Курсовая работа: Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов
Кафедра термофизики материалов
Курсовая работа.
Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов.
Содержание.
Введение
1) Акустическая эмиссия и ее основные параметры
2) Основные понятия и определения метода акустической эмиссии
3) Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех
4) Методика электролитического наводороживания металлических образцов
5) Назначение прибора АФ-15
6) Источники акустической эмиссии в металлах
7) Практическая часть
Выводы
Литература
Введение.
В последнее время наблюдается тенденция неуклонного роста требований как к конструкционным материалам, так и к методам оценки их надежности и качества. Особое внимание уделяется разработке новых, физически обоснованных критериев конструктивной прочности материалов, основанных на всестороннем изучении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения. Такой подход предполагает расширение наших представлений о природе прочности и механизмах разрушения материалов на различных масштабных уровнях. Это возможно только при использовании в процессе изучения данных явлений комплекса современных физических методов исследования [54].
Как показывает действительность, решение поставленной задачи комплексного подхода к проблеме несущей способности материалов и конструкций возможно на стыке материаловедения, физики и механики разрушения, т.е. в рамках новых направлений - микромеханики разрушения и физической мезомеханики. Не исключены методы классического материаловедения. Широкие перспективы предвидятся на новых подходах, сочетающих принципы синергетики и теории фракталов.
Метод акустической эмиссии (АЭ), основанный на регистрации и обработке волн напряжений, возникающих в результате формирования, изменения и разрушения структур различных материалов, является в настоящее время наиболее эффективным для изучения процессов и стадий развития дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга ответственных объектов промышленности.
Первые работы по изучению явления АЭ появились в конце 40-х годов 20 века в США и в начале 50-х годов в ФРГ. Развитие электроники и создание специальных аналоговых приборов АЭ позволили с конца 60-х годов использовать метод АЭ для обнаружения роста трещин в процессе различных механических испытаний. Новое возрождение метода АЭ относится к 90-м годам и связано с активным появлением и использованием персональных ЭВМ. Цифровая техника с большим объемом памяти и скоростью обработки информации позволила накапливать и хранить АЭ информацию, а также при необходимости обрабатывать и анализировать эту информацию по различным параметрам.
Анализ современного состояния работ показывает, что вся проблема, связанная с методом АЭ, может быть представлена следующими научными направлениями [85]:
1. Теория и методы диагностики и прогноза несущей способности конструкций, включающие вопросы теоретических и экспериментальных исследований разрушения.
2. Информационно-измерительные системы, предназначенные для анализа АЭ информации, необходимой для принятия решений о состоянии конструкций.
3. Математическое обеспечение измерительной аппаратуры, включающее рабочие программе организации обработки входящей информации и подпрограммы, связанные со сжатием информации, повышением достоверности результатов измерения на основе теории распознавания образов, математической статистики и теории вероятностей.
4. Теория прогнозирования и принятия решений.
В предлагаемой работе предпринята попытка обобщить существующую информацию по использованию метода АЭ в экспериментальной практике современного материаловедения. Особое место в книге отводится использованию метода АЭ для исследования процессов накопления повреждений в нагруженных материалах, для неразрушающего контроля и диагностики несущей способности материалов и изделий.
1 Акустическая эмиссия и ее основные параметры.
Согласно ГОСТ 27655-88 акустическую эмиссию определяют как излучение материалом механических упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его внутренней структуры. Кроме того, в последнее время к АЭ относят высокочастотное акустическое излучение, возникающее при истечении жидкостей и газов из отверстий в сосудах и трубопроводах. Также акустические сигналы, сопровождающие трибологическое взаимодействие твердых тел. В настоящее время общепризнанным является мнение, что АЭ - явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации при протекании большинства процессов определяется лишь чувствительностью используемой аппаратуры. АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры тел, так и в макроявлениях, связанных с разрушением агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ предоставляет широкие возможности для исследования твердых тел, их взаимодействия между собой и с жидкими и газообразными средами, а также диагностики материалов энергонапряженных конструкций.
Явление АЭ известно с середины прошлого столетия как "крик олова", возникающий при деформировании олова и слышимый невооруженным ухом. Однако в течение многих десятилетий оно не находило практического применения. С 50-х годов нашего столетия началось систематическое изучение акустической эмиссии в конструкционных материалах. Явление АЭ и причины его порождающие оказалось более сложным, чем предполагали пионеры АЭ-исследований. Середину 70-х годов следует рассматривать как период, когда была осознана сложность проблем, возникающих при интерпретации АЭ-сигналов, разработана высокочувствительная аппаратура, накоплен определенный экспериментальный материал, достаточный для решения как исследовательских, так и технических задач. К концу 70-х голов следует отнести начало применения АЭ для диагностики узлов трения.
Существующие методики контроля основаны на анализе параметров АЭ-сигналов. Методы обработки сигналов и определения их информативных параметров существенным образом зависят от вида регистрируемой АЭ. Принято различать дискретную и непрерывную АЭ. Чтобы понять, чем обусловлен выбор информативных параметров при регистрации того или иного вида АЭ, рассмотрим основные условия формирования акустических сигналов в твердых телах.
В силу дискретной природы вещества дискретны и происходящие в них физические процессы. Кажущаяся непрерывность процесса отражает факт усреднения результата наблюдения большого числа отдельных элементарных событий. Элементарное событие в твердом теле приводит к деформированию последнего, но столь незначительному, что оно, как правило, не может быть зарегистрировано известными средствами. Однако большое количество элементарных событий, образующих последовательность (поток) событий, может привести к макроскопическим явлениям, вызывающим заметное изменение энергетического состояния тела. При высвобождении энергии часть ее излучается в виде упругих волн. Появление таких волн и есть акустическая эмиссия.
