БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01N27/92 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к бесконтактному электромагнитному неразрушающему контролю листовых алюминиевых сплавов, используемых для изготовления транспортных средств, эксплуатируемых в условиях обледенения.

Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra [I. Nature, vol.254, March 13, 1975. P.133-134), согласно которому деформируемый металлический стержень помещают по оси, выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве обкладки конденсатора и от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, которую подключают ко второму входу регистратора и заземляют. При этом вследствие образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов с сформировавшихся поверхностей (берегов трещин), сопровождаемый ЭМИ.

Недостаток этого способа состоит в необходимости использования сложных прессов со значительным разрывным усилием при получении ЭМИ деформируемых металлических стержней, что усложняет и удорожает процесс получения ЭМИ.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ исследования ЭМИ, деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца по патенту РФ №2190203, кл. G01N 3/08, E21C 39/00, G01N 27/00, опубл. в БИ №27, 2002 г., включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело, при этом подвижной тяге сообщают поступательное движение, преобразование с помощью указанного емкостного датчика, возникающего в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнала ЭМИ и регистрацию его системой регистрации. Внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо. Поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца, с помощью установленного на ней тензометрического датчика. Сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно и по результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала ЭМИ и моментом разрушения деформируемого твердого тела.

Недостаток этого способа - использование пресса, обеспечивающего разрывное усилие, что усложняет и удорожает этот способ. Другой недостаток - необходимость изготовлять образцы в форме колец, что также усложняет способ.

Техническая задача предлагаемого решения состоит в упрощении и удешевлении способа получения ЭМИ конструкционных материалов, в частности алюминиевых сплавов транспортных средств, эксплуатируемых в условиях обледенения, за счет использования в качестве источника ЭМИ ледяного слоя на поверхности металлического сплава, испытывающего прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье (К таким материалам относятся промышленные сплавы систем Al-Mg, Al-Cu, и Al-Li, используемых при производстве летательных аппаратов и автомобилей).

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и фигурами 1-4, на которых приведена принципиальная схема стенда для демонстрации способа (фиг.1) и результаты измерения сигнала ЭМИ, вызванного повреждением поверхности металла, деформируемого в условиях обледенения (фиг.2-4).

На стенде испытывают растяжением плоский образец алюминий-магниевого сплава АМг3. Этот сплав демонстрирует механическую неустойчивость в виде прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье, вызванной распространеним на поверхности сплава полос макролокализованной деформации.

Образцы, выполненные в виде двухсторонних лопаток с размером рабочей части 10×3.6×1.2 мм³, предварительно отжигались при температуре 350°C в течение 1 часа и закаливались на воздухе (средний размер зерна после отжига составил 15 мкм). Затем на поверхность рабочей части образца в морозильной камере наносили пленку воды. После ее замерзания проводили полировку поверхности льда до толщины ледяного слоя 0.2 мм.

Образцы сплава АМг3, покрытые тонким слоем льда, деформировали одноосным растяжением с постоянной скоростью роста напряжения $$\left({\dot{\sigma }}_{\text{0}}=\text{0}\text{.37 МПа}\right)$$ в мягкой деформационной машине, снабженной морозильной камерой, позволяющей проводить эксперименты в температурном интервале от -1°C до -30°C.

Схема регистрации электрического сигнала представлена на фиг.1 Потенциал нестационарного электрического поля (сигнал ЭМИ) вблизи поверхности образца 1, покрытого слоем льда 2, измеряли с помощью плоского емкостного зонда 3, установленного параллельно поверхности льда. Канал регистрации электрического сигнала состоял из высокоомного широкополосного предусилителя 4 (полоса пропускания 10-10⁶ Гц), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5 и компьютера 6. Противоположная относительно зонда поверхность образца со слоем льда видеофильмировалась в ходе нагружения видеокамерой 7 для исследования связи между особенностями временной структуры электрического отклика и распространяющимися полосами деформации на поверхности металла, кинетикой деформации и разрушения льда и его отслаивания от металлической подложки.

На фиг.2 представлена кривая нагружения (1) сплава АМг3 при температуре -15°C и соответствующий сигнал ЭМИ (2). При испытании материала, демонстрирующего скачкообразную деформацию, с постоянной скоростью роста напряжения $${\dot{\sigma }}_{\text{0}}=\text{const}$$ кривая растяжения ε(t) содержит ступени (макроскачки деформации) амплитудой ~1-10%. Разрушение образца происходит на фронте скачка максимальной амплитуды [Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Серия Физическая. 2006. Т.70. №9. С.1372-1376].

Как видно из фиг.2, каждый скачок деформации сплава АМг3 сопровождается генерированием характерного сигнала ЭМИ амплитудой ~0.3-3 мВ. Контрольные эксперименты без ледяной корки на поверхности металла показали, что амплитуда электрического сигнала на фронте скачков деформации находится в пределах от 30 до 100 мкВ (приведенный ко входу шум предусилителя составляет 10 мкВ). Поэтому зарегистрированные импульсы ЭМИ связаны с процессами разделения зарядов в ледяной корке.

