Способ обнаружения усталостных трещин образца материала Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к области испытаний, в частности к способам усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии.

Известен способ обнаружения трещин, заключающийся в том, что объект циклически нагружают и регистрируют акустическую эмиссию, по параметрам которой определяют момент раскрытия берегов трещины.

Известный:, способ позволяет -судить о кинетических параметрах трещины только тогда, когда трещина существует и необходимо определять характеристики нагружения материала . При этом нагружение при регистрации сигналов акустической эмиссии осуществляют путем монотонного растяжения объекта. Последнее не подразумевает развитие трещины и поэтому не позволяет судить о ее развитии.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля трещино- образования в материале, основанный

на измерении параметров акустической эмиссии при циклическом нагружении образца материала, в котором в ка ж- дом цикле регистрируют величину нагрузки в момент появления сигналов акустической эмиссии, находят значение нагрузки, при которой количество сигналов акустической эмиссии максимально, и по нему определяют пороговое значение коэффи- .

sl

Ј

О

1C

циента интенсивности напряжений в вершине трещины.

Недостатком данного способа является то, что регистрация первых сигналов акустической эмиссии в цикле может соответствовать как процессу пластической деформации материала, его частичному разрушению, так и неупорядоченному акту контактного взаимодействия берегов трещины.

Помимо этого данный способ не позволяет регистрировать наличие трещины в материале, поскольку появление сигналов акустической эмиссии в цикле на разных стадиях накопления повреждений отвечает различным закономерностям их формирования, при этом число актов, соответствующих разным процессам усталости, может быть сопоставимо.

Цель изобретения - повышение достоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с росто трещины.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регистрации усталостных трещин, заключающемуся в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагрузку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал сигналов акустической эмисси изменяется во всех циклах по одинаковому сакону, а о наличии трещины судят по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне.

На фиг. 1 изображена схема нагружающего устройстваJ на фиг.2 - схема расположения датчиков на испытываемом образце; на Лиг.З (а, б, в, г) графики распределения актов акустической эмиссии (A3) (в) и амплитуд ЛЭ (г) и их контурные карты (а) и (б), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостн трещины на Лиг. (а,б,в,г) - графики распределения актов АЭ с амплитудами 10-20 дБ (в) и 20-30 дБ (г) с их контурными картами (а) и (б), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостной трещины} на фиг.5 (а,б,в,г) - графики распределения актов A3 с амплитудами 30

/

й10

15

20

25

7 10124

0 дБ (в) и свыше 0 дБ (г) с их контурными картами (а) и (б) , соответственно, в диапазоне раскрытия бере- 5 гов усталостной трещины} на фиг.6 (а,б,в,г) - графики распределения

актов A3 (в) и амплитуд АЭ (г) и их контурные карты (а) и (б), соответственно после двойной фильтрации в диапазоне амплитуд 20-30 дБ и интервале напряжений 158-197,2-171,3 МПа} на фиг. 7 - графики практической реализации предлагаемого способа для средней суммарной амплитуды (а) и математического ожидания амплитуды (б).

и м е р. При реализации данного способа используют нагружающее устройство, обеспечивающее жесткий режим циклического нагружения при испытании на изгиб по трехточечной схеме (фиг,1) .

Устройство состоит из опорных роликов 1, перестраиваемого эксцентрика 2, толкателя 3 и направляющих перемещения толкателя А.

Для приема, регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии (A3) используют специализированный 30 анализатор-локатор серии 3000/310 фирмы РАС (США). В качестве приемников АЭ используют датчики дифференциального типа с резонансной частотой 300 кГц. Расположение датчиков показано на фиг.2. где на образце 5 с концентратором б установлены охранные датчики 7 и информативный датчик 8. Датчики 7 выполняют функции охранных датчиков, т.е. сигналы, которые во времени принимаются этими датчиками раньше, чем информативным датчиком 8, отфильтровываются и в обработке не участвуют. Таким образом, контроль акустической эмиссии осуществляется по схеме временной селекции.

