Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-механические представления поврежденности в твердых телах 11
1.1. Подходы к исследованию повреждаемости 11
1.2. Общие представления о кинетике накопления повреждений 16
1.3. Образование деформационных дефектов в металлах 18
1.4. Дефекты и механизмы разрушения в композиционных материалах 22
1.5. Модели и мера поврежденности 29
1.6. Описание деформирования сред с дефектами 34
Выводы 39
Глава 2. Особенности акустико-эмиссионного исследования повреждений 41
2.1. Физические методы измерения поврежденности 41
2.2. Метод акустической эмиссии (АЭ) 49
2.2.1. Элементарные источники акустической эмиссии 49
2.2.2. Информативные параметры АЭ и их применение к анализу повреждений 53
2.2.3. Интегральная характеристика потока актов АЭ 58
2.3. Экспериментальная установка и методика регистрации акустического излучения 66
2.4. Приемные преобразователи упругих волн 70
Выводы 82
Глава 3. Взаимосвязь параметров акустической эмиссии, кинетики накопления повреждений и напряженно-деформированного состояния 83
3.1. Особенности корреляции потока актов АЭ с параметрами нагружеиия..83
3.2. Особенности акустической эмиссии в композитах 88
3.3. Особенности АЭ при циклическом нагружении композитов 96
3.4. Оценка прочности слоистых КМ на основе модели обратимой и необратимой повреждаемости 99
Выводы 113
Глава 4. Стадийная модель повреждаемости упругопласти-ческих материалов при силовом воздействии 114
4.1. Представление о пластически-деструкциошюм деформировании 114
4.2. Акустическая эмиссия и деструкция поликристаллических материалов 126
4.3. Связь локализации повреждаемости с критическими точками на диаграмме растяжения 140
4.4. Определение концентрации деформационных дефектов 142
Выводы 151
Глава 5. Моделирование деформирования упругопластического тела с учетом кинетики образования и развития микротрещин 152
5.1. Построение определяющих соотношений упругопластического деформирования тела с дефектами 152
5.2. Определение начального параметра поврежденности 162
5.3. Исследование упругих свойств в зависимости от развития анизотропной поврежденности 163
5.4. Прогнозирование момента неустойчивости дефектообразования 178
Выводы 186
Глава 6. Методология акустико-эмиссионного контроля и диагностики материалов 188
6.1. Проблема диагностики качества материалов и конструкций 188
6.2. Информативность и достоверность метода АЭ 189
6.3. Выбор информативных параметров 194
6.4. Связь критических точек диаграммы нагружения с параметрами АЭ...196
6.5. Акустико-эмиссионная диагностика натурных объектов 201
Выводы 217
Основные результаты и выводы 218
Литература 221
- Образование деформационных дефектов в металлах
- Информативные параметры АЭ и их применение к анализу повреждений
- Особенности акустической эмиссии в композитах
- Связь локализации повреждаемости с критическими точками на диаграмме растяжения
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач, связанных с развитием современного машиностроения, является задача обеспечения прочности и надежности конструкций. Предельные состояния машин и сооружений становятся результатом постепенного накопления микродефектов в процессе эксплуатации, что приводит к зарождению и развитию макроскопических трещин, потере работоспособности и разрушению. Данная проблема рассматривается в двух аспектах. Во-первых, это построение физико-механических моделей повреждаемости и описание механического поведения сред с дефектами, во-вторых, это разработка практических методов идентификации и количественной оценки дефектности.
Благодаря быстрому развитию механики континуальных повреждений, сравнительно нового направления механики деформируемого твердого тела, предложен широкий спектр моделей повреждаемости при различных условиях нагружения. Тем не менее, они не лишены противоречий, связанных, в частности, с определением зарождения трещины, условий роста микродефектов, формулировкой критериев разрушения. Остается открытым вопрос о количественной оценке накопления повреждений в реальных конструкциях. Очевидно, для адекватного описания поведения материалов под нагрузкой необходим учет эволюции реальной дефектности. В связи с этим, разработка метода количественной оценки структурных изменений в твердом теле и исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности.
