НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

СКАЛЬСЬКИЙ Валентин Романович

УДК 539.3:620.169.16

РОЗРОБКА МЕТОДИК І ЗАСОБІВ ОЦІНКИ ОБ’ЄМНОЇ ПОШКОДЖЕНОСТІ ТА РУЙНУВАННЯ МАТЕРІАЛІВ

І ВИРОБІВ ЗА ПАРАМЕТРАМИ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ

01.02.04-МЕХАНІКА ДЕФОРМІВНОГО ТВЕРДОГО ТІЛА

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка Національної Академії наук України

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор, член-кореспондент
НАН України АНДРЕЙКІВ Олександр Євгенович,
Національний університет імені Івана Франка, м. Львів,
професор кафедри механіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, академік НАН України ЛЕБЕДЄВ Анатолій Олексійович, Інститут проблем міцності
ім. Г.С.Писаренка НАН України, м. Київ, завідувач відділу
статичної міцності та пластичності конструкційних матеріалів;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

КИР’ЯН Валерій Іванович, Інститут електрозварювання
ім. Є.О.Патона НАН України, м. Київ, завідувач відділу міцності зварних конструкцій;

доктор фізико-математичних наук, професор

ОСАДЧУК Василь Антонович, Національний університет
“Львівська політехніка”, м. Львів, завідувач кафедри зварюваль-ного виробництва, діагностики і відновлення металоконструкцій.

Провідна установа – Одеський національний політехнічний університет, кафедра динаміки, міцності машин і опору матеріалів, Міністерство освіти і науки,
м. Одеса.

Захист відбудеться “ 30 ” квітня 2003 року о 15оо годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5, 79601.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту
ім. Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів, вул. Наукова, 5).

Автореферат розісланий “ 24 ” березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Погрелюк І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності роботи сучасного промислового обладнання, природне старіння будинків та інших цивільних споруд і конструкцій призводить до необхідності експлуатації їх за умов, які близькі до граничних. Тому все більше зростає потреба виявлення найнебезпечніших для міцності конструкцій дефектів типу тріщин в умовах деградації матеріалу внаслідок дії на нього корозійно-механічних чинників і різного роду фізичних полів. А це, в свою чергу, зумовлює проведення контролю локальних об‘ємів дефектності цих об‘єктів з високою достовірністю, щоб прогнозувати критичні ситуації та попередити руйнування. Важливість задачі важко переоцінити не тільки для таких відповідальних промислових об’єктів, які експлуатуються в атомній та тепловій енергетиці, хімічному та нафтохімічному виробництві, газо- та нафтотранспортних мережах, авіакосмічній техніці, але й в інших галузях життєдіяльності людини. Вищевикладене особливо стосується України, де згадана проблема набула надзвичайної гостроти. Адже, наприклад, в теплоенергетиці понад 80% обладнання вичерпало свій розрахунковий ресурс. Наближаються до цього показника й інші галузі промисловості нашої держави.

Як свідчить світова практика, сьогодні для розв’язання задач діагностування конструкцій та виробів надзвичайно актуальною є проблема вивчення механізмів і здійснення кількісної оцінки процесів зародження та розвитку мікро- та макротріщин в області пластичних деформацій (об‘ємної пошкодженості) конструкційних матеріалів. Адже саме там відбуваються початкові стадії зародження руйнування, які є найтривалішими процесами у ланцюгу “зародження пошкодженості – субкритичний ріст макротріщин – завершальна стадія руйнування”. Методи кількісної оцінки об’ємної пошкодженості матеріалу в області його пластичних деформацій в даний час розвинуті недостатньо. Поряд із цим ще навіть не вироблено єдиної думки щодо найінфор-мативнішого підходу, тому часто в залежності від вибраного параметра, якому ставиться у відповідність міра пошкодженості і спосіб її інтер-претування, отримують, відповідно, і різні значення шуканих величин. Виходячи із цього, актуальними є розробки нових фундаментальних підходів і створення на цій основі необхідних методологічних засад для інтегральної кількісної оцінки об’єм-ної пошкодженості матеріалу неруйнуючими методами контролю. Суттєвий внесок у розв’язання окресленої проблеми може дати розвиток методів і засобів, котрі ґрунтуються на використанні сучасних досягнень механіки руйнування та нових фізичних досліджень.

