Delist.ru

Исследования технического состояния материалов и конструкций методами акустического зондирования (02.10.2007)

Автор: Родюшкин Владимир Митрофанович

.Лабораторные эксперименты на стержне, находящемся под циклической нагрузкой, показали, что случайная погрешность измерения среднего значения амплитуды динамических деформаций в сечении стержня не превышает 5%.

-динамическая нагрузка.

. Таким образом, интегральную динамическую составляющую силы контактного взаимодействия можно оценить по измерению модуляции фазы зондирующей волны:

, что соответствует значениям силы в 1Н.

На примере волноводного элемента конструкции (рис. 5) удалось доказать возможность реконструкции поля внутренних динамических деформаций по результатам акустического зондирования.

На примере волноводного элемента конструкции (рис. 5) удалось доказать возможность реконструкции поля внутренних динамических деформаций по результатам акустического зондирования.

, которая в случае монохроматического поля является квадратом индекса модуляции, величины в технике известной и доступной для измерений:

на частоте 20 кГц минимален (( / (0 = 0,76 ), что указывает на максимальную неоднородность поля в этой области образца; в процессе перехода к более удаленным от излучателя областям модели элемента структура поля становится более гладкой, близкой к равномерному распределению; интервал корреляции с ростом частоты поля уменьшается от 0,95 до 0,22.

Это свидетельствует о том, что при увеличении частоты возрастает и неоднородность поля. На частотах 15 кГц и ниже в пределах погрешности метода структура поля в различных точках не отличалась от равномерного распределения. Отмечено также увеличение неоднородности поля вблизи сочленения: в эксперименте уменьшение интервала корреляции составляло до 50%. Разброс в значениях (/(0 для различных серий измерений при одних и тех же условиях не превышал 15 %. Таким образом доказана возможность оценки пространственного распределения поля деформаций по сечению элемента конструкции.

совпал с экспериментальными данными. Верхняя кривая соответствует данным для опыта с шаром массой 94 гр; нижняя кривая для шара с массой 8,5 гр.

Тем самым показано, что импульсное поле деформаций можно контролировать методом акустического зондирования.

Высокоэнергетический, импульсный процесс высокоскоростного движения тела (момент старта, период разгона тела, последующий "звон" конструкции) порождает высокий уровень электромагнитных помех, импульсный шум, создавая проблемы при измерении параметров движения разгоняемого по упругим направляющим тела. Используя зондирование объекта волнами, имеющими не электромагнитную, а механическую природу, можно уйти от этих проблем. Принцип измерения параметров движения показан на рис. 7. Он связан с тем, что движение нагрузки или какого-либо тела по упругой направляющей сопровождается движением зоны деформации в материале направляющей со скоростью тела.

Рис. 7. Схема измерения параметров движения тела по направляющим: 1-датчик давления; 4-движущееся тело; 5-направляющая труба; 6-диафрагма; 9–генератор; 2,3,7,8,10-пъезоэлектрические преобразователи

с составила 17%. В конце главы приводятся примеры практической акустической тензометрии: контроль напряжений в заготовках крупногабаритных деталей (шатуны дизеля); контроль интегральных характеристик внутренних динамических деформаций в элементах машин.

В четвертой главе обосновывается возможность создания дисперсионных и нелинейных акустических методов определения технического состояния материалов и конструкций. Проведен анализ моделей структурно-неоднородных сред, описывающих дисперсию волн в этих средах. Дисперсия присутствует в моделях, где допускается упрощенное представление среды как цепочки масс, зерен. Известны и более сложные модели сред, например, континуум Коссера, где среда представляется состоящей из сферических частиц, каждая из которых характеризуется смещением центра и вращением. Кинетические модели развития микротрещин приводят к весьма сложным упругопластическим свойствам среды, к неклассическим дисперсионным соотношениям. Более того, в некоторых моделях сред с микроструктурой появляются новые типы волновых движений (дисперсионных ветвей, дополнительных по отношению к обычным продольным и поперечным волнам в упругих телах). Они могут быть связаны, например, с вращательными степенями свободы микроструктурных блоков среды. Подобные модели развиты в работах А.И.Потапова, где предполагается, что материал содержит включения, в виде прямоугольных гранул, как показано на рис. 8.

Исследования моделей показывают, что дисперсия волн несёт в себе информацию о структурном состоянии материала. Таким образом, для того чтобы оценить структурное состояние материала остается только технически грамотно измерить параметры дисперсии.

