УДК 620.179.17

АДАПТАЦИЯ МЕТОДОЛОГИИ МОНИТОРИНГА КИНЕТИКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ И

ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СТАЛЬНЫМ ИЗДЕЛИЯМ

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

Малый Харитоньевский пер., 4

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

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

Красноказарменная ул., 14

^*e-mail:vie01@rambler.ru

Поступила в редакцию 29.05.2022; после доработки 01.08.2022

Принята к публикации 03.08.2022

Методология мониторинга кинетики повреждений и оценки несущей способности конструкций с использованием

акустической эмиссии (АЭ), разработанная применительно к изделиям из полимерных композитных материалов (ПКМ),

была адаптирована к эволюции разрушения конструкционных сталей. В связи с более высокой пластичностью кон-

струкционных сталей по сравнению с ПКМ, относительная энергия (Е_и) импульсов АЭ, генерируемых при разрушении

структурных связей на одном и том же масштабном уровне, оказалась примерно на 5—15 дБ ниже, чем в композитах.

Поэтому при проведении АЭ-диагностики изделий из конструкционных сталей установлены следующие границы разде-

ления импульсов АЭ на энергетические кластеры: для нижнего кластера Е_и< 80 дБ, для среднего — Е_и= 80—100 дБ, для

верхнего — Е_и>100 дБ. Рассмотрено тестирование методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки несущей

способности изделий в режиме нагружения при статических и циклических испытаниях образцов из стали 08Х18Н10Т

с боковым надрезом.

Ключевые слова: конструкционные стали, кинетика повреждений, несущая способность, концентратор напряжений,

боковой надрез, трещина, акустическая эмиссия, импульс АЭ, критериальные параметры, видеорегистрация, структура

материала.

DOI: 10.31857/S0130308222090044, EDN: BSEAIG

ВВЕДЕНИЕ

Существующие теоретические разработки эволюции разрушения конструкционных материа-

лов [1—6], в том числе континуальная теория потери сплошности эффективного сечения и по-

врежденности материала Качанова—Работнова [7, 8] или концепция сдвиговой устойчивости ма-

териалов на микро, мезо- и макромасштабном уровне академика В.Е. Панина [9, 10], не могут

в полной мере учесть всех особенностей эксплуатационных режимов, предистории нагружения,

влияния остаточных напряжений и деградации свойств материала на процесс накопления повреж-

дений и разрушения конструкций. Они дают лишь ориентировочные прогностические тренды эво-

люции разрушения материала в критически нагруженных эффективных сечениях конструкции, не

позволяя оценить реальный уровень несущей способности в режиме нагружения или эксплуатации

изделия. Конструкторско-проектные и прогностические расчеты, выполняемые на основании тео-

ретических зависимостей классической механики деформирования и разрушения твердого тела с

применением численных методов и экспериментальных данных, предполагают введение запасов

прочности, учитывающих влияние рассмотренных выше факторов на прочностные характеристи-

ки конструкций в критически нагруженных зонах от действия эксплуатационных нагрузок. Однако

при действии длительных статических и циклических нагрузок преимущественно в зонах концен-

траторов развиваются сложные процессы, связанные с накоплением повреждений структурных

связей и деградацией свойств материала, что существенно усложняет задачу корректного научно-

обоснованного определения запасов прочности и живучести изделия.

Поэтому возникает необходимость в создании концепции, отражающей текущее состояние по-

врежденности несущих элементов конструкций, а также методологии оценки фактического состо-

яния несущей способности в процессе испытания и эксплуатации изделий. Применительно к изде-

лиям из композитных материалов с использованием АЭ-диагностики была разработана концепция

и методология ее реализации [11], позволяющая на разных стадиях эксплуатации или испытания

высоконагруженных элементов конструкций выявлять наиболее опасные развивающиеся концен-

траторы напряжений, осуществлять мониторинг кинетики повреждений в этих зонах и оценивать

фактический уровень несущей способности изделий.

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

1. Структурно-феноменологическая концепция и методология

оценки несущей способности изделий

Структурно-феноменологическая концепция (СФК) [11—13] основана на гипотезе соответ-

ствия энергии генерируемых импульсов размеру поверхности разрушаемой структурной связи

конструкционного материала [14—21]. Представленная на рис. 1 модель СФК отражает эволюцию

весового содержания повреждений (d_i/d_Σ) в конструкционном материале на микро- (d_Н), мезо- (d_C)

и макроуровне (d_B) в процессе повышения нагрузки (Р) относительно критического уровня (Р_k)

разрушения изделия.

d_i/d_Σ, %

P/P_k, %

d_С

d_C

d_Н

Ω_Н

Ω_Н + Ω_С

Ω_Н + Ω_С+ Ω_В

d_В

τ₀

τ₁

τ₂

τ, с

Рис. 1. Кинетика изменения весового содержания повреждений (d_i/d_Σ) в материале изделия на микро- (d_Н), мезо- (d_C) и

макроуровне (d_B) в режиме повышения нагрузки (Р) относительно критического уровня (P_k).

В течение начальной стадии τ₀ нагружения в материале изделия возникают только рассеянные

микроповреждения, поверхность разрушения которых по результатам микроскопических иссле-

дований образцов однонаправленного ламината при растяжении не превышает Ω_H< 100 мкм²[12],

а их весовое содержание составляет d_Н = 100 %. При повышении нагрузки или числа циклов на-

гружения на стадии τ₁ в результате эволюции локальные микроповреждения достигают мезомас-

штабного уровня Ω_С=100—1000 мкм², что сопровождается синхронным снижением параметра d_Н

и ростом параметра d_С. На стадии τ₂локальные мезоповреждения возрастают до макромасштаб-

ного уровня Ω_В > 1000 мкм², вследствие чего происходит дальнейшее снижение весового содер-

жания микроразрушений — параметра d_Н и рост мезо- и макроразрушений — параметров d_С и d_В,

которые при достижении пороговых значений d_С

и d вызовут разрушение изделия.

