WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Козинкина Алла Ивановна

Моделирование и оценка накопления повреждений в конструкционных материалах на базе данных акустической эмиссии

Специальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Научный консультант:  доктор физико-математических наук,

профессор А.В. Березин

Официальные оппоненты:  доктор технических наук,

профессор В.И. Иванов

доктор физико-математических наук,

  профессор А.А. Мовчан

  доктор технических наук,

  профессор Е.М. Морозов

Ведущая организация:  Центральный аэрогидродинамический институт

Защита состоится «  »_____________________ 2009 г. в __________ час. 

на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 при Московском авиационном институте в помещении конференц-зала по адресу: Волоколамское шоссе, 4, А-80, ГСП-3, Москва, 125993.

E-mail: ( D212.125.05@mai.ru ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института по адресу: Волоколамское шоссе, 4, Москва.

Автореферат разослан « » ____________________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, 

к.ф.-м.н. С.И. Жаворонок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач, связанных с развитием современного машиностроения, является задача обеспечения прочности и надежности конструкций. Предельные состояния машин и сооружений становятся результатом постепенного накопления микродефектов в процессе эксплуатации, что приводит к зарождению и развитию макроскопических трещин, потере работоспособности и разрушению. Данная проблема рассматривается в двух аспектах. Во-первых, это построение физико-механических моделей повреждаемости и описание механического поведения сред с дефектами, во-вторых, это разработка практических методов идентификации и количественной оценки дефектности.

Благодаря быстрому развитию механики континуальных повреждений, сравнительно нового направления механики деформируемого твердого тела, предложен широкий спектр моделей повреждаемости при различных условиях нагружения. Тем не менее, они не лишены противоречий, связанных, в частности, с определением зарождения трещины, условий роста микродефектов, формулировкой критериев разрушения. Остается открытым вопрос о количественной оценке накопления повреждений в реальных конструкциях. Очевидно, для адекватного описания поведения материалов под нагрузкой необходим учет эволюции реальной дефектности. В связи с этим, разработка метода количественной оценки структурных изменений в твердом теле и исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности.

Весьма эффективным в этом отношении является анализ акустической эмиссии (АЭ), сопровождающей деформацию и разрушение твердых тел. Отличительной особенностью явления АЭ служит динамический характер вызывающих его эффектов, что позволяет обнаруживать отличия в акустическом излучении, соответствующие различным уровням повреждения

структуры: движению и размножению дислокаций, зарождению и росту микротрещин, продвижению макротрещины. К преимуществам АЭ относятся высокая чувствительность и принципиальная возможность раннего обнаружения дефектов независимо от их формы, положения и ориентации, а также возможность наблюдения в реальном масштабе времени. С этой точки зрения анализ сигналов АЭ используется в двух основных направлениях – в качестве метода исследования и в качестве метода неразрушающего контроля и диагностики дефектности. Однако, применение АЭ для количественной оценки накопления повреждений практически отсутствует. Имеющиеся методические разработки носят качественный характер и основываются в основном на сравнении с эталоном.

Целью настоящей работы явилось: разработка и обоснование акустико-эмиссионного метода определения стадий и количественной оценки повреждаемости конструкционных материалов при силовом воздействии, а также развитие моделей деформирования и разрушения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

– экспериментальное исследование закономерностей накопления повреждений в конструкционных материалах различных типов при силовом нагружении;

– выявление особенностей параметров АЭ, отражающих закономерности кинетики накопления повреждений на основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных разными методами;

– разработка и обоснование идентификации и количественной оценки деформационной повреждаемости на базе данных АЭ;

– моделирование механического поведения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с применением стандартных механических испытаний, метода АЭ, метода восстановления параметров потока актов АЭ, метода измерения модуля упругости при разгрузке, метода измерения микротвердости. При обработке данных использовался регрессионный анализ и стандартные пакеты вычислительных программ. Теоретическое моделирование проводилось на основе фундаментальных представлений теории упругости и пластичности с использованием методов регрессионного анализа и оптимизации.

Научная новизна.

– Определены особенности и общие закономерности зависимости суммарного количества актов АЭ от напряжения и деформации в поликристаллических и композиционных материалах, характеризующие стадийность накопления повреждений, а именно: установлены степенной характер и характеристические  точки зависимости суммарного количества актов АЭ от приложенного напряжения и деформации.

– Предложен метод построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ при пластическом деформировании материалов.

– Разработана и обоснована методика количественной оценки на базе данных АЭ концентрации дефектов, возникающих при пластическом деформировании материалов.

– Развита плоская модель и построены определяющие соотношения упругости упругопластического деформирования твердого тела с учетом  образования и развития микротрещин. Показано появление анизотропии свойств упругости в первоначально изотропном материале при образовании и развитии микротрещин.

– Предложены расчетно-экспериментальные методы прогнозирования прочности и жесткости конструкционных материалов с учетом реальных условий образования и развития поврежденности.

Практическая значимость работы состоит в использовании:

–  установленных закономерностей и характеристических точек взаимосвязи интегральной характеристики потока актов АЭ с процессами деформации и разрушения в качестве критерия предразрушающего состояния материалов и конструкций;

–  метода построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ, для определения различных стадий накопления повреждений, условий зарождения микро- и макродефектов, оценки ресурса пластичности, качества и технологических возможностей конструкционных материалов;

–  методики количественной оценки концентрации дефектов, образующихся при пластическом деформировании поликристаллических материалов, для анализа разрушения, контроля и диагностики прочности и рабочего ресурса;

–  расчетно-экспериментального метода определения на базе данных АЭ критериальных характеристик начала разрушения отдельных слоев разориентированного слоистого композита и  прогнозирования прочности композиционного пакета в целом;

–  определяющих уравнений упругости упругопластического деформирования тела, учитывающих реальные условия образования микротрещин для определения поведения деформационных характеристик в процессе накопления дефектов.