Эксперименты выполняют на образцах прямоугольного сечения из алюминиевого сплава Д1&Т с геометрическими 5Q размерами 10x30 250 мм. На образец 5 наносят несквозной концентратор полуэллиптической сЬормы протяженностью по поверхности 5 мм и глубиной 1 мм. Концентратор наносят электроискровым способом, что исключает наличие ос- . статочных напряжений. Воспроизводимость минимального и максимального прогибов образцов от испытания к испытанию достигается за

35

40

45

55

счет изменения диаметров опорных роликов 1 и изменения величины эксцен (триситета у перестраиваемого экс- центрика 2.

С целью получения количественно сопоставимых результатов при проведении акустико-эмиссионного конт--- роля в каждом испытании выполняется контроль качества акустического контакта с целью его воспроизводства .

Таким образом, все испытания проводят в равных воспроизводимых условиях нагружения и качества акустического контакта, что допускает сопоставление результатов.

Известно, что взаимное перемещение берегов усталостной трещины в цикле нагружения начинается в момент, когда действующее напряжение становится больше остаточных сжимающих напряжений в устье усталостной трещины и прекращается в момент их равенства в полуцикле разгрузки.

Лля расчета этих напряжений в цикле найдено эмпирическое соотношение:

SCP

SMQKC U S«qKC 5МИк)

(1),

S

ср

эмакс{ллин)

U напряжения начала и конца взаимного перемещения берегов ус

талостной трещины1.

/

максимальное минимальное) напряжение, действующее в цикле; поправка на раскрытие берегов усталостной трещины.

Входящая в это соотношение попа О позволяет учитывать асимметцикла нагружения, отличного от сирующего и определяется из сошения

U 0,5 + 0,4R ,

(2),

где R - коэффициент асимметрии цикла нагружения (R 5МИН/

Змакс

Выбор такого диапазона обеспечивает регистрацию сигналов АЭ, связанных только с процессами подрастания усталостной трещины в цикле и исключает все сигналы АЭ, связанные с другими процессами, например с контактным взаимодействием берегов

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

5S

усталостной трещины в зоне скосов от пластической деформации.

Для приведенного примера эта величина составляла 107,6 МПа при максимальной нагрузке в цикле.

По окончании испытаний для первого образца выполняется следующая последовательность операций при обработке полученных данных.

После долома образца выполняется фрактография с целью определения числа циклов, соответствующих моменту возникновения усталостной трещины.

Для всего массива данных, собранного в период раскрытия берегов усталостной трещины, установленного в соответствии с формулами (l)- и (2) построен (фиг.З) трехмерный граЛик амплитудного распределения (ось Y) от изменения напряжения в цикле (ось X) в зависимости от циклов нагружения (ось Z), а также трехмерный график распределения актов A3 (ось Y) от изменения напряжения в цикле (ось X) в зависимости от циклов нагружения (ось Z). (На Аиг.З - г и в соответственно) .

Для этих графиков были построены контурные графики, суть построения которых заключается в последовательном сечении трехмерных графиков горизонтальными плоскостями и построении проекций линий пересечения горизонтальных плоскостей с трехмерными поверхностями: для графиков фиг,За (контурный график распределения актов АЭ. Ось X - изменение напряжения в цикле для выбранного диапазона, ось Y - число циклов нагружения) и фиг.36 (контурный график распределения актов A3. Ось X - изменение напряжения в цикле для выбранного диапазона, ось Y - число циклов нагружения). Число плоскостей сечения 30. Об активности протекания процесса судят по плотности проекций линий пересечения.

Из полученных графиков видно, что как для амплитудного распределения (фиг.Зг}, так и для интенсивности возникновения актов АЭ (фиг.Зв) можно выделить области преимущественного расположения сигналов АЭ. Однако, если для амплитудного распределения эта область представляется в виде хребта с расширяющимся основанием, то для распределения актов A3 помимо основного хребта можно видеть ряд сопутствующих хребтов.

Дальнейший анализ построен по представлениям физической модели последовательности протекания процессов, сопровождающих рост усталостной трещины в цикле нагружения и сопутствующих им сигналов АЭ.