^Вk

Основой научно-методической концепции безопасной эксплуатации конструкции является ее

несущая способность В(τ), характеризующая соотношение текущего уровня нагрузки, деформа-

ции, длительности, температуры и других параметров к критической величине, приводящей кон-

струкцию в предельное состояние [1]. Параметр несущей способности в СФК представлен в сле-

дующей интерпретации:

B(τ)=1- d (τ),

(1)

где d (τ) — текущее содержание повреждений в структуре материала изделия относительно пре-

дельного (d_k), регистрируемого при разрушении.

Контролируя в процессе нагружения изделия перераспределение весового содержания микро-,

мезо- и макроразрушений в структуре материала, суммарный уровень которых неизменно состав-

ляет d_Σ= dН + d_С + d_В =100 %, и сопоставляя их с пороговыми значениями d_H

, d_C

и d

, можно

осуществлять мониторинг несущей способности изделия в режиме его нагружения [11—13]. Для

мониторинга весового содержания повреждений структурных связей материала на микро-, мезо- и

макромасштабном уровне предложено регистрируемые в ходе АЭ-диагностики локационные им-

пульсы, соответствующие этим разрушениям, объединять в кластеры нижнего (Н), среднего (С) и

верхнего (В) энергетического уровня [11]. На основании экспериментальных данных, полученных

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

Е_и, дБ

Е_и~ 1,12· u_m + 24,5

140

120

Ω_В> 1000 мкм²

100

Ω_С= 100—1000 мкм

Ω_Н< 100 мкм2

25—29

20—25

4030

100 u

, дБ

Рис. 2. Границы кластеров нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня импульсов АЭ, установлен-

ные в поле параметров относительной энергии (Е_и) и амплитуды (u_m), соответствующие микро- (Ω_Н), мезо- (Ω_С) и макро-

разрушениям (Ω_В).

при испытаниях на разрыв армирующих волокон [12], а также разрушении однонаправленного

ламината [13], на рис. 2 в поле параметров относительной энергии (Е_и) и амплитуды (u_и) сигналов

АЭ установлены границы энергетических кластеров Н, С и В, соответствующие микро-, мезо- и

макроразрушениям в пакете ПКМ. Штриховыми линиями на графике отмечены переходные зоны,

в которых значения энергии регистрируемых импульсов могут быть отнесены к поверхностям раз-

рушения Ω_i смежных энергетических кластеров, зависящих от уровня порога дискриминации и

полосы пропускания сигналов.

В табл. 1 приведены обобщенные результаты исследований, включающие поверхности раз-

рушения (Ω) структурных связей композитного материала на микро-, мезо- и макромасштабном

уровне, и значения относительной энергии и амплитуды регистрируемых при этом импульсов АЭ.

Таблица

Поверхности разрушений (Ω) композитного материала на микро-, мезо- и макромасштабном уровне и соответ-

ствующие им значения энергия (Е_и) и амплитуды (u_m) локационных импульсов

Параметры регистрируемых импульсов АЭ

Масштаб

Ω, мкм²

разрушения

Е_и, дБ

u_m, дБ

Микро

< 100

< 85

< 55

Мезо

100—1000

85—115

55—85

Макро

>1000

> 115

> 85

В качестве критериальных параметров для мониторинга весового содержания повреждений на

микро-, мезо- и макромасштабном уровне в структуре конструкционного материала предложено

использовать следующие характеристики локационных импульсов, контролируемые в процессе

АЭ-диагностики:

N_Σ

=N_Σ×n_j — суммарное количество локационных импульсов, где N_Σ — количество зареги-

стрированных АЭ-событий, nj — количество каналов в схеме локации (при линейной — nj = 2, при

планарной — n_j≥ 3);

N_Н, N_С, NВ — накопление локационных импульсов в кластерах нижнего, среднего и верхнего

энергетического уровня (N_Σ

= N_Н+ N_С+ N_В);

W_Н = (N_Н/N_Σ

) × 100 %, W_С = (N_С/N_Σ

) × 100 %, W_В = (N_В/N

) × 100 % — весовое содержание ло-

Σ_л

кационных импульсов в кластерах ниж

него, среднего и верхнего энергетического уровня;

Ń_Σ

— суммарная активность локационных импульсов;

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

Ń_Н, Ń_С, Ń_В — активность локационных импульсов в кластерах нижнего, среднего и верхнего

энергетического уровня (Ń_Σ

= Ń_Н+ Ń_С+ Ń_В).

На основании установленного соответствия между кинетикой разрушения структурных

связей в конструкционном материале на микро-, мезо- и макромасштабном уровне и регистри-

руемыми при этом импульсами АЭ, их энергетическими и темпоральными параметрами, раз-

работан универсальный алгоритм разделения локационных импульсов в поле дескрипторов

относительной энергии (Е_и) и усредненной частоте выбросов (N_и/τ_и) на Н, С, В кластеры с

ежесекундным мониторингом изменения критериальных параметров Ń_i и W_i [11—13]. Алго-

ритм регистрации АЭ-данных включает многоуровневую фильтрацию сигналов по полосе про-

пускания (Δf), амплитуде (u_m>u_th), длительности (τ_и) выбросам (N_и), их градацию по уровню

относительной энергии, разделение на энергетические кластеры в поле параметров Еи — N_и/τ_и,

визуализацию динамики параметров Ń_i и W_i на дисплее компьютера системы сбора и обработки

АЭ-данных в режиме нагружения исследуемого изделия.

