УДК 620.179.16

ОЦЕНКА РАССЕЯННОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

¹Физико-механический институт имени Г.В. Карпенко НАН Украины,

Украина 79053 Львов. ул. Науковая, 5

Е-mail: *rostyk.romanyshyn@gmail.com^**romanyshyn@ipm.lviv.ua

Поступила в редакцию 01.06.2018; после доработки 31.08.2018;

принята к публикации 07.09.2018

Рассмотрены методы оценки рассеянной поврежденности материалов. Одними из наиболее технологических ме-

тодов оценки рассеянной поврежденности материалов на мезоуровне (размера длины зондирующей волны) являются

ультразвуковые на основе регистрации обратнорассеянного ультразвукового сигнала. Приведено описание методов опре-

деления рассеянной поврежденности в объеме материала на основе сканирования поверхности объекта прямым раздель-

но совмещенным пьезопреобразователем, регистрации и статистической обработки обратнорассеянного сигнала в виде

А-скана, построения пространственного распределения сечения обратного рассеяния в виде В-скана или томографиче-

ского изображения, оценки поврежденности в объеме материала на основе относительного изменения сечения обратного

рассеяния или «неупорядоченности» его пространственного изображения.

Ключевые слова: рассеянная поврежденность, ультразвуковой обратнорассеянный сигнал, статистическая обработка.

DOI:10.1134/S0130308219020039

Актуальной задачей диагностики является оценка рассеянной поврежденности (деградации)

материала в преддефектном состоянии [1]. Обычно поврежденность материала связывают с воз-

никновением микродефектов (микропор, микротрещин), их объединением вплоть до возникнове-

ния макродефекта [2—9].

ПАРАМЕТР РАССЕЯННОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ РАБОТНОВА — КАЧАНОВА

Для количественной оценки рассеянной поврежденности материала Ю.Н. Работновым пред-

ложен параметр D (в оригинале ω), представляющий собой площадь трещин (пор) на единицу

площади поперечного сечения в данный момент времени [10, 11]

(

−S

)

(1)

где S₀ — площадь поперечного сечения неповрежденного материала; S— «эффективная площадь»

этого сечения (за исключением суммарной площади повреждений); S₀ - S — площадь поврежде-

ний. Параметр поврежденности является чисто геометрической характеристикой текущего состоя-

ния и его изменение определяется свойствами материала и историей внешнего нагружения.

Для неповрежденного материала D = 0, с возрастанием поврежденности D стремится к 1.

В момент разрушения t = T, D = 1.

Для оценки поврежденности Л.М. Качановым [12] предложен структурный параметр сплош-

ности ψ, который характеризует микродефектность структуры. При отсутствии поврежденности

ψ = 1, с возрастанием поврежденности ψ стремится к нулю. Можно считать, что D = 1 - ψ.

Имеются различные интерпретации поврежденности, которые связаны с определением по-

врежденности (1), хотя иногда их используют в качестве определения поврежденности или ее

признака [13].

Одна из интерпретаций поврежденности касается уменьшения сопротивляемости образца рас-

тяжению. При оценке поврежденности на основе отношения «поврежденной» (площади микропор,

микротрещин, микродефектов) к общей (начальной) площади поперечного сечения (1) увеличение

поврежденности происходит за счет увеличения относительной «поврежденной» площади. При

этом происходит относительное уменьшение эффективной площади поперечного сечения, которая

реально несет растягивающую нагрузку и определяет сопротивляемость образца растяжению, что

приводит к уменьшению сопротивляемости образца растяжению

Другая интерпретация касается сокращения упругого отклика тела с ростом поврежденно-

сти. Это тоже связано с тем, что при увеличении поврежденности D уменьшается эффективная

площадь, которая передает внешние усилия от одной части тела к другой, что, в свою очередь,

Р.И. Романишин, И.М. Романишин

приводит к повышению среднего напряжения в сечении при внешнем нормальном напряжении σ₀

в соответствии с выражением [10]

σ = σ₀/ (1 - D)

(2)

(0 < D < 1) и сокращению упругого отклика тела с ростом поврежденности.

ЭВОЛЮЦИОННОЕ УРАВНЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ

Для прогноза ресурса безаварийной работоспособности изделия на основе рассеянной повреж-

денности необходимо эволюционное уравнение поврежденности вида [14]

f P,D),

(3)

где D — параметр поврежденности материала; P — величина нагрузки.

Как правило, для неповрежденного материала

(4)

t=0

критерий разрушения находят из условия

D₌T

(5)

Правую часть (3) в основном определяют на основе экспериментальных данных.

Известны общие подходы для получения (3), один из таких базируется на законе сохранения

массы [14].

При этом эволюционное уравнение поврежденности получают в виде логистического уравнения

(

1−

)

(6)

Решением этого уравнения является логистическая кривая

D t)=

∗

(7)

(

−1

)

Расчет остаточного ресурса производится на основе определения времени достижения задан-

ной поврежденности из уравнения (7).

