БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
CONTACTLESS ELECTROMAGNETIC METHOD OF DIAGNOSTICS OF DAMAGEABILITY OF DEFORMED METAL STRUCTURES UNDER ICING CONDITIONS

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к бесконтактному электромагнитному неразрушающему контролю листовых алюминиевых сплавов, используемых для изготовления транспортных средств, эксплуатируемых в условиях обледенения.
Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra [I. Nature, vol.254, March 13, 1975. P.133-134), согласно которому деформируемый металлический стержень помещают по оси, выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве обкладки конденсатора и от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, которую подключают ко второму входу регистратора и заземляют. При этом вследствие образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов с сформировавшихся поверхностей (берегов трещин), сопровождаемый ЭМИ.
Недостаток этого способа состоит в необходимости использования сложных прессов со значительным разрывным усилием при получении ЭМИ деформируемых металлических стержней, что усложняет и удорожает процесс получения ЭМИ.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ исследования ЭМИ, деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца по патенту РФ №2190203, кл. G01N 3/08, E21C 39/00, G01N 27/00, опубл. в БИ №27, 2002 г., включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело, при этом подвижной тяге сообщают поступательное движение, преобразование с помощью указанного емкостного датчика, возникающего в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнала ЭМИ и регистрацию его системой регистрации. Внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо. Поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца, с помощью установленного на ней тензометрического датчика. Сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно и по результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала ЭМИ и моментом разрушения деформируемого твердого тела.
Недостаток этого способа - использование пресса, обеспечивающего разрывное усилие, что усложняет и удорожает этот способ. Другой недостаток - необходимость изготовлять образцы в форме колец, что также усложняет способ.
Техническая задача предлагаемого решения состоит в упрощении и удешевлении способа получения ЭМИ конструкционных материалов, в частности алюминиевых сплавов транспортных средств, эксплуатируемых в условиях обледенения, за счет использования в качестве источника ЭМИ ледяного слоя на поверхности металлического сплава, испытывающего прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье (К таким материалам относятся промышленные сплавы систем Al-Mg, Al-Cu, и Al-Li, используемых при производстве летательных аппаратов и автомобилей).
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и фигурами 1-4, на которых приведена принципиальная схема стенда для демонстрации способа (фиг.1) и результаты измерения сигнала ЭМИ, вызванного повреждением поверхности металла, деформируемого в условиях обледенения (фиг.2-4).
На стенде испытывают растяжением плоский образец алюминий-магниевого сплава АМг3. Этот сплав демонстрирует механическую неустойчивость в виде прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье, вызванной распространеним на поверхности сплава полос макролокализованной деформации.
3
Образцы, выполненные в виде двухсторонних лопаток с размером рабочей части 10×3.6×1.2 мм, предварительно отжигались при температуре 350°C в течение 1 часа и закаливались на воздухе (средний размер зерна после отжига составил 15 мкм). Затем на поверхность рабочей части образца в морозильной камере наносили пленку воды. После ее замерзания проводили полировку поверхности льда до толщины ледяного слоя 0.2 мм.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>σ</mi><mo>˙</mo></mover><mtext>0</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>0</mtext><mtext>.37 МПа</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Образцы сплава АМг3, покрытые тонким слоем льда, деформировали одноосным растяжением с постоянной скоростью роста напряжения
в мягкой деформационной машине, снабженной морозильной камерой, позволяющей проводить эксперименты в температурном интервале от -1°C до -30°C.
6
Схема регистрации электрического сигнала представлена на фиг.1 Потенциал нестационарного электрического поля (сигнал ЭМИ) вблизи поверхности образца 1, покрытого слоем льда 2, измеряли с помощью плоского емкостного зонда 3, установленного параллельно поверхности льда. Канал регистрации электрического сигнала состоял из высокоомного широкополосного предусилителя 4 (полоса пропускания 10-10 Гц), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5 и компьютера 6. Противоположная относительно зонда поверхность образца со слоем льда видеофильмировалась в ходе нагружения видеокамерой 7 для исследования связи между особенностями временной структуры электрического отклика и распространяющимися полосами деформации на поверхности металла, кинетикой деформации и разрушения льда и его отслаивания от металлической подложки.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>σ</mi><mo>˙</mo></mover><mtext>0</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>const</mtext></mrow>
На фиг.2 представлена кривая нагружения (1) сплава АМг3 при температуре -15°C и соответствующий сигнал ЭМИ (2). При испытании материала, демонстрирующего скачкообразную деформацию, с постоянной скоростью роста напряжения
кривая растяжения ε(t) содержит ступени (макроскачки деформации) амплитудой ~1-10%. Разрушение образца происходит на фронте скачка максимальной амплитуды [Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Серия Физическая. 2006. Т.70. №9. С.1372-1376].
