УДК 539.2 : 539.4 : 620.179.16
ДИАГНОСТИКА СТАДИЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПО ИНТЕГРАЛЬНЫМ ПАРАМЕТРАМ ПОТОКА АКТОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
С.И. Буйло
Проанализирована связь стадийности процессов деформации и разрушения твердых тел с интегральными параметрами сопутствующей акустической эмиссии (АЭ). Описан метод и приведены результаты восстановления действительной (излученной) интенсивности потока, спектра, длительности и энергии акта АЭ. Дана физическая интерпретация Б-образного вида кривой потока актов АЭ. Показана возможность идентификации стадий разрушения, а также оценки концентрации и постоянных размножения повреждений по положению переломов этой кривой. Установлено, что нижний перелом кривой соответствует точке перехода от стадии пластической деформации к стадии рассеянного накопления повреждений. Обнаружение этого перелома предложено использовать для раннего выявления точки деструкции материала. Верхний перелом интерпретирован как точка изменения постоянной размножения вследствие начала локализации процесса дефек-тообразования.
Диагностика и моделирование ранних стадий разрушения твердых тел встречает большие затруднения. Дело в том, что классические методы механики сплошной среды и механики разрушения применимы, когда отдельный дефект (трещина) имеют характерный размер по крайней мере, не менее 1 мм, то есть когда наличие единичной трещины существенно меняет напряженно-деформированное состояние (НДС) в ее окрестности. В связи с этим наряду с традиционными вот уже более 30 лет активно развивается новый подход, основанный на изучении связи параметров акустической эмиссии (АЭ) с кинетикой процессов накопления повреждений в твердых телах.
К настоящему времени наибольшее практическое применение находят методы АЭ диагностики, основанные на использовании таких интегральных (в широком смысле этого термина) параметров потока АЭ, как интенсивность (активность), общее количество и энергия регистрируемых сигналов АЭ. Хорошая информативность этих параметров непосредственно следует из самой природы явления АЭ, состоящего в излучении упругих волн, возникающих в ходе внутренней локальной перестройки (или повреждения) структуры твердого тела.
Предлагаемая работа посвящена установлению связи АЭ со стадийностью процессов дефектообразования и возможности диагностики ранних стадий разрушения по интегральным параметрам АЭ.
Действительно, при каждом коллективном акте повреждения (или перестройки) структуры (срыв лавины дислокаций; слияние микротрещин между собой, с макротрещиной и т. д.) генерируется первичный упругий импульс, процесс излучения которого представляет собой так называемый акт акустической эмиссии. Следовательно, измерение интенсивности потока (скорости следования) актов АЭ А^ или их общего количества Л/'а в принципе позволяет количественно исследовать кинетику накопления повреждений и диагностировать ранние стадии разрушения.
При этом с формальной точки зрения безразлично, что регистрировать, так как по измеренным зависимостям А^а(0 можно легко рассчитать ВД и наоборот. Однако на практике предпочтительнее все же измерять интенсивность Л/а, так как рассчитанное по ней общее количество актов АЭ обычно имеет погрешность (особенно при цифровой обработке) в несколько раз меньшую, чем погрешность обратной оценки N¡,(0 по N¿(0. Это следует из теории оценки погрешности измерений и того факта, что при цифровом методе оценки Л^(0 по Nй(t) действительный интер-
вал изменения Ш при определении Л/а(0 может оказаться меньше величины разряда дискретного квантования самой величины /Уа.
Кроме того, большинство существующих АЭ приборов измеряют еще и ЕАЭ (иногда ее обозначают, как я др.) — так называемую энергию АЭ сигнала, которая обычно пропорциональна длительности, квадрату амплитуды и определяется по площади регистрируемых сигналов АЭ. Этот параметр хорошо качественно описывает интегральное поведение АЭ во времени, однако, к сожалению, не позволяет осуществлять количественную оценку энергетических параметров процесса де-фектообразования. Дело в том, что определенная таким образом в узкой частотной полосе приемного датчика "псевдоэнергия АЭ" соответствует только малой части (иногда всего 1—2 %) истинной энергии первичного излученного широкополосного сигнала АЭ.
СТАДИЙНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Известно, что для идентификации стадий любого физического процесса большую помощь оказывает установление самого факта и координат особых критических точек (локальных экстремумов и переломов различных регистрируемых параметров) исследуемого процесса. Однако предпринимаемые ранее попытки такого подхода к явлению АЭ часто были малопродуктивны вследствие сильного искажения и перекрытия регистрируемых сигналов АЭ.