Отметим два момента при рассмотрении оценки поврежденности на основе закона сохранения

массы: во-первых, поврежденность D_* рассматривается как объем микроповреждений (микропор,

микротрещин и т.д.) на единицу объема (по Работнову — Качанову поврежденность — площадь

пор на единицу площади); во-вторых, представление локальной текущей плотности через пара-

метр поврежденности

(7) приводит к следующему соотношению:

ρ-ρ

(

−

)

−ρ

δρ =

=-D

(8)

Отметим, что выражение

ρ-ρ

δρ =

(9)

является относительным изменением плотности материала, которое в технической диагностике на-

зывается «дефектом плотности» и используется при диагностике поврежденности материала [5, 6].

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

Для оценки поврежденности материала, кроме относительного изменения плотности, исполь-

зуют относительные изменения других параметров, которые чувствительны к накоплению повреж-

Дефектоскопия

№ 2

2019

Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов

дений, в [5] введен обобщенный параметр в виде относительного изменения некоторого параметра,

чувствительного к повреждаемости

∆W

=1−Π

(10)

где П_d — параметр для материала с накопленным повреждением; П₀— параметр для материала

без повреждений.

К параметрам, чувствительным к накоплению повреждений, относят плотность, модули упру-

гости, акустоэмиссионные параметры [6].

При этом словосочетания «дефект плотности», «дефект модуля упругости» подразумевают от-

носительное изменение рассматриваемого параметра из-за поврежденности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ

ПОР

Для оценки структурной поврежденности одним из наиболее информативных является метод

определения объемной плотности металла [7]. Сущность его заключается в сопоставлении плот-

ности металла в исходном состоянии, когда практически поры в нем отсутствуют, после различных

сроков эксплуатации и в момент разрушения. Критерием поврежденности металла считают отно-

шение объема пор в момент времени V_t к объему пор в момент разрушения V_p

Принято, что в исходном состоянии поврежденность материала D_p= 0, в момент разрушения

D_p= 1.

Объемная доля пор в металле в момент времени t рассчитана по формуле

где ρ0 — плотность металла в исходном состоянии; ρ_t

— в момент времени t.

Накопление дефектов в металле (пористость) приводит к естественному снижению его плот-

ности, поэтому одним из простых и физически обоснованных методов исследования поврежденно-

сти является прецизионное взвешивание. Практика показывает, что в этом случае для определения

плотности металла методом гидростатического взвешивания необходима точность до ±0,0001 г на

образцах-вырезках от 5 до 20 г.

Плотность исследуемого металла определяется по формуле

Pρ

−

где ρ₁, ρ2 — плотность воздуха и воды при данной температуре и давлении (справочные данные);

Р₁, Р₂ — масса образца в воздухе и в воде.

Полученную величину плотности исследуемого металла нужно сопоставить с плотностью его

в исходном состоянии и в момент разрушения. Так, плотность стали 12Х1МФ в исходном состо-

янии составляет 7,835 г/см³, а в момент разрушения — 7,778 г/см³, то есть дефект плотности при

разрушении стали составляет всего 1-1,25 %, что требует обеспечения указанной высокой точно-

сти при проведении эксперимента.

Для расчета остаточного ресурса металла используют эмпирическую зависимость относитель-

ного времени до разрушения t/t_pот величины поврежденности D_p= 0

t t

(

Dρ

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКИМИ (УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ) МЕТОДАМИ

Среди неразрушающих методов оценки рассеянной поврежденности наиболее перспективны-

ми являются ультразвуковые (УЗ). Традиционно они базируются на измерении затухания и скоро-

сти распространения УЗ волны.

Дефектоскопия

№ 2

2019

Р.И. Романишин, И.М. Романишин

Основным информативным параметром при ультразвуковой диагностике металлов является

скорость распространения разных типов УЗ волн [15]. При малых деформациях плотность счи-

тают постоянной [16] ρ = const. В пределах упругой деформации σ = Eε (|ε| ≤ ε₀, модуль Юнга

E = const, ε₀ соответствует границе упругости) скорость продольной волны является постоянной

c = E ρ = const. При пластической деформации (σ = σ (ε) — зависимость между напряжением

и деформацией, для которой в соответствии с экспериментальными данными 0 < dσ dε < E при

1dσ

|ε| > ε₀) скорость продольной волны

уменьшается.

dε

Зависимость скорости от напряжений описывается в рамках нелинейной с физической точки

зрения теории упругости (степенная нелинейность закона Гука) [17]. Относительные изменения

скорости при диагностике напряжений составляют сотые доли процента, а при диагностике струк-

турных изменений — десятые доли [15].

Изменения скорости распространения и затухания УЗ волн применяют для экспериментальной

оценки поврежденности [18—20].

В [21—24] исследуется влияние поврежденности на распространение упругих волн на основе

уравнения

∂

∂u

−

-S

(

z-b

)

−

(

z-b

)

β

∂z

∂t

где u — перемещение материала стержня в направлении оси z; с₁— скорость распространения

волны в неповрежденном материале;

(

z-b

)

−S

(

z-b

)



описывает локально распределен-

S

ную поврежденную область структуры в стержне; [

]

— координаты поврежденного участка;

β — коэффициент сопротивления поврежденной области.

