автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование кинетики деформации и разрушения конструкционных материалов методом акустической эмиссии

Введение.

Глава 1. Деформация и разрушение конструкционных материалов, методы исследования этих процессов.

1.1. Особенности строения и свойства металлов и сплавов, применяемых в авиационной технике.

1.2. Особенности деформации и разрушения титановых и алюминиевых сплавов.

1.2.1. Деформация исследуемых материалов с позиций классической дислокационной теории.

1.2.2. Подход теории физической мезомеханики к процессам деформации и разрушения.

1.3. Методы определения свойств и изучения процессов деформации и разрушения материалов.

1.4. Метод акустической эмиссии как инструмент исследования и контроля материалов.

1.4.1. Физические основы АЭ метода.

1.4.2. Анализируемые параметры акустической эмиссии.

1.4.3. Применение метода акустической эмиссии для решения научных и практических задач.

Основной задачей материаловедения является изучение зависимостей между составом, строением и свойствами материалов, а также закономерностей их изменения под воздействием внешних факторов [60]. Решение этого вопроса кроме чисто научного интереса представляет собой ещё и важную народно-хозяйственную проблему, так как понимание закономерностей протекающих в материалах физических процессов позволяет достичь значительного прогресса в области разработки новых материалов с улучшенными потребительскими свойствами, обеспечения эксплуатационной надёжности и безопасности материалов и технического оборудования на их основе и т.д. Процесс достижения этой стратегической цели базируется на решении ряда более мелких задач, одной из которых является изучение кинетики деформации и разрушения конструкционных материалов.

Известно [2], что изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров изделий в процессе их деформации и разрушения, а также кинетики протекания этих процессов является важным этапом для разработки методов неразрушающего контроля, оценки состояния и прогнозирования разрушения этих изделий. Что в свою очередь позволяет избежать отказов различных технических систем, связанных с большими техническими и экономическими потерями, а также определяет направление дальнейшего совершенствования материалов.

На сегодняшний день известно достаточно много методов как разрушающего, так и неразрушающего контроля. Наибольшее распространение получили механические испытания (статические, динамические, усталостные, испытания на твёрдость и др.) [3], которые позволяют с достаточной точностью определять наиболее важные механические характеристики, но дают лишь информацию об интегральном состоянии исследуемого материала и не отражают кинетику физических процессов в микрообъёмах и к тому же носят разрушающий характер. Также известны методы контроля, основанные на визуальном наблюдении с использование видимого света и рентгеновских лучей (кристаллография, фрактография, металлография [24, 62] и т.д.); способы контроля проникающими веществами, оптическими, тепловыми, акустическими, радиоволнами и радиационными методами [72 - 76]. "Однако большинство используемых методов испытаний и исследований разработано достаточно давно, и с течением времени происходит лишь совершенствование оборудования для их проведения, в то время как сами методы уже исчерпали практически все свои потенциальные возможности и не способны в полной мере удовлетворить потребности исследователей при изучении физических процессов на низких масштабных уровнях.

К числу относительно новых перспективных методов исследования и контроля относятся акустические методы. Эти методы позволяют получать огромные массивы информации о состоянии материалов и конструкций. Согласно имеющимся данным более половины современных средств неразрушающего контроля являются акустическими. Неоценима роль акустических методов контроля в прогнозировании и предупреждении аварий и катастроф - так если достоверность выявления плоскостных дефектов радиографическим методом не превышает (35. 45)%, то достоверность полученных акустическим методом данных достигает уровня 90 %. Кроме того, акустические методы предоставляют широкие возможности при исследовании свойств материалов, веществ и конструкций [19].

Частным случаем акустических методов исследования и контроля является метод акустической эмиссии (АЭ). Этот относительно молодой метод (систематические исследования явления АЭ начались примерно в 50х годах прошлого столетия) уже получил широкое распространение в области исследования и неразрушающего контроля благодаря своим неоспоримым преимуществам. К отличительным особенностям этого метода относятся: оперативность, высокая разрешающая способность (высокая чувствительность к деформации), способность разделения элементарных актов деформации во времени и хорошая совместимость с другими методами исследований [33]. Вышеописанный метод обычно является неразрушающим и позволяет исследовать происходящие в материале процессы в реальном масштабе времени, дистанционно, в условиях агрессивных сред, радиации и т.д. [27]. Применение этого метода позволяет осуществлять контроль больших и сложных конструкций ограниченным числом датчиков и определять местоположение и степень опасности активных дефектов (источников АЭ) [46].

