Спосіб оцінки типів руйнування конструкційних матеріалів

Спосіб оцінки типів руйнування конструкційних матеріалів, який полягає у їх навантаженні чи деформуванні і реєстрації при цьому параметрів сигналів пружних хвиль акустичної емісії (АЕ), що супроводжують процеси зародження чи розвитку руйнування, який відрізняється тим, що типи руйнування визначають шляхом встановлення критеріального показника Винахід відноситься до випробувань матеріалів, а саме до випробувань на предмет визначення крихкого чи в'язкого типів руйнування. Відомий спосіб визначення типів руйнування, який полягає в дослідженні за допомогою мікроскопа доломів зразків матеріалів [1]. Застосовуючи методи фрактографії та металографії, визначають тип руйнування за видом доломів, що характеризуються певними змінами їх рельєфів та особливостями структурних змін. Недоліком способу є те, що він належить до руйнівних методів контролю і вимагає вартісного обладнання та високої кваліфікації персоналу. Окрім того, зразки для досліджень мають бути відповідним чином підготовлені, що тягне за собою додаткові матеріальні витрати. Найближчим за технічною суттю є спосіб оцінки водневої крихкості сталей, який полягає у монотонному статичному навантаженні зразків до і після наводнення у пружній області діаграми навантаження, реєструванні при цьому сигналів акустичної емісії (АЕ), а про водневу крихкість судять за співвідношенням навантаження моментів появи сигналів АЕ у зразках до і після наводнення [2]. Недоліком прототипу є те, що за отриманими даними випробувань неможливо визначити тип руйнування конструкційних матеріалів. Воно, як відомо, має різні стадії: зародження та розвиток пластичної зони та докритичну і закритичну стадії руйнування, де чергуються механізми пластичного і крихкого руйнування з домінуванням останнього у випадку деградованості матеріалу. Технічна задача, що розв'язується даним винаходом, полягає у створенні ефективного способу неруйнівного контролю, який базується на реєструванні сигналів АЕ і застосуванні критерію, який пов'язує параметри відбору та обробки сигналів АЕ з їхніми характеристиками. Внаслідок тривалого експлуатування обладнання та відповідальних конструкцій відбувається деградування конструкційних матеріалів. Воно 1 f k 1 , (19) UA (11) 92944 (13) де 1 - час наростання переднього фронту АЕімпульсів; А - амплітуда електричного сигналу АЕ; f0 - смуга робочих частот АЕ-тракту приладу; f - смуга спектра частот сигналів АЕ; - коефіцієнт перетворення первинних перетворювачів пружних хвиль АЕ; k * - коефіцієнт підсилення АЕ-тракту, с -коефіцієнт пропорційності, що враховує фізикохімічні характеристики матеріалу та режими проведення АЕ-вимірювань, який ураховує найстійкіші параметри сигналів пружних хвиль акустичної емісії, характеристики первинного перетворювача та вимірювального тракту і порівняння цього показника з експериментально встановленою константою, а про тип руйнування судять за критеріями 400 - в'язке руйнування; 400 - крихке руйнування. C2 f0 c 3 призводить, в першу чергу, до окрихчення, яке сприяє зародженню та розвиткові найнебезпечніших, з точки зору міцності конструкцій, дефектів типу тріщин. У випадку реалізації механізмів крихкого руйнування останні спричинюють спонтанне поширення тріщин, що, здебільшого, тягне за собою катастрофічне руйнування, а тип руйнування визначає його кінетику, а відтак і залишковий ресурс елемента конструкції чи виробу. Згідно з концепцією "безпечного пошкодження" наявність тріщин не завжди може бути підставою для вилучення виробу чи елемента конструкції з експлуатації. Щоб забезпечити їх штатне функціонування необхідно вміти виявляти критичні параметри тріщини, які характеризують стадії розвитку руйнування. Застосування методик і засобів АЕдіагностування матеріалів і елементів конструкцій давно підтвердило свою ефективність, однак і донині не існує методик для оцінювання крихкого руйнування конструкційних матеріалів з урахуванням стійких параметрів сигналів АЕ. Розв'язання цієї актуальної науково-технічної задачі дозволяє ідентифікувати стадії крихкого руйнування матеріалів і, тим самим, не тільки діагностувати стан елементів конструкцій, а й на підставі АЕмоніторингу ефективно визначати їх термін експлуатування. З розвитком цифрової обробки сигналів АЕ вже у 70-х роках XX сторіччя почали використовувати спектральний їх аналіз для визначення механізмів руйнування твердих тіл. Поряд з хвильовим відображенням події АЕ, амплітудно-частотна характеристика сигналів дає змогу оцінити через тонку структуру сигналу особливості джерела, яке його генерує. Відомо, що суттєвий вплив на зміну параметрів пружних хвиль АЕ у різних матеріалах має їх згасання. Цей фактор необхідно враховувати під час проведення неруйнівного контролю матеріалів, виробів і елементів конструкцій. Особливо важливо брати до