Представлені математичні моделі механізмів виникнення сигналів акустичної емісії, складені на основі кінетичної теорії руйнування твердих тіл. Розглянуто підходи, що базуються на динамічному навантаженні твердих тіл, в яких руйнування представляється як розрив зв'язків між атомами в кристалічній решітці, в тому числі термоактивованої зародження мікротріщин і дислокаційні зміни. Зв'язок між процесом утворення дефектів і наявності ефекту акустичної емісії дозволяє визначити ступінь працездатності матеріалу при змінюються зовнішніх умов експлуатації виробу.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Марасанов В.В., Шарко А.А., Коберський В.В.


ANALYSIS OF MECHANISMS ORIGIN ACOUSTIC EMISSION SIGNALS AT DYNAMIC LADENING OF SOLIDS

Mathematical models of origins acoustic emission signals are provided, made on the basis of the kinetic theory of corrupting of solid bodies. The approaches which are based on dynamic loading of solid bodies in which corrupting is represented as a rupture of communications between atoms in a crystalline grid, including the thermoactivated origin of microcracks and dislocation changes are considered. Communication between process of formation of defects and existence of effect of acoustic emission allows to define a level of material operability in case of the changing external operating conditions of a product.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва діє до: 2016
    Журнал: Вісник Херсонського національного технічного університету

    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ МЕХАНІЗМІВ ВИНИКНЕННЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ ПРИ динамічного навантаження ТВЕРДИХ ТІЛ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ МЕХАНІЗМІВ ВИНИКНЕННЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ ПРИ динамічного навантаження ТВЕРДИХ ТІЛ»

    ?УДК 667.64: 678.02

    В. В. Марасанов, А. А. ШАРКО, В. В. Коберський

    Херсонський національний технічний університет

    АНАЛІЗ МЕХАНІЗМІВ ВИНИКНЕННЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ ПРИ динамічного навантаження ТВЕРДИХ ТІЛ

    Представлені математичні моделі механізмів виникнення сигналів акустичної емісії, складені на основі кінетичної теорії руйнування твердих тіл. Розглянуто підходи, що базуються на динамічному навантаженні твердих тіл, в яких руйнування представляється як розрив зв'язків між атомами в кристалічній решітці, в тому числі термоактивованої зародження мікротріщин і дислокаційні зміни. Зв'язок між процесом утворення дефектів і наявності ефекту акустичної емісії дозволяє визначити ступінь працездатності матеріалу при змінюються зовнішніх умов експлуатації виробу.

    Ключові слова: акустична емісія, динамічне навантаження, кінетика руйнування.

    В. В. Марасанов., А.О. ШАРКО, В. В. КОБЕРСЬКІЙ

    Херсонський нащональній техшчній ушверсітет

    АНАЛ1З МЕХАН1ЗМ1В ВИНИКНЕННЯ СІГНАЛ1В АКУСТІЧНО1 ЕМ1С11 ПРИ ДІНАМ1ЧНОМУ НАВАНТАЖЕНН1 твердих Т1Л

    Представлет математічнi моделi механiзмiв Виникнення сігналiв акустічно'1 об'ємним, склад на основi юнетічно '(теори руйнування твердих тт. Розглянутi тдході, что базуються на дінамiчному вантаженнi твердих ТЩ в якіх руйнування представляеться як розрив зв'язюв мiж атомами в крісталiчнiй решiтцi, зокрема термоактiвiрованное Зародження мiкротрiщін i діслокацiйнi змті. Зв'язок мiж процесом Утворення дефектiв i наявностi ЕФЕКТ акустічно'1 емiсii дозволяе візначіті ступiнь працездатностi матерiалами зовнштх умів експлуатації вироби, что змiнюються.

    Ключовi слова: акустична емся, дінамiчне НАВАНТАЖЕННЯ, ктетіка руйнування.

    V.V. MARASANOW, A.A. SHARKO, V. V. KOBERESKY

    Kherson National Technical University

    ANALYSIS OF MECHANISMS ORIGIN ACOUSTIC EMISSION SIGNALS AT DYNAMIC

    LADENING OF SOLIDS

    Mathematical models of origins acoustic emission signals are provided, made on the basis of the kinetic theory of corrupting of solid bodies. The approaches which are based on dynamic loading of solid bodies in which corrupting is represented as a rupture of communications between atoms in a crystalline grid, including the thermoactivated origin of microcracks and dislocation changes are considered. Communication between process of formation of defects and existence of effect of acoustic emission allows to define a level of material operability in case of the changing external operating conditions of a product.