Полученные исследования влияния поврежденности на распространение акустической волны

можно использовать для решения обратной задачи — оценки поврежденности на основе измере-

ния параметров акустической волны.

Рассмотрена самосогласованная задача оценки поврежденности материала в процессе дефор-

мации на основе уравнений поврежденности и теории упругости [13].

Как правило, в механике деформируемого твердого тела задачи динамики рассматривают от-

дельно от задач накопления. При этом принято заранее постулировать, что скорость упругой волны

является заданной функцией поврежденности, и определять коэффициенты пропорциональности.

Поврежденность материала привносит частотно-зависимое затухание и дисперсию фазовой

скорости УЗ волны, что позволяет оценивать поврежденность акустическим методом.

За меру повреждаемости в процессе развития деформации принимается скалярный параметр

D(x, t), который характеризует относительную плотность равномерно рассеянных в единице объ-

ема микродефектов. Этот параметр равен нулю, когда повреждений нет, и близок к единице в мо-

мент разрушения.

Фазовая скорость v_ph и затухание считаются степенными функциями частоты ω и линейными

функциями повреждаемости D:

v ω)

(

)

;

−h

D-h

Dω

α ω)=

(

)

где

= E ρ

— скорость продольной волны в материале стержня без повреждений; h_1-4—

коэффициенты, которые необходимо экспериментально определять.

Эволюция поврежденности описывается кинетическим уравнением

^ψ= σ

где σ — внешнее действующее напряжение.

Функция f(σ,ψ) чаще всего аппроксимируется линейной зависимостью, иногда — полиноми-

альной.

Уравнение распространения продольной волны в стержне с учетом поврежденности [13]

∂

∂ψ

−

=β

(11)

∂t

∂

Дефектоскопия

№ 2

2019

Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов

дополняется уравнением развития поврежденности в виде

∂ψ

∂u

+ αψ = β₂E

(12)

∂t

∂x

где u(x, t) — перемещение частиц срединной линии стержня; α, β₁, β₂ — константы, характеризую-

щие поврежденность материала и связь циклических процессов и процессов накопления повреж-

дений.

Самосогласованная динамическая задача оценки поврежденности материала акустическим ме-

тодом состоит в отыскании решения систем (11) и (12). В результате получают зависимости скоро-

сти распространения и затухания от частоты и параметров поврежденности [13].

Наличие поврежденности приводит к дисперсии, то есть зависимости фазовой скорости про-

дольной волны от частоты, и частотно-зависимому затуханию. Экспериментальные исследования

подтверждают, что такие частотные зависимости характерны для многих конструкционных мате-

риалов. В низкочастотном диапазоне волна распространяется практически без затухания. С воз-

растанием частоты затухание возрастает и становится величиной одного порядка с постоянной

распространения.

В [25—28] рассмотрена одномерная обратная акустическая задача по восстановлению распре-

деления отражателей (дефектов, рассеивателей) по дальности на основе регистрации эхосигналов

в виде А-скана и применения обращения свертки с учетом дисперсии скорости и затухания.

АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НА ОСНОВЕ «НЕКЛАССИЧЕСКОГО» ПРОЯВЛЕНИЯ

МИКРОСТРУКТУРНО-ОБУСЛОВЛЕННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ

В 70-х годах ХХ в. получены первые экспериментальные свидетельства того, что в процессе

накопления усталостных повреждений изменение микроструктуры металла может проявляться в

многократном росте акустической нелинейности [29]. При этом может иметь место качественная

модификация нелинейных эффектов. Такие данные накоплены для широкого класса сред: метал-

лы с усталостными или термическими повреждениями структуры, горные породы, искусственные

материалы (в том числе композиты) с трещиноподобными дефектами и расслоениями или меж-

зеренными контактами, нанокристаллические металлы, зернистые среды. Высокая «структурная

чувствительность» акустической нелинейности часто наблюдается уже на самой начальной стадии

повреждения материала при еще почти неизменных величинах линейных упругих модулей. На

этой стадии традиционные линейные методы на основе изменения скоростей упругих волн еще не

позволяют выявить и оценить поврежденность металла.

Причиной сильного возрастания акустической нелинейности микронеоднородных сред в боль-

шинстве случаев является наличие в структуре среды компонент с резко контрастирующими ли-

нейными упругими свойствами. Причем размер мягких включений-дефектов мал по сравнению с

длиной упругой волны, а также мала концентрация этих включений.

Характерным примером таких контрастно-мягких дефектов являются, например, трещины. Тре-

щина за различными известными моделями может быть полностью закрыта сжимающим напряже-

нием, создающим в окружающем материале среднюю деформацию, примерно равную отношению

величины раскрытия трещины d к ее диаметру L. Это означает, что трещина приблизительно в L/d раз

мягче окружающего материала-матрицы. Типичные значения d/L весьма малы и составляют 10^-3-10^-5.

Другим примером являются межзеренные контакты, которые вследствие своей малой площади

касания во много раз более сжимаемы, чем материал в объеме зерен.