Достоверность полученных результатов и выводов основывается на использовании различных физических методов исследования, на анализе многочисленных экспериментальных данных, проведенном с соответствующей статистической обработкой и применением метода восстановления параметров потока повреждений по параметрам сопутствующего акустического излучения, на применении апробированного математического аппарата механики сплошной среды и механики континуальных повреждений, а также непротиворечивостью теоретических и опытных данных.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на I Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); II Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1985); II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Кишинев, 1987); VI Межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрения в специальные отрасли промышленности» (Миасс, 1989); Международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 1990); Всесоюзной конференции «Дни Советской Науки» секция X: «Математические методы с приложениями к механике» (Тула, 1991); III Всесоюзной научно-производственной конференции по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV конференции по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» и III школе-семинаре «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов» (Воронеж, 1992); Научно-технической конференции стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международной конференции по механике разрушения (Киев, 1993); XIII Научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» (Санкт-Петербург, 1993); 14-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996); 2-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1996); 4-й  Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1999); 15-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1999); 7-ой Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2002); Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета (Самара, 2003), Международной конференции «Нанотехнологии и их влияние на трение, износ и усталость в машинах» (Москва, 2005); IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2005); IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).

Результаты настоящей работы отражены в отчетах госбюджетных НИР, выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов акустико-эмиссионной диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (Приказ ГК НВШ РСФСР № 258 от 28.03.91, № ГР 01920011833); Программы Госстандарта СССР по стандартизации в области надежности, износоустойчивости, эксплуатации и ремонта техники на 1986-1990 гг. «Провести исследования и разработать общие технические требования на преобразователи приборов акустико-эмиссионного контроля для создания методических указаний» (Раздел 02.00.011, № ГР 0087824);  по гранту Минобразования РФ  91Гр 98 «Развитие акустико-эмиссионного метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики;  НИР № 05.01.01.36  «Развитие метода акустико-эмиссионной оценки момента наступления предразрушающего состояния элементов конструкций средств воздушного транспорта» в рамках  Программы:  «Научные исследования ВШ в области транспорта»  2000 г.; гранта ТОО-7.4-2801 «Обоснование новых подходов к диагностике ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок по данным акустико-эмиссионных испытаний» по фундаментальным исследованиям в области ядерной техники; по гранту РФФИ 05-08-50026-а «Определение деформационных характеристик упругопластических материалов с дефектами».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе два патента на изобретение. В автореферате приведен список основных публикаций из 38 наименований. 

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем 250 страниц, включая 75 рисунков, 18 таблиц, библиографию из 250 наименований и приложение на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Физико-механические представления поврежденности в твердых телах. Обосновывается постановка задач: анализируются различные подходы к изучению деформационной повреждаемости; рассматриваются общие представления о кинетике накопления повреждений, типы и механизмы образования дефектов в металлических и композиционных материалах, модельные представления поврежденности, ее мера, описание деформирования сред с дефектами.

Поврежденность, возникающая при силовом воздействии, физически интерпретируется как процесс образования и роста микропор и микротрещин в материале и вследствие этого, как сокращение упругого отклика тела в результате уменьшения эффективной площади, передающей внутренние усилия от одной части тела к другой. Накопленные результаты научных исследований свидетельствуют об общих закономерностях дефектообразования в металлических и композиционных материалах. Начиная с первых этапов нагружения, идет образование дефектов различного структурного уровня, коллективные эффекты которых обуславливают взаимосвязь и стадийность процессов деформации и разрушения. Существует критическая концентрация микродефектов и критический уровень пластической деформации, необходимые для начала массового зарождения несплошностей. Стадийности,  кинетике и микроструктурным исследованиям поврежденности посвящены работы В.И. Бетехтина, В.И. Владимирова, С.Н. Журкова, В.С. Ивановой, В.С. Куксенко, В.Е. Панина, Л.М. Рыбаковой и др.

Соответственно уровням рассмотрения поврежденности выделились в самостоятельные направления механики деформируемого твердого тела: микромеханика, механика континуальных повреждений (МКП) и механика разрушения (МР). Микромеханический подход обусловил развитие континуальной теории дислокаций и метода непрерывной аппроксимации с помощью которого механические характеристики на уровне микроструктуры аппроксимируются на макроскопические характеристики материала в целом. Было показано, что при достижении критической плотности дислокаций в некотором объеме материала начинается процесс образование микропор и микротрещин, зависящий от вида напряженного состояния. Здесь следует отметить работы Д.Д. Гилмана, А.Х. Коттрелла, И.А. Одинга, М. Онами, А.Н. Стро, А. Чамиса и др. Однако необходимость учета всех структурных особенностей материала конструктивного элемента и изменения их напряженного состояния затрудняет реализацию микромеханического подхода.

