Акустико-эмиссионный способ оценки пороговой нагрузки и остаточного ресурса конкретного изделия

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОРОГОВОЙ НАГРУЗКИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КОНКРЕТНОГО ИЗДЕЛИЯ

Т.С. Никольская

На базе линейной механики разрушения обоснован неразрушающий экспресс-метод определения пороговой нагрузки и остаточного ресурса конкретного изделия.

Введение

При зарождении микротрещин или при скачкообразном развитии магистральной трещины освобождается динамически потенциальная энергия деформации частично разгруженного объема, которая расходуется не только на образование новой поверхности, но и на пластическую деформацию перед вершиной трещины, на колебания вновь образовавшейся поверхности, а также на другие сопутствующие процессы. В частности, зарегистрирована эмиссия электронов с поверхности деформируемых металлов и излучение электромагнитных волн при нагружении силикатного стекла. Пластическая деформация перенапряженных объемов вызывает локальный разогрев и эмиссию тепла из зоны разрушения. Колебания вновь образовавшейся поверхности инициируют акустический импульс длительностью от десятых до десятков миллисекунд. Каждый импульс, многократно отражаясь от поверхностей изделия и постепенно рассеиваясь на неоднородностях материала, создает акустический сигнал, который в виде волн напряжений регистрируют на поверхности изделия как акустическую эмиссию.

Интенсивность этих эмиссий позволяет судить о фазе разрушения и о его кинетике, что используют для оценки прочности и остаточного ресурса изделия; причем точность этих оценок оказывается значительно выше, чем точность косвенных методов1 контроля прочности. Чувствительность эмиссионных методов также на порядок выше, чем у других неразрушающих методов, и позволяет обнаружить зарождение или развитие дефекта размером 1 мкм. Кроме того, эмиссионные методы позволяют локацией определить координаты слабого звена без сканирования изделия. В настоящее время в силу исторических причин наиболее разработаны методы регистрации акустической эмиссии (АЭ). Их же чаще других эмиссионных методов используют для контроля разрушения и прочности.

Обычно АЭ регистрируют с помощью пьезопреобразователя, установленного на поверхности изделия и имеющего с ним акустический контакт через слой смазки, жидкости или через волновод. Электрический сигнал преобразователя усиливается, регистрируется и анализируется акустико-электронной системой, которая сильно искажает параметры сигнала. С учетом этого более перспективным, хотя и менее разработанным, является способ регистрации АЭ оптически, т.е. с помощью лазера.

Основной показатель регистрирующей аппаратуры - уровень ее собственных шумов, приведенный к входу усилителя; у современных акустико-электронных систем этот уровень составляет 2-30 мкВ. От собственных шумов аппаратуры отстраиваются с помощью ее узла-дискриминатора, настраиваемого так, чтобы при свободно

1 Традиционная дефектоскопия не учитывает возможности изменения формы и размеров исходных дефектов в процессе нагружения, а тем более зарождения новых и более опасных дефектов. Косвенные методы контроля прочности, основанные на связи прочности с соотношением упругости и структурной вязкости (метод отскока, вдавливания, затухания ультразвуковых волн и т.д.), требуют предварительного выяснения этой статистической связи, весьма нестабильной и чувствительной не только к составу материала, но и к различным факторам технологии

подвешенном преобразователе (без акустического контакта с твердым телом) аппаратура не регистрировала каких-либо сигналов, в том числе и электромагнитных наводок.

Акустико-электронная система регистрирует общее число N акустических сигналов, количество их в единицу времени - активность АЭ N, а также информацию об амплитудах сигналов и о вероятностном распределении этих амплитуд. При наличии нескольких каналов возможно определение координат источника АЭ по запаздыванию сигналов разных каналов. Амплитуда сигнала сильно зависит от расстояния между источником АЭ и датчиками. Активность же N АЭ определяется числом событий в единицу времени, в частности, интенсивностью микрорастрескивания или скоростью роста магистральной трещины, и по этой причине содержит больше информации о процессе разрушения.

К сожалению, N микрорастрескивания часто маскирует N наиболее опасного дефекта и мешает тем самым оценке опасного дефекта по N.

Частотный спектр сигнала АЭ зависит от модуля упругости материала и от частоты резонатора, т.е. от размеров микрополости, у границы которой инициирован сигнал. Материал с относительно крупными полостями (древесина, бетон и т.д.) при нагружении издает слышимый звук, а материал с более мелкими дефектами -ультразвук. При деформации керамики наибольшее количество сигналов регистрируют резонансные преобразователи с частотой 20-200 кГц, а при деформации сплавов -резонансные преобразователи с частотой 200-2000 кГц. Изменение размеров резонатора, например трещины, или разрыхление материала приводят к изменению частотного спектра АЭ сигнала.