Скопления дислокаций по границам зерен поликристаллов значительно более податливы по от-

ношению к тангенциальным нагрузкам, чем окружающие области с более однородного материала.

Отметим, что описанные контрастно-мягкие включения (трещины, межзеренные контакты,

скопления дислокаций) являются рассеивателями ультразвука.

Для выяснения связи между направлением рассеивания и структурой рассеивателя использу-

ωt

ем приближение Борна. Для распространения гармонических волн

p x t)=

(

p x ej

справедливо

уравнение Гельмгольца [30]

∇ p x)+kp =

(x)

(

)

(13)

где p — давление; k — волновое число; S (x) — источник (функция объекта).

Решением (13) в борновском приближении будет рассеянное поле от источника рассеивания в

объеме V₀

Дефектоскопия

№ 2

2019

Р.И. Романишин, И.М. Романишин

jkr

−

jKx

(r)

≈

(

)

∫

(14)

4πr

где r — расстояние между рассеивающим объемом и точкой наблюдения; P₀ — амплитуда падаю-

щей волны; K — вектор рассеивания, равный разнице между волновыми векторами падающего и

рассеянного поля, то есть определяется направлением наблюдения рассеянного поля

K=k

−k

inc

(15)

Выражение (14) можно рассматривать как пространственное преобразование Фурье функции

объекта S(x). При наблюдении рассеянного поля под разными углами видны разные характеристи-

ки объекта в K-пространстве. Например, рассеивание вперед соответствует направлению рассеива-

ния, которое совпадает с направлением падающей волны. Тогда

K ≈ 0.

(16)

Таким образом, рассеянное поле в направлении распространения соответствует низким (около

нуля) значениям в K-пространстве объекта. Это означает, что оно в направлении распространения

несет информацию о характеристиках объекта, больших за длину волны, поскольку волновой век-

тор является обратно пропорциональным длине волны.

В направлении обратного рассеивания имеем

K≈-2kk

(17)

inc

Это означает, что обратное рассеивание несет информацию о высших пространственных часто-

тах объекта рассеивания, что соответствует меньшим структурным элементам.

Таким образом, обратнорассеянный сигнал является более чувствительным к малым дефектам

и включениям, чем прямое рассеивание.

Длина ультразвуковой волны частотой 5 МГц и выше в металле (скорость распространения

продольной волны — приблизительно 5000 м/с) составляет 1 мм и менее. Это означает, что этим

зондирующим полем можем исследовать концентрацию пор линейным размером 1 мкм, равную

10⁹ мм^-3 и более, что соответствует поврежденности металла, превышающей 10 %.

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОБРАТНОРАССЕЯННОГО

СИГНАЛА

Одним из наиболее информативных сигналов о рассеянной поврежденности материалов явля-

ется рассеянный ультразвуковой сигнал, который рассматривался ранее как «структурный» шум

[31, 32].

Одной из первых работ, в которой приведены экспериментально зарегистрированные осцило-

граммы обратнорассеянного сигнала на образцах с водородной поврежденностью, является [18].

Ее авторы утверждают, что во всех предыдущих работах по оценке влияния водородной повреж-

денности ультразвуковыми методами они ограничивались измерением скорости и затухания, об-

ратное рассеивание не использовалось. Его применяли для определения размера зерна в неразру-

шающем контроле. Как следует из [18], амплитуда обратнорассеянного сигнала на частоте 10 МГц

в результате водородной поврежденности возрастает в 7—12 раз.

Теоретическим вопросам, ультразвуковым и информационным технологиям применения об-

ратнорассеянного сигнала в технической диагностике материалов посвящены работы Центра не-

разрушающего контроля Университета Iоwа [33—35], определению размера зерна на основе ре-

гистрации обратнорассеянного сигнала — [36—40], выявлению особенностей распространения

акустических волн в металлах с микродефектами различного типа на основе экспериментальных

методов доплеровской лазерной интерферометрии — работы Ю.В. Житлухиной (Корх) [41], опре-

делению высших статистик размера зерна на основе статистик обратнорассеянного сигнала — [42],

разработке ультразвуковых технологий выявления и различения пор, сульфидов, оксидов на основе

обработки обратнорассеянного сигнала — [43], ультразвуковому исследованию поврежденности

сталей (на примере водородной поврежденности) — [19]. Обзор методов выявления и оценивания

наводороженности в сталях приведен в [20], В-сканы поврежденного наводораживанием материа-

ла на основе сканирования объектов при помощи ультразвуковой решетки — в [44].

Дефектоскопия

№ 2

2019

Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ В ОБЪЕМЕ МАТЕРИАЛА

НА ОСНОВЕ ОБРАТНОРАССЕЯННОГО СИГНАЛА

Экспериментальные исследования эксплуатируемых объектов свидетельствуют о перспектив-

ности использования обратнорассеянного сигнала для оценки поврежденности сталей и сплавов,

который возрастает в разы (на примере водородной поврежденности). В то же время в литературе

приведены только качественные результаты. Обратнорассеянный сигнал, как правило, слабый, шу-

моподобный (и зашумленный). Кроме того, его уровень зависит от уровня зондирующего сигнала,

акустического контакта, усиления приемного тракта, аппаратурных помех, затухания в процессе

распространения и др. Поэтому актуальной является разработка информационной технологии об-

работки обратнорассеянного сигнала, которая бы учитывала все эти факторы.

