Способ обнаружения усталостных трещин образца материала

Способ обнаружения усталостных трещин образца материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к испытг ниям, в частности к способам усталостных испытаний при сложном нзпря1- женном состоянии. Цель изобретения - повышение достоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с ростом трещины. Образец материала циклически нагружают, регистрируют акустическую эмиссию в период раскрытия берегов усталостной трещины в цикле наг ружения за число циклов, обеспечивающих получение статистически достоверных данных . Выделяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины , определяют диапазон нагрузок, в котором выделенный интервал сигналов акустической эмиссии изменяется во всех циклах по одинаковому закону . О наличии трещины в контролируемом образце судят по сигналам акустической эмиссии в выделенном диапазоне. 7 ил. ё СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51)5 G 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯЫ

ПРИ ГКНТ СССР. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4775114/28 (22) 29.12.89 (46) 15..06.92..Бюл. н 22 (71) Государственный научно-исследовательский институт гражданской а виа ции (72) Д.А.Троенкин, А.А.Шанявский и H.Ñ.Ñòåìàñîâ, (53) 620 . 178(088.8) .(56) Авторское свидетельство СССР

Н -1035464, кл. (; 01 N 3/32, 1982. (54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ

ТРЕЩИН ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к испыт< нияи, в частности к способам устало.стных испытаний при сложном напря женном состоянии. Цель изобретенияповышение достоверности путем. искИзобретение относится .к области испытаний, в частности к .способам усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии.

Известен способ обнаружения тре" щин, заключающийся в том, чтообъект: циклически нагружают и регистрируют акустическую эмиссию, по параметрам,: .. которой определяют момент раскрытия берегов трещийы.

Известный".. способ позволяет -судить о кинетических параметрах трещины только тогда, когда трещина существует и необходимо определять .:характеристики нагружения материа:.ла.. При этом нагружение при регистрации сигналов акустической эмиссии осуществляют путем монотонного рас2 лючения влияния сигналов, не связанных с ростом трещины. Образец материала циклически нагружают, регистрируют акустическую эмиссйю в период раскрь!тия 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. тяжения объекта. Последнее не подразумевает развитие трещины и поэтому не позволяет судить о ее,развитии, Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля трещино" образования в материале, основанный на измерении параметров акустической эмиссии при циклическом нагружении. . образца материала, в котором в каждом цикле регистрируют- величину нагрузки в момент появления сигналов акустической эмиссии, находят . .значение нагрузки, при которой количество сигналов акустической эмиссии максимально, и по нему определяют пороговое значение коэфФи1741012 4 циента интенсивности напряжений в вершине трещины, Недостатком данного способа является то, что регистрация первых сигналов акустической эмиссии в цикле может соответствовать как процессу пластичеокой деформации материала, его частичному разрушению, так и неупорядоченному акту контактного взаимодействия берегов трещины.

Помимо этого данный способ не позволяет регистрировать наличие трещины в материале, поскольку появление сигналов акустической эмиссии в цикле на разных стадиях накопления, повреждений, отвечает различным закономерностям их формирования, при этом число актов, соответствующих разный процессам усталости, может быть сопоставимо.

Цель изобретения - повышение достоверности путем исключения влияния сигналов, не связанных с ростом трещины.

Поставленная. цель достигается тем, что согласно способу регистрации усталостных трещин, заключающемуся в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагрузку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал сигналов акустической эмиссии изменяется во всех циклах по одинаковому закону, а о наличии трещины судят по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне.

На Фиг. 1 изображена схема нагружающего устройства, на фиг.2 схема расположения датчиков на испытываемом образце ; на фиг.,3 (а,.б, в, r) графики распределения актов акустической эмиссии (АЭ) (в) и амплитуд АЭ (r) и их контурные кар" ты (а) и (6), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостной трещины, на фи -.4 (а,б,в,г) - графики распределения актов А3 с амплитудами 10-20 дБ (в) и 20-30 д6 (г) с их контурными картами (а) и (6), со- ответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостной трещины, на фиг.5 (а,б,в,г) - графики распределения актов АЭ с амплитудами 305

16

2О

40 дБ (в) и свыше 40 дБ (t-) c ux контурными картами (а) и (6), соответственно, в диапазоне раскрытия берегов усталостной трещины, на Фиг.б (a,б,в,г) -,графики распределения актов АЭ (в) и амплитуд АЗ (г) и их контурные карты (а) и (б), соответственно после двойной фильтрации в. диапазоне .амплитуд 20-30 дБ и интервале напряжений 158-197,2-171,3 ИПа на фиг . 7 - графики практической реализации предлагаемого способа для средней суммарной амплитуды .(а). и математического ожидания амплитуды (6) .

П.р и м е р. При реализации данного способа используют нагружающее устройство, обеспечивающее жесткий режим циклического нагружения при испытании на изгиб по трехточечной схеме (фиг.1)

Устройство состоит из опорных роликов 1, перестраиваемого эксцентрика 2, толкателя 3 и направляющих перемещения толкателя 4.

Пля приема, регистрации и обра-. ботки сигналов акустической эмиссии (A3) используют специализированный анализатор -локатор серии 3000/3104

Фирмы РАС США) . В качестве приемников.АЭ используют датчики дифференциального типа с резонансной частотой 300 кГц. Расположение датчиков показано на фиг.2.: где на образце 5 с концентратором о установлены охранные датчики 7 и информативный датчик 8. Датчики 7 выполняют функции охранных датчиков,. т.е. сигналы, которые во времени принимаются этими датчиками раньше, чем информативным датчиком 8, отфильтровываются и в обработке не участвуют. Таким образом, контроль акустической эмиссии осуществляется по схеме временной селекции.

Эксперименты выполняют на образцах прямоугольного сечения из алюминиевого сплава Д16Т с геометрическими размерами 10х30х?50 мм. На образец 5 наносят несквозной концентратор полуэллиптической йормы протяженностьюпо поверхности 5,мм и глубиной 1 мм.

Концентратор .наносят электроискровым способом, .что исключает наличие осстаточных напряжений. Воспроизводимость минимального и максимального прогибов образцов от испытания к испытанию достигается за (2), U=0 5+04R, 5

1 счет изменения диаметров опорных ро1, ликов 1 и изменения величины эксцен. триситета у пер естра и ваемого э кс центрика 2,, целью получения количественнО 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, что допускает сопоставление результатов..

Известно, что взаимное перемещение берегов усталостной трещины в цикле нагружения начина ется в момент, когда действующее напряжение становится больше остаточных сжимающих напряжений в устье усталостной трещины и прекращается в момент их равенства в полуцикле разгрузки.

Для расчета этих напряжений в цикле найдено эмпирическое соотношение:

Вср макс. U(S yс . мик ) s (1), где S - напря>нения начала и конца взаимного перемещения берегов ус" талостной трещины, 8„„О„ . - максимальное (минимокс(мин1 мальное) напряжение, действующее в цикле, U — поправка на раскрытие берегов усталостной трещины.

Входящая в это соотношение поправка U позволяет учитывать асимметрию цикла нагружения, отличного от пульсирующего и определяется из соотношения где R - коэффициент асимметрии цикла нагружения (В = Я„„„„/ макс) °

Выбор такого диапазона обеспечи" 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 берегов

741012 усталостной трещины в зоне скосов от пластической деформации.

Для приведенного примера эта величина соста вляла 107,6 ИПа при мак5 симальной нагрузке в цикле.

По окончании испытаний для первого.образца выполняется следующая последовательность операций при обработке полученных данных.

После долома образца выполняется фрактография с целью определения числа циклов, соответствующих моменту возникновения усталостной тре15 щины

Для всего массива данных, собранного в период раскрытия берегов усталостной трещины, установленного в соответствии с формулами (1) . и (2)

20 построен (фиг.3) трехмерный график амплитудного распределения (ось Y) от изменения напряжения в цикле (ось

Х) в зависимости от циклов нагружения (ось Е), а также трехмерный гра25 фик распределения актов АЭ (ось Y) от изменения напря>нения в цикле (ncb

Х) в зависимости от циклов нагруженил (ось Z) . (На фиг.3 - г и в соответственно).

Для этих графиков были построены контурные графики, суть построения которых заключается в последовательном сечении трехмерных графиков горизонтальными плоскостями и построении проекций линий пересечения горизонтальных плоскостей с трехмерными поверхностями: для графиков фиг.3а (контурный график распределения актов АЭ. Ось Х - изменение напряжения в цикле для выбранного диапазона, ось Y - число циклов нагружения) и фиг.3б (контурный график распределения актов АЭ. Ось Х - изменение напряжения в цикле для выбра нного диапазона, ось Y — число циклов нагру 5 женил) . Число плоскостей сечения 30.

Об активности протекания процесса судят по плотности проекций линий пересечения.

Из полученных графиков видно, что как для амплитудного распределения (Фиг.3r), так и для интенси виотти возникновения актов АЭ (Фиг.3в) можно выделить области преимущественного расположения сигналов АЭ. Однако, 55 если для амплитудного распределения эта область представляется в виде хребта с расширяющимся основанием, то для распределения актов АЭ по174 мимо основного хребта можно видеть ряд сопутствующих хребтов.

Дальнейший анализ построен по представлениям физической модели последовательности протекания процессов, сопровождающих рост усталостной трещины в цикле нагружения и сопутствующих им сигналов АЭ.

Последовательность процессов, сопровождающ их рост усталостной трещины B цикле нагружения, следующая.

После превышения остаточных сжимающих напряжений происходит разрыв перемычки и слияние дислокационной трещины возникшей в конце предыду- щего цикла) с магистральной, Этот процесс может генерировать АЭ дискретного типа, однако для трещин малых размеров не всегда регистрируется АЭ, сопровождающая этот процесс, так как поперечное сечение перемычки мало и материал значи" тельно "разрыхлен" предшествующими процессами пластической деформации.

Далее начинается взаимное перемещение берегов усталостной трещины, сопровождаемое процессами пластической деформации материала в устье треш;:;ны, что порождает активную АЭ непрерывного типа, В области, близкой к максимальному действующему напряжению, образуется дислокационная трещина и после перехода через максимум за счет дисклинациональных мод пластической деформации, формируется свободная поверхность. Эти процессы сопровождаются АЭ дискретного типа. Затем вплоть до момента прекращения взаимного перемещения берегов усталостной трещины происходит формирование зоны пластической деформации в вершине усталостной трещины, что сопровождается акустической эмиссией непрерывного типа.

Так как АЭ непрерывного типа связана с дислокационныии процессами пластической деформации, которые необязательно связаны с ростом уста.лостной трещины, а присутствуют и на 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 разбит на четыре поддиапазона 10-20, 20-30, 30-40 дБ и в четвертом поддиапазоне

1012 8. все амплитуды свыше 40 дБ. Пля каждо. го поддиапазона построены графики трехмерного распределения актов акустической эмиссиии их,контурный гра3 фик, которые приведены на фиг.4 и фиг.5. На фиг,4 а и 4в видно, что события с амплитудами 10-20 дБ регистрир ются в процессе всего испытания как на стадии накопления -усталости, так и на стадии роста усталостной трещины. Такие сигналы необходимо связывать с дислокационными процессами пластической деформации.

Максимальное число таких событий на фиr .4в, составляет 1 z10 .

Для следующего диапазона, графики которого приведены на фиг.4б и 4г, максимальное число собйтий на фиг.4r

2О составляет 7х10, и все они группируются в зоне, близкой к ма ксималь- йому действующему напряжению. Число циклов, соответствующее моменту возникновения усталостной трещины в со-. ответствии с фрактографическими измерениями, совпадает уже в четвер" том порядке со значением, которое можно получить из фиг,4б (нижняя точка 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. ничтожно мало по сравнению с общим числом событий акустической -эмиссии зарегистрированных в процессе испытаний. Кроме того, события с этими амплитудами встречаются как на стадии накопления усталости, так и на ста" дии роста усталостной трещины (это особенно ярко выражено.для событий акустической эмиссии с амплитудами превышающими 40 дБ).

Таким образом, только по регистрации событий с амплитудами 2030 дБ можно судить о наличии усталостной трещины в подконтрольном объекте.

Последней операцией, необходимой для определения параметров двойной фильтрации, является определение напряжений в цикле, в пределах которого с возрастанием числа циклов

1 741012 10 способа. Условия нагружения и акустического контакта те же, что и в вышерассмотренном испытании. Двойная . фильтрация осуществляется программно

5 в 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: математического ожидания амплитуды акустической эмиссии, принцип построения которой тот же, что и у суммарной акустической эмиссии (фиг.7б). Интервал усреднения 5 мин или 363 цикла, На обоих графиках легко выделить два участка - участок,с нестационар2О но регистрирующим сигналом акустической эмиссии и участок со стабильно регистрируемым сигналом; на котором по иере роста трещины для математического ожидания амплитуд размах осцилляций уменьшается и стремйтся к некоторой средней величине, а для суммарных средних амплитуд акустиче- . ская эмиссия с этого момента начинает устойчиво нарастать.

Использование изобретения позволяет с высокой достоверностью регистрировать момент возникновения и наличие усталостной трещины. нагружения происходит устойчивое изменение сигналов акустической 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 15о .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.6. 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 акустической 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 используют массив, собранный за некоторое число циклов.

Это число циклов должно бь|ть 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 we время прирост трещины мал .и в реальных условиях контроля им можно пренебречь. Так, в условиях жест.кого нагружения, при которых проводят эксперимент, скорость роста усталостной трещины на стадии стабильного роста, которая описывается К, и составляет в среднеи 0 15 мкм за цикл, что равняется на базе измерений

54,45 мкм.

На фиг. 7 приведены результаты конкретной реализации предлагаемого

Формула изобретения

Способ обнаружения усталостных трещин образца материала, заключаю-щиися в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагруЬ4© ку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, от лича ющи 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, хара кт ери зующих рост усталостной

: трещины, и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал изменяется

«® во всех циклах по одинаковому закону, а о наличии трещины судят .по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне.

17410 I2

1741012

Cl

1741012

1741012 (Ч

1741012

17410 I 2

4 . (бВ

sum

Gamp e

4 (dB)

ave

Составитель A.Øàíÿâñêèé

Техред Л.Сердюкова корректор М,Самборская е

Тираж Подписное комитета ио изобретениям и открытиям нри ГИй СССР

Иосква, .3-35, Раушская наб., д. 4/5

Редактор Ю.Петрушко

Заказ 2302

ВНИИПИ Государственного

313035, Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород. ул. Гагарина, )p