CC BY
12
УДК 621.01:539.4
В. Р. СКАЛЬСЬКИЙ, I. М. ЛЯСОТА, О. М. СТАНКЕВИЧ (ФЬико-мехашчний шститут iменi Г. В. Карпенка НАНУ, Львiв), Т. В. СЕЛ1ВОНЧИК (Луцький нацiональний технiчний ушверситет)
АКУСТИКО-ЕМ1С1ЙНЕ 1ДЕНТИФ1КУВАННЯ ДЖЕРЕЛ РУЙНУВАННЯ АЛЮМШ1еВОГО СПЛАВУ
Розглянуто особливосп генерування акустично! емюи за статичного руйнування терм1чно змщненого алюмшевого сплаву 1201-Т. Металограф1чними та фрактограф1чними дослщженнями встановлено, що сплав руйнуеться за крихко-в'язким мехашзмом, де крихка складова вщповвдае розтр1скуванню штерметаль д1в А12Си, а в'язка - а -твердому розчину. Анал1з хвильових вщображень та !х неперервних вейвлет перет-
ворень дае змогу чггко розтзнати за сигналами акустично! ем1сп мехашзми руйнування алюмшевого сплаву.
Ключовi слова: алюмшевий сплав, акустична емю1я, м1кроструктура, мжрофрактограма, трщина
В умовах сучасного науково-техшчного про-гресу з кожним днем все бшьше зростають об'еми випуску алюмшда 1 його високомщних сплав1в. Завдяки комплексу ф1зико-мехашчних, корозшних { технолопчних властивостей !х ус-шшно використовують практично в ус1х галузях науки { техшки, зокрема 1 у буд1вницта мосто-вих конструкцш. Одшею з найважливших проблем для сучасних транспортних систем е поп-ршення стану { зношуванють моспв. Це вщбува-еться головним чином у зв'язку з1 складними кл1матичними умовами, використанням у зимовий час дорожньо! сол1, а також збшьшення ш-тенсивносп руху { навантаження. Наприклад у Швецп розроблена система алюмшевого екст-рузшного мостового полотна для вщновлення автомобшьних моспв [1]. Таким чином реконст-руйовано близько 60-и моспв шляхом замши бетонного полотна на ортотропну плиту, яка складаеться з алюмшевих пресованих профшв, з1браних за допомогою з'еднання в шпунт. У деяких випадках така технолопя застосовува-лась шд час буд1вництва нових моспв, бшьша частина яких знаходиться у Швецп, Норвегп, Фшляндп, Канад1, Росп тощо [1].
Застосування алюмшевих сплав1в (АС) у мостобудуванш мае низку переваг: низька пи-тома вага конструкцш; висока питома мщшсть та корозшна стшюсть. У США за останш 75 роюв побудовано бшьше ста алюмшевих моспв, термш експлуатацп бшьшосп яких вже доб1гае свого кшця [2]. Щд д1ею р1зного роду навантажень та агресивних середовищ у елеме-нтах металоконструкцш зароджуються р1зного роду дефекти, зокрема I гостр1 трщини. У зв'язку з цим актуальною на даний час е проблема д1агностування зародження руйнування таких мостових алюмшевих елемеипв, зокрема
застосування у цьому напрямку методу акусти-чно! ем1сп (АЕ) [3, 4]. Для ефективного АЕ-д1агностування стану конструкцш, виготовле-них з алюмш1евих сплав1в, важливо створити вщповщш методики з оцшки АЕ-активност { особливостей спектральних характеристик сиг-нал1в шд час зародження { розвитку процешв руйнування.
З анал1зу лггературних джерел вщомо деяю результати таких дослщжень. Зокрема, автори пращ [5] застосовували метод АЕ для досль дження розвитку штучно створених дефекпв-1мггатор1в у вигляд1 трщин шд час навантажу-вання внутршшм тиском резервуар1в, викона-них з АС марки АМгбМ. За допомогою зареест-рованих шд час експерименту сигнал1в АЕ (САЕ) автори розраховували критичний розм1р трщини, за якого емшсть можна експлуатувати.
