Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов

Кафедра термофизики материалов

Курсовая работа.

Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов.

Содержание.

Введение

1)                 Акустическая эмиссия и ее основные параметры

2)                 Основные понятия и определения метода акустической эмиссии

3)                 Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех

4)                 Методика электролитического наводороживания металлических образцов

5)                 Назначение прибора АФ-15

6)                 Источники акустической эмиссии в металлах

7)                 Практическая часть

Выводы

Литература

Введение.

В последнее время наблюдается тенденция неуклонного роста требований как к конструкционным материалам, так и к методам оценки их надежности и качества. Особое внимание уделяется разработке новых, физически обоснованных критериев конструк­тивной прочности материалов, основанных на всестороннем изу­чении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разру­шения. Такой подход предполагает расширение наших представ­лений о природе прочности и механизмах разрушения материалов на различных масштабных уровнях. Это возможно только при ис­пользовании в процессе изучения данных явлений комплекса со­временных физических методов исследования [54].

Как показывает действительность, решение поставленной за­дачи комплексного подхода к проблеме несущей способности ма­териалов и конструкций возможно на стыке материаловедения, физики и механики разрушения, т.е. в рамках новых направле­ний - микромеханики разрушения и физической мезомеханики. Не исключены методы классического материаловедения. Широкие перспективы предвидятся на новых подходах, сочетающих прин­ципы синергетики и теории фракталов.

Метод акустической эмиссии (АЭ), основанный на регистра­ции и обработке волн напряжений, возникающих в результате формирования, изменения и разрушения структур различных ма­териалов, является в настоящее время наиболее эффективным для изучения процессов и стадий развития дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга ответственных объек­тов промышленности.

Первые работы по изучению явления АЭ появились в конце 40-х годов 20 века в США и в начале 50-х годов в ФРГ. Развитие электроники и создание специальных аналоговых приборов АЭ позволили с конца 60-х годов использовать метод АЭ для обна­ружения роста трещин в процессе различных механических испы­таний. Новое возрождение метода АЭ относится к 90-м годам и связано с активным появлением и использованием персональных ЭВМ. Цифровая техника с большим объемом памяти и скоростью обработки информации позволила накапливать и хранить АЭ ин­формацию, а также при необходимости обрабатывать и анализиро­вать эту информацию по различным параметрам.

Анализ современного состояния работ показывает, что вся проблема, связанная с методом АЭ, может быть представлена сле­дующими научными направлениями [85]:

1. Теория и методы диагностики и прогноза несущей способ­ности конструкций, включающие вопросы теоретических и экспе­риментальных исследований разрушения.

2.   Информационно-измерительные системы, предназначенные для анализа АЭ информации, необходимой для принятия решений о состоянии конструкций.

3.   Математическое обеспечение измерительной аппаратуры, включающее рабочие программе организации обработки входя­щей информации и подпрограммы, связанные со сжатием инфор­мации, повышением достоверности результатов измерения на ос­нове теории распознавания образов, математической статистики и теории вероятностей.

4.   Теория прогнозирования и принятия решений.

В предлагаемой работе предпринята попытка обобщить суще­ствующую информацию по использованию метода АЭ в экспери­ментальной практике современного материаловедения. Особое место в книге отводится использованию метода АЭ для исследо­вания процессов накопления повреждений в нагруженных мате­риалах, для неразрушающего контроля и диагностики несущей способности материалов и изделий.

1 Акустическая эмиссия и ее основные параметры.

Согласно ГОСТ 27655-88 акустическую эмиссию определяют как излучение материалом механических упругих волн, вы­званное динамической локальной перестройкой его внутренней структуры. Кроме того, в последнее время к АЭ относят вы­сокочастотное акустическое излучение, возникающее при исте­чении жидкостей и газов из отверстий в сосудах и трубопро­водах. Также акустические сигналы, сопровождающие трибологическое взаимодействие твердых тел. В настоящее время общепризнанным является мнение, что АЭ - явление, сопрово­ждающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации при проте­кании большинства процессов определяется лишь чувствитель­ностью используемой аппаратуры. АЭ возникает как в микро­процессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры тел, так и в макроявлениях, связанных с разруше­нием агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ предо­ставляет широкие возможности для исследования твердых тел, их взаимодействия между собой и с жидкими и газообразными средами, а также диагностики материалов энергонапряженных конструкций.

