УДК 620.179.16:620.179.143
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ ТЕНЗОИНДИКАТОРОВ И РАСПОЗНАВАНИЕ СИГНАЛОВ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ТРЕЩИН В ХРУПКОМ СЛОЕ ПОКРЫТИЯ
Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, В.И. Иванов, С.В. Елизаров
Рассмотрены акустико-эмиссионные свойства хрупких оксидных тензопокрытий, применяемых не только для определения полей наибольших главных напряжений (деформаций) в подложке, но и в сочетании с методом акустической эмиссии (АЭ) для диагностики на ранней стадии деформирования повреждений в конструкциях. Выполнен анализ импульсов АЭ, генерируемых хрупким слоем тензоиндикатора при образовании трещин, в зависимости от толщины оксидной пленки и скорости деформирования подложки. Исходя из особенностей импульсов АЭ, возникающих при образовании трещин в хрупком слое тензоиндикатора, предложен алгоритм для распознавания сигналов по форме затухающей волны.
Ключевые слова: тензочувствительное покрытие, тензоиндикатор, трещина, акустическая эмиссия, сигнал.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие вычислительной техники и программного обеспечения привело к тому, что в последнее время применение экспериментальных методов при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций и оптимизации по условиям прочности в значительной степени сократилось. Их успешно заменили математические модели, которые позволяют достаточно оперативно (в сжатые сроки) и с приемлемой точностью получать трехмерное распределение полей напряжений и деформаций для разрабатываемых конструкций. Такой участи не избежал и метод хрупких тензочувствительных покрытий, который на протяжении многих лет был весьма эффективным средством для выявления зон действия наибольших главных напряжений и оценки их уровня с приемлемой в инженерных расчетах точностью порядка 15—20 % [1—4].
Исходя из актуальных задач экспериментальной механики в ИМАШ РАН были предприняты попытки произвести "update" метода и использовать его для диагностики и неразрушающего контроля высоконагруженных элементов изделий из современных конструкционных материалов (высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов, сэндвич-панелей, композитов и т. д.).
Как показали проведенные исследования [5—8], наряду с оценкой НДС хрупкие тензочувствительные покрытия в сочетании с методом АЭ могут быть использованы в качестве эффективного средства неразрушающе-го контроля (НК) при диагностике и мониторинге высоконагруженных элементов конструкций. Они позволяют достаточно оперативно и точно выявить (по характеру и плотности распространения трещин) не только зоны конструктивно-технологической концентрации напряжений, но и зоны вероятных локальных дефектов, в том числе непровары, поры, включения, трещины, расслоения.
В ИМАШ РАН применительно к различным условиям испытаний и материалам конструкций разработаны и используют различные типы хрупких тензочувствительных покрытий, в том числе канифольные, оксидные
Юрий Григорьевич Матвиенко, доктор техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва. Тел. 8 (499) 135-12-04. E-mail: ygmatvienko@gmail.ru
Игорь Евгеньевич Васильев, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва. Тел. 8 (499) 135-52-11. E-mail: vie01@rambler.ru
Валерий Иванович Иванов, доктор техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник ЗАО НТЦ "Промышленная Безопасность", Москва. Тел. 8 (495) 345-72-93. E-mail: ivi@istel.ru
Сергей Владимирович Елизаров, генеральный директор ООО "Интерюнис ИТ", Москва. Тел. 8 (495) 361-76-73. E-mail: serg@interunis.ru
и стеклоэмалевые. В таблице приведены основные характеристики этих покрытий. Подробное изложение технологий получения тензопокрытий, методики их применения, оценки точности измерений и примеров исследования НДС различных элементов конструкций рассмотрены в [1—3].
Характеристики хрупких тензопокрытий ИМАШ
Тип покрытия
Характеристики тензопокрытий Канифольные газопламенного нанесения Канифольные лаковые Оксидные Стеклоэмалевые
Пороговая деформация, мкм/м 500—2000 1000 —2000 400—5000 300—600
Погрешность измерений, % 20 25 15 20
Рабочая температура, °С 5—35 10—35 -250—200 -250—400
Окружающая среда Воздух, вакуум Воздух, вакуум Воздух, вода, масло и др. Воздух, вода, масло, жидкий азот, водород
Способ получения Газопламенное напыление Аэрозольное напыление Клеевое соединение Оплавление в печи шликера стекла
Ограничения применения метода хрупких покрытий обусловлены, во-первых, локальностью размещения тензопокрытий (только в технологически доступных для установки зонах конструкций); во-вторых, необходимостью дистанционного мониторинга процесса трещинообразования. Для решения этих задач, а также автоматизации регистрации и локации образования трещин в тензопокрытии, предложено использовать метод хрупких тен-зопокрытий в сочетании с методом АЭ.