Весьма эффективным в этом отношении является анализ акустической эмиссии (АЭ), сопровождающей деформацию и разрушение твердых тел. Отличительной особенностью явления АЭ служит динамический характер вызывающих его эффектов, что позволяет обнаруживать отличия в акустическом излучении, соответствующие различным уровням повреждения
структуры: движению и размножению дислокаций, зарождению и росту микротрещин, продвижению макротрещины. К преимуществам АЭ относятся высокая чувствительность и принципиальная возможность раннего обнаружения дефектов независимо от их формы, положения и ориентации, а также возможность наблюдения в реальном масштабе времени. С этой точки зрения анализ сигналов АЭ используется в двух основных направлениях – в качестве метода исследования и в качестве метода неразрушающего контроля и диагностики дефектности. Однако, применение АЭ для количественной оценки накопления повреждений практически отсутствует. Имеющиеся методические разработки носят качественный характер и основываются в основном на сравнении с эталоном.
Целью настоящей работы явилось: разработка и обоснование акустико-эмиссионного метода определения стадий и количественной оценки повреждаемости конструкционных материалов при силовом воздействии, а также развитие моделей деформирования и разрушения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.
Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:
– экспериментальное исследование закономерностей накопления повреждений в конструкционных материалах различных типов при силовом нагружении;
– выявление особенностей параметров АЭ, отражающих закономерности кинетики накопления повреждений на основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных разными методами;
– разработка и обоснование идентификации и количественной оценки деформационной повреждаемости на базе данных АЭ;
– моделирование механического поведения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с применением стандартных механических испытаний, метода АЭ, метода восстановления параметров потока актов АЭ, метода измерения модуля упругости при разгрузке, метода измерения микротвердости. При обработке данных использовался регрессионный анализ и стандартные пакеты вычислительных программ. Теоретическое моделирование проводилось на основе фундаментальных представлений теории упругости и пластичности с использованием методов регрессионного анализа и оптимизации.
Научная новизна.
– Определены особенности и общие закономерности зависимости суммарного количества актов АЭ от напряжения и деформации в поликристаллических и композиционных материалах, характеризующие стадийность накопления повреждений, а именно: установлены степенной характер и характеристические точки зависимости суммарного количества актов АЭ от приложенного напряжения и деформации.
– Предложен метод построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ при пластическом деформировании материалов.
– Разработана и обоснована методика количественной оценки на базе данных АЭ концентрации дефектов, возникающих при пластическом деформировании материалов.
– Развита плоская модель и построены определяющие соотношения упругости упругопластического деформирования твердого тела с учетом образования и развития микротрещин. Показано появление анизотропии свойств упругости в первоначально изотропном материале при образовании и развитии микротрещин.
– Предложены расчетно-экспериментальные методы прогнозирования прочности и жесткости конструкционных материалов с учетом реальных условий образования и развития поврежденности.
Практическая значимость работы состоит в использовании:
– установленных закономерностей и характеристических точек взаимосвязи интегральной характеристики потока актов АЭ с процессами деформации и разрушения в качестве критерия предразрушающего состояния материалов и конструкций;
– метода построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ, для определения различных стадий накопления повреждений, условий зарождения микро- и макродефектов, оценки ресурса пластичности, качества и технологических возможностей конструкционных материалов;
– методики количественной оценки концентрации дефектов, образующихся при пластическом деформировании поликристаллических материалов, для анализа разрушения, контроля и диагностики прочности и рабочего ресурса;
– расчетно-экспериментального метода определения на базе данных АЭ критериальных характеристик начала разрушения отдельных слоев разориентированного слоистого композита и прогнозирования прочности композиционного пакета в целом;
– определяющих уравнений упругости упругопластического деформирования тела, учитывающих реальные условия образования микротрещин для определения поведения деформационных характеристик в процессе накопления дефектов.
