УДК 620.179.16:620.179.143

КИНЕТИКА ПРОЦЕССА НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ

И РАЗРУШЕНИЯ В ЗОНАХ КОНЦЕНТРАТОРОВ

ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ НА РАЗРЫВ

¹ФГБУН Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Россия 101990 Москва,

Малый Харитоньевский пер., 4

² ЗАО «НИИИН МНПО Спектр», Россия 119048 Москва, ул. Усачева, 35, стр. 1

³ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия 111250

Москва, ул. Красноказарменная, 14

^*Е-mail:vie01@rambler.ru

Поступила в редакцию 31.08.2020; после доработки 15.11.2020

Принята к публикации 27.11.2020

Рассмотрено влияние различного рода концентраторов напряжений на процессы накопления повреждений, зарож-

дения и распространения трещин в образцах из стали Ст3 в условиях одноосного растяжения. Исследованные образцы

имели центральное отверстие диаметром ∅ = 5 мм или поперечный сварной шов. Результаты акустико-эмиссионной диа-

гностики показали, что, несмотря на различную природу концентраторов, диаграммы нагружения, характер накопления

повреждений и развитие магистральных трещин, количество зарегистрированных событий акустической эмиссии (АЭ)

и активность их регистрации, динамика изменения весового содержания локационных импульсов (W_i) в энергетических

кластерах нижнего, среднего и верхнего уровня была достаточно похожей, также как и значения этих параметров при

разрушении образцов.

Ключевые слова: концентрация напряжений, трещина, акустическая эмиссия, импульс АЭ, критериальные параме-

тры, видеорегистрация, структура материала.

DOI: 10.31857/S0130308221010048

1. ВВЕДЕНИЕ

Сигналы АЭ событий, регистрируемые преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ), от-

ражают энергетические и временные параметры импульсов смещений среды, генерируемых при

динамической перестройке структуры материала. Возникает задача в установлении феноменологи-

ческих закономерностей между разрушениями структуры конструкционного материала на микро-,

мезо- и макромасштабном уровне [1, 2] и регистрируемыми при этом импульсами АЭ, их энерге-

тическими и темпоральными параметрами, формой и спектром. Установление таких перекрестных

связей дает возможность идентифицировать природу регистрируемых процессов, оценить теку-

щий уровень степени разрушения структуры материала и осуществить прогноз остаточной проч-

ности изделия.

В основном кластерный анализ и классификацию регистрируемых сигналов АЭ событий по

их энергетическим и временным параметрам, а также формам и спектрам проводят на этапе по-

стобработки данных, используя различные методики кластеризации [3—8]. При этом существуют

отдельные методики [9—11], позволяющие в режиме реального времени разделять регистрируе-

мые импульсы на кластеры, свойственные различным типам источников АЭ, в поле параметров,

характеризующих форму сигнала.

С целью мониторинга кинетики накопления повреждений в структуре полимерных композит-

ных материалов (ПКМ) на микро-, мезо- и макромасштабном уровне в процессе АЭ диагностики

было предложено регистрируемые массивы импульсов разделять на кластеры нижнего (Н), средне-

го (С) и верхнего (В) уровня в поле параметров относительной энергии и усредненной частоты

выбросов (Е_и- N_и/t_и) [12—14]. Параметр N_и/t_и характеризует усредненную плотность заполнения

импульса в кГц, а параметр Е_и — относительную его энергию в дБ, вычисляемую по формуле:

Е_и = 20 × lg(E/E₀), где E₀ = 10^-6 эВ (1 эВ ≈ 16 × 10^-20Дж) [16, 17]. Эти параметры дополняют ос-

новные характеристики сигналов АЭ, включающие согласно ГОСТ ИСО Р 55045—2012 макси-

мальную амплитуду (u_m), время его нарастания (t_н) в мкс — интервал от момента пересечения

порога дискриминации (u_th) до достижения максимального значения амплитуды (u_m), длительность

импульса (t_и) в мкс — интервал от момента пресечения сигналом порога дискриминации до ухода

его под порог и количество выбросов (N_и) в ед. — пересечений амплитудой сигнала порога дис-

криминации.

