Діагностування руйнування крихких включень методом акустичної емісії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. Г.В. КАРПЕНКА

УДК 539.3:620.179.17

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДІАГНОСТУВАННЯ РУЙНУВАННЯ КРИХКИХ ВКЛЮЧЕНЬ МЕТОДОМ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ

05.02.10 - діагностика матеріалів та конструкцій

ОКРЕПКИЙ ЮРІЙ СТЕПАНОВИЧ

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України.

Науковий керівник:

СКАЛЬСЬКИЙ Валентин Романович, доктор технічних наук, професор, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), завідувач відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій.

Офіційні опоненти:

СТРИЖАЛО Володимир Олександрович, член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (Київ), завідувач відділу міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах;

РОМАНИШИН Ігор Михайлович, старший науковий співробітник, кандидат технічних наук Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), старший науковий співробітник відділу фізичних методів розпізнавання слабоконтрастних об'єктів у неоднорідних середовищах.

Захист відбудеться "29" жовтня 2010 року о 15:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий "27" вересня 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Русин Б.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному машинобудуванні, транспорті, будівництві та інших галузях техніки широко використовують різноманітні металеві сплави. Окремі із них містять у своїй структурі значну кількість включень різного походження та форми, які сприяють зародженню та розвитку мікротріщин за навантажень набагато нижчих від експлуатаційних. Їх розвиток призводить до утворення макротріщин, а відтак і до макроруйнування виготовлених з цих матеріалів деталей, виробів чи елементів конструкцій часто набагато швидше, ніж визначено ресурсом їх експлуатування.

Таким чином, за початок руйнування матеріалу, втрату його міцності можна вважати розтріскування у ньому крихких включень. Тоді постає науково-технічна задача визначення початку цього процесу та параметрів навантажень, за якого воно починається.

Перспективними сучасними методиками технічного діагностування виробів і елементів конструкцій є такі, що побудовані на використанні явища акустичної емісії (АЕ). Особливо актуальними вони є у випадку діагностування руйнування крихких включень, оскільки останні містяться у значній кількості конструкційних матеріалів.

Під час АЕ-діагностування об'єктів, виготовлених із матеріалів, що мають у складі своєї структури крихкі включення, важливо вміти виділити сигнали, які відповідають їхньому руйнуванню. Адже такі сигнали, як правило, мають порівняно низькі амплітуди і з'являються на фоні шумів на ранніх стадіях навантаження, зумовлюючи початок субкритичного розвитку макротріщин.

Маючи встановлені кореляції між сигналами, що відповідають руйнуванню крихких включень та напруженнями у твердому тілі, за яких вони генеруються, можна ефективно оцінити технічний стан об'єкта контролю, а значить і визначити його залишковий ресурс.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що покладені в основу дисертаційної роботи, виконувались у рамках Держбюджетних наукових тем за відомчим замовленням НАН України: "Розробка методик і засобів виявлення, зародження та розвитку тріщин у великогабаритних об'єктах під впливом навантаження та робочого середовища" ("Ресурс"), № держреєстрації (ДР) 0104U004570, 2004-2006 рр., дисертант - виконавець; "Створення методів і засобів АЕ-оцінки розвитку об'ємної пошкодженості конструкційних матеріалів під дією навантаження та наводнення", № ДР 0105U004305, 2005-2007 рр., дисертант - виконавець; "Створення методологічних засад акустико-емісійного діагностування стану елементів мостових конструкцій" ("Ресурс"), № ДР 0107U005210, 2007-2009 рр., дисертант - виконавець; "Розроблення магнетоакустичного методу виявлення локальної пошкодженості матеріалів і елементів конструкцій", № ДР 0108U004277, 2008-2010 рр., дисертант - виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розв'язання науково-технічної задачі: на підставі теоретико-експериментальних досліджень розробити методику кількісної оцінки руйнування крихких включень за параметрами пружних хвиль акустичної емісії. Для досягнення поставленої у роботі мети необхідно розв'язати такі задачі:

· оцінити аналітично напруження руйнування включення під дією прикладених зовнішніх сил;

· за допомогою математичного моделювання встановити залежності між розмірами включень які руйнуються, та параметрами пружних хвиль, що при цьому виникають;

· визначити достовірність отриманих аналітичних залежностей, зіставивши аналітичні та числові розрахунки, в результаті чого отримати інструментарій кількісної оцінки розподілу напружень біля крихких включень правильної геометричної форми у пружній матриці;

· провести експериментальну перевірку отриманих результатів математичного моделювання руйнування крихких включень;

· створити методику АЕ-діагностування реальних виробів і елементів конструкцій з наявними у них крихкими включеннями, які руйнуються під дією прикладених зовнішніх механічних навантажень чи деформацій.

Об'єкт дослідження. Поля пружних хвиль, що виникають під час руйнування крихких включень у твердих тілах за квазістатичного їх навантаження.

Предмет дослідження. Параметри пружних хвиль АЕ, що генеруються під час динамічної локальної перебудови структури матеріалу та їх зміна, в залежності від типу матеріалу та включення.

Методи дослідження. Для досягнення сформульованої мети застосовували фундаментальні розв'язки задач теорії пружності, підходи лінійної механіки руйнування, спектральний аналіз сигналів АЕ (САЕ), математичне моделювання, фізичний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів. З урахуванням розв'язків задач про розподіл напружень на крихких включеннях та динамічних задач про утворення тріщин нормального відриву запропоновано аналітичні залежності для визначення розмірів крихких включень еліпсоїдальної та пластинчастої форм з урахуванням часу релаксації напружень під час їхнього руйнування, що дало змогу створити методики оцінки ранніх стадій руйнування елементів конструкцій, які виготовлені з конструкційних сплавів, що містять включення.