Достоверность полученных результатов и выводов основывается на использовании различных физических методов исследования, на анализе многочисленных экспериментальных данных, проведенном с соответствующей статистической обработкой и применением метода восстановления параметров потока повреждений по параметрам сопутствующего акустического излучения, на применении апробированного математического аппарата механики сплошной среды и механики континуальных повреждений, а также непротиворечивостью теоретических и опытных данных.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на I Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); II Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1985); II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Кишинев, 1987); VI Межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрения в специальные отрасли промышленности» (Миасс, 1989); Международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 1990); Всесоюзной конференции «Дни Советской Науки» секция X: «Математические методы с приложениями к механике» (Тула, 1991); III Всесоюзной научно-производственной конференции по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV конференции по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» и III школе-семинаре «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов» (Воронеж, 1992); Научно-технической конференции стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международной конференции по механике разрушения (Киев, 1993); XIII Научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» (Санкт-Петербург, 1993); 14-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996); 2-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1996); 4-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1999); 15-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1999); 7-ой Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2002); Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета (Самара, 2003), Международной конференции «Нанотехнологии и их влияние на трение, износ и усталость в машинах» (Москва, 2005); IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2005); IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).
Результаты настоящей работы отражены в отчетах госбюджетных НИР, выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов акустико-эмиссионной диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (Приказ ГК НВШ РСФСР № 258 от 28.03.91, № ГР 01920011833); Программы Госстандарта СССР по стандартизации в области надежности, износоустойчивости, эксплуатации и ремонта техники на 1986-1990 гг. «Провести исследования и разработать общие технические требования на преобразователи приборов акустико-эмиссионного контроля для создания методических указаний» (Раздел 02.00.011, № ГР 0087824); по гранту Минобразования РФ 91Гр 98 «Развитие акустико-эмиссионного метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики; НИР № 05.01.01.36 «Развитие метода акустико-эмиссионной оценки момента наступления предразрушающего состояния элементов конструкций средств воздушного транспорта» в рамках Программы: «Научные исследования ВШ в области транспорта» 2000 г.; гранта ТОО-7.4-2801 «Обоснование новых подходов к диагностике ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок по данным акустико-эмиссионных испытаний» по фундаментальным исследованиям в области ядерной техники; по гранту РФФИ 05-08-50026-а «Определение деформационных характеристик упругопластических материалов с дефектами».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе два патента на изобретение. В автореферате приведен список основных публикаций из 38 наименований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем 250 страниц, включая 75 рисунков, 18 таблиц, библиографию из 250 наименований и приложение на 5 страницах.
Образование деформационных дефектов в металлах
Поврежденность в механике в общем случае трактуется как изменение механических свойств, которое может иметь различную природу [74]. Однако деформационная повреждаемость, возникающая под действием механических напряжений, физически интерпретируется как процесс образования и роста микропор и микротрещин вследствие разрыва межатомных связей. Например, в металлах он происходит путем перемещения и концентрации дислокаций; в полимерах - путем разрыва связей, существующих между длинными цепочками молекул; в керамике и композитах - в результате декогезии между матрицей и наполнителем. На рис. 1.1 схематично представлены различные типы структурных дефектов, определяющие накопление повреждений. Данный процесс имеет несколько стадий и рассматривается соответственно различным масштабным уровням: микро-, мезо-, и макро-. На микроуровне проводится анализ механизмов деформации и разрушения. Это уровень атомов в случае упругости, дислокаций в случае пластичности, включений или микротрещин в случае образования макродефекта. Мезоуровень -это уровень характеристического элемента объема V, достаточно малого, чтобы избежать сглаживания высоких градиентов, но достаточно большого, чтобы в среднем отражать происходящие микропроцессы. Для экспериментальных целей и численного анализа принято рассматривать следующие порядки величин V: (0,1 мм)3 - для металлов и керамики; (1 мм)3 - для полимеров и композитов; (10 мм)3 - для древесины; (100 мм)3 - для бетона [219]. Размеры и определяющие уравнения только что зародившейся макротрещины устанавливаются на данном уровне. Макроуровень - уровень конструкционных элементов, на котором рассматривается развитие трещин от милли разрыв молекулярных цепей; е - трещина метра до метров. Соответственно уровням рассмотрения выделились и стали самостоятельно развиваться следующие теоретические направления механики деформируемого твердого тела: микромеханика, механика континуальных повреждений и механика разрушения.
