679

величине деформаций около 1 % во всем объеме материала появляется пластическая деформация.

При растяжении образца с концентратором напряжений наблюдается всплеск активности АЭ в упругой области основного материала (рис. 5.12, в). Это связано с наличием вблизи концентратора локального объема материала, в котором напряжения превышают средние напряжения во всем образце. При растяжении деталей с концентраторами локальная пластическая деформация начинается при нагрузках, меньших предела текучести образца.

Для определения коэффициентаконцентрации напряжений вводятпонятиекоэффициентаАЭ, равного отношениюнагрузки максимума активности АЭ в бездефектном образце к нагрузке максимума — в дефектном:

Приведенный коэффициент показывает, во сколько раз механические напряжения вблизи концентратора превышают средние в образце. Экспериментально доказано, что в некоторых сталях (например, стали 10) коэффициент АЭ равен коэффициенту концентрации механических напряжений с учетом погрешности их измерения.

При известных механических характеристиках материала знание коэффициента концентрации напряжений, рассчитанного по АЭ испытаниям, позволяет определить:

—величину максимальной допустимой нагрузки на объект;

—скорость развития дефекта;

—оставшееся время до разрушения объекта.

В процессе нагружения объекта контроля меняется не только активность, но и амплитуда сигналов АЭ. Например, в отсутствие развивающихся дефектов амплитудное распределение сигналов от пластической деформации и трения имеет характерный экспоненциально убывающий вид (рис. 5.13):

81

где N(A) — амплитудное распределение; N0 — общее количество сигналов; A0 — средняя амплитуда потока сигналов, мВ; А — амплитуда, мВ.

от пластической деформации, выполняются соотношения между числомрегистрируемых сигналови величинойпорога, приведенные в таблице.

Связь числа сигналов с уровнем дискриминации аппаратуры

При поиске развивающихся дефектов увеличение уровня дискриминации является одним из наиболее эффективных и простых способов исключения низкоамплитудных сигналов, причина возникновения которых — пластическая деформация, трение и т.д.

Развитиев объекте контроля дефектовсущественно изменяет характерный вид амплитудного распределения. Рост магистральной трещины сопровождается образованием несплошностей достаточно крупного размера (до 100–500 мкм). Поэтому ее продвижение проявляется в регистрации высокоамплитудных сигналов — более 50 мкВ (см. таблицу). На графике амплитудного распределения (рис. 5.14) росттрещины наблю-

82

F, кН

Рис. 5.15. Зависимость числа сигналов АЭ от величины нагрузки: 1 — первое нагружение; 2 — второе нагружение

Более правильнопониматьэффект Кайзера какуменьшение числа сигналов АЭ на упругом участке повторного нагружения. Снижение активности деформационных источников при последующих нагружениях позволяетповысить выявляемость развивающихсядефектов. В повторных АЭ испытаниях активность усталостных трещин остается на постоянном уровне, а число импульсов, связанных с пластической деформацией материала, существенно уменьшается.

Контрольные вопросы

1.Чем отличается упругая деформация материала от пластической?

2.Чем вызвано удлинение материала при растяжении в упругой области деформации?

3.За счет чего происходит удлинение материала при растяжении в области пластической деформации?

4.Что такое механическое напряжение и в каких единицах его измеряют?

5.По рис. 5.3 объяснить, что происходит с материалом при достижении максимальной нагрузки Fв?

6.Чему равна относительная деформация образцов разной длины, но находящихся в одинаковом нагруженном состоянии?

84

7.Если на два образца с разной площадью поперечного сечения действуют равные силы, чему равно механическое напряжение в материале?

8.Какие составляющие материала изделия могут быть концентраторами напряжения?

9.Как называется деформация образца, если после снятия внешней нагрузки он возвращается в исходное состояние с равной нулю остаточной деформацией?

10.Как влияют концентраторы напряжений на параметры нагружения изделия?

11.Каким образом активность АЭ связана с этапами деформирования материала?