Явление АЭ известно с середины прошлого столетия как "крик олова", возникающий при деформировании олова и слы­шимый невооруженным ухом. Однако в течение многих деся­тилетий оно не находило практического применения. С 50-х го­дов нашего столетия началось систематическое изучение аку­стической эмиссии в конструкционных материалах. Явление АЭ и причины его порождающие оказалось более сложным, чем предполагали пионеры АЭ-исследований. Середину 70-х годов следует рассматривать как период, когда была осозна­на сложность проблем, возникающих при интерпретации АЭ-сигналов, разработана высокочувствительная аппаратура, на­коплен определенный экспериментальный материал, достаточ­ный для решения как исследовательских, так и технических задач. К концу 70-х голов следует отнести начало применения АЭ для диагностики узлов трения.

Существующие методики контроля основаны на анализе па­раметров АЭ-сигналов. Методы обработки сигналов и опреде­ления их информативных параметров существенным образом зависят от вида регистрируемой АЭ. Принято различать дис­кретную и непрерывную АЭ. Чтобы понять, чем обусловлен выбор информативных параметров при регистрации того или иного вида АЭ, рассмотрим основные условия формирования акустических сигналов в твердых телах.

В силу дискретной природы вещества дискретны и проис­ходящие в них физические процессы. Кажущаяся непрерыв­ность процесса отражает факт усреднения результата наблю­дения большого числа отдельных элементарных событий. Эле­ментарное событие в твердом теле приводит к деформированию последнего, но столь незначительному, что оно, как правило, не может быть зарегистрировано известными средствами. Од­нако большое количество элементарных событий, образующих последовательность (поток) событий, может привести к макро­скопическим явлениям, вызывающим заметное изменение энер­гетического состояния тела. При высвобождении энергии часть ее излучается в виде упругих волн. Появление таких волн и есть акустическая эмиссия.

Проявляться АЭ может двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, высвобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ-сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, по­лучивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, высвобождаемой при единичном акте, энергетическое состоя­ние тела меняется незначительно. Вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от предыдуще­го. Как следствие, характеристики непрерывной АЭ меняются во времени сравнительно медленно, что позволяет рассматри­вать этот тип эмиссии как квазистационарный процесс.

Если состояние тела далеко от равновесного, возможны про­цессы лавинного типа, при которых за малый промежуток вре­мени в процесс вовлекается большое число элементарных собы­тий. Энергия упругой волны при этом может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной эмиссии. Подобная эмиссия, характеризующаяся большой амплитудой регистрируемых акустических импульсов, получила название дискретной.

Следует отметить, что разделение АЭ на непрерывную и дискретную достаточно условно, поскольку возможность раз­дельной регистрации АЭ-импульсов зависит лишь от характе­ристик используемой аппаратуры. Например, увеличивая уро­вень дискриминации сигналов, можно регистрировать только высокоамплитудные выбросы акустического сигнала, то есть формально перейти от регистрации непрерывной к регистрации дискретной АЭ, хотя очевидно, что сущность явления АЭ при этом не изменится.

В реальной ситуации, как правило, приходится иметь дело с эмиссией обоих типов. Например, докритическое подраста­ние трещин в металлах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные пери­оды стабильного состояния трещины, при некотором возмож­ном возрастании пластической деформации в ее вершине, че­редуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновес­ное состояние. Такой переход связан с изменением напряжен­ного состояния (разгрузкой) материала в окрестности трещины и сопровождается излучением упругой волны, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками, при накоплении пластической деформации, наблюдается характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.

Ползучесть материала на первой, нестационарной, и вто­рой, стационарной, стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной, наблюдается также и дискретная АЭ, обусловленная образованием и развитием ми­кротрещин. Такое же положением имеет место при коррозии под напряжением, конечная стадия которой - коррозионное ра­стрескивание - сопровождается интенсивными акустическими вспышками дискретной АЭ.

Во всех указанных случаях в течение достаточно длитель­ного времени - докритической стадии развития трещины, сред­няя скорость ее роста, как правило, не превышает долей мил­лиметра в час. Трещина еще не представляет серьезной опасно­сти для конструкции, но возникающая при этом АЭ указывает на развитие дефекта и, следовательно, является предвестни­ком наступления катастрофического разрушения. Для прогно­зирования разрушения обычно используют дискретную соста­вляющую АЭ из-за простоты регистрации сигналов большой амплитуды.