Последовательность процессов, сопровождающих рост усталостной трещины в цикле нагружения, следующая.

После превышения остаточных сжимающих напряжений происходит разрыв перемычки и слияние дислокационной трещины возникшей в конце предыдущего цикла) с магистральной. Этот процесс может генерировать АЭ дискретного типа, однако для трещин малых размеров не всегда регистрируется A3, сопровождающая этот процесс, так как поперечное сечение перемычки мало и материал значительно разрыхлен предшествующими процессами пластической деформации. Далее начинается взаимное перемещение берегов усталостной трещины, сопровождаемое процессами пластической деформации материала в устье трец..ны, чго порождает активную АЭ непрерывного типа. В области, близкой к максимальному действующему напряжению, образуется дислокационная трещина и после перехода через максимум за счет дисклинациональных мод пластической деформации, формируется свободная поверхность. Эти процессы сопровождаются АЭ дискретнго типа. Затем вплоть до момента прекращения взаимного перемещения берегов усталостной трещины происходит формирование зоны пластическо деформации в вершине усталостной трещины, что сопровождается акустической эмиссией непрерывного типа.

Так как АЭ непрерывного типа связана с дислокационными процессами пластической деформации, которые необязательно связаны с ростом усталостной трещины, а присутствуют и на стадии накопления усталости, необходимо выделить сигналы акустической эмиссии дискретного типа, связанные только с наличием растущей усталостной трещины.

С этой целью весь диапазон принимаемых амплитудами значений разбит на четыре поддиапазона 10-20, 20-30 дБ и в четвертом поддиапазоне

все амплитуды свыше 0 дБ. Для каждого поддиапазона построены графики трехмерного распределения актов акустической эмиссиии их .контурный график, которые приведены на фиг. и фиг.5. На фиг. а и в видно, что события с амплитудами 10-20 дБ регистрируются в процессе всего испытания как на стадии накопления усталости, так и на стадии роста усталостной трещины. Такие сигналы необходимо связывать с дислокационными процессами пластической деформации.

Максимальное число таких событий на фиг,в составляет 1x10.

Для следующего диапазона, графики которого приведены на фиг.б и г, максимальное число событий нафиг.г

составляет , и все они группируются в зоне, близкой к максимальному действующему напряжению. Число циклов, соответствующее моменту возникновения усталостной трещины в со5 ответствии с фрактографическими

измерениями, совпадает уже в четвертом порядке со значением, которое можно получить из фиг.б (нижняя точка первого контура основного класg тера) . Таким образом, события акустической эмиссии в этом диапазоне амплитуд относятся к процессам Формирования свободной поверхности растущей усталостной трещины.

Результаты графического пред5

ставления для двух последних диапазонов приведены на фиг.5. Из амплитудных распределений для этих диапазонов видно, что их число ничтожно мало по сравнению с общим числом событий акустической эмиссии зарегистрированных в процессе испытаний. того, события с этими амплитудами встречаются как на стадии накопления усталости, так и на ста дни роста усталостной трещины (это особенно ярко выражено для событий акустической эмиссии с амплитудами превышающими 0 дБ) .

Таким образом, только по регистрации событий с амплитудами 20- 30 дБ можно судить о наличии усталостной трещины в подконтрольном объекте.

Последней операцией, необходимой

5 для определения параметров двойной фильтрации, является определение напряжений в цикле, в пределах которого с возрастанием числа циклов

э

нагружения происходит устойчивое изменение сигналов акустической эмиссии с амплитудами в диапазоне 20-30 дБ. Этот диапазон легко определить из результатов обработки массива данных после Фильтрации для сигналов акустической эмиссии в диапазоне амплитуд 20-30 дБ. По результатам обработки этот диапазон изменяется в пределах от 15Й МПа в полуцикле увеличения нагрузки с переходом через максимум 197,2 МПа до 171,3 МПа в полуцикле снижения нагрузки.

