Совершенствование методов контроля качества упрочняющих технологий на основе многоуровневой модели потока импульсов акустической эмиссии
Существующая проблема. Существующие методы неразрушающей оценки качества упрочняющих технологий можно классифицировать с точки зрения вида контролируемого сигнала и связи его с процессами, определяющими ресурс материала. Из-за низкой чувствительности активных методов контроля к масштабному фактору, первичные параметры, регистрируемые методами прохождения и отражения вводимых извне волн, неоднозначно связаны с прочностными характеристиками и процессом накопления повреждений. Данная группа методов регистрирует сигналы, которые главным образом связанны с отражательной способностью крупных структурных элементов, которые не всегда определяют прочность содержащего их материала. Поэтому, необходим переход от контроля пространственных характеристик структурных элементов, связанных с их формой, размерами, ориентацией в пространстве, к временным прочностным характеристикам, которые определяют интенсивность процесса накопления повреждений в материале и его ресурс.
Идея работы. Перспективными являются методы излучения, так как они основаны на регистрации параметров волн, которые связаны с процессом повреждения материала. К таким неразрушающим методам относятся электромагнитная (ЭМЭ) и акустическая эмиссии (АЭ). Воздействие упрочняющих технологий на материал влияет на неоднородность прочностного состояния, например, из-за перераспределения внутренних напряжений, что сказывается на информативности методов контроля по отношению к ресурсу. Из-за этого возникает основная проблема АЭ контроля, которая связана со сложностью интерпретации и количественного увязывания результатов регистрации сигналов АЭ с характеристиками прочности и ресурса. Контроль прочности объектов, подверженных сложному влиянию упрочняющих технологий становится существенно неопределённым, поэтому корректный и адекватный контроль таких объектов становится сложной актуальной задачей. В данной работе предлагается один из вариантов решения проблемы на основе установления связи результатов обработки акустико-эмиссионного диагностирования с параметрами состояния объекта контроля.
Детали исследования. В качестве решения проблемы предлагается многоуровневая модель потока импульсов АЭ, опирающаяся на микромеханику разрушения, кинетическую концепцию прочности и статистические закономерности упругого излучения. Характеристики прочности и параметры АЭ конструкционных материалов зависят от результата конкуренции одновременно протекающих в материале процессов разрушения и пластического деформирования структурных элементов.
Модель параметров потока сигналов акустической эмиссии, объединяет статистический и физический подходы к диагностированию, позволяет дополнительно получить снижающие неопределённость прочностных свойств сведения на макро-, микро-, и нано-уровнях прочностных исследований для осуществления обоснованного выбора диагностических АЭ показателей. Математическая модель при однородном разрушении:
$$N_{\Sigma}(t)=k_{AE}C_{0}KT\times exp\left[\frac{\gamma \sigma t-U_{0}}{KT} \right]/\left(\tau _{0}\gamma \sigma \right)$$
где N∑ – число импульсов АЭ; kAE – акустико-эмиссионный коэффициент; C0 – начальная концентрация структурных элементов в материале до разрушения; K – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; γ – активационный объем;
σ=σt – растягивающие напряжения на структурном элементе; σ – скорость роста напряжений; t – текущее время; U0 – энергия активации; τ0 – период атомных колебаний.
Логарифмируя описанную модель по времени (t), напряжениям (σ) и коэффициенту нагрузки (KH) при корректном (kAE = const) нагружении, модель позволяет сформулировать концентрационно-кинетические критерии (критерии качества упрочняющих технологий):
АЭ критерий качества | Способ определения | Размерность |
XAE | $$X_{AE}=\frac{d}{dt}ln\left(N_{\Sigma }(t) \right)=\frac{\gamma \sigma }{KT}$$ | C-1 |
YAE | $$Y_{AE}=\frac{d}{d\sigma }ln\left(N_{\Sigma }(t) \right)=\frac{\gamma}{KT}$$ | Па-1 |
WAE | $$W_{AE}=Y_{AE}\sigma _{p}=\frac{d}{dK_{H}}ln\left(N_{\Sigma }(t) \right)=\frac{\gamma\sigma _{p}}{KT}=\omega$$ | - |
где XAE, YAE, WAE - концентрационно-кинетические критерии; σр – рабочие напряжения; ω – показатель прочностного состояния структурного элемента.