Із застосуванням числового математичного моделювання методом скінченних елементів розраховані кількісні значення напружень у матриці і включенні під час навантаження реального тіла. Показано, що руйнування крихких включень може виникати на ранніх стадіях навантаження таких тіл, оскільки їхня орієнтація у просторі є стохастичною і в окремих випадках сприяє цьому. Проілюстровано, що зміна орієнтації включень по відношенню до напрямку прикладання сил, а також співвідношення розмірів включень суттєво впливають на розподіл напружень як у матриці, так і у включенні.

Завдяки високій чутливості методу акустичної емісії експериментально виявлено та теоретично підтверджено за допомогою розроблених методик, що сигнали АЕ, які виникають на ранніх стадіях навантаження, супроводжують руйнування крихких включень. Таким процесам властиві САЕ з низькими амплітудами та порівняно широкими спектрами частот.

На підставі розроблених у дисертаційній роботі методологічних підходів встановлено, що значення коефіцієнта інтенсивності напружень, який розраховано за появою інформативних сигналів АЕ про руйнування крихких включень під час квазістатичного навантаження твердого тіла, є інваріантним до товщини зразків та способу їх навантаження, що дає можливість ефективніше виявляти ранні стадії руйнування тіл з включеннями.

Достовірність отриманих результатів і висновків забезпечуються використанням фундаментальних положень фізики і механіки руйнування конструкційних матеріалів, динамічної теорії поля, коректною постановкою експериментальних досліджень, співставленням деяких часткових результатів із відомими, застосуванням в експериментальних дослідженнях сучасних засобів відбору і обробки АЕ-сигналів.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень можуть бути використані для: розвитку теорій міцності та лінійної механіки руйнування твердих тіл із наявними крихкими включеннями; удосконалення сучасних методик технічного АЕ-діагностування стану об'єктів контролю; оптимізації та узагальнення методик АЕ-контролю; узагальнення окремих положень селекції АЕ-сигналів.

На практиці результати дисертаційної роботи використані для АЕ-діагностування стану ємностей для зберігання рідких і сипучих матеріалів у торговому порту м. Одеси та водокільцевої вакуумної помпи ВВН-50 на ВАТ "Горохівський цукровий завод".

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У працях, написаних у співавторстві, дисертанту належить: збір, аналіз і синтез даних літературних джерел щодо діагностування руйнування включень неруйнівними методами у твердих тілах [6]; розробка та створення методики АЕ-діагностування руйнування крихких включень [7-9]; підготовка і проведення експериментальних досліджень [1-5], [10-13]; обробка та обговорення отриманих результатів експериментальних досліджень [14-17]і результатів математичного моделювання, формування висновків і рекомендацій [18, 19].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на: Всеукраїнських наукових конференціях "Сучасні проблеми механіки" (Львів, 2004, 2005); 7-му та 8-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2005, 2007); Відкритих науково-технічних конференціях молодих вчених, науковців і спеціалістів ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України "КМН" (Львів, 2005; 2007); Симпозіумах механіки руйнування матеріалів і конструкцій (Аугустув, 2005, 2007); Міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій" (Київ, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми і перспективи механіки" (Ташкент, 2006); IV Міжнародному конгресі з технічної діагностики "Діагностика 2008" (Ольштин, 2008); Всеукраїнській науковій конференції "Сучасні проблеми механіки і математики" (Львів, 2008).

У повному обсязі робота доповідалась на розширеному семінарі відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій (керівник семінару - д.т.н., проф. Скальський В.Р.), "Фізичні поля в неоднорідних середовищах та неруйнівний контроль матеріалів" (керівник семінару - академік НАН України, д.ф. - м.н., проф. Назарчук З.Т.).

Публікації. Результати досліджень, які відображені у дисертації, опубліковані у 19 працях [1-19]. Серед них: 7 праць, які опубліковані у наукових фахових виданнях; 12 - у збірниках праць та тезах конференцій.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, які містять 52 рисунки і 11 таблиць, висновків, а також додатка та списку літератури, що має 140 найменувань. Обсяг основного тексту дисертації займає 156 сторінок, а повний обсяг роботи - 176 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано доцільність проведення досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, відзначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено класифікування найпоширеніших металевих сплавів із включеннями (чавуни, алюмінієві сплави тощо), описано методики експериментальних досліджень діагностування їх стану та руйнування крихких включень у в'язко-пружній матриці. Показано ефективність застосування з цією метою методу АЕ.

Зазначено, що одними з найпоширеніших конструкційних матеріалів у машинобудуванні та приладобудуванні завдяки своїм високим фізико-механічним, технологічним та міцнісним властивостям є чавуни, а в аерокосмічній сфері - алюмінієві сплави. Джерелом зародження руйнування у чавунах та алюмінієвих сплавах є включення інших фаз, що мають нижчі міцнісні характеристики, ніж матриця. Так, у чавунах основними концентраторами зародження дефектів типу тріщин виступають графітові включення, а в алюмінієвих сплавах - кристали іншої фази, що утворюються унаслідок їх легування чи термічної обробки.

Для діагностування локального руйнування виробів із вказаних матеріалів застосовують різноманітні методи неруйнівного контролю: ультразвуковий, потенціалометричний, спекл-інтерферометричний тощо. Однак найефективнішим методом діагностування виробів та конструкцій з цих металів, що дозволяє виявити динаміку руйнування та початкові стадії зародження і розвитку тріщиноутворення вважається метод АЕ, за допомогою якого фіксують низькоамплітудні сигнали, що чітко виділяються на фоні шумів апаратури ще задовго до початку руйнування матеріалу. Це дає змогу оцінювати ранні стадії пошкодженості матеріалу точніше, ніж за стандартними методиками.