Предметом исследования МР являются закономерности зарождения, страгивания и развития конечного числа трещин различной формы  при различных видах деформации. На этом направлении  достигнуты значительные успехи в определении условий и скорости роста трещин, разработаны методы прогнозирования ресурса конструкций с трещинами. Здесь отмечены работы А.А. Вакуленко, Т. Екобори, Л.М. Качанова, Е.М. Морозова, Н.Ф. Морозова, В.В. Новожилова, В.З. Партона и др. Тем не менее, такой подход не исчерпывает всего многообразия реальных процессов разрушения, не позволяет объяснить многие опытные данные.

Значительную долю долговечности материала составляет стадия рассеянного разрушения, когда происходит постепенное накопление микродефектов, объединение их в трещины, приводящие к исчерпанию несущей способности конструкции. Кроме того, в вершине макроскопической  трещины также происходит интенсивное образование и развитие повреждений, и она продвигается в подготовленном к разрушению материале. Поэтому, был поставлен вопрос об оценке развития внутренней поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики. Начиная с основополагающих работ МКП Л.М. Качанова и Ю.Н. Работнова, снижение жесткости тела за счет микротрещин и мера поврежденности определяются введением внутреннего параметра состояния ω:

σij  = (1 – ω)Cijkm ε km,

где σij – напряжения, ε km – деформации, Cijkm – упругие постоянные материала. Для определения внутренних переменных постулируются кинетические уравнения на принципах термодинамики. Система определяющих соотношений совместно с законами сохранения образуют замкнутую систему уравнений, которая описывает поведение материала вплоть до разрушения. К настоящему времени теория обобщена на случаи упругости, пластичности, вязкоупругости и усталости материалов, включая композиты и хрупкие тела. Значительный вклад в развитие МКП внесли  В.В. Болотин,  J.L. Chaboche, D. Krajcinovic, J. Lemaitre, В.В. Новожилов, В.П. Тамуж и др. Исследование поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики твердых тел в различных материалах и при различных условиях, продолжено в работах В.И. Астафьева, А.В. Березина, А.А. Вакуленко, Г.А. Ванина, В.Н. Кукуджанова, А.М. Локощенко, Ф.А. Макклинтока, Н.Ф. Морозова,  А.А. Мовчана, С. Мураками, Ю.Н. Радаева, R. Talreja и др.

Модели и методы МКП охватывают следующие аспекты повреждаемости материалов: условия образования и роста дефектов на ранних стадиях развития поврежденности, зарождение трещины, предсказание общей долговечности при сложном нагружении, влияние повреждений на деформационные свойства в масштабе среды. При описании дефектообразования в условиях пластического деформирования наиболее изучен рост пор всевозможной формы, получено условие текучести пористых материалов, зависимость модуля Юнга от концентрации пор. Однако микротрещины, определяемые как разрезы, представляют наибольший интерес, поскольку более соответствуют реальным процессам, происходящим в материале при пластическом деформировании, приводят к анизотропии физико-механических свойств первоначально изотропных материалов. А.В. Березиным на основе теории скольжения Батдорфа-Будянского проанализировано поведение пластически деформируемого тела с учетом образования и роста микротрещин и получены определяющие соотношения типа теории течения. Однако, деформационный отклик твердого тела определяется его жесткостью. Опытные данные показывают, что эти величины являются структурно-чувствительными характеристиками, зависящими не только от химического состава, но и от дефектности материала. С этой точки зрения представляет интерес задача определения упругих характеристик при пластическом деформировании тела с учетом образования и развития микротрещин.

С другой стороны при анализе поврежденности и ее влияния в реальных структурах, неизбежно возникают проблемы: идентификации дефектов; разрушения преобладающей до определенного момента дислокационной системы в металлических материалах, находящихся в состоянии пластического течения; выделения  активных микротрещин, оказывающих влияние на макроотклик деформируемого твердого тела. Кроме того, выбираемый параметр поврежденности должен быть измеряемым и связанным с преобладающей модой необратимой перестройки микроструктуры материала. Таким образом, для дальнейшего развития моделей МКП, обеспечения априорного и достоверного прогноза долговечности и остаточной прочности поврежденного материала требуется разработка методов выявления различных стадий накопления повреждений и количественной оценки дефектности, что также определило цель и задачи данной работы.

Глава 2. Особенности акустико-эмиссионного исследования повреждений. Дан обзор физических методов измерения деформационной повреждаемости в твердых телах, проведено обоснование эффективности использования акустической эмиссии (АЭ) в целях идентификации и оценки накопления повреждений, описываются информативные параметры, экспериментальная установка, приемные преобразователи, особенности регистрации и обработки принимаемых акустических сигналов.

Большинство существующих косвенных методов оценки внутренней поврежденности, возникающей в материале при деформировании, обеспечивают качественную или усредненную характеристику накопления повреждений либо применимы к ограниченному классу материалов и пригодны для лабораторных исследований.  Метод АЭ относится к прямым методам измерения дефектности в том смысле, что каждому коллективному акту повреждения структуры материала соответствует первичный упругий импульс, процесс излучения которого представляет собой явление АЭ. Таким образом, измерение общего количества актов АЭ в принципе позволяет исследовать кинетику накопления повреждений. Тем не менее, применение АЭ для определения количественной меры поврежденности в мировой практике отсутствует, имеющиеся результаты носят в основном качественный характер. Отчасти это обусловлено недостаточным исследованием связей параметров потока актов АЭ с кинетикой деформации и разрушения, а также особенностями распространения, приема и анализа сигналов АЭ.