Вплив мшроструктури на випромшювання САЕ тд час розтягання гладких зразюв з техш-чного алюмш1ю та сплаву АМг6 вивчали у пращ [6]. Автори стверджують, що у цьому сплав1 актившсть випромшювання АЕ бшьше, шж на порядок перевищуе актившсть АЕ в алюмшп. Це зумовлено поведшкою границь зерен та наявшстю часточок вторинно! фази у сплавь
У пращ [7] виконано дослщження, метою яких було спостереження поведшки АЕ тд час руйнування сплаву АМгбМ, а також встанов-лення залежносп характеру САЕ вщ виду дефекту. Показано, що вже за невеликих напру-жень у межах пружно! деформацп (80...90 МПа) спостер1гаеться значна актившсть (6...8 1мп/с) АЕ, яка характеризуеться сигналами велико! ампл1туди. Встановлено, що навантаження зразка до напружень, у результат яких з'являеться пластична деформащя
© Скальський В. Р., Лясота I. М., Станкевич О. М., Сел1вончик Т. В., 2012
(300...320 МПа), не викликае помпно' АЕ. Подальше зростання деформаци характеризуемся появою одиничних АЕ-iмпульсiв мало' енерги i активнoстi. У зoнi глибоко' пластично' деформаци АЕ носить iмпульсний характер, тобто з'являеться у виглядi «емюи вибухового типу». Щцвищення навантаження аж до руйнування супроводжуеться появою САЕ мало' амплiтуди.
Мета до^джень - вивчення особливостей генерування сигналiв АС за статичного навантаження зразюв з термiчнo обробленого сплаву 1201-Т i визначення за параметрами САЕ моменту старту макротрщини та щентифшащя джерел руйнування алюмшевого сплаву.
Матерiали та методика АЕ-випробувань
За схемою триточкового згину випробову-вали призматичнi зразки рoзмiрами 10^20x160 мм з термiчнo змщненого АС марки 1201-Т. Зразки виготовляли з дотриманням норм i характерних сшввщношень геометрич-них рoзмiрiв, що регламентуються у [8]. Дов-жина втомно' трiщини разом iз концентратором становила 10 мм. Структурну схему експеримен-тальних дoслiджень представлено на рис. 1.
TJTT6
Рис. 1. Структурна схема експериментальних дослщжень
Навантажували зразки на устанoвцi СВР-5, з яко' зусилля P через динамометр 2 передавалось на дослщжуваний зразок 3. Розкриття берегiв трщини реестрували тензометричним перетво-рювачем розкриття берепв трiщини 4. Сигнали АЕ, згенероваш у результатi руйнування, сприй-мались первинним перетворювачем АЕ (ПАЕ) 5, який встановлювали на боковш пoверхнi зразка. Для селекци корисних сигналiв вiд завад викори-стовували паралельний АЕ-канал [4] (ПАЕ 6). Електричт сигнали АЕ пiдсилювали попередш-ми пiдсилювачами 7, пiсля чого реестрували ба-гатоканальною вимiрювальнoю АЕ-системою SKOP-8M 8 i обробляли на персональному кoмп'ютерi 9. Для зменшення впливу хибних САЕ вiд тертя у мсщ дотикання поверхонь бал-кового зразка з опорами установки на них вста-новлювали антифрикцiйнi прокладки. Навантаження та розкриття берепв трщини реестрували параметричними каналами вищезгадано' систе-
ми. У режимi постобробки будували дiаграми «навантаження P - розкриття берепв трщини v » та «навантаження P - час руйнування т ».
Для вщбору сигналiв використовували ПАЕ з робочою смугою частот 0,2.0,6 МГц. Перед початком кожного експерименту проводили тару-вання вимiрювальних каналiв [4]. Встановлювали таю налаштування АЕ-системи SKOP-8M: кшь-юсть вимiрювальних каналiв - 4, з яких два -для реестрування САЕ (шдсилення кожного 40 дБ); тривалють вибiрки - 0,5 мс; перюд дис-кретизаци аналогового сигналу — 0,25 мкс; частота зрiзу фшьтра низьких частот - 700 кГц; фшьтра високих частот - 40 кГц; пори дискри-мшаци - 28 %; рiвень власних шумiв, приведе-них до входу попереднього шдсилювача -7 мкВ; коефщент тдсилення пoпереднiх шдси-лювачiв становив 34 дБ.
