Кафедра термофизики материалов

Курсовая работа.

Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов.

Содержание.

Введение

1. Акустическая эмиссия и ее основные параметры

2. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии

3. Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех

4. Методика электролитического наводороживания металлических образцов

5. Назначение прибора АФ-15

6. Источники акустической эмиссии в металлах

7. Практическая часть

Выводы

Литература

Введение.

В последнее время наблюдается тенденция неуклонного роста требований как к конструкционным материалам, так и к методам оценки их надежности и качества. Особое внимание уделяется разработке новых, физически обоснованных критериев конструктивной прочности материалов, основанных на всестороннем изучении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения. Такой подход предполагает расширение наших представлений о природе прочности и механизмах разрушения материалов на различных масштабных уровнях. Это возможно только при использовании в процессе изучения данных явлений комплекса современных физических методов исследования [54].

Как показывает действительность, решение поставленной задачи комплексного подхода к проблеме несущей способности материалов и конструкций возможно на стыке материаловедения, физики и механики разрушения, т.е. в рамках новых направлений - микромеханики разрушения и физической мезомеханики. Не исключены методы классического материаловедения. Широкие перспективы предвидятся на новых подходах, сочетающих принципы синергетики и теории фракталов.

Метод акустической эмиссии (АЭ), основанный на регистрации и обработке волн напряжений, возникающих в результате формирования, изменения и разрушения структур различных материалов, является в настоящее время наиболее эффективным для изучения процессов и стадий развития дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга ответственных объектов промышленности.

Первые работы по изучению явления АЭ появились в конце 40-х годов 20 века в США и в начале 50-х годов в ФРГ. Развитие электроники и создание специальных аналоговых приборов АЭ позволили с конца 60-х годов использовать метод АЭ для обнаружения роста трещин в процессе различных механических испытаний. Новое возрождение метода АЭ относится к 90-м годам и связано с активным появлением и использованием персональных ЭВМ. Цифровая техника с большим объемом памяти и скоростью обработки информации позволила накапливать и хранить АЭ информацию, а также при необходимости обрабатывать и анализировать эту информацию по различным параметрам.

Анализ современного состояния работ показывает, что вся проблема, связанная с методом АЭ, может быть представлена следующими научными направлениями [85]:

1. Теория и методы диагностики и прогноза несущей способности конструкций, включающие вопросы теоретических и экспериментальных исследований разрушения.

2. Информационно-измерительные системы, предназначенные для анализа АЭ информации, необходимой для принятия решений о состоянии конструкций.

3. Математическое обеспечение измерительной аппаратуры, включающее рабочие программе организации обработки входящей информации и подпрограммы, связанные со сжатием информации, повышением достоверности результатов измерения на основе теории распознавания образов, математической статистики и теории вероятностей.

4. Теория прогнозирования и принятия решений.

В предлагаемой работе предпринята попытка обобщить существующую информацию по использованию метода АЭ в экспериментальной практике современного материаловедения. Особое место в книге отводится использованию метода АЭ для исследования процессов накопления повреждений в нагруженных материалах, для неразрушающего контроля и диагностики несущей способности материалов и изделий.

1 Акустическая эмиссия и ее основные параметры.

Согласно ГОСТ 27655-88 акустическую эмиссию определяют как излучение материалом механических упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его внутренней структуры. Кроме того, в последнее время к АЭ относят высокочастотное акустическое излучение, возникающее при истечении жидкостей и газов из отверстий в сосудах и трубопроводах. Также акустические сигналы, сопровождающие трибологическое взаимодействие твердых тел. В настоящее время общепризнанным является мнение, что АЭ - явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации при протекании большинства процессов определяется лишь чувствительностью используемой аппаратуры. АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры тел, так и в макроявлениях, связанных с разрушением агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ предоставляет широкие возможности для исследования твердых тел, их взаимодействия между собой и с жидкими и газообразными средами, а также диагностики материалов энергонапряженных конструкций.

Явление АЭ известно с середины прошлого столетия как "крик олова", возникающий при деформировании олова и слышимый невооруженным ухом. Однако в течение многих десятилетий оно не находило практического применения. С 50-х годов нашего столетия началось систематическое изучение акустической эмиссии в конструкционных материалах. Явление АЭ и причины его порождающие оказалось более сложным, чем предполагали пионеры АЭ-исследований. Середину 70-х годов следует рассматривать как период, когда была осознана сложность проблем, возникающих при интерпретации АЭ-сигналов, разработана высокочувствительная аппаратура, накоплен определенный экспериментальный материал, достаточный для решения как исследовательских, так и технических задач. К концу 70-х голов следует отнести начало применения АЭ для диагностики узлов трения.

