Способ оценки температуры вязко-хрупкого перехода металла
METHOD OF TEMPERATURE ESTIMATION OF VISCOUS-BRITTLE TRANSITION OF METAL

Изобретение относится к испытательной технике и используется для определения температуры вязко-хрупкого перехода и использованием регистрации сигнала акустической эмиссии на основе классификации импульсов с использованием искусственной нейронной сети
Известен способ определения температуры вязко-хрупкого перехода по результатам фрактографического анализа изломов образцов, когда за температуру вязко-хрупкого перехода применяется температура, при которой доля хрупкой составляющей в изломе составляет 50%.
Недостатком данного способа является его высокая трудоемкость (необходимость исследования большого количества изломов образцов, испытанных при разных температурах) и необходимость применения дополнительного оборудования (оптических и электронных микроскопов) для получения точного результата.
Известен также способ оценки температуры вязко-хрупкого перехода с использованием регистрации и обработки сигнала акустической эмиссии [Патент RU 2027988 C1 от 06.09.1991 г., опубл. 27.01.1995 г.].
Способ позволяет проводить оценку температуры вязко-хрупкого перехода за счет установления взаимосвязи температуры вязко-хрупкого перехода материала и акустической эмиссии, возникающей при хрупком разрушении образца. При этом для испытания используют образец из n элементов, каждый из которых представляет балку с защемленными концами. При различных температурах к середине элементов прикладывают усилие и регистрируют импульсы акустической эмиссии, а за температуру вязкохрупкого перехода материала принимают температуру, при которой доля P элементов, излучающих импульсы акустической эмиссии, находится в диапазоне 0 < P < 1.
Недостатком способа является необходимость применения достаточно сложных по своей геометрии образцов для испытаний и их большое количество для получения точного результата, а также низкий уровень автоматизации процесса оценки температуры вязко-хрупкого перехода.
Для расширения области использования способа оценки температуры вязко-хрупкого перехода, упрощения геометрии испытуемых образцов, а также исключения человеческого фактора при оценке температуры вязко-хрупкого перехода предлагается испытания проводить на твердомере методом индентирования на образцах в виде пластин металла, а для классификации импульсов в сигнале акустической эмиссии использовать обученную нейронную сеть классификации импульсов.
Целью изобретения является снижение металлоемкости, трудоемкости и повышение уровня автоматизации при определении температуры вязко-хрупкого перехода металла.
Технический результат изобретения, заключается в повышении точности оценки температуры вязко-хрупкого перехода металла.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки температуры вязко-хрупкого перехода материала, заключающемся в том, что образец, установленный на столе твердомера подвергают индентированию при разных температурах с регистрацией сигнала акустической эмиссии, полученный сигнал акустической эмиссии подвергают обработке с выделением отдельных импульсов, определением их параметров и последующей их классификацией с использованием обученной искусственной нейронной сети, а за температуру вязко-хрупкого перехода принимают температуру, при которой количество импульсов характеризующих хрупкий и вязкий механизмы разрушения совпадают.за счет использования в процессе испытаний одного образца, а также обученной искусственной нейронной сети классификации импульсов сигнала акустической эмиссии.
Технический результат достигается за счет использования в процессе испытаний одного образца, а также обученной искусственной нейронной сети классификации импульсов сигнала акустической эмиссии.
Для оценки характера разрушения металлов и температуры вязко-хрупкого перехода был разработан специализированный стенд на базе твердомера ТШ-2М. В качестве индентора использовался шарик диаметром 2,5 мм. Также возможно использование других видов инденторов. Стенд включает в себя датчик акустической эмиссии (АЭ), 4 датчика температуры, устанавливаемые на образец металла (пластина 4х100х100 мм). Принципиальная схема стенда показана на Фиг. 1.
Образцы для испытаний (Фиг. 1) охлаждались при помощи подведенных к ним медных хладопроводов от смеси жидкого азота и спирта в необходимых пропорциях для установления температуры испытания. Контроль температуры осуществляли при помощи температурных датчиков pt100, устанавливаемых на поверхность образца. Для регистрации сигнала АЭ применялись широкополосные датчики АЭ фирмы ГлобалТест (GT350) и АЦП фирмы National Instruments модели 6636 (Фиг. 1).
Принципиальная схема предложенного способа оценки температуры вязко-хрупкого перехода индентированием с регистрацией сигнала АЭ представлена на Фиг. 2.
Суть способа заключается в следующем.
На стол твердомера (1) устанавливается образец металла (2) с подведенными к нему медными хладопроводами (3) и резистором для регулирования температуры испытания. Контроль температуры осуществляется датчиками температуры (4) установленными по периметру образца. По центру образца устанавливается датчик АЭ (5).
В ходе испытания на твердость сигнал акустической эмиссии с датчика (5) поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (6), после преобразования сигнал подается на персональный компьютер (ПК) со специальным программным обеспечением (7). Для фильтрации исходного сигнала в разработанном ПО используются, как цифровые фильтры (полоса пропускания 100 - 800 кГц), так и Wavelet фильтр в модуле (8). После этого в модуле (9) происходит выделение импульсов сигнала АЭ с построением огибающей импульса. Пример выделенного импульса с огибающей и параметрами импульса показан на Фиг. 3.
В модуле (10) определяются параметры импульсов (амплитуда, длительность, энергия и др. параметров)
i
1
2
3
Выделенные импульсы (параметры импульсов - X) поступают на вход обученной искусственной нейронной сети (ИНС) классификации импульсов (11). Структура ИНС и процесс классификации показан на Фиг. 4. На основе классификации определяется принадлежность импульсов к одному из трех классов (табл. 1) импульсов в модуле (12), а именно импульс характеризующий хрупкий (Х), вязкий (В) или смешанный (С) механизм разрушения металла. Определяется количество импульсов характеризующих хрупкий механизм разрушения (N), смешанное разрушение (N) и вязкое разрушение (N) и общее количество импульсов в сигнале АЭ (N).
1
1
2
2
3
2
1
2
На основе полученных классов импульсов определяется характер разрушения образца в модуле (13) для этого определяется параметр, характеризующий преимущественно хрупкое разрушение А=((N/N)+0,5*(N/N))*100% и параметр, характеризующий преимущественно вязкое разрушение А=((N/N)+0,5*(N/N))*100%. При сопоставлении соответствующих параметров определяется преобладающий механизм разрушения и доля каждого механизма. Температура, при которой А≈А принимаем за температуру вязко-хрупкого перехода.
Данные по твердости (14), параметры импульсов, определенные в модуле (10), а также преобладающий характер разрушения, определенный в модуле (13) записываются в таблицу результатов испытаний (15) и в базу данных параметров испытаний (16). Дополнительные параметры импульсов сигнала АЭ (амплитуда, длительность, энергия импульса) могут быть использованы для уточнения температуры вязко-хрупкого перехода.
Для оценки погрешности предложенного способа определения температуры вязко-хрупкого перехода были проведены испытания на углеродистых сталях (сталь 20, сталь 45, сталь У8 и т.д.). Полученные данные в ходе классификации сопоставлялись с результатами фрактографических исследований образцов, испытанных на ударный изгиб в широком диапазоне температур.
Погрешность определения температуры вязко-хрупкого перехода металлов не превышала 6%.
Преимущества данного подхода по сравнению с существующими способами состоят в следующем: достигается высокая точность и исключается человеческий фактор при оценке температуры вязко-хрупкого перехода за счет использования искусственной нейронной сети классификации импульсов в сигнале акустической эмиссии. Уменьшается металлоемкость испытаний, т.к. для выявления температуры вязко-хрупкого перехода металла достаточно использовать один образец. Снижается трудоемкость испытаний, т.к. испытания с использованием индентора просты и не требуют применения дорогостоящего испытательного оборудования (копров, установок для испытаний).
Табл. 1 Классы импульсов сигнала АЭ
Вязкое разрушение
Хрупкое разрушение
Вязко-хрупкое разрушение
Импульсы небольшой амплитуды и относительно большой длительности, возникающие в результате микропластической деформации и ответственны за вязкое разрушение
Импульсы большой амплитуды и относительно небольшой длительности, которые возникают в результате страгивания и развития трещин, характерны для хрупкого разрушения
Импульсы, для которых характерны признаки указанных типов, характеризуют смешанный механизм разрушения или чередование механизмов