Используя установленные закономерности между эволюцией разрушения структурных связей

композитного материала и динамикой изменения весового содержания локационных импульсов в

энергетических кластерах (см. рис. 1), на рис. 3а представлены графики параметров W_i, отражаю-

щие кинетику микро-, мезо-, макроповреждений, а на рис. 3б — снижение несущей способности

изделия в режиме нагружения.

P, кН

В_Wi, %

P, кН

W, %

160

180

140

160

[W_C]

140

120

100

В_W

WС

100

[W_Н]

τ₀

τ₁

τ₂

τ₁

τ₂

W_В

[W_В]

90 100 ε

/ε_В, %

30 40

60 70 80 90 100 ε₁/ε_В, %

Рис. 3. Зависимости изменения весового содержания локационных импульсов АЭ (W_i) в Н, С, В кластерах от уровня

соотношения j = ε₁/ε_В (а), графики изменения несущей способности ВWн и ВWс (б), построенные по формулам (3) и (4)

сопоставлением текущих и пороговых значений параметров W_Н и W_Св процессе нагружения изделия.

Как следует из динамики изменения параметров W_i на рис. 3a, в качестве наиболее информа-

тивных, отражающих перераспределение повреждений в структуре конструкционного материала,

могут быть использованы параметры весового содержания локационных импульсов в нижнем (W_Н)

и среднем (W_C) энергетических кластерах. Причем, если параметр W_Н может быть использован

для оценки суммарного уровня мезо- и макроповреждений: (dС + d_В) = 100 - d_Н, то W_C отражает

изменение только мезоповреждений. Сопоставление регистрируемого изменения этих параметров

относительно пороговых значений (100 - [W_Н] и [W_С]), регистрируемых при разрушении материа-

ла, дает возможность вычислять фактический уровень несущей способности (В_W) испытываемых

изделий в процессе их нагружения [11]. Так как уровень весового содержания импульсов в энер-

гетических кластерах на стадии τ₀ — рассеянного накопления повреждений, как правило,отлича-

ется от условно принятого в модели СФК (см. рис. 1) и составляющего 100 % для W_Н, то для оцен-

ки параметров В_W

и В

, характеризующих несущую способность изделий вводятся поправочные

W_C

коэффициенты K_Н и KC, с учетом которых формулы для их подсчета примут следующий вид:

−

[

]

[

]

−W

;

(2)

(

)

(

)

100−

[

]

[

]

Величина коэффициентов K_Н и K_C зависит от начальной поврежденности материала, т.е. весо-

вого содержания импульсов в энергетических кластерах на стадии τ₀, и вычисляется с учетом экс-

тремальных значений параметров (W_H)_max и (W_C)_min, регистрируемых при переходе от рассеянного

к локальному накоплению повреждений (см. рис. 3a):

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

100−

[

]

[

]

;

(3)

(

)

−

[

]

[

] (

)

max

min

Как показали тестовые испытания образцов и изделий [22—24], при упругих деформациях на

стадии рассеянного накопления повреждений наряду с микроразрушениями регистрируются раз-

рушения и на других структурных уровнях. Причем при переходе на стадию локального накопле-

ния повреждений в зонах концентраторов весовое содержание локационных импульсов в нижнем

и среднем кластерах достигает экстремальных значений: WН = 75—80 % и WС + WВ = 20—25 %

(см. рис. 3а). Следовательно, начальный уровень поврежденности при переходе на стадию τ₁ может

быть принят соответствующим 100 % несущей способности изделий, если весовое содержание

регистрируемых при этом импульсов составляет: (W_Н)_max ≥ 80 %, (W_С+ W_В)_min ≤ 20 %.

С учетом поправочных коэффициентов текущий уровень несущей способности B_Wi, вычисляе-

мый по параметрам W_Н и W_С, [W_Н] и [W_С], может быть определен из (2):

−

[

]

−

[

]

⋅100 %,

(4)

(

)

−

[

]

80−

[

]

max

[

]

−

[

]

−

⋅100 %.

(5)

[

]-(

)

[

]

−

min

Как следует из представленных на рис. 3б графиков, значения несущей способности B_W

и B

W_С

вычисляемые с использованием взаимосвязанных параметров W_Н и W_С, [W_Н] и [W_С] по формулам

(4) и (5), могут несколько отличаться, что обусловлено влиянием параметра W_В, величина которого

не учитывается при подсчете B

[11].

W_С

Уровень возможной погрешности оценки значений B_W

и B подчитывают на основании раз-

W_С

броса параметров W_i и [W_i]:

= (η

)

+(η

(6)

)²

[

]

где η_W

и η[W

— экспериментально устанавливаемые значения разброса параметров W_i и [W_i] в до-

верительном интервале ±2S.

Целью рассматриваемых исследований является адаптация разработанной для конструкций из

композитных материалов концепции и методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки

несущей способности в режиме их нагружения, применительно к изделиям из конструкционных

сталей. Задача исследования заключалась в тестировании выбранных границ нижнего, среднего

и верхнего энергетических кластеров, формируемых локационными импульсами в поле параме-

тров относительной энергии и усредненной частоты выбросов, обеспечивающих достоверную АЭ-

диагностику весового содержания микро, мезо и макроповреждений в структуре конструкционных

сталей.

