Способ ультразвукового контроля поврежденности материалов при различных видах механического разрушения Российский патент 2023 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к способам исследования или анализа материалов с помощью ультразвуковых волн, в частности к способам неразрушающего контроля путем измерения времени распространения акустических волн, и может быть использовано для контроля накопленных повреждений в материале при усталости и пластическом деформировании металлоконструкции.

Известен способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов, основанный на определении критерия поврежденности эксплуатируемого элемента путем измерения времени задержки поверхностной волны на новом элементе, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента (патент RU 2231057 «Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования» авт. Смирнов А.Н., Хапонен Н. А., МПК G01N 29/20, публ. 20.06.2004 г.). Основным недостатком указанного способа является чувствительность поверхностных волн к геометрии поверхности (например, изменение радиуса кривизны) и ее состоянию (шероховатости, волнистости). Изменение этих характеристик в процессе эксплуатации объекта значительно увеличивает погрешность измерений.

Известен способ неразрушающего контроля поврежденности металлов, основанный на определении временных задержек одного типа объемной упругой волны при разных температурах (патент RU 2671421 «Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов» авт. Гончар А.В., Мишакин В.В., Клюшников В.А., Курашкин К.В., МПК G01N 29/04, публ.31.10.2018 г.). Основным недостатком указанного способа является необходимость в нагреве или охлаждении объекта, что повышает трудоемкость реализации данного способа. Кроме того, в прозвучиваемом объеме при большой толщине объекта может наблюдаться градиент температуры, что может увеличить погрешность способа.

В качестве прототипа выбран способ оценки поврежденности материала конструкций, заключающийся в измерении времени задержки поверхностной, продольной и сдвиговых волн на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента (патент RU 2507514 «Способ оценки поврежденности материала конструкций» авт. Хлыбов А.А., Углов А.Л., МПК G01N 29/04, публ. 20.02.2014 г.). Недостатком указанного способа является применение поверхностных волн, что, как отмечалось выше, может значительно повысить погрешность способа ввиду изменения геометрии и микрогеометрии объекта. Кроме того, необходимость применения трех типов волн повышает трудоемкость реализации способа.

Общим существенным недостатком всех перечисленных способов является то, что они не учитывают различные виды повреждений на измеряемые временные задержки и их отношения, а точнее их результирующее влияние при одновременном или последовательном воздействии. Например, воздействие пластической деформации может уменьшать временную задержку упругой волны, а при усталости временная задержка может увеличиваться, что вносит неопределенность и увеличивает погрешность при расчете поврежденности указанными способами.

Предлагаемый способ лишен этих недостатков.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение погрешности определения поврежденности материала ультразвуковым методом, а также уменьшение трудоемкости его реализации.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Заявленный способ включает определение временных задержек сдвиговой волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях в неповрежденном и в поврежденном материале. Для этого в неповрежденном материале возбуждают упругую сдвиговую волну, поляризованную в продольном направлении действия эксплуатационной нагрузки, измеряют ее временную задержку t₀₁. Затем возбуждают упругую сдвиговую волну, поляризованную в поперечном направлении действия эксплуатационной нагрузки, измеряют ее временную задержку t₀₂. Потом проводят эксплуатацию объекта, связанную с пластическим деформированием и (или) усталостью. Далее вновь в том же месте возбуждают упругую сдвиговую волну, поляризованную в продольном направлении действия эксплуатационной нагрузки, измеряют ее временную задержку t₁, затем возбуждают упругую сдвиговую волну, поляризованную в поперечном направлении действия эксплуатационной нагрузки, измеряют ее временную задержку t₂ и рассчитывают поврежденность по формуле:

, (1)

где ΔВ_ε=а((1-t/t₀)/ν)^b - изменение параметра акустической анизотропии, связанное с повреждением материала при пластическом деформировании,

(1-t/t₀)/ν - величина пластической деформации,

ν - коэффициент, равный отношению поперечной пластической деформации к продольной,

ΔВ=В-В₀ - общее изменение параметра акустической анизотропии,

В=(t₂-t₁)/t - текущее значение параметра акустической анизотропии,

В₀=(t₀₂-t₀₁)/t₀ - значение параметра акустической анизотропии на неповрежденном участке,

t=(t₁+t₂)/2 - среднее значение временных задержек сдвиговой волны в поврежденном материале, поляризованной в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t₀=(t₀₁+t₀₂)/2 - среднее значение временных задержек сдвиговой волны в неповрежденном материале, поляризованной в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t₀₁, t₀₂ - временные задержки сдвиговой волны в неповрежденном материале, поляризованной соответственно в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t₁, t₂ - временные задержки сдвиговой волны в поврежденном материале, поляризованной соответственно в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки.

k₁, k₂, k₃, а, b, ν - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Поврежденность ψ изменяется в диапазоне от 0 до 1. При достижении поврежденности 1 материал считается разрушенным. Значение поврежденности, при котором объект должен выводиться из эксплуатации, устанавливается нормативными документами предприятия. В общем случае, когда значение поврежденности достигает 0,7 и выше, эксплуатация объекта считается опасной.