На даний час немає завершених теоретичних досліджень для побудови АЕ-методик щодо виявлення скритих початкових стадій руйнування металів із наявними включеннями. Тому це дещо звужує сферу застосування методу АЕ для контролю таких процесів.

Значний внесок у розв'язання задач про утворення тріщиноподібних дефектів та руйнування крихких включень зробили такі вітчизняні та зарубіжні вчені:

О. Андрейків, В. Панасюк, Г. Сулим, М. Лисак, О. Сергієнко, В. Силованюк, М. Стадник, В. Божидарник, І. Романишин, О. Гузь, В. Рудницький, М. Делявський, М. Стащук, М. Кундрат, Л. Бережницький, І. Труш, В. Чекурін, M. Hamstad, L. Haenny та інші. В побудову методологічних засад діагностування руйнування крихких включень суттєвий доробок внесла низка вчених: З. Назарчук, В. Стрижало, В. Скальський, А. Красовський, А. Недосєка, К. Кужидловський, П. Коваль, І. Волчок, H. Hatano, R. Bianchetti, J. Dickson, H. Dunegan та інші.

Підсумовано, що широке запровадження методу АЕ у виробничу сферу стримується відсутністю нових методик щодо інтерпретування отриманих АЕ-даних під час руйнування тіл з включеннями.

У другому розділі показано, що наявність різного роду включень впливає на механічну поведінку матеріалу у цілому. Міцність і характер руйнування тіл з крихкими включеннями залежить від багатьох чинників, зокрема від фізико-механічних характеристик матеріалів включення і матриці (модулів зсуву, коефіцієнтів Пуассона і лінійного розширення), від форми і розміру включення, а також від міцності зчеплення між компонентами матеріалу. На підставі експериментальних досліджень, у працях присвячених вивченню цієї проблеми, показано, що у процесі деформування тіл з включеннями, здебільшого початком руйнування (зародження тріщин) є руйнування самого включення. Тому значну зацікавленість представляє вивчення напружено-деформованих станів таких тіл, щоб оцінити величину напружень, які призводять до зародження та розвитку тріщини у крихкому включенні, що знаходиться у в'язкій матриці.

Розглянуто задачі встановлення взаємозв'язку між характерними САЕ та параметрами новоутворених дефектів, які виникають під час руйнування крихкого пластинчастого та кулеподібного включень у в'язкій матриці.

Зазначено, що важливими є дослідження матеріалів, руйнування яких відбувається шляхом поширення початкових тріщин в області включень, на предмет раннього виявлення та оцінки кількісних ознак руйнування.

Показано, що одним із найпоширеніших видів включень у конструкційних матеріалах є пластинчасті включення інших фаз, які створюють велику концентрацію напружень в їх околі і провокують руйнування конструкцій під час навантаження.

На підставі аналізу розв'язків задач про руйнування крихких включень різної форми отримано вирази для знаходження геометричних розмірів осей зруйнованого пластинчастого (еліптичного) (1), (2), та кулеподібного (еліпсоїдального) (3), (4) включень.

Так, для пластинчастого включення розмір великої півосі a визначається за формулою:

, (1)

а малої півосі b залежністю:

. (2)

Аналогічні співвідношення отримано для півосей a₁ та b₁ еліпсоїда:

, (3) , (4)

де у^* - напруження, прикладені на нескінченості; у₀ - критичні напруження, що виникають у включенні; - множник пропорційності між САЕ та максимальним значенням модуля вектору переміщень;

- функція, що визначає кутову залежність максимальних значень модуля вектора переміщень; и - кут між площиною тріщини та напрямком спостереження; е - співвідношення швидкостей повздовжньої та поперечної хвилі; R_1, r - віддаль від центра тріщини до точки спостереження; А - амплітудні значення САЕ; с - густина матеріалу; - швидкість повздовжньої хвилі; d₁, d₂ - параметри, що визначаються модулями зсуву та коефіцієнтами Пуассона матеріалів; T_r - час релаксації напружень на берегах новоутвореного дефекту; д - константа, визначена з експерименту; s - співвідношення напружень на нескінченості та напружень у включенні; q - співвідношення модулів Юнга включення та матриці; v - коефіцієнт Пуассона. Таким чином, на підставі амплітуд зареєстрованих САЕ, що поширюються у металічній матриці чавуну під час руйнування графітових включень, можна визначити їх геометричні розміри, що дає змогу оцінити об'єм утворених дефектів і характер руйнування матеріалу.

Для оцінки параметрів САЕ, що супроводжують руйнування таких включень, використовували відомі розв'язки динамічної задачі про утворення дископодібної тріщини у пружному просторі, наведені у працях Андрейківа та Сергієнка. Розв'язки побудовані для моменту приходу поздовжньої хвилі у точку спостереження з урахуванням часу релаксації напружень на берегах новоутвореного дефекту.

Для розрахунку геометричних параметрів включень за формулами (1) - (4), необхідно було з експерименту встановити межу міцності графітового включення, яка у виразах (1) - (4) позначена як у₀. За результатами проведених експериментальних випробувань графітових стрижнів різної твердості отримано усереднене значення у₀ = 20 МПа, яке використовували у приведених в роботі розрахунках.

У третьому розділі встановлено розподіл напружень всередині графітових включень та у їх околі, які отримані числовими методами розрахунку. Ці результати використали також для перевірки достовірності використаних у попередньому розділі аналітичних залежностей. Розрахунки проводили методом скінченних елементів.

