Спосіб випробувань та діагностики матеріалів та елементів конструкцій

1 Способ испытаний и диагностики материалов и элементов конструкций, заклю чающийся в том, что предварительно нагружают образец конструкции до разрушения, в процессе которого регистрируют параметры сигналов акустической эмиссии, затем создают напряженно-деформированное состояние не ружением объекта диагностики и регистрируют параметры сигналов акустической эмиссии при нагружении объекта диагностики, по которым с учетом полученных при нагружении образца данных судят о склонности материала к разрушению, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что при предварительном нагружении используют испытательный образец из материала объекта диагностики, определяют текущие значения длины растущей трещины и фиксируют соответствующие им значения параметров сигналов излучаемой акустической эмиссии, анализируют после разрушения образца поверхность излома и определют долю скола для каждого текущего значения длины трещины и, сопоставляя значения параметров сигналов акустической эмиссии и значения доли скола для одинаковых длин трещин, получают зависимости параметров сигналов акустической эмиссии от доли скола, затем при нагружении объекта диагностики оценивают долю скола в текущий момент развития повреждаемости в объекте диагностики по полученной зависимости. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что образец и объект диагностики нагружают знакопеременной нагрузкой и определяют склонность материала конструкции к усталостному разрушению по доле скола. 3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве информативного па С > сл 17513 раметра акустической эмиссии используют среднюю амплитуду сигналов за определенный промежуток времени. 4. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве информативного па раметра акустической эмиссии используют интенсивность событий акустической эмиссии (число событий, регистрируемых в цикле нагружения или его части). Изобретение относится к области испытаний материалов и конструкций и может быть использовано для диагностики материалов и элементов конструкций, а также оценки их долговечности. 5 Известен способ испытаний материалов, заключающийся в оценке их прочностных свойств, при котором образец с концентратором напряжений в виде надреза нагружают и регистрируют локальную 10 пластическую деформацию в зоне концентрации напряжений и однородную деформацию вне зоны концентрации, и по разнице локальной и однородной деформации судят о трещиностойкости материалов, в частно- 15 сти, более точно определяют момент страгивания трещины (т.е. усилие, при котором происходит страгивание трещины) [1]. Недостатком известного способа является отсутствие в реальных эксплуатационных 20 условиях возможности непосредственного доступа к зоне вероятного разрушения для установки датчиков деформации. Поэтому указанный способ применим только в случае стандартных лабораторных испытаний об- 25 разцов. Кроме того, данный способ не позволяет оценивать характер разрушения непосредственно в момент испытаний, в частности, проводить оценку действующего микромеханизма разрушения. 30 Известен способ испытаний материалов, заключающийся в том, что в образце, погруженном в жидкую электропроводную среду, создают знакопеременные напряжения и приводят его в контактное взаимодей- 35 ствие с контробразцом (элементом трения), обеспечивая взаимное перемещение образца и контробразца. При этом в качестве параметра оценки его долговечности принимают электродный потенциал [2]. 40 Недостатком известного способа является невозможность его использования в случае отсутствия при испытаниях жидких электропроводных сред. Кроме того, способ не позволяет оценить показатели действую- 45 щего микромеханизма разрушения непосредственно в процессе развития усталостной трещины, что ограничивает его применение. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ диагностики механического состояния материалов и элементов конструкций, заключающийся в том, что нагружают конструкцию и создают напряженно-деформированное состояние, при котором регистрируют амплитуды сигналов акустической эмиссии. При этом предварительно нагружают до разрушения образец конструкции и определяют сумму амплитуд сигналов акустической эмиссии, объем зоны разрушения и расстояние от зоны разрушения до приемного преобразователя и, с учетом этих параметров, оценивают степень повреждаемости конструкции при ее нагружении [3]. Недостатком известного способа является невозможность оцениватьхарактер разрушения, а именно, действующий микромеханизм разрушения в текущий момент испытаний, В частности, невозможно оценить наличие хрупкой составляющей микромеханизма роста трещины, характеризующейся долей скола. Это снижает точность определения текущей долговечности конструкций в процессе их эксплуатации. Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении точности определения текущей долговечности объекта испытаний за счет количественной оценки действующего микромеханизма разрушения, характеризуемого долей хрупкого скола. Поставленная задача достигается тем, что как и в случае реализации известного способа, предварительно нагружают образец до разрушения, в процессе которого регистрируют параметры сигналов акустической эмиссии, затем создают напряженно-деформированное состояние нагружением объекта диагностики и регистрируют параметры сигналов акустической эмиссии при нагружении объекта диагностики, по которым, с учетом полученных при нагружении образца зависимостей, судят о склонности материала к разрушению. Однако, в отличие от прототипа, при предварительном нагружении используют испытательный образец из материала объекта 17513 диагностики, определяют текущие значения длины растущей трещины и фиксируют соответствующие им величины параметров сигналов излучаемой акустической эмиссии. После разрушения образца количественно анализируют поверхность излома, определяют долю скола для каждого текущего значения длины трещины и, сопоставляя значения параметров зарегистрированной при разрушении акустической эмиссии с величинами долей скола для одинаковых длин трещин, получают зависимости информативных параметров сигналов акустической эмиссии от доли скола. Затем при нагружении объекта диагностики полученную зависимость используют для оценки склонности к хрупкому разрушению (доли скола) в процессе развития повреждаемости в объекте диагностики. При этом, образец и объект диагностики могут нагружаться знакопеременной нагрузкой й тогда определяют склонность материала конструкции к усталостному разрушению в текущий момент его развития. 