2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И СРЕДСТВА

ДИАГНОСТИКИ

Тестирование методологии мониторинга кинетики повреждений на разных масштабных уров-

нях с оценкой текущего значения несущей способности осуществлялось в ходе стендовых испыта-

ния образцов из конструкционных сталей Ст3, Ст20, 16ГС, 08Х18Н10Т на разрыв, в том числе при

наличии концентраторов в виде отверстий и сварных швов [22—24]. Ниже рассмотрено тестирова-

ние методологии при испытаниях на трещиностойкость партии образцов с центральным боковым

надрезом (БН) из стали 08Х18Н10Т. Всего было подготовлено к испытаниям 12 образцов с габа-

ритными размерами 300×20×12 мм, шесть из которых (БН-1, …, БН-6) были испытаны при ступен-

чатом приложении растягивающей нагрузки, а остальные шесть (БН-7, …, БН-12) при цикличе-

ском. На рис. 4 показано испытание на разрыв образца серии БН в захватах установки «Shimadzu»

(Япония). Мониторинг накопления повреждений в зоне надреза осуществлялся с применением

преобразователей R15α—AST (фирмы «Mistras», США), системы A-Line 32D (ООО «Интерюнис-

ИТ», РФ) и цифрового микроскопа «Olympus» (Япония), нагружающей установки Shimadzu.

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

Рис. 4. Испытания на разрыв стального образца с боковым надрезом с применением АЭ-диагностики и видеосъемки:

1 — образец; 2 — рабочие ПАЭ; 3 — сторожевые ПАЭ; 4 — датчик раскрытия трещины.

3. АЭ-ДИАГНОСТИКА СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ В УСЛОВИЯХ СТУПЕНЧАТОГО

ПОВЫШЕНИЯ НАГРУЗКИ

При испытаниях образцов БН-1, …, БН-6 на трещиностойкость их нагружение осуществлялось

ступенчато в ручном режиме с выдержкой на полках не менее 5 с. На рис. 5а показано измерение

подрастания трещины (ΔL) и ее раскрытия (Δd) с применением датчика Epsilon 3541 COD (ком-

пания «Epsilon», США) от действия растягивающей нагрузки, а на рис. 5б приведены графики

изменения величины раскрытия трещины (Δd) и уровня прикладываемой нагрузки (Р) в ходе ис-

пытания образца БН-5.

Δδ, мм

Р, кН

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

τ₀

τ₁

τ₂

τ₃

1,0

0,5

100

125

τ, с

Рис. 5. Измерение раскрытия (δ—δ₀) и подрастания тещины (L₀—ΔL) в зоне надреза (а), графики изменения рас-

крытия трещины (Δδ) и уровня прилагаемой нагрузки (Р) в процессе деформирования образца БН-5 (б); δ₀ и L₀ —

начальные размеры.

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

В процессе АЭ-диагностики образцов использовали следующие настройки аппаратуры: порог

дискриминации сигналов u_th=40 дБ, полоса пропускания фильтров Δf = 100—300 кГц, SCETO —

200 мкс. Как показали проведенные экспериментальные исследования, в том числе рассмотренные

в публикациях [22—24], в связи с более высокой пластичностью конструкционных сталей по срав-

нению с ПКМ, энергия, выделяемая при разрушении их структурных связей на одном и том же мас-

штабном уровне примерно на 5—15 дБ ниже, чем в ПКМ. Для разделения локационных импульсов

на энергетические кластеры в поле дескрипторов Е_и—N_и/τ_и, на основании проведенных тестовых

экспериментов применительно к выбранным аппаратурным настройкам были установлены следу-

ющие интервалы параметров: Е_и< 80 дБ, N_и/τ_и= 20—200 кГц — для Н кластера; Е_и = 80—100 дБ,

N_и/τ_и= 40—180 кГц — для С кластера; Е_и >100 дБ, N_и/τ_и= 60—160 кГц — для В кластера.

На рис. 6 представлены результаты АЭ-диагностики, полученные при испытаниях образца с

боковым надрезом серии БН-5 на трещиностойкость.

Потеря несущей способности образца произошла на 148 с эксперимента при уровне растяги-

вающей нагрузки Р_В= 35,6 кН и размере раскрытия трещины δ = 3,5 мм. Как следует из графика

6а, наибольшая плотность индикаций источников АЭ, достигающая 100 ед/мм, регистрировалась

на расстоянии ±10 мм от места надреза образца. Всего в ходе испытания было зарегистрировано

(N_S)_л = 1360 ед. индикаций источников АЭ. Анализ процессов, представленных на графиках 6б—е,

свидетельствует о том, что накопление повреждений в структуре конструкционного материала мо-

жет быть разделено на следующие характерные стадии: τ₀= 0—29 с, τ₁= 30—60 с, τ₂= 61—115 с,

τ₃= 116—148 с.

Рис. 6. Результаты АЭ-диагностики при испытаниях образца БН-5 на трещиностойкость: графики координатной локации

источников АЭ (а); накопления локационных импульсов каналами АЭ-системы (б) и их длительности (в); распределения

сигналов в энергетических кластерах (г) на момент завершения испытаний (148 с); динамики активности АЭ (д) и весо-

вого содержания (е) сигналов в Н, С, В кластерах.

На стадии τ₀ при повышении уровня нагрузки до 30 кН, как видно из рис. 5б, материал в об-

ласти надреза деформировался упруго, после чего на стадии τ₁, начиная с 30 с испытания (графики

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

6б, 6д) при переходе материала в упругопластическое состояние отмечалась непрерывная эмиссия,

когда из-за высокой плотности сигналы, слипаясь, образовывали непрерывный поток осцилляций.

После 60 с нагружения на стадии τ₂непрерывная эмиссия сменилась дискретной, что сопро-

вождалось восстановлением динамики регистрируемых параметров: накоплением импульсов ка-

налами аппаратуры (график 6б), снижением длительности импульсов τ_и ≤ 5000 мкс (график 6в),

возрастанием активности АЭ в Н и С кластерах до 8—10 им/с (график 6д), сопровождаемое паде-

нием параметра WН с 78 до 57 % и синхронным ростом параметра W_С от 22 до 43 %, что отражает

уменьшение несущей способности В_W с 78 до 50 % (график 6е).