Как видно из фиг.2, каждый скачок деформации сплава АМг3 сопровождается генерированием характерного сигнала ЭМИ амплитудой ~0.3-3 мВ. Контрольные эксперименты без ледяной корки на поверхности металла показали, что амплитуда электрического сигнала на фронте скачков деформации находится в пределах от 30 до 100 мкВ (приведенный ко входу шум предусилителя составляет 10 мкВ). Поэтому зарегистрированные импульсы ЭМИ связаны с процессами разделения зарядов в ледяной корке.
Причиной электризации льда при механическом нагружении может быть движение заряженных дислокаций [Шибков А.А, Желтов М.А., Скворцов В.В. и др. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. I. Идентификация нестационарных процессов структурной релаксации по электромагнитному сигналу // Кристаллография. 2005. Т.50. №6. С.1073-1083; Шибков А.А, Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. II. Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций // Кристаллография. 2006. Т.51. №1. С.104-111], зарождение и распространение электрически активных трещин вследствие псевдопьезоэлектрического эффекта - разделения зарядов в неоднородном упругом поле вершины трещины в результате восходящей диффузии протонных носителей заряда противоположных знаков [Petrenko V.F. On the nature of electrical polarization of materials caused by cracks, application to ice electromagnetic emission // Phil. Mag. B. 1993. V.67. №3. P.301-315], перемещение двойного электрического слоя вблизи контакта лед - металл, а также процессы отслаивания и трения в контакте. Эти механоэлектрические явления зависят от уровня и скорости изменения локальных сдвиговых напряжений в контакте, которые определяются полем деформации и скоростей деформации на поверхности металла.
2
Видеосъемка показала, что полоса деформации представляет собой расширяющуюся шейку - локальное утонение образца, фронт которой распространяется со скоростью от ~1 см/с до ~10 см/с в зависимости от уровня приложенного напряжения и содержания магния в сплаве Al-Mg [Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Серия Физическая. 2006. Т.70. №9. С.1372-1376]. Поэтому следует ожидать связь механоэлектрических явлений в ледяной корке с динамикой полос деформации на поверхности металла. Действительно, фронт импульса ЭМИ, генерируемого в ходе скачка деформации, содержит временные нерегулярности в виде ступенек (фиг.3), количество которых совпадает с количеством распространяющихся полос деформации.
В серии экспериментов для визуализации полос деформации поверхность образца покрывали льдом частично (на 40-50%). На фиг.4а показан кадр видеосъемки поверхности деформируемого сплава АМг3 с полосой деформации в центре рабочей части образца. Для увеличения контраста изображения применяли методику вычитания с помощью компьютерной программы последовательных цифровых «кадров» видеофильма распространяющейся полосы деформации, которая позволяет измерять скорость перемещения границы полосы, угол ее наклона относительно оси растяжения и т.д. Результат такого вычитания представлен на фиг.4б.
SB
SB
SB
SB
SB
Для первых скачков пластической деформации сплава АМг3 амплитудой ~1% типичное значение времени распространения полос деформации в сплаве АМг3 τ=L/υ≈70-100 мс (где L/2≈5 мм - полуширина полосы, υ≈7-10 см/с - средняя скорость перемещения одной границы расширяющейся полосы деформации) совпадает с характерными временными нерегулярностями на фронте импульса ЭМИ (фиг.3, кривая 2). Слой льда не теряет прозрачности, поэтому электрические сигналы не связаны с образованием трещин, а обусловлены движением заряженных дислокаций и динамикой двойного электрического слоя вблизи контакта лед - металл. Характерные частоты сигнала ЭМИ 10-1000 Гц отражают характерные частоты пластических неустойчивостей на поверхности металлической подложки, связанной с зарождением и распространением деформационных полос.
Для скачков пластической деформации сплава амплитудой 1.5-3% типично образование в ледяном слое трещин нормального отрыва, распространяющихся перпендикулярно оси растяжения (фиг.4в), а для скачков деформации амплитудой более 3-4% характерно отслаивание фрагментов ледяного слоя от поверхности деформируемой металлической подложки. Такие скачки сопровождаются генерированием более высокоамплитудных сигналов ЭМИ ~3-10 мВ в полосе частот 10-100 кГц.