679

620 Б551

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

С.А. БЕХЕР, А.Л. БОБРОВ

ОСНОВЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Утвержденоредакционно-издательскимсоветом в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК 2008

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач на железной дороге является обеспечение безопасной эксплуатации сложных технических объектов ответственного назначения. В общем случае прочность элементов конструкций и машин, а также их ресурс задаются на стадии разработки и проектирования. Однако воздействие на деталь знакопеременных нагрузок, коррозионных сред, колебаний температуры и наличие в материале детали технологических или эксплуатационных дефектов существенно снижают срок службы объекта. Выход из строя детали при эксплуатации может привести к аварии или крушению поезда.

Для предотвращения внезапного разрушения, вызванного развитием усталостных дефектов, периодически проводят неразрушающий контроль. Используемые методы и средства дефектоскопии ориентированы на выявление значительных по размерам, критически развитых дефектов. Магнитный метод [1]контроляпозволяет обнаруживать трещинысминимальной протяженностью0,5 мми площадью0,25 мм2.Ультразвуковые средства [2] дефектоскопии способны регистрировать трещины с минимальной глубиной до 1 мм.

Информация о дефекте, полученная активными методами, не содержит сведений о динамике развития дефектов и поведении объекта в процессе нагружения. В некоторых случаях активно растущиемалозначительныедефектысвысокимкоэффициентом концентрации напряжений могут привести к разрушению детали в межремонтный период.

3

В процессе эксплуатации в материале деталей накапливаются усталостные повреждения, которые на начальной стадии развития не обнаруживаются магнитным, вихретоковым и ультразвуковым контролем. Вопрос о безопасной эксплуатации таких деталей может быть решен только с использованием средств неразрушающего контроля, чувствительных к малозначительным развивающимся дефектам. В связи с этим проблема выявления растущих трещин, в том числе находящихся на начальной стадии, представляется особенно актуальной. В решении этой задачи хорошо зарекомендовал себя интегральный метод обследования на основе явления акустической эмиссии (АЭ).

Достаточно быстрое протекание физических процессов изменения структуры вограниченном объеме материала(пластическая деформация, разрушение, образование и рост трещин, движение дислокаций, фазовые превращения, трение и т. д.) сопровождается излучением акустических волн. Описанное явление называют АЭ материала и используют в неразрушающем контроле для обнаружения активно развивающихся под нагрузкой дефектов. Важным достоинством представленного метода является прямая связь информативных параметров сигналов АЭ с процессами разрушения, не свойственная традиционным методам контроля. Это позволяет получать непосредственную информацию о стадии развития и скорости роста усталостных трещин.

Технологии проведения неразрушающего контроля методом акустической эмиссии основываются на нескольких областях знаний: акустики, механики деформируемого тела и дефектоскопии. В основе анализа параметров АЭ сигналов находятся закономерностираспространенияакустическихволн в различных объектах контроля. Механизмы деформирования и разрушения материала при испытаниях определяют связь потока импульсов АЭ с параметрами нагружения и в конечном счете используются для обоснования критериев браковки. Необходимость специальных знаний в несмежных областях науки и техники определяет сложность изучения АЭ метода. В связи с этим перед авторами данного учебного пособия была поставлена цель, состоящая в представлении в доступной

4

форме обобщенных, базовых сведений об АЭ контроле. Понимание специалистом основ метода, взаимосвязи нескольких дисциплин позволит ему в дальнейшем повышать квалификацию, всесторонне расширяя специальные знания.

Впервой главе пособия даются общие сведения об АЭ, структурная схема проведения контроля, рассказывается о достоинствах метода и ограничениях в применении.

Во второй главе рассмотрены основы акустики, представлены понятия с определениями, закономерности распространения акустических волн в твердых телах. Рассмотрено влияние физических процессов (затухания, расхождения, дифракции, дисперсии) на акустические импульсы, распространяющиеся от развивающегося дефекта до приемника АЭ системы.

Третья глава посвящена регистрации акустических волн пьезоэлектрическими преобразователями. В этой части пособия рассматриваются явления пьезоэлектричества, конструкция преобразователя и его основные характеристики. На основе анализаамплитудно-частотных характеристик широкополосных и резонансных преобразователей описываются их достоинства и ограничения с позиции технологии АЭ контроля.

Вчетвертой главе рассматривается анализ АЭ информации на основе выделения информативных параметров дискретных сигналов и характеристик потока импульсов.

Пятая глава посвящена закономерностям изменения потоковых характеристик АЭ в процессе деформирования материала. Даются общие сведения о способах количественного описания процесса нагружения в терминах напряжений и деформации, рассмотрено влияние концентраторов напряжений на прочность объекта.

Шестая глава освещает основные методы и принципы локации источников, излучающих АЭ.

Вседьмой главе описаны основные этапы АЭ контроля деталей подвижного состава, требования к аппаратуре на примере использования диагностической системы СЦАД 16.02 (прил. А), действия операторов в процессе записи, обработки информации и в случае обнаружения дефектов.

5

Учебное пособиепредназначено дляспециалистов, повышающих квалификацию по неразрушающему контролю методом АЭ, а также студентов специальности «Стандартизация и сертификация». Требования, предъявляемые на экзамене, приведены в прил. Б.

Глава 1. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

АЭ называют процесс излучения акустических волн, происходящий при перестройке структуры материала. Однако не любое изменение структуры приводит к возникновению волн, так как для появления АЭ необходимо выполнение двух основных условий:

—локальности, т. е. ограниченности изменения структуры

впространстве;

—динамичности протекающих процессов, т. е. переход из одного состояния в другое должен осуществляться достаточно

быстро.