Проявляться АЭ может двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, высвобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ-сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, получивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, высвобождаемой при единичном акте, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от предыдущего. Как следствие, характеристики непрерывной АЭ меняются во времени сравнительно медленно, что позволяет рассматривать этот тип эмиссии как квазистационарный процесс.
Если состояние тела далеко от равновесного, возможны процессы лавинного типа, при которых за малый промежуток времени в процесс вовлекается большое число элементарных событий. Энергия упругой волны при этом может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной эмиссии. Подобная эмиссия, характеризующаяся большой амплитудой регистрируемых акустических импульсов, получила название дискретной.
Следует отметить, что разделение АЭ на непрерывную и дискретную достаточно условно, поскольку возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит лишь от характеристик используемой аппаратуры. Например, увеличивая уровень дискриминации сигналов, можно регистрировать только высокоамплитудные выбросы акустического сигнала, то есть формально перейти от регистрации непрерывной к регистрации дискретной АЭ, хотя очевидно, что сущность явления АЭ при этом не изменится.
В реальной ситуации, как правило, приходится иметь дело с эмиссией обоих типов. Например, докритическое подрастание трещин в металлах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные периоды стабильного состояния трещины, при некотором возможном возрастании пластической деформации в ее вершине, чередуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновесное состояние. Такой переход связан с изменением напряженного состояния (разгрузкой) материала в окрестности трещины и сопровождается излучением упругой волны, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками, при накоплении пластической деформации, наблюдается характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.
Ползучесть материала на первой, нестационарной, и второй, стационарной, стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной, наблюдается также и дискретная АЭ, обусловленная образованием и развитием микротрещин. Такое же положением имеет место при коррозии под напряжением, конечная стадия которой - коррозионное растрескивание - сопровождается интенсивными акустическими вспышками дискретной АЭ.
Во всех указанных случаях в течение достаточно длительного времени - докритической стадии развития трещины, средняя скорость ее роста, как правило, не превышает долей миллиметра в час. Трещина еще не представляет серьезной опасности для конструкции, но возникающая при этом АЭ указывает на развитие дефекта и, следовательно, является предвестником наступления катастрофического разрушения. Для прогнозирования разрушения обычно используют дискретную составляющую АЭ из-за простоты регистрации сигналов большой амплитуды.
Дискретную АЭ используют также при контроле технологических процессов, в ходе которых возможно образование трещин (сварка; закалка; диффузионное насыщение, например наводороживание и др.), а также для исследования и контроля коррозионного растрескивания, прочности, термопрочности, усталостного разрушения, а также процессов трения и износа. Непрерывную АЭ связывают с пластической деформацией, коррозией материалов и другими физическими процессами.
Еще раз заметим, что при всех перечисленных процессах, как правило, можно наблюдать как дискретную, так и непрерывную составляющие АЭ.
Следует различать информативные параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры непрерывной АЭ. Импульсы или сигналы АЭ характеризуются амплитудой, длительностью, формой и временем появления. Поток сигналов дополнительно можно характеризовать средней частотой событий, спектральной плотностью, амплитудным, временным и амплитудно-временным распределениями, корреляционной функцией, средним значением и дисперсией. Каждая из характеристик связана с порождающим АЭ физическим процессом, содержит информацию о его развитии или же о состоянии объекта исследования.
Для дискретной АЭ вводятся следующие информативные параметры:
1. Общее число импульсов - число зарегистрированных
импульсов дискретной АЭ за интервал времени наблюдения.
Само определение этого параметра говорит о его пригодности для описания только потоков неперекрывающихся импульсов. Оно характеризует процессы, связанные с разрушением, и указывает на число отдельных актов зарождения и распространения дефектов в материале или конструкции.
2. Активность АЭ - общее число импульсов, отнесенное к
единице времени.
Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что дает возможность наблюдать динамику процесса разрушения.
3. Суммарная АЭ - число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени.
В случае дискретной АЭ эта величина характеризует число событий с энергией, превышающей установленное пороговое значение. При регистрации дискретной АЭ теряется часть информации, связанная с импульсами, амплитуда которых меньше установленного порога - уровня дискриминации. Кроме того, возможность произвольного выбора этого уровня делает параметр неоднозначным. Если производить счет недетектированных импульсов, представляющих затухающие осциллирующие сигналы, поступающие с пьезоприемника, что практикуется довольно часто, то появляется дополнительная неоднозначность результатов, обусловленная многократной регистрацией одного и того же первичного импульса. При этом кратность воспроизведения его в счетном устройстве зависит от уровня дискриминации, коэффициента затухания колебаний в объекте и преобразователе, а также характеристик приемно-усилительного тракта.
4. Скорость счета 
- число
зарегистрированных превышений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу
времени.
Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени и обладает теми же недостатками. Некоторые авторы называют этот параметр интенсивностью АЭ.
5. Плотность вероятности амплитуды импульсов w(A) характеризует АЭ уже как случайный процесс. Эта функция определяет вероятность того, что амплитуда АЭ-импульса А0 находится в интервале от А до А + dA :
Р {А < A0 < А + dA} = w{A)dA.
На практике чаще используют характеристику n(А), называемую амплитудным распределением импульсов. Эта функция указывает количество импульсов, амплитуда которых заключена в малом интервале от А до A+dA . Если общее число зарегистрированных импульсов равно N , то амплитудное распределение связано с плотностью вероятности w(A) соотношением
n(А) = N*w(A),
причем