Досвід останніх десятиріч показав великі потенційні можливості методу акустичної емісії (АЕ), який дозволяє оцінювати динаміку розвитку дефектів та міцнісні властивості матеріалів під час експлуатації об’єктів без порушення їх цілісності. Він вигідно відрізняється від інших неруйнівних методів можливістю дистанційного контролю всього об’єму матеріалу виробу, незалежно від його форми та розмірів, має високу чутливість, що дає змогу отримувати інформацію про руйнування на відстанях, які на порядки перевищують розміри первинних перетворювачів і величину дефектів, що розвиваються.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження за темою дисертації виконувалося в рамках держбюджетних наукових тем за відомчим замовленням НАН України (1994–1996 рр.: “Розробка основ теорії електромагнітного та акустико-емісійного неруйнівного контролю матеріалів з використанням нових підходів до розв’язку задач математичної фізики”, № держреєстрації (№д/р) 0194U040232, дисертант – виконавець; 1997–1998 рр.: “Розробка акустичних методів оцінки параметрів руйнування та дефектності матеріалів і елементів конструкцій”, №д/р 0197V018137, дисертант – виконавець; 1999–2000 рр.: “Оцінка впливу воденьмістких середовищ на працездатність зварних з’єднань конструкційних сталей”, №д/р 0100U004854, дисертант – виконавець; 1999–2001 рр.: “Дослідження механізмів генерування сигналів акустичної емісії в процесі зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів і розробка методів та засобів відбору та обробки відповідної інформації”, №д/р 0100V004855, дисертант – відповідальний виконавець; 2001–2004 рр.: “Розробка методів визначення залишкового ресурсу об’єктів тривалої експлуатації, що працюють в контакті із воденьмісткими середовищами”, №д/р 0101V004853, дисертант – відповідальний виконавець;) і госпдоговірної тематики інституту (1992–1993 рр.: “Дослідження, розробка та промислове впровадження акустико-емісійного контролю стану металу барабанів котлів високого тиску і трубопроводів живлення блоків 300 та 800 МВт ТЕС Міненерго України”, №госпдоговору (№г/д) 2345, дисертант – відповідальний виконавець; 1992–1993 рр.: “Розробка та виготовлення стенду контролю якості породоруйнуючих дисків на основі методу акустичної емісії”, №г/д 12-А/92, №д/р 0192U032203, дисертант – керівник теми; 1991–1994 рр.: “Розробка методики оцінки якості виробів типу ЕПТ і впровадження методики технологічного контролю в процес виробництва”, №г/д 1376-В, дисертант – керівник теми; 1997–1998 рр.: “Розробка та виготовлення чотириканального накопичувача виборок сигналів акустичної емісії і створення на його основі діагностичної системи для визначення місця розташування дефектів на об’єкті контролю”, №г/д 16/21С, дисертант – керівник теми) та інших, де дисертант був виконавцем.

Мета і задачі дослідження: на основі нових модельних підходів створити методи і засоби для кількісної оцінки об’ємної пошкодженості та руйнування матеріалів і виробів за сигналами акустичної емісії.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі фундаментальні та прикладні задачі:

· створити модель кількісної оцінки об’ємної пошкодженості під час деформування матеріалу в області пластичних деформацій на основі застосування явища АЕ;

· провести дослідження з підтвердження основних положень моделі;

· розробити коректні методики і здійснити експериментальні дослідження конструкційних матеріалів для визначення критичних значень їх об’ємної пошкодженості в пластично деформованому об’ємі;

· встановити константи, що пов’язують механічну міру об’ємної пошкодженості матеріалів із акустико-емісійною;

· створити коректні методики і провести дослідження зі встановлення
кількісної оцінки акустико-емісійної об’ємної пошкодженості під час
деформування матеріалів в області пластичних деформацій перед вершиною макротріщини;

· встановити критичні значення механічної та акустико-емісійної міри об’ємної пошкодженості для найпоширеніших у практичному застосуванні конструкційних сплавів;

· розробити прикладні методики та засоби для здійснення неруйнівного контролю об’ємної пошкодженості матеріалів і виробів із використанням отриманих нових підходів та результатів досліджень.

Об’єкт дослідження. Процеси зародження та розвитку мікро- та макродефектів у пластично деформованому об’ємі конструкційного матеріалу під дією статичних навантажень та робочих середовищ і пружні динамічні поля, які вони спричинюють у деформівному твердому тілі.

Предмет дослідження. Нові розрахункові моделі і експериментальні методи оцінки за параметрами АЕ об’ємної пошкодженості та руйнування матеріалів і виробів з урахуванням впливу робочих середовищ та механічних чинників у деформованих твердих тілах.

Методи досліджень. Для досягнення сформульованої в роботі мети використовували метало-, фракто- та мікрорентгеноспектральний аналіз, моделювання процесів генерування сигналів акустичної емісії під час за-родження та розвитку руйнування у конструкційних матеріалах, ультразвуковий та розвинутий автором акустико-емісійний методи неруйнівного контролю, статистичні методи обробки результатів експериментальних до-сліджень, фізичний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що у роботі розв’язана актуальна науково-технічна проблема, а саме: розробка методів і засобів кількісної оцінки об’ємної пошкодженості та руйнування матеріалів і виробів за сигналами акустичної емісії. Це підтверджено такими результатами:

Ё запропоновано розрахункову модель для кількісної оцінки механічної міри об’ємної пошкодженості кристалічних тіл за відношенням площ новоутворених поверхонь до об’єму, де відбуваються процеси зародження та розвитку дефектів, яка грунтується на законі лінійного сумування по-шкоджень і проведено її експериментальне підтвердження;

Ё створено методологію визначення акустико-емісійної міри об’ємної пошкодженості матеріалів за амплітудами сигналів акустичної емісії в ло-кальних пластично деформованих об’ємах в тому числі перед вершиною макротріщини;

Ё за акустико-емісійною мірою об’ємної пошкодженості матеріалів сформульовано критерії спонтанного руйнування матеріалу та початку субкритичного росту макротріщини у ньому і проведено їх експериментальну перевірку;

Ё визначено акустико-емісійні константи, які дозволяють за сумою амплітуд сигналів акустичної емісії визначати механічну міру об’ємної по-шкодженості для низки конструкційних сплавів;

Ё сформульовано модель руйнування біметалів внаслідок дії температурно-водневого чинника і експериментально визначено його АЕ-стадії; результати співставлено із даними, отриманими за раніше встановленою аналітичною розрахунковою моделлю росту піднаплавочних тріщин;

Ё для композитних матеріалів встановлено кількісні АЕ-критерії визначення стадій накопичення об’ємної пошкодженості: а) інкубаційного періоду; б) моменту початку докритичного накопичення та в) оцінки стану докритичного накопичення.