Метод АЭ [9] позволяет регистрировать и контролировать протекание динамических процессов в твердых телах, которые сопровождаются излучением упругих волн. К таким процессам относятся акты пластической деформации в материалах, образование микро-, мезо- и макротрещин, а также развитие магистральных трещин при различных механизмах разрушения. Возможен контроль этих процессов как в условиях статического, так и циклического нагружения. Преобразователи АЭ, размещенные на объекте в определенных местах, дают возможность контролировать не только поверхность объекта, но и весь объем материала, включая внутренние области конструкции.
Совместное применение хрупких тензопокрытий и акустико-эмиссионной системы позволяет сочетать в себе достоинства, присущие каждому из этих методов, и при этом лишено недостатков, свойственных этим методам в отдельности. Требуемый эффект достигается путем установки в наиболее нагруженных зонах диагностируемого изделия хрупких тен-зопокрытий с величиной пороговой деформации меньшей или равной предельно допустимой для безопасной эксплуатации конструкции, а для дистанционного контроля их состояния (регистрации и локации образующихся трещин) используется система АЭ [10]. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что предлагаемый комбинированный метод позволяет на ранней стадии в области упругого деформирования регистрировать процессы, предшествующие структурной перестройке и разрушению материала диагностируемой конструкции. Но для эффективного его приме-
нения при АЭ-мониторинге изделий в режиме "online" необходимо научиться идентифицировать источники регистрируемых сигналов, то есть отделять сигналы, вызванные разрушением тензоиндикатора, от сигналов, генерируемых в процессе деформирования и разрушения материала подложки.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наиболее перспективными для диагностики и мониторинга высокона-груженных элементов конструкций являются хрупкие оксидные тензоинди-каторы, которые можно успешно применить как в стендовых условиях при отработке методик неразрушающего контроля, так и в натурных условиях при испытаниях и эксплуатации контролируемых объектов. Их можно использовать при температурах от -250 до 200 °С, в диапазоне температур -50—50 °С они обладают стабильными характеристиками, имеют относительно несложную технологию изготовления и в течение длительного времени (не менее 5 лет) сохраняют свои свойства. С применением оксидных покрытий экспериментальные исследования можно проводить не только в воздушной среде, но и в воде, масле и их парах как в области упругих, так и пластических деформаций (в интервале от 0,05 до 7 %). Оксидные тензоин-дикаторы допускают внешнее воздействие на покрытие, в частности, установку тензорезисторов и преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ).
Хрупкий оксидный тензоиндикатор [1] представляет собой электрохимически анодированную алюминиевую фольгу с толщиной оксидной пленки 10—40 мкм, наклеенную на исследуемый элемент конструкции (рис. 1). При возникновении в подложке алюминиевой фольги деформаций £ превышающих величину пороговой деформации £ в оксидной пленке тензо-индикатора образуются картины трещин, отражающие поле наибольших деформаций на поверхности конструкции. Используя характеристики тензо-чувствительности тензоиндикаторов (£ а0) и график изменения численности трещин в оксидной пленке (у) от уровня деформаций в подложке, можно с погрешностью порядка 15 % определить значения наибольших деформаций (напряжений) на поверхности исследуемой конструкции в зонах тре-щинообразования хрупкого покрытия.
Рис. 1. Схема образования трещины в оксидном тензоиндикаторе: 1 — оксидная пленка; 2 — алюминиевая фольга; 3 — клеевая прослойка; 4 — объект исследования; 5 — трещина; Е1п, — главные деформации в покрытии; е1д, £2д — главные деформации на поверхности детали; Е0 — пороговая деформация образования трещин в покрытии.
В зависимости от размеров и формы исследуемого элемента конструкции, возможности его снятия и установки на объекте исследования, используют следующие способы получения оксидных тензоиндикаторов.
Первый — когда по форме и размерам исследуемого элемента изделия изготавливают модель, на которую с применением химически стойкого лака или эластичного клея закрепляют алюминиевую фольгу. Полученный анод помещают в ванну с электролитом и по заданному режиму выполняют электрохимическое оксидирование алюминиевой фольги. Фольгу с выращенной оксидной пленкой снимают и наклеивают на исследуемый элемент конструкции.
Второй — когда сначала алюминиевую фольгу наклеивают на исследуемый элемент, а потом выполняют ее электрохимическое оксидирование в кислотном электролите. Перед оксидированием поверхность исследуемого элемента, не покрытую фольгой, изолируют химически стойким лаком.
В зависимости от требуемого уровня тензочувствительности оксидной пленки, выращиваемой на алюминиевой фольге, проводят выбор электролита и режима электрохимического анодирования. Наиболее толстые оксидные пленки толщиной 30—35 мкм с максимальной чувствительностью к деформациям е0 = 500—1000 мкм/м получают в 15—20-процентных водных растворах серной кислоты при температурах электролита 0—20 °С и плотности тока 4—6 А/дм .
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.