Один из первых исследователей АЭ Кайзер обратил внимание (1953) на следующую ее особенность, получившую название эффекта Кайзера: при повторном нагружении изделия АЭ возникает лишь после превышения максимальной нагрузки Ь предыдущего нагружения. Обусловлено это тем, что микропластические деформации, необходимые для микрорастрескивания, рассосредоточенного по объему или локализованного перед вершиной трещины, возникают уже при первом нагружении, а при повторном нагружении не развиваются при Ь < Ь макс. Однако если за время разгрузки и повторного нагружения изделия трещина подросла, то вместе с ее вершиной переместится и зона, которая к тому же увеличится.В результате уже при Ь < Ь макс зона реализации разрушения перед вершиной трещины захватит новый объем материала, и АЭ появится при Ь < Ьмакс. Это отклонение от эффекта Кайзера используют как признак достижения в последующем нагружении максимального значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) К в предшествующем нагружении для наиболее опасного дефекта.

Данная статья посвящена проблеме создания неразрушающего метода определения пороговой нагрузки и остаточного ресурса конкретного изделия.

Основной результат

Эффект Кайзера затрудняет оценку по АЭ состояния изделия после аварийной нагрузки Ьав, значительно превышающей эксплуатационную нагрузку Ьэк. В этом случае при контрольном нагружении АЭ отсутствует, пока Ь< Ьав. При Ь = Ьав возможно заметное развитие опасного дефекта, снижение прочности изделия, а иногда и его разрушение при контрольном нагружении. В частности, по этой причине для оценки состояния изделия по АЭ его целесообразно нагружать до Ь < Ьэк и регистрировать АЭ не при нагружении, а в процессе разгрузки, когда не развиваются микропластические или пластические деформации и нет АЭ микрорастрескивания или роста опасного дефекта. Однако при разгрузке с Ь « Ьо трещина перестает закрываться еще до полного

снятия нагрузки. Этот эффект, обнаруженный Эльбером в 1978 г., получил название "закрытие трещины". Вызван он тем, что при Ь « Ьо старту трещины предшествуют микропластические деформации перед фронтом трещины, которые при разгрузке приводят к несовпадению микрорельефа поверхностей трещины у вершины (рис. 1). Это несовпадение вызывает шумы трения ("зубной скрежет") перед окончанием разгрузки. Современная аппаратура позволяет регистрировать такие шумы и тем самым без разрушения изделия определять значение Ьо изделия, даже если при его нагружении АЭ отсутствовала, например, из-за эффекта Кайзера.

Рис. 1. Устье трещины в кристаллическом теле

Сдвиговые микропластические деформации в вершине трещины предшествуют ее старту, поэтому дискретная АЭ при разгрузке появляется еще до старта трещины. Это обстоятельство позволило создать надежный способ определения пороговой нагрузки Ьо для изделий с исходными технологическими дефектами, результат которого не зависит от предыстории изделия.

Нагрузку Ьаэ, после которой появляется дискретная АЭ закрытия трещины (рис. 2), определяют, регистрируя амплитуду А акустических сигналов при разгрузке. Если в процессе разгрузки дискретная АЭ отсутствовала, то при последующем нагружении максимальную нагрузку увеличивают на 4-5 %. Зарегистрировав дискретную АЭ, повторяют циклы с Ьмакс = Ьаэ, чтобы убедиться в воспроизводимости сигналов дискретной АЭ при разгрузке. Значение пороговой нагрузки рассчитывают по формуле Ьо = 0,95 Ьаэ. Экспериментально установлено [1], что если максимальная нагрузка цикла не превышает 0,95 Ьаэ, снижение Ьаэ после 10 циклов если и имеет место, то не превышает погрешности эксперимента, 0,5 %. Погрешность определения Ьо конкретного изделия можно свести к 2 %. Снижение Ьо после 12 опытов по ее определению не превышает 4 %; экспериментально также выяснено [2], что Ьо, в отличие от разрушающей нагрузки ЬР, не зависит от температуры, например, для керамики в диапазоне 78-1400 К.

Рис. 2. Режим определения Ц

Значение Ьо характеризует длительную прочность конкретного изделия при заданной схеме его нагружения.