На підставі цього розроблено принципово нові:

Ш методики кількісної оцінки об’ємної пошкодженості виробів на стадії їх виготовлення чи експлуатації;

Ш експериментальну АЕ-методику кількісної оцінки ступеня пошкодженості деградованого під час тривалої експлуатації і в результаті впливу температури та водневого чинника матеріалу стінки трубопроводу живильної води енергоблоків закритичного тиску ТЕС під дією квазістатичного навантаження. Показано, що традиційні методики АЕ-контролю можуть бути не ефективними під час опресування трубопроводів, бо не враховують важливих факторів генерування сигналів АЕ деградованим матеріалом;

Ш методологію оптимізації геометричних розмірів хвилеводів АЕ, яка враховує власні частоти первинного перетворювача сигналів АЕ, їх заникання, вплив температурного поля на перетворювач тощо;

Ш засоби для випробувань з використанням явища АЕ зразків конструкційних матеріалів на статичну тріщиностійкість і для визначення їх меха-нічних характеристик як на повітрі, так і в робочому середовищі.

Обгрунтованість і вірогідність отриманих результатів та висновків дисертаційної роботи забезпечуються використанням фундаментальних положень фізики і механіки руйнування матеріалів, динамічної теорії поля, коректною постановкою експериментальних досліджень, співставленням деяких часткових результатів із відомими у літературі, застосуванням в експериментальних дослідженнях сучасних засобів відбору, обробки та реєстрації необхідної інформації.

Практичне значення отриманих результатів. Створену модель об’ємної пошкодженості матеріалів застосовували для розробки сучасних методик кількісної оцінки критичних значень акустико-емісійної, а відтак і механічної міри об’ємної пошкодженості матеріалів в області пластичних деформацій, зокрема і перед макротріщиною, що має винятково важливе значення для оцінки стану об’єктів під час проведення їх неруйнівного контролю та визначення ресурсу експлуатації. Розроблені методики включені до нормативного документу Технічного комітету зі стандартизації Держстандарту України, що введений в дію 27.11.2001 р.

Результати досліджень використані на практиці для: оцінки якості на стадії виготовлення вінців породоруйнівного інструменту спільним українсько-німецьким підприємством “ICM” м.Дрогобич та електронно-променевих вакуумних приладів на ВО “Кінескоп” м.Львів; кількісної оцінки ступені пошкодженості деградованого в процесі тривалої експлуатації матеріалу стінки труб живильної води енергоблоків закритичного тиску ТЕС Міненерго України (разом із НДІТЕ м.Горлівка); оптимізації технології наплавлення захисного аустенітного шару на основний метал стінки ре-актора гідрогенізації нафти із урахуванням впливу робочого середовища та різних швидкостей охолодження (разом із ІЕЗ ім. Є.О.Патона, м.Київ); оцінки міцності та дефектності бетону та залізобетонних елементів мостових конструкцій і виробів на ТзОВ “Тріада” м.Львів; оцінки об’ємної пошкодженості ресорної сталі під впливом водню та статичного навантаження під час розробки нових видів ресор на ВАТ “Львівський автобусний завод”; визначення особливостей генерування сигналів АЕ різними зонами зварних з’єднань під час статичного навантаження кранових конструкцій у процесі їх експлуатації (“Діалаб”, м.Одеса).

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях International Con-ference on Fracture ICF-8 (Київ,1993), “Risc and Economic Evaluation on Failure and Malfunction of Systems” (Lisbon, 1995), “Разнородные сварные соединения в оборудовании и трубопроводах АЭС: проблемы и способы их решения” (Санкт–Петербург, 1995), 2-ій Міжнародній конференції “Артилерійські ствольні системи, боєприпаси, засоби артилерійської розвідки та керування вогнем” (Київ, 1998), “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 1999), “Оцінка і обгрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій. Ресурс 2000.” (Київ, 2000), “New Trends in Fatigue and Fracture” (Metz, France, 2002), 5-ій, 6-ій та 7-ій Міжнародних науково-технічних конференціях-виставках “ЛЕОТЕСТ-2000, 2001, 2002. Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів” (Славське, 2000, 2001, 2002), 14-th European Conference on Fracture ECF-14 “Mechanics Beyond 2000” (Cracow, Poland, 2002), мiжнародній конференції-виставці “Проблеми корозiї та протикорозiйного захисту конструкцiйних матерiалiв” (Львiв, 1994), міжнародних симпозіумах “18-th Symposium on Experimental Mechanics of Solids” (Jachranka near Warsaw, Poland, 1998), 4-ому та 5-ому “Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові” (Львів, 1999, 2001), “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій” (Мукачеве, 1998; Тернопіль 2000; Луцьк, 2002), 1-ій та 2-ій Українських науково-технічних конференціях “Неруйнівний контроль та технічна діагностика” (Дніпропетровськ, 1994, 1997), науково-практичному семінарі “Протикорозійний захист трубопроводів і споруд та методи неруйнівного контролю. КТС–98” (Львів, 1998).

У повному обсязі робота доповідалась на наукових семінарах: відділу конструкційної міцності матеріалів у робочих середовищах Фізико-меха-нічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України м.Львів (керівник семінару – д.т.н., проф. С.Ковчик), “Технічна діагностика зварних конструкцій” відділу №59 Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України м. Київ, (керівник семінару – д.т.н., проф. А.Недосєка), тематичному семінарі “Статична міцність” Інституту проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України м.Київ, (керівник семінару – академік А.Лебєдєв), проблемному семінарі “Механіка крихкого руйнування” Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України м.Львів (керівник семінару – академік В.Панасюк), науковому тематичному семінарі кафедри зварювального виробництва, діагностики і відновлення металоконструкцій Національного університету “Львівська політехніка”, м.Львів (керівник семінару д.ф.-м.н., проф. В.Осадчук).

