УДК 539.2 : 539.4 : 620.179.16
ДИАГНОСТИКА ПРЕДРАЗРУШАЮЩЕГО СОСТОЯНИЯ ПО АМПЛИТУДНЫМ И ВРЕМЕННЫМ ИНВАРИАНТАМ ПОТОКА АКТОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
С.И. Буйло
Описан метод и приведены результаты диагностики предразрушающего состояния по отклонению амплитудных и временных инвариантных соотношений параметров потока актов акустической эмиссии (АЭ) от их устойчивых значений. Показана связь метода инвариантов АЭ с методологией синергетического подхода к разрушению твердых тел. Амплитудные инвариантные соотношения АЭ оценены как при испытании стандартных образцов корпусной стали 15Х2НМФА. так и по полученным ранее данным АЭ испытаний корпуса реактора ВВЭР-1000.
Ранее был предложен метод диагностики предразрушающего состояния и определения точки деструкции конструкционных материалов по отклонению от устойчивых (инвариантных) в силу ряда предельных теорем соотношений статистических параметров потока актов АЭ [1].
Суть такого подхода заключается в следующем. В силу случайного характера потока микроповреждений на некоторых стадиях деформации и разрушения твердых тел можно найти устойчивые (инвариантные) соотношения /* = ту между регистрируемыми параметрами АЭ. Тогда появление отклонений регистрируемых значений /р этих соотношений от их инвариантных значений I* может служить критерием перехода на следующую стадию деформации или разрушения [1—3].
Для количественного описания степени отклонения 1„ от I* введен информационный параметр ;'р, простейший вид которого [3]
¿р = гр(/р, /;) = !(/„-/;)!//;. а)
В последнее время становятся все более очевидными фундаментальность и ценность метода инвариантов АЭ для идентификащш ранних стадий разрушения. Правомерность такого подхода к выбору информативных параметров АЭ непосредственно подтверждается результатами междисциплинарного синергетического подхода к процессам деформации и разрушения твердых тел.
Действительно, согласно выводам синергетики, твердое тело на самом деле обладает инвариантными комплексами механических свойств, связанных с диссипативными свойствами материалов в так называемых точках бифуркации, соответствующих, например, сменам стадий (и механизмов) деформации [4]. Хорошая корреляция параметров потока актов АЭ с механическими свойствами материалов в принципе позволяет находить аналогичные инвариантные комплексы и для параметров АЭ.
Практическое применение временных инвариантных соотношений рассмотрено нами ранее [3]. В данных экспериментах исследовалась эффективность совместного применения инвариантных соотношений для диагностики предразрушающего состояния как по временным, так и по амплитудным параметрам АЭ.
Известно, что вследствие независимой работы отдельных микроисточников АЭ на стадии рассеянного накопления микроповреждений поток актов АЭ на этой стадии можно считать пуассоновским [3]. Отношение стандартного отклонения ад, (корень квадратный из дисперсии временных интервалов между событиями АЭ) к их среднему значению
(первый временной инвариант /1Дг) для пуассоновского потока актов АЭ имеет устойчивое (инвариантное) значение, равное единице [3],
1Ш= а */(£) = = Ъ (2)
а информационный параметр временных интервалов следования /ш
^=|(£-а„)|/(*) = 0. (3)
Образование макродефекта обычно приводит к отклонению параметров потока актов АЭ от пуассоновского, вследствие чего нарушение соотношений (2) и (3) можно рассматривать в качестве диагностического признака наступления момента предразрушающего состояния.
Аналогично можно предложить первый амплитудный инвариант 11и и амплитудный информационный параметр г1и:
/1и= = (4)
г1и=1(м-оц)1/(м) = 0, (5)
где о„им — соответственно стандартное отклонение и среднее значение амплитуды, а ГХи — устойчивое значение первого амплитудного инварианта.
Рис. 1. Графики изменения инвариантных соотношений (а) и информационных параметров (о) в процессе нагружения образца стали 95X18; крестиками показан момент разрушения.
На рис. 1 показано практическое применение такого подхода на примере диагностики предразрушающего состояния стандартных образцов стали 95X18 при их одноосном нагружении до разрушения с постоянной скоростью деформации. (Эта сталь часто используется для изготовления подшипников и других элементов двигателей, работающих в агрессивных средах.)
В ходе эксперимента сигналы АЭ регистрировались, оцифровывались и обрабатывались установкой АП-71Э собственной разработки [5]. Измерялись амплитуда, длительность и временной интервал следования каждого импульса АЭ, по которым затем рассчитывались требуемые статистические характеристики источника АЭ за каждую секунду нагружения.
Диагностика предразрушающего состояния.
81
Видно, что до 120 с нагружения хорошо выполняются соотношения 1\м= Л*д/ = 1 и Ьи - Ки (рис. 1а). Это позволяет говорить о пуассонов-ском виде и чисто случайном характере процесса накопления микроповреждений на этих стадиях деформации. Видно так же, что начиная со 120-й секунды нагружения (деформация е = 2,16 %) нарушается инвариантность как временных (2), так и амплитудных инвариантных соотношений (4), а значения их информационных параметров начинают заметно отличаться от нуля (рис. 16). Затем, начиная со 135-й с (е = 2,4 %) наблюдается явное падение (до значений порядка 0,5—0,6) инвариантных соотношений (2), (4) и резкое увеличение значений информационных параметров (3), (5).