12.Чем отличается распределение активности сигналов АЭ при деформации в образцах с трещиной и без дефектов?

13.Как изменяется распределение максимальных амплитуд сигналов АЭ при появлении трещин?

14.Как проявляется эффект Кайзера при измерении параметров АЭ под нагрузкой?

Глава 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Для достоверного анализа результатов контроля требуется знание координат источников акустической эмиссии. Способ определения местоположения излучателя по параметрам принимаемых сигналов называют локализацией. Зарегистрированные в акустико-эмиссионных испытаниях источники разделяют по пространственному положению и анализируют раздельно. Например, для источников в буксовом проеме боковой рамы грузового вагона установлено критическое число сигналов акустической эмиссии — 34, а для источников в рессорном проемепринято другоезначение—28.Эторазличиекритериев браковки обусловлено разными значениями механических напряжений в разных элементах объекта контроля.

В некоторых случаях целью обработки результатов контроля ставится объединение источников, распределенных по диагностируемой детали.Например, в процессересурсных испытаний панели самолета наблюдают за развитием усталостной

85

трещины, при этом источники акустической эмиссии выстраиваются вдоль траектории движения ее вершины.

Локализация позволяет исключить импульсы, возникающие в местах контактного взаимодействия отдельных элементов конструкции. Одним из самых простых способов обнаружения и выделения посторонних источников акустической эмиссии из областей закрепления объекта контроля в нагружающем устройстве является дискриминация по месту расположения.

В основе всех методик определения координат источников положен анализ различия информативных параметров сигналов,зарегистрированныхразнесеннымипоповерхностиобъекта контроля ПАЭ. Широкое распространение получили два основных способа локализации:

—амплитудный;

—временной.

Посредством первого способа определяют отношение амплитуд сигналов, принятых различными преобразователями. Очевидно, что чем ближе источник сигнала к приемнику, тем регистрируются более высокоамплитудные колебания (см. гл. 2). Амплитудный способ является единственно возможным для источников непрерывной акустической эмиссии. Однако в силу сильного влияния посторонних факторов на энергию волны (ориентациядефектов, переотражения в объекте ит. д.) не является оптимальным для импульсного излучения.

Для определения координатисточников дискретнойакустической эмиссии используют временной способ, основанный на измерении разности времен прихода сигналов на разнесенные в пространстве преобразователи. Базой данного метода является постоянство скорости волн в объекте контроля. Задержка времени прихода сигнала на преобразователь пропорциональна расстоянию до источника сигнала.

Линейная локализация

Процедура локализации наиболее наглядна в линейных объектах, для которых выполняется условие (рис. 6.1):

L >> S и L >>H, (6.1)

где L — длина детали, м; S — ширина, м; H — высота, м.

86

В большинстве практически важных случаев для линейных объектов необходимо определить только местоположение источника по длине детали. При этом пренебрегают информацией о координатах источника по высоте и ширине.

На рис. 6.1 представлена схема определения координат источников на линейном объекте. Для контроля такого рода деталей необходимо и достаточно два преобразователя акустической эмиссии, установленных на максимальном расстоянии друг от друга.

L

Рис. 6.1. Схема распространения сигналов акустической эмиссии в линейном объекте контроля (ПАЭ 1 и ПАЭ 2 — преобразователи акустической эмиссии с номерами 1 и 2): l — расстояние от источника до ближайшего преобразователя ПАЭ 1; x — разность путей распространения сигнала до дальнего преобразователя ПАЭ 2 и ближнего преобразователя ПАЭ 1

Вопределенный момент времени источник излучает акустические волны, распространяющиеся с одинаковой постоянной скоростью C в направлении ПАЭ 1 и ПАЭ 2.

Пройдя расстояние l, волна достигает ПАЭ 1, в момент

времени t1 на первом канале АЭ системой регистрируется сигнал акустической эмиссии (рис. 6.2, а — канал 1).