З метою визначення достовірності застосування нами числового методу розрахунку спочатку змоделювали класичні задачі теорії пружності про розтяг необмеженої пластини з отвором (задача Кірша) та стиску необмеженої сфери з порожниною (задача Ляме). Отримавши повну збіжність результатів із аналітичними розв'язками цих задач, проводили моделювання тіл з включеннями різної форми. Результати розрахунків зіставлено із даними, отриманими за аналітичними залежностями (1) - (4), що дало змогу підтвердити їх достовірність і отримати інструментарій кількісної оцінки розподілу напружень навколо включень правильної геометричної форми для різних композитних структур із такими включеннями (табл. 1).

Визначено характер розподілу напружень у в'язко-пружній матриці з різною формою та орієнтацією включення. Результати розрахунків свідчать про добру кореляцію з даними, що одержані за запропонованими аналітичними залежностями.

У випадку моделювання крихкого включення порожниною показано, що напруження в околі порожнини є більшими за напруження в околі включення тієї ж форми.

Таблиця 1. Значення напружень у матриці та включенні за різного співвідношення великої a і малої b = c осей еліпсоїдального включення

Співвідношення півосей еліпсоїда в=a/b	Напруження у включенні, МПа	Напруження в околі включення, МПа
	Числовий розрахунок	Аналітичний розрахунок	Числовий розрахунок	Аналітичний розрахунок
1	28	28	395	419
2	32	32	449	478
3	35	33	480	450
4	36	34	495	510
5	36	34	515	516
6	36	34	531	519
7	37	34	540	522
8	37	35	543	523
9	38	35	546	524
10	38	35	549	525

Це свідчить про те, що вважати порожнинами включення, жорсткість яких є суттєво меншою ніж матриця, у моделюванні таких задач є помилковим (рис. 1). Слід зазначити, що у цьому випадку і далі, прикладені на нескінченості напруження становили 200 МПа.

а б

Рис. 1. Розподіл нормальних напружень у твердому тілі: а - тіло з порожниною, б - із включенням

Зміна форми включення від кулеподібної до пластинчастої суттєво впливає на розподіл напружень як у матриці, так і в самому включенні під час прикладання розтягуючих зусиль. Зазначено, що найнесприятливіша орієнтація великої осі включення (з точки зору міцності матеріалу) є перпендикулярною до напрямку дії сил розтягу (рис. 2). Аналогічним є характер зміни і тангенціальних напружень на включенні у залежності від зміни його кута повороту.

Рис. 2. Графіки розподілу нормальних напружень в околі еліпсоїдального включення з різним співвідношенням осей в, та за різної його орієнтації до напряму розтягання: 1 - в = 2, 2 - в = 3, 3 - в = 4, 4 - в = 5, 5 - в = 6

У цьому ж розділі також досліджено характер зміни нормальних напружень у призматичному включенні та його околі під час зміни розмірів та орієнтації включення відносно напряму прикладання сил (рис. 3). Поворот призматичного включення навколо двох осей, а також зміна його геометричних розмірів, призводять до суттєвого перерозподілу концентрації напружень як у самому включенні, так і у матриці.



а б в г

Рис. 3. Розподіл нормальних напружень у матриці (а, в) та у кубічному включенні (б, г) за повороту його на кут 0° (а, б) та 45° (в, г) до осі прикладання навантаження

Показано, що напруження досягають своїх максимальних значень за повороту призматичного включення на кут 45° до напряму дії сил (рис. 4) і концентруються не у вершинах призми, а на гранях, що знаходяться у серединній області включення (рис. 5).

Рис. 4. Розподіл нормальних напружень в околі призматичного включення з різним співвідношенням ребер b/c залежно від його орієнтації до напряму розтягу: 1 - b/c = 1, 2 - b/c = 2, 3 - b/c = 3, 4 - b/c = 4



Рис. 5. Схематичний розподіл напружень у матриці навколо кубічного включення (переріз тіла діагональною площиною x0y через кубічне включення, розташоване під кутом 45° до осей x та z)

У четвертому розділі проведені дослідження з визначення за сигналами акустичної емісії стадій початку зародження макроруйнування. Показано, що воно ініціюється на макро- і мезорівнях саме лопанням крихких включень у пружно-пластичній матриці під дією прикладеного ззовні навантаження та супроводжується генеруванням пружних хвиль АЕ.

Як зазначено у попередніх розділах роботи, маючи амплітудні значення САЕ стає можливим визначити геометричні розміри включень, які зруйнувалися. Відтак можна стверджувати про початок макроруйнування, зіставивши діаграму руйнування із синхронно записаною акустограмою.

Спочатку за відомими літературними даними з урахуванням впливу завад розрахували смугу частот САЕ, які генеруються під час руйнування крихких графітових включень. Виходячи з цього, підібрали характеристики первинного перетворювача і провели випробування гладких зразків на розтяг. Відтак визначали статичну тріщиностійкість зразків з тріщинами за регламентованими методиками та на відповідно розробленому у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України обладнанні. Під час випробувань застосовували методику відлаштування від завад, яка полягає у використанні паралельного каналу, а малогабаритна навантажувальна установка СВР-5 забезпечувала мінімальний рівень фонових завад.

Рис. 6. Діаграма розтягу зразка діаметром 8 мм із сірого чавуну

На рис. 6 показано діаграму розтягу гладкого циліндричного зразка із сірого чавуну. Поява сигналів АЕ показана точкою 1, а сигнали позначені точкою 2 - характерні для подальшого розвитку ранньої стадії руйнування. На цій стадії відбувається незначне зростання амплітуд, а спектри сигналів широкі, що свідчить про малі розміри поверхонь новоутворених поверхонь розриву (рис. 7). діагностичне руйнування включення акустична



а б

в г

Рис. 7. Хвильові відображення (а, в) та спектральні характеристики (б, г) сигналів АЕ, отриманих у точці 1 (а, б) та 2 (в, г), під час руйнування зразка з сірого чавуну

У таблиці 2 для характерних напружень матриці, яким відповідають точки 1 діаграм розтягу, показано напруження, що виникають на включенні за різної орієнтації їх до напрямку прикладання зусиль. Видно, що за найнесприятливішої орієнтації напруження у включенні перевищують критичні значення міцності графіту ( = 20 МПа).