Значительный вклад в исследование физико-механических аспектов, статистических и информативных особенностей параметров АЭ внесли работы В.М. Баранова, С.И. Буйло, К.Б. Вакара, Ю.Б. Дробота, В.И. Иванова, В.Д. Нацика, H.L. Dunegan, D.R. James, D.O. Harris и др. Установлена физическая природа АЭ, ее связь с изменением дислокационной структуры. На основе пуассоновской модели явления разработан метод восстановления истинных значений интенсивности потока актов АЭ по регистрируемым сигналам с учетом их искажения и перекрытия, а также импульсов, оставшихся за порогом дискриминации. Проведенный анализ исследований теоретического и экспериментального плана,  в которых параметры процесса деформации и разрушения, такие как предел текучести, коэффициент интенсивности напряжений, момент зарождения и скорость развития трещины, площадь вновь образующихся поверхностей трещины и т.д. связываются с параметрами АЭ, подтвердил достаточную корреляцию между потоком актов АЭ и потоком повреждений. Таким образом, накопленные результаты свидетельствуют об эффективности использования АЭ при исследовании поврежденности и возможности количественной оценки дефектообразования.

В данной работе для идентификации потока повреждений потоком актов АЭ применялась методика восстановления истинных значений . Погрешность восстановления не превышает 5…10 % при точности измерения регистрируемых параметров 1…5 %. Для повышения достоверности и количественной оценки результатов АЭ испытаний на основе композита из тонких пьезокристаллов были разработаны чувствительные и помехоустойчивые приемники упругих волн, отличительной особенностью которых является селективность к продольному типу колебаний и короткое время реверберации (τ ≈ 8…16 мкс).

Глава 3. Взаимосвязь параметров акустической эмиссии, кинетики накопления повреждений и напряженно-деформированного состояния. Приводятся результаты экспериментальных исследований особенностей корреляции потока актов АЭ с параметрами нагружения при одноосном растяжении образцов стали и углепластика. Установлено, что для всех исследуемых материалов зависимость интегральной характеристики потока актов АЭ:
  (1)

где Nан – нормированное суммарное количество актов АЭ, – текущая интенсивность потока актов АЭ, t – текущие время, τ  – время до разрушения, от напряжения близка к степенной и имеет характеристическую точку, в виде точки излома на линеаризованной кривой (рис.1):

       ,        (2)

где 0 – минимальное напряжение, при котором начинается регистрация АЭ; 

аэ – напряжение, соответствующее  точке излома; C1, C2, k1, k2 – некоторые константы материала и напряженного состояния.

Анализ амплитудного распределения сигналов АЭ – ω(A), показывает, что стадийность потока актов АЭ обусловлена переходом от рассеянного накопления микродефектов к локализованному. Как известно, ω(A), связанное со стохастическим процессом пластической деформации  имеет экспоненциальный вид (рис. 2), локализация процесса приводит к возрастанию доли больших амплитуд и появлению максимума.

На основании полученных результатов рассмотрена возможность предсказания прочности композитных материалов с разориентированной укладкой слоев, исходя из двухстадийной модели обратимой и необратимой повреждаемости.  Обычно расчеты на прочность слоистых композитов любой укладки основываются на характеристиках прочности монослоя, однако такой подход приводит к ошибкам от 30 до 300%. Кроме того, компьютерное моделирование разрушения углепластика с использованием

различных критериев показало, что условия, удовлетворительно описывающие прочность разориентированного композита при постоянных значениях критериальных констант во всем диапазоне углов α,
являются  не  удовлетворительными  для  описания поверхности прочности

однонаправленного материала. Для изучения различных условий развития поврежденности исследовался углепластик структуры [08/90/08]. Обнаружено, что каждому виду напряженного состояния (НС) основного пакета слоев (обозначенных I), который определяется углом α между осью приложения нагрузки и направлением волокон, соответствует вполне определенная нормированная зависимость (2). Значения компонент тензора напряжений в точке аэ в наиболее нагруженном слое были приняты в качестве условия начала первого разрушения слоя и определены зависимости их от инварианта НС: u=σ22/σ12. Использование установленных критериальных характеристик и критерия разрушения Хилла позволило рассчитать условие перехода к необратимой стадии накопления повреждений оставшегося слоя –σд и ожидаемую прочность углепластика –. В таблице 1 приведены экспериментальные значения σаэ, σв и расчетные значения критериальных характеристик σ12*, σ22*; σд и.

Таблица 1.

αо c указанием слоя

0I

10I

15I

23II

30II

45II

60II

σ22*, МПа

1,7

1,2

1,4

1,6

1,5

1,8

2,7

σ12*, МПа

42,8

44,3

45,4

45,0

47,0

53,0

σаэ , МПа

36,1

40,2

44,6

33,9

21,7

15,5

24,2

σд ,  МПа

211,9

54,1

35,9

26,0

21,8

19,8

24,5

, МПа

635,7

148,6

92,4

61,8

48,8

42,7

57,2

σв,  МПа

634,3

155,2

96,6

61,9

52,6

34,5

49,0

95 %-ый доверительный

Интервал , МПа

±13,4

± 5,2

± 5,4

± 5,7

± 5,8

± 5,9

± 5,7

Как видно, прогнозируемые значения прочности близки к экспериментальным. Фактическая относительная погрешность при 0о  α  30о составила 0,16…7,22 %, что существенно меньше, чем при традиционном построение поверхности прочности.

