СПОСОБ МОНИТОРИНГА КИНЕТИКИ ХРУПКИХ И ВЯЗКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА СТАДИЯХ ЭВОЛЮЦИИ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N29/14 

Термины «вязкий» и «хрупкий» служит для обозначения способности металлов сопротивляться сдвиговым и нормальным модам напряжений на стадиях эволюции разрушения металла. Различные по своей природе механизмы фрагментации структуры материала генерируют заметно отличающиеся по своим энергетическим и темпоральным параметрам импульсы АЭ. Хрупкие, вызванные сколом, и вязкие соответственно сдвигом механизмы разрушения структуры металла прежде всего отличаются скоростью и длительностью происходящих процессов. Так скорость хрупкого разрушения может быть сопоставима со скоростью звука в металле. Вязкое разрушение структурных связей происходит при значительных сдвиговых деформациях, большой затрате энергии на зарождение трещины и медленном ее подрастании, что обуславливает меньшую скорость происходящих процессов. Причем для большинства высокопрочных конструкционных сталей характерен смешанный характер разрушения, когда на стадиях эволюции хрупкие разрушения сменяются вязкими или они происходят параллельно, как это наблюдается на стадиях упрочнения и предельного состояния высокопрочных сталей [1-2].

Как было показано в [3-6], акустическая эмиссия (АЭ) позволяет по энергетическим и темпоральным параметрам регистрируемых импульсов, генерируемых в результате повреждения структурных связей конструкционного материала, осуществлять мониторинг эволюции разрушения «in situ» накопления АЭ событий. При этом существуют различные методики оценки степени разрушения структуры материала и достижения им предельного состояния [3-11], но ни одна из них не дает возможность достоверно контролировать кинетику накопления вязких и хрупких повреждений в процессе деформирования материала.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ, предложенный в статье «Разработка эмпирической модели расчета степени поврежденности стальных образцов по результатам статистической обработки потока импульсов акустической эмиссии» [12]. Для разделения процессов активизации вязкого и хрупкого разрушения на стадиях неупругого и предельного деформирования конструкционной стали 30ХГСА был использован критерий Колмогорова - Смирнова при статистической обработке значений энергии переднего фронта потоков регистрируемых импульсов. Такой прием позволил разделить поток регистрируемых импульсов на два характерных процесса, связанных с хрупким и вязким разрушением структуры конструкционной стали 30ХГСА при повышении относительного уровня деформирования материала ε₁/ε_B свыше 37%.

Недостатком данного технического решения является невозможность его использования в режиме реального времени для мониторинга кинетики накопления вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала, а также применения на ранней стадии неупругого деформирования, когда е₁/ε_B<37%.

Для решения указанных проблем было предложено использовать дескриптор um/N_u отображающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала или тангенс угла наклона ниспадающей волны (фиг. 1), поверхность под огибающей которой характеризует энергию импульса (E_u)-

Для определение пороговых значений параметра u_m/N_u, разделяющих поток регистрируемых импульсов на два, генерируемых вязкими и хрупкими повреждениями, было проведено сопоставление форм сигналов и свойственных им спектрограмм (фиг. 2).

На фиг. 2 показаны формы (α, в) и спектрограммы Чои-Вильямса (б, г) импульсов (1) и (2), генерированных структурными преобразованиями от действия сдвиговых и нормальных мод напряжений, имеющих одинаковые значения максимальной амплитуды u_m=46 дБ, но отличающиеся по формам и спектрограммам.

В табл. 1 представлены основные энергетические и темпоральные параметры сопоставляемых импульсов.

Импульсы, генерируемые сдвиговыми процессами структурных преобразований, при сопоставимых уровнях энергетических параметров имеют существенно большую длительность по сравнению с сигналами хрупкого разрушения. На это указывают и представленные на фиг. 2, б и г спектрограммы, которые отражают скорость затухания энергии сигналов. Сопоставление показывает, что диссипация энергии сигналов вязкого разрушения имеет примерно в пять раз большую длительность затухания.