У таблицях 3 та 4 наведено дані експериментальних досліджень з визначення розмірів зруйнованих включень за відомими амплітудами сигналів АЕ. Як бачимо, дані, отримані за параметрами САЕ, добре корелюють з фрактографічним аналізом зломів зразків (рис. 8).

Таблиця 2. Напруження, що виникають у включенні за певної орієнтації їх великої осі до напрямку прикладання зусиль до матриці ( = 20 МПа)

Матеріал	Напруження у включенні за різної його орієнтації до напряму прикладання зусиль , МПа
	0°	15°	30°	45°	60°	75°	90°
Сірий чавун (пластинчастий рафіт)	6,8	8,9	12,2	15,1	16,7	18,5	21,7
Високоміцний чавун (кулеподібний графіт)	12,3	14,5	16,7	18,3	20,2	23,3	25,3

Таблиця 3. Результати експериментальної оцінки розміру зруйнованих пластинчастих графітових включень у сірому чавуні

Матриця чавуна	Межа міцності металічної матриці ; МПа	Амплітуда електричного сигналу на виході ПАЕ А; мкВ	Параметри графітового включення, мкм
			Фракт.	САЕ
			a1	b1	a2	b2
Ферит	450	60	41	3	37	2
Пластинчастий перліт	800	10	39	3	35	2

Таблиця 4. Визначені експериментально розміри зруйнованих кулеподібних включень у високоміцному чавуні

Матриця чавуну	Межа міцності металічної матриці, ; МПа	Амплітуда електричного сигналу на виході ПАЕ А; мкВ	Діаметр графітового включення, мкм
			d1, фракт. аналіз	d2, за САЕ
Ферит	450	60	23,42	24,39
Пластинчастий перліт	800	10	19,77	19,86
Зернистий перліт	680	20	21,36	22,95
Пластинчастий перліт, 20 % фериту	600	25	20,20	22,06



а б

Pиc. 8. Фрактограма зломів зразків: а - високоміцний чавун з кулеподібним графітом (500); б - сірий чавун з пластинчастим графітом (100)

Під час оцінки статичної тріщиностійкості матеріалів з крихкими включеннями застосували розроблені на підставі проведених досліджень нові методологічні підходи. Визначали момент початку руйнування і відповідні йому коефіцієнти інтенсивності напружень за сигналами АЕ у високоміцному та сірому чавунах, з різними типами матриць, а також у алюмінієвих сплавах.

Отримані нами дані свідчать, що для кожного типу чавунів, залежно від складу матриці, параметри сигналів АЕ були різними. На акустограмах можна виділити за часом появи і тривалості дві групи САЕ. Сигнали другої групи з'являються за величини навантаження, що близьке до моменту старту макротріщини, а першої - дещо раніше, причому з нижчими амплітудами та в довільний (наближеній до моменту старту макротріщини) момент часу (рис. 9).

Оскільки міцнісні характеристики графіту є нижчими від аналогічних показників матриці, то логічно припустити, що саме руйнування графітових включень, очевидно, є джерелами генерування САЕ першої групи. Отже, домінуючі амплітуди САЕ (точки P₁) до початку макроруйнування тіл з включеннями відповідають, ймовірно, саме руйнуванню графітових включень, оскільки у даному випадку напруження у матриці спричиняють у включеннях графіту напруження, що перевищують межу їхньої міцності (по аналогії з наведеними для гладких зразків результатами досліджень).

а б

Рис. 9. Діаграми руйнування високоміцного чавуну з різними типами матриць: 1 - крива залежності P - v; 2 - амплітудний розподіл САЕ на акустограмі; а - феритна матриця; б - феритно-перлітна матриця

Усереднивши значення амплітуд на цих початкових етапах руйнування і припустивши, що вони генеруються внаслідок руйнування відповідно кулеподібних та пластинчастих включень графіту (в залежності від виду чавуну), ми за допомогою даних експерименту та встановлених у попередніх розділах аналітичних залежностей визначали їх геометричні параметри. Дані експерименту підтвердили отримані для гладких зразків розміри включень, що зруйнувалися.

Таким чином, амплітудний розподіл та зміна сумарного рахунку САЕ на акустограмі, записаній в масштабі реального часу, дозволяють розмежовувати стадії руйнування включень та виділити початок субкритичного розвитку макротріщини за якісними та кількісними показниками (рис. 9). Це підтверджується також і кількісним аналізом зміни спектральних характеристик САЕ.

Отримані нами експериментальні результати, а також окремі літературні дані засвідчують, що за допомогою АЕ-методик можна ефективніше визначати показники статичної тріщиностійкості конструкційних матеріалів. Володіючи заздалегідь встановленими в такий спосіб параметрами в'язкості руйнування матеріалів, не важко перенести результати досліджень на створення необхідних методик АЕ-контролю та діагностики реальних виробів і елементів конструкцій стосовно оцінки їх ранніх стадій руйнування.

Зіставлення результатів аналітичного розрахунку розмірів зруйнованих крихких графітових включень і розрахунку за параметрами САЕ та металографічного аналізу доломів чавунних зразків, показало добру збіжність результатів.

Аналогічно визначали момент старту тріщини в литих титан-алюмінієвих сплавах. Встановлено взаємозв'язок між параметрами сигналів АЕ та коефіцієнтом інтенсивності напружень К_I за монотонного навантаження зразків із тріщинами.

Показано, що метод АЕ чутливий до процесів тріщиноутворення в алюмінієвих сплавах і дозволяє точніше, ніж традиційні методи визначити початок субкритичного росту тріщин, поєднуючи зареєстровані сигнали з діаграмою Р - v.