Номинальные напряжения оо, рассчитанные по Ьо в условиях растяжения, сжатия или изгиба, называют пределом длительной прочности2 при статическом нагружении или пределом выносливости при циклическом нагружении.

Так как коэффициент интенсивностей напряжений Ко = Yoо^fд , то значения ао и Ьо зависят от размера дефекта, попавшего в наиболее напряженную область изделия. По этой причине изменение схемы нагружения, например, направления изгиба силой посередине пролета стержня круглого сечения, приводит, как выяснено неразрушающим методом для хрупкого материала, к изменению предельных нагрузок Ь о и Ьмакс в несколько раз и к изменению отношения Ьмакс / Ьо от 1,15 до 4.

Рис. 3. Зависимость скорости а роста трещины в техническом фарфоре

в условиях: I - отрыва, II - сдвига

На рис. 3 при К>КО до практически горизонтального участка справедливо соотношение а = а О ( К / КО)п, где п - константа материала при заданной температуре, обратно пропорциональная ей. Для трещины отрыва п примерно в 2 раза больше, чем для трещины сдвига, и на графике плато (которого может и не быть) сменяется практически вертикальной прямой. Трещина же сдвига, достигнув незначительной скорости, мало увеличивает ее до момента фрагментации изделия, если только не переходит в трещину отрыва. За К1с обычно принимают значение КI при а м/с. Как правило, трещина сдвига начинает развиваться раньше трещины отрыва, постепенно ослабляет изделие и подготавливает катастрофическое разрушение отрывом.

Интегрирование а = а о (К / КО)п при а = const приводит к результату

или

— , / и- 2

а t = а o to/ х

t = to / хп

где х = о/оо =Ь/ Ьо, Ь - действующая нагрузка, ¿о - долговечность при х^1. Такой результат не противоречит результатам испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, кручение материалов с исходными технологическими дефектами (рис. 4).

2 о

В отличие от предела прочности стпч, или временного сопротивления ств, которые характеризуют кратковременную прочность.

Рис. 4. Кривые длительной прочности при статическом нагружении керамики стеновых панелей на основе кембрийской глины при комнатной температуре в условиях: сжатия с ст=50 МПа () и 70 Мпа (А), изгиба с амакс=6-12 МПа (о), кручения с стмакс=7-10 МПа (+) и растяжения

с а=5-10 МПа

При этом при х = const разброс lg t или lg o2t не превышает 1. Это обстоятельство позволяет прогнозировать долговечность после определения Ьо неразрушающим методом при заданной схеме нагружения изделия. Для этого дополнительно в условиях статического нагружения разрушают выборку образцов того же материала при неизменном хобр = о/оо «1.4, регистрируют их долговечность t (порядка 100 с) и рассчитывают cреднее 4бр. На образцах того же материала экспресс-методом определяют n для трещины сдвига [3]. Долговечность изделия в условиях статического нагружения при температуре испытания образцов рассчитывают по формуле

^зд ^бр (хобр /хи

)n

И/

Заключение

Используя неразрушающий способ, можно определить Ьо (или ЬР) изделия при различных схемах его нагружения и с учетом полученных результатов оптимально ориентировать изделие для дальнейшей эксплуатации [3, 4]. Такой прием позволяет повысить несущую способность изделия в несколько раз, а долговечность при заданном режиме нагружения - на несколько порядков.

Описанный прием определения Ьо позволяет контролировать кинетику разрушения, независимо причин снижения Ьо\

• из-за силового воздействия путем развития наиболее опасного дефекта (при £>£о),

• путем рассосредоточенного микрорастрескивания, которое снижает модуль Е, а следовательно, Ко и тем самым Ьо ;

• снижением значения из-за коррозии, эрозии или поверхностно-активного вещества.

Литература

1. Бормоткин В.О., Никольская Т.С., Никольский С.Г. Способ определения максимальной нагрузки, ещё не снижающей прочность изделия. // Сб. докл. II

Междунар. конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности...". СПб ГТУ,1997. С. 88-89.

2. Никольская Т.С., Никольский С.Г. Влияние температуры на пороговые параметры прочности керамики // С-Петербург. журн. электроники. 2001. № 1. С. 25-28.

3. Никольская Т.С. Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия // М.ж. Проблемы прочности.. Киев, 2002. № 4. С. 140-147.

4. Никольская Т. С. Определение предельных значений пороговой нагрузки при изгибе опорного фарфорового изолятора // Сб. Трудов III Международн. конференция "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности.". СПб: Санкт-Петербург. гос. техн. ун-т, 1999. С. 51-52.