Глава 4. Стадийная модель повреждаемости упругопластических материалов при силовом воздействии посвящена экспериментальному исследованию с применением АЭ деструкции поликристаллических материалов в условиях одноосного растяжения и постоянства скорости деформации.

Анализ имеющихся данных, полученных различными методами, в том числе световой и электронной микроскопии; дифракционной рентгенографии; измерения электросопротивления; флотационного измерения плотности,  показывает, что диаграмму пластически-деструкционного деформирования можно представить зависимостью суммарного количества актов АЭ от остаточной деформации в виде: , на которой выявляются критические точки – точка деструкции Д, с которой начинается массовое образование несплошностей в материале, и точка В, соответствующая моменту неустойчивости накопления микродефектов или зарождению макродефекта. На рис. 3а представлена АЭ-деструкционная диаграмма образца технического алюминия. Причем, критические точки накопления повреждений выявляются на АЭ-диаграммах и при нагружении материалов с низкой активностью эмиссии с момента проявления текучести до разрушения (рис.3б). Статистический и регрессионный анализ экспериментальных данных показал, что 95 % -ые интервалы значений тангенсов углов наклона аппроксимирующих линий не пересекаются, что подтверждает правомерность принятой стадийной модели.

Проведенные исследования неоднородности микротвердости образцов в зависимости от остаточной деформации позволяют утверждать, что кинетика накопления повреждений и ее стадийность определяются не только механизмом, но и степенью локализации пластической деформации и

а)

 

б)

Рис. 3. АЭ-деструкционные диаграммы одноосного растяжения:

а) образца технического алюминия б) образца Ст. У9

дефектообразования.

На основе стадийной модели деформации и разрушения и АЭ-диаграмм разработан, обоснован и защищен патентом РФ способ измерения концентрации дефектов типа микропор и микротрещин, возникающих при пластическом деформировании материалов в процессе силового воздействия.

По определению концентрация дефектов c равна отношению объема несплошностей к объему материала. Тогда увеличение концентрации несплошностей как за счет роста имеющихся пор, так и за счет образования новых описывается соотношением:

.        (3)

После интегрирования (3) по объему и разложения в ряд Тейлора получим:

  c ≈ εd,

Из геометрических соотношений АЭ-деструкционной диаграммы (рис.3а) следует:

,         (4) 

где δД – координата точки Д; γ1 и γ2  – тангенсы углов наклона аппроксимирующих линий, характеризующих пластическую деформацию и деструкционную. 

На рис. 4 представлены зависимости (4) для различных металлических материалов, которые показывают, что более пластичные материалы выдерживают более высокую концентрацию дефектов до перехода к заключительной стадии разрушения. В таблице 2 приведены численные оценки с по АЭ – диаграммам в трех точках: в начале, в середине и в конце деструкционной стадии деформирования Δδd, c0 – начальная концентрация микродефектов, расчитанная по имеющимся микроструктурным данным, полученым методами электронной микроско­пии, а также малоугловой рентгеновской дифракции. Как видно, точность определения концентрации

Рис. 4. Зависимости концентрации микродефектов от остаточной

деформации: 1 – сталь 10ГН2МФА; 2  –Ст. 45; 3 – Al; 4 – Cu

 

Таблица 2.

Материал

Отжиг

2 часа,

T, о C

c0

c  по АЭ

0,01Δδd

0,5Δδd

в точке В

Ст. У9

700

5,2⋅10–7

1,7⋅10–7

4,2⋅10–4

1,7⋅10–3

Ст. 10ГН2МФА

700

5,2⋅10–7

2,7⋅10–7

6,7⋅10–4

2,7⋅10–3

Ст. 45

700

5,2⋅10–7

3,5⋅10–7

8,8⋅10–4

3,5 ⋅10–3

Алюминий марки АО

400

1,4⋅10–4

3,5⋅10–7

8,7 ⋅10–4

3,5⋅10–3

Медь марки МО

250

4,1⋅10–3

5,1⋅10–6

1,3⋅10–2

5,1⋅10–2

дефектов на базе данных АЭ по предложенной методике сравнима с точностью указанных выше методов. Кроме того, хорошо согласуются оценки с и имеющиеся данные по разуплотнению металлов перед образованием макротрещины.

Глава 5. Моделирование деформирования упругопластического тела с учетом кинетики образования и развития микротрещин. Рассматривается задача определения характеристик упругости при пластическом деформировании материалов с учетом образования и развития микротрещин. Решение задачи основывается на теории скольжения Батдорфа – Будянского и плоской модели пластического тела В.Д. Клюшникова.

С использованием потенциала квадратичной формы, в качестве переменных которого используются компоненты тензора деформаций и вектора поврежденности, получены определяющие соотношения упругости для пластического тела с дефектами. Закон деформирования определяется упругими постоянными неповрежденного материала , начальным параметром поврежденности , условием образования трещин e0 и неизвестными коэффициентами Al, B1:

  ,

где l – длина микротрещин, a – расстояние между центрами микротрещин,
e – интенсивность деформаций, λ – направление скольжения,
– ориентационные факторы,  а матрица [Zij] имеет вид: 

.                

Соответственно матрицы [Nij] и [Mij] равны:

       

Полученные выражения для компонент [Nij] и [Mij] свидетельствуют о появлении анизотропии упругих свойств в первоначально изотропном материале при образовании и росте микротрещин:

 

 

Для ряда металлических материалов с применением АЭ установлены условия образования микротрещин и на основе измерений продольного модуля упругости E11 при разгрузке определены неизвестные коэффициенты модели ­– Al, B1. Начальный параметр поврежденности рассчитывался по имеющимся микроструктурным данным. С учетом соотношений для модулей упругости ортотропного тела изменение E11 в данной модели описывается следующим образом:

.