Авторами разработан метод оценки поврежденности на основе регистрации обратнорассеян-

ного сигнала [45—47].

Предварительная обработка зарегистрированного прямым раздельно совмещенным пьезопре-

образователем ультразвукового сигнала в виде А-скана обеспечивает учет технических характери-

стик передаточно-приемного тракта, в частности частоты зондирования и дискретизации, разряд-

ности АЦП, постоянной составляющей (или низкочастотного тренда). На этом этапе проводится

выделение информативной части зарегистрированного сигнала, которая соответствует рассеянию

по пути первого распространения зондирующего сигнала от ультразвукового преобразователя к

отражающей донной поверхности, а во временной области — от конца импульса, отраженного от

границы призма — металл, к началу первого донного отраженного сигнала.

При распространении высокочастотного (10 МГц) зондирующего ультразвукового сигнала в мате-

риале происходит амплитудная модуляция сигнала неоднородностями материала и, в первую очередь,

поврежденностью. Поэтому для определения ее уровня необходимо провести демодуляцию сигнала.

reg

Пусть имеем зарегистрированную реализацию А-скана

,i= 1, ..., N,

где N — общее

количество отсчетов; s_i — обратнорассеянный сигнал; n_i — аддитивная шумовая составляющая

(аппаратурные шумы), от которой избавляются путем многократной регистрации и усреднения ре-

ализаций; K — количество зарегистрированных реализаций в одной «точке» (для усреднения и

устранения аппаратурных шумов)

reg

=1, ...,N

→0,K→∞

(18)

На первом этапе проводим демодуляцию зарегистрированного сигнала

∆

n=i+



−



∑





(19)

∆

t n=i-







∆





∆



Ω

где

Int

, ..., N -Int

∆

Int

— длительность зондирующего импульса (в отсче-

























тах); f — частота зондирования (10 МГц); Ω — частота дискретизации (Ω = 68 МГц); N — длитель-

ность реализации в отсчетах (N = 2¹¹); s_n — n-й отсчет зарегистрированного сигнала; s⁰ — постоян-

ная составляющая (s⁰ = 512); A — размах сигнала для заданной разрядности АЦП (A = 2¹⁰ = 1024).

Следует заметить, что приведенное детектирование является вычислением автокорреляцион-

ной функции шумоподобного модулированного сигнала при нулевой задержке и является энерге-

тической характеристикой (дисперсией) сигнала.

Усреднение интенсивности на периоде несущей обеспечивает практически отсутствие погреш-

ности автокорреляции из-за «урезания» данных [48].

Для приведения каждой «точки» пути распространения сигнала в одинаковые условия («еди-

ничного зондирующего сигнала») необходимо провести нормирование отсчетов [45]

pr*



i-1







i_H

+∆

∑ Sn

(20)



n=i

−∆



1−

∑



+∆



n=i

−∆





∑





n=i

−∆





Дефектоскопия

№ 2

2019

Р.И. Романишин, И.М. Романишин

В результате получим оценку сечения обратного рассеяния вдоль пути распространения зонди-

рующего сигнала [49].

Интегральным информативным параметром поврежденности материала в «точке» регистрации

обратнорассеянного сигнала может служить дисперсия обратнорассеянного сигнала (усредненное

на промежутке [N₁, N₂] значение интенсивности)

N₂

Disp

∑

(21)

i=N

а также ее размах. Здесь промежуток [N₁, N₂] соответствует обратнорассеянному сигналу, то есть N₁ —

конец импульса, отраженного от границы призма — металл; N₂— начало донного отраженного сигнала.

Известно, что традиционные параметры случайной величины — среднее значение и диспер-

сия — являются неустойчивыми оценками положения и масштаба [50, 51], т.к. сильно зависят от

выбросов. В этом случае значительно более устойчивой оценкой положения является медиана [51,

52]. Адекватным аппаратом для оценки интенсивности обратнорассеянного сигнала и его размаха

являются диаграммы box-plot [53].

Разработана технология подбора минимального значения усиления для корректной регистра-

ции обратнорассеянного сигнала [45]. Итак, вначале выставляем максимальное усиление, при ко-

тором зарегистрированный сигнал не зашкаливает (определяется в основном разрядностью АЦП),

строим диаграмму box-plot и определяем медианное значение для нормированной интенсивно-

сти (20), уменьшаем усиление и повторяем регистрацию сигнала, построение диаграмм box-plot,

определение медианного значения нормированной интенсивности до тех пор, пока ее медианное

значение не начнет изменяться (возрастать), что означает доминирование в зарегистрированном

сигнале шумов другой природы над обратнорассеянным сигналом. Таким образом, определяем

минимальное значение усиления для «корректной» регистрации обратнорассеянного сигнала на

основе критерия незначительного изменения медианного значения нормированной интенсивности

при поочередном уменьшении усиления.

