Качество конструкционного материала определяется безотказностью его работы. С этой точки зрения отказ означает либо разрушение, ограниченное повреждение, потерю герметичности либо накопление чрезмерных деформаций. Важнейшими показателями качества материала являются характеристики сопротивления деформированию и разрушению. К ним относятся, в первую очередь, такие характеристики, как предел текучести материала, временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва.

В то же время установить зависимость поведения материала в условиях эксплуатации от указанных механических характеристик расчетным путем можно лишь в первом и довольно грубом приближении. Объясняется это следующими причинами. Механические характеристики носят условный характер и определяются в упрощенных условиях, не соответствующих эксплуатационным по геометрии объектов испытания, законам нагружения, видам напряженно-деформированного состояния, количеству и законам изменения различных внешних факторов и фактора времени. Естественные колебания химического состава и структуры, а также их изменения в процессе эксплуатации приводят к тому, что экстраполяция результатов измерения механических характеристик при выборочных разрушающих испытаниях образцов на материал рабочих деталей, узлов, агрегатов не может быть выполнена с большой точностью. И, наконец, случайный характер внешних воздействий приводит к невозможности точного описания эксплуатационного поведения материала или конструкции даже при точно известных механических характеристиках материала.

Возможными путями преодоления указанных трудностей являются:

Решение этих проблем позволит повысить достоверность априорных оценок эксплуатационного поведения материалов (конструкций); установить научно обоснованные нормы приемки промышленной продукции; организовать, при необходимости, сплошной стопроцентный контроль механических свойств материала непосредственно на рабочих экземплярах конструкций; значительно снизить или вообще ликвидировать случаи непредвиденных отказов; установить оптимальные сроки профилактических ремонтов.

Для решения указанных проблем могут быть использованы упругие акустические волны, возникающие при деформировании материала и обусловленные резкими изменениями его структуры. Процесс испускания акустических волн называется акустической эмиссией (АЭ), а переменная стохастическая физическая величина, несущая информацию об акустической эмиссии, — сигналом АЭ. Параметры сигналов АЭ, связанных с локальными перестройками структуры материалов, коррелируют с параметрами кинетики развития дефектов и разрушения материала. Одним из источников деформационных сигналов являются процессы движения дислокаций, сигналы АЭ которых коррелируют с дискретным механизмом пластической деформации и скачками на диаграмме упрочнения. С помощью деформационных сигналов достаточно надежно обнаруживаются фазовые превращения в материалах. Регистрация деформационных сигналов является одним из методов исследования процессов образования и развития трещин.

Результаты физических исследований акустических волн, связанных с деформированием материалов, показывают, что на основе этого явления можно создать эффективные методы неразрушающего диагностического контроля состояния материалов для оценки опасности возникшей ситуации и близости момента отказа (разрушения). Подобные предпосылки уже нашли конкретное воплощение в аппаратуре и методах диагностики материалов конструкций. В настоящее время проводится значительная работа по применению акустической эмиссии для неразрушающей диагностики конструкционных машиностроительных материалов. Разработанные методы диагностического контроля и необходимая для этих целей аппаратура предоставляют широкие возможности для неразрушающей диагностики сосудов давления, сварных и клеевых соединений, обнаружения усталостных трещин, изменений структуры материалов.

Полученные результаты показывают, что с помощью метода акустической эмиссии можно измерять уровень напряжений (деформаций) материала конструкции, обнаруживать развивающиеся дефекты и определять их координаты, оценивать степень опасности дефектов, а также решать другие задачи при оценке состояния конструкций и сооружений. Однако эти методы не нашли пока широкого практического применения. Объясняется это их относительной новизной, наличием ряда нерешенных еще вопросов теории и практики, а также отсутствием систематизированной информации, доступной широкому кругу специалистов, о сущности и возможностях методов, их достоинствах и недостатках, рациональных областях применения.

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

Одной из форм деформации кристаллов является двойни кование и заключается в повороте узлов решетки одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Переход решетки в новое состояние происходит скачкообразно с большой (околозвуковой) скоростью, что приводит к появлению упругих волн деформаций. Причиной появления упругих волн являются также скачкообразные перемещения дислокаций по линиям скольжения. Движение дислокаций в этих случаях происходит в направлении границ зерен. На границах зерен может концентрироваться достаточно большое количество дислокаций, образуя микротрещины. Опыт и расчеты показывают, что для образования исходной для развития трещины достаточно перемещения и слияния 300 дислокаций. Повышение деформирующих кристалл усилий и наличие концентрации напряжений в устье такой микротрещины приводит к ее дискретному росту, сопровождающемуся излучением волн.