На рис. 5 показаны полученные зависимости компонент тензора упругости от направления скольжения и интенсивности деформаций, иллюстрирующие развитие анизотропии при образовании и росте микротрещин. Достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных изменения модулей упругости, представленных на рис. 6, свидетельствует об адекватности представленной модели реальным процессам, происходящим при пластическом деформировании поликристаллических материалов.

На основании полученных зависимостей для ряда металлов проведена оценка отклонения от закона ортогональности пластического течения, обусловленного скоростью изменения податливости:

,        (5)

Для линейной аппроксимации данных скорость изменения податливостей равна:

.

Численные оценки второго слагаемого в (5) приведены в таблице 3.

 

а)

 

 

б)

Рис. 5. Изменение компонент тензора упругости в процессе

накопления повреждений в образце Ст. 3: а) – в зависимости от направления скольжения; б) – в зависимости от интенсивности деформации

 

Рис. 6. Расчетные и экспериментальные данные изменения модулей

упругости и коэффициента Пуассона в процессе накопления микротрещин в образце Ст. 3 в зависимости от интенсивности деформаций

Таблица 3.

Материал

Ст. 3

0,066×10-2

0,025 εr

- 0,015 εr

0,099 εr

Al

0,012×10-2εr

0,032×10-2εr

- 0,005εr

0,035εr

Cu

0,032×10-2εr

0,010εr

- 0,016εr

0,193εr

Результаты показывают, что добавки могут быть существенными и их необходимо учитывать в соотношениях теории пластичности поликристаллических материалов.

В заключении с использованием условия неустойчивости пластических сдвигов показана возможность прогнозирования прочности упругопластических материалов на основе представленной модели и определены условия роста микротрещин. Результаты показывают, что переход к локализации дефектообразования в более пластичных материалах, таких как алюминий и медь происходит при соотношении 1:5 длины микротрещин и расстояния между ними, в тоже время для Ст. 3 это отношение на порядок меньше.

Глава 6. Методология акустико-эмиссионного контроля и диагностики материалов. Подводятся итоги методических разработок по применению АЭ к  исследованию дефектности в конструкционных материалах, рассматриваются вопросы достоверности метода АЭ, информативных параметров, описываются испытания натурных конструкций.

Применяемые в настоящее время АЭ методики неразрушающего контроля и диагностики промышленных объектов не учитывают стадийности процессов деформации и разрушения, что не позволяет реализовывать в полной мере потенциальные возможности метода АЭ для получения информации о наличии и параметрах дефектности, ее влияния на контролируемый объект. Однако, мезо- и макропараметры, контролирующие точки межстадийного перехода, обладают свойствами универсальности и инвариантности, несут информацию об адаптивных свойствах структуры и анализируются посредством общего алгоритма. В этом смысле основными показателями деформационных свойств конструкционных материалов являются: предел текучести (Т), точка деструкции (Д), момент образования макродефекта (В), которые однозначно определяются методом АЭ с помощью методических разработок, представленных в данной работе.

Основная задача диагностики натурных объектов состоит либо в определении остаточного ресурса, либо в отбраковке поврежденных узлов. При этом часто неизвестны истинные напряжения и деформации, действующие в теле. В этой связи возникает необходимость в определении стадии деформации и разрушения. Проведенные исследования показали, что каждая последующая стадия накопления повреждений сопровождается увеличением степени локализации и, соответственно уменьшением количества актов АЭ, и характеризуется определенным диапазоном тангенсов углов наклона аппроксимирующих линий. При этом текущим параметром может быть нагрузка или время. Этот факт использовался при анализе результатов АЭ испытаний корпуса реактора и надрессорной балки. В первом случае линейная аппроксимирующая зависимость суммарного количества актов АЭ от давления не имела изломов и соответствовала начальной стадии деформирования, т.е. в исследуемом диапазоне давлений в объекте не имелось зон, переходящих к предразрушающему состоянию. Характерный излом логарифмической зависимости интегральной характеристики АЭ от времени во втором случае указал на локализацию дефектообразования (рис.7). Действительно, в центральной части балки имелась видимая трещина. Таким образом, методические разработки, представленные в данной работе могут быть основой неразрушающего метода контроля и  диагностики материалов и конструкций.

а)  б)

Рис.7. Ипытательный стенд (а) и результаты испытаний (б)

надрессорной балки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы и определены общие закономерности и особенности накопления повреждений в металлических и композиционных конструкционных материалах при силовом воздействии.

2. С привлечением различных физических методов экспериментально обоснована стадийность дефектообразования и дана интерпретация точек перехода с наиболее общих физических подходов и закономерностей процесса разрушения. Продолжительность и количество стадий зависит от материала, вида разрушения и механизма структурных нарушений. Переход к последующей стадии обуславливается сменой механизма деформации и разрушения, а также степенью их локализации. Параметры, контролирующие точки перехода, обладают свойствами универсальности и инвариантности, вследствие чего являются наиболее информативными для исследования и предсказания физико-механических свойств материалов.