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ В ОБЪЕМЕ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ

«НЕУПОРЯДОЧЕННОСТИ» ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ

В [54] рассмотрены статистические подходы к оценке поврежденности материала, определе-

нию ее пространственных и временных параметров.

Методы на основе статистической обработки результатов многократного измерения твердости

материала [4, 55] дают интегральную оценку степени деградации материала в определенный мо-

мент. Акустоэмиссионный подход [5, 6] позволяет оценить динамику развития структурных из-

менений, однако, как правило, не дает возможности получить оценку степени деградации в объ-

еме материала (например, по толщине трубопровода). Метод на основе статистического анализа

томографических изображений пространственного распределения рассеивающей способности в

объеме материала при зондировании ультразвуковыми волнами и регистрации обратнорассеянного

сигнала позволяет оценить степень деградации в объеме материала [56—59].

Разработан ультразвуковой метод оценки поврежденности материала на основе регистрации

обратнорассеянного сигнала, формирования сферических проекций сечения обратного рассеяния,

томографической реконструкции пространственного распределения рассеивающей способности и

оценки степени деградации на основе «неупорядоченности» томографических изображений.

Метод базируется на следующих закономерностях, экспериментально проверенных фактах и

гипотезах:

деградация материала в процессе эксплуатации сопровождается структурными изменениями,

которые приводят к формированию и развитию рассеянной поврежденности в объеме материала

и проявляются в увеличении разброса физико-механических характеристик материала [2, 4, 8, 9];

места с повышенной рассеянной поврежденностью являются наиболее вероятными для воз-

никновения дефектов;

одним из наиболее чувствительных к структурным изменениям и рассеянной поврежденности

в объеме материала на мезоуровне (порядка длины зондирующей волны) является рассеянный уль-

тразвуковой сигнал;

при увеличении рассеянной поврежденности материала интенсивность обратного рассеяния

ультразвука возрастает;

Дефектоскопия

№ 2

2019

Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов

томографические методы - одни из наиболее информативных и помехоустойчивых диагности-

ческих подходов на мезоуровне;

оценка степени деградации в объеме материала сводится к оценке неупорядоченности томогра-

фических изображений рассеивающей способности;

количественную оценку неупорядоченности изображений предложено проводить на основе

расчета параметра

∑∑

SNR

=10lg

(22)

(

)²

∑∑

где a_ij (i = 1, 2, ... ; j = 1, 2, ..., M) — элементы изображения, по которым проводится суммирование

и которые выбираются исходя из условий эксплуатации объекта (например, горизонтальный или

вертикальный трубопроводы) и требований контроля;

∑∑

— среднее значение.

Для однородного изображения

(

i=1, 2, ...;

j=1, 2, ...M

)

SNR → ∞ .

Деградация сопровождается зарождением и развитием микродефектов (пор, микротрещин),

что приводит к усилению неупорядоченности изображения рассеивающей способности, увеличе-

нию «шума» в знаменателе (19) и уменьшению параметра SNR.

ВЫВОДЫ

Рассмотрены методы оценки рассеянной поврежденности материалов. Одними из наиболее

технологических являются ультразвуковые на основе регистрации обратнорассеянного ультразву-

кового сигнала.

Описаны разработанные авторами методы определения рассеянной поврежденности в объеме

материала на основе регистрации обратнорассеянного ультразвукового сигнала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Родюшкин В.М. От поиска дефектов к поиску преддефектного состояния // Вестник научно-тех-

нического развития. 2009. № 4. С. 51—56.

2. Козинкина А.И., Рыбакова Л.М., Березин А.В. Оценка степени микроразрушений при деформа-

ции металлических материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 4.

С. 39—42.

3. Бобырь Н.И., Бабенко А.Е., Халимон А.П. Континуальная механика поврежденности и ее исполь-

зование в задачах сложного малоциклового нагружения // ТДНК. 2008. № 4. С. 25—34.

4. Лебедев А.А. Новые характеристики деградации материала на стадии развития рассеянных

повреждений // ТДНК. 2008. № 4. С. 35—44.

5. Недосека С.А., Недосека А.Я. Комплексная оценка поврежденности и остаточного ресурса метал-

лов с экплуатационной наработкой // ТДНК. 2010. № 1. С. 9—16.

6. Недосєка С.А. Діагностика і прогнозування ресурсу зварних конструкцій методом акустичної

емісії / АР доктора технічних наук по спец. 05.02.10 «Діагностика матеріалів і конструкцій». К.: ІЕЗ ім.

Є.О. Патона НАН України, 2010. 26с.

7. Векслер Е.Я., Замекула И.В., Толстов В.Ю., Семешко Е.В. Технология диагностирования и оценка

остаточного ресурса паропроводов высокого давления тепловых электростанций по уровню микропов-

режденности метала // ТДНК. 2010. № 1. С. 23—31.

8. Мишакин В.В., Клюшников В.А., Гончар А.В. Связь энергии деформации с коэффициентом Пуас-

сона при циклическом нагружении аустенитной стали // ЖТФ. 2015. Т. 85. Вып. 5. С. 32—36.