    Keywords: acoustic emission, dynamic loading, corrupting kinetics.

    Постановка проблеми

    Забезпечення експлуатаційної надійності конструкцій вимагає розробки методів діагностики стану матеріалів на ранніх стадіях розвитку дефектів. Напрямок вивчення фізичної природи джерел акустичної емісії (АЕ) пов'язане з дослідженнями деформації і руйнування твердих тіл, що пов'язане з великими методологічними та експериментальними труднощами при інтерпретації отриманих результатів, незважаючи на постійний інтерес до цієї важливої ​​науково-технічної проблеми. З цих позицій набуває актуальності аналіз модельних уявлень і механізмів руйнування твердих тіл, що викликають появу актів АЕ.

    Аналіз останніх досліджень і публікацій Акустична емісія матеріалу супроводжує широкий спектр фізико-механічних процесів, що відбуваються в матеріалах, до яких відносяться пластична деформація матриці кристалической решітки, фазові перетворення поліморфного типу, освіту частинок другої фази при розпаді пересичених твердих розчинів. Найбільша кількість досліджень вироблено в

    області механічних випробувань і пластичної течії, вивчення механізму яких на всіх стадіях деформування і руйнування матеріалу становить одну з невирішених завдань АЕ контролю і механіки руйнування. [1-8]

    Формування мети дослідження

    Метою дослідження є аналіз застосовності моделей і математичних уявлень кінетичної теорії міцності твердих тіл до пояснення взаємозв'язку інтенсивності АЕ з величиною прикладеного навантаження.

    Виклад основного матеріалу дослідження

    Акустико-емісійний метод заснований на реєстрації хвиль при швидкій локальної перебудови структури матеріалу. Якщо в результаті навантаження локальна деформація, викликана існуванням дефекту, перевищує пороговий рівень, виникає акустична емісія. Інтенсивність емісії тим більше, чим вище деформація. При цьому за сумарною енергетиці АЕ можна судити про небезпеку дефекту.

    Джерелом акустичної емісії є процеси пластичної деформації і руйнування. Вони викликають виникнення хвиль напружень, які поширюються в структурі матеріалу і реєструються п'єзоелектричним перетворювачем.

    Кінетична теорія руйнування твердих тіл, заснована на тому, що в твердих тілах йде постійний процес накопичення пошкоджень [1]. Міцність матеріалу визначається величиною критичних напружень, при яких відбувається руйнування матеріалу. Руйнування - це розрив зв'язків між атомами в кристалічній решітці. Енергетична теорія міцності Гріффіта А.А. базується на законі збереження енергії при розгляді твердого тіла як пружного континууму, в якому містяться тріщини. У ній рівняння енергетичного балансу при розвитку тріщини записується в такий спосіб

    (ЖП + СЖП) + (Жу - СЖУ) = сот1 (1)

    де ЖП - величина поверхневої енергії; Ж у - пружна енергія.

    Руйнування твердого тіла при накладенні на нього механічних зусиль відбувається тоді, коли швидкість звільнення пружної енергії перевершує швидкість приросту поверхневої енергії. Чим більше розмір тріщин, тим менше міцність тіла, проте, така характеристика як час дії, в теорії Гріффіта А.А. не враховується.

    Зростаючий дефект виробляє свій власний сигнал, який може бути виявлений шляхом обробки різниці часів приходу хвиль до різних датчиків. [8]

    Кожен імпульс АЕ може бути наближено апроксимувати залежністю

    і = Ае-п БШ (, (2)

    де А -амплітуда сигналу;

    п-коефіцієнт загасання; (- кругова частота.

    (= Л Р2 - п2, (3)

    Тут імпульс АЕ системи р дорівнює

    (4)

    з

    р = -; т

    де с - коефіцієнт жорсткості матеріалу;

    т - приведена маса ділянки матеріалу конструкції, що прийшла в коливання.

    Період коливань АЕ системи з урахуванням того, що П << р і (~ р можна знайти з

    співвідношення:

    "2п 2п

    Т = »-. (5)

    1р2 - п2 Р

    Інформацію про джерело акустичної емісії містять амплітуда імпульсу, його тривалість, час приходу в задану точку поверхні і число імпульсів за досліджуваний інтервал часу.

    Серед параметрів, що характеризують стан конструкції, виділяють наступні: температура, тиск, величина прикладеного навантаження, циклічність навантаження, геометрія об'єкта і т.д.

