книги / Метод регистрации сигналов акустической эмиссии применительно к исследованию процессов разрушения конструкционных материлов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.И. Шилова
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Под редакцией В.Э. Вильдемана
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
1
УДК 620.171 ББК 30.3
Ш59
Рецензенты:
доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций А.В. Ильиных (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
науч. сотрудник, канд. физ.-мат. наук И. А. Пантелеев (Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь)
Шилова, А.И.
Ш59 Метод регистрации сигналов акустической эмиссии применительно к исследованию процессов разрушения конструкционных материалов: учеб. пособие / А.И. Шилова; под ред. В.Э. Вильдемана. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2015. – 56 с.
ISBN 978-5-398-01530-0
Изложены теоретические основы метода регистрации сигналов акустической эмиссии. Описаны подходы к обработке и интерпретации полученных данных, включая параметрический и спектральный анализы. Приведена методика работы с системой регистрации сигналов акустической эмиссии AMSY-6 с подробным описанием параметров испытаний. Представлен лабораторный практикум по исследованию поведения материалов впроцессенагружениянабазеанализасигналовакустическойэмиссии.
Предназначено для студентов и магистрантов, изучающих дисциплины «Экспериментальные методы изучения свойств материалов», «Современные методы регистрации термомеханических полей и диагностики повреждений», «Современныеметодыдиагностикиидефектоскопии» идр.
Учебное пособие подготовлено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения гранта по Постановлению Правительства РФ № 220 от 9 апреля 2010 г. (договор № 14В.25.310006 от
24 июня 2013 г.).
УДК 620.171 ББК 30.3
ISBN 978-5-398-01530-0 |
© ПНИПУ, 2015 |
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
4 |
|
1. |
Основы метода акустической эмиссии....................................... |
6 |
2. |
Методы численной обработки сигналов.................................... |
9 |
|
2.1. Параметрический анализ сигналов..................................... |
9 |
|
2.2. Частотный анализ сигналов............................................... |
12 |
|
2.3. Другие виды анализа сигналов ......................................... |
13 |
3. |
Регистрация сигналов акустической эмиссии ......................... |
14 |
4. |
Работа с системой amsy-6 .......................................................... |
20 |
|
4.1. Параметры регистрации данных....................................... |
20 |
|
4.2. Параметры определения импульса................................... |
21 |
|
4.3. Параметры анализатора локаций...................................... |
23 |
5. |
Лабораторная работа «Испытание на растяжение плоских |
|
образцов с регистрацией сигналов акустической эмиссии» ...... |
26 |
|
6. |
Пример использования системы регистрации |
|
сигналов акустической эмиссии.................................................... |
37 |
6.1.Экспериментальное исследование процесса накопления повреждений углеродных композиционных материалов на базе регистрации
сигналов акустической эмиссии....................................... |
37 |
6.2. Исследование процесса разрушения композитной |
|
пластины с отверстием на базе анализа сигналов |
|
акустической эмиссии....................................................... |
47 |
Список литературы......................................................................... |
52 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Внастоящее время благодаря развитию современных технологий всё большее применение находят методы неразрушающего контроля, которые позволяют получить дополнительную информацию о поведении материала при проведении механических испытаний. К таким методам относится и метод акустической эмиссии (АЭ), преимуществом которого является возможность изучения процесса накопления повреждений во всём объёме материала
вреальном масштабе времени, а также соотнесения регистрируемых сигналов с основными механизмами разрушения.
Первые эксперименты с применением специальной аппаратуры для регистрации сигналов АЭ были проведены Ф. Форстером и И. Шейли в 1936 г. [23]. Им удалось зарегистрировать шумы, вызванные формированием мартенсита в образцах в виде проволоки, изготовленных из стали с добавлением никеля. Свой вклад в изучение акустической эмиссии нагруженных кристаллов внесли А.И. Иофе и П.С. Эрнфест.
Само явление акустической эмиссии стали изучать с середины XX в. Дж. Кайзером в 1950 г. были опубликованы первые подробные исследования акустических процессов, происходящих
вматериалах при нагружении [25]. Также им был открыт эффект невоспроизводимости сигналов АЭ, который заключается в отсутствии регистрации сигналов АЭ в металлах при повторном нагружении до тех пор, пока нагрузка не превысит ранее прикладываемые значения. Этот эффект носит имя открывателя – эффект Кайзера. В 1954 г. Б. Скофилд с соавторами повторил и развил работы Кайзера [29]. Также Б. Скофилдом впервые был введён термин «акустическая эмиссия» (acoustic emission).
Внаши дни метод АЭ активно используется в разных областях науки. Его применяют как для решения прикладных задач – в качестве метода неразрушающего контроля производственных объектов: трубопроводов, сосудов давления и др., так
4
идля решения фундоментальных задач – для исследования процессов накопления и развития дефектов в различных материалах. На основе регистрации сигналов АЭ ведутся исследования: металлов, горных пород, композиционных материалов и др.
Основы метода и методические вопросы его применения к широкому кругу исследовательских и производственных задач отражены в работах [2–4, 6, 8, 9, 12, 13, 15].
Цель написания учебного пособия – дополнение методического обеспечения программ подготовки специалистов, бакалавров и магистров, связанных с вопросами экспериментального изучения свойств материалов и применения методов специальной диагностики и дефектоскопии для исследования процесса разрушения материалов и конструкций.
Учебное пособие знакомит с основными особенностями метода регистрации сигналов АЭ и его применением при изучении процесса накопления повреждений материалов при проведении механических испытаний. В издании отражены основные параметры регистрации сигналов, а также методы обработки
иинтерпретации полученных данных. Для закрепления знаний описан небольшой лабораторный практикум проведения испы-
тания на растяжение образца с регистрацией сигналов АЭ, а также представлены примеры работ, направленных на изучение процесса накопления повреждений в материалах на основе применения данного метода.