5 10 15 20 В качестве информативного параметра 25 акустической эмиссии в этом случае можно использовать общее число событий акустической эмиссии, регистрируемых в цикле нагружен ия (интенсивность сигналов акустической эмиссии). В качестве информа- 30 тивного параметра акустической эмиссии можно использовать также среднюю амплитуду сигналов, определяемую как среднее арифметическое значение амплитуд сигналов, регистрируемых за определенный ин- 35 тервал времени. Таким образом, достигается возможность по выбранным параметрам сигналов акустической эмиссии, излучаемой в процессе роста трещины, количественно оценить микромеханизм разрушения, а именно, долю скола. Так как изменение доли скола в микромеханизме разрушения количественно характеризует склонность материала к хрупкому разрушению и близость реализации критического хрупкого состояния при развитии трещины, то знание такого параметра чрезвычайно важно для оценки долговечности объекта диагностики в текущий момент эксплуатации и может быть полезным при мониторинге конструкция с целью ее диагностики. Однако, возможно применение способа и для испытания отдельных образцов, что позволяет оценивать долю скола непосредственно в процессе развития трещины до спонтанного разрушения образца. При этом способ не требует последующего использования трудоемкого метода количественной микрофрактографии изло 40 45 мов, возможность привлечения которого зачастую отсутствует. На фиг. 1 представлена зависимость средней амплитуды сигналов акустической эмисии АСр от доли скола В в изломе при развитии трещины в стали 40Х в процессе циклического нагружения; на фиг. 2 - зависимость интенсивности событий акустической эмиссии N от доли скола В в изломе при развитии трещины в стали 40Х в процессе циклического нагружения. Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере испытаний при циклическом нагружении объекта контроля из закаленной низкоотпущенной стали 40Х (отпуск 200°С). Для реализации способа использовался балочный призматический образец (с размерами 12 х 22 х 150 мм) с односторонним боковым надрезом, изготовленный из стали 40Х. Образец нагружали чистым изгибом на установке с жестким типом нагружения при частоте 10 Гц с коэффициентом асимметрии цикла R=0,05. в процессе нагружения стали и развития трещины измеряли ее длину по боковым поверхностям образца (при помощи оптических устройств с погрешностью определения абсолютной длины трещины 0,02 мм) и соответствующие текущим показаниям длины трещины значения параметров сигналов излучаемой при разрушении акустической эмиссии. Акустико-эмиссионные измерения проводили с помощью прибора АФ-15 в комплекте с амплитудным анализатором импульсов АИ-1024-95-01. Коэффициент усиления прибора АФ-15 составлял 50 дб. Резонансная частота закрепляемых на образце пьезодатчиков 400 кГц. При этом, для повышения информативности регистрируемых сигналов акустической эмиссии осуществляли селекцию их по нагрузке, считая полезными только те, которые регистрировали в полуцикле нагружения при нагрузке в интервале от 0,75 Ртах до 1.0 Ртах (т.е. информативной была только часть цикла нагружения). В качестве информативных параметров акустической эмиссии использовали число событий акустической эмиссии, регистриру50 емых в цикле нагружения - интенсивность событий N и их среднюю амплитуду Аср. После оценки кинетики трещины с параллельной регистрацией сигналов акустической эмиссии образец доводили до 55 разрушения и анализировали поверхность излома. Микрорельеф развития трещины исследовали методами количественной растровой электронной микроскопии в строгом соответствии с текущими значениями длины трещины, так что каждому абсолютному ее 8 17513 значению соответствовали конкретные количественные показатели действующего микромеханизма разрушения. Проведя измерения количества и размеров фасеток межзеренного скола на центральных участ- 5 ках изломов (^фиксированной площадью [4, 5] определяли долю скола В (часть поверхности излома, занятую фасетками скола) для текущих значений длины трещины. Результаты количественного микрофрактографиче- 10 ского анализа поверхностей разрушения сопоставляли для одинаковых длин трещины с показателями акустико-эмиссионных измерений и, в итоге, получали графические зависимости параметров сигналов акустиче- 15 ской эмиссии от доли скола В. В частности, получена графическая зависимость средней амплитуды сигналов АСр от доли скола В (фиг. 1) и графическая зависимость интенсивности событий акустиче- 20 ской эмиссии N от доли скола В (фиг. 2). Полученные диаграммы используют в дальнейшем при испытаниях и контроле объектов из стали 40Х. При этом в качестве объекта испытаний может быть взят и от- 25 дельный образец из стали 40Х. Таким образом, измеряя впроцессе испытаний текущее значение одного из указанных информативных параметров излучаемой акустической эмиссии (Аср или N) и используя соответст- 30 вующую диаграмму (фиг. 1 или 2), определя ют долю хрупкого скола В непосредственно в текущий момент нагружения и, в результате, количественно оценивают характер действующего микромеханизма разрушения и запас надежной работы объекта испытаний в данный момент повреждаемости до его прогнозируемого критического разрушения (т.е осуществляют неразрушающий контроль объекта). При выборе в качестве объекта испытаний и диагностики эксплуатируемой (несущей) конструкции порядок операций остается аналогичным. В этом случае рекомендуется в качестве информативного параметра акустической эмиссии применять среднюю амплитуду сигналов Аср, величина которой (как показали экспериментальные оценки) не зависит от масштабного фактора, т.е. толщины образцов. Вместе с тем, поскольку значение интенсивности излучаемых при разрушении событий N, существенно зависит от масштабного фактора, т.е. толщины образца, при использовании N в качестве информативной характеристики акустической эмиссии рекомендуется в процессе проведения образцовых испытаний предварительному нагружению подвергать испытательный образец, толщина которого соответствует толщине диагностируемого объекта. 100 Фіг.І 17513 ФІГ. г Упорядник Замовлення 4237 Іохрод С Копча Коректор М.Самборська Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101