Необходимость объяснения и анализа механизмов деформирования и разрушения послужила толчком к развитию микромеханики, континуальной теории дислокаций и метода непрерывной аппроксимации, с помощью которого механические характеристики на уровне микроструктуры аппроксимируются на макроскопические характеристики материала в целом. Здесь следует отметить работы Коттрелла А.Х., Гилмана Дж.Д., Онами М., Тамужа Б.П., Куксенко B.C., Чамиса А. и др. [53, 91, 95, 102, 111, 126, 160, 174]. Однако микромеханический подход трудно реализуем ввиду невозможности учета всех структурных особенностей материала конструктивного элемента и изменения их напряженного состояния.
Механика разрушения (MP) определилась ранее первых двух направлений, и ее основной задачей стало изучение закономерностей зарождения, страгивания и развития конечного числа трещин различной формы при различных видах деформации. На этом направлении достигнуты значительные успехи в определении условий и скорости роста трещин, разработаны методы прогнозирования ресурса конструкций с трещинами. Этой теме посвящены работы Партона В.З., Морозова Е.М., Новожилова В.В., Вакуленко А.А., Качанова Л.М., Махутова Н.А., Екобори Т. и др. [43, 44, 45, 62, 105, 122, 129, 131]. Тем не менее, такой подход не исчерпывает всего многообразия реальных процессов разрушения, не позволяет объяснить многие опытные данные.
Известно, что значительную долю долговечности материала составляет стадия рассеянного разрушения. Под действием нагрузок происходит постепенное накопление микродефектов, объединение их в трещины, которые со временем приводят к исчерпанию несущей способности конструкции. Кроме того, в вершине макроскопической трещины также происходит интенсивное образование и развитие поврелсдений, и она продвигается в подготовленном к разрушению материале. Поэтому, был поставлен вопрос о предразрушаю-щем состоянии материалов и конструкций, т.е. о развитии внутренней поврежденное до обнарулсения макротрещин, и получила свое начало механика континуальных поврелсдений (МКП).
МКП интенсивно развивается начиная с основополагающих работ Л.М. Качанова [73] и Ю.Н. Работнова [138], посвященных описанию поврелсден-ности и расчету длительной прочности в условиях ползучести. Постулатом самых первых моделей явилось снилсение лсесткости и целостности тела за счет микротрещин. Сущность нового подхода заключалась в использовании новой мезо-переменной - параметра поврелсденности, который вводится в определяющие уравнения механики деформируемого твердого тела для от-ралсения присутствия в теле миіфодефектов независимо от их конкретного типа, распололсения и ориентации. Такой параметр фактически определяет сокращение упругого отклика тела вследствие сокращения эффективной площади сечения, передающей внутренние усилия от одной части тела к другой, за счет развития микропор и микротрещин. Этот лее параметр является и скрытой термодинамической переменной состояния. К настоящему времени теория обобщена на случаи упругости, пластичности, вязкоупругости и усталости материалов, включая композиты и хрупкие тела. Наиболее полно концепции, методы, результаты и перспективы развития МКП излолсены в монографиях J. Lemaitre и D. Krajcinovic [212, 219] и в [213]. На валеность учета влияния поврелсдений в подготовке разрушения материала указывается в работах Л.М. Качанова, Ю.Н. Работнова и др. по теории ползучести [74, 139, 140]; В.В. Новожилова, Ф.А. Макклинтока, J. Lemaitre, В.Н. Кукудлсанова и др. по теории пластичности [96, 97, 98, 104, 123, 217]; Б.П. Тамулса, Ю.Н. Работнова и др. по теории вязкоупругости [140, 160]; В.В. Болотина, R. Talreja и др. по теории усталостного разрушения [25, 26, 27, 28, 243]; Н.Ф. Морозова, А.А. Вакуленко и др. по теории развития трещин [44, 45]; В.И. Астафьева и др. по коррозионному растрескиванию металлов при действии напрялсении и агрессивных сред [6]; Г.А. Ванина по теории волокнистых сред с дефектами [46].