Публікації та особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які відображені в дисертації, опубліковані у 55-ти наукових працях [1–55], в т.ч. 3-х розділах монографії [1–3], 35-ти статтях у наукових періодичних вітчизняних і зарубіжних виданнях, журналах і збірниках праць, що відповідають вимогам ВАК України до публікацій результатів дисертаційних робіт у фахових виданнях [4–38], у нормативному документі Технічного комітету зі стандартизації Держстандарту України [39], збірнику науково-інформаційних матеріалів [40], 7-ми патентах України [41–47], 2-х препринтах [48–49] і в збірниках праць міжнародних конференцій [50-55]. Всього за темою роботи опубліковано 135 наукових праць.

Основні результати роботи отримані дисертантом самостійно [5,7,9,10,15,27,32,33,35–37,51]. У нормативному документі [39] здобувачем розроблено окремі методологічні основи та проведено експериментальні дослідження з оцінки заникання сигналів АЕ під час поширення їх у конструкційних матеріалах різної товщини, узагальнено методики виявлення за методом тріангуляції дефектів на різних об’єктах контролю, в оглядових працях [19,20,38] здобувач систематизував, провів аналіз і синтез даних із літературних джерел, підготовив до друку рукописи, у працях [1–4,6,11,12,21–26,29–31,50,52] автором розроблено моделі процесів зародження та розвитку руйнування, створено методики і здійснено експериментальні дослідження, за результатами яких проведено обробку та узагальнення отриманих даних і побудовано аналітичні та експериментальні залежності, прийнято участь у їх обговорені та підготовці до опублікування, у працях [40,49] здобувач узагальнив і зробив підсумкову систематизацію результатів проведених ним разом зі співавторами фундаментальних і прикладних досліджень із застосування явища АЕ для оцінки процесів руйнування матеріалів та виробів з позицій лінійної механіки руйнування, у [4,18,28,34,48] дисертантом розроблено варіанти конструкційного вирішення та побудови пристроїв і установок, розраховано власні частоти та на цій основі оптимізовано геометричні розміри хвилеводів акустичної емісії як окремих елементів цих засобів, розроблено конструкторську документацію на окремі вузли, проведено технологічний супровід виготовлення, випробування та оснащення вимірювальними засобами. У решті спільних публікацій дисертанту належать постановка та проведення експериментальних досліджень, обробка, аналіз, інтерпретування та обговорення отриманих результатів і формулювання висновків.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, які містять 127 рисунків і 21 таблицю, висновків, а також списку літератури, що має 555 назв та 3-х додатків на 33 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 298 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан вивчення наукової проблеми, обгрунтовано доцільність проведення досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету, відзначено новизну отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію та практичне значення, про публікації, що відображають основний зміст роботи, а також зазначено особистий внесок здобувача у публікаціях, підготовлених за участі співавторів.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел показано, що за останні 2–3 десятиліття відбувався бурхливий розвиток фундаментальних та прикладних досліджень процесів руйнування твердих тіл із широким залученням для їх пізнання явища АЕ. Пов’язано це, в першу чергу, із потужним розвитком електроніки, що дало змогу створити дуже високочутливі, малогабаритні, з широкою гамою функціональних можливостей апаратурні засоби та інформаційно-вимірювальні системи і комплекси. В результаті цього чітко виділилися дві тенденції застосування методу АЕ: 1 – для неруйнівного контролю і діагностування різних виробів і конструкцій та 2 – як тонкий фізичний метод дослідження динаміки розвитку процесів деформації та руйнування у матеріалах.