На стадии τ₃произошло резкое повышение активности АЭ не только в кластерах Н и С, но и в

кластере В, достигающее соответственно до Ń_Н=16 им/с, Ń_С= 18 им/с и Ń_В= 6 им/с, сопровождае-

мое изменением весового содержания локационных импульсов. В период с 116 по 148 с испытания

образца, параметр W_Нпоследовательно снижался с 54 до 37 %, а параметр W_С синхронно возрастал

от 46 до 63 % (потери образцом на 148 с испытания несущей способности), W_В был ниже 1 %.

На графике 6е штриховой линией показано изменение уровня несущей способности В_W образца

БН-5 в процессе его растяжения. Линия В_W построена с использованием расчетно-эксперименталь-

ной зависимости (4), сопоставлением текущих и пороговых значений весового содержания лока-

ционных импульсов в Н кластере.

Для проведения цифровой микроскопии структуры образца в зоне надреза его поверхность в

области контрольной точки (светлое пятно вблизи т. О на рис. 5а) подвергалась предварительному

полированию и электрохимическому травлению. Фрагменты структуры материала, представлен-

ные на рис. 7, зарегистрированные в т. О при размере раскрытия берегов трещины d = 0,25, 1,75,

3,0, 3,25 мм и уровне несущей способности B_W= 100, 60, 40, 20 %, наглядно демонстрируют эво-

люцию разрушения аустенитной стали 08Х18Н10Т в зоне локальной пластической деформации.

Так, если на снимке 7а отсутствует какие-либо заметные признаки фрагментации структуры ма-

териала, то на следующих снимках 7б—г они явно просматриваются. На снимке 7б видны образу-

ющиеся полосы скольжения и четко различимые блоки и зерна процесса фрагментации структуры

материала. Снимки 7в и 7г отображают эволюцию структуры материала на стадии предразрушения

аустенитной стали, характеризуемую дальнейшей ее фрагментацией, образованием и развитием ми-

кротрещин по границам блоков и зерен, их слиянием и возникновением мезо- и макромасштабных

трещин.

δ = 0,25 мм, В_W=100 %

δ = 2,35 мм, В_W=60 %

δ = 3,25 мм, В_W= 20 %

=40 %

δ = 3,0 мм, В_W

Рис. 7. Эволюция структуры аустенитной стали 08Х18Н10Т, зарегистрированная в процессе деформирования образца

при размере раскрытия трещины δ = 0,25, 1,75, 3,0, 3,45 мм и уровне несущей способности В_W=100, 60, 40, 20 %.

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

Таблица

Результаты испытаний образцов БН-1, …, БН-6

№ образца

∆τ, c

Р_В, кН

ε_В, %

(N_S)_л, ед.

[W_H], %

[W_C], %

БH-1

112

34,7

6,22

1031

БH-2

131

35,1

6,24

1725

БH-3

105

34,2

5,72

789

БH-4

156

36,1

6,78

2633

БH-5

148

35,6

6,32

1360

БH-6

125

34,4

6,18

988

-=Σa_i/n

130

35,0

6,23

1390

0,73

0,34

685

3,51

η=2S/a

-, %

4,17

11,05

49,6

18,96

9,73

В табл. 2 приведены результаты испытания образцов БН-1, …, БН-6 на трещиностойкость,

зарегистрированные в момент потери несущей способности, которые включают: длительность

нагружения (Δτ), предельную нагрузку (Р_В) и деформацию (ε_В), количество накопленных АЭ-

событий (N_Σ)_л, пороговые значения параметров [W_H] и [W_C], а также результаты статистической

обработки этих параметров для испытанных образцов (среднее выборочное значение ( p ), сред-

нее квадратичное отклонение (S) и разброс (η), определенный в интервале ±2S).

Как следует из табл. 2, при достаточно низком уровне разброса предельных нагрузок и дефор-

маций, не превышающем в выборках 4 и 11 % соответственно, величина разброса η накоплен-

(N_Σ)_л

ных АЭ-событий достигала 50 %. Разброс весового содержания импульсов АЭ в кластерах Н и С

был заметно ниже и составлял η_W

=19 %, η

=10 %. По результатам статистической обработки па-

W_С

раметров W_H и W_C, зарегистрированным при испытаниях образцов БН-1, …, БН-6 при повышении

соотношения j = ε₁/ε_В от 10 до 100 %, на рис. 8 построены графики изменения средних выборочных

значения параметров (W

)и (W

) и значений их разброса η_Wi в интервале ±2S (а), а также уровня

несущей способности (B_W) и оценки погрешности η (б).

B_W

W_i, %

η_Wi B_W, %

, %

B_Wi

W_С

B_W

W_Н

η_В

η_W

W_С

В_С

90 100 ε₁/ε_В, %

Рис. 8. Графики изменения средних выборочных значений параметров (W

) в Н и С кластерах и уровни их разброса η_Wi

в интервале ±2S (а), используемые для контроля несущей способности (B_W) образцов БН-1, …, БН-6 и оценки погреш-

ности η (б) при росте соотношения j от 10 до 100 %.

