Способ обнаружения усталостных трещин образца материала

СООЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛ ИСТИЧЕСН СПУБЛИК) Со ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ Я Е АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 2лючения влияния сигналов, не связанных с ростом трещины. Образец материала циклически нагружают, ре" гистрируют акустическую эмиссйю в период раскрытия берегов усталостной трещины в цикле нагружения за число циклов, обеспечивающих получение статистически достоверных данных, Выделяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии,. характеризующих рост усталостной тре" щины, определяют диапазон нагрузок,. в котором выделенный интервал. сигна лов .акустической эмиссии изменяет-, ся во всех циклах по одинаковому закону. О наличии трещины в контролируемом образце судят по сигналам акустической эмиссии в выделенном диапазоне. 7 ил. Р 22ый научно-исслетут гражданской А.А,Шанявски(57) Изобретени нияи, в частнос стных испытаний женном состояни относится к испытк способам усталори сложном напря Цель изобретениярности путем. искповышение достов оле я с ани являе образ еско нии,ажн ко и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 01 НРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Государственндовательский инстиа виа ции(54) СПОСОБ ОБНАРУТРЕЩИН ОБРАЗЦА МАТ Изобретение относится .к областииспытаний, в частности к .способам. усталостных испытаний при сложномнапряженном состоянии,Известен способ обнаружения тре"щин, заключающийся в том, чтообъект:циклически нагружают и регистрируютакустическую эмиссию, по параметрам, которой определяют момент раскрытия берегов трещийы.Известный". способ позволяет -судить о кинетических параметрах трещины толькотогда, когда трещинасуществует и необходимо определять .:характеристики нагружения материа:.ла., При этом нагружение при регистрации сигналов акустической эмиссии осуществляют путем монотонного расяжения объекта. Последнее не подазумевает развитие трещины и потому не позволяет судить о ее,разитии. близким к предлагаемом особ контроля трещинов материале, основанны на измерении параметров акустич эмиссии при циклическом нагруж образца материала, в котором в дом цикле регистрируют величин нагрузки в момент появления си лов акустической эмиссии, наход .значение нагрузки, при которой личество сигналов акустической эмиссии максимально, и по нему ределяют пороговое значение коэ1741012 2496 ки Самборска рект едактор Ю.Петрушко но СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужород, ул. Гагарина,аказ 2302НИИПИ Государственного коми113035, Иоск Составитель А.Ш Техред Л. Сердюков е Тираж Подпи а по изобретениям и .Ж"35, Раушская наб. ткрытиям ириде 4(5циента интенсивности напряжений ввершине трещины,Недостатком данного способа является то, что регистрация первыхсигналов акустической эмиссии вцикле может соответствовать как.процессу пластичеокой деформацииматериала, его частичному разрушению, так и неупорядоченному актуконтактного взаимодействия береговтрещины.Помимо этого данный способ непозволяет регистрировать наличиетрецины в материале, поскольку появление сигналов акустическойэмиссии в цикле на разных стадияхнакопления. повреждений. отвечаетразличным закономерностям их йормирования, при этом число актов, соответствующих разным процессам усталости, может быть сопоставимо.Цель изобретения - повышениедостоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с ростомтрещины.Поставленная. цель достигаетсятем, что согласно способу регистрации усталостных трещин, заключающемуся в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагрузку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяютинтервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующихрост усталостной трещины и диапазоннагрузок, в котором указанный интервал сигналов акустической эмиссииизменяется во всех циклах по одинаковому закону, а о наличии трещинысудят по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне.На Фиг,.1 изображена схема нагружающего устройства, на Фиг.2схема расположения датчиков на испытываемом образце; на йиг 3 (а,.