Окрім того, у ході експерименту отримано інваріантність величини коефіцієнта інтенсивності напружень К_Is, визначеної методом АЕ за навантаження (див. рис. 9), по відношенню до товщини зразка незалежно від типу навантаження (рис. 10).



Рис. 10. Взаємозв'язок між КIs, та товщиною зразка b зі сплаву Ті3Аl:? - смуга 10Ч60 мм з двома боковими надрізами; ? - смуга 10Ч60 мм з одним боковим надрізом; Ч - призматичні зразки перерізом 40Ч80 мм; _ - призматичні зразки перерізом 80Ч160 мм; ? - призматичні зразки перерізом 80Ч160 мм, сплав Ті5Аl

У п'ятому розділі описано результати технічного АЕ-діагностування реальнодіючих об'єктів контролю, які виготовлені із чавунів та алюмінієвих сплавів, а саме ємностей для зберігання рідких та сипучих матеріалів і водокільцевої вакуумної помпи ВВН-50. Корпус останньої виготовлений із сірого чавуну марки СЧ-20. Габарити помпи та схему розташування первинних перетворювачів на корпусі агрегату зображено на рис. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Схема розташування первинних перетворювачів на корпусі ВВН-50: 1 - водозбірник; 2 - корпус помпи; I - IV - первинні п'єзоперетворювачі сигналів АЕ

Під час випробувань застосовували багатоканальну портативну акустико-емісійну інформаційно-вимірювальну систему SKOP-8, яка забезпечувала виділення, реєстрацію та попередню обробку САЕ з подальшим зберіганням їх в пам'яті персонального комп'ютера.

Коефіцієнт підсилення АЕ-тракту становив 70 дБ (40 дБ - попередній підсилювач) у смузі пропускання 0,02…2,0 MГц, яка визначалася амплітудно-частотною характеристикою п'єзоперетворювча сигналів АЕ. Отримані САЕ, за якими оперативно можна було слідкувати на екрані монітора в реальному часі, показали, що під час АЕ-діагностування, сигналів які перевищують фоновий рівень шумів установки, виявлено не було. Це свідчить про відсутність утворення і розвитку тріщиноподібних дефектів в контрольованому об'ємі.

Аналогічно діагностували і ємності для зберігання рідких та сипучих матеріалів, які виготовлені із алюмінієвих сплавів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано важливу науково-технічну задачу - розроблено методику АЕ-діагностування руйнування крихких включень у матеріалах елементів конструкцій, за дії квазістатичного механічного навантаження, при цьому отримано такі наукові результати:

1. На підставі аналізу відомих розв'язків задач про розподіл напружень на крихких включеннях та динамічних задач про утворення тріщин нормального відриву запропоновано аналітичні залежності для визначення розмірів крихких включень сфероїдальної та пластинчастої форм з урахуванням часу релаксації напружень під час їх руйнування.

2. Із застосуванням числового математичного моделювання, розраховані кількісні значення напружень у матриці і включенні під час навантаження тіла з включеннями, прикладеними на нескінченості напруженнями розтягу. Показано, що напруження, які виникають на сфероїдальному включенні або порожнині, перевищують прикладені на нескінченості у 2-2,5 разів. Виходячи з цього, можна стверджувати, що руйнування крихких включень виникає на ранніх стадіях навантаження таких тіл, оскільки їх орієнтація у просторі є стохастичною.

3. Порівнюючи результати розрахунків розподілу напружень у матриці і на включенні, проведених за отриманими аналітичними залежностями та числовим методом, показано їх добру збіжність. В силу кращої достовірності результатів числового методу розрахунку для оцінки розподілу напружень на крихких включеннях і у матриці доцільніше використовувати саме ці результати для розрахунку таких тіл на міцність.

4. Показано, що зміна орієнтації включень по відношенню до напрямку прикладання сил суттєво впливає на розподіл напружень як у матриці, так і у включенні. Одночасно із тим на такий розподіл впливає і зміна співвідношення осей еліпсоїдального та характерних розмірів призматичного включень, а також положення ребер призми відносно осей обертання. Так, для еліпсоїдального включення найгіршою є орієнтація його великої осі під кутом 90° до напрямку прикладання сили, а для призматичного включення - орієнтація ребра під кутом 45°, відповідно.

5. Завдяки високій чутливості методу акустичної емісії, експериментально встановлено та теоретично підтверджено, що сигнали АЕ, які виникають на ранніх стадіях навантаження супроводжують руйнування крихких включень. Таким сигналам притаманні низькі амплітуди (< 1 мВ на виході первинного перетворювача), та порівняно широкий спектр несучих частот, які на подальших стадіях розвитку руйнування чергуються із сигналами АЕ, що відповідають іншим механізмам його розвитку (стрімке зростання амплітуд з одночасним звуженням спектру).

6. На підставі розроблених у дисертаційній роботі методологічних підходів встановлено, що значення коефіцієнта інтенсивності напружень, який розраховано за появою інформативних сигналів АЕ під час квазістатичного навантаження тіл з включеннями і береться за момент початку макроруйнування, є інваріантним до товщини зразків та способу їх навантаження, що дає змогу ефективніше виявляти ранні стадії руйнування у матеріалі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНО У ПРАЦЯХ

1. Скальський В.Р. Методика визначення критичної акустико-емісійної міри об'ємної пошкодженості сплаву Д 16-Т у пластично деформованому об'ємі / В.Р. Скальський, В.Б. Михальчук, Ю.С. Окрепкий // Вісник двигунобудування. - 2004. - №4. - С. 145-148.