Существующие методики контроля основаны на анализе параметров АЭ-сигналов. Методы обработки сигналов и определения их информативных параметров существенным образом зависят от вида регистрируемой АЭ. Принято различать дискретную и непрерывную АЭ. Чтобы понять, чем обусловлен выбор информативных параметров при регистрации того или иного вида АЭ, рассмотрим основные условия формирования акустических сигналов в твердых телах.

В силу дискретной природы вещества дискретны и происходящие в них физические процессы. Кажущаяся непрерывность процесса отражает факт усреднения результата наблюдения большого числа отдельных элементарных событий. Элементарное событие в твердом теле приводит к деформированию последнего, но столь незначительному, что оно, как правило, не может быть зарегистрировано известными средствами. Однако большое количество элементарных событий, образующих последовательность (поток) событий, может привести к макроскопическим явлениям, вызывающим заметное изменение энергетического состояния тела. При высвобождении энергии часть ее излучается в виде упругих волн. Появление таких волн и есть акустическая эмиссия.

Проявляться АЭ может двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, высвобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ-сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, получивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, высвобождаемой при единичном акте, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от предыдущего. Как следствие, характеристики непрерывной АЭ меняются во времени сравнительно медленно, что позволяет рассматривать этот тип эмиссии как квазистационарный процесс.

Если состояние тела далеко от равновесного, возможны процессы лавинного типа, при которых за малый промежуток времени в процесс вовлекается большое число элементарных событий. Энергия упругой волны при этом может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной эмиссии. Подобная эмиссия, характеризующаяся большой амплитудой регистрируемых акустических импульсов, получила название дискретной.

Следует отметить, что разделение АЭ на непрерывную и дискретную достаточно условно, поскольку возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит лишь от характеристик используемой аппаратуры. Например, увеличивая уровень дискриминации сигналов, можно регистрировать только высокоамплитудные выбросы акустического сигнала, то есть формально перейти от регистрации непрерывной к регистрации дискретной АЭ, хотя очевидно, что сущность явления АЭ при этом не изменится.

В реальной ситуации, как правило, приходится иметь дело с эмиссией обоих типов. Например, докритическое подрастание трещин в металлах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные периоды стабильного состояния трещины, при некотором возможном возрастании пластической деформации в ее вершине, чередуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновесное состояние. Такой переход связан с изменением напряженного состояния (разгрузкой) материала в окрестности трещины и сопровождается излучением упругой волны, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками, при накоплении пластической деформации, наблюдается характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.

Ползучесть материала на первой, нестационарной, и второй, стационарной, стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной, наблюдается также и дискретная АЭ, обусловленная образованием и развитием микротрещин. Такое же положением имеет место при коррозии под напряжением, конечная стадия которой - коррозионное растрескивание - сопровождается интенсивными акустическими вспышками дискретной АЭ.

Во всех указанных случаях в течение достаточно длительного времени - докритической стадии развития трещины, средняя скорость ее роста, как правило, не превышает долей миллиметра в час. Трещина еще не представляет серьезной опасности для конструкции, но возникающая при этом АЭ указывает на развитие дефекта и, следовательно, является предвестником наступления катастрофического разрушения. Для прогнозирования разрушения обычно используют дискретную составляющую АЭ из-за простоты регистрации сигналов большой амплитуды.

Дискретную АЭ используют также при контроле технологических процессов, в ходе которых возможно образование трещин (сварка; закалка; диффузионное насыщение, например наводороживание и др.), а также для исследования и контроля коррозионного растрескивания, прочности, термопрочности, усталостного разрушения, а также процессов трения и износа. Непрерывную АЭ связывают с пластической деформацией, коррозией материалов и другими физическими процессами.

Еще раз заметим, что при всех перечисленных процессах, как правило, можно наблюдать как дискретную, так и непрерывную составляющие АЭ.

Следует различать информативные параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры непрерывной АЭ. Импульсы или сигналы АЭ характеризуются амплитудой, длительностью, формой и временем появления. Поток сигналов дополнительно можно характеризовать средней частотой событий, спектральной плотностью, амплитудным, временным и амплитудно-временным распределениями, корреляционной функцией, средним значением и дисперсией. Каждая из характеристик связана с порождающим АЭ физическим процессом, содержит информацию о его развитии или же о состоянии объекта исследования.