9. Петров А.И., Разуваева М.В. Оценка критерия взаимодействия пор в деформированных материа-

лах // ЖТФ. 2015. Т. 85. Вып. 4. С.130—133.

10. Степанова Л.В., Игонин С.А. Описание рассеянного разрушения: параметр поврежденности

Ю.Н. Работнова: историческая справка, фундаментальные результаты и современное состояние // Вест-

ник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2014. № 3 (114). С. 97—114.

11. Работнов Ю.Н. О механизме длительного разрушения // Вопросы прочности материалов и кон-

струкций. М.: Изд-во АН СССР. 1959. С. 5—7.

12. Качанов Л.М. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. ОТН. 1958. С. 26—31.

13. Ерофеев В.И., Никитина Е.А. Самосогласованная динамическая задача оценки поврежденности

материала акустическим методом // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 4. С. 554—557.

14. Каштанов А.В., Петров Ю.В. Энергетический подход к определению мгновенной поврежден-

ности // ЖТФ. 2006. Т. 76. Вып. 5. С. 71—75.

Дефектоскопия

№ 2

2019

Р.И. Романишин, И.М. Романишин

15. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура стали и сплавов. М.: Наука,

1996. 184 с.

16. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1956. 324 с.

17. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: «Наукова думка»,

1977. 152 с.

18. Birring A.S., Bartlett M. L., Kawano K. Ultrasonic Detection of Hydrogen Attack in Steels // Corrosion

(National Associition of Corrosion Engineers). 1989. V. 45. № 3.

19. Hirsekorn S., Van Аndel P.W., Netzelmann U. Ultrasonic Methods to Detect and Evaluate Damage in

Steel // NDT & E. 1998. 15:6. P. 373—393.

20. Kot R. Hydrogen Attack, Detection, Assessment and Evaluation / 10^th APCNDT, 2001.

21. Недосека А.Я., Недосека С.А. Влияние локального скопления дефектов на распространение волн

акустической эмиссии. Сообщение 1 // ТДНК. 2013. № 2. С. 3—8.

22. Недосека А.Я., Недосека С.А., Бойчук О.И. Влияние локального скопления дефектов на распро-

странение волн акустической эмиссии. Сообщение 2 // ТДНК. 2013. № 2. С. 9—14.

23. Недосека А.Я., Недосека С.А. Влияние локального скопления дефектов на распространение аку-

стических волн в пластинах. Сообщение 1 // ТДНК. 2013. № 4. С. 30—36.

24. Недосека А.Я., Недосека С.А., Бойчук О.И. Влияние локального скопления дефектов на распро-

странение акустических волн в пластинах. Сообщение 2 // ТДНК. 2014. № 1. С. 12—15.

25. Бархатов В.А. Восстановление распределения отражателей по дальности. Обращение свертки //

Дефектоскопия. 2003. № 6. С. 10—17.

26. Бархатов В.А. Модели формирования ультразвуковых сигналов в задачах реконструкции изо-

бражений // Дефектоскопия. 2005. № 1. С. 10—19.

27. Бархатов В.А. Решение одномерной обратной акустической задачи с учетом дисперсии скорости

звука и частотно-зависимого затухания волн // Дефектоскопия. 2009. № 1. С. 40—53.

28. Бархатов В.А. Экспериментальное исследование решений одномерной обратной акустической

задачи // Дефектоскопия. 2012. № 12. С. 55—64.

29. Зайцев В.Ю., Назаров В.Е., Таланов В.И. «Неклассические» проявления микроструктурно-об-

условленной нелинейности: новые возможности для акустической диагностики // УФН. 2006. № 1.

С. 97—102.

30. Ham S., Song H., Oelze M.L., Popovics J.S. A contactless ultrasonic surface wave approach to

characterize distributed cracking damage in concrete // Ultrasonics. 2016.

31. Ермолов И.Н. Структура // Дефектоскопия. 2000. № 6. С. 97—98.

32. Ермолов И.Н. Влияние акустического контакта на эхо-сигнал и структурные помехи // Дефекто-

скопия. 1999. № 5. С. 96—97.

33. https://www.cnde.iastate.edu/ultrasonics/ut-publications

34. Thompson R., Margetan F.J. Use of elastodynamic theories in the stochastic description of the effects

of microstructure on ultrasonic flaw and noise signals // Wave Motion. 2002. V. 36. P. 347—365.

35. Linxiao Yu., Thompson R.B., Margetan F.J. The Spatial Correlation of Backscattered Ultrasonic Grain

Noise: Theory and Experimental Validation // IEEE Trans. on Ultrasonics, Rerroelectrics and Frequency

Control. 2010. V. 57. № 2. P. 363—378.

36. Rudi С., Mlade М. Testing method for quick determination of fresh concrete sample quality by

meassurements at elastic properties of hydrating cement past (http://www.sea-acustica.es/fileadmin/

publicaciones/Sevilla02_ult03018.pdf).

