АКУСТИКО-ЭМИССИОНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ СЕМУХИН Б.С.

АКУСТИКО-ЭМИССИОНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДЕЙСТВУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
СЕМУХИН Б.С.
В настоящей работе предложен способ определения действующих в данный
момент времени напряжений. Идея метода опирается на универсальную зависимость,
связывающую координаты сигналов акустической эмиссии (САЭ), и их время
возникновения с величиной отношения действующих напряжений и временного
сопротивления материала. На широком круге материалов - чистых металлах, сталях,
керамике показано действие этой зависимости. Приведено сравнение рассчитанных и
экспериментальных значений напряжений, наблюдается хорошее согласие.
Акустико-эмиссионный метод широко используется в качестве одного
из основных дефектоскопических методов с целью определения места
нахождения и размера того или иного дефекта типа трещина или
несплошность. Однако до настоящего времени не было работ посвященных
попытка оценить действующие напряжения по каким либо характеристикам
спектра сигналов, координатам и т. д.
При анализе процессов пластической деформации приходится применять
различные методы для определения напряжений, действующих в данный
момент времени в том или ином месте образца. Все методы, используемые в
настоящее время, опираются на факт неизменности модуля Юнга, либо
постоянство деформационных процессов во всем объеме образца. Даже при
использовании представлений нелинейных теорий, все расчеты сводятся к
закону Гука. Такое допущение приводит, на наш взгляд, к неверным или
завышенным оценкам напряжений. Переход к анализу напряженнодеформированного состояния в области развитых пластических деформаций
требует принципиального изменения подхода к учету свойств собственно
материала. В этом случае последний уже не может характеризоваться, как в
теории упругости, ограниченным набором постоянных материальных
характеристик, таких как упругие модули, коэффициент Пуассона,
плотность, предел текучести, временное сопротивление. Рост плотности
структурных дефектов при пластической деформации так меняет свойства
материала, что это изменение не может игнорироваться и требует
обязательного учета при использовании любого метода.
Знать же, как локализуются напряжения в процессе нагружения именно в
момент нагружения необходимо для правильного понимания действия
механизма деформации на той или иной стадии пластической деформации.
Предпринятые в последние годы детальные исследования локализации
пластической деформации позволили установить универсальность этого
явления. Оказалось, что пластическое течение на макроскопическом уровне
всегда неоднородно: деформируемая среда расслаивается на зоны активной
пластической деформации и недеформирующиеся области [1-6]. Таким
образом, именно то, на какой стадии деформационной кривой находится
материал, то есть, по какому закону он упрочняется и какова картина
локализации деформации, определяет, как поведет себя металл конструкции
в будущем. Из сказанного следует, что для создания неразрушающего метода
анализа напряженно деформированного состояния, пригодного для работы в
области пластической деформации, необходимо проанализировать изменение
информативного сигнала в процессе нагружения, а не после релаксации или
разгрузки. В ходе пластического формоизменения одни структурные
деформации уровни заменяются другими, дислокационная структура
претерпевает качественные и количественные изменения. Имеющиеся в
литературе данные о таких изменениях относятся к микроскопическому
масштабу, и их трудно использовать при интерпретации закономерностей
макропластической деформации. Положение осложняется тем, что для
проведения микроскопических исследований необходимо разгрузить образец
и вырезать из него подходящий по размеру объект микроскопического
исследования. Все эти процедуры сопровождаются релаксацией напряжений
и следующей за ней перестройкой дислокационной структуры. Предлагаемое
здесь решение, согласующее эти масштабы, основано на следующей модели
Зуева Л.Б.[7-9]. Поликристалл, нагруженный внешним устройством,
представляет собой мозаику напряженных областей микроскопического
масштаба, связанных с концентраторами напряжений, в области которых
генерация дислокационных сдвигов оказывается более вероятной. Каждый
сдвиг при этом рассматривается как скачкообразный релаксационный
процесс. Релаксационный скачок сопровождается излучением упругих
импульсов (акустической эмиссией - АЭ). Таким образом, состояние
напряженного материала характерно тем, что в системе упруго напряженных
концентраторов блуждают случайные упругие импульсы, наложение которых
на статические поля концентраторов повышает вероятность релаксационных
актов пластической деформации.
В настоящей работе предлагается метод определения действующих
напряжений в процессе испытания образца, основанный на определении
координат возникновения импульсов акустической эмиссии и связи их с
напряжениями.
Материалы и приборы
В работе были исследованы акустико-эмиссиные спектры большого
количества материалов при испытании на растяжение и сжатие вплоть до
разрушения. Для анализа использовали шесть видов низкоуглеродистых
сталей, имеющих широкое применение в промышленности. Кроме того, на
некоторых сталях было проведено исследование сварных соединений. В
качестве модельного материала был исследован чистый кобальт. Из
неметаллических материалов была выбрана керамика на основе диоксида
циркония, также имеющая широкое перспективное применение в
промышленности. Для определения мест возникновения упругих импульсов
использовали следующую технику.
Приемно-усилительный блок:
Полоса принимаемых частот, по уровню –3дБ
0,2-2 МГц
Коэффициент предварительного усиления, не менее
10
Отношение сигнал/шум, не менее
12дБ
Блок АЦП:
Шина интерфейса ПК
PCI
Потребляемая мощность +5В, не более
1,5 А
Число аналоговых входов
2 синхронных (2 независимых АЦП)
Входное сопротивление (импеданс)
50 Ом (75, 93 ОМ)
Ширина полосы пропускания (-3дБ)
40МГц
Диапазоны входного напряжения
±2В; ±1; ±0,4В;
±0,2В
Максимальное входное напряжение
±4В
Разрешение АЦП
12 бит
Максимальная частота дискретизации
50МГц
Для обработки сигналов было разработано программное обеспечение.
для автоматизированного анализатора акустоэмиссионного спектра.
Разработка представляет собой программный продукт, выполненный в
системе визуального проектирования Borland C++ Builder 6.0, и содержит
все необходимые для его нормальной работы компоненты.
Вид типичной картины распределения по образцу САЭ в процессе
деформации приведен на рис .1 для малоуглеродистой стали. Хорошо
прослеживаются все стадии пластической деформации и связанные с ними
САЭ – упруго-пластический участок, площадка текучести, стадия
параболического упрочнения. Видно, например, что при достижении
упругопластической стадии деформации возникают отдельные локальные
сигналы АЭ, первые максимумы интенсивности АЭ регистрируется в
области микротекучести (ниже предела текучести).
Такие же распределения были получены для большого количества
разных материалов. Для понятия связи напряжений и характеристик САЭ
построили унифицированные зависимости, связывающие координаты и
время САЭ и величину отношения напряжений к величине временного
сопротивления каждого материала, взятую из эксперимента по деформации
вплоть до разрушения того или иного материала. На рис.2 приведены
типичные зависимости для сталей и чистых металлов. Аппроксимируя
типичной параболой такие зависимости, получаем простую связь координат
и времени возникновения САЭ с напряжениями.
Это зависимость с параметрами, соответствующими зависимости,
описывающей процессы типа пластической деформации, где происходит
иерархическое соподчинение пространственных структур, принадлежащих
крупномасштабным уровням  блокам, границам зерен, границам
разориентации. Она описывает логарифмическую метрику физически
наблюдаемых величин с нерегулярным деревом Фибоначчи с переменной
ветвистостью.
Мы рассчитали величины действующих напряжений по предложенной
формуле для упругопластических участков нескольких материалов.
Известно, что большинство конструкций работает именно в таком режиме.
На рис.3 представлены рассчитанные и определенные по акустикоэмиссионым данным величины временного сопротивления для ряда сталей,
металлов и керамики. Наблюдается хорошее согласие, величина
коэффициета корреляции равняется 0.9, что позволяет предложить
использовать данную методику для анализа любых твердых тел и
конструкций в процессе эксплуатации неразрушающим акустико
эмиссионным методом.
Литература
1.ZuevL.B. , Danilov, V.I. Plastic deformation viewed as evolution of an active medium //
International Journal of Solids and Structures .1997.  V.34. P.3795-3805.
2. Zuev, L.B.,Danilov, V.I. Plastic deformation modelled as a self-excited wave process at the
meso- and macro-level // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 1998.  V.30. 
P.175-184.
3. Zuev, L.B. and Danilov, V.I. A self-excited wave model of plastic deformation //
Philosophical Magazine. 1999.A 79.  P.43-57.
4. Aifantis, E.C. On the role of gradients in the localization of deformation and fracture//.
International Journal of Engineering Science.  1992.  V.30 .  P.1279-1299.
5..Estrin, Yu., Slus, B., Brechet, Yu. and Molimary, A. A dislocation based gradient plasticity
model.// Journal of Physics IV France .  1998.  V8.  P.135-141.
6. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и
разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наук думка.  1987. – 315 с.
7. Семухин Б.С., Зуев Л.Б., Бушмелева К.И. Скорость ультразвука в низкоуглеродистой
стали, деформируемой на нижнем пределе текучести // ПМТФ. - 2000. - Т. 41, № 3. С.197-201. 7
8.Зуев Л.Б., Данилов В.И., Семухин Б.С. Пространственно – временное упорядочение при
пластическом течении твердых тел // Успехи физики металлов.2002. –Т.3. №3 .
С.3-63
9.Zuev L.B., Semukhin B.S., Bushmelyova K.I., Zarikovskaya N.V. On the acoustic properties
and plastic flow stages of deforming Al polycrystals // Material Letters.  2000. - Vol. 42. 
N 1-2 .  Р. 9710. Panin V.E. Physical mesomechanics of solid surface layers. Proceedings International
Conference on New Challenges in Mesomechanics, Aalborg University . Denmark, 26-30.08 .
 2002.  P. 173-180.
11. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids //
Theoretical and Applied Fracture Mechanics . 1998 . No. 30 . P. 1-11.
12. Panin V.E. Synergetic principles of physical mesomechanics // Theoretical and Applied
Fracture Mechanics. 2001.  No. 37.  P. 261-298.7.
80
500
70
60
400
40
300
30
200
x, мм
 МПА
50
20
10
100
0
0
0,00
0,02
0,04
-10
0,08
0,06

Рис.1. Деформационная зависимость и возникновение сигналов АЭ в стали М16С
1,2
1,0
xt/x0t0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
B
Рис.2 Экспоненциальная зависимость между координатами АЭ и напряжениями в
различных материалах ( - ОТ4,- Д1,-Со,
 - М16С, Ст20)
900
09Г2С
2
800
Co
R =0,88
700
расч, МПа
600
M16C
500
Д1
Ст20
400
ZrO2
300
200
100
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900
(эксп), МПа
Рис.3.Временное сопротивления материалов , определенное из
эксперимента и акустико-эмиссионым способом