Как следует из табл. 1, энергетические и темпоральные параметры за исключением длительности (τ_и) достаточно близки. Причем расхождение значений параметра u_m/N_и отличается менее, чем 0,6 мкВ/ед. Однако, именно этот параметр, отражающий крутизну затухания амплитуды или тангенс угла наклона фронта ниспадающей волны, позволяет разделять регистрируемые сигналы на потоки локационных импульсов, характерные для вязкого и хрупкого механизмов разрушения. На графиках фиг. 3, α показано разделение сигналов АЭ на потокиотражающие кинетику вязкого и хрупкого накопления повреждений в структуре стали 20ХН2МА, а на фиг. 3, 6 изменение динамики весового содержания локационных импульсов (W^I) и (W^II) в режиме нагружения изделия. В данном случае при выбранных настройках аппаратуры (u_th=40 дБ, Δƒ=100-300 кГц - полосе пропускания фильтров) потоки объединяют сигналы, имеющие значение параметра u_m/N_и соответственно меньшее 9,5 мкВ/ед. и большее 9,6 мкВ/ед.

Сплошной линией черного цвета с обозначением (Р) на графиках фиг. 3 показана динамика изменения растягивающей нагрузки при испытаниях стального образца на разрыв.

Сущность изобретения заключается в том, что для разделения регистрируемых сигналов АЭ на потоки, генерируемые вязкими (I) и хрупкими (II) повреждениями структуры материала, используют комплексный параметр u_m//N_и (u_и - максимальная амплитуда в мкВ,N_и -количество выбросов в ед.), отражающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала или тангенс угла наклона фронта ниспадающей волны, по пороговому значению которого [u_m/N_и]=χ при выбранных настройках аппаратуры (u_th - пороге дискриминации сигналов и Δƒ- полосе пропускания цифровых фильтров) выполняют селекцию регистрируемых сигналов акустической эмиссии на потоки локационных импульсов свойственные вязкому (I - u_m/N_и≤χ) и хрупкому (II - u_m/N_и>χ) механизмам разрушения структуры материала, а для ежесекундного контроля кинетики их накопления и определения весового содержания в режиме нагружения изделия вычисляют кумулятивные и темпоральные потоковые параметры локационных импульсов, в том числе их парциальные доли (1), соотношение (2) и разность долей (3):

Цель, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего при проведении АЭ диагностики в режиме нагружения изделия с применением потоковых параметров импульсов (1) - (3) осуществлять мониторинг парциального содержания вязкого и хрупкого накопления повреждений в режиме нагружения изделия.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении АЭ диагностики изделий в режиме нагружения, выполняют разделение регистрируемых импульсов по пороговому значению χ=[u_m/N_и], определенному при выбранных настройках аппаратуры (u_th - пороге дискриминации сигналов и Δƒ- полосе пропускания цифровых фильтров), на потоки локационных импульсов отражающие кинетику вязкого (I -u_m/N_и≤χ) и хрупкого (II - u_m/N_и>χ) разрушения структуры материала, для вычисления активности накопления которых используют потоковые параметры локационных импульсов (1) - (3).

При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача достигается посредством мониторинга изменения весового содержания локационных импульсов в кластерах I и II, регистрируемых в поле дескрипторов u_m/N_и - E_и, характеризующих крутизну падения амплитуды на фазе затухания сигнала и относительный уровень их энергии, что позволяет с использованием кумулятивных и темпоральных потоковых параметров локационных импульсов (1) - (3) осуществлять мониторинг кинетики накопления вязких и хрупких повреждений в режиме нагружения.

Перед проведением АЭ диагностики выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на разрушение для заданных видов нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также АЭ параметры локационных импульсов при заданных настройках аппаратуры.

Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. мониторинга кинетики вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала в режиме нагружения изделия, что снижает риск внезапного его разрушения и повышает уровень безопасной эксплуатации.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах предложенного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к заявляемому устройству отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Для проведения соответствия предлагаемого изобретения требованию изобретательского уровня проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результат которого показывает, что предложенное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники.

В качестве демонстрации эффективности заявленного способа мониторинга кинетики хрупких и вязких повреждений в структуре конструкционного материала при нагружении изделия рассмотрим его применение для оценки влияния ударного воздействия с различным уровнем энергии на исчерпание пластичности образцов ферритно-карбидной стали 20ХН2МА по результатам их испытания на разрыв.