37. Wang Т., Saniie J. Analysis of Low-Order Autoregressive Models for Ultrasonic Grain Signal

Characterization // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1991. V. 38. № 2.

38. Курков А.В. О возможности экспресс-контроля среднего размера зерна металлопроката // Дефек-

тоскопия. 2008. № 1. С. 51—56.

39. Курков А.В. Разработка методов и средств повышения информативности ультразвуковых измере-

ний с помощью дефектоскопов общого назначения / Автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: СПбГЭТУ

(ЛЭТИ). 2010. 18 с.

40. Дымкин Г.Я., Кадикова М.Б. Ультразвуковой метод количественной оценки структуры металла

осей колесных пар // Дефектоскопия. 2009. № 7. С. 27—36.

41. Житлухина Ю.В (Корх Ю.В.) Акустические методы обнаружения и визуализации микродефек-

тов в металлах / Дис. канд. техн. наук по спец. 05.02.11 — методы контроля и диагностика в машино-

строении. Екатеринбург, 2009. 158 с.

42. Miralles R., Vergara L., Gosalbez J. Material grain noise analysis by using higher-order statistics //

Signal Processing. 2004. V. 84. P. 197—205.

43. Kananen V.E., Eskelinen J.J., Hæggstrom E.O. Discriminating pores from inclusions in rolled steel by

ultrasonic echo analysis // Meas. Sci. Technol. 2011. V. 22. P. 105704 (7 p.).

44. Molika Nardo R., Cerniglia D., Lombardo P., Pecoraro S., Infantino A. Detection, characterization

and sizing of hydrogen induced cracking in pressure vessels using phased array ultrasonic data processing /

21^st European Conference on Fracture, ECF21, 20—24 June 2016, Catania, Italy // Procedia Structured

Integrity. 2016. № 2. P. 581—588.

Дефектоскопия

№ 2

2019

Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов

45. Романишин Р.И., Романишин И.М. Обработка обратнорассеянного сигнала в ультразвуковом

контроле // Дефектоскопия. 2018. № 6. С. 11—16.

46. Романишин Р.І., Іваницький Я.Л., Кошовий В.В., Штаюра С.Т., Романишин І.М., Мокрий О.М.,

Семак П.М. Ультразвуковий метод оцінювання розсіяної пошкодженості матеріалу на основі зворотньо-

розсіяного сигналу // ТДНК. 2017. № 2. С. 42—49.

47. Романишин Р.І. Розвиток ультразвукового методу діагностування пошкодженості металу

на основі реєстрації зворотньо розсіяного сигналу / АР канд. дис. по спец. 05.02.10 — діагностика

матеріалів та конструкцій. Львів: ФМІ НАНУ, 2017. 22с.

48. Корреляция и свертка (электронный ресурс: http://www.williamspublishing.com/PDF/5-8459-

0710-1/part.pdf).

49. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 1. М.: Мир,

1981. 280 с.

50. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и

первичная обработка данных / Справочное изд. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 с.

51. Croux C., Dehon C. Robust estimation of location and scale / Encyclopedia of Environmetrics /A.-H.

El-Shaarawi and W. Piegorsch (eds). John Wiley & Sons Ltd: Chichester, UK, 2013. / Эл. ресурс: https://feb.

kuleuven.be/public/u0017833/PDF-FILES/Croux_Dehon5.pdf

52. Колмогоров А.Н. Метод медианы в теории ошибок // Матем. сб. 1931. Т. 38. № 3—4. С. 47—50.

53. http://energyfirefox.blogspot.com/2012/02/boxplot.html

54. Романишин И.М. Применение статистических подходов к оцениванию степени деградации ма-

териала // Дефектоскопия. 2010. № 8. С. 36—44.

55. Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Спосіб оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичен-

ня пошкоджень в процесі напрацювання. «Метод LM-твердості» / Патент України № 52107А. Опубл.

15.01.03. Бюл. № 1.

56. Кошовий В.В., Шама М.А., Романишин І.М., Романишин Р.І., Шарамага Р.В. Розробка технологій

ультразвукової томографії на основі реєстрації розсіяного сигналу для контролю циліндричних виробів.

// Металлофизика и новейшие технологии. 2008. Т. 30 (спец.випуск: грудень). С. 677—687.

57. Кошовий В.В., Романишин І.М., Романишин Р.І., Шама М.А., Шарамага Р.В. Спосіб оцінки

деградації матеріалу на основі томографічних зображень / Патент на корисну модель № 44165. Бюл.

№ 18 (25.09.2009).

58. Кошевой В.В., Романишин И.М., Романишин Р.И., Шарамага Р.В. Оценка деградации материала

на основе ультразвуковой томографии при регистрации рассеянного сигнала // Дефектоскопия. 2010.

№ 9. С. 33—49.

59. Koshovy V.V., Romanyshyn I.M., Romanyshyn R.I. and all. Development of Ultrasonic Tomography

Techniques for Diagnostics of Nuclear Power Plant Piping // Strength of Materials. 2013. V. 45. № 4.

Р. 512—516.

Дефектоскопия

№ 2

2019