Данные наших последних исследований показывают [6], что у стали 95X18 при деформации е < £* = 2,4 % происходит в основном хаотическое (рассеянное по объему и времени) зарождение и экспоненциальное накопление микротрещин за счет генерации локальных термофлуктуаци-онных микроповреждений с некоторой постоянной размножения. При е > е* часто происходит локализация процессов накопления повреждений вследствие выполнения условий концентрационного критерия укрупнения трещин перед зарождением макротрещины. Таким образом, условия:
/Ш ^Аам I
Ш> 1 и
1Ш > 0; г1и > 0
(6)
соответствуют стадиям локализации процесса накопления повреждений при зарождении макротрещины и действительно могут быть использованы в качестве критерия близости разрушения.
В качестве инвариантных можно также использовать соотношения, обратные значениям величин (2) и (4). В этом случае наступление предразрушающего состояния сопровождается возрастанием инвариантных соотношений относительно их инвариантных значений.
/ 1в = 0,79
( !/1н = 0,62
1 1
и/аи
Рис. 2. Экспериментальные гистограммы амплитудных распределений и значения первого амплитудного инвариантного соотношения АЭ:
а — бездефектный образец; б — образец с дефектом в виде надреза; в — первое нагружение реактора; 2 — третье нагружение реактора.
в
Практическое использование амплитудных инвариантных соотношений покажем на примере диагностики ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок [7].
6 Дефектоскопия, № 8, 2004
На рис. 2а, б приведены полученные нами гистограммы амплитудных распределений АЭ w(m/ou) и амплитудные инвариантные соотношения /1и стандартных цилиндрических бездефектного (рис. 2а) и дефектного (рис. 26) образцов корпусной стали 15Х2НМФА при одноосном растяжении (дефект имитировался в виде надреза). Видно, что амплитудное распределение АЭ бездефектных образцов (рис. 2а) имеет монотонно-спадающий вид при значении первого амплитудного инварианта/^ «0,79, а появление дефекта приводит к изменению формы амплитудного распределения АЭ (рис. 26) и падению значений инвариантного соотношения до 11и =0,6.
На рис. 2 также приведены амплитудные распределения АЭ, полученные нами ранее в ходе испытаний корпуса реактора ВВЭР-1000 пятого блока Ново-Воронежской АЭС (рис. 2в — первое нагружение; рис. 2г — третье нагружение). Видно, что амплитудные распределения АЭ как при первом, так и третьем нагружениях корпуса реактора близки к монотонно-спадающему виду (рис. 2в, г) при значениях инвариантного соотношения /1и более 0,7, то есть близких к инвариантным значениям бездефектного материала.
Нами также установлено, что в отличие от интегральных методов АЭ диагностики метод инвариантов достаточно хорошо работает и при малом количестве регистрируемых сигналов АЭ. Его применение позволяет заметно повысить достоверность результатов диагностики ранних стадий разрушения материалов с низким уровнем АЭ излучения, особенно в случае неразрушающего контроля изделий из высокопрочных нержавеющих и малоуглеродистых сталей (рис. 2).
Итак, наблюдается заметная чувствительность амплитудных и временных инвариантных соотношений АЭ к стадиям дефектообразования, что можно использовать для ранней диагностики предразрушающего состояния по временным и амплитудным инвариантам потока актов АЭ.
ВЫВОДЫ
1. На ранних стадиях деформации, а также при рассеянном по объему накоплении микроповреждений первый амплитудный инвариант имеет устойчивое (инвариантное) значение порядка 0,8, а временной близок к единице.
2. Локализация процесса дефектообразования при зарождении трещины приводит к нарушению инвариантности амплитудных и временных инвариантных соотношений и падению их значений до 0,5—0,6 перед разрушением.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта МО РФ ТОО-7.4-2801 по фундаментальным исследованиям в области ядерной техники и МНТП сотрудничества МО и Минатома по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" проект 3.03-01.
НИИ механики и прикладной математики Поступила в редакцию
имени И.И. Воровича 5 января 2004 г.
Ростовского госуниверситета
ЛИТЕРАТУРА
1. Буйло С.И. Акустико-эмиссионный контроль и диагностика опасных динамических явлений в угольном пласте.— Дефектоскопия, 2000, № 4, с. 54—63.
2. Буйло С.И., Попов A.B. Акустико-эмиссионный метод оценки параметров процесса накопления повреждений в задаче прогнозирования ресурса изделий ответственного назначения.— Дефектоскопия, 2001, № 9, с. 45—53.
3. Б у йл о С.И. Использование инвариантных соотношений параметров потока сигналов акустической эмиссии для диагностики предразрушающего состояния твердых тел.— Дефектоскопия, 2002, № 2, с. 48—53.
Диагностика предразрушаюгцего состояния.
83
4. Иванова B.C. и др. Синергетика и фракталы в матер
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.