Применение метода акустической эмиссии для оценки параметров микротрещин, развивающихся в металлах в области упругой деформации

Рудин А.В., Першенков П.П. , Артемова Н.Е., Наумов А.С. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ МИКРОТРЕЩИН, РАЗВИВАЮЩИХСЯ В МЕТАЛЛАХ В ОБЛАСТИ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Приводятся результаты экспериментальных исследований акустической эмиссии (АЭ), возбуждаемых в металлических образцах в режиме одноосного деформирования. Установлено, что процесс одноосного растяжения исследуемых образцов в области упругих и неупругих деформаций сопровождается возникновением сигналов акустической эмиссии. Зависимость числа импульсов АЭ от приложенного механического напряжения носит нелинейный характер, имеющий вид асимметричного контура с явно выраженным максимумом. Из полученных экспериментальных данных установлено, что средняя длина развивающихся микротрещин, возникающих в режиме одноосной деформации в резьбовых соединениях, изготовленных по специальной технологии в 1,47 раза меньше средней длины развивающихся микротрещин, возникающих в резьбовых соединениях, изготовленных по традиционной технологии.

Большая роль в решении проблемы диагностики конструкционных материалов отводится неразрушающим методам испытаний и контроля изделий составной частью которых является метод акустической эмиссии (АЭ) [1]. В его основу положены зависимости между характеристиками образовавшихся или распространяющихся дефектов и параметрами излучаемых ими волн. Установление таких корреляций особенно важно для дефектов, типа трещин. Объясняется это, с одной стороны, особой опасностью трещин для прочности конструкций, а с другой — достаточной для регистрации мощностью сигналов АЭ.

Метод АЭ - контроля позволяет обнаружить и определить координаты, а также осуществлять слежение (мониторинг) за источниками АЭ, связанными с дефектами объектов. АЭ - метод может быть использован также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекращения эксплуатации или испытаний и предотвращения разрушения изделия.

Метод акустико-эмиссионного неразрушающего контроля основан на регистрации и последующей обработке параметров акустических сигналов ультразвукового диапазона, сопровождающих локальную перестройку структуры материала, зарождение и развитие микро- и макродефектов.

К наиболее важным областям использования акустической эмиссии относятся ядерная энергетика, морской и воздушный транспорт, трубопроводы. Разумеется, весьма велико значение ее и для чисто физических исследований, так как сигналы акустической эмиссии могут дать важные сведения о динамике дислокаций, закономерностях движения трещин, кинетике разрушения и т. д.

Последовательной теории акустической эмиссии при пластическом деформировании, которая могла бы связать статистические характеристики излучаемого акустического поля с параметрами деформирования для различных материалов, в настоящее время не существует. Тем не менее, закономерности элементарных актов излучения, сопровождающего различные виды движения отдельных дислокаций и их скоплений, достаточно хорошо изучены [1].

В данной работе приводятся результаты экспериментального исследования акустической эмиссии резьбовых соединений, полученных в режиме одноосного растяжения.

В качестве экспериментальных и контрольных образцов использовались металлические ступенчатые стержни кольцевого поперечного сечения с резьбовыми соединениями, выполненные из стали, марка СТ-3 0. Конструкция резьбового соединения испытуемых образцов приведена на рисунке 1.

100

Рисунок 1. Конструкция резьбового соединения испытуемых образцов.

Для локализации места деформации диаметр рабочей части образцов приблизительно в два раза меньше остальной части. Резьбовое соединение образовано двумя стержнями: металлическим стержнем с одного конца , имеющим метрическую резьбу М10, а с другого конца - наружную метрическую резьбу М6 и металлическим стержнем с одного конца имеющим метрическую резьбу М10, а с другого конца - внутреннюю метрическую

резьбу Мб. Длина стержней £ = 100 мм (с наружной резьбой) и £ =50 мм, (с внутренней резьбой) . Диа-

метр обоих стержней 3 = 10 мм; площадь поперечного сечения рабочего (деформируемого) резьбового участка стержня составляет:

Я ' Л2 д ,

£ =-----= 23,746 • 10—6м2 ,

4 ,

где Лер - средний диаметр рабочего (деформируемого) участка стержня.

Одна партия исследуемых образцов (образец 1-ТТ, образец 2-ТТ) изготовлялась по традиционной технологии - т.е. нарезка метрической резьбы с помощью плашки в присутствии охлаждающей жидкости (СОЖ). Вторая партия образцов (образец 3-ПТ, образец 4-ПТ) изготовлялась по специальной технологии - т.е. нарезание внешней метрической резьбы в атмосфере мелкодисперсного композитного состава (МКС), с последующим ВЧ-нагревом в электромагнитном поле, описанная в работе [2].

Испытания исследуемых образцов на растяжение проводились на разрывной машине, типа УММ-5, со скоростью перемещения траверсы от 0,05 мм/мин, по методике описанной в [3]. Режим одноосной нагрузки - продольное растяжение F изменялось от 0 до 1,65 кН; время равномерной нагрузки на образец не превышало t =

10 мин.