Більша частина літературних джерел присвячена проблемі вивчення за допомогою явища АЕ процесів руйнування матеріалів на макрорівні. По-перше це зумовлено тим, що під час поширення макротріщини виділяється пружна енергія АЕ, котра значно більша від енергії, спричиненої процесами руйнування на мікрорівні. Окрім того, у першої спектр випромінювання має потужні низькочастотні складові, що полегшує її реєстрування. По-друге, явище АЕ успішно використовується для неруйнівного контролю і технічної діагностики різних виробів, конструкцій, будівельних споруд тощо і на сьогодні вже розроблено з цією метою цілу низку інформаційно-вимірювальних систем та інших засобів і пристроїв з різним ступенем складності, які застосовуються комплексно зі спеціально створеними методиками. Тому багато дослідників робили спроби знайти кореляцію між параметрами сигналів АЕ та параметрами руйнування. В цьому напрямку напрацьовано величезний обсяг інформації. Із його аналізу випливає, що використовували, в основному, такі параметри АЕ як амплітуда та її розподіл; амплітуда огинаючої за фіксований часовий відтинок; сумарний рахунок імпульсів АЕ, які перевищили встановлений пороговий рівень; швидкість рахунку (інтенсивність); хвильове відображення сигналу, його амплітудно-частотні характеристики тощо. Важливо підкреслити, що отримані результати добре узгоджуються із даними, які одержані іншими методами та підходами. Це яскраво підтверджується роботами цілої низки вчених, що досліджували локальні пошкодження, розвиток руйнування та фізико-механічні властивості матеріалів. Серед зарубіжних авторів відомі роботи таких дослідників як В.Аугутіс, К.Бабамуратов, В.Баранов, А.Брагінський, Ю.Болотін, Л.Ботвіна, Г.Вадлей, К.Вакар, Е.Вашкіс, Р.Вільямс, С.Гардбоуер, Д.Гарріс, Р.Гаррісон, У.Герберіх, В.Грєшніков, О.Гусєв, Г.Данеган, У.Джакс, Д.Джеймс, Ю.Дробот, В.Іванов, Т.Іманака, К.Ішікава, Р.Інгл, Й.Кайзер, С.Карпентер, Г.Кім, Т.Кіші, К.Курібаяші, А.Лексовський, Л.Лейлі, Р.Ліптаі, Ю.Ликов, Л.Маслов, Г.Муравін, І.Палмер, Ф.Поллок, У.Рейтер, Я.Сакікабара, К.Сано, А.Сінклер, Дж.Спанер, Х.Танака, С.Татро, А.Тетельман, А.Тріпалін, Р.Фішер, Х.Хоріуті, П.Чімінс, М.Шіміцу, Б.Шофілд, М.Штремель та багатьох ін., а серед вітчизняних – О.Андрейків, В.Божидарник, В.Бойко, Е.Гарф, В.Гольцов, І.Дмитрах, О.Карпаш, Б.Касаткін, А.Красовський, С.Ковчик, І.Кучеров, М.Лисак, А.Лебедєв, Л.Лобанов, А.Майстренко, З.Назарчук, В.Науменко, В.Нацик, А.Недосєка, Г.Никифорчин, М.Новіков, В.Осадчук, О.Осташ, В.Панасюк, Б.Патон, В.Перга, Є.Переверзєв, Г.Писаренко, В.Похмурський, І.Походня, Г.Прокопенко, О.Романів, М.Стадник, В.Стрижало, Г.Сулим, Л.Тихонов, В.Трефілов, В.Троїцький, В.Трощенко, А.Улітко, С.Фірстов, С.Фомічов, М.Чаусов, В.Чекурін, П.Ясній та ін.

Використання вказаних параметрів АЕ не дає змоги створювати ефективні методики для кількісної оцінки об’ємної пошкодженості матеріалу. Тому, враховуючи сучасні знання про джерела генерації сигналів АЕ на різних етапах зародження і розвитку мікро- та макротріщин, що супроводжують пластичні деформації та руйнування твердих тіл, можна стверджувати про відсутність наукового обгрунтування та єдності вище наведених результатів. А це значить, що дослідження руйнування методом АЕ повинні виходити на вищий науковий рівень, де в їх основу мають бути закладені, відповідно, нові теоретико-експериментальні підходи.

У другому розділі створено модель кількісної оцінки об’ємної пошкодженості кристалічних тіл і проведено підтвердження її основних положень.

Ураховуючи принцип лінійного сумування пошкоджень, котрий вперше постульовано Е.Робінсоном і теоретично розвинуто у працях Л.М.Качанова, Ю.Работнова, А.Іллюшина, А.Чудновського та інших, нами висунуто такі наукові положення моделі: 1. Постулюється, що механічну міру об’ємної пошкодженості матеріалу можна визначати як відношення суми площ новоутворених дефектів Si до об’єму, де вони утворилися V :

= Si / V= S / V. (1)

2. Механічна міра об’ємної пошкодженості лінійно пропорційна справжній деформації е полікристалічних тіл. 3. Вводимо поняття акустико-емісійної міри об’ємної пошкодженості матеріалу 1, яка визначається як відношення суми амплітуд сигналів АЕ до об’єму, де відбувається дефектоутворення. 4. Акустико-емісійна міра об’ємної пошкодженості матеріалу 1 лінійно залежить від справжньої деформації полікристалічних тіл. 5. Механічна міра об’ємної пошкодженості пропорційна акустико-емісійній мірі об’ємної пошкодженості матеріалу 1.

Діаграма розтягу “умовні напруження - умовна деформація ” несе інформацію технічного характеру. Якщо ж виникає необхідність вивчення фізичних процесів, що проходять на всіх ділянках діаграми розтягу, то використовують діаграму розтягу “справжні напруження s – справжня деформація е”. Величини s і е визначаються відомими співвідношеннями. Ця діаграма відрізняється від попередньої тим, що в області рівномірного видовження враховують постійність об’єму деформації і приймають, що зразок зберігає свою циліндричну форму, а під час розрахунку справжніх напружень в області утворення шийки – передбачається врахування діаметра в її найвужчому місці. У згаданій області справжня деформація зростає значно швидше, аніж умовна. Для побудови справжніх діаграм розтягу слід отримати експериментальні залежності “зусилля навантаження P – наймен-ший діаметр шийки d” і “зусилля навантаження P – абсолютне видовження l”.

Для встановлення істинності другого положення нашої моделі частково використовували результати, отримані В.Шмідтом, Р.Альб-рехтом та В.Бетєхтіним. Дослідники розтягали кристали NaCl в камері скануючого мікроскопа і встановили розміри і кількість дефектів у залежності від деформації. Використовуючи ці дані, а також дані з інших літературних джерел, нами побудовано залежність від справжньої деформації e для кристалів NaCl, яка добре апроксимується лінійною функцією виду = aе+b (рис.1). Аналогічна залежність встановлена нами для алюмінієвого сплаву Д16-Т і сталі 45 (рис.2). Циліндричні зразки цих сплавів ми розтягували квазістатично, записуючи синхронно діаграми “P – l” та “P – d” і акустограми. Розміри дефектів та їх кількість, відповідно до значень справжніх деформацій, після необхідних перерахунків, брали із праць В.Бетєхтіна, В.Владімірова, А.Петрова та ін. Значення констант а та b і коефіцієнт кореляції r розраховували методом найменших квадратів (табл.1). У такий спосіб нами підтверджена лінійна залежність механічної міри об’ємної пошкодженості деформованих твердих тіл різної кристалічної будови від справжньої деформації е. Це добре узгоджується із відомою аналітичною залежністю, яка отримана згаданими авторами, виходячи із теорії пластичності, і пов’язує пластичну деформацію із початком зародження руйнування, стадіями деформування, деформацією утворення однієї мікротріщини та їх загальною кількістю.