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

В качестве критериальных параметров, отражающих кинетику накопления повреждений и раз-

рушение структуры материала на микро-, мезо- и макромасштабном уровне, предложено исполь-

зовать активность регистрации и весовое содержание импульсов АЭ событий в энергетических

кластерах. Их применение потребовало введения следующих обозначений:

N_Н, N_С, N_В— количество импульсов АЭ в кластерах нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В)

энергетического уровня;

NΣл — суммарное количество импульсов АЭ событий (N_Σл = N_Н+ N_С+ N_В);

Wi = (Ni/NΣл)×100 % — весовое содержание локационных импульсов в кластерах, где i = Н,

С, В (Σ W_i= W_Н+ W_С+ W_В= 100 %);

Ń_i— активность регистрации импульсов АЭ в единицу времени в кластерах Н, С, В;

ŃΣ — суммарная активность регистрации импульсов АЭ в единицу времени (Ń_Σ = Ń_Н+Ń_С+Ń_В).

В ходе испытания образцов из стали Ст3 с центральным отверстием (ЦО) и поперечным свар-

ным швом (СШ) на растяжение, проводимых с применением системы АЭ диагностики, синхро-

низированной с видеорегистрацией, изучалось влияние концентраторов на кинетику накопления

повреждений и разрушение структуры материала.

Задачи проводимых исследований определялись следующими целями.

1. Сопоставить уровень предельных нагрузок и деформаций, а также характер разрушения об-

разцов в партиях ЦО и СШ при одноосном растяжении для определения их потенциальной опас-

ности в конструкциях из стали Ст3.

2. Протестировать на образцах из Ст3 возможность использования структурно-феноменоло-

гической концепции, разработанной для разделения импульсов АЭ событий на энергетические

кластеры, соответствующие микро-, мезо- и макроструктурным разрушениям в пакете ПКМ, и

критериальных параметров Ń_i и W_i для мониторинга кинетики накопления повреждений на всех

масштабных уровнях и прогноза остаточной прочности изделий, путем сопоставления их текущих

значений с пороговыми, регистрируемыми при разрушении материала, применительно к кон-

струкционным сталям.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являлись плоские образцы корсетного типа, изготовленные из стали

Cт3, толщиной 3 мм. В качестве концентраторов в средней части образцов сверлилось централь-

ное отверстие диаметром ∅ = 5 мм или выполнялся поперечный сварной шов. Для получения

последнего образцы разрезали пополам, по линии разреза делали скосы и с применением автома-

тической электросварки выполняли двухсторонний шов. Затем для снятия остаточных напряжений

на расстоянии 20 мм от сварного шва фрезерованием на глубину 0,5 мм с каждой стороны образца

удалялся наружный слой металла, и полученная поверхность полировалась. С целью повышения

вероятности зарождения трещины в центре сварного шва в нем выполнялось отверстие диаметром

∅ = 1 мм.

Испытания образцов проводили на электромеханической установке Shimadzu с максимальным

растягивающим усилием 50 кН при автоматическом повышении нагрузки. Для сбора и обработ-

ки регистрируемых АЭ данных применялась восьмиканальная система A-Line 32D, выпускаемая

ООО «Интерюнис-ИТ» (РФ). Регистрация импульсов АЭ осуществлялась пьезоэлектрическими

преобразователями R15a—AST фирмы Mistras (США), а в качестве предусилителей сигналов ис-

пользовались ПАЭФ-014 производства ООО «Интерюнис-ИТ» (РФ).

Перед проведением испытаний на контрольных образцах, выбранных из каждой партии,

выполнялись пробные нагружения при ступенчатом повышении растягивающего усилия, по

результатам которого определялись оптимальные настройки АЭ системы, подробное изложе-

ние которых приведено в публикации [14]. Исходя из амплитуды шумов на испытательном

стенде, регистрируемых при полосе пропускания цифровых фильтров Δf_р = 30-500 кГц, уста-

навливался уровень порога дискриминации u_th = 43 дБ, обеспечивающий дискретную эмиссии

в процессе нагружения образцов при скорости актуатора перемещений подвижной траверсы

стенда V_a≤ 2 мм/мин.

На основании энергетических и темпоральных параметров регистрируемых импульсов АЭ

событий определялись границы нижнего, среднего и верхнего кластера в поле дескрипторов

Е_и- N_и/t_и. При выбранных значениях u_th= 43 дБ и Δf_р = 30—500 кГц эти границы составляли:

Е_и= 70—90 дБ, N_и/t_и= 10—210 кГц для кластера Н; Е_и= 90—110 дБ, N_и/t_и= 30—180 кГц для

кластера C; Е_и> 110 дБ, N_и/t_и= 60—150 кГц для кластера B.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Кинетика процесса накопления повреждений и разрушения в зонах концентраторов...

3. ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В ходе проводимых исследований регистрировалась динамика изменения активности АЭ и ве-

сового содержания локационных импульсов в кластерах нижнего, среднего и верхнего энергетиче-

ского уровня. Сопоставлялись тренды накопления повреждений и разрушения структуры матери-

ала на микро-, мезо- и макромасштабном уровне для партий образцов с центральным отверстием

(ЦО) и поперечным сварным швом (СШ). Сравнивались текущие значения критериальных параме-

тров с пороговыми, регистрируемыми в момент разрушения образцов, что позволяло прогнозиро-

вать их остаточную прочность в процессе нагружения.

3.1. Испытания образцов с центральным отверстием

Форма и основные габаритные размеры испытываемых образцов толщиной 3 мм приведены

на рис. 1.

∅10

∅5

280

320

Рис. 1. Форма и габаритные размеры образцов типа ЦО толщиной 3 мм.

В образце ЦО-4 испытываемой партии с целью изучения влияния сторонних помех на динами-

ку накопления АЭ событий и изменение критериальных параметров в процессе повышения нагруз-

ки в канале отверстия после сверления был оставлен заусенец со стружкой, который в процессе

нагружения служил источником сигналов трения.

Для локации АЭ событий в процессе мониторинга на поверхность образца на расстоянии

120 мм относительно центрального отверстия с применением металлических струбцин через слой

контактной смазки устанавливались преобразователи R15a—SMA. Регистрация АЭ событий осу-

ществлялась синхронно с процессом видеозаписи деформирования образца в области концентра-

тора. Деформация образцов при растяжении измерялась по перемещению штока актуатора под-

вижной траверсы стенда и контролировалась на начальном этапе деформирования при ε₁ ≤ 3 %

экстензометром с базой измерения 25 мм.

На рис. 2 показана диаграмма нагружения образца в координатах Р—ε₁, построенная по дан-

ным динамометра и актуатора перемещений подвижной траверсы стенда. Разрушение материала в

зоне отверстия произошло в период 1250—1282 с испытания при повышении деформации образца

до ε₁ = 20—22 % и падении растягивающей нагрузки от 46,1 до 20 кН.

P, кН

ε₁, %

Рис. 2. Диаграмма нагружения образца ЦО-4.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Кинетика процесса накопления повреждений и разрушения в зонах концентраторов...

На рис. 4а и б приведены результаты координатной локации и накопления АЭ событий (N_л),

зарегистрированные при испытаниях образца. Наибольшая плотность индикаций АЭ событий, до-

стигающая 250 ед/мм, отмечалась в зоне центрального отверстия образца. Всего в ходе экспери-

мента было зарегистрировано N_л= 10594 событий АЭ, более 90 % из которых отмечалось на рас-

стоянии ±40 мм от центра отверстия.

Разделение импульсов АЭ событий на кластеры нижнего, среднего и верхнего энергетического

уровня, сформировавшееся при испытаниях образца на разрыв в поле дескрипторов Е_и—N_и/t_и, по-

казано на рис. 4в. Индикации сигналов, регистрируемых каналами АЭ системы на графиках 4в и г,

соответствующие первому каналу, отмечены красным маркером, второго — синим.

На рис. 4г—е отражена динамика изменения в процессе нагружения образца параметров от-

носительной энергии Е_и, активности регистрации Ń_i и весового содержания W_i импульсов АЭ со-

бытий в энергетических кластерах.

В начальный период упругого деформирования образца в течение 150—200 с эксперимента

при повышении уровня нагрузки до Р=10 кН (как следует из графиков 4г, д) регистрировалась

повышенная активность АЭ событий во всех энергетических кластерах. При упругом деформи-

ровании конструкционных сталей и сплавов основными источниками АЭ событий являются зоны

локальных дефектов и неоднородностей в материале изделий [15]. Таким локальным дефектом в

данном случае являлся заусенец со стружкой, оставленный после сверления в канале отверстия.

Поэтому в начальный период упругого деформирования образца ЦО-4 в энергетических кластерах

отмечалась высокая активность АЭ, достигающая на пике в течение 150—180 с: в нижнем кластере

Ń_Н= 23 им/с, в среднем — Ń_С= 5 им/с, в верхнем — Ń_В= 3 им/с. При этом весовое содержание

импульсов АЭ событий в энергетических кластерах составляло: W_Н= 85 %, W_С= 7 % и W_В= 8 %.