Процесс наблюдения и регистрации сигналов АЭ исследуемых образцов в режиме одноосной деформации осуществлялся с помощью акустической установки, подробно описанной в работе [3].

По полученным экспериментальным данным построены гистограммы и графики зависимости числа импульсов акустической эмиссии от механического напряжения.

Зависимости скорости счета N числа импульсов суммарной АЭ от механического напряжения, возникающих в исследуемых образцах в режиме одноосной деформации - продольного растяжения приведены на рисунке 2.

Из рисунка 2 видно, что искомая зависимость для образцов обоих партий носит нелинейный характер, имеющий вид асимметричного контура с явно выраженным максимумом. Положение максимума соответствует граничной области упругих деформаций.

Для образцов первой партии (1-ТТ, см. рис.2а) скорость счета N суммарной АЭ, соответствующее текущему значению механического напряжения а, при котором наблюдаются генерация импульсов акустической эмиссии, как в области упругой, так и в области пластической деформации характеризуется интенсивной генерацией сигналов АЭ. Данный факт свидетельствует об интенсивном выходе дислокаций и микротрещин (МТ) на поверхность исследуемого образца.

Для образцов второй партии зависимость числа импульсов АЭ от приложенного механического напряжения а существенно отличается от аналогичной зависимости для образца первой партии.

Рис. 2. Зависимость скорости счета импульсов акустической эмиссии от механического напряжения: а)

образец 1-ТТ; б) образец 3-ПТ.

Можно видеть, что для образцов второй партии (образец 3-ПТ, см. рис. 2б) интенсивность скорости счета N суммарной АЭ, как в области упругой, так и в области пластической деформации намного меньше в сравнении с интенсивностью скорости счета N суммарной АЭ для образцов первой партии. Как видно из приведенного рисунка (см. рис. 2б) скорость счета N суммарной АЭ для образцов второй партии (образец 3-ПТ) на самых интенсивных участках более чем в два раза меньше, чем для образцов первой партии.

На рисунке 3 приведены зависимости суммарного числа Ыа импульсов и скорости счета Ыа импульсов АЭ для всех исследованных образцов в зависимости от величины механического напряжения а в режиме одноосной деформации.

Как видно из приведенного рисунка 3 а графические зависимости суммарного числа N = / (а) счета импульсов АЭ, полученной в режиме продольного растяжения для всех исследованных образцов носит нелинейный характер. При малых напряжениях (в области гуковских деформаций) величина суммарного числа Ыа импульсов АЭ монотонно возрастает по нелинейному закону.

С увеличением механического напряжения (в области упругих деформаций) величина суммарного числа Ыа импульсов АЭ резко возрастает и описывается линейной зависимостью. При дальнейшем увеличении механического напряжения графические зависимости суммарного числа N = / (а) счета импульсов АЭ монотонно уменьшается и в области пластической деформации выходит на горизонтальный участок. При дальнейшем увеличении механической нагрузки, в пределах статистического разброса, почти не изменяется.

Из сравнения графических зависимостей суммарного числа N = / (&) счета импульсов АЭ исследованных образцов следует, что для образцов (3-ПТ и 4-ПТ), обработанных по специальной технологии предельная величина N более чем в два раза меньше, чем для образцов (1-ТТ и 2-ТТ), обработанных по традиционной технологии.

На рисунке 3б приведены графические зависимости первой производной от функции N = /(&) по а (скоро-

полученные путем аппроксимации экспериментальных результатов, напряжения а .

в зависимости от величины механического

носят нелинейный характер,

Как видно из приведенного рисунка все графические зависимости имеющий вид асимметричного контура с явно выраженным максимумом, соответствующий области упругой дефор-

аа

мации. Величина механического напряжения а , соответствующая максимуму зависимости N((7) =

(Я(Т

для трех

образцов в пределах погрешности экспериментальных измерений полностью совпадают, что свидетельствует о корреляции акустических и упругих параметров исследуемых образцов.

а)

сти счета импульсов N отнесенной к единичному интервалу напряжений) для всех исследованных образцов,

Рис. 3. Зависимости: а) суммарного числа Кс = /{(Т) и б) скорости счета N((7) =--------- импульсов АЭ ис-

йа

следованных образцов: 1-ТТ, 2-ТТ, 3-ПТ, 4-ПТ.

Ни ч ШС

Для второго образца величина максимума зависимости 1\(<Т) =--------- смещена по оси а более чем на 100 МПа

йа

в сторону больших напряжений. Аналогичный сдвиг для данного образца наблюдается и для зависимости N = / (а) (см. рис. 3а). Данную аномальную зависимость можно объяснить отличием упругих параметров (например модуля Юнга) данного образца от остальных, т.е. несоответствием марки стали образца 2-ТТ, марки стали образцов 1-ТТ, 3-ПТ и 4-ПТ.