от линейного закона, чувствительного к состоянию материала и может служить в качестве диагностического признака. Чувствительность к изменению состояния среды дисперсионного параметра, предлагаемого в качестве диагностического, на порядок выше, чем чувствительность к изменению этого состояния скорости распространения волн, при этом не делается специальных измерений скорости волн.

Таким образом, не делая специальных измерений скорости волн, оценивается степень отклонения реального технического состояния материала от нормативного.

Рассмотрены некоторые результаты нелинейной акустики под практическим углом зрения – можно ли использовать акустические эффекты, обусловленные нелинейностью среды, для определения технического состояния материалов и конструкций. Различают геометрическую, физическую и структурную нелинейность. Первая связана с присутствием в уравнениях движения нелинейных членов, вторая – с нелинейностью сил межмолекулярного взаимодействия. Сила отталкивания при сближении атомов нарастает быстрее, чем сила притяжения при увеличении расстояния между ними (то есть сжать уже сжатый материал труднее, чем растянуть уже растянутый). В этом случае справедлив нелинейный закон Гука. Структурная нелинейность проявляется в материале с дефектами и определяется надмолекулярной структурой материала (дислокациями, остаточными внутренними напряжениями, микротрещинами и т.д.). В то же время от наличия микротрещин, микропор, скоплений дислокаций и других «зародышей» процесса разрушения зависит прочность твердых тел, что во многом определяет техническое состояние материала. При небольших концентрациях зародышей, малых по сравнению с длиной волны, линейные акустические характеристики (затухание и скорость звука) обычно малочувствительны к дефектам структуры. Напротив, нелинейность структурно- неоднородных материалов может намного (на два – три порядка) превышать их обычную молекулярную нелинейность. Поэтому для оценки технического состояния материалов, для неразрушающего контроля наиболее важна структурная нелинейность.

Идею использования нелинейных методов в акустической диагностике выдвигали О.В.Руденко, С.И.Солуян. Нелинейность среды приводит к зависимости фазовой скорости от деформации. Различные фазы волны распространяются с разными скоростями, вследствие чего форма волны по мере распространения изменяется. Искажение формы волны приводит к изменению её спектра. Спектр волны обогащается гармониками, то есть нелинейность приводит к генерации гармоник в твердом теле. Акустические измерения нелинейных модулей (параметр квадратичной нелинейности может быть измерен по амплитуде второй гармонике, а кубической – по амплитуде третьей гармоники или эффектам самовоздействия) дали возможность оценить пределы прочности, которые совпала с результатами независимых статических испытаний.

Физические механизмы, приводящие к большим нелинейностям из-за дефектов структуры, имеют разную природу. Причиной может служить микротрещина, толщина которой меньше или порядка амплитуды смещения в акустической волне; контакт между фрагментами структуры, меняющий свою площадь в зависимости от того, сжимается среда либо растягивается; несплошность с малым радиусом кривизны, котораяявляющаяся при деформации среды является концентратором напряжений,; наличие в структуре материала компонент с резко контрастирующими упругими свойствами и др. При усталостных повреждениях увеличение нелинейности связано с прогрессирующим рождением дефектов. Таким образом, рост концентрации структурных неоднородностей обуславливает возрастание нелинейности и снижение прочности материала.

Существуют различные модели, описывающие нелинейность структурно-неоднородных сред. Модели возникновения нелинейности в пористой среде исследовались в работах Л.А.Островского, модели гистерезисного типа изучались в работах В.Е.Назарова, модель разномодульных сред использовалась в работах В.И.Ерофеева, обобщенная модель упругой нелинейности среды с микронеоднородной структурой описывается в работах В.Ю.Зайцева.

В нашу задачу не входит детальное изучение ответственных за нелинейные эффекты микромеханизмов, ответственных за нелинейные эффекты. Нередко эти механизмы не вполне ясны.

Наша задача - попытаться выяснить, можно ли применить акустического зондирования для оценки технического состояния структурно-неоднородных материаловах на основе эффектов, обусловленных структурной нелинейностью среды.

Рассматривается аппаратная реализация нелинейных акустических методов определения технического состояния конструкционных материалов как при зондировании материала импульсами волн, так и при зондировании непрерывным монохроматическим излучением. Воздействие квадратичной нелинейности системы на зондирующий синусоидальный сигнал выражается в том, что в выходном сигнале появляется составляющая на двойной частоте или вторая гармоника. Эффективность генерации этой гармоники определяется нелинейным параметром, учитывающим вклад различных механизмов нелинейности.

Экспериментальное наблюдение за возникновением гармоник можно осуществить, например, на установке, которая приведена на рис. 10, состоящей из высокостабильного генератора, набора преобразователей и селективного вольтметра.

