Full Text

Введение Для контроля процесса деформирования металла используются различные акустические эффекты, из них наиболее часто в исследованиях упоминается акустическая эмиссия, например в [1-3]. Однако в последнее время внимание привлечено к акустическим явлениям, обусловленным нелинейными свойствами деформируемого металла. В твердых телах с дефектами и механическими напряжениями наряду с традиционно обсуждаемой в физике твердого тела упругой решеточной нелинейностью, связанной с проявлением слабого ангармонизма межатомного потенциала (классическая нелинейность), проявляется структурно-обусловленная (неклассическая) нелинейность, существенно меняющая условия нелинейных взаимодействий. Нелинейные акустические эффекты в твердом теле при малых деформациях незначительны, поэтому в подавляющем большинстве работ описываются квадратичными поправками, ответственными за генерацию второй акустической гармоники [4]. В работах [5-11] наблюдаемые нелинейные эффекты не могут быть объяснены в рамках классической пятиконстантной теории упругости. Эти эффекты объясняются наличием в исследуемых образцах дефектной структуры исследуемого материала или микроструктурных неоднородностей (контрастных по своим упругим параметрам по сравнению с однородной средой-матрицей) Аномально высокая структурная нелинейность характерна для тел, обладающих микроструктурой или дефектами сплошности (трещины, поры, отслоения и т.п.). Такая структурная нелинейность, возможные механизмы которой рассмотрены в [12], может на несколько порядков превышать классическую упругую нелинейность [13]. Уравнения упругопластической среды, описывающие процесс накопления структурных повреждений [14, 15], наглядно демонстрируют, что наличие даже малых пластических деформаций приводит к появлению удвоенной частоты (второй гармоники) в спектре сдвиговой волны, распространяющейся в материале. В [16] получены уравнения, описывающие динамические процессы в материалах, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию. Показано, что при распространении в таком материале сдвиговой волны появляется квадратичная нелинейность, приводящая к возможности генерации сдвиговой волны удвоенной частоты, «запрещенной» уравнениями классической теории упругости. В [9] описана генерация второй гармоники при зондировании сред со структурной нелинейностью, которая обусловлена дефектами. Результаты исследований в упомянутых работах предполагают, что нелинейные эффекты могут служить источником информации о структуре твердого тела и быть использованы при создании новых методов неразрушающего контроля различных материалов и конструкций. Для ответа на практический вопрос: как принципы нелинейной акустики могут быть использованы при оценке состояния материала - в работе экспериментально исследовано поведение нелинейного акустического параметра (НАП) при деформировании образцов сплава АМг61. 1. Контроль нелинейного акустического параметра Представляется перспективным рассмотреть вопрос о мониторинге процесса накопления структурных изменений при деформировании путем контроля акустических свойств металла, что позволит, имея в виду простоту и доступность ультразвуковых технологий, проводить оценку технического состояния металла до его разрушения (до появления дефектов: несплошностей, трещин и т.д.) в процессе его текущей эксплуатации [17-21]. Изучение взаимосвязи НАП со стадийностью пластической деформации сплава АМг61 проводилось с использованием поверхностных волн Рэлея. Применение такого типа зондирующих волн обусловлено возможностью их практического использования для ультразвукового контроля деталей и заготовок любой формы [22]. Поверхностные акустические волны (ПАВ) имеют эллиптическую поляризацию и содержат две упругие компоненты: поперечную и продольную. Процесс распространения упругой волны в деформируемом сплаве АМг61 в силу нелинейных эффектов сопровождается генерацией удвоенной частоты, как продольной составляющей волны, так и сдвиговой, «запрещенной» уравнениями классической теории упругости. На опыте в спектре акустической волны, прошедшей деформируемый образец, наблюдается первая гармоника и вторая гармоника: A = Af sin(2πft - kl) + A2f sin[2(2πft - kl)]. где k - волновой вектор; l - расстояние между излучающим и приемным преобразователями ПАВ; f - частота сигнала; t - время. Зависимость амплитуды