уваги те, що найбільше згасають високочастотні складові спектра сигналів АЕ [3] і цим самим зумовлюють його звуження з відстанню проходження і, таким чином, це є також інформативною ознакою. Амплітуди сигналів АЕ пропорційні площі новоутворених дефектів або довжині стрибка наскрізної тріщини, а ширина їх спектрів обернено пропорційна коефіцієнтові інтенсивності напружень та площі стрибка макротріщини під час її докритичного розвитку [4]. Разом з тим, зміна часу наростання переднього фронту АЕ-імпульсів 1 залежить від типу руйнування - крихке чи пластичне і цей параметр має найбільшу стійкість під час проходження пружних хвиль АЕ в конструкційних матеріалах [5]. Різні параметри сигналів АЕ проявляють неоднакову стійкість до дії на них фізичних чинників, 92944 4 на них впливає також і рівень дискримінації та відстань проходження пружних хвиль АЕ [6]. Тому, за інформативні параметри сигналів АЕ під час АЕконтролю елементів конструкцій необхідно вибирати ті, котрі мають максимальну стійкість, або вживати заходи, що забезпечують досягнення необхідної стійкості. Таким чином, аналізуючи час наростання сигналу АЕ, що несе інформацію про АЕ-подію, його амплітудно-частотні характеристики, а також основні параметри АЕ-тракту засобів відбору та обробки АЕ-інформації, можна визначати типи руйнування. Виходячи з цього запропоновано такі критерії для оцінки крихкого та в'язкого руйнування: m* - в'язке руйнування >m* - крихке руйнування де критеріальний показник =A· f0·c( 1· f· ·k*)-1 (1) (2) визначають як (3) Тут m* - константа, що визначається із експериментальних даних; А - ампулітуда електричного сигналу АЕ; f0 - смуга робочих частот АЕ-тракту приладу; f - смуга спектру частот сигналів АЕ; коефіцієнт перетворення первинних перетворювачів пружних хвиль АЕ; k* - коефіцієнт підсилення АЕ-тракту, с - коефіцієнт пропорційності, що враховує фізико-хімічні характеристики матеріалу та режими проведення АЕ-вимірювань. Спосіб оцінки типів руйнування конструкційних матеріалів виконують так. На об'єкті контролю (ОК) встановлюють в необхідному місці первинний перетворювач сигналів АЕ. Після цього тарують чутливість вимірювального АЕ-тракту, збуджуючи штучно в ОК пружні хвилі АЕ і підбирають режими їх відбору (підсилення, фільтрації тощо). Маючи характеристики первинного перетворювача АЕ та режими реєстрації сигналів АЕ, випробують ОК шляхом збудження у ньому сигналів від тріщиноподібних дефектів, які розвиваються за додаткового навантаження чи деформування ОК. Зареєструвавши їх, визначають амплітудно-частотні характеристики сигналів АЕ, за якими разом із параметрами АЕ-тракту та характеристиками первинного перетворювача АЕ визначають критеріальний показник . Поєднавши його із значенням попередньо встановленої експериментально константи m*, визначають тип руйнування. У таблиці приведено усереднені значення параметрів відбору та оброки сигналів АЕ та параметричного показника за результатами випробувань в'язких і крихких матеріалів, що дало можливість встановити значення m*= 400 м/с. 5 92944 6 Таблиця Результати випробувань в'язких і крихких конструкційних матеріалів Матеріал А/k*, мкВ Конструкційна сталь Ст. 45 ( =4 мм, l=36 мм, 2170 розтяг, відпал) Полівініл (призма 80x20x10 мм, згин) 132 150 Корунд ( =13,5 мм, l=80 мм, згин) Кераміка (призма 80x30x8 мм, згин) 165 Таким чином, маючи результати експериментальних досліджень, критерії (1) та (2) запишемо у вигляді: 400 - в'язке руйнування, >400 - крихке руйнування. Отже, отримані результати підтверджують простоту та ефективність виконання способу і можливість його застосування для неруйнівного контролю матеріалів та елементів конструкцій в умовах їх експлуатування. Список використаних джерел 1. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.Машиностроение, 1978. - 200 с. 2. Патент України на винахід 21598А. Спосіб оцінки водневої крихкості сталей / В.Р. Скальський, Комп’ютерна верстка О. Гапоненко f, кГц 1, мкс , м/с Тип руйнування 220 2,5 397 в'язке 330 30 5 5 0,2 0,3 4 1250 5500 в'язке крихке крихке О.Є. Андрейків, А.Б. Вайнман. - Опубл. 30.04.98. Бюл. №2. 3. Скальський В.Р., Коваль П.М. Акустична емісія під час руйнування матеріалів, виробів і конструкцій. Методологічні аспекти відбору та обробки інформації. - Львів: Сполом, 2005. - 396 с. 4. Скальський В.Р., Андрейків О.Є Оцінка об'ємної пошкодженості матеріалів методом акустичної емісії. - Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. І. Франка, 2006. - 330 с. 5. Коллакот Р. Диагностика повреждений / Пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М: Мир, 1989. 512 с. 6. Неразрушающий контроль. Справочник в 8-ми томах. // Т.7., кн. 1. В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии. / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2006. - 828 с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601