3. Показано, что наиболее эффективным и информативным методом идентификации реальной поврежденности является метод акустической эмиссии (АЭ). При этом:

- установлено подобие кинетики накопления повреждений в поликристаллических и композиционных материалах, заключающееся в стадийном характере процесса и степенной зависимости суммарного количества актов АЭ от деформации и напряжения;

- предложен метод построения деструкционных диаграмм деформирования и разрушения поликристаллических материалов на базе данных АЭ, позволяющий выявлять различные стадии накопления повреждений, определять условия зарождения микро- и макродефектов;

- обнаружено, что каждому виду напряженно-деформированного  состояния, определяемым отношением σ22 /τ12 , в слоистом волокнистом композите отвечает вполне определенная нормированная кривая суммарного количества актов АЭ независимо от типа нагружения (статического или циклического);

4. Установлены критериальные характеристики разрушения монослоя в композите и их зависимость от параметра вида напряженного состояния. На основании полученных зависимостей предложен расчетно - эспериментальный метод прогнозирования прочности композита с разориентированной укладкой слоев. Средняя относительная погрешность прогнозируемой прочности составила 8 %.

5. Разработана и обоснована методика количественной оценки концентрации деформационных дефектов c на базе данных АЭ и  установлена зависимость величины  c от степени деформации.

6. Развита плоская модель и построены определяющие соотношения упругости упругопластического деформирования твердого тела с  использованием неассоциированного закона течения, теории скольжения Батдорфа-Будянского и учетом условий образования и роста микротрещин в системах скольжения. На основе этой модели для ряда металлических материалов построены определяющие соотношения деформирования и предложен  расчетно-экспериментальный метод определения характеристик жесткости с учетом реальных условий образования и развития дефектов.

7. Установлена анизотропия упругих свойств в силу направленного образования микротрещин и для ряда металлических конструкционных материалов определены зависимости характеристик упругости от интенсивности деформаций с учетом реальных условий образования дефектов. Сравнение с экспериментальными данными свидетельствует о качественном соответствии представленной модели реальным процессам деформирования и разрушения упругопластических тел.

8.  Развит метод АЭ и показана возможность его применения в качестве метода неразрушающего контроля технического и структурного состояния натурных объектов с учетом стадийности и локализации процессов деформации и разрушения.

9. Предложенный метод определения реальных условий образования микродефектов на базе данных АЭ и расчетные характеристики представленной модели пластического деформирования тела  позволяют прогнозировать прочность металлических конструкционных материалов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1.  Шихман В.М., Крисилов В.Л., Козинкина А.И. и др. О повышении достоверности измерения амплитуды акустического сигнала при высокотемпературном неразрушающем контроле // Тез. докл. 9-й Всесоюз. науч.-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля».- Минск, 1981. – Ч.1. – С.78-79.

2.  Трипалин А.С., Шихман В.М., Козинкина А.И. и др. Применение пьезополупроводниковых материалов на основе халькогенгалогенидов сурьмы в качестве активных элементов преобразователей // Тез. докл. 1-й Всесоюз. конф. «Акустическая эмиссия материалов и конструкций». – Ростов-на-Дону, 1984. – Ч.1. – С.63-64.

3.  Трипалин А.С., Шихман В.М., Козинкина А.И.  и др. Акустическая эмиссия при малоцикловых испытаниях сварных тавровых элементов натурных конструкций // Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. – 1985. – Вып.1. – С.89-93.

4.  Трипалин А.С., Шихман В.М., Козинкина А.И. и др.Определение параметров растущих трещин в стальных конструкциях методом акустической эмиссии // Тез. докл. 2-го Всесоюз. симпозиума «Механика разрушения». – Житомир, 1985. – Т.2. – С.50-51.

5.  Козинкина А.И., Павличенко Т.Н., Татаренко Л.Н. Эффективность применения керамических и композиционных пьезоматериалов на основе халькогенгалогенидов сурьмы в системах неразрушающего контроля // Тез. докл. 3-й Всесоюз. конф. «Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоматериалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса». – Москва, 1987. – С. 73.

6.  Трипалин А.С., Татаренко Л.Н., Козинкина А.И. и др. Приемники сигналов АЭ на основе новых композиционных материалов // Тез. докл. 2-й Всесоюз. конф. по акустической эмиссии. – Кишинев, 1987. – С. 85.

7.  Козинкина А.И., Трипалин А.С., Шихман В.М. Пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии // Патент СССР № 1784095 АЗ, Кл. G01 N 29/04, опубл. 23.12.92. – Бюлл. № 47.

8.  Козинкина А.И. Оценка прочности и разрушения металлов по сигналам акустической эмиссии // Тез. докл. 14-й конф. по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» и 3-й школы-семинара «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов».- Воронеж, 1992. – С. 48.

9.  Березин А.В., Козинкина А.И. Акустическая эмиссия слоистых углепластиков при однократном и циклическом нагружении // Тез. докл. 14-й конф. по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» и 3-й школы-семинара «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов».- Воронеж, 1992. – С. 67.

11. Козинкина А.И., Новиков В.А., Землякова Н.В. Анализ прочности и разрушения наклепанной стали по сигналам акустической эмиссии // Техническая диагностика и неразрушающий контроль.– 1993.– №1.– С. 2025.

12. Березин А.В., Козинкина А.И. Акустическая эмиссия слоистых углепластиков при однократном и циклическом нагружении // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1993.– № 4. – С.119-123.

13. Козинкина А.И. Информативность параметров акустической эмиссии при циклических испытаниях натурных конструкций // Тез. докл. науч.-техн. конф. стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций». – Москва, Калининград МО, 1993. – С.116.