Круг приложений МКП чрезвычайно широк. Концепция. МКП объединяет возмолшости механики сплошной среды и механики разрушения, охватывая следующие аспекты поврелсдаемости: условия образования и роста дефектов на ранних стадиях развития, зароледение трещины, предсказание общей долговечности при слолшом нагрулсении, влияние поврелсдений на деформационные свойства в масштабе среды. Примером взаимодополняемости MP и МКП может слулсить локальный подход к разрушению при расчете долговечности конструкций [173, 187, 216]. В этом случае процесс разрушения разделяется на две стадии: стадию инициирования трещины и стадию ее распространения. Прогнозирование инициирования трещины строится на основе МКП с учетом микроструктурных изменений, а стадия распространения трещины анализируется с помощью MP. Совместное использование указанных подходов позволяет более достоверно оценивать долговечность конструкций. Особенно валеную роль мезоскопический уровень изучения поврелс-денности играет при моделировании механизмов пластического деформирования и разрушения [102, 103].
Тем не менее, применение моделей МКП все еще ограничено, поскольку поврелсденность - достаточно слоленый объект для моделирования методами механики сплошной среды. Услолшение определяющих и кинетических уравнений поврелсденности делает их непригодными для практического использования. В результате МКП успешно применяется в ограниченных случаях статистической однородности и изотропности материала и поврелсден-ности.
Информативные параметры АЭ и их применение к анализу повреждений
Испытательный стенд для исследования АЭ состоял из трех основных блоков: блока нагружения (I), приемного тракта (II), блока обработки и записи сигналов (III). Структурная схема стенда представлена на рис. 2.2. Силовое нагружение осуществлялось с использованием универсальной испытательной машины «Инстрон», которая обеспечивала максимальную нагрузку до Ют, скорость движения траверсы в пределах (0,05... 500) мм/мин, необходимый минимум собственных акустических шумов. Относительная деформация и механическая нагрузка в образцах измерялись с помощью тензодат-чиков сопротивления и фиксировались на диаграммной ленте. Приемный тракт включал в себя пьезопреобразователь сигналов АЭ (2), соединенный последовательно с предусилителем (3) и блоком фильтров (4) основного усилителя приборного комплекса АП-51Э (рис. 2.3), предназначенного для приема, усиления, предварительной обработки и регистрации параметров сигналов АЭ [164]. Приборный комплекс АП-51Э отличается тем, что прием, усиление и статистическая обработка акустического излучения осуществляется с помощью электронных блоков: усиления и детектирования (6), селекции и восстановления интенсивности актов АЭ (7,8), цифрового измерения (9). Максимальный диапазон рабочих частот 0,1 ...2,0 МГц; коэффициент усиления 105; максимальный динамический диапазон 60 дБ; регистрируемые параметры: амплитуда импульсов, восстановленное значение действительной интенсивности потока актов АЭ, суммарное количество актов АЭ.
Поскольку сигналы АЭ носят импульсный характер, им соответствует широкий частотный спектр, однако наиболее эффективным при измерении, анализе и регистрации АЭ является частотный диапазон 0,1... 1 МГц. Достаточно широкий динамический диапазон приборного комплекса позволил регистрировать как низкоэнергетические, так и высокоэнергетические импульсы, обусловленные различными типами источников.
Одним из важных вопросов применения метода АЭ является преобразование механических колебаний на поверхности материала в электрические. Основные требования, предъявляемые к преобразователям - максимально возможная чувствительность, предельное значение которой определяется собственными тепловыми шумами; равномерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в широком диапазоне частот; длительность переходных Аппаратурный комплекс АП 51-Э для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии сов, меньшая длительности импульсов АЭ; помехозащищенность - обусловлены, прежде всего, особенностями самих сигналов АЭ, их низким энергетическим уровнем, импульсным нестационарным характером, сложной формой и высокой скоростью следования.