Автор выражает свою искреннюю благодарность профессору, доктору физико-математических наук В.Э. Вильдеману за поддержку и помощь в редактировании работы, а также сотрудникам Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
5
1. ОСНОВЫ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Метод акустической эмиссии (АЭ) основан на регистрации упругих волн, излучаемых материалом, в процессе внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Источниками акустической эмиссии являются зарождение и развитие трещин, фазовые превращения, пластические деформация и др.
Акустико-эмиссионный отклик зависит от структуры материала и режима деформирования. Материалы при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению.
Простейший тип волны от акустико-эмиссионного источника представлен на рис. 1. По существу, это импульс напряжения, соответствующий смещению поверхности материала.
Волновое смещение представляет собой функцию, близкую к ступенчатой. Напряжение, соответствующее смещению, имеет форму импульса, ширина и высота которого зависят от динамики процесса излучения. Импульсы таких источников, как проскок микротрещины или разрушение осажденных фракций, имеют малую длительность (порядка микросекунд или долей микросекунд). Амплитуда и энергия первоначального импульса АЭ могут меняться в широком диапазоне в зависимости от типа
источника акустической эмиссии. Зародившаяся волна (импульс) распространяется от источника во всех направлениях, при этом распространение в соответствии с природой источника
6
может носить ярко выраженный анизотропный характер (т.е. зависимость скорости распространения от направления, а также анизотропный характер самого излучения импульса).
Форма первоначальной волны претерпевает существенные изменения при распространении в среде материала и при преобразовании датчиком, поэтому сигнал, пришедший с датчика, весьма отдаленно напоминает исходный сигнал от источника. На рис. 2 приведён типовой сигнал эмиссии.
Рис. 2. Типовой импульсный сигнал АЭ
Такое изменение формы сигнала АЭ является важной проблемой, с которой приходится сталкиваться как при исследованиях функции источника, так и при решении практических задач неразрушающего контроля.
В целом исследователями выделяются следующие характерные преимущества метода АЭ:
1.Обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты по степени их опасности.
2.Интегральность. Используя один или несколько преобразователей, установленных неподвижно на поверхности объек-
7
та, можно исследовать весь объект целиком без необходимости сканирования поверхности датчиками.
3.Возможность контроля процессов изменения свойств и состояния материалов в реальном времени, например контроль процесса сварки. Кроме того, метод даёт возможность судить об изменении напряжённо-деформированного состояния материала.
4.Выявляемость дефекта независимо от его формы, положения и ориентации.
5.Возможность исследования различных материалов с разнообразными свойствами и структурой. Метод применяют для изучения горных пород, композиционных материалов, металлов и т.п.
К недостаткам метода относят трудность выделения сигналов АЭ из помех и интерпретации полученных данных. Это связано с тем, что сигналы АЭ относятся к шумоподобным, поскольку АЭ является случайным процессом. Поэтому выделение полезного сигнала из помех представляет сложную задачу. Также трудоёмким является процесс сопоставления основных механизмов разрушения с сигналами акустической эмиссии.
Вопросы для самоконтроля
1.На чём основан метод АЭ?
2.Что может являться источниками АЭ?
3.От чего зависит отклик АЭ?
4.В каких направлениях в материале распространяется импульс АЭ?
5.Каковы основные преимущества метода АЭ?
6.Каковы основные недостатки метода АЭ?
8
2. МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Существует множество подходов к интерпретации сигналов акустической эмиссии. К ним относятся параметрический, спектральный анализы, анализ формы волны и классификация, основанная на методах распознавания образов. Рассмотрим подробнее каждый подход.
2.1.Параметрический анализ сигналов
Вкачестве основных параметров для первого подхода выделяют пиковую амплитуду, количество осцилляций, длительность импульса, время нарастания импульса и энергетический параметр или энергию сигнала (рис. 3).
Рис. 3. Типовые параметры сигнала акустической эмиссии [24]
9
Пиковая амплитуда в ряде случаев позволяет охарактеризовать вид источника акустической эмиссии (механизмы разрушения) и представляет собой значение максимальной амплитуды регистрируемого сигнала. На рис. 4 представлены данные, полученные исследователями для различных типов композиционных материалов и связывающие основные типы разрушения и значения пиковых амплитуд регистрируемых сигналов.
Имеется некоторый разброс данных из разных источников, что можно связать с разными типами материалов, оборудования, параметров и видов испытаний.
Количество осцилляций – это число пересечения сигналом установленного порога. Длительность импульса – время распространения сигнала с момента первого пересечения сигналом порога и до последнего пересечения. Энергия сигнала позволяет охарактеризовать общую повреждённость материала. Существует большое количество вариантов вычисления энергии сигналов акустической эмиссии. В системе регистрации сигналов АЭ компании Vallen-Systeme GmbH энергетический параметр вычисляется, как площадь под огибающей функцией сигнала по формуле (Vallen AE Suit / Vallen-Systeme GmbH, 2010)
T |
|
|
E U t 2 |
dt, |
(1) |
|
|
|
0 |
|
|
где U(t) – напряжение сигнала на выходе преобразователя акустической эмиссии; T – константа, определяемая системой и равная 6,5 мс. Более подробно способы вычисления энергии сигнала АЭ рассматриваются в работе [11].
Параметрический анализ сигналов АЭ прост в использовании, но при этом менее точен, поскольку в процессе деформирования происходит наложение сигналов от разных источников, проявляющих себя одновременно, поэтому классификация сигналов по пиковой амплитуде является предварительной.
10