Вэтот момент времени на втором канале акустико-эмисси- онной системы фиксируютсяэлектрические шумы аппаратуры (рис. 6.2, б — канал 2), так как волне необходимо дополнительно пройти расстояние x (см. рис. 6.1).

Акустический импульс будет зарегистрирован на втором

каналев моментвремени t2(см. рис. 6.2,б —канал2),который зависит от скорости распространения C и расстояния x:

87

(6.2)

где x — разность путей от источника до ПАЭ 1 и ПАЭ 2, мм; С — скорость акустической волны, мм/мкс.

Время, мкс

Рис. 6.2. Электрические сигналы, регистрируемые акустико-эмиссионной системой: а — канал 1 начинает регистрировать сигнал с ПАЭ 1 в момент времени t1 (см. рис. 6.1); б – канал 2 регистрирует сигнал с ПАЭ 2 в момент времени t2 (см. рис. 6.1)

Величину (t2 – t1) называют разностью времен прихода

(РВП) сигналов на преобразователи. Чем больше РВП, тем дальше расположен источник акустической эмиссии от центра системы преобразователей. Используя выражение (6.2), найдем формулу для вычисления координаты источника относи-

88

Указанныйспособлокализациипозволяетопределить координаты источников, расположенных между крайними преобразователями. Область объекта контроля вне этой зоны не анализируется (нет локализации на рис. 6.1), так как разность путей распространения до всех источников равна расстоянию между преобразователями.

Определение координат источников акустической эмиссии основано на измерении времени начала сигнала. Способы измерения данного информативного параметра сигнала АЭ с использованием метода плавающего порога и его погрешности подробно рассмотрены в гл. 4.

Плоскостная локализация

Для определения координатисточников акустической эмиссии на плоскости достаточно использовать три преобразователя акустической эмиссии, которые не расположены на одной прямой линии (рис. 6.3). В некоторых случаях на плоском объекте применяют больше трех преобразователей. Дополнительные приемники сигналов позволяют повысить достоверность результатов контроля и уменьшить погрешность.

Рис. 6.3. Схема распространения сигналов акустической эмиссии в плоском объекте контроля: ПАЭ 1, ПАЭ 2 и ПАЭ 3 — преобразователи акустической эмиссии с номерами 1, 2 и 3

К плоским объектам относят конструкции, у которых один пространственный размер (высота) значительно меньше двух других размеров (длина, ширина):

L >> H и S >>H. (6.4)

Фиксированный набор ПАЭ, сигналы с которых обрабатываются для определения местоположения источников акустической эмиссии, называют акустической антенной. Для пра-

89

вильного вычисления координат источников необходимо, чтобы реальное расположение преобразователей соответствовало введенным в акустико-эмиссионную систему координатам. Координатыисточников находят путемрешениясистемыуравнений, связывающих расстояние от источника до преобразователя и времени прихода сигнала АЭ. В двухмерном случае указанные зависимости имеют достаточно сложный вид. При необходимости их можно найти в научно-технической литературе [5].

Табличный способ локализации основан на связи конкретных значений разности времен прихода с различными участками объекта контроля. При этом зависимость координат от разностей времен прихода дается в табличной форме.

На этапе разработки методики контроля деталь разбивают на несколько участков, размеры которых определяются возможностями аппаратуры и допустимой погрешностью локализации дефектов (рис. 6.4). Сформированные таким образом участки объекта контроля нумеруются в порядке возрастания.

2 5

1

6 ...

Рис. 6.4. Схема разделения плоского объекта на участки для табличного способа локализации: ПАЭ 0, ПАЭ 1, ПАЭ 2, ПАЭ 3 — преобразователи акустической эмиссии; 1, 2, 3, 4, 5, 6 — номера участков с определенными разностями прихода

С использованием имитатора сигналов акустической эмиссии для каждого участка объекта определяют значение разности времен прихода сигналов на преобразователи и заносят в

90