Для дискретной АЭ вводятся следующие информативные параметры:

1. Общее число импульсов - число зарегистрированных
импульсов дискретной АЭ за интервал времени наблюдения.

Само определение этого параметра говорит о его пригодности для описания только потоков неперекрывающихся импульсов. Оно характеризует процессы, связанные с разрушением, и указывает на число отдельных актов зарождения и распространения дефектов в материале или конструкции.

2. Активность АЭ - общее число импульсов, отнесенное к
единице времени.

Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что дает возможность наблюдать динамику процесса разрушения.

3. Суммарная АЭ - число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени.

В случае дискретной АЭ эта величина характеризует число событий с энергией, превышающей установленное пороговое значение. При регистрации дискретной АЭ теряется часть информации, связанная с импульсами, амплитуда которых меньше установленного порога - уровня дискриминации. Кроме того, возможность произвольного выбора этого уровня делает параметр неоднозначным. Если производить счет недетектированных импульсов, представляющих затухающие осциллирующие сигналы, поступающие с пьезоприемника, что практикуется довольно часто, то появляется дополнительная неоднозначность результатов, обусловленная многократной регистрацией одного и того же первичного импульса. При этом кратность воспроизведения его в счетном устройстве зависит от уровня дискриминации, коэффициента затухания колебаний в объекте и преобразователе, а также характеристик приемно-усилительного тракта.

4. Скорость счета - число зарегистрированных превышений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу времени.

Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени и обладает теми же недостатками. Некоторые авторы называют этот параметр интенсивностью АЭ.

5. Плотность вероятности амплитуды импульсов w(A) характеризует АЭ уже как случайный процесс. Эта функция определяет вероятность того, что амплитуда АЭ-импульса А₀ находится в интервале от А до А + dA :

Р {А < A₀ < А + dA} = w{A)dA.

На практике чаще используют характеристику n(А), называемую амплитудным распределением импульсов. Эта функция указывает количество импульсов, амплитуда которых заключена в малом интервале от А до A+dA . Если общее число зарегистрированных импульсов равно N , то амплитудное распределение связано с плотностью вероятности w(A) соотношением

n(А) = N*w(A),

причем

Функции w(A) и n(А) можно оценить по экспериментальным данным, построив гистограмму распределения импульсов АЭ по амплитуде. Как известно, эта гистограмма отражает зависимость количества импульсов n_i (или доли таких импульсов n_i/N), амплитуда которых заключена в малом интервале от А_i до A_i + ,от величины амплитуды А_i. Нетрудно установить взаимосвязь между этими функциями:

Nw(A_i)= n(A_i) = n_i.

Определив по экспериментальным данным с использованием этих соотношений набор значений функций w(A_i) и n(A_i), в дальнейшем, например при помощи системы распределений Пирсона, можно подобрать аналитические выражения для описания функций w(A) или n(А).

6. Распределение временных интервалов между отдельными АЭ-импульсами содержит важную информацию о физике явления и характере его развития. При взаимной независимости и одинаковой вероятности элементарных событий их последовательность (поток событий) описывается законом Пуассона. Если поток стационарен, то распределение интервалов времени между импульсами АЭ подчиняется экспоненциальному закону

причем среднее значение временного интервала между импульсами составляет величину . Справедливо и обратное утверждение - при экспоненциальном распределении интервалов между отдельными событиями, последние распределены по закону Пуассона. Такое заключение свидетельствует об отсутствии взаимосвязи отдельных событий, что само по себе служит важной информацией о характере процесса. Например, о делокализованном разрушении материала конструкции.

7. Амплитудно-временное распределение импульсов АЭ n(A;t) – функция, указывающая количество импульсов АЭ dN, зарегистрированных в промежутке времени от t до t+dt амплитуда которых заключена в интервале от А до А + dA:

dN = n(A,t)dAdt.

Если эту функцию проинтегрировать по времени от 0 до Т - времени регистрации АЭ, найдем амплитудное распределение импульсов АЭ, а проинтегрировав еще раз по амплитуде, получим общее число импульсов за время регистрации:

Другими словами, амплитудно-временное распределение отражает изменение амплитудного распределения импульсов АЭ во времени.

8. Спектральная плотность S(w) дискретной АЭ совпадает с соответствующей характеристикой случайного процесса и равна мощности процесса в единичной полосе частот.

Информативность спектральной плотности обусловлена ее связью со скоростью протекания процесса, инициирующего сигналы АЭ. Кроме спектральной плотности для анализа акустической эмиссии в ряде случаев бывает удобнее использовать корреляционную функцию. Информативное содержание этой характеристики то же, что и у спектральной плотности, поскольку между собой они связаны прямым и обратным преобразованием Фурье [46].