Пример применения разработанного способа. Из многочисленных экспериментов известно, что при пластическом деформировании - одноосном растяжении конструкционных сталей, параметр акустической анизотропии в зависимости от величины пластической деформации монотонно увеличивается по параболическому закону, а при усталости в зависимости от числа циклов линейно уменьшается. Этот факт взят за основу разработанного изобретения. Общую поврежденность предлагается представить как сумму поврежденностей при усталости и при пластическом деформировании. При усталости под поврежденностью понимается относительное число циклов до разрушения, при пластическом деформировании - исчерпание ресурса пластичности, то есть отношение величины произведенной деформации к относительному удлинению. Поврежденности при пластическом деформировании и при усталости представлены как функции параметра акустической анизотропии, который в свою очередь определяется через временные задержки сдвиговых упругих волн взаимно ортогональной поляризации.

Измерения проводились в лабораторных условиях на конструкционной углеродистой стали Ст3сп. Для исследований были изготовлены образцы круглого сечения типа II диаметром 12 мм в соответствии с ГОСТ 25.502-79. На каждом образце с двух сторон были выточены плоские параллельные друг другу площадки с размерами 4×21 мм, на которые устанавливались пьезоэлектрические преобразователи для проведения ультразвуковых измерений.

Первый образец подвергался одноосному растяжению вплоть до образования шейки, относительное удлинение составило 25%. Одноосное растяжение проводилось поэтапно, величина пластической деформации на каждом этапе составляла ~ 4%, скорость деформации 10^-3 с^-1. Величина и скорость деформации контролировались с помощью экстензометра BISS АС-07-1025. Второй образец подвергался регулярному нагружению по схеме одноосного растяжения-сжатия в области малоцикловой усталости, коэффициент асимметрии цикла - 1, амплитуда деформации цикла 0,3%, режим - жесткий, частота ~1 Гц. Амплитуда деформации цикла и частота нагружения контролировались с помощью экстензометра BISS АС-07-1005. Циклическая долговечность составила 3000 циклов. Третий образец подвергался пластическому деформированию и усталости последовательно до появления макротрещины.

Механические испытания проводились с помощью сервогидравлической испытательной машины BISS Nano UT-01-0025.

Временные задержки сдвиговых упругих волн до испытаний t₀₁, t₀₂ и в процессе испытаний t₁, t₂ определялись ультразвуковым эхо-импульсным методом. Ультразвуковой дефектоскоп АКС А1212 MASTER использовался в качестве генератора электрических импульсов. Широкополосный пьезоэлектрический преобразователь Olympus V157 диаметром 3 мм и центральной частотой 5 МГц применялся для возбуждения и приема сдвиговых упругих волн. Цифровой осциллограф LA-n1USB и программное обеспечение ADCLab использовались для сохранения амплитудно-временной диаграммы на компьютер для дальнейшей обработки. Частота дискретизации составляла 1 ГГц, разрешение по времени - 1 не.

Времена распространения двух сдвиговых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль t₁ и поперек t₂ оси растяжения, измерялись между вторым и третьим эхоимпульсами. За синфазные точки в импульсах принимались точки пересечения нуля на переходе с минимума на максимум в сигнале. На каждом участке измерения повторялись 5 раз, а затем усреднялись. Абсолютная погрешность измерения времени распространения составляла не более 1 нс.

В результате экспериментов установлено, что зависимость поврежденности, определяемая как исчерпание ресурса пластичности материала ε/ε*, от параметра акустической анизотропии ΔВ_Еε можно представить в виде полинома второго порядка:

где ε - текущее значение величины пластической деформации вдоль оси растяжения,

ε* - относительное удлинение при разрыве,

k₁=15×10³ и k₂=30 - коэффициенты, найденные методом наименьших квадратов.

С другой стороны получено, что изменение параметра акустической анизотропии связано с величиной продольной пластической деформации по формуле:

где α=0,017; b=0,6.