Рис. 10. Установка по измерению второй гармоники в зондирующем сигнале

Исследовано влияние технического состояния материалов на распространение в них волновых импульсов. Техническая задача метода акустического зондирования материалов с поврежденностью состоит в том, чтобы от измерения времени прихода эхо-импульса от дефекта при классической дефектоскопии перейти к измерению параметров импульса: несущей частоты; сдвига частоты; скорости распространения импульса, фазового набега частотных составляющих импульса, амплитуды гармонических составляющих импульса и т.д.

Процедура получения информации о внутреннем строении материала состоит в зондировании исследуемого материала волнами и прецизионном измерении информативных акустических характеристик. Экспериментальные исследования и техника прецизионных измерений акустических параметров базируется на аппаратно-программных комплексах типа портативной спектрально-акустической системы «АСТРОН».

Существующие ультразвуковые методы не позволяют обнаружить дефект на стадии его зарождения, и учитывая то, что измерение времени с точки зрения метрологии и помехозащищенности предпочтительнее, чем измерение амплитуды, были проведены экспериментальные исследования связи скорости звука с наличием в материале микротрещин, для чего измерялось время распространения звука на заданном расстоянии. В качестве объекта исследования использовался контрольный образец, изготовленный в ЦНИИТМАШ из стали 20Х13 и прошедший метрологическую поверку. В образце имелись отдельно расположенные микротрещинами шириной раскрытия l 0 от 3 до 14 мкм, глубиной 300 мкм и длиной 10 -15 мм. На рис. 11 приведены полученные в ходе экспериментов данные о времени пробега импульсом волн фиксированного расстояния в зависимости от наличия на пути распространения импульса одиночной трещины с различной шириной раскрытия. Чувствительность измерения размера трещины составила 6 нс/мкм, предел чувствительности в данной технической реализации составил около 1 мкм.

Рис. 11. Зависимость времени распространения упругого импульса от ширины

раскрытия микротрещины находящееся на пути распространения волны.

Экспериментальные данные показывают, что время задержки импульса упругих волн линейно связно с шириной раскрытия микротрещины. Следовательно, с помощью ультразвука и прецизионного измерителя временных интервалов можно обнаружить дефект на стадии его зарождения.

Нередко возникают ситуации, когда сцепление двух поверхностей в месте контакта нарушается в отдельных, распределенных по поверхности точках площадью менее 0,01 см2 или, иначе имеют место микрорасслоения. Наличие таких нарушений сплошности материала снижает запас прочности контакта, а следовательно, надежность и долговечность контакта и работоспособность изделия в целом.

Для решения этой проблемы предложена модель микронарушений сцепления слоев в материале, в рамках которой рассмотрена временная диаграмма хода ультразвукового луча в двухслойном соединении и получены выражения для четырех сигналов на основе которых разработана методика контроля микрорасслоений. На рис. 12 показана выведенная зависимость между отношением амплитуд переотраженных импульсов N, измеренным в дБ, и площадью микрорасслоений в контакте.

Рис. 12. Тарировочная кривая

Значение N есть величина, характеризующая состояние контакта. Эта величина технически доступна для измерения промышленным дефектоскопом, значение N не зависит от силы прижатия преобразователя, состояния акустического контакта и других факторов, что обеспечивает помехозащищенность методики и стабильность показаний при контроле микрорасслоений. Проведенные эксперименты на баббитовых вкладышах толщиной 10 мм (Сталь10-баббит Б83) подтвердили работоспособность предлагаемой методики.

. Сопоставляя результаты эксперимента с построенной математической моделью, находим зависимость параметра поврежденности материала от пластической деформации, рис. 13.

Согласно этой зависимости, для оценки состояния структуры поврежденного материала следует использовать в качестве диагностического признака уровень генерации второй гармоники сдвиговой волны.

Исходя из положений о структурной нелинейности, было сделано предположение: ухудшение структуры чугуна приводит к увеличению нелинейности материала, что, в свою очередь, можно обнаружить по генерации второй гармоники. На рис. 14 представлена полученная зависимость скорости звука от уровня второй гармоники продольной волны на частоте 2 МГц. В силу найденной линейной зависимости можно утверждать, что в качестве диагностического признака качества чугуна можно использовать как значение скорости звука, так и уровень генерации второй гармоники. Очевидное преимущество второго способа состоит в том, что при измерении уровня генерации второй гармоники нет необходимости измерять базу, на которой распространяется ультразвук.

загрузка...