б,в, г) графики распределения актовакустической эмиссии (АЭ) (в) иамплитуд АЭ (г) и их контурные кар"ты (а) и (6), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостнойтрещины, на йи .4 (а,б,в,г) - графи"ки распределения актов АЗ с амплитудами 10-20 дБ (в) и 20-30 дБ (г) сих контурными картами (а) и (6), со-ответственно, в диапазоне раскрытияберегов усталостной трещины, наФиг.5 (а,б,в,г) - граФики распределения актов ЯЭ с амплитудами 305 16 15 2 О 25 30 35 40 4 50 55 40 дБ (в) и свыше 40 дБ (г) с ихконтурными картами (а) и (6), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостной трещины, на фиг.б(а,б,в,г) -,грайики распределенияактов АЭ (в) и амплитуд АЗ (г) и ихконтурные карты (а) и (б), соответ"ственно после двойной фильтрации вдиапазоне .амплитуд 20-30 дБ и интервале напряжений 158-197,2-171,3 ИПана фиг. 7 - графики практической реализации предлагаемогоспособа длясредней суммарной амплитуды .(а). иматематического ожидания амплитуды(6),П.р и м е р. При реализации данного способа используют нагружающееустройство, обеспечивающее жесткийрежим циклического нагружения при испытании на изгиб по трехточечнойсхеме (Фиг.1)Устройство состоит из опорныхроликов 1, перестраиваемого эксцентрика 2, толкателя 3 и направляющихперемещения толкателя 4.цля приема, регистрации и обра-.ботки сигналов акустической эмиссии(ЯЗ) используют специализированныйанализатор-локатор серии 3000/3104Фирмы РАС США) . В качестве приемников.АЭ используют датчики дийференциального типа с резонансной частотой 300 кГц. Расположение датчиковпоказано на Фиг.2.: где на образце 5с концентратором О установлены охранные датчики 7 и информативныйдатчик 8, датчики 7 выполняют Функции охранных датчиков,. т,е. сигналы,которые во времени принимаются этимидатчиками раньше, чем информативнымдатчиком 8, отфильтровываются и вобработке не участвуют, Таким образом, контроль акустической эмиссииосуществляется по схеме временнойселекции.Эксперименты выполняют на образцахпрямоугольного сечения из алюминиевого сплава Л 16 Т с геометрическимиразмерами 10 х 30 х 250 мм. На образец 5наносят несквозной концентратор полу"эллиптической йормы протяженностьюпоповерхности 5,мм и глубиной 1 мм.Концентратор .наносят электроискровымспособом, .что исключает наличие осстаточных напряжений. Воспроизводимость минимального и максимального прогибов образцов от испытания к испытанию достигается за(2),0= 0,5 + 0,4 К,5 1 счет изменения диаметров опорных ро,ликов 1 и изменения велицины эксцен триситета у перестраиваемого эксцентрика 2С целью получения колицественнО сопоставимых результатов при проведении акустико-эмиссионного конт-" роля в каждом испытании выполняется контроль качества акустического контакта с целью его воспроизводства.Таким образом, все испытания проводят в равных воспроизводимых условиях нагруженйя и качества акустического контакта, цто допускает сопоставление результатов.Известно, цто взаимное перемещение берегов усталостной трещины в цикле нагружения начинается в момент, когда действующее напряжение становится больше остаточных сжимаюцих напряжений в устье усталостной трещины и прекращается в момент их равенства в полуцикле разгрузки.Для расчета этих напряжений в цикле найдено эмпирицеское соотношение: ср макс. "(а макс .с мии )(1),где Яс - напрянения нацала иконца взаимного перемещения берегов усталостной трещины,Яо, - максимальное (минимакс(мин 1мальное) напряжение,действуюцее в цикле,О - поправка на раскрытие берегов усталостной трещины.Входящая в это соотношение поправка 11 позволяет уцитывать асимметрию цикла нагружения, отлицного от пульсирующего и определяется из со- отношения где К - коэФфициент асимметрии цик" ла нагружения (В = Я,/ авакс) Выбор такого диапазона обеспеци" вает регистрацию сигналов АЭ, свя". занных только с процессами подрастания усталостной трещины в цикле и исключает все сигналы АЭ, связанные с другими процессами, например с контактным" взаимодействием берегов7 Й 1012, бусталостной трещины в зоне скосовот пластицеской деФормации.Для приведенного примера эта величина соста вляла 107,6 ИПа при мак.5симальной нагрузке в цикле.По окончании испытаний для первого образца выполняется следующая последовательность операций при обра 1 р ботке полученных данных.После долома образца выполняетсяфрактография с целью определениячисла циклов, соответствующих моменту возникновения усталостной тре 15 щиныДля всего массива данных, собранного в период раскрытия берегов усталостной трещины,. установленного всоответствии с Формулами (1), и (2)20 построен (фиг.3) трехмерный графикамплитудного распределения (ось У)от изменения напряжения в цикле (осьХ) в зависимости от циклов нагружения (ось 2), а также трехмерный гра 25 фик распределения актов АЭ (ось 7)от изменения напрянения в цикле (осьХ) в зависимости от циклов нагруженил (ось 2) . (На Фиг.3 - г и в соответственно).Для этих графиков были построеныконтурные графики, суть построениякоторых заключается в последовательном сечении трехмерных графиков горизонтальными плоскостями и построении проекций линий пересечения горизонтальных плоскостей с трехмернымиповерхностями: для графиков Фиг.3 а(контурный график распределения актов АЭ. Ось Х - изменение напряжения в цикле для выбранного диапазона,ось У - цисло циклов нагружения) ифиг.3 б (контурный график распределения актов АЭ. Ось Х - изменение напряжения в цикле для выбранного диапазона, ось У - цисло циклов нагру женил), Число плоскостей сечения 30.Об активности протекания процессасудят по плотности проекций линийпересечения.Из полученных графиков видно, чтокак для амплитудного распределения(Фиг.3 г, так и для интенсивиоттивозникновения актов АЭ (фиг.3 в) можновыделить области преимущественногорасположения сигналов АЗ. Однако,55 если для амплитудного распределенияэта область представляется в видехребта с расширяющимся основанием,то для распределения актов АЭ по174мимо основного хребта можно видетьряд сопутствующих хребтов,Дальнейший анализ построен попредставлениям физической моделипоследовательности протекания процессов, сопровождающих рост усталостной трещины в цикле нагружения и сопутствующих им сигналов АЭ.Последовательность процессов, сопровождаюцих рост усталостной трещины в цикле нагружения, следующая.После превышения остаточных сжимающих напряжений происходит разрывперемычки и слияние дислокационнойтрещины возникшей в конце предыду-щего цикла) с магистральной, Этотпроцесс может генерировать АЭ дискретного типа, однако для трещинмалых размеров не всегда регистрируется АЭ, сопровождающая этот процесс, так как поперечное сечениеперемычки мало и материал значи"тельно "разрыхлен" предшествующимипроцессами пластической деформации,Далее начинается взаимное перемещение берегов усталостной трещины,сопровождаемое процессами пластической деФормации материала в устьетрешны, цто порождает активную АЭнепрерывного типа, В области, близкой к максимальному действующемунапряжению, образуется дислокационная трещина и после перехода черезмаксимум за счет дисклинациональныхмод пластической деформации, Формируется свободнаяповерхность. Этипроцессы сопровождаются АЭ дискретного типа. Затем вплоть до моментапрекращения взаимного перемещенияберегов усталостной трещины происходит формирование зоны пластическойдеформации в вершине усталостнойтрещины, цто сопровождается акустической эмиссиейнепрерывного типа.Так как АЭ непрерывного типа связана с дислокационныии процессамипластической деФормации, которые необязательно связаны с ростом уста.лостной трещинь 1, а присутствуют ина стадии накопления усталости.необходимо выделить сигналы акустической эмиссии дискретного типа,связанные только с наличием растущей усталостной трещины.С этой целью весь диапазон принимаемых амплитудами значений разбитна цетыре поддиапазона 10-20, 20-30,30-40 дБ и в цетвертом поддиапазоне 10128.все амплитуды свыше 40 дБ. Для каждого поддиапазона построены графикитрехмерного распределения актов акустической эмиссиии их,контурный гра 3фик, которые приведены на фиг.4 ифиг.5. На фиг,4 а и 4 в видно, цтособытия с амплитудами 10-20 дБ ре"гистрируются в процессе всего испы"1 О тания как на стадии накопления усталости, так и на стадии роста усталостной трещины. Такие сигналы необходимо связывать с дислокационнымипроцессами пластицеской деформации.Максимальное число таких событий нафиг.4 в,составляет 1 ю 10,Для следующего диапазона, графикикоторого приведены на фиг,4 б и 4 г,максимальное число событий на фиг.4 г2 О составляет 7 х 10, и все они группируются в зоне, близкой к ма ксималь-йому действующему напряжению. Числоциклов, соответствующее моменту возникновения усталостной трещины в со-.ответствии с фрактографическимиизмерениями, совпадает уже в четвер"том порядке со значением, котороеможно получить из фиг,4 б (нижняяточка первого контура основного кластера), Таким. образом, события акустической эмиссии в этом диапазоне амплитуд относятся к процессам Форми"рования свободной поверхности растущей усталостной трещины.