2. Скальський В.Р. Методологічний підхід до АЕ-визначення статичної тріщиностійкості матеріалів / В.Р. Скальський, В.Б. Михальчук, Ю.С. Окрепкий // Машинознавство. - 2005. - №2. - С. 43-45.

3. Акустико-емісійна оцінка об'ємної пошкодженості алюмінієвого сплаву / В.Р. Скальський, В.Б. Михальчук, Ю.С. Окрепкий, Т.В. Селівончик // Вісник Львівського національного ун-ту ім. Івана Франка. Серія мех.-мат. - 2006. - Вип. 65. - С. 32-39.

4. Скальський В.Р. Акустико-емісійне визначення розміру графітового включення що руйнується / В.Р. Скальський, О.М. Сергієнко, Ю.С. Окрепкий // Мат. методи та фіз.-мех. поля. - 2007. - 50, №1. - С. 178-185.

5. Скальський В.Р. Акустико-емісійна оцінка руйнування пластинчастого графіту у матриці чавуну / В.Р. Скальський, О.М. Сергієнко, Ю.С. Окрепкий // Зб. наук. праць "Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів". - Львів, 2007. - Вип. 12. - С. 188-192.

6. Скальський В.Р. Підходи до оцінки руйнування включень у твердому тілі (Огляд) / В.Р. Скальський, О.М. Сергієнко, Ю.С. Окрепкий // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2007. - №3. - С. 18-25.

7. Скальський В.Р. Оцінка концентрації напружень у пружній матриці біля довільно орієнтованих включень меншої жорсткості / В.Р. Скальський, Ю.С. Окрепкий, Ю.Б. Матвіїв // Математичні методи та фіз.-мех. поля. - 2009. - 52, №4. - С. 191-197.

8. Акустико-емісійна оцінка обємної пошкодженості алюмінієвого сплаву / В.Р. Скальський, В.Б. Михальчук, Ю.С. Окрепкий // Всеукраїнська наук. конфер. "Сучасні проблеми механіки". - Львів, 2-5 лист. 2004 р.: тези доп. - С. 59-60.

9. Особливості генерування акустичної емісії чавунами різних модифікацій під час їхнього руйнування / Ю.С. Окрепкий, В.Б. Михальчук, Р.І. Сулим // 7-міжнар. симпоз. укр. інж.-мех. у Львові. 18-20 травня 2005 р.: тези доп. - С. 110-111.

10. Оцінка впливу модифікацій матриці високоміцного чавуну на початок розвитку макротріщини / Ю.С. Окрепкий // Зб. праць XIX-ї відкритої наук.-тех. конф. молодих вчених наук. і спец. ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАНУ "КМН-2005". - Львів, 2005. - С. 41-44.

11. Acoustic emission during cast-irons fracture / V.R. Skalsky, Yu.S. Okrepky, R.M. Plakhtij // Mаterialy III Miкdzynarodowego Sympozjumu Mechaniki Zniszczenia Materialуw i Konstrukcji. - Augustуw, 1-4 czerwca 2005. - P. 369-371.

12. Оцінка за сигналами акустичної емісії моменту старту макротріщини / В.Р. Скальський, В.Б. Михальчук, Ю.С. Окрепкий, Р.М. Плахтій // Міжнар. наук.-тех. конф. "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій". - Київ, 1-4 лист. 2005 р.: тези доп. Том 2. - С. 314-315.

13. Вплив типу матриці на розвиток макротріщини у високоміцному чавуні / В.Р. Скальський, Ю.С. Окрепкий, Р.І. Сулим // Всеукраїнської наук. конференції "Сучасні проблеми механіки". - Львів, 5-8 груд. 2005 р.: тези доп. - С. 62-63.

14. Определение геометрических параметров разрушающегося сфероидального графитового включения по сигналам акустической эмиссии / В.Р. Скальский, О.М. Сергиенко, Ю.С. Окрепкий // Матер. межд. науч.-техн. конф. "Современные проблемы и перспективы механики". - Ташкент, 17-18 мая 2006 г. - С. 394-397.

15. Methods for fracture evaluation of graphite inclusions in cast-irons / V.R. Skalsky, О.M. Serhiyenko, Yu.S. Okrepky // Mаterialy IV Miкdzynarodowego Sympozjumu Mechaniki Zniszczenia Materialуw i Konstrukcji. - Augustуw, 30 maja - 2 czerwca 2007. - P. 241-245.

16. Акустико-емісійне визначення розміру графітового включення, що руйнується / О.М. Сергієнко, Ю.С. Окрепкий // 8-ий міжнар. симпоз. укр. інж.-мех. у Львові. 23-25 травня, 2007 р.: тези доп. - С. 119-120.

17. Експериментальна перевірка розв'язку задачі про руйнування сфероїдального включення / Ю.С. Окрепкий // Зб. праць XIX-ї відкритої наук.-тех. конф. молодих вчених наук. і спец. ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАНУ "КМН-2007". - Львів, 2007. - C. 87-90.

18. Acoustic-emission analysis of spherical inclusion fracture in metallic matrix / V.R. Skalsky, О.M. Serhiyenko, Yu.S. Okrepky, B.P. Klym // 4-th international congress on technical diagnostics. - Olsztyn, 09-12 september 2008. - P. 162.

19. Математичне моделювання руйнування крихких включень у твердому тілі та їх експериментальна оцінка / В.Р. Скальський, Ю.С. Окрепкий, Т.В. Селівончик, Ю.Б. Матвіїв // Всеукр. наук. конф. "Сучасні проблеми механіки та матем". - Львів, 2008 р.: тези доп. Т. 2. - С. 170-172.

АНОТАЦІЯ

Окрепкий Ю.С. Діагностування руйнування крихких включень методом акустичної емісії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.10 - діагностика матеріалів та конструкцій. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2010.