Образцы из стали 20ХН2МА с габаритными размерами 300x20x6 мм имели боковой надрез v-образной формы глубиной 3,3 мм. Исследуемая партия включала 30 образцов, которые были разбиты на шесть групп по пять образцов в каждой. Образцы первой партии перед испытаниями на разрыв не подвергались ударному воздействию. Остальные партии образцов были подвергнуты ударному воздействию на маятниковом копре МК-30 [13]. В зоне ударного воздействия, выполняемого оппозитно месту расположения v -образного надреза глубиной 3,3 мм, происходило изменение пластичности материала. В результате снижалась доля вязкого разрушения и возрастала хрупкого - разрушения сколом. Для оценки ударного воздействия был использован параметр удельной работы [1,2, 13]:

(3),

где A - работа ударного воздействия в Дж, b=1,7 см и h=0,6 см - ширина и толщина образцов в месте надреза, имеющих в месте v-образного надреза площадь F=1 см². При этом удельная работа удара для образцов второй партии составляла 50 Дж/см², третьей -75 Дж/см², четвертой - 100 Дж/см², пятой - 125 Дж/см² и шестой - 150 Дж/см².

Перед контрольным нагружением все испытываемые образцы подвергались предварительной протяжке при повышении нагрузки до 5 кН. Испытание на разрыв выполнялось при скорости перемещения подвижной траверсы 1 мм/мин. При этом АЭ диагностика проводилась с применением преобразователей R15α-AST (фирмы «Mistras», США), системы A-Line 32D (ООО «Интерюнис-ИТ», РФ), имеющей следующие настройки аппаратуры: порог дискриминации сигналов u_th=40 дБ, полоса пропускания цифровых фильтров Δƒ=100-300 кГц, расчетная групповая скорость по результатам тестирования составляла V_g=2,9 мм/мкс.

На фиг. 4 приведены результаты АЭ диагностики, полученные при испытаниях на разрыв образцов партий №1,…, № 6.

Представленные графики показывают динамику изменения средних выборочных значений весового содержания локационных импульсов (W^I) и (W^II) и уровня их разброса η_Wi, в интервале ±2S от уровня деформации ε/ε_B, отражающих кинетику накопления вязких и хрупких повреждений в зоне надреза образцов из стали 20ХН2МА в зависимости от уровня удельной работы ударного воздействия. Анализ графиков фиг. 4 свидетельствует о том, что по мере повышения уровня α_V от 50 до 150 Дж/ см^2, расхождение между параметрами весового содержания локационных импульсов W^I и W^II постоянно возрастало. Уровень пороговых значений [W^I] и [W^II], регистрируемых в момент разрушения образцов в партиях № 2, …№ 6, изменялся следующим образом. Значение [W^I] по мере повышения уровня α_V от 50 до 150 Дж/ см² постепенно снижалось с 42 до 16%, а [W^II] синхронно возрастало от 58 до 84%.

На фиг. 5 представлен график изменения соотношения j=[W^II]/[W^I] средних выборочных значений пороговых параметров [W^I] и [W^II] весового содержания локационных импульсов и уровня их разброса η_Wi; в интервале ±2S (S - среднее квадратичное отклонение) в зависимости от уровня α_V, значение которого возрастало от 0 до 150 Дж/ см² для партий образцов №1,…,№6.

Как следует из представленного графика, повышение удельной работы ударного воздействия от 50 до 150 Дж/см² вызвало рост соотношения j=[W^II]/[W^I] в 6 раз (от 1 до 6). Очевидно в такой же пропорции происходит снижение парциальной доли вязких и возрастание хрупких повреждений в КР стали 20ХН2МА. При повышении уровня α_V от 0 до 50 Дж/см² наблюдалось падение соотношения j, что характеризует рост вязкой и снижение хрупкой парциальных долей повреждений при разрушении структурных связей ферритно-карбидной стали 20ХН2МА. Как показали микроструктурные исследования, такое улучшение пластических свойств материала обусловлено локальным перераспределением карбидных включений, а также возникновением начальных напряжений сжатия в зоне надреза в результате ударного воздействия. На последнее указывает рост уровня максимальной нагрузки примерно на 10% до 62 кН при испытаниях на разрыв образцов второй партии по сравнению с первой, в которых разрушающая нагрузка не превышала 57 кН. Следует отметить, что при испытаниях образцов на разрыв расхождение линий нагружения во всех партиях составляло не более 4% в интервале ±2S, относительно приведенных на графиках фиг. 4.

Если оценивать потерю пластичности материала по длительности испытания образцов на разрыв, то при повышении уровня α_V от 0 до 150 Дж/см², она сократилась с 1350 с до 450 с, т.е. пластичность стали 20ХН2МА снизился в 3 раза. Такой результат достаточно хорошо коррелирует с данными АЭ диагностики, согласно которым (фиг. 5), при повышении значения α_v от 0 до 150 Дж/см² уровень j возрос в 3,5 раза (с 1,7 до 6).