По мере деформирования образца влияние заусенца на характер накопления АЭ событий за-

метно снижалось. Дальнейшее повышение нагрузки сопровождалось резким падением активности

АЭ событий в нижнем и верхнем энергетических кластерах и повышением параметра Ń_С в среднем

кластере. Такое изменение активности АЭ соответствующим образом отразилось на уровне ве-

сового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах. В течение 150—350 с

эксперимента при повышении нагрузки до 35 кН весовое содержание импульсов в кластере С по-

высилось с 7 до 18 %, а в кластерах Н и В соответственно снизилось: для параметра W_Н—с 85 до

78%, а для W_В — с 8 до 4 %.

В период упругопластического деформирования образца, длившегося в течении 350—500 с

испытания образца при повышении уровня нагрузки от 35 до 43 кН отмечалось заметное возрас-

тание активности импульсов АЭ в кластерах Н и С. При этом уровень параметра Ń_С повысился

до 20—25 им/с, а уровень параметра Ń_Н — до 10—15 им/с, что соответствующим образом отрази-

лось и на их весовом содержании в энергетических кластерах. К началу пластического деформиро-

вания образца уровень параметра W_Н составлял 58 %, параметра W_С= 40 %, а параметра W_В= 2 %.

В период пластического деформирования материала, длившегося в течении 500—1250 с экс-

перимента, при повышении нагрузки от 43 до 46 кН и изменении уровня ε₁ от 7,5 до 19 % на-

блюдались существенные колебания активности регистрации импульсов АЭ событий в нижнем и

среднем энергетических кластерах. Если до 600 с колебания этих параметров были незначительны

и сохранялись в пределах: Ń_Н= 6—13 им/с, Ń_С= 15—23 им/с, то в период 600—650 с нагружения

их уровень заметно снизился и в течение 200 с эксперимента до 850 с находился в интервале значе-

ний: Ń_Н= 2—7 им/с, Ń_С= 5—12 им/с. В период 850—1050 с эксперимента, как видно из графика 4д,

отмечался значительный рост активности импульсов в кластерах Н и С. При этом величина пара-

метра Ń_Нповышалась до 12 им/с, а параметра Ń_Сдо 40 им/с. Дальнейшее деформирование образца

сопровождалось падением активности АЭ событий во всех энергетических кластерах. В момент

разрушения образца на 1282 с эксперимента уровень параметров Ń_Н и Ń_С имел минимальные значе-

ния, не превышающие 2 им/с. Такой характер регистрации АЭ событий обусловлен вязкоупругим

деформированием материала в области центрального отверстия, когда амплитуда основного мас-

сива генерируемых импульсов не превышала уровня u_th= 43 дБ. В этот период весовое содержание

локационных импульсов в энергетических кластерах изменялось незначительно и составляло при

потере образцом несущей способности: W_Н= 36 %, W_С= 63 % и W_В= 1 %.

3.2. Испытания образцов со сварным швом

Для предотвращения непрерывной эмиссии, регистрируемой в ходе предварительных испы-

таниях контрольных образцов со сварным швом, было предложено сузить область локации и ис-

пользовать сторожевые датчики, блокирующие отраженные импульсы и сигналы помех от силовых

Дефектоскопия

№ 1

2021

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

P, кН

0 0

ε₁, %

Рис. 5. Диаграмма нагружения образца СШ-1.

захватов нагружающего стенда. Поэтому на расстоянии 45 мм относительно центра сварного шва

устанавливались рабочие преобразователи R15a—AST (ПАЭ № 1 и № 2), а на расстоянии 70 мм —

сторожевые датчики (ПАЭ № 3 и № 4).

На рис. 5 показана диаграмма нагружения образца СШ-1 в координатах Р—ε₁, построенная по

данным динамометра и актуатора перемещений подвижной траверсы стенда.

Хрупкое разрушение образца произошло на 705 с испытания при величине деформации

ε₁= 6,22 % и уровне растягивающего усилия Р = 34,7 кН.

Вид разрушения образца СШ-1, произошедшего в зоне термического влияния сварного шва по

линии нормального отрыва, показан на рис. 6.

0 мм

Рис. 6. Разрушение образца СШ-3 в зоне термического влияния сварного шва:

1 — трещина нормального отрыва; 2 — отверстие в центре сварного шва.