Для непрерывной АЭ меняется содержание некоторых из указанных характеристик. Кроме того, могут быть введены дополнительные параметры для описания процесса. Так как теряется смысл понятия амплитуды отдельного импульса, суммарная АЭ и скорость АЭ определяются числом выбросов случайного процесса над уровнем дискриминации, т.е. числом превышений регистрируемой величиной (электрическим напряжением, током) установленного уровня дискриминации за все время регистрации или за единицу времени соответственно. Вместо амплитудного распределения следует использовать плотность вероятности АЭ, определяющую долю времени наблюдения, в течение которого регистрируемая величина находится в интервале вблизи заданного значения амплитуды. Кроме того, вводятся одномерные и многомерные функции распределения указанных выше параметров.

2. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии.

Акустико-эмиссионный метод основан на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии (АЭ). Этот метод оперирует с потоками электрических сигналов АЭ, параметры которых (амплитуда, длительность, энергия, и т.д.) являются соответствующими параметрами метода АЭ.

Акустическая эмиссия может возникать в результате различных физико-механических процессов, основными из которых являются:

-структурные и фазовые превращения в материале;

-гидродинамические и аэродинамические явления при протекании жидкости или газа через отверстие;

-трение поверхностей твердых тел;

-процессы механической обработки твердых тел.

В данной работе рассматриваются физико-механические явления, связанные только со структурными и фазовыми превращениями в различных материалах.

Наиболее важные особенности метода АЭ, определяющие перспективность его использования при исследовании и контроле материалов и конструкций:

1. Возможность обнаружения и регистрации только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности.

2. Чувствительность метода АЭ значительно превышает чувствительность традиционных методов неразрушающего контроля, метод позволяет выявлять приращения трещины на 0,025 мм.

3. Метод является интегральным и обеспечивает контроль объекта с использованием одного и нескольких преобразователей в случае определения места нахождения дефекта.

4. Метод позволяет проводить непрерывный контроль (мониторинг) работающих объектов с целью их остановки в случае появления и развития опасных дефектов.

5. Положение и ориентация дефектов не влияют на их выявляемость.

Метод имеет значительно меньше ограничений, связанных со структурой и физико-механическими свойствами материалов, чем другие методы неразрушающего контроля.

Уровень дискриминации (ограничения) – уровень электрического напряжения, относительно которого производится обнаружение (регистрация) электрических сигналов АЭ. Наличие ограничения всегда существует в измерительной аппаратуре и обусловлено обычно собственными шумами измерительной аппаратуры. Величина уровня дискриминации определяется шумовыми характеристиками входного усилительного каскада.

Суммарный счет АЭ N[имп.] – число зарегистрированных превышении импульсами АЭ установленного уровня дискриминации (ограничения) за интервал времени наблюдения. Диапазон изменения 0…10⁷ имп.

Скорость счета АЭ [имп./с] – отношение суммарного счета АЭ к интервалу времени наблюдения. Диапазон изменения 0…10¹⁵[имп./с].

Современная техника регистрации и обработки АЭ информации пользуется дополнительными определениями и параметрами, не представленными в списке стандартов по ГОСТ 27655-88. Однако эти понятия и параметры широко используются в специальной научной литературе отечественных и зарубежных авторов.

К таковым относятся:

Огибающая электрического сигнала АЭ - продетектированный электрический сигнал АЭ. Диапазон изменения 10^-7 … 10^-2 В.

Амплитудное распределение - распределение количества электрических сигналов АЭ по их максимальном амплитудам.

Длительность электрического сигнала АЭ [с] - время нахождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения. Диапазон изменения 10^-4...10^-8 с.

Время нарастания [с] - промежуток времени между появлением огибающей импульса АЭ над порогом ограничения и достижением огибающей ее максимальной амплитуды.

Энергия электрического сигнала АЭ либо «MARSE» (Measured ared of the rectified signal envelope) E_c [Дж] - измеренная площадь под огибающей электрического сигнала АЭ. Диапазон изменения 10^-19...10^-5 Дж.

Образ источника АЭ (acoustic emission signature) - группа параметров сигнала акустической эмиссии, полученных в результате определенного вида испытаний материала (конструкции) с помощью конкретной аппаратуры АЭ и при заданных условиях испытаний.