Таблиця 1

Параметри лінійної апроксимації залежності – е кристалічних тіл

Матеріал | a | B | r | К-сть точок

NaCl | 278,4 | 0,28 | 0,998 | 5

Д16-Т | 120,1 | -2,2 | 0,992 | 13

Cт.45 | 915,2 | -22,1 | 0,992 | 18

В основу положення 3 моделі покладено створену разом із О.Андрейківим, М.Лисаком та О.Сергієнком розрахункову модель випромінювання пружних хвиль АЕ під час утворення мікротріщин у зоні інтенсивних пластичних деформацій і розв’язана у переміщеннях відповідна динамічна задача із урахуванням характерного часу релаксації. Аналіз компонент вектора переміщень показав, що максимум його модуля визначається за апроксимаційною формулою:

, (2)

де i – числові множники пропорційності відповідно для поздовжньої (i=1) та поперечної (i = 2) хвиль (1= 0,37, а 2 = 0,63), 0 – напруження розриву, – функції, що характеризують кутовий розподіл випромінювання поздовжньої і поперечної хвиль, r0 – радіус дископодібної тріщини, Tr – без–розмірний час (Tr=c1r/r0, r – характерний час релаксації ), – густина матеріалу, с1 – швидкість поздовжньої хвилі, R – мінімальна віддаль від контура тріщини до точки спостереження.

Залежність (2) дозволяє вважати, що величина є пропорційною до площі S новоутвореного дефекту. Під час утворення декількох тріщин відповідно матимемо

, (3)

де An – амплітуда сигналу АЕ, яку вважаємо пропорційною до , а a – множник пропорційності, що знаходиться експериментально.

Отже, за умови Tr const, площу новоутворених дефектів опосередковано можна визначати за сумою амплітуд сигналів АЕ:

S = Ai , (4)

де – акустико-емісійна константа матеріалу, яка враховує його міцнісні характеристики (модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона, межу текучості) та режими відбору і реєстрації сигналів АЕ, і = 1,2,…m – кількість сигналів АЕ, які зареєстровані у процесі деформування.

Враховуючи (1) і (4) можна записати

= Ai / V (5)

або

= 1, (6)

де 1 – акустико–емісійна міра об’ємної пошкодженості матеріалу

1 = Ai / V. (7)

Формули (5) та (6) показують, що для одного і того ж матеріалу за тих самих режимів роботи АЕ-апаратури константа незмінна і є коефіцієнтом пропорційності між механічною і акустико-емісійною 1 мірою об’ємної пошкодженості матеріалу. В момент спонтанного макроруйнування матеріалу критичною величиною останньої буде 1*, яка встановлюється із експериментів.

Положення 4 моделі перевіряли експериментально на алюмінієвих сплавах та сталях. Застосовували (як і у випадку перевірки другого положення моделі) розривну навантажувальну машину FPZ-100/1, а акустограми записували синхронно із аналоговими сигналами первинних перетворювачів сили, видовження та найменшого діаметра шийки на акустико-емісійному комплексі MISTRAS 2001 фірми РАС (США). Отримані залежності 1– е також добре апроксимуються лінійними функціями (табл. 2).

Таблиця 2

Механічні характеристики та параметри лінійної апроксимації залежностей 1– е для сталей і алюмінієвих сплавів.

Показник | Матеріал

38ХН3МФА | Ст.45 | 20ХГСА | Д16-Т | 1201-Т

02,MPa | 1252,64 | 599,7 | 630,3 | 138,4 | 330,7

b, MPa | 1570,2 | 739,9 | 1028,5 | 208,96 | 443,6

s*, MPa | 2503,73 | 1432,1 | 1460,5 | 273,6 | 459,4

,% | 56 | 65,3 | 38 | 30,56 | 7,54

,% | 12,2 | 18,25 | 5,25 | 9,37 | 4,75

a | 0,308 | 0,087 | 0,01 | 0,91 | 0,334

b | -3,158 | -1,733 | -0,037 | -9,11 | -0,23

r | 0,945 | 0,937 | 0,989 | 0,972 | 0,96

s* - справжні напруження розриву.

Отже, під час неруйнівного контролю реальних виробів чи конструкцій критерієм, який визначає міру об’ємної пошкодженості конструкційного матеріалу до початку макроруйнування буде

1 1* . (8)

П’яте положення моделі перевіряли, співставляючи експериментальні дані, отримані нами під час інтерпретування другого і четвертого положень. Для відповідних справжніх деформацій визначали значення механічної та акустико-емісійної міри об’ємної пошкодженості матеріалу, а відтак і значення константи . Результати досліджень приведені на рис.3 та у табл. 3. Таким чином, для одного і того ж матеріалу, за аналогічних режимів роботи АЕ-апаратури константа є незмінною і становить коефіцієнт пропорційності між механічною і акустико-емісійною 1 мірою об’ємної пошкодженості матеріалу.