С другой стороны, преобразователь является первичным звеном АЭ аппаратуры и невозможно получить более точных данных о процессе, чем те, которые обеспечивает сам приемный преобразователь. По имеющимся оценкам [2, 58, 164] длительность акта акустического излучения составляет (0,4...0,9)-10"6 с, средняя энергия порядка (10"14 ... 10 15) Дж, спектр АЭ сигналов, соответствующих дислокационным механизмам простирается до частот порядка 1013Гц. Однако прием на частотах ниже 100 кГц ограничивается механическими шумами, а в частотном диапазоне свыше 1 МГц затухание ультразвуковых волн в материале существенно уменьшает амплитуду импульсов. В связи с этим исследование процессов деформирования и разрушения широкого класса материалов проводится в диапазоне 30...200 кГц.
Наиболее эффективными признаны пьезоэлектрические датчики, типовая конструкция которых показана на рис. 2.4. Тем не менее, широко используемые в настоящее время в качестве основного пьезокерамического материала различные модификации керамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) [78] не могут одновременно удовлетворять всем требованиям, поскольку наличие резонансов двух типов - радиального и продольного, приводит к значительной неравномерности АЧХ, увеличению времени реверберации и уменьшению акустической помехозащищенности.
С целью повышения достоверности, информативности и помехоустойчивости регистрируемой АЭ был разработан преобразователь [79] на основе пье-зополупроводниковой текстуры ХГС, состоящей из множества тонких однонаправленных пьезокристаллов [77, 162, 165]. Исследование характеристик и калибровка преобразователей проводились с помощью прибора для измерения АЧХ - XI-38, методом сравнения с эталоном. АЧХ представляет собой .
Параметрами АЧХ являются рабочая частота/, соответствующая максимальному значению Кп , и полоса пропускания Af=f\ fi, где/і nf2 - частоты, при которых Кп уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением. На рис. 2.5 и 2.6 представлены сравнительные характеристики преобразователей ХГС-2 и ЦТС-19. Как видно, величина чувствительности и ширина полосы первого значительно превышает аналогичные характеристики серийно используемых датчиков. Кроме того, вследствие низкой добротности пьезоэлементов ХГС-2 и конструктивных особенностей преобразователя удалось значительно снизить реверберационную характеристику т. Дальнейшее расширение полосы пропускания и сокращение постоянной времени переходных процессов было достигнуто применением пьезоэлемен-та в форме диска переменной толщины и композиционного пьезоматериала ХГС-2-полимер [165]. На рис. 2.7 показана импульсная характеристика подобных преобразователей. Однако их отличительной чертой является селективность к продольному типу колебаний. Вследствие высокого затухания скорости звука в направлении поперек волокон и малости поперечного пье-зомодуля, который для данного материала на порядок ниже продольного, у таких преобразователей не наблюдается радиальный резонанс. Отсутствие радиального резонанса подтверждается также независимостью АЧХ от размера диаметра пьезоэлемента.
Особенности акустической эмиссии в композитах
Тот факт, что микронесплошности в поликристаллическом теле образуются на ранних стадиях деформирования уже не вызывает сомнений. Изменение объема при растяжении стали в области 3...4 % остаточной деформации было замечено еще Баушингером в 1879 году [12]. Тем не менее, до сих пор при конструкторских и технологических расчетах полагается, что на стадии упрочнения дислокационный процесс деформирования материала протекает без нарушения сплошности вплоть до начала образования «шейки». Отчасти это связано с удобством применения законов механики сплошной среды, но в основном с методическими трудностями анализа эволюции структуры и определения степени дефектности.
Как известно, наглядную характеристику основных механических свойств металлов и сплавов дают диаграммы а - s, отражающие функциональную связь между напряжением и деформацией. Наиболее распространенными являются диаграммы, полученные при одноосном растяжении (рис. 4.1.а), которые сравнительно легко анализируются и по которым определяются такие важные характеристики как предел упругости ту (точка У), предел текучести ат (точка Т), предел прочности сга (точка В).