Дело в том, что при использовании традиционных методов АЭ контроля часто наблюдаются ложные (отсутствующие на самом деле) экстремумы регистрируемых параметров АЭ. Например, нами установлено, что в случае высокой интенсивности излученного потока актов АЭ возможно как появление ложных минимумов (провалов) регистрируемой активности, так и ложных максимумов амплитудного распределения регистрируемых импульсов АЭ. Для решения этой проблемы нами разрабатываются методы восстановления истинных параметров процесса накопления повреждений по регистрируемым сигналам АЭ [1—4]. На основе пуассоновской модели потока актов АЭ и с учетом обнаруженных экспериментально физико-механических особенностей явления АЭ разработан метод восстановления истинной (излученной) интенсивности потока актов АЭ Л^ по регистрируемой интенсивности потока продетектиро-ванных радиоимпульсов (вспышек) АЭ А^. Результаты доведены до простых инженерных соотношений:
К = N.ехрК- К = 1г,У(7- 1г0) «ДУ(/о-АО, (1)
где К — параметр искажения и перекрытия; Хг0 — суммарная длительность импульсов АЭ за время измерения Т (например, Т = 1 с); N— скорость счета осщшляций сигналов АЭ; /0 — частота заполнения (осцилля-ций) сигналов АЭ (приблизительно равна резонансу датчика).
Восстановление параметров потока актов АЭ дало возможность получить истинный вид зависимостей параметров АЭ вдоль кривой нагру-жения и существенно повысить достоверность результатов АЭ диагностики. Это позволило предложить основы метода идентификации стадий процессов накопления повреждений по положению различных особых точек интегральных параметров АЭ (например, локальных экстремумов [1] и точек перелома или Л^ [4—8]).
Оказалось, что такой подход очень близок к развиваемым в самое последнее время новым методологическим принципам междисциплинарного синергетического подхода к прочности [9] и представлениям об иерар-
хии структурных уровней и стадийности процессов деформации и разрушения твердых тел [10—12].
1. Основы синергетического подхода к прочности и разрушению материалов. Синергетика — это теория самоорганизации. Ее применение к прочностным задачам позволяет рассматривать деформированное твердое тело как открытую, сильно неравновесную систему, в которой пластическая деформация и разрушение — это стадийные иерархические релаксационные процессы, снижающие уровень существенно неоднородного напряженного состояния.
Таким образом, пластическая деформация и разрушение являются дис-сипативными процессами, которые протекают вдали от термодинамического равновесия и сопровождаются проявлением неустойчивости системы при смене стадий процесса в особых критических точках (точках бифуркации) с ограниченным количеством определяющих параметров системы.
Взаимодействие релаксационных потоков в распределенной системе обусловливает волновой характер пластического течения твердого тела в виде двухкомпонентной волны сдвига-поворота вдоль оси растяжения.
Физическая природа стадийности пластической деформации подробно исследована и описана в [10]. Показано, что переход от одной стадии пластической деформации к другой обусловлен фазовыми превращениями в подсистеме деформационных дефектов, причем эти превращения контролируются основным внутренним параметром системы — скалярной плотностью дислокаций.
Более поздние стадии деформации проанализированы в [12]. Введено понятие точки деструкции Д определяемой по излому линеаризованных кривых (5 - 51/2), где: 5 — истинное напряжение; 5 — остаточная деформация. Установлено, что до этой критической точки (точки деструкции £)) ведущим механизмом пластического течения материала являются дислокационные процессы фрагментации структуры.
В то же время экспериментальные данные световой и электронной микроскопии, дифракционной рентгенографии, измерения плотности и электрического сопротивления материала показывают, что после точки деструкции О начинается резкий переход к стадии необратимого накопления микронесплошностей (микротрещин), приводящей к разрушению тела.
Дополнительную весьма ценную информацию об особенностях динамики и стадийности процессов дефектообразования в твердых телах, особенно на уровне деформирования структурных объемов мезоскопичес-кого масштаба можно получить, воспользовавшись методами фрактального анализа и вейвлет-преобразования.
2. Фрактальная размерность и вейвлет-преобразование. В последнее время в задачах физики конденсированных сред и материаловедения все большее применение находят методы фрактального анализа, позволяющие выявлять и классифицировать самоподобные структуры посредством оценки их так называемой фрактальной размерности I.. Таким образом, по конкретной величине Ор удается обнаруживать упорядоченность (например, кластеризацию) в структурах, внешне кажущихся совершенно беспорядочными и случайными.
Понятие фрактальной размерности впервые появилось из необходимости оценки длины и классификации сильно извилистых (например, береговых) линий, а так же измерения сильно шероховатых поверхностей. Оказалось, что если аппроксимировать длину кривой линии малыми отрезками прямых постоянной длины Д, то зависимость ее длины Ь(А) от размера отрезков Д имеет вид [9]:
ДД) = аА1~°г, а > 1,
(2)
где DF > 1 — очень ценный параметр, получивший название "фрактальной размерности" и позволяющий классифицировать сильно извилистые кривые (напри
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.