Дисертаційні дослідження спрямовано на розв'язання важливої науково-технічної задачі, а саме - розроблення методу діагностування руйнування крихких включень у конструкційних металевих сплавах за кількісними ознаками параметрів сигналів акустичної емісії (АЕ), що супроводжують їх руйнування. Об'єктом досліджень є поля пружних хвиль, що виникають під час зародження та розвитку руйнування у конструкційних матеріалах під впливом квазістатичного навантаження.

На підставі аналізу відомих аналітичних розв'язків задач про розподіл напружень на включеннях, що знаходяться у в'язко-пружній матриці, а також динамічних задач про утворення дископодібної тріщини нормального відриву отримано аналітичні залежності щодо оцінки розмірів крихкого включення, яке руйнується у матриці. Залежності пов'язують фізичні параметри зруйнованого включення та параметри сигналів АЕ.

За допомогою числового розрахунку встановлено розподіл напружень, що виникають на різної форми включеннях та в їх околі, у залежності від зміни форми включень та їх орієнтації у тілі. Отримані теоретичні результати перевірені експериментально з використанням гладких циліндричних зразків, які випробовували розтягом. Використовуючи фактографічний аналіз, підтверджено добру кореляцію між зміною амплітуд сигналів АЕ та руйнуванням крихких включень у чавунах та алюмінієвих сплавах.

Запропоновану методологію застосовано для оцінки статичної тріщиностійкості металевих сплавів та для технічного діагностування виробів і конструкцій у реальних умовах їх експлуатації.

Ключові слова: включення, матриця, напруження, мікротріщина, руйнування, акустична емісія, пружні хвилі, коефіцієнт інтенсивності напружень, діагностування.

АННОТАЦИЯ

Окрепкий Ю.С. Диагностирование разрушения хрупких включений методом акустической эмиссии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - диагностика материалов и конструкций. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко Национальной академии наук Украины, Львов, 2010.

Диссертационные исследования направлены на решение важной научно-технической задачи, а именно на разработку метода диагностирования разрушения хрупких включений в конструкционных металлических сплавах по количественному изменению параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ), которые сопровождают их разрушение. Объектом исследований являются поля упругих волн, которые возникают при зарождении и развитии разрушения в конструкционных материалах под воздействием квазистатической нагрузки.

Проведен анализ известных аналитических зависимостей, которые получены из решения задач о распределении напряжений на включениях, которые находятся в вязкоупругой матрице. Дальше, используя решения динамических задач об образовании дискообразной трещины нормального отрыва, получены формулы для оценки размеров хрупкого включения, которое разрушается в такой матрице. Эти выражения связывают физические параметры включения и параметры сигналов АЭ, которые возникают при их разрушении. Аналитические зависимости построены для пластинчатого и сфероидального хрупких включений.

Используя числовые расчеты, установлено распределение напряжений, которые возникают на этих включениях и в их окрестностях зависимо от изменения формы включений и их ориентации в матрице. Полученные теоретические результаты проверены экспериментально. С этой целью растягивали гладкие цилиндрические образцы из чугунов и алюминиевых сплавов. Используя фактографический анализ, установлено хорошую корреляцию между изменением амплитуд сигналов АЕ и геометрическими размерами хрупких включений, которые разрушились в этих металлических сплавах.

Для подтверждения достоверности результатов численного расчета, моделировали классические задачи (Кирша и Ляме) теории упругости. Получено полную сходимость аналитических и числовых расчетов. Последние показали, что ошибочным есть моделирование хрупких включений полостями, а также то, что изменение размеров включений и их ориентации относительно направления приложения нагрузки существенно влияет на распределение в нем и матрице нормальных и тангенциальных напряжений.

Исходя из этого, предложена методология оценки статической трещиностойкости металлических сплавов, имеющих хрупкие включения, и технического АЭ-диагностирования изделий и элементов конструкций в реальных условиях эксплуатации.

Ключевые слова: включение, матрица, напряжение, микротрещина, разрушение, акустическая эмиссия, упругие волны, коэффициент интенсивности напряжений, диагностирование.

ABSTRACT

Okrepky Yu.S. Acoustic emission diagnostics of fracture of brittle inclusions. - Manuscript.

Dissertation submitted for the scientific degree of candidate of technical sciences in a specialty 05.02.10 - "Diagnostics of materials and structures". - Karpenko Physical-Mechanical Institute of national Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2010.

Dissertational research was directed to solve an important scientific and technological problem, namely, development of the method for diagnostics of fracture of brittle inclusions in structural metallic materials employing quantitative parameters of acoustic emission signals generated during the process of fracture. The object of study is the elastic fields generated during initiation and propagation of cracks in structural materials under the influence of quasi static loading.

Analytical expressions that enable evaluation of the size of a brittle inclusion that cracks inside the matrix have been derived on the basis of the analysis of the known analytical solutions of the problems regarding stress distribution in the vicinity of inclusions located inside elastic-plastic matrix and solutions of the dynamic problems regarding initiation of a mode-I penny-shaped crack. The derived expressions interrelate physical parameters of the cracked inclusion with the parameters of acoustic emission signals.

Numerical calculations presented in this work exhibit stress distribution in the vicinity of the inclusion depending on the shape and orientation in the matrix. The fundamental results obtained in this work have been experimentally verified on smooth cylindrical samples under tensile straining. Analysis of the collected data confirmed good correlation between the change in the amplitudes of the acoustic emission signals and fracture of brittle inclusions in iron and aluminum alloy samples.

The proposed methodology has been employed for evaluation of static fracture toughness of alloys and for technical diagnostics of equipment and structures under conditions of their work.

Key words: inclusion, matrix, stress, microcrack, fracture, acoustic emission, elastic waves, stress intensity factor, diagnostics.

Размещено на Allbest.ru

...