Многочисленные экспериментальные данные, проанализированные Дж. Ф. Беллом [12], (около 2000 опытов автора и 700 опытов других исследователей) показали, что соотношение напряжений и деформаций при одноосном растяжении различных кристаллических и поликристаллических тел наилучшим образом описывается параболической функцией: сг2 - є. При этом, на зависимости были обнаружены точки перехода второго порядка, разделяющие процесс деформации на отдельные участки. Было также уста 115
новлено, что деформации перехода для определяющей сдвиговой деформации монокристалла и полиіфисталла имеют связь. Этот экспериментальный факт стал важным для понимания пластической деформации агрегатов-поликристаллов как статистического преобразования откликов их кристаллических компонентов.
Поскольку с точки зрения теории дислокаций упрочнение на разных стадиях деформирования трактуется как накопление в объеме материала некоторой плотности дислокаций, необходимой для обеспечения заданной степени деформации, то указанная зависимость хорошо согласуется с соотношением напряжения течения и плотности дислокаций [149]
Зависимость (4.1) предопределила построение линеаризованных диаграмм напряжение-деформация в координатах а - є ш и послужил основой для анализа их с позиций возникающих в материале дислокаций [132]. Соответственно, характеристические точки диаграмм и их отдельные участки стали связывать с поэтапной перестройкой дислокационной структуры в объеме материала [161]. Результатом такого анализа являлось предположение о том, что на стадии упрочнения вплоть до точки В, дислокационный процесс протекает без нарушения сплошности [21]. Таким образом, дислокационная теория дала физически обоснованные представления об элементарных процессах пластической деформации. Однако, однозначная трактовка наблюдаемых макроскопических явлений с ее позиций встречала значительные трудности. Например, в том случае, когда ведущим элементарным процессом становится необратимый разрыв межатомных связей, а не пластическая деформация.
К настоящему времени исследования с использованием различных видов микроскопии доказали возникновение несплошностеи на ранних стадиях пластического деформирования поликристаллических материалов [29, 152, 167, 175]. Тем не менее, эволюция дефектной структуры и связанные с ней характеристические точки на диаграмме нагружения еще не достаточно изучены.
Первые обширные исследования диаграммы одноосного растяжения (сжатия) с позиций пластически-деструкционного анализа были проведены Л.М. Рыбаковой [152]. Изучение структуры различных металлов, таких как алюминий и его сплавы, медь, никель, железо, конструкционные стали, проведенный с использованием методов световой и электронной микроскопии; дифракционной рентгенографии; измерения электросопротивления; флотационного измерения плотности, показало, что при растяжении в области деформационного упрочнения до образования «шейки» между точками Т и В существует точка Д (рис. 4.1а), после которой материал, строго говоря, нельзя считать сплошным. В отличие от трещинообразования в «шейке», приводящего к разделению материала на части, процесс накопления микроне-сплошностей назван деструкцией [153].
Связь локализации повреждаемости с критическими точками на диаграмме растяжения
Современные технические достижения во многом обусловлены достижениями в области разработки и применения различных методов и средств контроля качества конструкционных материалов. Тем не менее, существующие на данный момент методы дефектоскопии и практика выборочного разрушающего контроля уже не удовлетворяют конструкторов и технологов, поскольку перед ними все более настойчиво выдвигается задача создания конструкций минимального веса и гарантийной несущей способности, использования новых конструкционных материалов с заданными свойствами. Кроме того, все чаще в сложившемся хозяйственном и экономическом положении после определенного периода эксплуатации машин и сооружений или после изменения условий их работы возникает необходимость решать вопросы, какие нагрузки им можно доверять и каков остаточный ресурс. Данную проблему следует рассматривать, по крайней мере, в двух аспектах.