Проведенные исследования показали возможность использования АЭ диагностики для оценки исчерпания пластических свойств конструкционных сталей в результате ударного воздействия. Совместное использование спектрограмм и параметров, характеризующих форму сигналов позволяет разделять регистрируемые импульсы на потоки, отражающие кинетику вязких и хрупких повреждений в процессе деформирования материала. В качестве критериального был использован комплексный параметр u_m/N_u, отображающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала (фиг. 2), поверхность под огибающей которой характеризует энергию импульса E_u-Селекция импульсов в поле параметров u_m/N_u - E_u позволяет разделять регистрируемые импульсы на потокиотражающие кинетику вязких и хрупких повреждений конструкционных сталей. Контролируя кинетику изменения их весового содержания по параметрам W^I и W^II локационных импульсов в режиме нагружения изделия, и сопоставляя ее с результатами, полученными на тестовых образцах при различном уровне удельной работы (фиг. 4), можно оценить исчерпание пластичности изделия в зоне удара.

Список литературы

1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп.- М.: ООО ТИД «Аз -book», 2009. - 447 с.

2. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение. Учебник для вузов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.

3. Патент № 2649081 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров СВ., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2018. Бюл. № 10.

4. Патент № 2690200 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров СВ., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2019. Бюл. № 16.

5. Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Иванов В.И., Елизаров СВ. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2022. № 1. С. 69-81.

6. Патент № 2787964 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга несущей способности изделий / Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Чернов Д.В., Махутов Н.А., Елизаров СВ.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2023. Бюл. № 2.

7. Иванов В.И., Бигус Г.А., Власов И.Э. Акустическая эмиссия / Под общ. ред. B.В. Клюева. М.: Издательский дом "Спектр". - 2015.192 с.

8. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика / М.: «Спектр». -2017. 368 с.

9. Ханжин В.Г. Акустическая эмиссия в металловедении // АПМАЭ-2018. Тольятти: ТГУ-218. С. 13-14.

10. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря А.В., Мочалов Б.В. Определение температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению образца по измерениям акустической эмиссии // Заводская лаборатория. -1991. № 8. C. 66-69.

11. Кудря А.В., Марков Е.А. Классификация источников акустической эмиссии в тонкой пластине по различиям структуры сигналов // Деформация и разрушение материалов. -2008. -№ 6. -С. 32-38.

12. Марченков А.Ю., Васильев И.Е., Чернов Д.В., и др. Разработка эмпирической модели расчета степени поврежденности стальных образцов по результатам статистической обработки потока импульсов акустической эмиссии // Дефектоскопия. - 2023. № 9. С. 18-26.

13. Пояркова Е.В. Ударные испытания образцов на изгиб: методические указания /. Оренбург: Оренбургский гос. ун-т.- 2019. - 17 с.

Использование: для мониторинга кинетики вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала c применением акустико-эмиссионной диагностики. Сущность изобретения заключается в том, что на основании совместного анализа крутизны спада амплитуды на фазе затухания сигнала со спектрограммами разделяют регистрируемые сигналы АЭ на потоки, генерируемые вязкими и хрупкими повреждениями структуры материала. Технический результат: обеспечение возможности осуществлять мониторинг парциального содержания вязкого и хрупкого накопления повреждений в режиме нагружения изделия. 5 ил.

Способ мониторинга кинетики вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала с применением акустической эмиссионной (АЭ) диагностики в режиме нагружения изделия, использующий для их разделения комплексный параметр u_m/N_и (u_m - максимальная амплитуда в мкВ, N_и - количество выбросов в ед.), отражающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала или тангенс угла наклона фронта ниспадающей волны, и спектрограмму, отличающийся тем, что с их использованием для выбранных настроек аппаратуры (u_th - порог дискриминации сигналов и Δƒ - полоса пропускания цифровых фильтров) устанавливают пороговый уровень значения [u_m/N_и]=χ, по которому регистрируемые сигналы акустической эмиссии разделяют на потоки локационных импульсов характерные для вязкого (I - u_m/N_и≤χ) и хрупкого (II - u_m/N_и>χ) механизмов разрушения структуры материала, а для ежесекундного контроля кинетики их накопления и определения весового содержания в режиме нагружения изделия вычисляют потоковые параметры локационных импульсов, в том числе их парциальные доли (1), соотношение (2) и разность долей (3):

где N_Σл- суммарное количество локационных импульсов