Дослщження мiкроструктури та фрактографп сплаву 1201-Т
Для щентифшаци АЕ-методом джерел руйнування важливо дoслiдити мiкрoструктуру та мшрофрактограми злoмiв зразкiв АС. Сплав 1201-Т вщноситься до системи легування Al -Cu - Mn (рис. 2, а). За юмнатно' температури його мшроструктура складаеться з зерен, тшо яких становить а -твердий розчин мщ i манга-ну в алюмши та вторинно' фази А12Си, що рiв-нoмiрнo рoзпoдiлена по зерну у виглядi дрiбних гол частих включень, а також вздовж 'х гра-ниць у фoрмi крупних пластiвцiв (див. рис. 2, б).
Елемеыт Ваговив % Атомы и В %
AIК W.04 9736
Мл К 0.22 0.11
Си | Си К 5.73 2.52
Сума 100
Мп Си Мп /\ Си
0 2 4 6 8Е, кеВЮ
а
200 pill
б
Рис. 2. Мжроструктура (а) та EDS-спектр розпод1лу елеменпв (б) в основному метал1 сплаву 1201-Т
З мшрофрактограми основного металу (рис. 3, а) бачимо, що злам е енергоемним, вщ-повiдаe крихко-в'язкого типу руйнування. Спо-стерiгаеться значна кшьюсть квазiвiдкольних фасеток. Злам в основному складаеться з круп-них випуклостей та вм'ятин, поверхня яких вс> яна дрiбними фасетками. Спiвставивши мшро-структуру (див. рис. 2, б) та мшрофрактограми основного металу сплаву 1201-Т (див. рис. 3, а) бачимо, що форма та розмiри зерен ч^ко ств-падають з розмiрами випуклостей та впадин i становлять приблизно 120...150 мкм. Геометрiя включень вторинно! фази Al2Сu на мшрострук-турi спiвмiрна з розмiрами крихких вiдколiв на мiкрофрактограмi (25.35 мкм) (див. рис. 3, б).
■ -MJ '^¿•■'■r'" ^¿R, ШШШ
С Wtirpt^jfgii ' ''u UlTi г
' 1
ct 1
A '' W 1 ««fa ■Fil ' ■МВД? у-— шш ' jFbfr '. i J Щш
! jf
за початок росту макротрщини слщ брати момент яюсно! змiни iнтенсивностi CAE на акус-тограмi, яка записана паралельно i3 дiаграмою руйнування. За визначеним таким чином зна-ченням навантаження PAE, яке пропонуемо приймати за старт трiщини, обчислюють параметр KIAE . Зазвичай KIAE мае нижче значення вщ KIC , визначеного за регламентованими но-рмативно-технiчною документацiею методиками.
На рис. 4 показана дiаграма «навантаження P - розкриття берегiв трщини v », а також змь ну у часi суми амплггуд сигналiв Ai, що переви-щили порiг дискримшацп.
б
Рис. 3. Мжрофрактограми сплаву 1201-Т
Таким чином, можна зробити висновок, що в основному металi сплаву 1201-Т за статичного його навантаження трщина рухаеться здеб> льшого по границях зерен, характер руйнування е крихко-в'язким, де в'язка складова вщпо-вiдае руйнуванню а -твердого розчину, а крих-ка - розтрюкуванню включень змiцнюючоi фази.
Результати АЕ-дослщжень та 1х обговорення
Вiдомо [3], що метод АЕ чутливо реагуе на процеси трщиноутворення i дозволяе точшше, нiж традицiйнi методи [8] визначити початок субкритичного росту трщини. Показано [3], що
Рис. 4. Ддаграма « P — v » та змша суми амплггуд виб1рок Ai шд час руйнування сплаву 1201-Т
З графша бачимо рiзке пiдвищення АЕ-активностi за навантаження 2,5 кН, а це, зпдно [3] свiдчить про старт макротрщини. Експери-менти показали, що значення навантаження PAE менше, шж Pq за яким оцiнюють статичну
трiщиностiйкiсть KIC , на 1,5.2 кН, що тдтве-рджуе краще визначення моменту старту тр> щини АЕ-методом. Для сплаву 1201-Т коефщь ент iнтенсивностi напружень визначений за PAE становив KIAE = 20,5 МПам12, а розрахо-ваний за методикою [8] - KIC = 32,5 МПам12.
