагнитного излучения при разрушении стали: а — монотонная кривая нагружения; б — кривая нагружения с локальными особенностями

Р, кН

На рисунке 2 представлены данные аналогичных измерений для образца дюралюминия. Из рисунка следует, что электромагнитные импульсы в процессе разрушения не фиксировались. Отсутствие электромагнитного излучения при разрушении наблюдалось для всех подвергнутых испытанию образцов дюралюминия.

Полученные результаты показали, что разрушение материалов с ферромагнитными свойствами сопровождалось импульсами электромагнитного излучения. Для металлических материалов со слабыми магнитными свойствами в экспериментах, связанных с измерением колебаний магнитного потока, электромагнитное излучение не наблюдалось. Это позволяет использовать проведенные исследования для выявления физической природы излучения в материалах с сильными магнитными свойствами. Обнаруженный эффект электромагнитной эмиссии может быть вызван локальной перестройкой доменной структуры, именно разрушением

Рис. 2. Результаты измерений при разрушении дюралюминия

доменных стенок в зоне развития трещин. В таком случае характеристики сигналов электромагнитной эмиссии могут зависеть от доменной структуры материала и особенностей его разрушения, что может служить основой для использования этих характеристик при исследовании деформационных процессов.

Библиографический список

1. Егоров А. В., Поляков В. В., Гумиров Е.А., Лепен- с помощью модифицированного метода осцилляций //

дин А.А. Регистрация сигналов акустической эмиссии Приборы и техника эксперимента. — 2005. — № 5.

2. Плехов О. А. Использование высокоскоростной инфракрасной термографии при проведении стандартных механических испытаний // Прикладная оптика: сб. тр. 9-й Междунар. конф. — СПб., 2010.

3. Судьенков Ю. В. Электромагнитное излучение при разрушении пьезоэлектриков субмикросекундными импульсами давления // Журнал технической физики. — 2001. — Т. 71, вып. 12.

4. Беспалько А. А., Яворович Л. В., Федотов П. И. Связь параметров электромагнитных сигналов с электрическими характеристиками горных пород при акустическом и ква-зистатическом воздействиях // Известия Томского политехнического университета. — 2005. — Т. 308, № 7.

5. Шибков А. А., Шуклинов А. В., Желтов М. А., Скворцов В. В., Золотов А. Е., Михлик Д. В. Электромагнитная эмиссия при развитии неустойчивой пластической дефор-

мации металлов // Вестник Тамбовского университета. Сер.: Естественные и технические науки. — 2010. — Т. 15, вып. 3.

6. Кривецкий А. В., Бизяев А. А., Яковицкая Г. Е. Контроль разрушения некоторых металлических изделий по сигналам электромагнитного излучения // Физическая мезомеханика. — 2011. — Т. 14, № 4.

7. Поляков В. В., Егоров А. В., Салита Д. С. Применение метода электромагнитной эмиссии к исследованию наноматериалов // Развитие нанотехнологий: задачи международных и региональных научно-образовательных и научно-производственных центров: тез. докл. I Междунар. конф. — Барнаул, 2012.

8. Поляков В. В., Егоров А. В. Применение метода акустической эмиссии для исследования разрушения порошковых металлов // Порошковая металлургия. — 2007. — № 30.