Как было отмечено выше, в настоящее время большинство разработчиков систем регистрации и обработки АЭ информации, а также исследователей склонны работать с огибающими электрических сигналов АЭ, т.е. с НЧ составляющей АЭ информации. Подобная тенденция вызвана несколькими причинами:

1. Ввиду фильтрации ВЧ составляющей акустического сигнала АЭ в процессе его прохождения через исследуемый материал и пограничный слой между поверхностью образца и АЭ преобразователем, а также прохождения электрического сигнала по аналоговому тракту усиления, исходная информация ВЧ составляющей искажается коренным образом.

2. Понятие события в исследуемом материале соотносится с огибающей электрического сигнала АЭ и работа с НЧ составляющей имеет вполне конкретный физический смысл.

3. Большинство параметров АЭ, таких как длительность события, время нарастания, амплитудное распределение, энергия и т.д., относится к НЧ составляющей АЭ информации.

4. Одновременное использование двух понятий ВЧ и НЧ составляющих в работах по акустической эмиссии приводит к подмене понятий и путанице в интерпретации получаемой информации.

Этот метод нашел широкое применение в материаловедении при исследовании процессов разрушения.

АЭ при наводороживании определялась с помощью прибора АФ-15. В качестве параметра АЭ выбран суммарный счет импульсов за 30 секунд, который фиксировался акустическим датчиком в частотных пределах от 200 кГц до 1000 кГц.

Были исследованы зависимости суммарного счета импульсов от времени наводороживания при различных уровнях дискриминации и плотностях катодного тока.

3. Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех.

Исследования явления АЭ, проводимые в различных условиях на различных материалах, показывают, что сигналы АЭ имеют широкий спектр амплитудно-временных параметров. Сигнал АЭ может быть зарегистрирован на любой частоте, но амплитуда регистрируемого сигнала убывает обратно пропорционально частоте. По этой причине представляется очевидным стремление к репарации АЭ-сигналов на низких частотах, тем более что затухание упругих волн существенно возрастает с увеличением частоты. ) однако с уменьшением частоты возрастают акустические помехи реобразователя АЭ-сигналов и электронной аппаратуры [9]. Этот факт налагает жесткие требования, предъявляемые не только к регистрирующей аппаратуре, но и методам обработки и анализа информации. Кроме собственных шумов аппаратуры тракты приема и обработки информации могут быть подвержены внешним шумам, для уменьшения воздействия которых широкое распространение получили активные и пассивные способы подавления помех[10].

Активные способы подавления помех заключаются в подавлении самого источника шума или уменьшении его влияния на исследуемый объект. Данный способ в основном используют для подавления шумов механического характера, создаваемых самим испытательным оборудованием: механическими и гидравлическими нагружающими машинами. С этой целью производят модернизацию испытательных машин с использованием специальных элементов, предназначенных для уменьшения трения в сопрягаемых звеньях нагружающих устройств или звукоизолируют образец от испытательной машины за счет специальных прокладок, изоляторов, шумопоглотителей.

При проведении особоточных физических экспериментов стремятся к применению бесшумных видов нагружения, таких как нагрев или охлаждение или к использованию предварительно нагруженных объектов. Активные способы эффективны при проведении испытаний материалов в лабораторных условиях. При проведении исследований, контроля и прогноза на реальных работающих объектах активные способы практически невозможно реализовать.

Пассивные методы борьбы с шумами и помехами используются практически во всех устройствах и системах регистрации и обработки сигналов АЭ.

1. Амплитудная дискриминация, как было указано выше, входит одним из блоков в аналоговый тракт АЭ систем и служит для отсечки шумов по амплитудному признаку путем сравнения пришедших сигналов с некоторым наперед заданным значением.

Кроме фиксированного порога ограничения иногда используют плавающий порог, т.е. производится непрерывное слежение за изменением уровня помех в каналах тракта усиления сигналов АЭ.

2. Частотная фильтрация также реализуется одним из блоков в аналоговом тракте и заключается в ограничении полосы пропускания усилительного тракта. Ограничение в области нижних частот лежит в пределах 20...200 кГц, а в области верхних частот - 1,5...2 МГц. Ограничение в области нижних частот обусловлено необходимостью отсечки шумов механического и испытательного оборудования, а ограничение частотного диапазона сверху - необходимостью отсечки электромагнитных наводок. Иногда частотная фильтрация используется для выбора узкой полосы пропускания, определяемой из условий испытания конкретного материала, скорости распространения в нем продольных и поперечных волн, а также для регистрации трещин с определенными размерами.

3. Временная селекция заключается в запирании каналов регистрации сигналов АЭ на время действия помех. Индикатором помех, обычно электромагнитных, служит специальный канал, регистрирующий только помехи.