Результаты двойной фильтрации, полученные при испытании массива данных, приведены на фиг.6. Из этих графиков видно, что использованные предпосылки и методика обработки данных позволяют как с помощью регистрации информативного параметра (в приведенном примере амплитуд), так и с помощью регистрации актов акустической эмиссии надежно и достоверно регистрировать как момент возникновения, так и наличие усталостной трещины в подконтрольном объекте.

Несмотря на то, что регистрация акустической эмиссии осуществляется в каждом цикле нагружения, для получения каждой точки представления информации используют массив, собранный за некоторое число циклов. Это число циклов должно быть достаточным для получения статистически достоверных данных. Для испытания, приведенного в примере,временной интервал сбора информации составляет 5 мин, т.е. 356 циклов. Такое число циклов достаточно для получения статистически достоверного результата, в то же время прирост трещины мал и в реальных условиях контроля им можно пренебречь. Так, в условиях жесткого нагружения, при которых проводят эксперимент, скорость роста усталостной трещины на стадии стабильного роста, которая описывается К, составляет в среднем 0,15 мкм за цикл, что равняется на базе измерени мкм.

На фиг. 7 приведены результаты конкретной реализации предлагаемого

10

1012 10

способа. Условия нагружения и акустического контакта те же, что и в вышерассмотренном испытании. Двойная фильтрация осуществляется программно в установленных диапазонах, т.е.

сигналы акустической эмиссии.регистрируются в диапазоне 20-30 дБ для амплитуд, и диапазоне 158-197,2- 71,3 МПа изменения напряжений в цикле На фиг.7 представлены графики двух параметров акустической эмиссии: математического ожидания амплитуды акустической эмиссии, принцип построения

t, которой тот же, что и у суммарной акустической эмиссии (фиг.7б). Интервал усреднения 5 мин или 363 цикла. На обоих графиках легко выделить два участка - участок с нестационар20 но регистрирующим сигналом акустической эмиссии и участок со стабильно регистрируемым сигналом; на котором по мере роста трещины для математического ожидания амплитуд размах

25 осцилляции уменьшается и стремится к некоторой средней величине, а для суммарных средних амплитуд акустическая эмиссия с этого момента начинает устойчиво нарастать.

Использование изобретения позво30

ляет с высокой достоверностью регистрировать момент возникновения и наличие усталостной трещины.

Формула изобретения

35

Способ обнаружения усталостных трещин образца материала, заключаю- -щийся в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагруё40 ку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, отличающий- с я тем, что, с целью повышения достоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с ростом

45 трещины, определяют интервал изме- нения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины, и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал изменяется

0 во всех циклах по одинаковому закону, а о наличии трещины сулят -по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне.

Изобретение относится к испытг ниям, в частности к способам усталостных испытаний при сложном нзпря1- женном состоянии. Цель изобретения - повышение достоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с ростом трещины. Образец материала циклически нагружают, регистрируют акустическую эмиссию в период раскрытия берегов усталостной трещины в цикле наг ружения за число циклов, обеспечивающих получение статистически достоверных данных. Выделяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины, определяют диапазон нагрузок, в котором выделенный интервал сигналов акустической эмиссии изменяется во всех циклах по одинаковому закону. О наличии трещины в контролируемом образце судят по сигналам акустической эмиссии в выделенном диапазоне. 7 ил. ё СП

Фиг.1

Фиг. 2

и И в СО «Л CD

kj I i I i M i Ґ

I©

e

&

8

® Ш CO

hsi W

в

В ft

N)

..(..l:,:.... ./, ;.,}

) v --/i .-- ; i -г .,

J, v / - --.-

J, rf-.4.- c

13

-V

f

,y. ,.д ..,..«....

Ч/фШ- .тШ.ш..

y«. .

N Щ CM ®

XD Ю

е

СО

ю

е

cvl о

-3- Г-.

лф аиф

X г ТтКГУ -Щш- т fc дС

-- z

if

. Г iA«

A J

+ Зх

Sample 18 (D-16)

12000 24005) 36000

Фиг.7а

A (dB)

Sample 18 (D-16)

w

I- a

Ч

0 12000 24000 36000

ФИГ.76

48000

t (с

12/21/B9 11:50:21

Ч ,- -- -11-

480019

t c