14. Bujlo S.I., Kozinkina A.I. Strength and Destructive Diagnostics of Composites by Acoustic Emission // Abstr. of 8-th Internat. conf. “Fracture Mechanics Successes and Problems”.– Kiev, 1993. – Part.2. – P.620-621.

15. Буйло С.И., Козинкина А.И. Связь потока актов акустической эмиссии с кинетикой процесса дефектообразования в гетерогенных материалах // Тез. докл. 13-й науч.-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля». – Санкт-Петербург, 1993. – С.112.

16. Березин А.В., Козинкина А.И. Анализ накопления повреждений в слоистых композитах методом акустической эмиссии с учетом напряженно-деформированного состояния // Тез. докл. 13-й науч.-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля». – Санкт-Петербург, 1993. – С.113.

17. Буйло С.И., Козинкина А.И. Особенности диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов по потоку актов акустической эмиссии // Тез. докл. 14-й Российск. науч.-техн. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика». – Москва, 1996. – С.114.

18. Буйло С.И., Козинкина А.И. К вопросу об оценке накопления повреждений и момента перехода от рассеянного  к локализованному дефектообразованию по восстановленным значениям потока актов акустической эмиссии // Физика твердого тела. – 1996. – Т. 38. - № 11. – С. 3381-3384.

19. Буйло С.И., Козинкина А.И. Особенности диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов по потоку актов акустической эмиссии // Тез. докл. 14-й Российск. науч.-техн. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика». – Москва, 1996. – С.114.

20. Вдовенко К.В., Козинкина А.И., Козинкина Е.А. Определение критериальных характеристик разрушения слоистых композитов на базе данных акустической эмиссии// Труды 2-й Междунар. конф. «Современные проблемы механики сплошной среды». – Ростов-на-Дону, 1996. – Т.3. – С. 3842.

21. Березин А.В., Козинкина А.И. Акустическая эмиссия и прочность слоистых углепластиков при нагружении // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1997. - № 3. – С. 111-119. 

22. Березин А.В., Козинкина А.И. Особенности диагностики повреждений и оценки прочности композитов // Механика композиционных материалов и конструкций.- 1999. - № 1. - С. 99-120.

23. Буйло С.И., Козинкина А.И. Об оценке критерия разрушения на основе акустикоэмиссионных испытаний.– В кн.: Современные проблемы механики сплошной среды. Труды 4-ой Международной конференции, Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ. 1999, с. 65-68.

24. Козинкина А.И. Переходный эффект в кинетике накопления повреждений. // Дефектоскопия РАН.- 1999. - № 9. - С. 95-99.

25. Березин А.В., Козинкина А.И. Физические модели и методы оценки накопления повреждений в твердых телах // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2002. - № 3. - С.115-121.

26. Козинкина А.И. К расчету предела деструкции металлических материалов.- В кн.: Современные проблемы механики сплошной среды. Труды 7-ой Международной конференции, Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002, с. 93-96.

27. Козинкина А.И., Рыбакова Л.М. Особенности кинетики разрушения в оценке надежности и долговечности конструкционных материалов// Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин Сб. трудов Междунар. научно-технич. конфер., посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета, ноябрь 2003 г.- М.: Машиностроение.– 2003. – Т.1.– С.296-300.

28. Козинкина А.И., Рыбакова Л.М. Учет особенностей кинетики разрушения при оценке надежности и долговечности конструкционных материалов // Вестник машиностроения. – 2003. – № 12. – С. 27-29.

29. Березин А.В., Козинкина А.И., Рыбакова Л.М. Акустическая эмиссия и деструкция пластически деформированного металла // Дефектоскопия РАН. –  2004. – № 3. – С. 9–14.

30. Березин А.В., Козинкина А.И. О поведении дефектных упругопластических материалов при деформировании // Механика твердого тела. – 2004. – № 6. – С. 114–120.

31. Козинкина А.И. Проблема оценки повреждаемости в конструкционных материалах // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2005. –№ 1. – С. 56-61.

32. Козинкина А.И. Определение деформационных характеристик материалов с дефектами // Прикладная механика и техническая физика. – 2005. – Т. 46. – № 4. – С. 154–160.

33. Козинкина А.И. Определение точки неравновесного фазового перехода от обратимой повреждаемости к необратимой методом акустической эмиссии //Фракталы и прикладная синергетика. Труды IV-го Междунар. междисциплинарного симпозиума. Москва, 14-17 ноября 2005. – С. 249–250.

34. Козинкина А.И., Рыбакова Л.М., Березин А.В. Оценка степени микроразрушений при деформации металлических материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2006. – Т. 72. – № 4. – С. 39-42.

35. Березин А.В., Козинкина А.И. Особенности повреждений и деформационных характеристик упругопластических материалов // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике: Аннотации докладов. – Нижний Новгород, 2006. – Т. III. – С. 36-37.

36. Козинкина А.И. Характеристики жесткости как параметры деформирования упругопластических материалов с дефектами // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2006. – № 4. – С. 68-71.

37. Березин А.В., Козинкина А.И. Способ измерения концентрации дефектов при пластическом деформировании материалов в процессе силового воздействия // Патент РФ № 2298785, МПК G01 N 29/14.

38. Kozinkina A.I., Berezin A.V. Damage evolution in the constructional materials and its evaluation by acoustic emission method // Engineering & automation problems. – 2008. – N 1. – P. 75–78.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.