второй гармоники A2f от амплитуды основной волны Af определяется выражением [25] A2f =N · k2f · L · Amf /8, где N - нелинейный акустический параметр второго порядка (НАП); kf - волновой вектор основной волны; L - длина пути распространения волны. Параметр N характеризует величину упругой нелинейности в образце, а параметр m - механизм упругой нелинейности. В бездефектном твердом теле упругая нелинейность определяется ангармонизмом межатомного взаимодействия. В этом случае показатель степени m = 2. В средах со структурной нелинейностью показатель степени m = 1. Отсюда следует, что экспериментально измеренное отношение амплитуд первой и второй гармоник в течение всего процесса деформирования будет характеризовать зависимость НАП от структурного состояния металла образца. Для этого использовать стандартную процедуру ультразвукового контроля, основанную на возбуждении короткого импульса упругих волн, проблематично. Изначальный спектр таких импульсов [23] маскирует информационные составляющие в прошедшем среду сигнале. В инженерной практике принимают (в первом приближении независимо от формы сигнала) Δt · Δƒ ≈ 1. Иными словами, чем длиннее импульс Δt, тем ширина его спектра частот Δƒ уже. Поэтому проблема экспериментального обоснования спектрального метода акустического зондирования состояла в генерации сигнала с узкой полосой спектра и низким уровнем шумов. Решение этих проблем потребовало создания специализированного экспериментального устройства [24], позволяющего измерять отношение амплитуд первой и второй гармоник. Устройство, блок-схема которого приведена на рис. 1, позволяет измерять отношение амплитуды первой и второй упругих гармоник в автоматическом режиме. Возбуждение и прием в образцах проводилось пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП). Для возбуждения ПАВ использовался клиновый преобразователь с резонансной частотой 1 МГц, прошедшая ПАВ регистрировалась клиновым преобразователем с резонансной частотой 2 МГц. Этот преобразователь эффективно регистрировал ПАВ с частотами 1 МГц и 2 МГц. Аналогичная комбинация ПЭП использовалась в [25], где применили излучатель и приемник с резонансными частотами 5 МГц и 20 МГц соответственно. Работа устройства заключается в следующем. По поступающей от компьютера по USB команде микроконтроллер запускает генератор, который формирует радиоимпульс с частотой заполнения 1 МГц и длительностью 3,5 мс, сигнал подается на пьезоизлучатель, имеющий резонансную частоту 1 МГц. Спектральные характеристики исходного сигнала, измеренные прибором DPO4032 фирмы Tektronix, составили значения: уровень второй гармоники - 83 дБ, уровень третьей - 53 дБ. После взаимодействия со средой при прохождении ПАВ в деформируемом образце сигнал фиксируется пьезоприемником, имеющим резонансную частоту 2 МГц. Сигнал с приемного ПЭП поступает на усилитель, имеющий, для расширения динамического диапазона, завал АЧХ на частоте 1 МГц по сравнению с 2 МГц около 20 дБ, затем сигнал оцифровывается 16-разрядным АЦП с частотой квантования 5 МГц и запоминается в буферном ОЗУ. После этого микроконтроллер выполняет спектральный анализ полученного сигнала и вычисляет отношение амплитуд спектральных компонент на частотах 2 МГц и 1 МГц. Результат по USB передается в компьютер. Рис. 1. Функциональная схема устройства для контроля параметра, характеризующего акустическую нелинейность Fig. 1. Functional diagram of a device for monitoring a parameter that characterizes acoustic nonlinearity Описанное экспериментальное устройство, представляющее собой компактный энергонезависимый прибор, позволяет исследовать металл на реальных конструкциях, что переводит его в ранг средств неразрушающего контроля. 