B_W

Как следует из рис. 8а, при увеличении соотношения j в интервале от 0,1 до 0,6 наиболее ин-

формативным является параметр W_Н, средний уровень которого в анализируемых выборках из-

менялся от 78 до 49 %. При этом величина разброса этого параметра в интервале 2S находилась в

пределах η

=15—26 %. В интервале j = 0,6—1,0 наиболее информативным становится параметр

W_Н

W_С, среднее выборочное значение которого возросло с 51 до 66 %, а величина разброса снижалась

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

с (η_W

)_0,6 = 22 % до (η_W

)_1,0 = 10 %. На рис. 8б по формуле (6) с использованием значений разброса

(η_W

)_j и (ηW

)_j параметров WН и WС построен график возможной погрешности (η

) оценки снижения

среднего уровня несущей способности

B >) образцов БН-1, …, БН-6 при росте j от 10 до 100 %.

4. АЭ ДИАГНОСТИКА СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО

НАГРУЖЕНИЯ

Усталостные испытания образцов БН-7, …, БН-12 проводились при максимальной амплитуде

отнулевого цикла Р_а = 7 кН, составляющей 20 % от предельной растягивающей нагрузке Р_В = 35 кН

при статическом нагружении (см. табл. 2), и частоте приложения нагрузки f = 4 Гц. По результатам

предварительных испытаний настройки АЭ-системы A-Line 32D были приняты такими же, как и

при ступенчатом нагружении образцов БН-1, …, БН-6.

Ниже рассмотрены усталостные испытания образца БН-7, которые продолжались в течение

18660 циклов нагружения, когда подрастающая трещина в зоне надреза перешла середину образца

(т. О на рис. 5), что сопровождалось падением несущей способности ниже 10 % и снижением мак-

симального уровня амплитуды Р_а в циклах нагружения.

На графиках рис. 9 приведены результаты АЭ-диагностики, полученные в ходе усталостных

испытаний образца БН-7.

Всего в ходе АЭ-диагностики в условиях циклического нагружения образца БН-7 было за-

регистрировано N_Σл = 66074 индикаций источников АЭ. Наибольшая их плотность, достигающая

9500 ед/мм, регистрировалась в зоне бокового надреза (график 9а). Как следует из анализа гра-

фиков на рис. 9, процесс АЭ диагностики образца БН-7 в ходе циклического нагружения, отража-

ющий накопление повреждений в его структуре, может быть разбит на следующие характерные

стадии: τ₀ = 0—440 с, τ₁ = 441—1055 с, τ₂= 1056—2563 с, τ₃ = 2564—3861 с, τ₄ = 3862—4156 с,

τ₅ = 3157—4665 с.

Рис. 9. Результаты АЭ-диагностики, зарегистрированные при усталостных испытаниях образца БН-7 с максимальной

амплитудой отнулевого цикла Р_а= 7 кН и частотой приложения нагрузки f = 4 Гц. Приведены графики координатной

локации источников АЭ (а); динамики накопления АЭ-событий (б); максимальной амплитуды (в) и распределения лока-

ционных импульсов в энергетических кластерах (г); их активности (д) и весового содержания в Н, С, В кластерах (е).

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

В начальный период τ₀ циклического нагружения активная регистрация локационных им-

пульсов происходила непосредственно в зоне надреза, амплитуда которых достигала u_m=72 дБ

(см. график 9в). До 440 с испытания наибольшая активность локационных импульсов ŃН = 30 им/с

отмечалась в кластере Н, тогда как активность АЭ в кластере С не превышала ŃС = 5 им/с (гра-

фик 9д). Такой характер накопления локационных импульсов отразился на их весовом содержании

в энергетических кластерах, достигающих, как видно из графика 6е, своих экстремальных значе-

ний: W_Н= 78 %, W_С= 22 %. При этом начальный уровень несущей способности образца, вычислен-

ный по параметрам W_H и [W_H] согласно формуле (4), составлял порядка В_W= 98 %.

На стадии τ₁ максимальная амплитуда локационных импульсов несколько снизилась до u_m=

= 60—67 дБ (см. график 9в), а активность их регистрации в кластерах Н и С выровнялась и со-

ставила: Ń_Н = 10—15 им/с и Ń_Н = 5—12 им/с (график 9д). Весовое содержание локационных им-

пульсов в период τ₁ сохранялось достаточно стабильным на уровне WН = 73—75 %, W_С= 25—28 %

(см. график 9е). При этом текущий уровень несущей способности образца в зоне концентратора к

1100 с испытания снизился до В_W= 90 %.

Стадия τ₂ характеризуется резким возрастанием активности локационных импульсов в сред-

нем энергетическом кластере, которая в период 1350—1400 с испытания повышалась до Ń_С= 35—

40 им/с, тогда как уровень параметра Ń_Нне превышал 10 им/с (см. график 9д). Такое резкое изме-

нение активности АЭ в энергетических кластерах отражалось и на динамике весового содержания

локационных импульсов. В период τ₂ происходило снижение параметра W_Н с 73 до 43 % при син-

хронном росте W_С от 27 до 57 %, что отразилось на уровне несущей способности В_W, уровень кото-

рой упал с 90 до 34 % (см. график 9е). При этом амплитуда регистрируемых импульсов постепенно

возрастала от 63 до 73 дБ (см. график 9в).

На стадии τ₃ произошла стабилизация активности и весового содержания локационных им-

пульсов в энергетических кластерах. Накопление импульсов происходило не только в нижнем и

среднем кластере, но и верхнем с уровнем Еи > 100 дБ (см. график 9д). Если значение параметра Ń_Н

колебалось в пределах 15—25 им/с, а параметра ŃС от 20 до 50 им/с, то уровень активности Ń_В до

3600 с испытания не превышал 5 им/с, после чего повышался до 10—15 им/с. При этом параметр

W_Н снижался с 43 до 39 %, W_С возрастал от 57 до 61 %, W_В был ниже 1 % (см. график 9е). Уровень

несущей способности образца БН-7 в период τ₃ упал с 34 до 18 %. Максимальная амплитуда ло-

кационных импульсов в этот период достигала u_m= 75 дБ и сохранялась на этом уровне до 3650 с

испытания, после чего начала заметно снижаться (см. график 9в). Такое снижение происходило на

фоне снижения уровня максимальной амплитуды в циклах нагружения.

На стадии τ₄были заменены силовые штифты оправок в захватах образца, из-за износа которых

снижался заданный уровень нагрузки.

На стадии τ₅ отмечался рост значений амплитуды регистрируемых импульсов, максималь-

ный уровень которой достигал u_m = 75—77 дБ (см. график 9в). Однако, после 18400 циклов

нагружения (4600 с испытания) вследствие критическим ростом усталостной трещины в зоне

бокового надреза и снижения несущей способности образца В_W<5 %, уровень прикладываемой

нагрузки стал резко падать. При этом уровень критериальных параметров составлял: W_Н = 37 %,

W_С = 63 % (см. график 9е).

В табл. 3 приведены результаты АЭ-диагностики образцов БН-7, …, БН-12, полученные в ходе

их усталостных испытаний при максимальной амплитуде отнулевого цикла Р_а = 7 кН и частоте

приложения нагрузки f = 4 Гц. Результаты включают длительность испытаний (Δτ), число циклов

нагружения до потери образцами несущей способности nB ≤ 5 %, суммарное количество зареги-

стрированных АЭ-событий (N_Σ)_л, пороговые значения параметров [W_H] и [W_С], результаты стати-

стической обработки анализируемых характеристик (р): средних значения ( p ), средних квадратич-

ных отклонений (S) и уровней разброса (η) в интервале ±2S.

По результатам статистической обработки параметров W_H и W_C, зарегистрирован-

ным при испытаниях образцов БН-7, …, БН-12 при росте соотношения j = n_j/n_В от 10 до

100

%, на рис. 10 построены графики изменения средних выборочных значения пара-

метров (W

)и

W ) и значений их разброса η_Wi в интервале ±2S (а), а также уровня несу-

щей способности (B_W) и оценки погрешности η_B

(б). Величина погрешности η оцен-

B_W

ки несущей способности B_W, вычисляемая с применением формулы (6) по уровню раз-

броса параметров (η_W

)j≤0,6, (η_W

)j>0,6 и их пороговых значений η[WН] и η[WC], определенная

по результатам статистической обработки весового содержания локационных импуль-

сов, полученных при циклическом нагружении образцов БН-7, …, БН-12 в диапазоне

n_j/n_В=0,1—1,0, оказалась примерно на 5—10 % больше значений погрешностей, подсчитанных

по данным ступенчатого нагружения БН-1, …, БН-6 в диапазоне ε₁/ε_B= 0,1—1,0.

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

Таблица

Результаты усталостных испытаний образцов БН-7, …, БН-12

№ образца

Δt, c

n_B, ед.

(N_S)_л, ед.

[W_H], %

[W_C], %

БН-7

4665

18420

66074

БН-8

4873

19492

72278

БН-9

4944

20215

86532

БН-10

5072

21374

91447

БН-11

5190

21877

117659

БН-12

5332

22346

126862

-=Σр_i/n

5013

20621

93475

237,50

1510,23

24298

2,16

η=2S/p

-, %

Несмотря на различии методик нагружения образцов, тренды изменения средних выборочных

значений весового содержания локационных импульсов в Н и С кластерах имели сходную направ-

ленность, а их расхождение для соответствующих значений j не превышало границ имеющегося

разброса параметров W_Н и WС в интервале ±2S. Полученные тренды средних выборочных значений

параметров W_Н и W_С и уровни их разброса в интервале ±2S согласуются с результатами, приведен-

ными в [22—24].

η_Wi, %

B_W, %

W_i, %

B_W

, %

W_Н

η_B

W_Н

B_W

90 100 n/nВ, %

90 100 n_j/n_В, %

Рис. 10. Графики средних выборочных значений параметров W

кластерах Н, С и уровни их разброса η_Wi в интервале

±2S (а), используемые для подсчета несущей способности В_W и оценки ее погрешности η (б), при изменении соотно-

В_W

шения j от 10 до 100 %.

ВЫВОДЫ

1. Разработанная для композитных материалов методология кинетики накопления поврежде-

ний и оценки несущей способности конструкций в режиме их нагружения с применением АЭ-

диагностики была протестирована в условиях статических и циклических испытаний стальных

образцов от действия растягивающих нагрузок. Наряду с выше рассмотренными эксперименталь-

ными исследованиями образцов из стали 08Х18Н10Т, разработанная методология тестировалась

при статическом и циклическом нагружении образцов и изделий из конструкционных сталей Ст3,

Ст20, 16ГС, в том числе с концентраторами в виде отверстий, надрезов и сварных швов [22—24].

2. Методология кинетики накопления повреждений и оценки несущей способности конструк-

ций с применением АЭ-диагностики была адаптирована применительно к эволюции разрушения

стальных изделий. В связи с более высокой пластичностью конструкционных сталей по сравнению

Дефектоскопия

№ 9

2022

Адаптация методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки...