    На основі вивчення робіт з дослідження ефекту акустичної емісії і його зв'язку з проблемою контролю міцності об'єктів, можна виділити кілька підходів, які базуються на аналізі різних математичних моделей, що встановлюють зв'язку параметрів АЕ з параметрами, котрі характеризують стан контрольованого об'єкта.

    Згідно кінетичної концепції теорії міцності [1], фундаментальним рівнянням, що описує кінетику процесу руйнування є рівняння:

    т = т0 ехр

    \

    кТ

    (6)

    т

    де - час, що залишився до руйнування;

    0 = 10 с - період коливань атомів в решітці;

    і0 - енергія активації розривів міжатомних зв'язків;

    У - структурно-чутливий коефіцієнт;

    7 - постійне розтягують напругу;

    до - постійна Больцмана;

    Т - температура.

    В [2] запропоновано механізм виникнення сигналів акустичної емісії при динамічному навантаженні твердих тіл, в якому за основу береться ячеистая випромінює структура матеріалу. Передбачається, що елементарного акту зростання мікротріщини, який представляє собою руйнування одного осередку, відповідає один імпульс АЕ. Процес руйнування описується формулою

    і08 (Т <1 Ь + 1

    N (Ь) = кТ<т ^ - (7)

    Т01

    де N (Ь) - інтенсивність АЕ;

    Ь - довжина тріщини;

    I - розмір елементарної комірки;

    до - постійна Больцмана;

    і0 - енергія активації розривів атомних зв'язків;

    <1 - постійна зовнішня навантаження;

    7т - теоретичну межу міцності;

    8 - параметр, що характеризує відношення міцності.

    8 = у-<- (8)

    7Т -7пц

    <Т і <7пц - межі плинності і пропорційності.

    Отриманий вираз справедливо для початкових стадій розвитку тріщини, що розповсюджується порівняно рівномірно і з невеликою швидкістю. У цій моделі інтенсивність АЕ визначається кінетикою руйнування, що дозволяє провести розрахунок часової залежності інтенсивності АЕ при одиничному акті термоактивованої зародження мікротріщини.

    Побудова феноменологічної моделі, в якій руйнування являє собою термоактивованої зародження цілого ансамблю мікротріщин представлено в [3,4]. Розглядається термоактіврованное зародження мікротріщин при навантаженні лінійно-змінюється з часом

    Р = ЦГ (9)

    де Ц - коефіцієнт, що визначає ступінь зміни навантаження.

    При цьому вивчаються наступні явища:

    - осередки з міцністю 7 < р механічно руйнуються;

    - осередки з міцністю З > p наближаються до розриву протягом часу t = Т \ визначається з формули

    т

    1

    dt = 1

    (10)

    0 т [p (t)]

    Для цієї гіпотези руйнування отримана наступна формула С г - З

    ^ Ехр ^ -пц- - - - -

    N (г) = -_ 1 [ехр (^^) + (- 1) ехр (^^)] (11)

    З г - З ПЦ + q t lyqt lyqt yqt

    а

    т

    де Nо - початкова число осередків в випробувальному зразку.

    Руйнування кожного осередку супроводжується випромінюванням одного імпульсу АЕ, тому кількість осередків, руйнуються в одиницю часу, відповідає термоактивованої складової інтенсивності АЕ.

    У цьому рівнянні величини N0, q, Т є характеристики міцності

    властивостей матеріалів, причому величина N0 не залежить від структури матеріалу, а параметр у залежить від

    розмірів вироби і технології його виготовлення. Це істотно ускладнює розрахунки часу, що залишився до руйнування і тому ступінь небезпеки дефектів визначається емпіричним шляхом.

    Механізм виникнення сигналів акустичної емісії при динамічному навантаженні твердих тіл в рамках дислокаційних уявлень розглянуто в [5-7]. Як джерела емісії хвиль напружень можна назвати наступні процеси і явища:

    - двойникование;

    - фазові переходи;

    - рух дислокацій;

    - ковзання кордонів зерен;

    - зростання тріщин;

    - водневе охрупчивание;

    - корозійне розтріскування;

    - втомні порушення.

    Дослідження акустичної емісії, що проводяться на дислокаційний рівні, носять якісний характер, тому що в цьому випадку стан матеріалу ще далеко до руйнування.

    Оцінити величину пружного зміщення Dsurf на відстані D від дефекту типу

    дислокационного сегмента, що рухається зі швидкістю V з характерним розміром [П • Ь • г] можна використовуючи формулу [7]:

    ^ П • Ь • Г •? • С2

    I) = _

    Г / 1С3 (12)

    де п - число дислокацій в сегменті;

    Ь - модуль вектора Бюргерса, м; Г - радіус відслідковується петлі, м; V - швидкість руху дислокації, м / с;

    - швидкість поперечних акустичних хвиль, м / с;

    С1 - швидкість поздовжніх акустичних хвиль, м / с.