2. Методика экспериментальных исследований Экспериментальные исследования проводились на образцах сплава АМг61. Одноосная упругопластическая деформация материала создавалась путем испытания на растяжение пропорциональных плоских образцов толщиной 6 мм с шириной рабочей части 20 мм (тип 1 № 21 приложение 3 ГОСТ 1497). Деформирование образцов осуществлялось на универсальной испытательной машине фирмы Tinius OIlsen Ltd, модель H100KU при скорости перемещения активного захвата 5 мм/мин. Предельная нагрузка, реализуемая на машине, 100 000 Н; погрешность измерения нагрузки 0,5 %; скорость траверсы 0,001-500 мм/мин; разрешающая способность системы измерения перемещения траверсы 0,001 мм; жесткость рамы при нормальных точках нагружения не менее 470 кН/мм. В процессе деформирования широкополосным датчиком акустической эмиссии фиксировались изменения уровня акустической активности, вызванной перестройкой структуры АМг6. Для наблюдения за упругими импульсами АЭ использовался цифровой осциллограф. Регистрация амплитуды сигнала АЭ проводилась с помощью модуля АЦП/ЦАП ZET 210 в режиме непрерывного ввода аналогового сигнала датчика АЭ GT 205 в память персонального компьютера. Одновременно с упругими импульсами АЭ при деформировании образцов контролировался НАП. Следует заметить, что генерация в зондирующем сигнале ПАВ второй гармоники может быть обусловлена различными причинами: нелинейностью пьезокерамических элементов в преобразователях; контактной нелинейностью; нелинейностью, связанной с ангармонизмом межатомного взаимодействия и, наконец, структурной нелинейностью в деформируемом металле. В процессе деформирования металла первые три причины генерации сигнала второй гармоники неизменны. Поэтому можно считать, что наблюдаемые флуктуации НАП в основном определяются структурной нелинейностью металла. 3. Результаты исследований На рис. 2 представлены поведение амплитуды акустической эмиссии и НАП при деформировании образцов сплава АМг61. Приведенные данные демонстрируют увеличение амплитуды измеренной акустической эмиссии в результате эволюции дефектной структуры как результата реакции материала на приложенное к нему механическое напряжение, что согласуется с результатами работ [26, 27]. Однако на ранних стадиях упругопластического деформирования проследить процесс эволюции дефектной структуры по активности сигналов АЭ на примере образца из сплава АМг6 затруднительно. Рис. 2. Поведение контролируемых акустических параметров при деформировании образцов сплава АМг61 Fig. 2. Behavior of controlled acoustic parameters during deformation of AMg61 alloy samples В то же время полученные данные свидетельствуют о том, что на ранних стадиях упругопластического деформирования НАП более чувствителен, чем параметр АЭ, при этом флуктуации активности АЭ коррелируют с поведением НАП, что косвенно говорит в пользу адекватности данных о НАП при контроле процесса деформирования АМг61. Следовательно, экспериментально зафиксированное формирование скачков нелинейности в процессе деформирования сплава АМг61 может свидетельствовать о перестройке структуры металла, смене механизма перестройки [28-30]. Следует отметить, что акустическая нелинейность волны для различной накопленной поврежденности (для различных степеней деформирования образцов) изменяется более существенно, чем скорость волны. Результаты, приведенные в [30], свидетельствуют об изменении скорости поверхностной волны при состоянии предразрушения не более чем 1 %, в то время как изменение акустической нелинейности волны составляет величину порядка до 6 дБ или почти в 2 раза по линейной шкале. Заключение Как видно из приведенных результатов, НАП является, наравне с параметрами акустической эмиссии, параметром, чувствительным к смене механизмов эволюции дефектной структуры, и может использоваться в качестве прогностического критерия. Аналогичное поведение НАП было зафиксировано в [25], где экспериментально определили влияние статического давления, приложенного к контакту двух материалов на величину нелинейного акустического параметра второго порядка (НАП) для ПАВ. Было обнаружено, что НАП немонотонно зависит от величины внешнего давления, приложенного к границе: при увеличении давления величина НАП проходит через максимум. Представленные данные убедительно демонстрируют увеличение акустической нелинейности в металле на различной стадии деформирования: как на ранних стадиях упругопластического деформирования, так и на стадии предразрушения. Таким образом, продемонстрирована возможность использования нелинейных волн Рэлея характеризовать поврежденность, связанную с пластической деформацией, и эта количественная информация может быть полезной для моделей прогнозирования ресурса.

About the authors

A. V Ilyahinsky

Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

V. M Rodyushkin

Federal Research Center Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

References

Statistics

Views

Abstract - 312

PDF (Russian) - 262