Акустическая эмиссия при термомеханическом воздействии на стали и сплавы

Основы применения АЭ для обнаружения трещин под плакировкой даны на примере исследования реакторной стали 22NiMoCr37 [244]. Показана возможность оценки величины трещин, времени их появления, а также применимость АЭ для определения механизмов образования трещин при испытаниях на длительную прочность.

Акустическая эмиссия при усталости

С точки зрения механики усталостного роста трещины можно выделить следующие три механизма, ответственных за возникновение АЭ:

процесс пластического течения на фронте трещины;

микроразрушение в области интенсивной пластической деформации у кончика трещины;

«отдирание» частично схватывающихся поверхностей трещины при циклическом нагруженни.

Регистрация АЭ при усталости сопряжена с рядом трудностей, обусловленных спецификой методов испытаний. При испытаниях на усталость, особенно при нагружении с вращением, затруднительна установка датчиков и обеспечение качественного пьезоконтакта. Кроме помех, связанных с работой нагружающих устройств и затрудняющих выделение и регистрацию АЭ существенный, вклад в уровень и спектр шумов вносят трение и контактные напряжения в захватах, а также берегов трещины, в особенности при знакопеременном нагружении.

Необходимо отметить, что при значительном многообразии представлений о зарождении и развитии трещины в условиях мало- и многоцикловой усталости формирование зоны пластической деформации и прирост трещины связываются с областью максимальной нагрузки цикла. В связи с этим АЭ по первому и второму механизму должна возникать вблизи максимальной нагрузки цикла, а АЭ по третьему механизму -- вблизи минимальной нагрузки цикла.

Накопление повреждений при усталости исследовали в условиях высокотемпературного ультразвукового нагружения на титане, титановом сплаве, латуни и сплавах на основе никеля. Совместная регистрация АЭ и параметров внутреннего трения позволила выделить две области пластической деформации, подготовляющих зарождение микротрещин. Установлено, что микротрещины, порожденные полосами скольжения, вызывают образование макротрещин. АЭ оказалась тесно связана с внутренним трением и стадиями усталостного разрушения.

Так же как и при других видах нагружения, АЭ изменяется при изменении температуры циклического нагружения. Исследование АЭ и амплитудного распределения сигналов АЭ а нержавеющей аустеинтной стали в интервале 20?600 °С позволило установить ряд закономерностей. Максимум АЭ взрывного типа наблюдался при реверсе напряжения от цикла сжатия к растяжению. Заметное увеличение суммарного счета событий АЭ за цикл изменения напряжения происходило при увеличении температуры испытания. При этом в амплитудном распределении увеличивалось число событий АЭ, имеющих большую амплитуду.

Полученные результаты подтверждают высказанные ранее соображения о том, что источниками АЭ являются как повторяющаяся текучесть у вершины трещины, так и частичное схватывание поверхности трещины при реверсе напряжения, особенно при высоких температурах. Влияние структурного состояния на механизмы АЭ при усталости изучали на сталях с ферритной, ферритно-перлитной и перлитной структурой. В ферритных и ферритно-перлитных сталях на ранних стадиях зарождения трещин сигналы АЭ отсутствуют и появляются лишь при развитой макротекучести. В перлитных сталях АЭ появляется раньше микроскопически различимых признаков трещин. В ферритных и ферритно-перлитных сталях источником АЭ является не столько пластическое течение, сколько трение поверхностей трещины. В перлитной стали акустические сигналы большой мощности вызываются взрывообразным разрушением хрупких структурных составляющих.

О важности отделения АЭ при смыкании и размыкании берегов трещины от полезного сигнала говорится и в работе В. Н. Куранова и др.. Исследовали АЭ при повторном растяжении образцов с односторонним надрезом из алюминиевого сплава 2024. Акустические сигналы регистрировали с помощью пьезодатчика с резонансной частотой 155 кГц. Для отделения акустических сигналов, отвечающих росту трещины, регистрацию АЭ осуществляли только вблизи максимальной нагрузки цикла. В результате было показано, что корреляция между количеством импульсов АЭ за цикл и изменением коэффициента интенсивности напряжений ДК у вершины трещины лучше по сравнению с изменением скорости роста трещины, т. е. можно предположить, что сигналы АЭ в основном связаны с процессами пластической деформации у вершины трещины.