Изменение величины пластической деформации ε можно найти через времена распространения сдвиговых упругих волн:

Экспериментально установлено, что коэффициент ν равный отношению поперечной пластической деформации к продольной для стали марки Ст3сп численно равен 0,5.

Из эксперимента при усталостном разрушении второго образца получено, что поврежденность, определяемая как относительное число циклов N/N*, связана с изменением параметра акустической анизотропии при усталости линейно по формуле:

где N - текущее число циклов,

N* - циклическая долговечность,

ΔB_N - изменение параметра акустической анизотропии, связанное с повреждением материала при усталости,

k₃= -348.

Таким образом, экспериментально были найдены все коэффициенты k₁, k₂, k₃, а, b, ν.

Если материал подвергается усталости и пластическому деформированию, то

В итоге для поврежденности при усталости и пластическом деформировании получают:

Был проведен эксперимент, в котором третий образец подвергался влиянию пластической деформации и усталости. Третий образец из той же марки стали был подвергнут одноосному растяжению на величину пластической деформации 8%, а затем подвергался усталости по схеме растяжение-сжатие с амплитудой деформации цикла 0,3% до появления трещины, число циклов при этом составило 2100. До испытаний значение временной задержки t₀₁ упругой сдвиговой волны, поляризованной в продольном направлении действия нагрузки, составило 2013,4 нс, а значение временной задержки t₀₂ упругой сдвиговой волны, поляризованной в поперечном направлении действия нагрузки, составило 2014,3 нс. После момента появления трещины при усталости в том же месте значение временной задержки t₁ упругой сдвиговой волны, поляризованной в продольном направлении действия нагрузки, составило 1929,1 нс, а значение временной задержки t₂ упругой сдвиговой волны, поляризованной в поперечном направлении действия нагрузки, составило 1933,5 нс. Используя значения временных задержек t₀₁, t₀₂, t₁, t₂ и коэффициентов а, b по формулам (3) и (4) проведен расчет ΔВ_ε:

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить поврежденность материала и спрогнозировать момент разрушения при усталости и пластическом деформировании, используя лишь значения временных задержек взаимно ортогонально поляризованных сдвиговых волн. В разработанном способе возможно использование лишь одного датчика сдвиговых волн, взаимно ортогональная поляризация которых реализуется путем поворота датчика на угол 90 градусов. Такое решение обеспечивает оперативность использования способа и исключает дополнительные погрешности, связанные как с погрешностью определения временных задержек, так и с погрешностью позиционирования в том же самом месте при использовании датчиков других типов волн.

Использование: для неразрушающего контроля поврежденности материалов. Сущность изобретения заключается в том, что определяют поврежденность материала по изменению временных задержек сдвиговой волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях в неповрежденном и в поврежденном материале, используя следующее выражение:

где ΔВ_ε - изменение параметра акустической анизотропии, связанное с повреждением материала при пластическом деформировании, ΔВ - общее изменение параметра акустической анизотропии. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения погрешности определения поврежденности материала ультразвуковым методом.

Способ неразрушающего контроля поврежденности материалов, включающий определение временных задержек сдвиговой волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях в неповрежденном и в поврежденном материале, отличающийся тем, что по изменению этих временных задержек определяют поврежденность, используя следующее выражение:

где ψ - поврежденность материала в относительных единицах,

ΔВ_ε=а((1-t/t₀)/ν)^b - изменение параметра акустической анизотропии, связанное с повреждением материала при пластическом деформировании,

ν - коэффициент, равный отношению поперечной пластической деформации к продольной,

ΔВ=В-В₀ - общее изменение параметра акустической анизотропии,

В=(t₂-t₁)/t - текущее значение параметра акустической анизотропии,

В₀=(t₀₂-t₀₁)/t₀ - значение параметра акустической анизотропии на неповрежденном участке,

k₁, k₂, k₃, a, b - коэффициенты, определяемые экспериментально,

t₀₁, t₀₂ - временные задержки сдвиговой волны в неповрежденном материале, поляризованной соответственно в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t₁, t₂ - временные задержки сдвиговой волны в поврежденном материале, поляризованной соответственно в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t=(t₁+t₂)/2 - среднее значение временных задержек сдвиговой волны в поврежденном материале, поляризованной в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки,

t₀=(t₀₁+t₀₂)/2 - среднее значение временных задержек сдвиговой волны в неповрежденном материале, поляризованной в продольном и перпендикулярном направлениях действия нагрузки.