При механическом или тепловом воздействии на материал, находящийся в твердом состоянии, в нем могут происходить фазовые превращения. Превращения мартенситного типа представляют собой сдвиговые коллективные перемещения атомов и, как правило, сопровождаются изменением формы. При этом процессе наблюдается импульсное воздействие превращенной структуры на окружающую среду, что вызывает появление в материале механических волн. Пластическое деформирование материалов происходит также скачкообразно, что наблюдается обычно на диаграммах, записываемых аппаратурой при разрушении образцов. Изучение этого явления показывает, что для некоторых материалов лавина скачков приводит к кратковременному приросту абсолютной деформации за короткий промежуток времени. Механизм этого явления с дислокационных воззрений объясняется следующим образом. При движении дислокаций во время пластического деформирования материала происходит местная задержка их у различных препятствий. Самопроизвольное либо инициированное преодоление дислокациями таких препятствий приводит к быстрым местным сдвигам, сумма которых дает обычно наблюдаемый деформационный скачок. Таким образом, происходит динамическое перераспределение деформаций и напряжений, что порождает в материале механические волны.

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

Максимальные амплитуды и спектр частот указанных смещений должны зависеть от импульсов, вызвавших эмиссию. Так, амплитуды смещений, порождаемых движением микротрещины, должны значительно превосходить таковые для случая движения отдельных дислокаций. Поэтому, несмотря на сложный вид каждой отдельной реализации рассматриваемой случайной функции во времени, при достаточно широком диапазоне деформаций материала на фоне относительно слабого изменения функции, должны иметься отдельные импульсы большой амплитуды.

В конечном счете, сигналы акустической эмиссии можно разделить на два основных типа:

Оба типа излучения существуют либо со сдвигом во времени, либо одновременно.

Современная аппаратура принимает и обрабатывает раздельно оба типа сигналов, что дает возможность выделить из процесса деформирования материала моменты, связанные с формированием опасных в будущем зон и моменты, связанные с развитием процессов разрушения в этих зонах.

На рис.1 представлена суммарная осциллограмма АЭ излучения, возникшая при растяжении образца из стали 09Г2С и соответствующая определенному моменту разрушения структуры материала. Осциллограмма типична для деформирующихся материалов. Из диаграммы видно, что как амплитуда, так и частота АЭ излучения переменны в каждый момент времени и отражают сложные процессы деформирования и разрушения материала.

Из сказанного выше можно сделать основной вывод, что практически все процессы, протекающие в материалах при разрушении, носят дискретный характер, как на микро- (перемещения дислокаций), так и на макроуровне, когда в устье развивающейся трещины образуются источники новых дислокаций, определяющих пластическое течение в устье трещины и следующее за ним разрушение. В этом случае на всех этапах разрушения математическая модель процесса может строиться на основе импульсных точечных источников возбуждения среды, распределение, интенсивность и сумма которых могут описывать акустическую эмиссию. Изучение АЭ при деформировании многих материалов подтверждает представленную модель. На рис.2 представлена схема образования микротрещины при слиянии дислокаций на границе зерна. На рис.2,а представлены дислокации, которые при приложении некоторых усилий начинают перемещаться к границе зерна. Условие движения дислокаций может быть записано как

Здесь σ_th — теоретический предел прочности материала; τ_H — начальные напряжения в дислокациях, обусловленные дефектами структуры, τ_c — напряжения, необходимые для смещения одной дислокации по линии скольжения, n — число дислокаций в кристалле.

Представленная зависимость является исходной в квантовой механике разрушения. Она определяет условия начала движения дислокаций вдоль линий скольжения и условия формирования микро- и макротрещин, увязывая параметры, характеризующие процессы разрушения материала с коэффициентом интенсивности напряжений.

Сравнительно простое выражение (1) достаточно сложно в расчетах из-за неопределенности для реальных материалов входящих в него величин. В настоящее время специалисты в области квантовой механики разрушения работают над решением этой задачи, хотя, как и любая расчетная методика сложного объекта, она будет обладать достаточно грубым приближением к действительности. Применительно к диагностическим задачам на базе акустической эмиссии этот недостаток не имеет места, так как нас интересуют не количественные значения величин, входящих в выражение (1), а реальные условия зарождения, развития и достижения критических значений дефектами материалов. Последние, благодаря дискретному характеру своего развития, дают знать о себе волнами деформаций независимо от того, какие значения приобретают указанные выше величины. Таким образом, решение общей задачи квантовой механики разрушения при неизвестных указанных выше величинах для нас имеет смысл хотя бы в своей второй части - изучении сопутствующих разрушению явлений излучения упругих волн источниками дефектов, что дает возможность получить информацию об опасности процессов разрушения, протекающих в материале. Рассматривая эти излучения на дислокационном уровне, можно, как было сказано, построить теоретическое описание связанных с разрушением материалов процессов на основе теории единичных точечных источников вынужденного излучения. При этом процессы разрушения, сопровождающиеся суммарным не одновременным действием локальных источников, описываются с использованием принципа суперпозиции во времени и в пространстве.