В качестве объекта контроля были выбраны сварные соединения, как наиболее уязвимые элементы конструкций, работающих при длительных циклических нагрузках. Кривые усталости сварных соединений показывают различия влияния зоны сварного соединения на сопротивление длительным циклическим нагрузкам и краткосрочным разрушающим, что сказывается на зависимостях кривых усталости. Ресурс длительно работающих при низких напряжениях объектов ограничивается сварным швом. Поэтому необходимо контролировать разрушение структурных элементов сварного соединения, отвечающих за ресурс.
Апробация предложенного подхода происходила на примере оценки качества упрочнения плоских стальных образцов со сварным соединением. Пластины были изготовлены из материала сталь 3 с габаритными размерами 150х25х4 мм. Сварное соединение выполнялось с помощью полуавтоматической сварки и располагалось с двух сторон в середине образца. Образцы были поделены на 4 группы и обработаны тремя видами упрочняющих технологий, среди которых термообработка, ультразвуковая обработка и конструктивное упрочнение, связанное с выполнением фасок.
Для создания напряженно-деформированного состояния использовалась испытательная машина Zwick/Roell Z100, осуществляющая равномерное растяжение стальных образцов с регистрацией сигналов АЭ.
В результате эксперимента был получен массив данных АЭ, при обработке которого определялись средние значения критериев качества упрочняющих технологий, числа импульсов, амплитуды, MARSE, активности на этапе однородного разрушения в зоне упругих деформаций. Полученные значения сравнивались с числом циклов до разрушения образцов сварных соединений в процессе усталостных испытаний, которые были получены на схожих образцах из того же материала с использованием тех же упрочняющих технологий со схожими режимами обработки.
Тип УТ / Среднее значение параметра | Необработанные образцы | Ультразвуковая обработка в зоне сварного соединения | Наличие фаски | Термообработка | Коэффициент корреляции с количеством циклов до разрушения |
XAE, С-1 | 0,066 | 0,054 | 0,036 | 0,024 | -0,992 |
YAE, МПа-1 | 0,0049 | 0,0042 | 0,0028 | 0,0012 | -0,999 |
WAE | 0,548 | 0,349 | 0,26 | 0,152 | -0,934 |
MARSE, мВ2·мс | 121011 | 139038 | 234456 | 243607 | 0,993 |
Число импульсов | 236 | 307 | 472 | 559 | 0,982 |
Амплитуда, мВ | 58,2 | 59,5 | 57,7 | 58,6 | 0,055 |
Активность | 7,8 | 9,9 | 15,7 | 18,6 | 0,995 |
Количество циклов до разрушения из | 2951 | 4246 | - | 10399 | - |
Из таблицы видно, что термообработанные образцы имеют наибольшее значение числа импульсов, активности и параметра MARSE, что говорит об высоком количестве шумов и невозможности оценить качество упрочняющих технологий с помощью этих параметров. Кроме того, данные параметры имеют положительную корреляцию с ресурсом, что противоречит их физическому смыслу. Однако предложенные критерии оценки качества позволяют оценить упрочняющие технологий с учетом влияния шумов, что доказывает их стойкость к дестабилизирующим факторам. Отрицательное значение коэффициента корреляции критериев оценки качества с значением ресурса соответствует всем ранее полученным результатам, что также показывает устойчивость связи, что невозможно сказать про традиционные критерии, в том числе и MARSE.
Заключение. В результате проделанной работы на примере сварных соединений предложена модель для оценки качества упрочняющих технологий. По итогам проделанной работы сделаны следующие выводы:
- Предложенная в работе многоуровневая модель параметров АЭ, позволяет оперативно оценивать качество упрочняющих технологий.
- Упрочнение происходит там, где уменьшаются значения концентрационно-кинетических показателей прочности (XAE, YAE, WAE). Чем меньше значение показателей, тем выше показатель упрочнения, качественнее упрочняющая технология.
- Повышенная АЭ активность упрочнённых термообработанных образцов говорит о низкой информативности традиционно применяемых статистических показателей для оценки качества упрочняющих технологий.