Рис. 1.1 иллюстрирует ситуацию, в которой механическая сила растягивает

систему частиц, соединенных упругими связями. После разрушения одного элемента система переходит в неравновесноесостояние.Этоприводитквозникно-

вению упругих колебаний, т. е. к АЭ. Развитие дефектов вызывает изме-

нение напряженно-деформированного состояния материала. При достаточно

высоких скоростях перехода из одного равновесного состояния в другое происходит выделение значительного количества упругой энергии в виде акустических волн.

Таким образом, для появления акустических колебаний среды необходимо, чтобы некоторый процесс проходил с высокой скоростью в ограничен-

ном объеме среды. Наиболее характерными примерами таких процессов являются образование и рост трещин. Поэтому

6

основной областью применения АЭ является обнаружение развивающихся в объекте контроля дефектов.

Целенаправленное изучение метода АЭ относительно других методов неразрушающего контроля началось сравнительно недавно. Первые систематические исследования были выполнены И. Кайзером в 50-х гг. XX в., когда он описал эффект,названный впоследствии егоименем.Однаковповседневной жизни человек использует этот эффект достаточно давно. Вспомните, на что вы прежде всего обращаете внимание, когда поднимаетесь по ветхой деревянной лестнице? Вы прислушиваетесь, нет ли подозрительного хруста, который свидетельствует о начавшемся в дереве разрушении. Это явление также называется АЭ, но проявляется оно в звуковом диапазоне. Большинствоже конструкционныхматериалов при перестройке структуры излучают ультразвуковые волны, не воспринимаемые человеческим ухом. Для их регистрации используют специальную аппаратуру — АЭ системы.

Описанный выше механизм можно обобщенно представить в виде, показанном на рис. 1.2. Активация источников АЭ в объекте контроля происходит под действием процессов, создающих в материале неравновесное состояние (например, нагрев или охлаждение, механическое нагружение и т. п.). Имеющиеся в объекте контроля несплошности совершают переход в более стабильное состояние. Этот процесс сопровождается излучением акустических волн, называемых механическими сигналами АЭ. Таким образом, имеется прямая связь между измеряемыми параметрами АЭ и характером развития дефектной структуры, несвойственная другим методам неразрушающего контроля.

–пластическая деформация

–образование и развитие несплошности

–трение

–разрушение

Рис. 1.2. Физические процессы, вызывающие АЭ

7

Процесс определения состояния объекта в ходе анализа информации, заключенной в сигналах акустической эмиссии, называется неразрушающим контролем методом АЭ. Огромное преимущество данного способа диагностики состоит в возможности получения непосредственной информации о развитии и росте дефектов.

Уже более полувека явление АЭ используется в неразрушающем контроле. По сравнению с другими способами диагностики этот метод является относительно молодым и все еще интенсивно развивающимся. Его практическая значимость в современной системенеразрушающего контроля ужедостаточно велика и подтверждена использованием при обследовании ответственных объектов Ростехнадзора, применением АЭ систем в атомной [3] и авиационной промышленности [4], кораблестроении, на железнодорожном транспорте [5].

Научные и технические работы в области неразрушающего контроля методом АЭ проводятся в двух основных направлениях. К первой группе работ относятся исследования, направленные на создание новой регистрирующей аппаратуры и более чувствительных преобразователей. Полученные результаты носят прикладной характер и определяются современнымипотребностямипромышленности.Внастоящее времяразработана мощная аппаратурная база отечественных и иностранных фирм (АЭ системы: СЦАД, A-Line, PAC, SPARTAN и др.). Современные микропроцессорные системы позволяют проводить АЭ испытания с обработкой сигналов в реальном времени.

Целью второго научного направления является разработка методов и алгоритмов определения динамических характеристик развития дефектных структур на основе анализа портретов сигналов АЭ. Основное внимание исследователей направлено на изучение механизмов излучения сигналов АЭ трещинами, процессов их распространения в объектах контроля, анализ связи параметров сигналов со свойствами трещины. С 1988 г. в России действует государственный стандарт, содержащий термины, определения и обозначения, применяемые в области использования АЭ, — ГОСТ 27655–88 [6].

8

1.1.Классификация источников акустической эмиссии

Всоответствии с государственным стандартом АЭ разделяют по причине ее возникновения на три основных вида: АЭ

материала, трения и утечки (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Различные виды акустической эмиссии: а — АЭ материала; б — АЭ трения; в — АЭ утечки

Под АЭ материала понимают процесс излучения акустических волн, который связан с изменением структуры материала: образование и рост трещин, пластическая деформация, фазовые превращения и т. д.

Причиной АЭ тренияявляется пластическая деформация и процессыразрушения, возникающие на границахтвердых тел, перемещающихся относительно друг друга.

АЭ утечки возникает при истечении жидкости или газа через сквозной дефект и принципиально отличается от первых двух. В случае утечки основным источником акустических волн являются турбулентные и кавитационные (схлопывание пузырьков) процессы, происходящие в струе жидкости и газа.

Приведенная классификация основана на решаемых методом АЭ задачах неразрушающего контроля. Так, АЭ материала используется для выявления развивающихся дефектов в материале объекта контроля, АЭ трения применяется для оценки степени износа в узлах трения механизмов, АЭ утечки —для обнаружениясквозныхдефектов всосудахдавления.

Всвоюочередь,АЭ материала можетбытьвызвананесколькими причинами, представленными на рис. 1.4.

9