У третьому розділі розроблено методологічні засади кількісного визначення об’ємної пошкодженості кристалічних тіл в області пластично деформованого об’єму за параметрами сигналів АЕ.

Таблиця 3

Значення константи для кристалів кухонної солі,
алюмінієвих сплавів і сталей

Матеріал | Розміри

зразка, mm | Вид

навантаження | Концентрація тріщин, сm-3 | , сm2/a.u.

NaCl | 23,823,847,8 | стиск | 0,3108 | 1,5

1201-T | Ш4 | розтяг | (2,0...2,6)1011 | 0,049

Д16-Т | Ш4 | розтяг | 0,018

38ХН3МФА | Ш4 | розтяг | (3,2...5,6)1012 | 0,034

45 | Ш6 | розтяг | 0,1

20ХГСА | Ш6 | розтяг | 1,72

Для механіки руйнування надзвичайно важливою проблемою є розробка методик і критеріїв кількісної оцінки передруйнівного стану матеріалу у пластично деформованому об’ємі макротріщини. Це дозволить визначати момент початку і стадії субкритичного розвитку макротріщин, а відтак і достовірніше прогнозувати залишковий ресурс об’єктів контролю.

Під час росту макротріщин у квазікрихких та пластичних тілах перед її вершиною розвивається значна пластична деформація – формується пластична зона. Із енергетичної точки зору пластична зона – це об’єм, котрий шляхом пластичної деформації перетворює релаксуючу пружну енергію поблизу тріщини у накопичену енергію та тепло, яке розсіюється в об’ємі тіла. Із силової точки зору деформація в пластичній зоні збільшує радіус кривини вершини тріщини, зменшуючи тим самим локальні напруження, тобто механічно стабілізує тріщину. Але одночасно із цим у пластичній зоні проходять і протилежні процеси, бо не вся енергія пластичної деформації переходить у тепло – частина її накопичується у вигляді енергії дислокацій та їх ансамблів. Це призводить до передумов створення релаксаційних процесів, одним із яких є руйнування. Необхідно також відзначити, що деформація в пластичній зоні внаслідок неоднорідності є джерелом внутрішніх напружень, котрі разом із високою щільністю дислокацій призводять до можливості зародження мікротріщин. Іншими словами пластична зона стабілізує макротріщину і одночасно створює передумови для її росту.

Нині існуючі методи кількісного визначення об’ємної пошкодженості матеріалів складні в плані технічної реалізації і мають в своїй основі підходи, що базуються на руйнівних методах контролю. Очевидно, що ефективність таких методик низька і вони не мають широкого запровадження у фундаментальних, а особливо у прикладних дослідженнях для розробки методології технічного діагностування виробів і конструкцій. Отже, стан проблеми зумовив надзвичайну актуальність створення методології кількісної оцінки об’ємної пошкодженості матеріалів у вершині макротріщини із використанням методу АЕ.

Спочатку на зразках різної геометрії з алюмінієвих сплавів і сталей, які навантажували за різними силовими схемами, було експериментально показано істинність висунутої вперше М.Джоунсом та У.Брауном і розвинутої в працях М.Новікова, А.Майстренка, С.Лихацького та інших гіпотези про те, що різке зростання амплітуд сигналів АЕ на синхронно записаній із діаграмою руйнування акустограмі може свідчити про початок росту макротріщини. Визначена за таким критерієм величина коефіцієнта інтенсивності напружень КІS для зразків із вказаних матеріалів товщиною 8...40 mm інваріантна щодо товщини зразка та способу його навантаження, що добре узгоджується із результатами, отриманими В.Смірновим для зразків великих товщин.

Кількісна оцінка об’єму зони пластичної деформації за аналітичними формулами є досить неоднозначною задачею. Пов’язано це із невизначеністю форм пластичних зон як за плоско напруженого стану, так і за стану плоскої деформації. Тому пропонується пластично деформований об’єм матеріалу у вершині макротріщини для зразка товщиною В оцінювати аналітичною залежністю

, (9)

яка отримана із урахуванням поправки Дж.Ірвіна на пластичність, результатів досліджень А.Поллока, Т.Кіші, Т.Оно, К.Курібаяші, а також за результатами експериментальних робіт, що отримані дисертантом. Таким чином, згідно з (7), значення 1 у пластично деформованому об’ємі біля вершини макротріщини визначатиметься співвідношенням

. (10)

Отримана у такий спосіб величина 1 для досліджуваних матеріалів є інваріантною до товщини зразка та силової схеми його навантаження
(рис. 4а) на відміну від величини N/Vp, (де N – сумарний рахунок АЕ), що визначена аналогічно (рис. 4b).

Цей факт дає можливість застосувати критерій, за яким перевищення значення *Ai, що відповідає критичному 1*, свідчить про початок субкритичного розвитку макротріщини – початок макроруйнування. Тоді критерій початку макроруйнування кристалічних тіл запишемо як

Ai *Ai. (11)

За підсумками досліджень, що проведені у цьому розділі, методика експериментального визначення *1 зводиться до такої послідовності.

1. Зразок матеріалу з попередньо виведеною втомною тріщиною квазістатично навантажують, записуючи синхронно діаграму руйнування P – v та акустограму у реальному масштабі часу.

2. У момент появи сигналів АЕ, котрі сповіщають про старт макротріщин, фіксують РАЕ на діаграмі руйнування і припиняють навантаження.