Таким образом, исследование кинетики деформации и разрушения материалов является важной научно-практической задачей, а применение нового акустико-эмиссионного инструмента исследований открывает широкие возможности для изучения процессов на новых практически неизученных уровнях.

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет» и в производственный процесс ФГУП «Комсомольское -на - Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А.Гагарина».

1. ASTME 1316-94. Standard definitions of terms relating to acoustic emissions.

2. Gong X.L., Toyooka S. Investigation of mechanism of plastic deformation process using digital speckle pattern interferometry. Exp. mech. 1999. V. 39.-p. 25-29.

3. Jaffrey D. Источники акустической эмиссии в металлах. Обзор. 4.1. -Non-destruct test. Austral. 1979. V.16. № 4. p. 9 - 18.

4. Jaffrey D. Источники акустической эмиссии в металлах. Обзор. Ч.З. -Non-destruct test. Austral. 1979. V.16. № 6. p. 19 - 28.

5. Jessen E.C., Spanheimer H., Deherrera A J. Prediction of composite pressure vessel performance by application of the Kaiser effect in acoustic emission. -ASME Paper H300-12-2-037. 1975.

6. Kaiser J. Untersuchungen iiber das Auftreten von Gerauschen beim Zugversuch. PhD Thesis. Technische Hochschule, Munich. 1950.

7. Kettunen P., Rauskanen P. Влияние циклического нагружения на эффект Баракгаузена в поликристаллическом железе. Scand. J. Met 1979. V. 8. № 3. - p. 112-114.

8. Koltonski W. The effect of structure and swelling of concrete on the frequency of acoustic emission signals. Arch, acoustic. 1992. № 1. - p. 67 -76.

9. Schwarz W., Heingrel H., Grundler О. Об использовании анализа акустической эмиссии при коррозийном испытании / in «7th congress material testing». Budapest. 1978. V. 2. - p. 871 - 873.

10. Semashko N.A., Lanovenko E.V., Lanovenko V.V., Frolov A.V. Research of phase transformations in titanium and titanium alloys by ultrasonic method. Metalurgija. Croatia. 2001. V. 40. № 3. - p. 161-164.

11. Shinaishin О.A., Darlow M.S., Acquaviva S.J. Обнаружение зарождения и изучение распространения трещины при усталости надрезанных и ненадрезанных титановых образцов с помощью метода акустической эмиссии. Mater, eval. 1976. V. 34. № 6. - p. 137 - 143.

12. Tandon K.N., Tangri К. Акустическая эмиссия при деформировании поликристаллического кремнистого железа. Material science and engineering. 1975. V. 20. № l.-p. 47-54.

13. Tetelman A.S. Измерение акустической эмиссии и процессы микроразрушения. Mater, res. and stand. 1971. V. 11. № 3. - p. 13-16.

14. Авдеев Б.А. Техника определения механических свойств материалов. -М.: Машиностроение. 1965. 488 с.

15. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / под ред. Баранова В.М и др М.: Наука. 1998.-304 с.

16. Алфимов А.Н., Гуляев А.П. О скорости роста мартенситного кристалла. Известия АН СССР. 1954. № 3, - с. 88 - 90.

17. Андрейкив А.Е., Лысак Н.В. Метод акустической эмиссии в исследовании процессов разрушения. Киев: Наукова думка. 1989. -176 с.

18. Бавенхолл Ф.В. Применение явления эмиссии волн напряжений к распространению трещины в металлах. Модель распространения трещины. Акустика. 1977. Т. 37. № 5. - с. 307 - 316.

19. Баранов В.М., Гриценко А.И., Карасевич A.M. и др. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса. М.: Наука. 1998. - 304 с.