4. Параметрическая селекция или параметрическое стробирование заключается в пропускании сигналов АЭ на обработку электронной системой только при определенных условиях нагружения, например, при достижении нагрузкой определенного наперед заданного уровня. Этот тип селекции используют обычно при проведении усталостных испытаний.

5. Пространственная селекция служит для выявления принадлежности принятого сигнала к сигналу АЭ или помехе путем определения пространственного местоположения источника сигнала. Такие системы требуют применения многоканальных систем. Минимальное число каналов равно двум при работе с линейными объектами.

6. Двухпараметрическая селекция обычно используется в аналого-цифровых системах АЭ и заключается в отбраковке сигналов с определенными значениями их параметров. Так, например, сигналы с большой амплитудой и малой длительностью соответствуют электромагнитным помехам, а сигналы с относительно небольшой амплитудой, но большой длительности характерны для механических шумов. Такие различия позволяют выделить реальные сигналы АЭ, у которых эти параметры занимают промежуточный диапазон, на фоне механических и электромагнитных помех.

7. В аналого-цифровых системах АЭ возможно использование прямого вычитания сигналов помех из всей совокупности зарегистрированных сигналов АЭ. Для этого производится предварительная запись сигналов помех в конкретных условиях работы нагружающего оборудования и действия других видов помех.

4. Методика электролитического наводороживания металлических образцов.

Для объяснения явлений, связанных с наводороживанием металла катода в растворах электролитов под действием стимуляторов и ингибиторов наводороживания, более продуктивным пока является рассмотрение процесса выделения водорода на основе обычных классических представлений о нескольких возможных стадиях общего процесса выделения водорода, определяющих кинетику процесса. Таких стадийных процессов рассматривают обычно три:

1. Разряд гидратированных ионов водорода электронами, вылетающими из металла – реакция Фольмера Н⁺∙ aq + e(Me)→H-Me. Образующиеся атомы водорода адсорбируются на поверхности металла катода.

2. Молизация адатомов водорода в молекулы – реакция Тафеля Н_ад + Н_ад→Н₂. Возникающие таким путем молекулы водорода удаляются с катода путем диффузии в раствор (при малых плотностях тока) и в виде газовых пузырьков.

3. В некоторых случаях возможно удаление адатомов водорода с поверхности катода путем электрохимической десорбции:

Н_ад + Н⁺∙ aq + e(Me)→Н₂.

Количество серной кислоты в растворе не меняется. Однако при использовании стимуляторов и ингибиторов, реакции, происходящие при электролизе, существенно меняются.

В настоящей работе наводороживание проводилось в электролитической ячейке в однонормальном растворе серной кислоты с добавлением тиомочевины (стимулятор наводороживания). В качестве анода использовалась свинцовая пластина, катодом служил исследуемый образец.

Приборы:

1. Прибор акустико-эмиссионный АФ-15.

2. Источник тока Б5-46.

3. Вольтметр В7-21.

4. Акустический датчик.

5. Назначение прибора АФ-15.

Прибор предназначен для проведения исследований и контроля механических свойств различных объектов (образцы конструкционных материалов, сосуды давления, детали и узлы машин и механизмов, например, атомной энергетики, судостроение, авиаций) по информативным параметрам сигналов АЭ.

Прибор обеспечивает прием сигналов АЭ по двум каналам и одновременную регистрацию не менее четырех информативных параметров: амплитуда, скорость счета, сумма осцилляций, активность, сумма событий, разность времен прихода, форму и длительность импульсов АЭ на графопостроителях, анализаторов импульсов, цифропечатающих устройствах и Микро-ЭВМ.

6. Источники акустической эмиссии в металлах.

На современном этапе развития АЭ исследований можно выделить следующие основные источники АЭ, действующие на разных структурных уровнях в металлах:

1. Механизмы, ответственные за пластическое деформирование:

процессы, связанные с движением дислокаций (консервативное скольжение и аннигиляция дислокаций, размножение дислокаций по механизму Франка-Рида; отрыв дислокационных петель от точек закрепления и др.);

зернограничное скольжение;

двойникование.

2. Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и фазовыми переходами первого и второго рода:

превращения полиморфного типа, в том числе мартенситные;

образование частиц второй фазы при распаде пересыщенных твердых растворов;

фазовые переходы в магнетиках и сверхпроводниках;

магнитомеханические эффекты из-за смещения границ и

Таб.1.1. Параметры сигналов АЭ для некоторых источников

Вид источника АЭ

Амплитуда или энергия импульса АЭ, Па или Дж

Длительность сигнала, мкс

Ширина спектра сигнала, МГц

Дислокационный источник Франка-Рида

(10^-8- 10^-7)G

5- 5*10⁴

1

Аннигиляция дислокации длиной 10^-8- 10^-6м

4*(10^-18- 10^-16)

5*10^-5

10²

Образование микротрещины

10^-12- 10^-10

10^-3- 10^-2

50

Исчезновение двойника размером 10^-9м³

10^-3- 10^-2

10⁴

-

Пластическая деформация объема материала с характерным размером 10^-4м

10^-4

10³

0,5

Энергия тепловых шумов в единичн. полосе частот

4,2*10^-21Дж/Гц

-

до 10

Примечание: G- модуль сдвига

переориентации магнитных доменов при изменении величины внешнего намагничивающего поля.

3. Механизмы, связанные с разрушением:

образование и накопление микроповреждений;

образование и развитие трещин;

коррозионное разрушение, включая коррозионное растрескивание.

В таблице 1.1, приведены сведения, дающие представление о характеристиках некоторых из этих источников АЭ. Дополнительно, приведены данные об уровне акустических шумов, обусловленных тепловым движением атомов.

В поликристаллических материалах появление непрерывной АЭ обычно связывают с пластической деформацией отдельных зерен поликристалла. В поликристаллической структуре из-за неравномерного распределения напряжений пластическая деформация отдельных кристаллов возникает при малой общей деформации, когда металл с феноменологической точки зрения находится в области упругости. Поэтому по сигналам АЭ можно судить о появлении неоднородностей и микродефектов на начальной стадии деформирования и разрушения материалов.

Практическое использование явления АЭ основано на регистрации упругой энергии, выделяемой в самом материале контролируемого объекта. Зарождение, перемещение и рост дефектов сопровождаются изменением микроструктуры и напряженно-деформированного состояния материала. При этом происходит перераспределение упругой энергии, что приводит к излучению АЭ-сигналов. Дискретная АЭ возникает при развитии дефектов. Поэтому с ее помощью можно выявить развивающиеся и поэтому потенциально опасные, с точки зрения катастрофического разрушения конструкций, дефекты. Этим метод АЭ выгодно отличается от традиционных методов ультразвукового контроля. В связи с этим большая часть экспериментальных и теоретических работ в области АЭ посвящена изучению взаимосвязи характеристик АЭ-сигналов с параметрами напряженного состояния и разрушения материалов. Многими авторами предприняты попытки определения функциональных или корреляционных связей между параметрами трещин и регистрируемыми при этом сигналами АЭ.

Не останавливаясь подробно на предпосылках, позволяющих получить такие зависимости (в ряде случаев их определяют по результатам обработки экспериментальных данных), в табл. 1.2 приведем некоторые из них.

Из представленных зависимостей, по мнению большинства исследователей, наиболее надежно установленной и устойчивой является степенная связь между общим счетом импульсов АЭ и коэффициентом интенсивности напряжений в вершине растущей трещины. Величину показателя степени m многие авторы связывают с размерами зоны пластической деформации в вершине развивающейся трещины. Однако, если придерживаться этой точки зрения, то значение параметра m должно равняться четырем. Эксперименты дают более широкий диапазон изменения этого параметра. Установлено, что показатель степени m является функцией безразмерного комплекса К²_Ic\Е_n, включающего вязкость разрушения К_Ic, модуль Юнга Е и поверхностную энергию n) материала. В зависимости от величины комплекса параметр m для различных материалов может меняться в интервале от 4 до 10,5 , что хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемыми значениями этого показателя.

Следует отметить также работу [19], в которой приведены результаты тщательных экспериментальных исследований и показано, что сумма пиковых значений амплитуд импульсов АЭ связана линейной зависимостью с площадью трещины, при хрупком разрушении стали 38ХНЗМФА.

7. Практическая часть.

Рис. 1. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB.

Рис. 2. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 10 dB, 2- дискриминация 12 dB.

Рис. 3. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см² ; 1- дискриминация 16 dB, 2- дискриминация 20 dB.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0

100

200

300

400

500

600

Т, мин

, имп /30 с

1

2

3

4

Рис. 4. Зависимость скорости счета от времени наводороживания стали 20; 1,2 – закаленные образцы, 3,4 – отожженные образцы;при уровне дискриминации 8dB.

0

100

20

300

400

500

600

0

200

400

600

800

1000

1200

Т, мин

, имп /30 с

Рис. 5. Зависимость скорости счета от времени наводороживания; структура образца соответствует отпуску 200⁰С, плотность катодного тока 2 мА/см², дискриминация 10 dB.