Результаты графического представления. для двух последних диапазонов приведены на фиг,5. Из амплитудных распределений для этих диапазонов видно, что их число. ничтожномало по сравнению с общим числомсобытий акустической эмиссии зарегистрированных в процессе испытаний, 4(роме того, события с этими амплитудами встречаются как на стадиинакопления усталости, так и на стаф дии роста усталостной трещины (этоособенно ярко выражено.для событийакустической эмиссии с амплитудамипревышающими 40. дБ) .Таким образом, только по регисто рации событий с амплитудами 2030 дБ можно судить о наличии усталостной трещины в подконтрольномобъекте.Последней операцией, необходимойдля определения параметров двойнойФильтрации, является определениенапряжений в цикле, в пределах которого с возрастанием числа циклов1741012 10способа, Условия нагружения и акустического контакта те же, цто и в выюерассмотренном испытании. ДвойнаяФильтрация осуществляется программно5в установленных диапазонах, т.е.сигналы акустической эмиссии,регистрируются в диапазоне 20-30 иБ для амплитуд, и диапазоне 158-197,2 471,3 МПа изменения напряжений в цикле .На Фиг.7 представлены графики двух.параметров акустической эмиссии: ма"тематического ожидания амплитуды акустическойй эмиссии, принцип построениякоторой тот же, цто и у суммарнойакустической эмиссии (Фиг.7 б). Интервал усреднения 5 мин или 363 цикла,На обоих графиках легко выделитьдва уцастка - участок,с нестационар 2 О но регистрирующим сигналом акустической эмиссии и участок со стабильнорегистрируемым сигналом; на которомпо иере роста трещины для математи"цеского ожидания амплитуд размахосцилляций уменьшается и стремйтся кнекоторой средней велицине, а длясуммарных средних амплитуд акустице- .ская эмиссия с этого момента начинаетустойчиво нарастать.Использование изобретения позволяет с высокой достоверностью регистрировать момент возникновения иналичие усталостной трещины,нагружения происходит устойчивое изменение сигналов акустицеской эмиссии с амплитудами в диапазоне 20.-30 дБ. Этот диапазон легко определить из результатов обработки массива. данных после Фильтрации для сигналов акустической эмиссии в диапазоне амплитуд 20"30 дБ. По результатам обработки этот диапазон изменяется в пределах от 153 МПа в полуцикле увеличения нагрузки с переходом через максимум 197,2 МПа до 171,3 МПа в полуцикле снижения нагрузки.Результаты двойной Фильтрации, полученные.при испытании массива дан-. ных, приведены на Фиг,б. Из этих графиков видно, что использованные предпосылки и методика обработки данных позволяют как с помощью регистрации информативного параметра(в приведенном примере амплитуд) так и с помощью регистрации актов аку.стической эмиссии надежно .и достоверно регистрировать как момент возник" новения, так и наличие усталостной трещины в подконтрольном объекте.Несмотря на то, что регистрация акустической эмиссии осуществляется в каждом цикле нагружения, для по" лучения каждой точки представления информации использует массив, со- . бранный за некоторое число циклов. Это число циклов должно бьть доста" точным для получения статистически достоверных данных. Для испытания, приведенного в примере, временной интервал сбора информации составляет 5 мин, .т.е. 356 циклов. Такое число циклов достаточно для получения ста-. тистически достоверного результата, в то же время прирост трещины мал .и в реальных условиях контроля им мож.но пренебречь. Так, в условиях жест.кого нагружения, при которых проводят эксперимент, скорость роста усталостной трещины на стадии стабильного роста, которая описывается К,й составляет .в среднеи 0,15 мкм за цикл, что равняется на базе измерений 4,45 мкм.На Фиг. 7 приведены результаты конкретной реализации предлагаемого ВФормула изобретения 35Способ обнаружения усталостныхтрещин образца материала, заклюцаю. щийся в том, цто к образцу материала прикладывают циклическую нагруЬ ку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, о т л и ц а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения достоверности путем исключения влия"ния сигналов, не связанных с ростом 4 трещины, определяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии,характеризующих рост усталостной: трещины, и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал изменяется И во всех циклах по одинаковому закону,а о наличии трещины судят по сигнаВлам акУстической эмиссии в указанномдиапазоне.