20. Батунер А.П., Школьник Л.М., Великанов А.В. и др. К вопросу применения акустической эмиссии для механических испытаний. -Проблемы прочности. 1979. № 3. с. 67 - 70.

21. Бойко B.C., Гарбер Р.И., Кривенко Л.Ф. и др. Звуковое излучение двойникующих дислокаций при их выходе на поверхность. ФТТ. 1996. Т. 11. В. 12. -с. 3624-3626.

22. Боровиков А.С., Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В. Физические основы и средства капиллярной дефектоскопии. Минск: Наука и техника. 1983.-256 с.

23. Бунин К.П., Баранов А.А. Металлография. М.: Металлургия. 1970. -253 с.

24. Бунин К.П., Баранов А.А., Металлография. М.: Металлургия. 1970. -253 с.

25. Вайнберг В.Е., Соседов В.Н., Кушнир A.M. Исследование роста трещин методом акустической эмиссии. Дефектоскопия. 1975. № 3. -с. 127-129.

26. Вороненко Б.И. Акустическая эмиссия в металловедении. Горький: ПИК ВИНИТИ. 1981.- 116 с.

27. Вычеров В.Е. Определение моментов образования мартенсита и возникновения закалочных трещин в изделиях из стали методом акустической эмиссии. Заводская лаборатория. 1977. Т. 43. № 9. -с. 1116-1118.

28. Вычеров Е.В. Акустический способ контроля качества закалки изделий. А.с. СССР № 457920, опубликовано 25.01.1975 г.

29. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия. 1975.-448 с.

30. Голямина И.П., Эскин Г.И. Эмиссия акустическая / в кн. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М. Советская энциклопедия. 1979. - с. 391 -393.

31. ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определения м обозначения.

32. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Издательство стандартов. 1976.-272 с.

33. Грешников В.А., Дробот Ю.Б., Константинов В.А. и др. Определение пластической деформации и растущих трещин методом акустической эмиссии. Измерительная техника. 1979. № 5. - с. 67 - 69.

34. Джеймс Д.Р., Карпентер С.Х. Связь между акустической эмиссией и кинетикой дислокаций в кристаллических твёрдых телах. Журнал прикладной физики. 1971. Т. 42. № 12. - с. 4685-4697.

35. Диагностика авиационных деталей / под ред. Лозовского В.Н. и др. -М.: Машиностроение. 1988. 280 с.

36. Добаткин В.И. Разрушение алюминиевых сплавов. М.: Оборонгиз. 1981.- 175 с.

37. Дорофеев A.J1. Индукционная дефектоскопия. М.: Машиностроение. 1976.-230 с.

38. Дриц М.Е., Гук Ю.П., Герасимова Л.П. Разрушение алюминиевых сплавов. М.: Наука. 1980. - 220 с.

39. Дриц М.Е., Корольков A.M., Гук Ю.П. и др. Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях. М.: Наука. 1973. - 215 с.

40. Дроздовский Б.А., Проходцева Л.В., Новосильцева Н.И. Трещиностойкость титановых сплавов. М.: Металлургия. 1983. — 192 с.

41. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение. 1981.-238 с.

42. Захарова М.И. Атомно-кристаллическая структура и свойства металлов и сплавов. М.: МГУ. 1972. - 215 с.

43. Золотое А.Д. Связь параметров эмиссии волн напряжений с характером разрушения двухслойных материалов. Физика хрупкого разрушения. Ч. 2. Киев. 1976.-с. 186-187.

44. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. -М.: Металлургия. 1974.-303 с.

45. Иванов В.И. Акустическая эмиссия новый метод исследования и контроля / в кн. «IX всесоюзная акустическая конференция». Доклады. Секция «В». - М.: Акустический институт СССР. 1971.-е. 171 — 174.

46. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия. 1979. - 168 с.

47. Ивлев Ю.И., Мелехин В.П., Минц Р.И. и др. Особенности параметров акустического излучения при термоупругой мартенситной реакции. -ФТТ. 1973. Т. 15. В. 9. с. 2647 - 2650.

48. Испытание материалов : Справочник / под ред. Блюменауэра Х.Пер. с нем. М.: Металлургия. 1979. - 448 с.

49. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. М.: Машиностроение. 1973. 447с.

50. Киси Т., Курибаяси К. Акустическая эмиссия, сопровождающая распространение усталостных трещин. Киндзоку дзайрё. 1978. Т. 48. № 3. - с. 65-68.

51. Колачёв Б.А. Физическое металловедение титана. М.: Металлургия. 1976.- 196 с.

52. Колачёв Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1974. - 543 с.

53. Колачёв Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1972.-480 с.

54. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М. Изд-во стандартов. 1970.-238 с.

55. Коллакот Р. Диагностика повреждений. Пер. с англ. М.: Мир. 1989. — 512 с.

56. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации / Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск. Наука. 1990. - с. 123 - 186.

57. Кудрявцев И.П. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия. 1980. - 465 с.

58. Кудряшов В.Г., Смоленцев В.И. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1976. - 295 с.

59. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение. 1980. -493 с.

60. Лексовский A.M., Нарзулаев Г.Х. и др. АЭ при деформировании углеродных композиционных материалов с разными матрицами / в сб. «Акустическая эмиссия гетерогенных материалов». Ленинград. 1986.-с. 155- 160.

61. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия. 1971. - 405 с.

62. Лихатский С.И., Новиков Н.В., Войницкий А.Г. Акустический метод регистрации эмиссии волн напряжений при деформировании металлов / в кн. «Приборы для исследования физических свойств материалов». Киев. Наукова думка. 1974. - с. 165 - 175.

63. Лихачёв В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука. 1993. - 471 с.

64. Макаров П.В., Черепанов О.И., Демидов В.Н. Математическая модель упруго-пластического деформирования мезообъёма материала с ограниченным числом систем скольжения / Изв. ВУЗов. Физика. 1995. Вып. 38. № 11.-с. 70-85.

65. Миркин Я.И. Рентгеноструктурный анализ. М.: Металлургия. 1976. -200 с.

66. Муравин Е.Б. Ермисон A.JI. Использование акустической эмиссии для контроля состояния железобетонных мостов / в сб. «Акустическая эмиссия материалов и конструкций». Ростов-на-Дону. 1989. Ч. 2. -с. 3 - 8.

67. Нагата К. Акустическая эмиссия при усталостном разрушении в условиях повторяющейся нагрузки. Киндзоку дзайрё. 1977. Т. 17. №2.-с. 43-48.

68. Накамура Т., Фукуддзава Я., Ро Й и др. Взаимосвязь между характеристиками разрушения феррито-перлитных сталей и акустической эмиссией. Тэцу то хаганэ. 1978. Т. 64. № 7. - с. 851 -859.

69. Недосека А.Я. Основы диагностики и расчёта сварных конструкций. -Киев. Наукова думка. 1996. 293 с.

70. Неразрушающий контроль. Кн. 1. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами / под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. 1992. - 244 с.

71. Неразрушающий контроль. Кн. 2. Акустический контроль / под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. 1992. - 382 с.

72. Неразрушающий контроль. Кн. 3. Электромагнитный контроль / под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. 1992. - 312 с.

73. Неразрушающий контроль. Кн. 4. Контроль излучениями / под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. 1992. - 354 с.

74. Неразрушающий контроль. Кн. 5. Интроскопия и автоматизация контроля / под ред. Сухорукова В.В. М.: Высшая школа. 1992. - 286 с.

75. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М.: Металлургия. 1975. - 207 с.

76. Новиков Н.В., Филоненко С.Ф., Городыский Н.И. и др. К критерию определения источника сигналов акустической эмиссии при нагружении материалов. Сверхтвёрдые материалы. 1987. № 2. -с. 42-45.

77. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов / Изв. ВУЗов. Физика. 1995. Вып. 38. № 11.-е. 6-25.

78. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики / Физическая мезомеханика. № 1. 1998. с. 5 - 22.

79. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука. 1990. -255 с.

80. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твёрдых тел / Изв. ВУЗов. Физика. Вып. 25. № 6. 1982.-е. 5-27.

81. Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Деревягина JI.C. Принцип масштабной инвариантности при пластической деформации на микро- и мезомаспггабном уровнях / ФММ.1997. Т. 84. Вып. 1. с. 106 - 111.

82. Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Деревягина J1.C. Принцип масштабной инвариантности при пластической деформации на микро- и мезомасштабных уровнях / ФММ. 1997. Т. 84. Вып. 1.-е. 106 111.

83. Панин В.Е., Лихачёв В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твёрдых тел. Новосибирск: Наука. 1985. - 229 с.

84. Подгорный А.Н., Гузь И.С. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении твёрдых тел. Киев: Наукова думка. 1980. - 110 с.

85. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкций / под ред. Писаренко Г.С. Киев. Наукова думка. 1991. -231 с.

86. РД-03-131-97. Правила организации и проведения акусто-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. М. Изд-во стандартов. 1996. - 40 с.

87. Рентгенотехника : Справочник / под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение. 1980. - 482 с.

88. Сано К. Акустическая эмиссия при мартенситном превращении. -Киндзоку дзайрё. 1977. Т. 17. № 2. с. 38 -42.

89. Саржевский В.И. Диагностика процесса шлифования методом акустической эмиссии. Вестник машиностроения. 1988. № 1. — с. 43 — 45.

90. Семашко Н.А., Лановенко Е.В., Лановенко В.В. и др. Исследование акустических свойств ферромагнитных металлов и сплавов -Материаловедение. 2000. № 11. с. 3 - 10.

91. Семашко Н.А., Фролов А.В., Муравьёв В.И. и др. О новых параметрах метода акустической эмиссии. / в сб. тезисов докладов 1ой евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур». М.: МИСиС. 2002. - с. 45.

92. Скобло А.В., Жигун А.П., Дунина Л.П. и др. Применение акустической эмиссии для определения предела упругости конструкционных сталей. Заводская лаборатория. 1979. Т. 45. № 4. -с. 363-365.

93. Соседов В.Н. Исследование связи характеристик сигналов акустической эмиссии со структурой материалов. Заводская лаборатория. 1978. Т. 44. № 3. - с. 317 - 321.

94. Супрапеди, Тойоока С. Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии. Физическая мезомеханика. 1998. Т.1. № 1. -с. 55 - 60.

95. Тимошук Л.Т. Механические испытания металлов. М.: Металлургия. 1971. - 224 с.

96. Тойоока С., Маджарова В., Жанг К. и др. Исследование элементарных процессов пластической деформации с помощью динамической электронной спекл-интерферометрии. Физическая мезомеханика. № 4. 2001. - с. 23 - 27.

97. Уэрт У., Томсон Р. Физика твёрдого тела. Пер. с англ. М.: Мир. 1969.-558 с.

98. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / под ред. Панина В.Е. Новосибирск: Наука. 1995. - 617 с.

99. Филоненко С.Ф. Акустическая эмиссия Киев. КМУГА. 1999. 304 с.

100. Филоненко С.Ф. Акустическая эмиссия. Измерение, контроль, диагностика. К.: КМУГА. - 1999. - 312 с.

101. Филоненко С.Ф., Семашко Н.А., Покладий Г.Г. и др. Определение момента касания детали кругом и глубины врезания с использованием метода акустической эмиссии. Сверхтвёрдые материалы. 1994. № 5. -с. 61-64.

102. Хатгон П.Х., Орд P.M. Акустическая эмиссия / в кн. «Методы неразрушающих испытаний». М. Мир. 1972. - с. 27 - 58.

103. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир. 1972. -408 с.

104. Цвиккер У. Титан и его сплавы. Пер. с нем. М.: Металлургия. 1979. -77 с.

105. Шевелёв В.В., Яковлев С.П. Анизотропия механических свойств материалов. -М.: Машиностроение. 1972. 136 с.

106. Шип В.В., Муравин Г.Б., Чабуркин В.Ф. Вопросы применения акустической эмиссии при диагностики сварных трубопроводов -Дефектоскопия. 1993. № 8. с. 17-23.

107. Энгель JL, Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение : Справочник. Пер. с нем. М.: Металлургия. 1986. - 232 с.