с композитными материалами, упругая энергия (Е_и) импульсов АЭ, генерируемых при разрушении

структурных связей на одном и том же масштабном уровне, примерно на 5—15 дБ ниже, чем в

ПКМ. Поэтому основной задачей адаптации являлось установление корректных границ относи-

тельной энергии (Е_и) для разделения регистрируемых импульсов АЭ на кластеры нижнего, среднего

и верхнего энергетического уровня, характерные для микро-, мезо- и макроразрушений структуры

конструкционных сталей в процессе их деформирования в зависимости от применяемых настроек

аппаратуры, в том числе порога дискриминации сигналов (u_th) и полосы пропускания цифровых

фильтров (Δf). При проведении АЭ-диагностики в условиях статических и циклических испытаний

образцов и изделий из конструкционных сталей при u_th= 40 дБ и Δf = 30—500 кГц установлены сле-

дующие границы энергетических кластеров: Е_и< 80 дБ — Н кластер, Е_и = 80—100 дБ — C кластер,

Еи^{> 100 дБ — B кластер.}

3. Следует отметить, что процесс АЭ-диагностики стальных изделий сопряжен с особенностя-

ми, характерными как для статического, так и циклического нагружения:

при переходе от упругого к упругопластическому деформированию большинства конструкци-

онных сталей в диапазоне деформаций ε₁ = 0,5—3,0 % часто возникает непрерывная эмиссия, пре-

пятствующая контролю дискретного накопления локационных импульсов, а, следовательно, мони-

торингу кинетики повреждений и оценки несущей способности конструкций;

в условиях циклического нагружения стальных изделий в процессе развития усталостных тре-

щин наряду с импульсами, генерируемыми структурными разрушениями материала, регистрируют

сигналы эффекта Элбера [25—27], вызванного смыканием и размыканием берегов подрастающей

трещины, амплитуда которых превышает 65 дБ (см. стадии τ₂, τ₃, τ₅ на графике 9в).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20-

19-00769).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Махутов Н.А. Безопасность и риски: системные исследования и разработки. Новосибирск: Наука,

2017. 724 с.

2. Москвичев В.В., Махутов Н.А., Шокин Ю.И., Лепихин А.М., Анискович Е.В., Буров А.Е.,

Гаденин М.М., Готовко С.А., Доронин С.В.,. Кашубский Н.И,. Москвичев Е.В, Москвичева Л.Ф., Рейз-

мунт Е.М., Суходоева Н.В., Федорова Е.Н., Филиппова Ю.Ф., Чабан Е.А., Черняев А.П., Черняко-

ва Н.А. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических си-

стем. Новосибирск: Наука, 2021. 796 с.

3. Kukudzhanov V. N. Numerical continuum mechanics /Berlin: De Gruyer, 2012. 425 р.

4. Murakami S. Continuum damage mechanics. A continuum mechanics approach to the analysis of damage

and fracture. Dordrecht: Springer, 2012. 402 р.

5. Czichos H. Physics of failure. Handbook of technical diagnostics / Ed. By H. Czichos. Berlin —

Heidelberg: Springer —Verlag, 2013. 560 p.

6. Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. Switzerland AG: Springer Nature, 2019. 259 р.

7. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312 с

8. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 2014. 752 с.

9. Структурные уровни пластической деформации и разрушения /Под ред. В.Е. Панина. Новоси-

бирск: Наука, 1990. 255 с.

10. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом

теле как многоуровневой иерархически организованной системе // УФН. 2012. Т. 182. № 12. С. 1351—1357.

11. Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Елизаров С.В. Оцен-

ка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции

повреждений и акустико-эмиссионной диагностики // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.

2022. № 1. С. 69—81.

12. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование на раз-

рыв армирующих волокон и однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии //

Приборы и техника эксперимента. 2022. № 2. С. 109—117.

13. Matvienko Y.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic

emission combined with video recording // Acta Mechanica. 2021. V. 232. P. 1889—1900.

14. Shehadeh M., Osman A., Elbatran A.A., Steel J., Reuben R. Experimental Investigation Using Acoustic

Emission Technique for Quasi-Static Cracks in Steel Pipes Assessment // Machines. 2021. V. 9. No. 73.

15. Akbari Meysam, Ahmadi Mehdi. The application of acoustic emission technique to plastic deformation

of low carbon steel // Physics Procedia. 2019. V. 3. No. 6. P. 795—801.

16. Степанова Л.Н., Батаев В.А., Чернова В.В. Определение связи структуры образцов из угле-

пластика с параметрами сигналов акустической эмиссии при одновременном статическом и тепловом

нагружении // Контроль. Диагностика. 2019. № 11. С. 4—13.

Дефектоскопия

№ 9

2022

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

17. Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л. Природа акустической эмиссии при деформационных процессах

в металлических материалах // Физика низких температур. 2018. Т. 44. № 9. С. 1186—1195.

18. 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. No. 6. Р. 516—524.

19. Kietov V., Henschel S., Krüger L. Study of dynamic crack formation in nodular cast iron using the

acoustic emission technique // Engineering Fracture Mechanics. 2018. V. 188. No. 1. Р. 58—69.

20. 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.

21. Li Dong-sheng, Ou Jin-ping. Acoustic Emission Characteristics and Damage Evolution Model of Steel

Strands in Tensile Test // Journal of Highway and Transportation Research and Development. 2008. V. 3 (1).

P. 87—90.

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

ний в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии // Проблемы маши-

ностроения и автоматизации. 2020. № 2. С. 118—141.

23. Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Терентьев Е.В. Кинетика процесса на-

копления повреждений и разрушения в зонах концентраторов при испытаниях образцов на разрыв //

Дефектоскопия. 2021. № 1. С. 33—44.

24. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Диагностика разрушений и повреждений акустико-

эмиссионным методом // Приводы и компоненты машин. 2018. № 5. С. 13—18.

25. Deschanel S., Ben Rhouma W., Weiss J. Acoustic emission multiplets as early warnings of fatigue

failure in metallic materials // Scientific Reports. 2017. V. 7. No. 13680.

26. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит. 2006. 318 с.

27. Elber W. Fatigue crack closure under cyclic tension // Eng. Fract. Mech. 1970. V. 2. No. 1. P. 37—45.

Дефектоскопия

№ 9

2022