Аналогичная связь параметров АЭ с ДК получена на стали А533В. Зависимости скорости роста трещины за цикл выражались линейным законом, отвечающим уравнениям:

где при условии выражения в мкм/цикл,  -- число событии АЭ за цикл, а ДK МН/м^3/2, и

Результаты циклического нагружения балочных образцов высокопрочной хромоникелевомолибденовой стали достаточно хорошо удовлетворяли приведенным уравнениям .

В случае испытаний низкоуглеродистой трубной стали менялись значения показателей степени, в которую возводились величины ДК. Для формулы 17 б=3,6, для формулы 18 б=4.

Для предсказания усталостного разрушения алюминия 1100-0, алюминиевого сплава 7075-Т6, стали D6aC, сплава Ti-6AI-4V и сравнительной оценки возможностей были использованы следующие методы неразрушающего контроля: экзоэлектронная эмиссия, акустическая эмиссия, поверхностные звуковые волны, изменение поверхностного потенциала. Каждый из методов оказался эффективным для предсказания разрушения одного или нескольких указанных материалов. В частности АЭ обнаружила существенное изменение параметров для алюминия 1100-0 после 33?50% наработки от общей долговечности в зависимости от уровня приложенных напряжений. Остальные материалы давали очень слабую АЭ, что определялось спецификой методики испытаний.

Метод АЭ может быть использован для предсказания остаточного ресурса, применительно к различного рода конструкциям, сосудам, работающим под давлением, трубопроводам. Для чего проводится экстраполяция зависимости между коэффициентом интенсивности напряжений К до уровня K_1c и числом циклов на основании полученной в ряде работ функциональной связи

Указанная связь была установлена из прямой пропорциональности между суммарным счетом АЭ и величиной пластически деформированного объема у вершины трещины и оказалась характерной при усталостных испытаниях титановых сплавов, сталей, алюминиевых сплавов. Кроме того, установлена корреляционная связь между скоростью счета суммарной АЭ при максимальной нагрузке цикла 11 энергией, освобождаемой при росте трещины за цикл, и показана возможность использования метода АЭ как средства определения вида разрушения, происходящего при плоскодеформированном и плосконапряженном состоянии.

Проведены обширные исследования по анализу АЭ при усталостном росте трещины. Регистрация АЭ осуществлялась с помощью системы для определения координат развивающихся дефектов. Приводился анализ источников АЭ для трубной углеродистой (0,21% С), стали А533В и присадочного сплава ферритного класса. Образцы удовлетворяли условиям реализации плоскодеформированного состояния при распространении трещины. АЭ вблизи максимального значения нагрузки цикла связывалась с формированием зоны пластической деформации у вершины трещины. Кроме того, установили, что источником АЭ являлась зона позади вершины при захлопывании трещины. При увеличении размаха коэффициента интенсивности напряжений ДК активность АЭ увеличивалась (причем зависимость носила линейный характер для стали А533В), а суммарный счет импульсов АЭ N_e при образовании трещины единичной площади не зависел от скорости роста трещины. Обнаружена прямо пропорциональная зависимость между N_e и площадью прироста трещины S: N_e=гS, что позволило выделить параметр г, равный отношению N/S, зависящий от условий испытания и меняющийся в пределах 2?44 события на 1 мм². Амплитудный анализ спектра АЭ, проведенный для стали А533В, показал, что с увеличением ДК до значения 67 МН/м^3/2 активизируются высоко-амплитудные источники АЭ.

Применение метода акустической эмиссии для контроля промышленных объектов

Применение метода АЭ в промышленности для контроля сосудов и конструкций в течение последних двадцати лет непрерывно возрастает. Начало применению АЭ было положено в США еще в 1964 г. при испытаниях фиберглассовых оболочек ракет. С тех пор разработчики аппаратуры для регистрации АЭ создали серию приборов и систем, используемых для исследовательских целей и для контроля промышленных объектов.

Для исследовательских целей применяется, как правило, одноканальная аппаратура с одним датчиком -- пьезопреобразователем. Если требуется локация (определение местоположения дефекта) в линейном объекте, например сварном шве, необходимо использовать аппаратуру с несколькими датчиками. Для локации дефектов в плоскости используется аппаратура с четырьмя и более датчиками и с обработкой данных на ЭВМ.

По американским данным, наибольшее применение метод АЭ нашел в атомной энергетике, нефтяной и нефтехимической промышленности для инспекции котлов, систем реакторов, реакционных сосудов и труб, работающих под давлением в процессе гидростатических, пусковых испытаний и при периодическом контроле в процессе эксплуатации.