Дискретную АЭ используют также при контроле техноло­гических процессов, в ходе которых возможно образование тре­щин (сварка; закалка; диффузионное насыщение, например наводороживание и др.), а также для исследования и контро­ля коррозионного растрескивания, прочности, термопрочности, усталостного разрушения, а также процессов трения и изно­са. Непрерывную АЭ связывают с пластической деформаци­ей, коррозией материалов и другими физическими процессами.

Еще раз заметим, что при всех перечисленных процессах, как правило, можно наблюдать как дискретную, так и непрерыв­ную составляющие АЭ.

Следует различать информативные параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры не­прерывной АЭ. Импульсы или сигналы АЭ характеризуются амплитудой, длительностью, формой и временем появления. Поток сигналов дополнительно можно характеризовать сред­ней частотой событий, спектральной плотностью, амплитуд­ным, временным и амплитудно-временным распределениями, корреляционной функцией, средним значением и дисперсией. Каждая из характеристик связана с порождающим АЭ физи­ческим процессом, содержит информацию о его развитии или же о состоянии объекта исследования.

Для дискретной АЭ вводятся следующие информативные параметры:

1.       Общее число импульсов - число зарегистрированных
импульсов дискретной АЭ за интервал времени наблюдения.

Само определение этого параметра говорит о его пригодно­сти для описания только потоков неперекрывающихся импуль­сов. Оно характеризует процессы, связанные с разрушением, и указывает на число отдельных актов зарождения и распростра­нения дефектов в материале или конструкции.

2.       Активность АЭ - общее число импульсов, отнесенное к
единице времени.

Информативность этого параметра такая же, как и преды­дущего, но с большей детализацией во времени, что дает воз­можность наблюдать динамику процесса разрушения.

3.       Суммарная АЭ - число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени.

В случае дискретной АЭ эта величина характеризует число событий с энергией, превышающей установленное пороговое значение. При регистрации дискретной АЭ теряется часть ин­формации, связанная с импульсами, амплитуда которых мень­ше установленного порога - уровня дискриминации. Кроме то­го, возможность произвольного выбора этого уровня делает па­раметр неоднозначным. Если производить счет недетектированных импульсов, представляющих затухающие осциллирую­щие сигналы, поступающие с пьезоприемника, что практику­ется довольно часто, то появляется дополнительная неодно­значность результатов, обусловленная многократной регистра­цией одного и того же первичного импульса. При этом крат­ность воспроизведения его в счетном устройстве зависит от уровня дискриминации, коэффициента затухания колебаний в объекте и преобразователе, а также характеристик приемно-усилительного тракта.

4.       Скорость счета  - число зарегистрированных превы­шений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу времени.

Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени и обладает теми же недостатками. Некоторые авто­ры называют этот параметр интенсивностью АЭ.

5.       Плотность вероятности амплитуды импульсов w(A) характеризует АЭ уже как случайный процесс. Эта функция определяет вероятность того, что амплитуда АЭ-импульса А0 находится в интервале от А до А + dA :

Р {А < A0 < А + dA} = w{A)dA.

На практике чаще используют характеристику n(А), назы­ваемую амплитудным распределением импульсов. Эта функ­ция указывает количество импульсов, амплитуда которых за­ключена в малом интервале от А до A+dA . Если общее чи­сло зарегистрированных импульсов равно N , то амплитудное распределение связано с плотностью вероятности w(A) соот­ношением

n(А) = N*w(A),

причем

Функции w(A) и n(А) можно оценить по эксперименталь­ным данным, построив гистограмму распределения импульсов АЭ по амплитуде. Как известно, эта гистограмма отражает за­висимость количества импульсов ni (или доли таких импуль­сов ni/N), амплитуда которых заключена в малом интервале от Аi до Ai +   ,от величины амплитуды Аi. Нетрудно уста­новить взаимосвязь между этими функциями:

Nw(Ai)= n(Ai) = ni.

Определив по экспериментальным данным с использованием этих соотношений набор значений функций w(Ai) и n(Ai), в дальнейшем, например при помощи системы распределений Пирсона, можно подобрать аналитические вы­ражения для описания функций w(A) или n(А).

6.       Распределение временных интервалов  между от­дельными АЭ-импульсами содержит важную информацию о  физике явления и характере его развития. При взаимной  независимости и одинаковой вероятности элементарных событий их последовательность (поток событий) описывается законом Пуассона. Если поток стационарен, то распределение интерва­лов времени между импульсами АЭ подчиняется экспоненциальному закону

Страницы: 1, 2