Сложность данного подхода в общем случае определяется лишь сложностью решения динамической задачи теории упругости в трех измерениях. Однако этот недостаток можно устранить, введя некоторые оригинальные приемы в расчеты. Основой такого подхода, особенно для тонких пластин может стать отказ от решения их "в лоб" традиционными методами, когда прямые интегральные преобразования волновых уравнений механики дают возможность достаточно просто получить алгебраические уравнения для определения решающих функций φ и ψ в преобразованном виде. В то же время, как мы знаем, обратные преобразования для тонких пластин сталкивают нас с такими громадными трудностями в решении, что до сих пор число задач решенное таким способом насчитывает единицы в самых простейших случаях. И это, несмотря на то, что авторы изобрели достаточно много различных приемов упрощения решения этих задач.

В наших подходах решение динамических задач теории упругости было упрощено за счет того, что граничные условия задач удовлетворялись не в момент, когда проводился обратный выход из преобразований, а до этого, на стадии составления уравнений, что позволяло уменьшить число алгебраических уравнений, определенных граничными условиями задачи с четырех до трех. Последнее, четвертое граничное условие определялось на основании спектрального уравнения, определяющего соотношение между волновым числом а и круговой частотой со, полученного при условии равенства нулю одного из условий напряженного состояния на границе тела и определяющего спектр частот и длин волн, которые может "пропустить" пластина определенных размеров.

Другим приемом, позволившим существенно упростить решение задачи, стало предположение о том, что отношение между а и ш имеет четко определенный физический смысл и описывается пространственным уравнением в очень узком диапазоне, определяемым математически 8-функциями Дирака. Последнее позволило избежать трудоемких процессов трехкратного интегрирования при определении функций перемещений и свести процесс выхода из преобразований путем однократного интегрирования.

Учитывая изложенное, рассмотрим применение методики для некоторых основных в теории акустической эмиссии решений.

Экспериментальные исследования деформирования сварных соединений и конструкций показывают, что имеющиеся в них дефекты развиваются дискретно. Энергия выделяется импульсами, как при образовании дефектов, так и при их развитии. Можно предположить, что спектры частот сигналов, выделяемых при этом, их амплитуды, нарастание и спад несут определенную информацию о характере и опасности процессов разрушения, протекающих в материалах. Распространяющиеся при этом волны, например, в пластине сопровождаются периодическим изменением ее толщины, изгибом или тем и другим вместе. Перемещения w поверхности пластины можно зарегистрировать акустическими датчиками (Рис.3). Таким образом, представляется возможность, измеряя параметры, характеризующие излучение акустической волны, определить координаты места этого излучения и установить взаимосвязь параметров излучения с самими явлениями, протекающими при пластическом деформировании.

В то же время датчики, принимающие акустические сигналы, находятся на разных расстояниях от мест возникновения дефектов, а сигнал акустической эмиссии, возникший при образовании дефекта, распространяется по пластине, пропускающей лишь вполне определенные частоты. Таким образом, из всего спектра частот, возникших при образовании сигнала, к датчику передадутся лишь те, которые соответствуют форме и размерам пластины. В конечном счете, на экране осциллографа и в памяти ЭВМ отразится далеко не то, что возникло при образовании дефекта. В связи с этим весьма актуально изучение характеристик акустических сигналов, распространяющихся от возникшего и излучившего энергию дефекта к месту его измерения - приемнику сигналов акустической эмиссии.

Следует отметить существенные преимущества оценки напряженно-деформированного состояния материала методом анализа акустических волн перед традиционными, основанными на использовании обычных тензодатчиков, измеряющих деформацию на поверхности материала только под собой. На некоторых крупногабаритных сварных конструкциях для получения достаточной для анализа информации необходимо было бы устанавливать огромное количество тензодатчиков (в некоторых случаях до 300 000 шт.). На практике уменьшают количество датчиков, вследствие чего теряется значительная часть информации. Совсем другие перспективы сулит использование акустических датчиков, где четырьмя датчиками можно контролировать поверхность до 10 м². Это резко сокращает общее количество датчиков на объекте и позволяет получать достаточно надежную информацию о деформированном состоянии объекта. (В рассмотренном случае число датчиков уменьшается до 80 шт.). Такое количество датчиков позволяет эффективно использовать измерительную технику вместе со счетно-решающей, вести работу в реальном масштабе времени. Преимущество метода акустической эмиссии стимулирует создание специальной аппаратуры и применение ее в качестве одного из информационных каналов системы диагностики надежности сварных конструкций.

Наряду с крупными достоинствами акустического метода контроля имеются и определенные, отмеченные уже недостатки, требующие тщательного исследования самого процесса акустической эмиссии для создания надежной аппаратуры, работающей на его основе. Это, в первую очередь, зависимость формы и величины сигнала акустической эмиссии от вида конструкции, ее напряженно-деформированного состояния, типа датчиков, способа их крепления и некоторых других факторов, связанных как с конструкцией, так и с возможностями измерительно-вычислительного комплекса. При создании аппаратуры и составлении методики работы с ней приходится решать каждый из указанных вопросов в отдельности, предусматривать мероприятия, исключающие или нейтрализующие недостатки метода.