Причиной электризации льда при механическом нагружении может быть движение заряженных дислокаций [Шибков А.А, Желтов М.А., Скворцов В.В. и др. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. I. Идентификация нестационарных процессов структурной релаксации по электромагнитному сигналу // Кристаллография. 2005. Т.50. №6. С.1073-1083; Шибков А.А, Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. II. Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций // Кристаллография. 2006. Т.51. №1. С.104-111], зарождение и распространение электрически активных трещин вследствие псевдопьезоэлектрического эффекта - разделения зарядов в неоднородном упругом поле вершины трещины в результате восходящей диффузии протонных носителей заряда противоположных знаков [Petrenko V.F. On the nature of electrical polarization of materials caused by cracks, application to ice electromagnetic emission // Phil. Mag. B. 1993. V.67. №3. P.301-315], перемещение двойного электрического слоя вблизи контакта лед - металл, а также процессы отслаивания и трения в контакте. Эти механоэлектрические явления зависят от уровня и скорости изменения локальных сдвиговых напряжений в контакте, которые определяются полем деформации и скоростей деформации на поверхности металла.

Видеосъемка показала, что полоса деформации представляет собой расширяющуюся шейку - локальное утонение образца, фронт которой распространяется со скоростью от ~1 см/с до ~10² см/с в зависимости от уровня приложенного напряжения и содержания магния в сплаве Al-Mg [Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Серия Физическая. 2006. Т.70. №9. С.1372-1376]. Поэтому следует ожидать связь механоэлектрических явлений в ледяной корке с динамикой полос деформации на поверхности металла. Действительно, фронт импульса ЭМИ, генерируемого в ходе скачка деформации, содержит временные нерегулярности в виде ступенек (фиг.3), количество которых совпадает с количеством распространяющихся полос деформации.

В серии экспериментов для визуализации полос деформации поверхность образца покрывали льдом частично (на 40-50%). На фиг.4а показан кадр видеосъемки поверхности деформируемого сплава АМг3 с полосой деформации в центре рабочей части образца. Для увеличения контраста изображения применяли методику вычитания с помощью компьютерной программы последовательных цифровых «кадров» видеофильма распространяющейся полосы деформации, которая позволяет измерять скорость перемещения границы полосы, угол ее наклона относительно оси растяжения и т.д. Результат такого вычитания представлен на фиг.4б.

Для первых скачков пластической деформации сплава АМг3 амплитудой ~1% типичное значение времени распространения полос деформации в сплаве АМг3 τ_SB=L_SB/υ_SB≈70-100 мс (где L_SB/2≈5 мм - полуширина полосы, υ_SB≈7-10 см/с - средняя скорость перемещения одной границы расширяющейся полосы деформации) совпадает с характерными временными нерегулярностями на фронте импульса ЭМИ (фиг.3, кривая 2). Слой льда не теряет прозрачности, поэтому электрические сигналы не связаны с образованием трещин, а обусловлены движением заряженных дислокаций и динамикой двойного электрического слоя вблизи контакта лед - металл. Характерные частоты сигнала ЭМИ 10-1000 Гц отражают характерные частоты пластических неустойчивостей на поверхности металлической подложки, связанной с зарождением и распространением деформационных полос.

Для скачков пластической деформации сплава амплитудой 1.5-3% типично образование в ледяном слое трещин нормального отрыва, распространяющихся перпендикулярно оси растяжения (фиг.4в), а для скачков деформации амплитудой более 3-4% характерно отслаивание фрагментов ледяного слоя от поверхности деформируемой металлической подложки. Такие скачки сопровождаются генерированием более высокоамплитудных сигналов ЭМИ ~3-10 мВ в полосе частот 10-100 кГц.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и диагностики состояния механической неустойчивости и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий, эксплуатируемых в условиях обледенения. Способ включает установку плоского емкостного датчика вблизи наиболее нагруженной зоны конструкции, деформирование конструкции, покрытой слоем льда, до появления на поверхности металлической конструкции полос локализованной деформации, формирование сигнала электромагнитного излучения (ЭМИ) в процессе пластической деформации и разрушения ледяного слоя, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию, при этом в качестве источника ЭМИ используют слой льда на поверхности металла, по которой распространяется полоса локализованной деформации. Технический результат - обеспечение высокой степени надежности диагностирования состояния механической неустойчивости металлического сплава и изделий с последующей сигнализацией об опасности раннего разрушения металла и изделий, деформируемых в условиях обледенения. Изобретение может быть использовано в системах непрерывного бесконтактного высокоскоростного мониторинга состояния деформируемой металлической поверхности в условиях обледенения и диагностики повреждаемости конструкций из алюминиевых сплавов систем Al-Mg, Al-Cu и Al-Li, эксплуатируемых при отрицательных температурах. 4 ил.

Способ формирования электромагнитного излучения (ЭМИ) деформируемых в условиях обледенения листовых металлических сплавов систем Al-Mg, Al-Cu и Al-Li, демонстрирующих прерывистую деформацию и полосообразование, включающий в себя установку плоского емкостного датчика вблизи потенциально опасного участка поверхности (концентратора напряжений) металла, деформирование его путем приложения внешнего растягивающего усилия с помощью нагружающего устройства до появления механической неустойчивости в виде распространяющихся по поверхности металла полос локализованной деформации, формирование сигнала ЭМИ в процессе пластической деформации и разрушения ледяного слоя, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию, отличающийся тем, что в качестве источника ЭМИ используют слой льда на поверхности металла, по которой распространяется полоса локализованной пластической деформации (локализованное утонение в виде шейки), при этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигналов ЭМИ, созданных движением во льду заряженных дислокаций, электрически активных вследствие псевдопьезоэлектрического эффекта берегов трещин и двойного электрического слоя вблизи границы раздела лед - металл.