Из сравнения графических зависимостей N(0') =---------- исследованных образцов следует, что для образцов

йа

(3-ПТ и 4-ПТ), обработанных по специальной технологии величина максимума более чем в три раза меньше, чем для образцов (1-ТТ и 2-ТТ), обработанных по традиционной технологии.

По полученным зависимостям числа импульсов АЭ, полученных в режимах одноосной деформации можно рассчитать параметры микронеоднородностей структуры исследуемых образцов.

В работе [4] показана зависимость между амплитудами волн акустической эмиссии и приростом длины трещины при ее медленном докритическом подрастании. Из анализа экспериментальных результатов установлено, что более существенное влияние на амплитуду сигнала АЭ оказывает кинетическая энергия Кэ развивающейся

трещины. В предположении, что при единичном скачке трещины амплитуда сигнала АЭ А~К12, получена зависимость

где А!д— полный прирост трещины.

При образовании микротрещины в конструкционных сталях амплитуды возникающих сигналов АЭ связаны степенной зависимость с длиной трещины:

I ~ А2/3 .

Эта корреляционная связь хорошо описывает экспериментальные данные статических и циклических испытаний при изменении размеров трещины от 4 0 мкм до 4 0 мм. Из обработки экспериментальных данных следует, что лучшее совпадение экспериментальных и теоретических результатов достигается, если показатель степени в формуле (2) равен 0,7.

Из экспериментальных данных установлено, что амплитуда сигналов пропорциональна площади микротрещины:

А~ А3М .

На основании гипотезы о пропорциональности энергии импульса АЭ и упругой энергии деформируемого объема материала в вершине трещины, выделяющейся при скачке трещины, получены выражения

А = СК] ,

связывающее амплитуду сигнала АЭ с коэффициентом интенсивности напряжений, и

А

1=' (5) а жС

связывающее длину трещины с амплитудой сигнала АЭ. При этом множитель С зависит от прочностных свойств материала, формы трещины, параметров измерительной аппаратуры.

С учетом того, что скорость счета АЭ N достигает максимального значения при напряжениях, близких к пределу текучести, можно предположить, что N пропорциональна скорости увеличения объема пластически деформированного материала, что на основе соотношения линейной механики разрушения, связывающего размер зоны пластической деформации у вершины трещины с К, дает:

N ~ К4 .

Это означает, что, если в процессе испытаний регистрируются все импульсы АЭ, N должен быть пропорционален четвертой степени К, вычисленного для образца с трещиной на данный момент. Данные испытаний образцов с односторонним надрезом, отвечающих требованиям Британского стандарта на вязкость разрушения, из алюминиевого сплава 7075-Т6 с трещинами различной длины показали справедливость соотношения (6) в виде:

N = 3,8-10—4 • К4 .

Коэффициент интенсивности напряжений К связан с длиной трещины £ соотношением

К = аа 11/2 ,

где а — геометрический фактор, а — напряжение.

Подставляя выражение (8) для К в уравнение (7) получим аналитическую зависимость суммарного числа N импульсов АЭ от величины длины микротрещины £ , образующейся в режиме упругой деформации исследуемого образца

Ы = 3,8-1

где с — некоторая константа для данного напряжения и геометрии исследуемого образца.

Таким образом, по зависимостям суммарного числа импульсов АЭ N от величины механического напряжения в режиме одноосной деформации можно рассчитать параметры микротрещин исследуемых образцов.

Из полученных экспериментальных данных установлено, что отношение длин развивающихся трещин в конструкционных сталях обработанных по традиционной и по специальной технологии связано с суммарным числом всех импульсов АЭ, регистрируемых в процессе упругой деформации соотношением:

— = --------L ,

и на предельных участках упругой деформации в среднем составляет: 1

^1

£>

7840 = 1,47

3640

Таким образом, средняя длина развивающихся микротрещин, возникающих в режиме одноосной деформации в конструкционных сталях, обработанных по специальной технологии в 1,47 раза меньше средней длины развивающихся микротрещин, возникающих в режиме одноосной деформации в конструкционных сталях, обработанных по традиционной технологии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в атомной энергетике. Под ред. К.Б. Вакара. - М.: Атомиздат, 1980. -216 с.

2. Артемов И.И., Кревчик В.Д., Рудин А.В. Технология упрочнения поверхностного слоя наружных резьб с использованием нанокомпозитного состава в условиях скин-эффекта. Тезисы докладов конференции «Нанотехнологии - производству - 2007», Фрязино 2007. М.: «Янус-К», 2007, с. 46..

3. Рудин А.В., Артёмова Н.Е. Акустическая эмиссия при деформации и разрушении металлов // «Нива Поволжья» - Пенза - 2007. - № 2 - с. 31-34.

4. Куксенко В.С., Станчиц С.А., Томилин Н.Г. Оценка размеров растущих трещин и областей разгрузки по параметрам акустических сигналов // Механика композитных материалов.1983. - №3.- С. 536 — 543.