0

500

1000

1500

200

250

3000

3500

4000

4500

0

100

200

300

400

500

600

Т, мин

1

2

3

4

Рис. 6. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании закаленного образца, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB, 3- дискриминация 10 dB, 4- дискриминация 12 dB.

Рис. 7. Скорость счета акустической эмиссии отожженного образца при разных концентрациях H₂SO₄; 1- 0,5н H₂SO₄, 2- 0,1н H₂SO₄, 3- 0,01н H₂SO₄; плотность катодного тока 10 мА/см², дискриминация 8 dB.

Рис. 8. Зависимость скорости счета от времени наводороживания отожженного образца 1 и увеличенные в 10 раз значения на стеклянном датчике 2; плотность катодного тока 10 мА/см², дискриминация 8 dB.

Заключение:

1. В ходе исследований было обнаружено, что зависимость скорости счета от времени наводороживания для всех исследуемых металлов имела три основные области: стадия роста, стадия насыщения (область максимального значения АЭ) и стадия снижения величины АЭ. В сталях область максимального значения АЭ наступала позже, чем в титане, а спад скорости счета происходил гораздо медленнее. Насыщение в титане происходило за 2 часа, а в сталях за 1,5-3 часа, причем с увеличением содержания углерода в стали стадия насыщения наступала быстрее. В титане падение скорости счета было более быстрым, чем в сталях.

2. Исследованы кинетические зависимости скорости счета акустической эмиссии в электролитах при разных концентрациях серной кислоты. Установлено, что АЭ возрастает при повышении концентрации H₂SO₄.

3. Чем выше плотность катодного тока, тем больше значения АЭ.

4. В данной работе проводилось наводороживание закаленных и отожженных образцов. По зависимостям можно сделать вывод, что закаленные образцы быстрее наводороживаются, чем отожженные, а также значения АЭ у закаленных образцов больше, чем у отожженных образцов.

5. Рассмотрены основные факторы, влияющие на значения АЭ : выделение пузырьков (газообразный водород) на поверхности катода и их «схлопывание»; накопление водорода в порах кристаллической решетки; сегрегация водорода у дислокаций, скоплений вакансий; образование трещин по границам зерен из-за большой концентрации водорода; коррозионное разрушение образца; образование и раскрытие коллекторов заполненных водородом; перемещение дислокаций под действием неоднородных внутренних напряжений, вызванных водородом.

6. “Схлопывание” пузырьков не значительно влияет на значения АЭ.

Выводы:

1. Механизм возникновения и изменения АЭ в ходе электролитического наводороживания тесно связан с накоплением и перераспределением водорода в образце.

2. АЭ зависит от плотности катодного тока, концентрации серной кислоты, площади поверхности образца опущенного в электролит.

3. Коррозия образца, выделяющиеся пузырьки на поверхности образца и их схлопывание вносят несущественный вклад в общую величину АЭ.

4. Наибольшая интенсивность акустических сигналов наблюдалась в диапазоне частот 200-500 кГц.

5. Изменение АЭ в процессе наводороживания можно будет связать со степенью диффузии и окклюзии водорода в материале.

Литература:

1) Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедений/

Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин и др./ «Машиностроение-1» 2002 г.

2) Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. / Изд-во Ленинградского университета, 1975 г.

3) Баранов В. М., Кудрявцев Е. М., Сарычев Г. А., Щавелин В. М. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998 – 256 с.

4) Иванов В. И., Белов В. М. Акустико-эмиссионный контроль сварных соединении. М.: Машиностроение, 1981. – 184с.

5) Алексеев И. Г., Кудря А. В., Штремель М. А. Параметры акустической эмиссии, несущие информацию об одиночной хрупкой трещине.

6) Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике/В. И. Артюхов, К. Б. Вакар, В. И. Макаров и др./ Под ред. К. В. Вакара. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.

7) Филоненко С. Ф. Акустическая эмиссия. Киев. 1999. 304 с.

8) Хруцкий О. В., Юрас С. Ф. Акустико-эмиссионный метод диагностирования судовых энергетических установок. Учебное пособие. Ленинград. 1985. 47 с.

9) [85] Патон Б. Е. Об основных направлениях работ в области акустической эмиссии. Акустическая эмиссия материалов и конструкции// 1-ая Всесоюзная конференция. Ч. 1. Ростов-на-Дону. Издательство Ростовского университета. 1989. 192 с.

31