Для сплаву 1201-Т, який е гартованим та штучно зютареним, дiаграма «P — v » (див. рис. 4) вщповщае крихко-в'язкому типу руйнування. На пружнш дiлянцi генеруються САЕ слабких амплiтуд, що свiдчить про процеси скупчення та руху дислокацш та пластичного деформування металу. За навантаження 2,6 кН спостершаеться рiзке пiдвищення амплiтуд сиг-налiв, що вщповщае стрибкоподiбному росту макротрiщини. На закритичнш стадii руйнування штенсившсть АЕ дещо послаблюеться.
Вивчення особливостей САЕ, генерованих пщ час руйнування АС
Необхщну шформащю про мехашзми руйнування твердих тш можна отримати, скорис-тавшись методами вейвлет-перетворення [9].
Його суть полягае у тому, що розглядають простр L2 (R) функцiй s(t), якi визначенi на всiй дiйснiй oсi R(—<», да) i мають скiнчену ене-ргiю. Функцюнальний прoстiр L (R) констру-юють за допомогою одного вейвлета у (t), ви-користовуючи зсув у чаш (b ) та змiну часового масштабу (a)
У«ъ (t) = 4- vf—], a, b е R, уе L2(R). (1)
Va V a )
1нтегральним (неперервним) вейвлет-перетворенням функцн (сигналу) s(t) з простору L( R ) вираз
W(a,b) = J s(t)у* f—
Va —i V a
= "Г J s(t)у* f —Ь1 dt = J s(t)y*ab (t)dt. (2)
Va—да V a ) Va —да
Обернена величина масштабу a в сшввщ-нoшеннi (2) вiдпoвiдае частой ю у перетворен-нi Фур'е: ю«1/ a. Параметр b задае часову лoкалiзацiю вейвлета i називаеться зсувом. Множник 1/4a забезпечуе не залежшсть нор-ми функцн вiд числа a . За рахунок змши масштабу a вейвлети можуть виявляти частoтнi особливосп процесу, який аналiзують, а вна-слiдoк варiацiй зсуву b можна лoкалiзувати характернi oсoбливoстi процесу у часi [9].
У пращ [10] запропоновано критерiй кшью-сно' oцiнки руйнування кoнструкцiйних мате-рiалiв за параметрами неперервного вейвлет-перетворення сигналiв АЕ. Для дoслiдження 'х особливостей використано програму AGU-Vallen Wavelet [11]. Де для побудови неперервного вейвлет-перетворення сигналiв АЕ за материнський вибрано вейвлет Габора, який дозволяе добре видшяти локальш особливосп сигналiв АЕ та забезпечуе 'х частотно-часове представлення
де
ю.
y(t) = %
,—1/4
Гю 1
1/2
exp
t2 Гю,
+ /ю ,t
(3)
- частота,
У
- константа
(у = %(2ln2) = 5,336).
Ураховуючи властивост вейвлет-кoефiцiентiв неперервного вейвлет-
перетворення сигналiв АЕ та результати теоре-тичних дoслiджень змши амнттудно-частотних характеристик пружних хвиль АЕ тд час рiз-них процешв руйнування у твердих тiлах, кшь-кiснoю характеристикою сигналiв АЕ тд час руйнування запропоновано критерiальний по-казник к [10]:
к =
WTmax X А/р
А/
(4)
де WTmax - максимальне значення вейвлет-кoефiцiента в подн АЕ у певний момент часу; А/ - ширина смуги спектра частот, що вщпо-
вщае WTmax в поди АЕ, у координатах WT — /; А/0 - ширина робочо' смуги АЕ-тракту, що визначаеться робочою смугою частот первин-ного перетворювача (у даному випадку 0,2.0,6 МГц). Залежно вщ значення експери-ментально встановленого критерiальнoгo параметра тип макроруйнування кoнструкцiйних матерiалiв рoздiленo на в'язке (к<0,1), в'язко-крихке (0,2 < к< 0,3) та крихке руйнування (к> 0,3). З подальшим збiльшенням значення к схильшсть до крихкого руйнування матерiа-лу об'екта контролю зростае [10].
Опрацювання сигналiв АЕ, зареестрованих тд час руйнування АС, здiйснювали у такш пoслiдoвнoстi: для кожного сигналу будували неперервне вейвлет-перетворення; встановлю-вали максимальне значення вейвлет-кoефiцiента WTmax у поди АЕ; будували проек-цiю неперервного вейвлет-перетворення на площину «вейвлет-коефщент WT - частота / » у момент часу досягнення WTmax ; визнача-ли ширину смуги частот А/ (МГц), яка вщпо-вщае WTmax ; за спiввiднoшенням (4) визначали значення критерiальнoгo показника к.
