СПОСОБ МОНИТОРИНГА СТЕПЕНИ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям прочности, и предназначено для мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия в зоне проведения акустико-эмиссионного контроля.

Для оценки степени деградации материала и определения остаточной прочности используют как неразрушающие [1-5], так и разрушающие способы диагностики состояния материала в объектах исследования [6], когда из изделия вырезается образец свидетель, испытание которого на разрушение позволяет установить степень деградации материала и остаточную прочность изделия. При этом для повышения достоверности определения остаточной прочности образцов свидетелей наряду с исследованием механических свойств изучается химический состав и микроструктура шлифов материала [7-8].

Для непрерывного или периодического мониторинга состояния деградации материала диагностируемых объектов применяют активные и пассивные экспресс-методы [1, 2]. Пассивные физические методы неразрушающего контроля используют в качестве информативных параметров собственную (внутреннюю) энергию материала объекта контроля. При этом в процессе сканирования объекта контроля дефект сам проявляет себя, излучая физические поля (акустическая эмиссия, экзо-электронная эмиссия, тепловое излучение, и др.).

При использовании активных методов неразрушающего контроля объект исследования подвергается энергии внешнего воздействия и о состоянии материала судят по явлениям, происходящим при отражении, прохождении или рассеянии этой энергии, что свойственно радиационному, вихретоковому, магнитному, ультразвуковому видам неразрушающего контроля.

Для повышения достоверности результатов исследования используют многоуровневую комплексную диагностику и комбинирование методов неразрушающего контроля [9-10]. Так, например, для оценки степени повреждаемости металлических материалов применяется метод кинетической твердости в сочетании с акустико-эмиссионной диагностикой [5]. Использование метода кинетической твердости позволяет получать основные характеристики прочностных свойств металла без разрушения конструкции, а акустическая эмиссия дает возможность оценить эволюцию коллективных дислокационных взаимодействий при пластической деформации и процессы, происходящие в металле при зарождении и распространении трещин.

Большинство применяемых активных и пассивных методов неразрушающего контроля не позволяет проводить непрерывный мониторинг степени деградации материала и определять остаточную прочность изделия в режиме текущего времени. К тому же измерение контролируемых параметров или процессов, диагностическими методами имеет не интегральный, а локальный характер. При этом замеры в одной контрольной зоне при переходе от точки к точке могут давать значительное расхождение регистрируемых параметров, что существенно усложняет оценку степени деградации материала и определение остаточной прочности изделия. Многие диагностические методы, такие как магнитные, не являются универсальными и могут быть использованы применительно лишь к определенным типам материалов (например, к конструкционным сталям, обладающим магнитными свойствами).

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ распознавания источников сигналов акустической эмиссии, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции - патент РФ №2569078, 2015 г., МПК G01N 29/14. При проведении акустико-эмиссионной диагностики объектов контроля для идентификации регистрируемых импульсов, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции, использован алгоритм их распознавания по форме затухающей волны [11].

Целью предлагаемого технического решения является разработка способа, позволяющего в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия, осуществлять мониторинг степени деградации структуры материала и определять остаточную прочность изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля без привлечения других методов технической диагностики и неразрушающего контроля.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия в режиме реального времени осуществляют градацию регистрируемых локационных импульсов по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение, определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, при этом границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов, и используемого уровня порога дискриминации сигналов.

В качестве существенных признаков, наиболее информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов, использована относительная энергия импульса, измеряемая в децибелах и соответствующая количеству выбросов в единицах:

Е_И=N_И/t_И, где:

Е_И - относительная энергия импульса, дБ,

N_И - количество выбросов в единицах,

t_И - длительность импульса, мкс.

При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача осуществляется с помощью диаграммы параметров, включающей относительную энергию импульсов и усредненную частоту выбросов, в поле которых регистрируемые импульсы формируют кластеры с низким, средним и высоким уровнем энергии, отражающим, происходящие микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала. Для классификации регистрируемых сигналов активной эмиссии в поле этих параметров специально разработан программный продукт, позволяющий в режиме реального времени регистрировать динамику процентного распределения импульсов в нижнем (W_H), среднем (W_C) и верхнем (W_B) кластерах, и вычислять их процентное содержание, отражающее происходящие микро, мезо и макроструктурные разрушения в процессе нагружения изделия:

,

,

,

где W_H, W_C, W_B - количество импульсов, формирующих нижний, средний и верхний кластеры, соответственно,

N_H, N_C, N_B и N_Σ - количество зарегистрированных импульсов активной эмиссии в каждом кластере и суммарное их количество.

Перед проведением мониторинга объектов испытаний выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на заданные виды нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также параметры регистрируемых импульсов при заданных уровнях порога дискриминации, диагностируя при этом природу источников их излучения.

Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. мониторинга степени деградации структуры материала и остаточной прочности изделия в процессе его нагружения, а следовательно, предотвращения разрушения объектов контроля в зоне активной эмиссии контроля.

Демонстрации и технические результаты, получаемые в случае реализации этого способа, представлены в Приложении 1.

Литература

1. ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования.

2. ГОСТ Р 56542-2015. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. - М.:ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2015. - 15 с.

3. Дубов А.А. Способ определения предельного состояния металла и оценки ресурса оборудования по магнитным диагностическим параметрам // Контроль. Диагностика, №5, 2003.

4. Генералов А.С., Мурашов В.В., Далин М.А., Бойчук А.С. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ, 2012, №1, с. 42-47.

5. А.Г. Пенкин, В.Ф. Терентъев, М.Б. Бакиров. Оценка степени повреждаемости конструкционных сталей при статическом и циклическом деформировании с использованием методов акустической эмиссии и кинетической твердости. // Деформация и разрушение материалов, №2. 2005. 15-19.

6. А.С. СССР №1357777 A1 (51) 4. СПОСОБ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ ПОСЛЕ НАРАБОТКИ. /Н.Г. Бычков, А.Н. Петухов и И.В. Пучков / кл. G01N 3/32. 07.12.1987. Бюл. №45 (72).

7. РД 03-421-01 Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. - М.: Государственное унитарное предприятие «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002, - 136 с.

8. РД 26.260.004-91. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации. - М.: Концерн Химнефтемаш, 1991. - 96 с.

9. Махутов Н.А., Фомин А.В., Иванов В.И., Перьмяков В.Н., Васильев И.Е. Комплексная диагностика предельных состояний и раннего предупреждения аварийных состояний конструкций. // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2013, №2, с. 46-51.

10. Патент №2403564 РФ: МПК G01N 29/14. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий/ Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А., Ушаков Б.Н.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, №2009100183/28, заявл. 11.01.09, опубл. 10.11.10. Бюл. №31.

Использование: для мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют акустико-эмиссионный (АЭ) контроль с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора-обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, при этом в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, причем в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах, по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов. Технический результат: обеспечение возможности в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия осуществлять мониторинг степени деградации структуры материала и определять остаточную прочность изделия в зоне АЭ контроля без привлечения других методов технической диагностики и неразрушающего контроля.

Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия, включающий акустико-эмиссионный контроль, с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора - обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, отличающийся тем, что в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, при этом в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах Е_И=N_И/t_И, где:

Е_И - относительная энергия импульса, дБ.,

N_И - количество выбросов в единицах,

t_И - длительность импульса, мкс,

и по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов.