автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Обработка и интерпретация данных акустической эмиссии и электронной микроскопии для оценки повреждаемости металлов

1'ОССИЙИСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

^ #

Л На правах рукописи

\

'Ч УДК 517.983, 519.218, 620.178.32

ПЕТЕРСЕН Татьяна Борисовна

ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ.

05.11.16 -информационно-измерительные системы в атомной науке

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Российском Научном Центре "Курчатовский институт" Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Л. Р. Ботвина

кандидат физико-матсмашческих наук В.В. Шемяю

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

С.Д. Малкин В.И, Иванов

Ведущая организация: Опытно-конструкторское бюро машиностроения I. Нижний - Ношород.

Защита состой 1ся " , У/ 1997 I . в _часов на заседании

Диссер1ационно1 о Совета в РНЦ "Курчатовский институт" по адресу: Москва, Площадь Курчатова I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт"

Автореферат разослан " "_1997 г.

Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одном •экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук С.И. Коняев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение задач, способствующих повышению надежности и обеспечению безопасной эксплуатации конструкций, неразрывно связано с проблемой контроля целостности материала конструкций. Повышение интереса к данной проблеме в последнее время определяется увеличением сроков и расширением условий эксплуатации материала конструкций, а также возрастанием требований к соблюдению экологической безопасности работы объектов. Эти факторы вызывают необходимость разработки новых эффективных методов неразрушающего контроля и критериев прогнозирования работоспособности материала.

Метод акустической эмиссии (АЭ) считается сравнительно новым методом контроля целостности материала, хотя впервые явление излучения (эмиссии) волн «пряжений при деформировании материалов А.Ф. Иоффе и М.В. Классен «блюдали уже в 1929 году. Первые систематические попытки использовать [кустическую эмиссию для обнаружения и локации дефектных областей инструкций относятся к началу 70-х годов. В последующие два десятилетия благодаря бурному разви-тию новых технологий в области измерительных и ычислигельных средств акустическая эмиссия приобретает большую юпулярность и как метод неразрушающего контроля, и как чрезвычайно увствительный инструмент, позволяющий исследовать тонкие эффекты ерестройки структуры материала в процессе разрушения. На эти годы приходится ик публикаций по различным аспектам акустической эмиссии, начинается этап жрокого практического внедрения АЭ - метода. В это же время выявляются сновные ограничения метода, связанные как с трудностью интерпретации олучаемой информации, так и с принципиальной невозможностью регистрации жрокого спектра медленно развивающихся процессов разрушения.

В последние годы наблюдаются противоречивые тенденции продолжающегося оста практических приложений метода АЭ и, одновременно, резкого спада числа азработок в области фундаментальных и методических исследований. Это риводит к существенному ограничению возможностей метода и зачастую

сведения его функций лишь к указанию местоположения источника акустических сигналов.

Настоящая работа посвящена проблеме развития акустической эмиссии как метода диагностики повреждений, а также разработке методики оценки микропараметров повреждаемости путем анализа информации, получаемой средствами электронной микроскопии. Особое внимание в работе уделено вопросам систематизации и интерпретации данных, а также повышения их информативности.

Цели работы :

• анализ граничных условий применения методов акустической эмиссии и электронной микроскопии для оценки повреждаемости металлов;

• анализ различных способов обработки АЭ-информации при решении задач неразрушающе го контроля;

• разработка комплекса программ для осуществления автоматической классификации источников акустических сигналов;

• разработка алгоритмов и программ для решения задачи восстановления первоначальной формы сигнала акустической эмиссии;

• анализ взаимосвязи характеристик трещиностойкости материала и параметров потока сигналов акустической эмиссии для разработки АЭ-методики контроля роста усталостной трещины;

• создание методики оценки множественной повреждаемости металлов на начальной стадии усталостного разрушения, базирующейся на результатах электронно-микроскопических исследований поверхности материала.

Оригинальность и новизна работы определяется следующими результатами:

• Разработана система автоматической классификации сигналов АЭ, к достоинствам которой относятся возможность распознавания большого числа классов сигналов по многим признакам, а также использование двух критериев и двух логических схем распознавания, позволяющих получать хорошее качество классификации.

• Разработаны физически обоснованная модель генерации волн напряжений при росте усталостной трещины и основанная на данной модели методика оценки скорости развития трещины по АЭ информации. Впервые установлены статистически обоснованные количественные характеристики взаимосвязи параметров акустической эмиссии и разрушения.

• Разработан новый метод оценки основных статистических параметров начальной стадии усталостного разрушения. Основные преимущества метода заключаются в аналитическом способе описания стадии независимого развития микротрещии, позволяющем в общем виде исследовать закономерности поведения системы трещин и, кроме того, в возможности моделирования различных условий работы материала на протяжении всего периода разрушения. Предложенный способ анализа накопления и развития усталостных повреждений представляется перспективным направлением микромеханики разрушения, которое в сочетании с прецизионными электронно-микроскопическими исследованиями позволит оценивать и прогнозировать влияние структуры материалов и условий эксплуатации на параметры, время и характер разрушения материала.

Надежность и достоверность результатов обеспечены использованием современной аппаратуры, тщательностью проведения экспериментальных работ, а также статистической обоснованностью данных. Согласованность между теоретическими представлениями и результатами экспериментов свидетельствует об адекватности полученных выводов.

Научная и практическая ценность проделанной работы заключается в создании алгоритмов и методик, позволяющих оценивать работоспособность материала при различных условиях работы материала на различных стадиях разрушения.

• Разработанные методики апробированы в лаборатории акустических методов контроля РНЦ "Курчатовский институт".

» Акустико-эмиссионная методика оценки скорости роста усталостной трещины внедрена в ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей" при

оценке предельной несушей способности модели корпуса реактора при циклическом нагружении внутренним давлением.

• Методика распознавания образов может использоваться для идентификацш не только акустико-эмиссионных, но и других оцифрованных сигналов, относящихся к различным типам источников.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацш

докладывались на:

Всесоюзном научно-техническом совещании " Техническая диагностика \ неразрушающий контроль на АЭС. Состояние и перспективы развития.' (г.Удомля, 1990); 6-м Всесоюзном симпозиуме по малоцикловой усталости (г Кишинев, 1991); 3-й Всесоюзной научно-практической конференции п< акустической эмиссии (г. Обнинск, 1992); 2-м Международном Симпозиуме п< трибофатике. (г. Москва, 1996); 14-й научно-технической российское конференции по неразрушающему контролю и диагностике, (г. Москва, 1996).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 печатных работах список которых приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, основных результатов I выводов, списка использованных работ и приложений. Содержит 155 страниц, 31 рисунков, 12 таблиц, библиографический список из 119 наименований.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность тематики, сформулирована цель работы кратко изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и содержит анализ диагностически методов, использованных в работе. В первой части главы исследуется кру проблем, решение которых связано с применением акустико-эмиссионного метод контроля разрушения. Рассмотрены теоретические концепции излучени акустической эмиссии при реализации различных механизмов разрушени; проанализированы методы обработки данных АЭ в зависимости от способ получения информации. Анализ литературных данных показал, что несмотря ^ достигнутые успехи, существует ряд проблем, затрудняющих использовав

б

метода акустической эмиссии в качестве штатного метода контроля. Отмечены преимущественно качественный характер результатов исследований, а также недостаточная статистическая обоснованность устанавливаемых количественных соотношений. Окончательно нерешенной остается проблема идентификации регистрируемых источников эмиссии. Все перечисленные факторы затрудняют задачу систематизации данных и создания единого банка акустико-эмиссионной информации.

Во второй части обзора дан анализ проблемы развития повреждаемости материала на начальной стадии разрушения. Рассмотрены вопросы классификации микродефектов, закономерностей их развития и накопления. Показано, что в экспериментальных исследованиях основное внимание уделяется изучению поведения единичных микротрещин, в меньшей степени исследуются вопросы, связанные с множественным характером разрушения на начальной стадии усталости. Практически отсутствуют экспериментальные работы, содержащие сведения о скорости генерации микротрещин, о стадийности процесса их накопления в металле, о связи микро и макропараметров усталостного разрушения. Анализ литературы показал, что наиболее перспективный путь решения задачи оценки множественнной повреждаемости заключается в использовании вероятностного подхода, основанного на результатах исследования особенностей развития как единичных микроповреждений, так и поведения ансамбля повреждений в целом.

Во второй главе приведено краткое описание экспериментальных методов, аппаратных средств и материалов, использованных в работе.

Исследования выполнены на образцах из реакторной стали 15Х2НМФА-А, образцах из реакторной стали 15Х2НМФА-А со швом 10ГНМА, образцах из стали 30Г2, крупномасштабном макете из реакторной стали 15Х2НМФА-А со швом. Использованы различные типы и схемы нагружения образцов. Механические испытания образцов проведены на разрывной машине марки ШБТЯОЫ -1195.

Для сбора и первичной обработки акустико-эмиссионной информации использованы два типа АЭ-систем, разработанных в РНЦ "Курчатовский институт". В системах заложены возможности регистрации как

последовательностей выборочных характеристик сигналов эмиссии, так и полностью оцифрованных сигналов с максимальной частотой дискретизации равной 16 МГц.

Оценка состояния поверхности изломов получена с помощью электронного и оптического микроскопов.

Третья глава посвящена вопросам анализа формы сигналов, поиска и выделения информативных признаков сигналов и решения задачи идентификации источников сигналов.

На базе персонального компьютера типа IBM PC/AT разработан комплекс программ для автоматической классификации акустических сигналов; реализованы все процедуры, необходимые для получения статистических характеристик объектов распознавания. Использован подход классификации с "учителем", предусматривающий обучение с помощью множества образов, классификация которых априори известна. В качестве исходной обучающей информации на входе системы используется оцифрованный АЭ сигнал, записанный на магнитный диск компьютера с помощью регистратора акустических сигналов. Блок получения признаков выделяет 21 признак, характеризующий форму и спектральные особенности сигнала, а также параметры нагружения материала. В процедуре определения оптимального маршрута осуществляется выбор наиболее информативных признаков классов, представленных для распознавания. Критерием информативности служит бисериальный коэффициент; в качестве основных мер расстояний между объектами различных классов выбраны евклидово расстояние и расстояние Махаланобиса, которые определяются следующими формулами соответственно

Здесь х - вектор образа, представленного для распознавания, т. - вектор эталонного образа, С * - обратная ковариационная матрица совокупности образов, ш - вектор средних значений признаков.

(1)

(2)

Решающие критерии основаны на минимизации соответствующих расстояний между образом, представленным для распознавания, и эталонами различных классов, взятыми в качестве "учителя".

Система распознавания апробирована путем идентификации шести типов источников сигналов АЭ, полученных в модельных экспериментах на стальных плитах различной геометрии, а также при испытании ДКБ образцов из стали марки 30Г2.

Проанализированы следующие наиболее часто встречающиеся источники АЭ: сигналы от разрушения материала, трения, различного типа ударов, электромагнитных помех, а также имитатора сигналов эмиссии - слома грифеля Су-Нильсена. Для каждой пары анализируемых классов источников выявлены наиболее информативные признаки сигнала. В качестве иллюстраций на рис.1-2 приведены одномерные для трех классов и двухмерные для двух классов распределения признаков.

Результаты распознавания по критериям минимальных евклидового расстояния и расстояния Махаланобиса представлены в табл.1 в виде процента правильной классификации.

Высокий процент распознавания различных классов для предложенных критериев, свидетельствует о больших возможностях, связанных с использованием методики применительно к задаче идентификации рассмотренных источников АЭ. Установлено, что наилучшим критерием классификации в случае пересекающихся классов образов является критерий Махаланобиса.

Произведена классификация имитационных сигналов АЭ. В двух модельных случаях использовалась различная по частотному диапазону аппаратура и первичные приемники. Анализ работы классификатора показал, что сигналы от близких по физической природе источников ( в рассматриваемом случае - ударов различных металлических предметов) правильно идентифицируются лишь в 65%-80% случаях. Сравнительно плохое распознавание связано с тем, что искажение сигналов во время распространения и регистрации приводит к "размыванию" тех небольших отличий в признаках, которые изначально существуют между близкими классами сигналов. Было показано, что результаты классификации

Гистограмм до 3-х классов

• - I кяасс 0 - 2 класс

• - 3 класс

а.за а.ье 0.9й

вреня нарастания сигнала! мсек

10"

Рис.1.Одномерное распределение образов трех классов в пространстве признака Тг: 1 - рост трещины, 2 - слом грифеля, 3 - электрические шумы.

о электрические шуми п трепу«*

4.88

частота Гц75/, кГц

Рис.2 Двумерное распределение образов классов " рост трещины" и "трение" в пространстве признаков fq75% - Еп2.

ожно улучшить, если исходную информацию подвергнуть предварительной бработке устраняющей искажения сигнала.

Таблица 1

Распознавание пяти классов сигналов АЭ с помощью набора из 6 наиболее нформативных признаков.

Источники сигналов Критерии распознавания

Мин. евклидово расстояние, непосредственная схема Мин. евклидово расстояние, ассоциативная схема Мин. расстояние Махаланобиса

Трещина 92% 95% 99%

. Электрические шумы 97% 98% 100%

Трение 92% 94% '96%

Источник Су -Нильсена 96% 98% 100%

. Удары 94% 97% 99%

Произведен анализ данных, позволяющих оценивать влияние акустического ракта и различных его элементов на устойчивость признаков источника сигналов.

Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие производить цифровую шльтрацию сигналов. .Проанализированы возможности практического спользования цифрового инверсного фильтра. На примере обработки сигналов от азличных источников, записанных регистратором акустических сигналов, оказано, что инверсный фильтр является неустойчивым к малым погрешностям змерения весовой функции, в связи с чем его использование для восстановления юрмы сигнала является нежелательным.

Показано, что при варьировании параметров приемной аппаратуры и геометрии онтролируемого объекта наиболее устойчивым признаком является время [арастания сигнала (Тг).

Исследована задача восстановления спектра сигнала в определенном [астогном диапазоне. Произведена предварительная обработка сигналов эмиссии >т плохо различимых источников, зарегистрированных в модельном эксперименте, 'езультаты классификации, полученные на основе восстановленных в диапазоне

частот от 100 кГц до 500 кГц спектральных характеристиках сигналов, продемонстрировали улучшение качества распознавания.

В четвертой главе разработана акустико-эмиссионная методика контроля роста усталостной трещины. Приведены основные этапы, включая разработку статистической модели излучения эмиссии при усталости, описание методики оценки скорости развития усталостной трещины и апробацию методики путем испытаний различных типов стальных образцов и крупномасштабного макета.

В предлагаемой модели излучения упругих волн напряжений при росте усталостной трещины процесс генерации акустической эмиссии представлен в виде импульсного процесса с неравномерной плотностью распределения сигналов в интервале времени, равном периоду цикла нагружения.

Показано, что в качестве параметра эмиссии, объединяющего скоростные и амплитудные (энергетические) характеристики процесса АЭ, следует принять скорость изменения суммарной амплитуды (или некоторой степенной функции амплитуды) сигналов эмиссии, взятую за определенное число циклов нагружения.

Аналитически получено выражение для связи скорости роста трещины и скорости изменения параметра акустической эмиссии

— = г— / с 7 т2/т 1

аа ¿А

^ - скорость роста трещины, ^ - скорость изменения суммарной амплитуды;

С| , С2 , П1|, п^ - константы материала.

Закономерности роста усталостной трещины в условиях плоской деформации исследовали на образцах из корпусной реакторной стали 15Х2НМФА-А, а также образцах со сварным швом из материала 10ГНМА-А путем испытаний на четырехточечный изгиб. Для диапазона изменения скорости роста трещины от

0.5*10 ^ м/ц до 1.5* 10 ^ м/ц построены кинетическая диаграмма усталостного

разрушения и график зависимости скорости изменения суммарной амплитуды сигналов от КИН. Кривые описаны уравнениями, полученными в результате линейной аппроксимации методом наименьших квадратов:

^ = С, ( Д К , )т1 , С1 =(5.4 ± 1.9)* 10 1; т1 = 2.5 ±0.7

(4.а)

^ = С2( ДК1)т2,С2=(3.5±2.3)*10"8;ш2 =5.3 ±0.9 (4.6)

С помощью фрактографического анализа изломов образцов выделены 3 новных стадии развития усталостной магистральной трещины: сдвигового руктурно-чувствительного развития трещины, бороздчатого рельефа и :ончательного разрушения материала. Установлено соответствие между алиями разрушения и особенностями излучения сигналов АЭ. Получены соотношения аналогичные (4а,б) для усталостной трещины, спространяющейся в условиях плоско-напряженного состояния

^ = (ДК,)Ш| ,С) =(6.2±0.41)*10"12;ш1 = 2.95 ±0.05 (5. а)

^ = С2(ДК1)П,2,С2=(0.65±0. 33)*10"Ю;ш2 =5.6 ±0.4 (5.6)

Получена связь между скоростью роста трещины и параметрами акустической иссии :

С=(1.6± 1.9)*10 12 ;щ = 2.1 ±0.24. (6)

Проведено циклическое испытание крупномасштабного сосуда давления. С :том затухания поверхностных волн за счет геометрического расхождения иведен способ выбора оптимального размера АЭ антенны и оценки ее фективности с точки зрения регистрации трещины, развивающейся с ределенной скоростью.

Обработка АЭ информации, полученной в результате циклических испытаний :уда давления, произведена в соответствии с предложенной методикой. На ювании изменения параметра АЭ, полученного при испытании макета и

<1а АА

калибровочных кривых ^ (ЛК|)и^(ДК|) для образцов сделана оценка

скорости развития трещины на всех стадиях нагружения макета.

О начале нестабильного развития трещины можно было судить за 80 циклов до окончательного разрушения , когда по оценке АЭ-контроля скорость трещины достигла предкритической скорости роста для образцов. В результате испытаний сосуд, имеющий начальную УТ длиной 14 мм, разрушился через 820 циклов нагружения, критическая длина трещины составила 18 мм, критический КИН - 79 МПа л/м. При этом катастрофическое разрушение сосуда произошло при значении коэффициента интенсивности напряжений значительно более низком, чем на образцах.

Полученный результат служит подтверждением факта существования большого разброса значений критического коэффициента интенсивности напряжений при циклических испытаниях материала и подчеркивает необходимость проведения неразрушающего контроля в процессе работы объекта.

В Пятой главе на основе существующих представлений о зарождении и развитии микроповреждений в металлах, сформулирована задача оценки множественной повреждаемости на ранней стадии усталостного разрушения.

Разработана модель накопления и роста множественных повреждений и перехода к макроразрушению. В качестве повреждений рассмотрены микротрещины, зарождающиеся на поверхности материала в местах структурных неоднородностей. Предложен способ количественной оценки основных статистических параметров начальной стадии усталостного разрушения.

Показано, что ансамбль микротрещин представляет собой стохастическую систему с обратной связью, отдельные элементы которой развиваются по динамическому закону вида

(Ц (1а;

= С (Д е ) т а или ^ = С (Д ел/ла; ) т, (7)

аа,

где ^ - скорость ¡-ой трещины, Дб - размах сдвиговой деформации.

Полумены соотношения, описывающие взаимосвязь различных параметров эазрушения, в том числе выражения для среднего размера трещин и закона распределения трещин по размерам.

Предложено в качестве характеристики множественной повреждаемости материала использовать интегральную характеристику системы микротрещин - их

:уммарный размер а$. Выражение для суммарного размера трещин, как функции времени и уровня нагрузки, получено в виде

а0 {ехр[С(ДЕ)тТ]-1}ц

а = <а> <п> =----(8)

С (Де)

Выведен закон роста суммарной поврежденности

= С(Де)та5 + а0ц (9)

Вид приведенной зависимости позволил сделать вывод, что развитие множественной поврежденности материала по аналогии с развитием чакротрещины можно оценивать графически с помощью кривой зависимости

;корости роста повреждаемости от эффективного коэффициента

интенсивности деформаций (напряжений ) = ДеЛ / ла5. При этом на практике

.суммарную поврежденность в различные моменты времени следует получать 1утем периодической оцифровки и компьютерного анализа изображений юверхности материала.

Дано описание всех стадий процесса развития повреждаемости с учетом взаимодействия микротрещин. Изменение скорости зарождающихся трещин эассчитано с помощью убывающей функции, значение которой, равно отношению гпощади поверхности, свободной от трещин в текущий момент времени, к тлощади, свободной от трещин в начале испытаний.

С помощью машинного моделирования дана оценка основных статистических характеристик системы микротрещин, начиная со стадии зарождения и

постепенного развития микротрещин, вплоть до образования макроскопической трещины заданной длины. Рис. 3 иллюстрирует процесс накопления трещин при различных входных параметрах модели.

Рис.3. Зависимости числа накопленных трещин от времени с учетом слияния, рассчитанные для трех наборов входных параметров.

С помощью геометрических критериев перехода к макроразрушению, предложенных в работе, проанализирована зависимость долговечности от размаха приложенной нагрузки. На рис.4 представлены две кривые усталости: 1 -полученная путем расчета на компьютере для следующих входных параметров:

ш=3; С=10 1 ; а0 = 3 мкм; ц = 0. 2 *10 "4 тр./цик; ан=1мм; 2 - экспериментальная

кривая для стали 17ХГ2САФР. Соответствие расчетных и экспериментальных зависимостей служит подтверждением правильности полученных результатов.

Предлагаемый метод, позволяет устанавливать взаимосвязь между параметрами начальной стадии накопления и развития усталостных микроповреждений, оценивать влияние условий нагружения на время разрушения материала, анализировать параметры, характеризующие различные стадии разрушения.

Рис.4. 1: - Кривая усталости,полученная на компьютере расчетным путем, 2: -:периментальная кривая усталости для стали 17ХГ2САФР.

ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформулированы современные требования к обработке информации при проведении акустико-эмиссионного контроля целостности материала конструкции, включающие создание физически обоснованных методик, а также использование статистических способов обработки данных; обоснована необходимость применения альтернативных методов контроля при оценке повреждаемости материала на начальной стадии разрушения.

2. Разработана система автоматической классификации источников сигналов акустической эмиссии, достоинства которой заключаются в использовании большого числа признаков сигнала (21 признак), двух различных критериев классификации и двух логических схем распознавания. Система может быть адаптирована для распознавания любых оцифрованных сигналов (не только акустико-эмиссионных), относящихся к различным классам источников.

3. Произведена апробация системы распознавания путем классификации сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных от различных реальных и имитационных источников:

• получены информативные признаки, характеризующие каждый из рассмотренных классов образов;

• показано, что различные классы источников АЭ, зарегистрированные на одном объекте с использованием одного типа аппаратуры и первичных приемников могут быть успешно идентифицированы с помощью системы автоматического распознавания рассмотренного типа;

• показано, что в некоторых случаях эффективность классификации может быть повышена путем осуществления предварительной обработки сигналов, связанной с восстановлением спектральной характеристики сигнала в определенном диапазоне частот.

4. Разработана акустико-эмиссионная методика контроля оценки скорости развития усталостной трещины, основанная на статистической модели излучения упругих волн напряжений при усталостном разрушении:

• приведен способ выбора оптимального размера АЭ антенны и оценки ее эффективности с точки зрения регистрации трещины, развивающейся с определенной скоростью;

• апробация методики произведена путем лабораторных испытаний образцов и макета, выполненных из материала реакторной стали;

• продемонстрирована эффективность использования АЭ как средства оперативной диагностики, позволяющего прогнозировать катастрофическое разрушение объекта при распространении трещины, имеющей относительно небольшой критический размер.

5. Разработан метод анализа микромеханических параметров начальной стадии усталостного разрушения материала, основанный на использовании данных электронной микроскопии:

• предложена вероятностная структурная модель накопления повреждений;

• приведены примеры машинного моделирования процесса развития повреждаемости и расчетов основных параметров разрушения для различных входных условий;

• обоснована практическая ценность предлагаемого метода обработки информации для получения количественной оценки степени поврежденности материала.

Обработка информации осуществлена по разработанным автором алгоритмам, эеализованным на компьютере типа IBM PC /АТ. Нагружение металлических образцов проведено совместно автором и сотрудниками лаборатории акустических методов контроля РНЦ" Курчатовский институт " на разрывной испытательной иашине INSTRON-1195; испытания крупномасштабного макета проведено на •кспериментальной базе ЦНИИ " Прометей" при участии сотрудников )бъединения, РНЦ "Курчатовского института", а также Физико-Технического жститута им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург. Фрактограммы поверхностей >азрушения получены в лаборатории электронной микроскопии в институте Металлургии им. A.A. Байкова РАН, г. Москва совместно с сотрудниками [аборатории.

Публикации по теме диссертации

1. Т.Б. Петерсен. Разработка и использование системы автоматической лассификации для идентификации сигналов акустической эмиссии./ЛГехническая иагностика и неразрушающий контроль. - 1993.-№ 3.-е. 1-7.

2. Т.Б. Петерсен. Использование методов распознавания образов для втоматической классификации источников акустической эмиссии.// Препринт НЦ-5935/15. М„ 1995, Юс.

3. Т.Б. Петерсен, А.Н. Медведев, Л.Р. Ботвина. Использование метода кустической эмиссии для оценки степени охрупчивания сталей 35 и 30Г2.// езисы доклада на 3-й научно-практической конференции по акустической миссии. Ч 2.-1992.

4. Т.Б. Петерсен. Исследование задачи восстановления формы сигнала кустической эмиссии. // Препринт РНЦ-5937/15. М., 1995, 12 с.

5. Т.Б. Петерсен, Л.Р. Ботвина. Статистическая модель генерации сигналов кустической эмиссии при росте усталостной трещины. //Техническая диагностика неразрушающий контроль.- 1993.-№ 1.-е.50-56.

6. Т. Б. Петерсен, А.Л. Ниссельсон, A.A. Блюмин, В.П. Ланец. Методика контроля усталостной трещины по сигналам акустической эмиссии.// Тезисы доклада на 3-й научно-практической конференции по акустической эмиссии. Ч 2,1992.

7. Т. Б. Петерсен, Л. Р. Ботвина. Статистическая модель накопления повреждаемости в металлах при циклическом нагружении.// Заводская лаборатория.-1993.-N3-c.39-42

8. Т.Б. Петерсен. Анализ развития усталостных повреждений на начальной стадии усталостного разрушения металлов. //Препринт РНЦ-5936/15. М.,1995, 16с.

9. Л.Р. Ботвина, И.Б. Опарина Т.Б. Петерсен. Закономерности множественного и локализованного разрушений.// Тезисы доклада на 2-м международном симпозиуме по трибофатике. Москва,15-17 октября 1996 г., с.9.

10 Т. Б. Петерсен. Анализ и моделирование процесса развития усталостных повреждений.//Тезисы доклада на 2-м международном симпозиуме по трибофатике. Москва, 15-17 октября 1996 г.,с.10.

II. Т.Б. Петерсен. Автоматическое распознавание сигналов акустической эмиссии./ЛГезисы доклада на 14-й российской конференции по неразрушающему контролю и диагностике. Москва,23-26 июня 1996 г.,с.89.

г/т-у

/

РОССИЙИСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

На правах рукописи

УДК 517.983, 519.218, 620.178.32

Петерсен Татьяна Борисовна

ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ.

05.11.16 - информационно-измерительные системы в атомной науке

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Л.Р. Ботвина

кандидат физико-математических наук В.В. Шемякин

Москва -1997

Т Г? ^

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Решение задач, способствующих повышению надежности и обеспечению безопасной эксплуатации конструкций неразрывно связано с проблемой контроля целостности материала конструкций. Повышение интереса к данной проблеме в последнее время определяется увеличением сроков и расширением условий эксплуатации материала конструкций, а также возрастанием требований к соблюдению экологической безопасности работы объектов. Все эти факторы вызывают необходимость разработки надежных методов контроля разрушения и критериев прогнозирования работоспособности материала.

Развитие методов контроля разрушения идет по трем основным направлениям: первое связано с развитием теоретических представлений о процессе разрушения, объединяющих физико-химические и механические подходы к решению проблемы; второе - с совершенствованием инструментальных средств неразрушающего контроля; третье включает разработку методов анализа эмпирической информации. До недавнего времени основное внимание уделяли решению задач, связанных с двумя первыми направлениями, благодаря чему в этих вопросах достигнут значительный прогресс. Для расчета конструкций успешно используются подходы линейно-упругой и упруго-пластической концепций механики разрушения; механизмы разрушения исследуются в рамках представлений физики разрушения; для осуществления контроля разрабатываются методы дефектоскопии, позволяющие оценивать характеристики дефектов. В условиях, когда теоретическая и экспериментальная базы для контроля разрушения в целом можно считать сформированными, особое значение при принятии решения начинают приобретать вопросы, связанные с обработкой и интерпретацией информации, получаемой в результате применения методов

неразрушающего контроля. В первую очередь это относится к вопросам выбора эффективных методов контроля, решения задач повышения информативности данных и поиска физически обоснованных критериев оценки работоспособности материалов и, в конечном итоге, повышения достоверности и надежности результатов контроля.

Настоящая работа посвящена проблемам анализа, обработки и интерпретации информации при решении актуальной задачи оценки повреждаемости металла. Особое внимание уделено проблеме развития усталостных повреждений. Это связано с тем, что в современных технических приложениях циклические нагружения встречаются гораздо чаще, чем статические и квазистатические. В соответствии с существующими представлениями о накоплении усталостных повреждений [1-4], задача оценки целостности материала разбита на две части: первая включает в себя оценку повреждаемости на начальной стадии зарождения, развития и накопления микротрещин, вторая - анализ зарождения и роста макротрещины вплоть до достижения ею критического размера и начала катастрофического разрушения.

В связи с различием механизмов разрушения и масштабов дефектов на различных стадиях разрушения, в работе использовались различные методы контроля и обработки данных. Для решения задачи оценки целостности материала на стадии роста макротрещины использовался подход линейно -упругой механики разрушения, изучающей макроскопические дефекты, размеры которых намного превышают размер пластической зоны вокруг дефекта. В качестве инструментального метода неразрушающего контроля стадии роста макротрещины применялся метод акустической эмиссии (АЭ), главным преимуществом которого по сравнению с другими методами дефектоскопии является возможность локализации дефектов, развивающихся в труднодоступных областях конструкции. Основное внимание в работе уделялось проблемам обработки и систематизации акустико-эмиссионной информации и интерпретации результатов обработки.

Для оценки множественной повреждаемости на начальной стадии разрушения использовались статистические методы анализа данных, получаемых средствами электронной микроскопии. Необходимость привлечения альтернативных методов контроля и обработки информации обусловлена прежде всего ограничениями, связанными с чувствительностью АЭ метода контроля по отношению к уровню и скорости выделения энергии при разрушении материала. В случае когда, выделяемая энергия сигналов АЭ лежит ниже порога чувствительности аппаратуры, например, при анализе развития микроповреждений и исследовании медленных процессов разрушения, требуются специальные средства контроля. Кроме того, поведение микротрещин не всегда можно адекватно описать в рамках линейно - упругого подхода[1,2], а статистический характер развития микротрещин не позволяет использовать детерминистские законы механики разрушения для описания стадии накопления микроповреждаемости.

Таким образом, при исследовании поведения материала на различных стадиях усталостного разрушения был предпринят подход, включающий использование различных теоретических методов анализа, инструментальных методов контроля, а также способов обработки информации.

Настоящая работа включала в себя решение следующих основных задач:

- анализ условий применения акустико-эмиссионного метода контроля и метода электронной микроскопии для осуществления диагностики повреждений на различных стадиях разрушения;

- анализ различных способов обработки информации при решении задач АЭ-контроля;

- разработку алгоритмов и программ для осуществления автоматической классификации источников сигналов;

- исследование задачи восстановление первоначальной формы сигнала акустической эмиссии.

- исследование взаимосвязи характеристик трещиностойкости материала и параметров потока сигналов акустической эмиссии и создание АЭ-методики контроля роста трещины;

- разработка модели накопления усталостных повреждений в металлах для создания методики оценки множественной повреждаемости.

В соответствии с поставленными задачами работа состоит из пяти глав, введения и заключения.

Во Введении обоснована актуальность тематики, сформулирована цель работы, кратко изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и содержит анализ диагностических методов, использованных в работе. В первой части данной главы исследуются вопросы, связанные с применением акустико-эмиссионного метода контроля разрушения. Рассмотрены теоретические концепции излучения акустической эмиссии при реализации различных механизмов разрушения; проанализированы методы обработки данных АЭ в зависимости от способа получения информации. Во второй части обзора представлен анализ проблемы оценки повреждаемости материала на начальной стадии разрушения. Исследованы вопросы, связанные с классификацией микродефектов, закономерностями их развития и накопления.

Во Второй главе приведено краткое описание материалов, методов и технических средств, использованных в работе.

Третья глава посвящена проблемам анализа формы сигналов, поиска и выделения информативных признаков сигналов и решения задачи идентификации источников акустической эмиссии. Приведен алгоритм системы автоматической классификации акустических сигналов, программно реализованный на ЭВМ PC/AT. Представлены результаты использования системы автоматического распознавания при идентификации модельных и реальных источников сигналов АЭ. Дан анализ проблемы восстановления первоначальной формы сигнала акустической эмиссии.

В Четвертой главе представлены результаты исследования взаимосвязи характеристик трещиностойкости и параметров акустической эмиссии. Приведены основные этапы создания АЭ методики контроля роста усталостной трещины (УТ), включающие разработку статистической модели излучения эмиссии при усталости; описание методики оценки скорости развития усталостной трещины и апробацию методики путем испытаний различных типов стальных образцов и крупномасштабного макета.

В Пятой главе на основе существующих представлений о накоплении и развитии микротрещин в металлах, сформулирована задача оценки множественной повреждаемости на ранней стадии усталостного разрушения. Разработана концепция накопления и роста множественных повреждений и перехода к макроразрушению. В качестве повреждений рассмотрены микротрещины, зарождающиеся на поверхности материала в местах структурных неоднородностей. Предложен способ количественной оценки основных статистических параметров начальной стадии усталостного разрушения и критериев перехода к локализованному макроразрушению.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Современное состояние проблемы оценки повреждаемости металлов акустико-эмиссионным способом.

Использование акустико-эмиссионного метода контроля при оценке повреждаемости материала связывают с решением следующих основных задач: локализации источника сигналов акустической эмиссии, определения типа источника и оценки степени его опасности.

Локализация источника необходима на начальной стадии контроля для поиска растущих дефектов в контролируемом объекте. Решение задачи определения местоположения источника обеспечивается использованием известных методов триангуляции или зонной локации и служит основой для практического применения АЭ методики контроля [5,6]. Оценка опасности

источника обычно производится путем анализа динамических показателей активности эмиссии [7,8]. К сожалению, задача идентификации источников сигналов еще далека от своего окончательного решения, что является одной из серьезных причин, сдерживающих полномасштабное использование метода.

Существует два различных подхода к анализу АЭ-информации при решении задач идентификации источника сигналов эмиссии и оценки степени его опасности. Первый связан с представлением регистрируемой последовательности сигналов эмиссии в виде потока случайных событий и использованием статистических методов обработки случайных процессов; второй - включает методы, позволяющие интерпретировать информацию, содержащуюся непосредственно в форме единичных сигналов эмиссии.

В настоящее время для идентификации АЭ-источника и оценки степени его опасности наиболее часто применяют методы, связанные с первым подходом. Для получения АЭ- информации используют системы регистрации акустико-эмиссионной информации, позволяющие регистрировать выборочные характеристики сигналов эмиссии, такие как максимальная амплитуда, число осцилляций, время прихода, энергия сигнала и другие. Последовательность зарегистрированных сигналов, характеризующихся перечисленными параметрами, представляет собой реализацию случайного процесса излучения АЭ. Наличие априорных сведений о связи параметров процесса разрушения и процесса излучения АЭ обеспечивает возможность контроля за развитием повреждаемости путем анализа динамики параметров потока сигналов эмиссии и их функций распределения.

Для оценки параметров процесса используют статистические методы анализа. Поскольку при испытаниях приходится иметь дело с выборками данных, качество оценки параметров процесса по выборочным данным определяется размером выборки. Чем представительнее выборка, в данном случае - последовательность событий эмиссии, тем более точная оценка

параметров ( статистических моментов, вида распределения и других) может быть получена.

Потоки сигналов эмиссии, которые регистрируют во время испытания материала, в зависимости от соотношения между скоростью генерации событий эмиссии и быстродействием регистрирующей аппаратуры, условно можно разбить на три категории: потоки высокой, средней и низкой интенсивности. В случае работы с потоком высокой интенсивности, когда скорость потока превышает скорость регистрации, происходит потеря определенной части информации, что может привести к искажению результатов обработки. В связи с этим большое значение следует уделять правильному выбору параметров АЭ сбора данных, оказывающих влияние на скорость регистрации, таких как пороговое значение амплитуды сигнала, время блокировки аппаратуры и других. Обработка потоков средней интенсивности является наиболее предпочтительной, т.к. в этом случае информация записывается полностью и в то же время выборка данных является представительной. Наконец, анализ потока малой интенсивности может оказаться неэффективным из-за недостаточной представительности выборки данных. В этом случае снижается целесообразность использования ограниченного числа измеряемых параметров и возрастает роль анализа формы единичных сигналов.

Ниже приведен краткий обзор методов обработки данных, связанных с описанными выше подходами к анализу АЭ-информации. Однако, прежде чем приступить к рассмотрению этих методов, необходимо обратиться к проблеме связи механических параметров разрушения с характеристиками эмиссии.

1.1.1. Взаимосвязь параметров механики разрушения и акустической эмиссии.

Разработка теоретических концепций метода АЭ велась в двух основных направлениях: первое - по установлению связи АЭ с характеристиками хрупкого разрушения материала, второе - с элементарными и сложными актами пластической деформации.

Ряд исследователей, занимающихся хрупким разрушением металлов [9 -11], связывают излучение механических волн со скачкообразным продвижением трещин. Полагают, что наиболее полно реальный процесс возникновения дефекта отражает динамический подход с заданием смешанных граничных условий на линии разрыва. При этом среда рассматривается как упругий однородный континуум с известным распределением напряжений и деформаций. В момент образования или развития трещины на ее вновь образовавшихся поверхностях происходит мгновенное падение напряжения от исходного уровня ст0 до 0 и начинаются волновые процессы. А.Андрейкивом и др. [11] были исследованы задачи образования трещин различного типа ( полосообразные, дискообразные, поперечного и продольного отрыва) и установлена следующая связь между амплитудой сигналов Ак и величиной скачка с! 1к

с!1к=ЬкАк 2/3, (1-1)

а также амплитудой и коэффициентом интенсивности напряжений (КИН)

(1.2)

Кс Кс -кт

где Ьк - постоянные, К - пороговое значение коэффициента интенсивности

напряжений, соответствующее началу развития трещины, К_ - критическое

значение КИН. С помощью математического аппарата, позволяющего находить решения динамического уравнения Ламе, выведены соотношения для определения параметров упругого поля трещины, приведены картины волновых фронтов. Аналогичными вопросами занимался А.Недосека [10], им получены зависимости, позволяющие рассчитывать перемещения и силу удара по корпусу пьезоэлектрического приемника, возникающие при образовании скачкообразной деформации в материале.

Разработкой моделей, в которых источником излучения является пластическая деформация, занималась группа исследователей во главе с В.Нациком [12-14]. В исследованиях среда рассматривалась как упругая изотропная, с заданным напряжением вокруг линии дислокации, как элементарного акта пластической деформации. Возможность излучения дислокацией связывалась с переходом ее через границу двух сред ( т.е. через плоскость разрыва упругих модулей). По мнению авторов в результате такого перехода происходит резкая перестройка упругого поля вокруг линии дислокации и в материале возникают акустические волны. В работе [13] был решен вопрос о звучании дислокации при выходе ее на поверхность кристалла, дана оценка величины напряжения звукового импульса, зависящая от скорости выхода дислокации на поверхность. В [12] была изучена динамика испускания источником Франка -Рида серии из 15 дислокационных петель и дана оценка напряжений в звуковом импульсе:

, 2 2 о р Ь с 8 Б

а~6Т!п(-) -2 ■ (1-3)

г 10В д\

где г - расстояние от источника до приемника, в - модуль сдвига, 10 - начальный

размер петли, Э(1:) - площадь, заметаемая дислокацией, Ь - вектор Бюргерса, р -плотность дислокаций, В - коэффициент вязкого торможения дислокаций.

Разработка теоретических концепций излучения звука при движении дислокаций способствовала более глубокому пониманию феномена АЭ, вместе с тем результаты исследований имели в большей степени научный характер, чем прикладной. Это обу