На рис. 5 показано хвильoвi вщображення та неперервнi вейвлет-перетворення характерних САЕ, зареестрованих пiд час руйнування АС.
Щц час АЕ-випробувань сплаву 1201-Т реестрували сигнали двох титв: тип I - з невеликими амплгтудами (A = 0,4...0,5 мВ) i показни-ком к = 0,2...0,3 (див. рис. 5, а) та тип II - по-тужнiшi САЕ (A = 1,5...2,0 мВ), для яких кри-терiальний параметр к = 0,5...0,6 (див. рис. 5, б). Характерною особливютю усiх запи-
саних сигнал1в е значна ix тривалють у час1 (t = 20...301 = 20.30 мкс) пор1вняно з САЕ, зареестрованими тд час руйнування шших ма-
тер1ал1в [10], що обумовлюе властиву алюмш1-евим сплавам форму вейвлет-спектр1в (див. рис. 5, в, г).
20, 40 L мкс
t. мкс
01000
f, кГц
f, мкс
500
0 1000 f> ^
Рис. 5. Хвильов1 вщображення (а, б) та неперервш вейвлет-перетворення i
руйнування зразшв сплаву 1201-Т
, г) характерних САЕ шд час
Сигнали типу I мають невелик значення максимальних вейвлет-коефщ1ент1в
WTmax = 0,06...0,07 (див. рис. 5, в) та дещо ши-рш1 смуги частот А/ = 115... 120 кГц. Зпдно запропоновано! ратше методики [10] таю САЕ з к = 0,2 вщповщають крихко-в'язкому руйну-ванню матриц (термозмщненого а -твердого розчину мщ та мангану в алюмши). Сигналам типу II властив1 вищ1 значення максимальних вейвлет-коефщ1ент1в WTmax = 0,15...0,16 (див. рис. 5, г), а також вужч1 смуги частот А/ = 100...110 кГц. Ц сигнали генероваш ква-зшрихким розтрюкуванням крупних включень штерметалщу А12Си, розмщених на границях зерен (див. рис. 3, б).
З отриманих результат бачимо, що АЕ-метод дае змогу чггко розшзнати мехашзми руйнування алюмшевого сплаву 1201-Т.
Висновки
Проведет експериментальт дослщження показали, що метод АЕ дае змогу ефективно визначати момент старту макротрщини у АС
за квазютатичного навантаження, а значить i кшьюсно об'ективтше ощнювати в'язюсть руйнування металоконструкцш. Це дозволить у режим! реального часу д1агностувати процеси розвитку трщиноутворення об'екпв довготри-валого експлуатування.
З анал1зу зареестрованих хвильових вщо-бражень САЕ та 1х неперервних вейвлет-перетворень встановлено походження джерела випромшювання. Крихко-в'язке руйнування твердого розчину мщ в алюмши генеруе сигнали низьких та середшх амплиуд (A = 0,2...0,5 мВ) для яких критерш к колива-еться в межах 0,2.0,3. Розтрюкування крихких штерметаладв супроводжуеться потужними сигналами (A = 0,5...4,0 мВ) з показником к = 0,5...0,9 .
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Алюминиевые мости в Швеции. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http ://stroyprofi1e.com/archive/1640.
б
а
в
г
2. Мости из алюминиевых сплавов. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://abondarcev.livejournal.com/55628.html.
3. Скальський, В. Р. Акустична етол тд час руйнування матерiалiв, виробiв i конструкцiй [Текст] / В. Р. Скальський, П. М. Коваль. -Львiв: СПОЛОМ, 2005. - 396 с.
4. Назарчук, З. Т. Акустико-емюшне дiагносту-вання елементiв конструкцш: науково-технiчний посiбник [Текст]: у 3 т. / З. Т. Назар-чук, В. Р. Скальський. - К: Наукова думка. -2009. - Т. 2: Методология акустико-емюшного дiагностування. - К.: Наукова думка, 2009. -263 с.
5. Мезинцев, Е. Д. Применение имитаторов дефектов при испытании акустико-эмисионной системы технической диагностики [Текст] / Е. Д. Мезинцев, В. Г. