СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА, НАПРИМЕР, ИЗ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF GENERATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF STRAINED SOLID OF STRUCTURAL MATERIAL

Изобретение относится к области дефектоскопии изделий и объектов из конструкционных материалов, используемых, в частности, в машиностроении при исследовании процессов старения объектов техники, нарушения прочностных и других параметров отдельных элементов машин, строительных конструкций и т.п., находящихся в длительной эксплуатации или подвергшихся воздействию механических, физических, химических, лучевых факторов, включая обработку методами нанотехнологий, влияющих на прочностные и другие эксплуатационные параметры, в том числе поверхностных слоев изделий из конструкционных материалов в условиях их эксплуатации.
Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы на разрывных прессах (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra || 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 разрыва стержня и образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов со сформировавшихся поверхностей (берегов трещин и микротрещин), сопровождаемый ЭМИ.
Недостаток этого способа состоит в том, что материал, используемый при этом для получения ЭМИ (деформируемый металлический стержень), разрушается и не может впоследствии повторно использоваться, что усложняет и удорожает получение ЭМИ при повторных контрольных исследованиях.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, в частности, из конструкционного материала по патенту РФ №2367924, кл. G01N 3/08, опубл. в БИ №26, 2009 г., включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, в котором силовой элемент подвижен, формирование сигнала ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию. Деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него путем сдвига надрезанные частицы и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины, для чего в качестве силового элемента нагрузочного устройства используют режущее средство с продольным расположением зубьев, например ножовочное полотно, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение. Сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, созданного тепловыми электронами, вылетевшими со свежеобразованных поверхностей надрезов, трещин и микротрещин, образованных в деформируемом твердом теле при отрыве надрезанных частиц, и сигнала ЭМИ, созданного при колебании частиц и участков с положительными зарядами, оставшимися на поверхностях надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов и на поверхностях оторванных частиц.
Недостаток этого способа состоит в надрезании исследуемого тела узкой щелью, что неприемлемо при исследовании деталей, взятых из действующих машин или установок. При лабораторных исследованиях такие надрезы также могут делать образцы непригодными для дальнейших исследований, например это нежелательно для образцов из дорогих материалов, в частности для образцов с покрытиями из наноматериалов.
Другим недостатком этого способа является малая ширина получаемого пучка ЭМИ вследствие ограниченной толщины ножовочного полотна, не превышающей 0,4-0,6 мм, что на практике не позволяет использовать этот метод при исследовании значительных по размерам деталей и их элементов. Таким образом, неэффективность способа является его существенным недостатком.
Техническая задача предлагаемого решения состоит в повышении эффективности способа за счет формирования широкого пучка ЭМИ одновременно с относительно большого участка исследуемой поверхности как лабораторных образцов, так и деталей, взятых из действующих конструкций, при значительных их размерах, а также исключение глубоких узких надрезов, делающих изделия непригодными для дальнейшей эксплуатации, путем выбора типа силового элемента.
Поставленная техническая задача решается следующим образом.
Предлагается способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала, включающий закрепление его на стенде, имеющем пресс, между обкладками емкостного датчика ЭМИ и деформирование его поверхностного слоя путем приложения нагрузки с помощью силового элемента, которому сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение, формирование сигналов ЭМИ в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела под нагрузкой, создаваемой упомянутым силовым элементом, преобразование сигналов ЭМИ с помощью указанного емкостного датчика ЭМИ и их регистрацию. Деформирование твердого тела осуществляют путем его надрезания, отрывая от него надрезанные частицы путем сдвига и создавая в деформируемом твердом теле трещины и микротрещины. При этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигнала ЭМИ, создаваемого тепловыми электронами, вылетающими как с вновь образованных в деформируемом твердом теле поверхностей указанных надрезов, трещин и микротрещин, так и с поверхностей надрезанных частиц, образованных при их отрыве, а также сигнала ЭМИ, создаваемого за счет колебаний участков деформируемого поверхностного слоя указанного твердого тела с положительными зарядами, формирующимися на поверхностях как надрезов, трещин и микротрещин после вылета упомянутых тепловых электронов, так и на поверхностях оторванных частиц, колебания которых обусловлены импульсами отдачи в моменты их отрыва и вылета тепловых электронов.
Согласно техническому решению в качестве силового элемента используют напильник, изготовленный из материала более прочного, чем материал деформируемого твердого тела.
Режущие кромки насечек напильника обеспечивают формирование на поверхностном слое деформируемого твердого тела надрезов, являющихся зародышами микротрещин и трещин. При использовании напильника включают в работу поверхности как образованных на большой площади надрезов, так и образованные поверхности оторванных частиц. Кроме того, в момент отрыва надрезанных частиц в соответствии с законом сохранения импульса возникают колебания поверхностей на участках отрыва надрезанных частиц (вследствие эффекта отдачи и вылета тепловых электронов). Вылет тепловых электронов и формирование положительных зарядов на колеблющихся поверхностях сопровождаются формированием сигналов ЭМИ, распространяющихся в пространстве вокруг деформируемого твердого тела. Суммарный сигнал ЭМИ подают на обкладки емкостного датчика ЭМИ, на которых в свою очередь формируют противоположные заряды. Между обкладками емкостного датчика ЭМИ возникает разность потенциалов и в замкнутой цепи возникает ток, который усиливают дифференциальным усилителем приемной системы и подают на вход регистрирующего устройства.
Использование в качестве силового элемента напильника из материала более прочного, чем материал деформируемого твердого тела, при его поступательном и возвратно-поступательном движении позволяет одновременно осуществлять серию поверхностных надрезов и отрывать путем сдвига частицы поверхностного слоя деформируемого твердого тела, то есть образовывать простейшим путем новые поверхности значительной площади, через которые вылетают тепловые электроны и в пределах которых образуются положительные заряды. При этом изготовление напильника из более прочного материала, чем материал деформируемого твердого тела, обеспечивает повышенную стойкость его насечек, необходимую для формирования надрезов на прочных участках поверхности деформируемого твердого тела.
Использование напильника позволяет формировать широкий пучок ЭМИ одновременно с относительно большего участка исследуемой поверхности, чем в прототипе, как лабораторных образцов, так и деталей, взятых из действующих конструкций при значительных их размерах, и за счет этого решить поставленную техническую задачу.
Целесообразно узор насечек на рабочей поверхности напильника подбирать экспериментально в зависимости от требуемой интенсивности и структуры сигнала ЭМИ, что позволяет среди различных видов напильников подобрать наиболее соответствующий материалу образца деформируемого твердого тела и за счет этого обеспечить интенсивность формируемого сигнала ЭМИ и получить более информативную его структуру для конкретного деформируемого твердого тела, что способствует выполнению технической задачи.
Целесообразно также напильник снабдить диэлектрической рукояткой, что позволяет исключить как воздействие на приборную систему случайных помех, связанных с оператором, так и воздействие на оператора случайных повышенных электрических потенциалов в рассматриваемой системе. Это повышает помехоустойчивость используемой приборной системы и безопасность оператора, что способствует повышению эффективности предлагаемого способа.
Целесообразно деформируемое твердое тело, взятое для исследования из реальной конструкции, где оно находилось в процессе эксплуатации под нагрузкой, нагружать на стенде с помощью упомянутого пресса, прикладывая к указанному твердому телу ту же нагрузку, что и в реальной конструкции. Использование напильника в качестве силового элемента исключает образование глубоких узких надрезов, как в прототипе, что не разрушает изделие, взятое из действующего (работающего) устройства, что позволяет их эксплуатировать и далее. Это способствует выполнению поставленной технической задачи, расширяя область применения способа на широкий круг технических систем при определении степени старения и остаточной прочности отдельных элементов реальных конструкций.
Сущность предлагаемого способа формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например, из конструкционного материала поясняется примером реализации способа и чертежом, на котором приведен общий вид стенда для реализации предлагаемого способа.
Образец 1 деформируемого твердого тела (далее - образец 1), например деталь из конструкционного материала, взятую из эксплуатируемой конструкции, устанавливают на стенде 2 (см. чертеж). Стенд содержит гнезда 3, 4 для крепления образца 1, верхнюю подвижную плиту 5, нижнюю подвижную плиту 6, вертикальные штанги 7, 8, основание 9, пресс 10, например винтовой (перечисленные элементы стенда обеспечивают устойчивое расположение образца 1 перед его исследованием), напильник 11, используемый в качестве силового элемента, с диэлектрической рукояткой 12, емкостной датчик 13 ЭМИ, включающий обкладки 14 и 15. Стенд содержит также первичный дифференциальный усилитель 16, соединенный экранированным кабелем 17 с усилителем-повторителем 18, который экранированным кабелем 19 соединен с блоком 20, представляющим собой аналого-цифровой преобразователь, совмещенный с блоком сигнализации, включающим цифровую и звуковую сигнализацию. Далее экранированным кабелем 21 блок 20 соединен с регистрирующим устройством в виде компьютера 22, имеющего соответствующие программы анализа сигнала ЭМИ. Электрическая цепь замкнута на землю 23.
Способ формирования ЭМИ деформируемого твердого тела, например из конструкционного материала, реализуют следующим образом.
Закрепляют образец 1 в гнездах 3 и 4 стенда 2. При этом его размещают между обкладками 14 и 15 емкостного датчика 13 ЭМИ. С помощью пресса 10 деформируют поверхностный слой образца 1 путем приложения нагрузки, соответствующей нагрузке в условиях его эксплуатации. Для этого с помощью силового элемента, в качестве которого используют снабженный диэлектрической рукояткой, например пластмассовой, напильник 11 из материала более прочного, чем материал образца 1, образуют на поверхности последнего надрезы. При этом напильнику 11 сообщают поступательное или возвратно-поступательное движение. Поскольку напильник 11 имеет большое количество насечек с режущими кромками, то при прямом движении напильника 11 на исследуемой поверхности образца 1 одновременно образуют достаточно много надрезов. Затем при обратном движении напильника 11 его насечки с режущими кромками отрывают (срезают) частицы-стружки 24, расположенные между соседними надрезами. Образованные свежие поверхности (берега надрезов и трещин) и новые поверхности частиц-стружек 24 становятся источниками тепловых электронов. Последние, вылетая в свободное пространство, в частности в трещины, излучают ЭМИ, т.е. происходит формирование сигналов ЭМИ. Тепловые электроны, вылетая с указанных поверхностей, уносят с собой часть отрицательного заряда. В результате участки свободных поверхностей (трещин) и частиц-стружек 24 приобретают положительные заряды. Эти участки с положительными зарядами, перемещаясь в пространстве (на стенках надрезов и трещин они будут колебаться вследствие отрыва частиц-стружек 24 и закона сохранения импульса), а также падающие частицы-стружки 24, приобретшие положительные заряды вследствие вылета части тепловых электронов, колеблясь или перемещаясь в пространстве, будут излучать ЭМИ. Все перечисленные электромагнитные поля распространяются в пространстве и, достигнув обкладок 14 и 15 емкостного датчика 13 ЭМИ, будут создавать на них некоторый суммарный потенциал. С емкостного датчика 13 ЭМИ суммарный сигнал ЭМИ по цепочке 16-17-18-19-20-21 достигает компьютера 22, цепь замыкается через землю 23 - происходит преобразование сигналов ЭМИ и их регистрация.
Если возникает задача исследовать какое-либо изделие на прочность, долговечность, оценить ресурс надежности, то достаточно получить его сигнал ЭМИ, исследовать спектральный состав полученного сигнала ЭМИ и сравнить его со спектральным составом сигнала ЭМИ от такого же изделия, но взятого из новой конструкции.
Таким образом, предложенный способ формирования ЭМИ позволяет решить поставленную техническую задачу - повышение эффективности способа за счет получения широкого пучка ЭМИ одновременно с относительно большого участка исследуемой поверхности без формирования узких щелей-надрезов, являющихся концентраторами напряжений в любых технических изделиях, что достигается использованием в качестве силового элемента напильника, рабочая поверхность которого имеет расположенные по его поверхности насечки, при этом прочность материала напильника и его насечек должна быть больше прочности материала исследуемого изделия.