Линия разрушения проходила на расстоянии 7—8 мм относительно отверстия диаметром

∅ = 1 мм, которое должно было инициировать развитие доминантной трещины в центре сварного

шва.

На рис. 7 представлены результаты АЭ диагностики, полученные при испытаниях об-

разца СШ-1 при испытаниях на разрыв, произошедший на 712 с испытания при уровне растя-

гивающей нагрузки Р_В= 34,7 кН и величине деформации ε_B= 6,22 %. На графиках 7а, б при-

ведены результаты координатной локации и накопления АЭ событий (N_л), зарегистрирован-

ные при испытаниях образца. Наибольшая плотность индикаций АЭ событий, составляющая

6—8 ед/мм, отмечалась в зоне сварного шва слева от центрального отверстия на расстоянии 7—

10 мм. Всего в процессе испытаний образца на разрушение рабочей группой было зарегистрировано

(N_Σ)_л = 103 АЭ событий.

Распределение импульсов АЭ событий в кластерах Н, С и В, накопленных в течение испыта-

ния образца на разрыв в поле дескрипторов Е_и—N_и/t_и, показано на рис. 7в. Если параметр W_В был

близок нулю, то параметр весового содержания импульсов АЭ, накопленных в среднем кластере

W_С= 67 % к моменту разрушения образца, в двое превышал параметр W_Н= 33 %.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Кинетика процесса накопления повреждений и разрушения в зонах концентраторов...

Рис. 7. Результаты АЭ диагностики при испытаниях на разрыв образца СШ-1, включающие: координатную локацию АЭ

событий (а), их накопление (б), разделение зарегистрированных сигналов в поле параметров Е_и—N_и/t_и на кластеры Н,

С, В (в), динамику изменения относительной энергии (г), активности регистрации (д) и весового содержания (е) импуль-

сов АЭ в энергетических кластерах.

Графики 7г—е отображают динамику изменения в процессе нагружения образца параметров

относительной энергии Е_и, активности регистрации Ń_i и весового содержания W_i локационных им-

пульсов в энергетических кластерах в процессе эксперимента.

В период упругого деформирования образца при повышении уровня нагрузки до Р=15 кН,

длившегося практически до 250 с эксперимента, динамика изменения параметров Ń_i и W_iбыла не-

устойчивой, что характерно для начальной стадии нагружения металлов.

Период упругопластического деформирования образца, длившегося с 250 по 340 с испытания

при повышении уровня нагрузки от 15 до 28 кН, отмечался низкой активностью АЭ и стабильным

весовым содержанием импульсов АЭ событий в кластерах Н и С: W_Н= 60—62 %, W_С= 38—40 %.

Как следует из графика 7е, в период пластического деформирования образца (340—690 с ис-

пытания) при повышении уровня нагрузки от 28 до 34,5 кН наблюдался рост параметра W_С от 40

до 55 % и соответствующее снижение параметра W_Нс 60 до 45 %. Активность регистрации ло-

кационных импульсов в этот период нагружения в кластере С изменялась в пределах Ń_С= 0,5—

1,5 им/с, а в кластере Н не превышала Ń_Н= 0,5 им/с (рис. 7д). В период ускоренного разрушения

образца (696—710 с эксперимента), как видно из графика 7д, фиксировался резкий рост активно-

сти импульсов в обоих энергетических кластерах: параметр Ń_С достигал 5 им/с, а параметр Ń_Н =

3 им/с. При этом какого-либо заметного изменения параметров W_Н и W_С не происходило (график

7е), что обусловлено относительно коротким периодом разрушения образца (14 с) и инерционно-

стью изменения весовых параметров, вследствие возрастания суммарного влияния накопленных

импульсов АЭ событий в ходе испытания (N_Σл = 103 ед.).

На рис. 8 представлены фрагменты микроструктуры стали Ст3 вблизи кромки разрыва образца

СШ-3. Исследования микроструктуры металла проводили на продольном шлифе, вырезанном в

месте разрыва образца, при увеличении в 500 раз с применением микроскопа Zeiss Observer Z1m

по методу светлого поля.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

50 мкм

Рис. 8. Фрагменты микроструктуры стали Ст3 (а и б) в зоне термического влияния сварного соединения вблизи линии

разрыва образца СШ-1.

Как видно из фрагментов микроструктуры на рис. 8, вблизи линии разрыва наблюдается гради-

ентная структура металла, характерная для зон термического влияния сварных соединений сталей

перлитного класса. В результате такого воздействия в зоне термического влияния сталь Ст3 поте-

ряла пластичность, свойственную основному металлу, и повысилась ее хрупкость.