    З цієї формули видно, що величина реєстрованого зміщення поверхні лінійно залежить від параметрів рухомого дефекту П • Ь • Г і V .

    В рамках дислокаційних уявлень отримана формула, що зв'язує швидкість відліку

    dп

    - або число відліків осциляцій в одиницю часу з величиною пластичної деформації? р

    dt р

    - = до е рк 'Єві ~ фе * (13)

    Ж р

    де ер - швидкість зміни деформації;

    ф - константа, яка визначається властивостями матеріалу;

    до і до - размерностние коефіцієнти. У цій моделі рухлива щільність дислокацій Nт дорівнює

    ^ Т = трер ехр (-фер) (14)

    де тр - коефіцієнт, що характеризує досліджуваний матеріал.

    Для нескінченної пластини в припущенні, що інтенсивність АЕ N пропорційна швидкості зростання обсягу розвивається тріщини Vp, укладеного в зоні з деформаціями е1 і

    е2 аппроксимируя межі цієї зони колами отримані співвідношення

    N = т? Р (15)

    де т - коефіцієнт пропорційності.

    Величина обсягу розвивається тріщини Ур дорівнює

    - є4 -е4

    у о = - е2 е \ | к4 (16)

    р 4п (Її ^) 4 (16)

    де - - товщина пластини; Е - модуль пружності;

    до - коефіцієнт інтенсивності напружень. У стій формулою значення до одно

    к = 80л [я1 (17)

    де - напруга, прикладена до пластини, що ініціює розвиток тріщини;

    I - довжина тріщини.

    З наведених міркувань випливає, що інтенсивність АЕ пропорційна четвертого ступеня коефіцієнта інтенсивності напружень.

    висновки

    Аналіз розглянутих подань і математичних моделей дозволяє з єдиних позицій кінетичної теорії міцності оцінити активність і амплітуду сигналів АЕ при динамічному навантаженні контрольованого об'єкта.

    Тісний зв'язок між процесами, що відбуваються всередині матеріалу при руйнуванні, і наявністю ефекту АЕ дають підставу поставити важливу практичну задачу: реєструючи ефект АЕ, визначити ступінь небезпеки змін, що відбуваються в матеріалі, тобто ступінь близькості матеріалу до стану руйнації.

    Список використаної літератури

    1. Регель В.Р., Слуцкер А.І., Томашевський Е.Е. Кінетична теорія міцності твердих тіл. М .: Наука 1974 - 560с.

    2. Вайнберг В.Є. Застосування кінетичної концепції руйнування для розрахунку інтенсивності акустичної емісії. / В.Е.Вайнберг, А.Ш.Кантор, Р.Г. Лупашко // Дефектоскопія 1976 - №3 -С.89-96

    3. Вайнберг В.Є., Лупашко В.Г. Інтенсивність акустичної емісії при утворення тріщин / дефектоскопії 1975 - №6 - С.129-131

    4. холодиль О.В., Білоног Д, Ю. Про внесок термоактивационного складової акустичної емісії при терті // неруйнівного контролю та технічна діагностика 2012 - №4 -С.14-19

    5. Панін В.Є., Єгорушкін В.Є., Панін О.В., Моісеєнко Д.Д. Природа локалізації пластичної деформації твердих тіл // Журнал технічної фізики 2007 - Т: 77 - №8 - С.77-84

    6. Мерсон Д. А. Фізична природа акустичної емісії при деформаційних процесах в металах і сплавах: дисертація доктора фізико - математичних наук 01.04.07 Барнаул 2001 -327с

    7. Wadley H. N. G. A study of deformation and fracture processes in a low- alloy steel by acoustic emission transient analysis. / H. N. G.Wadley, C.B.Scruby // Acta Met. - 1979. - 27, №4. - P. 613-626

    8. Марасанов В.В., Шарко А.А. Дослідження методів і пристроїв обробки сигналів акустичної емісії / Матер1ал IV Всеукрашсько! науково - практично! конференці студенпв, асшранлв та молодих вчених з автоматичного управлшня, присвячений Дню космонавтики 2016р. 12 квггня, С.128 - 134.


    Ключові слова: АКУСТИЧНА ЕМІСІЯ / ACOUSTIC EMISSION / динамічного навантаження / DYNAMIC LOADING / КІНЕТИКА РУЙНУВАННЯ / CORRUPTING KINETICS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити