Розробка методології технічної діагностики об’єктів за сигналами акустичної емісії

Abstract

Розроблено моделі сигналів акустичної, що формуються при утворенні в матеріалі трі- щини або протіканні пластичної деформації, які засновані на уявленнях механіки руйнування. Показано, що форма і параметри сигналів акустичної емісії в значній ступені визначаються швидкістю розвитку процесів пластиної деформації і утворення тріщини. При цьому результу- ючий сигнал, в першому випадку, пропорційний швидкості протікання пластичної деформації, а в другому випадку, пропорційний швидкості утворення тріщини в третьому ступені. Моделю- ванням сигналів встановлено, що сигнал акустичної емісії при утворенні тріщини має більшу амплітуду і більший стиск в часі, ніж сигнал акустичної емісії від пластичної деформації. При цьому зміна крутості фронтів сигналу від тріщини і поява викидів амплітуди визначаються змі- ною швидкості розвитку тріщини та її підростанням. Встановлено, що існування періодичної складової на сигналі акустичної емісії від пластичної деформації пов’язано з перемінною швид- кістю руху дислокацій, що обумовлено періодичністю потенційних бар’єрів Пайерлса. Зі збіль- шенням швидкості процесів сигнал від пластичної деформації трансформується в сигнал трапе- цієподібної форми, в той час як, сигнал від тріщини трансформується в сигнал трикутної форми. Отримані теоретичні результати мають добре узгодження з результатами експеримента- льних досліджень при деформуванні і руйнуванні різних матеріалів. Розроблено моделі сигналу АЕ від тріщини з урахуванням релаксаційних процесів. Встановлено, що в даному випадку ре- зультуючий сигнал має дві компоненти – імпульсну та осцилюючу. Осцилююча складова про- являється тільки на початковій стадії руйнування, коли руйнується мала кількість елементарних осередків або тріщині має достатньо мали розміри, і пови-нна проявлятися на високих частотах (одиниці і десятки МГц). Однак при подальшому розвитку тріщини переважною є імпульсна складова, яка відповідає розробленим моделям сигналу акустичної емісії від тріщи- ни.Розроблено моделі сигналу акустичної емісії від тріщини з урахуванням самоприскорення процесу її росту за рахунок перерозподілу локальних напружень. Моделюванням сигналів акус- тичної емісії в наближенні першого порядку реорії збурень встановлено, що існування само- прискорення процесу росту тріщини приводить до збільшення амплітуди сигналу АЕ, його сти- ску в часі з симетризацією форми і трансформації в сигнал трикутної форми. В наближенні дру- гого порядку теорії збурень, також встановлено, що при самоприскоренні росту тріщини сигнал трансформується в сигнал трикутної форми. В той же час, у випадку виникнення в’язкої тріщи- ни відбувається трансформація сигналу АЕ в сигнал трапецієподібної форми з існуванням двох піків амплітуди. Розроблено модель сигналу акустичної емісії від пластичної деформації з ура- хуванням температурного фактору. Встановлено, що в області низьких температур при зростанні температури слід очікувати зростання амплітуд сигналів акустичної емісії. При високих температурах навпаки, зі зростан- ням температури слід очікувати зменшення амплітуд сигналів АЕ. В той же час, існує область температур, в якій її зростання не супроводжується зміною амплітуд сигналів акустичної емісії, що має добре узгодження з результатами експериментальних досліджень. Встановлено, що ін- формативними параметрами сигналів акустичної емісії від тріщини і пластичної деформації є параметри, які не залежать від швидкості процесів, що протікають в структурі матеріалу, і вони різняться між собою. Даними параметрами є: для тріщини – площа кривою сигналу акустичної емісії, а для пластичної деформації – амплітуда і потужність сигналу акустичної емісії. При цьому площа тріщини прямо пропорційна площі під кривою формованого сигналу, а об’єм ма- теріалу, що вступив в пластичну деформацію, прямо пропорційний амплітуді і прямо пропор- ційний кореню квадратному від потужності сигналу АЕ для пластичної деформації. Експериме- нтальними дослідженнями встановлено, що при розвитку крихкої тріщини залежність зміни площі під кривою сигналу акустичної емісії від площі утвореної тріщини носить лінійний хара- ктер зростання, що має добре узгодження з результатами теоретичних досліджень. На основі теоретичних досліджень розроблено критерій руйнування матеріалів за сигналами акустичної емісії, згідно якого повне руйнування відбудеться тоді, коли сума відносних прирощувань на- копиченої енергії буде дорівнювати одиниці. Виходячи з критерію сумарна (накопичувана) ене- ргія акустичної емісії зі збільшенням навантаження буде зростати, а характер її зміни буде ви- значатися кінетикою процесів, що розвиваються в структурі матеріалу. При цьому оцінки роз- витку процесів руйнування або оцінки небезпеки їх розвитку можна виконувати, якщо проводи- ти слідкування за відносним прирощуванням накопиченої енергії сигналів акустичної емісії по мірі її зростання і наближення до одиниці. Згідно кінетиці процесів руйнування визначено умо- ви, які впливають на процеси випромінювання сигналів акустичної емісії. Встановлено вплив швидкості процесів руйнування на закономірності зміни залежностей накопичення параметрів реєстрованої акустичної емісії, які при постійній швидкості носять лі- нійно зростаючий характер, а при зростаючої швидкості – визначаються закономірністю її змі- ни. Отримано, що з урахуванням самоприскорення процесу руйнування закономірності зміни накопиченої енергії сигналів акустичної емісії повинні мати експоненціальне зростаючий хара- ктер. Розроблено методику сумісної обробки даних з урахуванням кінетики випробувань мате- рі-алів та виробів. Її використання при обробці акусто-емісійних даних, отриманих при прове- денні експериментальнихдосліджень сигналів акустичної емісії дозволило встановити законо- мірності акустичного випромінювання та провести математичний опис експериментальних за- лежностей накопичення параметрів акустичної емісії, триманих при випробуваннях різних ма- теріалів та виробів, які при невідомій залежності коефіцієнта прискорення процесу руйнування описуються показовими функціями. Встановлено кількісні критерії оцінки стану виробів при їх східчастому навантаженні за показником ступеня апроксимуючого виразу з визначенням безпечного, небезпечного але не критичного і критичного (наближення до граничного) стану матеріалів та виробів, що є основою методології технічної діагностики виробів за сигналами акустичної емісії і має добре узгодження з результатами експериментальних досліджень.