3.3. Результаты АЭ мониторинга и оценка остаточной прочности

Результаты испытания на разрыв партий образцов в количестве шести штук с центральным от-

верстием (ЦО) и поперечным сварным швом (СШ) из стали Ст3, зарегистрированные в момент их

разрушения, приведены в табл. 1 и 2. Таблицы включают: длительность испытания (Δτ), предель-

ные значения нагрузки (Р_В) и деформации (ε_В) при разрушении образцов, количество накопленных

АЭ событий (N_Σ)_л, весовое содержание импульсов АЭ событий в энергетических кластерах W_H,

W_C и W_В, а также результаты статистической обработки этих параметров для испытанных партий

образцов: среднее выборочное значение (a

^-), среднее квадратичное отклонение (S) и разброс (η),

определенный в интервале ±2S.

Таблица

Результаты испытаний на разрыв образцов партии ЦО

№

Δτ, c

Р_В, кН

ε_В, %

(N_Σ)_л, ед.

W_H,%

W_C, %

W_B, %

ЦО-1

1163

44,8

19,31

6792

ЦО-2

1085

45,4

19,67

5334

ЦО-3

1196

45,9

20,13

7278

ЦО-4

1212

46,1

21,6

10594

ЦО-5

1178

45,6

19,92

8282

ЦО-6

1293

47,7

22,1

9867

-=Σa_i /n

1188

20,46

8025

43,72

1,08

1,13

1968,7

3,14

3,16

0,55

η = 2S/a

^-, %

7,36

4,7

11,05

49,6

18,96

9,73

110

Характер разрушения образцов в каждой из испытанных партий незначительно отличался от

представленных на рис. 3 и 6. Как следует из табл. 1 и 2, при достаточно низком уровне разброса

предельных нагрузок и деформаций, не превышающем в выборках 5—11 %, величина разброса

η накопленных АЭ событий в образцах партий ЦО и СШ достигала 50 и 100 % соответственно.

(N_Σ)_л

При этом разброс весового содержания локационных импульсов в кластерах Н и С был существен-

но ниже и не превышал в интервале ±2S для параметра W_Нв партиях ЦО и СШ 19 и 21 %, а для

параметра W_С—10 и 11 % соответственно.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Кинетика процесса накопления повреждений и разрушения в зонах концентраторов...

Таблица

Результаты испытаний на разрыв образцов партии СШ

№

Δτ, c

Р_В, кН

ε_В, %

(N_Σ)_л, ед.

W_H,%

W_C, %

W_B, %

СШ-1

712

34,7

6,22

103

СШ-2

831

35,1

6,24

172

СШ-3

705

34,2

5,72

СШ-4

856

36,1

6,78

263

СШ-5

803

35,6

6,32

121

СШ-6

775

34,4

6,18

-= Σa_i

791

6,23

139

52,62

0,73

0,34

68,5

3,51

η=2S/a

^-, %

13,30

4,17

7,38

98,56

20,65

10,80

Таблица

Результаты статистической обработки параметров W_H и W_Cпри испытаниях на разрыв образцов партии ЦО

W_H, %

W_C, %

(ε₁)_i /ε_B, %

)εi

S_n

η2S, %

(W_C)εi

S_n

η2S, %

7,61

25,60

6,08

49,92

6,99

20,25

5,50

35,88

5,86

18,74

5,61

31,46

5,24

17,93

5,15

25,04

6,02

23,77

6,05

25,11

5,85

23,73

5,48

21,91

4,04

18,15

4,22

15,28

2,88

14,87

3,37

11,08

2,73

14,64

3,31

10,65

100

3,27

18,96

3,16

9,73

Таблица

Результаты статистической обработки параметров W_H и W_Cпри испытаниях на разрыв образцов партии СШ

W_H, %

W_C, %

(ε₁)_i /ε_B, %

–

(W_Н)εi

S_n

η2S, %

(W_C)εi

S_n

η2S, %

6,39

22,42

5,78

26,88

5,85

21,28

4,93

21,93

5,83

22,86

6,03

25,11

5,18

22,04

5,67

20,26

2,95

14,39

3,55

12,05

3,51

18,48

3,22

10,22

3,37

19,24

3,41

10,65

100

3,61

21,25

4,03

12,22

В табл. 3 и 4 приведены результаты статистической обработки критериальных параметров

W_H и W_C, зарегистрированных в области пластического деформирования стали Ст3, при повы-

шении уровня (ε₁)_i/ε_В от 0,1 до 1,0 для образцов партии ЦО и от 0,3 до 1,0 для образцов партии

СШ. Последнее обусловлено тем, что при испытании на разрыв образцов партии СШ в интервале

(ε₁)_i=(0,1—0,3) × ε_B регистрировалась неустойчивая динамика изменения параметров W_H и W_C.

Дефектоскопия

№ 1

2021

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

На рис. 9 по данным табл. 3 и 4 построены графики средних выборочных значения параметров

)εi и (W

)εi (а, в) и величины их разброса η_Wi (б, г), посчитанные в интервале ±2S, при повышении

уровня пластической деформации в интервале (ε₁)_i = (0,1—1,0) × ε_B.

Wi^{, %}

η_i , %

(ε₁)_i / ε_B, %

Wi^{, %}

, %

(ε₁)_i / ε_B, %

Рис. 9. Сопоставление параметров W_Н и W_С, зарегистрированных при испытаниях на разрыв образцов партий ЦО (а) и

СШ (в), а также величин их разброса η_Wi (б, г), при изменении уровня пластической деформации в интервале

(ε₁)_i = (0,1-1,0)·ε_B.

Как следует из рис. 9, при увеличении уровня деформации в интервале ε₁= (0,1—0,5) × ε_B

наиболее информативным является параметр W_Н, средний уровень которого в анализируемых вы-

борках изменялся от 73 до 51 %. При этом величина разброса этого параметра в интервале 2S

находилась в пределах η

= 20—25 %.

W_Н

В интервале ε₁ = (0,5—1,0) × ε_B наиболее информативным является параметр W_С, среднее выбо-

рочное значение которого возрастало от 48 до 65—66 %, а величина разброса снижалась от (η_W

)_0,5

= 25 % до (η_W

)_1,0 = 10—12 %.

Полученные средние выборочные значения критериальных параметров WН и WС и уровни их

разброса в интервале ±2S согласуются с результатами публикации [14], в которой приведены дан-

ные испытания партии образцов из стали 20 на растяжение.

Последовательное применение параметров W_Н и W_С в указанных интервалах деформирования

материала может повысить точность прогноза остаточной прочности образцов и изделий. Сравни-

вая текущие значения регистрируемых параметров W_Н и W_Св процессе АЭ мониторинга изделий с

графиками изменения средних выборочных значений (W

)

и (W

)

можно в режиме реального

времени с погрешностью, примерно соответствующей их разбросу ηW, осуществлять оценку оста-

точной прочности в области пластического деформирования материала.

4. ВЫВОДЫ

Результаты испытаний на разрыв образцов из стали Ст3 с концентраторами напряжений в виде

центрального отверстия и поперечного сварного шва позволили сделать следующие выводы.

1. Сравнение результатов испытания партий образцов ЦО и СШ показало, что наиболее опас-

ным в случае недостаточной термообработки может быть сварное соединение, не только воздей-

ствующее на характер распределения напряжений, но и существенным образом изменяющим

структуру материала в зоне термического влияния. Из сопоставления данных табл. 1 и 2 следует,

Дефектоскопия

№ 1

2021

Кинетика процесса накопления повреждений и разрушения в зонах концентраторов...

= 6,23 %, при которой происходило

= 20,46 %, получен-

ного для образцов партии ЦО.

2. Результаты экспериментов при испытаниях на разрыв партий образцов из стали Ст3 показали

принципиальную возможность использования разработанной для композитных материалов мето-

дики и ПО для мониторинга кинетики накопления повреждений в структуре ПКМ, применительно

к конструкционным сталям, а также параметров W_Ни W_С для прогноза в режиме реального времени

остаточной прочности образцов на этапе их пластического деформирования.

3. Несмотря на различие природы концентраторов, диаграммы деформирования образцов, ха-

рактера зарождения и развития трещин, количества зарегистрированных АЭ событий и активности

акустической эмиссии на этапах деформирования, а также влияния помех трения на процесс нако-

пления повреждений, тренд изменения весового содержания локационных импульсов (W_i) в энер-

гетических кластерах в процессе пластического деформирования материала в испытанных партиях

образцов в целом совпадал также, как и уровень критериальных параметров W_Н и W_С в интервале

значений (ε₁)_i=(0,3—1,0) × ε_В.

4. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение механизмов кинетики разруше-

ния структуры конструкционных сталей и сплавов на микро, мезо и макромасштабном уровне, и

регистрируемых при этом импульсов АЭ, их энергетических и темпоральных параметров, формы

и спектра. Это позволит уточнить границы энергетических кластеров и пороговые значения кри-

териальных параметров для более достоверной оценки остаточной прочности диагностируемых

изделий.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда — проект № 20-19-00769.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Махутов Н.А. Комплексное исследование процессов разрушения материалов и конструкций

// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 46—51.

2. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Основы физической мезомеханики пластической деформации

и разрушения твердых тел как нелинейных иерархически организованных систем // Физическая

мезомеханика. 2015. Т. 18. № 5. С. 100—113.

3. Li L., Lomov S.V., Yan X., Carvelli V. Cluster analysis of acoustic emission signals for 2D and 3D

woven glass/epoxy composites // J. Compos Structures. 2014. V. 116. P. 286—296.

4. Ech-Choudany Y., Assarar M., Scida D., Morain-Nicolier F., Bellach B. Unsupervised clustering for

building a learning database of acoustic emission signals to identify damage mechanisms in unidirectional

laminates // J. Applied Acoustics. 2017. V. 123. Р. 123—132.

5. Botvina L.R., Tyutin M.R., Petersen T.B., Levin V.P., Soldatenkov A.P., Prosvirnin D.V. Residual

Strength, Microhardness, and Acoustic Properties of Low-Carbon Steel after Cyclic Loading //

J. Machinery Manufacture and Reliability. 2018. V. 47. № 6. Р. 516—524.

6. Saeedifar Milad, Najafabadi Mehdi Ahmadi, Zarouchas Dimitrios, Toudeshky Hossein Hosseini,

Jalalvand Meisam. Clustering of interlaminar and intralaminar damages in laminated composites under

indentation loading using Acoustic Emission // Composites Part B. 2018. V. 144. Р. 206—219.

7. Lin Qing, Bin Wan, Wang Yan, Lu Yunhu, Labuz Joseph F. Unifying acoustic emission and digital

imaging observations of quasi-brittle fracture // J. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2019.

V. 103. Р. 1—9.

8. Abusrea Mahmoud R., Seung-Wook Han, Kazuo Arakawa, Nak-Sam Choi. Bending strength of

CFRP laminated adhesive joints fabricated by vacuum-assisted resin transfer molding // Composites. Part

B. 2019. V. 156. Р. 8—16.

9. Monitoring Method for Active Cracks in Concrete by Acoustic Emission / JCMS-III B5706.

Federation of Construction Materials Industries. Japan. 2003. Р. 29.

10. Masayasu Ohtsu, Toshiro Isoda, Yuichi Tomoda. Acoustic emission techniques standardized for

concrete structures // J. Acoustic Emission. 2007. V. 25. P. 21—32.

11. Iliopoulos Sokratis N., Dzaye Evin, Khattabi Yassir El, Schutter De Geert, Aggelis Dimitrios G.

Continuous AE monitoring of fresh concrete / Progress in acoustic emission XVIII, JSNDI & IIIAE-23.

December 5—9, 2016. Р. 293—298.

12. Matvienko Yu.G., Vasil’ev I.E. et al. Criterion Parameters for Assessing Degradation of Composite

Materials by Acoustic Emission Testing // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. No. 12.

P. 811—819. [Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Критериальные параме-

Дефектоскопия

№ 1

2021

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

тры для оценки степени деградации композитных материалов при акустико-эмиссионном монито-

ринге изделий // Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 3—11.]

13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование кинетики разрушения структур-

ных связей однонаправленного ламината с применением акустикой эмиссии и видеорегистрации //

Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. № 11. С. 45—61.

14. Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Мониторинг накопления по-

вреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии // Про-

блемы машиностроения и автоматизации. 2020. № 2. С. 118—141.

15. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: «Спектр», 2017. 368 с.

16. Бигус Г.А., Даниев Ю.Ф., Быстрова Н.А., Галкин Д.И. Основы диагностики технических

устройств и сооружений. M.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 445 с.

17. ИНТЕРЮНИС-ИТ. «А-Line» — Руководство пользователя. Версия v181211. М.: ООО

«Интерюнис-ИТ», 2018. 265 с.

Дефектоскопия

№ 1

2021