3. За формулами, регламентованими у стандартах на проведення таких досліджень, знаходять за відомими РАЕ значення КIS, перед цим доламавши зразок і вимірявши під мікроскопом довжину втомної тріщини за відповідними регламентованими методиками.

4. Маючи КIS, 02,та В за формулою (9) знаходять величину Vp.

5. Просумувавши до точки PAE амплітуди сигналів АЕ, які зафіксовані на акустограмі, за співвідношенням (10) отримують значення *1.

За результатами досліджень, які здійснено у цьому розділі, отримано патенти України №№2895 та 2896.

У четвертому розділі розроблено моделі та методики кількісної оцінки об’ємної пошкодженості сталей і біметалевих композицій після дії на них водню високих концентрацій. Показано, що окремі області металу збагачуються воднем різними шляхами, наприклад, напрямленою дифузією в область максимальних тривісних розтягуючих напружень чи переносом водню дислокаціями, коли в голові дислокаційного скупчення, що утворюється на перешкодах різних типів, локальне підвищення концентрації водню стає значно вищим за його середню концентрацію в об’ємі металу. Саме в таких мікрооб’ємах стає можливим розвиток мікродефектів, спричинених зменшенням когезії ґратки, поверхневої енергії та високим тиском молекулярного водню у мікропорожнинах. За водневого окрихчення локальне утворення мікротріщин в окремому об’ємі твердого тіла чи перед вершиною макротріщини особливо характерне і супроводжується генерацією АЕ.

Відомий аналітичний опис дифузійного розподілу водню перед вершиною тріщини (В.Панасюк, О.Андрейків, В.Харін), який свідчить, що кон-центрація водню в залежності від системи метал-водень досягає максимуму на відстані від краю тріщини, яка приблизно дорівнює подвоєному значенню її розкриття. Таким чином, як під час дії структурно-механічних факторів (R.McMeecking), так і під впливом водню поширення макротріщин відбувається шляхом утворення ізольованих мікротріщин як в окремих локальних областях твердого тіла, так і в околі вершини макротріщини із генерацією пружних хвиль АЕ.

В основу створення моделі водневого окрихчення покладено залежність (2). Враховуючи вплив водню, в ній замість критичних напружень розриву приймається , де – зумовлені воднем критичні напруження нормального відриву, що діють на берегах дископодібної водневої мікротріщини в момент її утворення. Необхідно підкреслити, що час релаксації r тоді зменшується внаслідок виникнення крихких водневих мікротріщин із дещо меншими радіусами. Тим самим стверджується, беручи до уваги залежність (2), що суми амплітуд сигналів АЕ для однакових процесів утворення мікротріщин для в’язкого і окрихченого стану матеріалу під прикладеним однаковим механічним напруженням будуть вищими у випадку водневого окрихчення. Все це разом дає підстави для того, щоб величину водневої об’ємної пошкодженості матеріалу в пластично деформованому об’ємі також оцінювати кількісно за моделлю, яка розроблена у розділі 2, взявши за основу аналітичні вирази (3), (5) і (7).

Основні положення моделі накопичення об’ємної пошкодженості в матеріалах під дією водневого та механічного чинника можна описати такими етапами, які супроводжуються генерацією пружних хвиль АЕ.

І. Ранній або інкубаційний. Спричинений явищами адсорбції, десорбції та дисоціації водню на поверхні металу, дифузією водню у матеріалі, концентруванням його у порожнинах, порах, на границях зерен, включеннях тощо та утворенням у таких пастках молекулярного водню. Етап відзначається низькоамплітудною неперервною АЕ, яку можна реєструвати пере-важно в лабораторних умовах за високої чутливості АЕ-апаратури та практичної відсутності АЕ-завад.

II.Латентний. Відбувається утворення та ріст пор під дією у лапавках внутрішнього тиску молекулярного водню, а також активізування під зовнішнім навантаженням перерозподілу та концентрації дислокацій і дислокаційних скупчень, стрибкоподібне злиття пор, зародження та розвиток мікротріщин в локальних мікрооб’ємах пластичної деформації. Для цього етапу характерна низькоамплітудна неперервна та дискретна АЕ, яка також краще реєструється в лабораторних умовах.

III.Початкове руйнування кристалічних тіл. Етап відрізняється зародженням та множенням мікротріщин, їх злиттям із наступним стрибкоподібним локальним утворенням макротріщин. Йому властива дискретна АЕ із різними амплітудними показниками, яка добре виділяється на фоні непе-рервної низько- та середньо амплітудної складових.

IV.Субкритичне руйнування. Різке наростання об’ємної пошкодженості матеріалу за рахунок сумісного адитивного мікро- і особливо макроруйнування внаслідок комплексної дії водневого і механічного чинників. На цьому етапі проявляються і супутні стадії І-ІІІ. Випромінюються пружні хвилі АЕ різних типів із яскраво вираженою домінантою високоамплітудної дискретної АЕ.

Таким чином, всі чотири етапи розвитку об’ємної пошкодженості внаслідок дії воднево-механічного чинника адитивно складають механічну ? та акусто-емісійну ?1 міру об’ємної пошкодженості матеріала.

Методика оцінки впливу водню на об’ємну пошкодженість сталей полягала у тому, що спочатку мікрорентгеноспектральним аналізом встановлювали хімічний склад сплаву і вивчали його металографічні особливості. Після цього певним чином підготовлені зразки наводнювали в середовищі газоподібного водню у спеціальному автоклаві за розрахованим для їх повного насичення воднем режимом. На першій групі зразків, яку не піддавали дії водневого чинника, перевіряли виконання ефекту Кайзера. Для цього їх