АЭ используется при контроле промышленных сооружений, в том числе мостов для скоростного движения. Метод АЭ начинает применяться при периодическом контроле трубопроводов для транспортировки нефти и газа, для контроля работоспособности платформ в Северном море.

Наиболее интересной областью по праву считается применение АЭ для контроля сварных соединении. Работы в этой области в США координируются атомной комиссией. В объеме этой программы проведены определение и оценка >400 видов сварочных дефектов, в том числе трещины, непровары, пористость, вольфрамовые и шлаковые включения. С помощью автоматизированной системы АЭ проконтролированы сварочные швы сосудов из стали А533 с толщиной стенки до 100 мм. Изучение АЭ при испытании сосудов со сварочными дефектами 15 типов проводилось, например, в работе Т. Watanabe и др.. Было установлено, что АЭ достаточной амплитуды возникает в основном при распространении трещин, находящихся в сварных швах. Амплитуда АЭ зависит от местонахождения трещины и ее ориентировки в сварном шве. Кроме того, наблюдалась периодическая акустическая активность малых амплитуд от растрескивания шлаковых включений.

Обычные методы неразрушающих испытаний конструкций, работающих под давлением, призваны обеспечить уверенность в том, что дефекты, остающиеся после изготовления и испытаний, не приведут к потере герметичности и разрушению конструкции. Использование критериев линейной механики разрушения и результаты сдаточных испытаний создают уверенность, что размеры дефектов не превышают предельных размеров, однако действительные размеры субкритических дефектов при эксплуатации остаются неизвестными. АЭ позволяет контролировать степень критичности дефектов и определять их координаты при эксплуатации.

Ведутся активные исследования по использованию и развитию акустических методов, таких, как акустическая эмиссия, акустическая голография, акустическая спектроскопия и ультразвуковой метод, для создания систем контроля конструкций атомных станций.

Контроль систем реактора с помощью ультразвуковых методов имеет ряд недостатков, связанных с трудностями интерпретации результатов из-за наличия аустенитных покрытий, невозможностью испытать весь объем. Следует отметить, что применение сканирования для контроля больших объемов требует много времени, что приводит к большим материальным потерям при остановке ядерного реактора.

При контроле методом АЭ на сосуде или конструкции устанавливаются несколько стационарных датчиков, позволяющих контролировать объем в пределах сферы их действия. Точность определения координат дефектных мест крупногабаритных объектов составляет 5?10 см, что часто не позволяет определять глубину залегания дефектов в толстостенных конструкциях. Однако этот недостаток покрывается возможностью определения степени опасности растущих дефектов самых малых размеров. Кроме того, если требуется определять координаты дефектов с большей точностью, можно провести более детальную инспекцию другими методами. Кроме значительно меньшего времени инспекции при использовании метода АЭ по сравнению с другими методами контроля, привлекает существенно меньшая стоимость аппаратуры и контроля.

В связи со значительным уровнем АЭ, который имеет место при испытаниях авиационных материалов (алюминиевые, титановые сплавы и композиционные материалы), метод АЭ является весьма многообещающим при инспекции и предсказании разрушения авиационных конструкций. Многие элементы конструкции сделаны из высокопрочных конструкционных сплавов, обладающих относительно низкой способностью к торможению развивающейся трещины. При этом вследствие усталостного подрастания трещина может достигнуть критического размера и привести к быстрому разрушению конструкции. Наличие устойчивых связей между параметрами АЭ и закономерностями разрушения позволяет успешно проводить инспекцию баков, шестерен, стоек и других простых и сложных элементов конструкций.

В настоящее время метод АЭ широко используется не только для исследовательских целей, метод интенсивно внедряется в промышленность как неразрушающий метод контроля. При этом фиксируются фазовые превращения, определяются такие дефекты, как поры, закалочные трещины, включения, проводится локация развивающихся дефектов, что значительно упрощает и облегчает ликвидацию дефектных мест на стадии изготовления.

Продолжает расширяться применение АЭ для контроля конструкций. Осуществляется длительный и периодический контроль состояния сосудов, работающих под давлением, трубопроводов, мостов и других конструкций. Наиболее широкое применение метод АЭ получил в нефтехимической и атомной отраслях промышленности, а также для контроля авиационных и космических конструкций.

Размещено на Allbest.ru