Разработка и внедрение неразрушающих методов, применимых для контроля и диагностики реальной дефектности «in suti». Повышение степени однородности конструкционных материалов, дефектоскопические и статистические гарантии прочности не решают в полной мере задачу надежности и безопасности. Поведение большинства из них, за исключением очень хрупких, обусловлено не влиянием отдельных более или менее опасных дефектов
Согласно имеющимся данным более половины современных средств неразрушающего контроля являются акустическими [2]. Эти методы позволяют получить огромные массивы информации о состоянии материалов и конструкций. В основе их может быть ультразвуковая дефектоскопия, виброакустика и акустическая эмиссия. Достоинствами акустических методов являются: дистанционность контроля; простота конструкций датчиков и возможность бесконтактного наблюдения; работа в широком интервале частот, что существенно увеличивает число информативных параметров; совместимость с другими методами, позволяющая осуществить многопараметровый контроль и повысить его надежность.
К изучению АЭ в конструкционных материалах и разработкам соответствующих средств регистрации интенсивно приступили в середине 60-х годов в связи с необходимостью создания систем контроля особо ответственных технических объектов: корпусов ракет и ядерных реакторов, трубопроводов атомных электростанций и других крупных инженерных сооружений. Основное преимущество метода АЭ заключается в том, что он дает принципиальную возможность раннего обнаружения развивающихся и вновь образующихся микродефектов структуры в реальном масштабе времени. Параметры АЭ служат источником ценной, часто безальтернативной информации о динамике широкого спектра физико-механических процессов. Однако само явление АЭ, причины его вызывающие, проблемы, связанные с регистрацией и анализом сигналов, как подчеркивалось в главе 2, оказались намного сложнее, чем предполагалось на начальном этапе изучения. Это заметно сказалось на практическом применении метода АЭ. Однако, к настоящему времени создан целый ряд аппаратурных комплексов регистрации и анализа АЭ для различных целей исследования, накоплен обширный экспериментальный материал, имеется база для оперативной автоматической обработки данных, достаточная для решения исследовательских и технических задач. Кроме того, для повышения достоверности метода АЭ разработана методика восстановления параметров потока актов АЭ по параметрам регистрируемых сигналов. Анализ результатов моделирования в работе [38] показал, что погрешность восстановления интенсивности АЭ не превышает 5... 10% при точности измерения регистрируемых параметров 1...5%. При этом в случае высокой степени искажения и перекрытия сигналов, возможно некоторое превышение восстановленных значений потока актов АЭ над истинными. Полученные количественные соотношения между параметрами потока актов АЭ и кинетикой накопления повреждений позволяют оценить параметры потока повреждений по параметрам АЭ и прогнозировать ресурс материалов и изделий по уровню накопленной дефектности [37].
При практическом применении метода АЭ, особенно в оценке надежности конструкционных материалов, необходимо также знание достоверности результатов такого прогнозирования. Само понятие достоверности как разности между единицей и ошибкой контроля было введено для оценки достоверности традиционных методов контроля качества металлопродукции [50]. В применении к методу АЭ эти подходы развивались в работах [34, 67]. Наиболее обширные исследования этого вопроса проведены в [34, 35], где в общем случае оценка достоверности метода АЭ базируется на использовании модели пуассоновского потока событий. Эта модель, как показывают опытные данные, хорошо описывает реальную картину повреждений в твердых телах и весьма успешно применяется в задачах определения остаточного ресурса изделий [27]. К явлению АЭ гипотеза пуассоновского потока применяется на основании предельной теоремы потоков, утверждающей, что регистрируемый поток будет пуассоновсішм, если он представляет собой сумму любых независимых потоков малой интенсивности. Достоверность АЭ диагностики Д рассматривается как произведение достоверности оценки информативного параметра АЭ - Д„ на Д - достоверность самого метода контроля:
Остановимся на достоверности оценки интенсивности и общего количества актов АЭ, так как именно эти параметры идентифицируют кинетику накопления повреждений. Как подчеркивалось в главе 2, существуют различные способы измерения этих параметров. Под актом АЭ понимается излучение акустического импульса в процессе коллективного акта перестройки структуры материала (срыв лавины дислокаций, слияние микротрещин и т.п.) [164]. Тем не менее, большинство имеющихся приборов настроено на измерение активности АЭ: N% - скорости следования огибающих продетектиро-ванных вспышек. В случае редко следующих актов АЭ их интенсивность Na равна регистрируемой активности АЭ.
