Акустическая эмиссия. Изучение акустического излучения металлами при механической деформации

Известно, что потеря несущей способности различных конструкций наступает в результате накопления необратимых изменений в материале этих конструкций. Данный процесс накопления развивается во времени (является кинетическим), а скорость его определяется, в первую очередь, структурой материалов и напряжениями, обусловленными нагрузкой и температурой. Особое влияние на процесс разрушения оказывают дефекты структуры, присущие всем материалам на микро-, мезо- и макроуровнях. Для выявления этих дефектов используются разнообразные методы неразрушающего контроля: капиллярные, оптические, магнитные, радиационные и другие. Допустимость эксплуатации изделий по данным традиционных методов контроля основана на статистической обработке результатов испытаний образцов и изделий. Информация, получаемая традиционными методами неразрушающего контроля, является статистической, и её использование в системах мониторинга (непрерывного контроля) и прогнозирования крайне затруднительно, если вообще возможно. С этих позиций наиболее перспективным представляется метод акустической эмиссии (АЭ), поскольку явление акустической эмиссии сопровождается и является отражением всех физико-механических процессов, происходящих в материале под действием статических и динамических видов нагружения. Следует отметить, что, несмотря на множество проблем, возникающих при использовании метода акустической эмиссии, в настоящее время он является единственным методом, который используется для слежения за развитием дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга объектов. Характерными особенностями метода АЭ, определяющими его широкие возможности при проведении контроля, являются:

·  обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени опасности;

·  возможность выявлять приращение трещины на десятые доли миллиметра, что определяет высокую чувствительность метода;

·  возможность контроля объекта с использованием одного или нескольких преобразователей вследствие интегральности;

·  меньшее количество ограничений, связанных со структурой и свойствами метариалов, чем при использовании других методов неразрушающего контроля;

·  положение и ориентация дефектов не влияет на их выявляемость.

1.1 Акустическая эмиссия при деформации и других видах воздействия

Различные физические воздействия (механические, тепловые и др.) могут привести к локальным изменениям структуры материала, что и является источником акустической эмиссии. Рассмотрим некоторые возможные механизмы образования этого явления.

Одной из форм деформации кристаллов является двойникование и заключается в повороте узлов решетки одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Переход решетки в новое состояние происходит скачкообразно с большой (околозвуковой) скоростью, что приводит к появлению упругих волн деформаций. Причиной появления упругих волн являются также скачкообразные перемещения дислокаций по линиям скольжения. Движение дислокаций в этих случаях происходит в направлении границ зерен. На границах зерен может концентрироваться достаточно большое количество дислокаций, образуя микротрещины.

Опыт и расчеты показывают, что для образования исходной для развития трещины достаточно перемещения и слияния 300 дислокаций. Повышение деформирующих кристалл усилий и наличие концентрации напряжений в устье такой микротрещины приводит к ее дискретному росту, сопровождающемуся излучением волн.

При механическом или тепловом воздействии на материал, находящийся в твердом состоянии, в нем могут происходить фазовые превращения. Превращения мартенситного типа представляют собой сдвиговые коллективные перемещения атомов и, как правило, сопровождаются изменением формы.

При этом процессе наблюдается импульсное воздействие превращенной структуры на окружающую среду, что вызывает появление в материале механических волн. Пластическое деформирование материалов происходит также скачкообразно, что наблюдается обычно на диаграммах, записываемых аппаратурой при разрушении образцов. Изучение этого явления показывает, что для некоторых материалов лавина скачков приводит к кратковременному приросту абсолютной деформации за короткий промежуток времени. Механизм этого явления с дислокационных воззрений объясняется следующим образом. При движении дислокаций во время пластического деформирования материала происходит местная задержка их у различных препятствий. Самопроизвольное либо инициированное преодоление дислокациями таких препятствий приводит к быстрым местным сдвигам, сумма которых дает обычно наблюдаемый деформационный скачок. Таким образом, происходит динамическое перераспределение деформаций и напряжений, что порождает в материале механические волны.

Перечисленные механизмы не исчерпывают, очевидно, всех причин возникновения волн напряжений в твердых телах при деформировании.

Однако все они обладают общими признаками, позволяющими следующим образом сформулировать понятие акустической эмиссии (АЭ): акустическая эмиссия — процесс излучения распространяющихся в материале волн возмущений, вызванных динамической локальной перестройкой структуры материалов под действием внутренних напряжений, приводящих к изменению кристаллической решетки или движению микро- и макродефектов. При достижении поверхности тела эти волны вызывают смещения точек поверхности, что может быть зарегистрировано соответствующей аппаратурой.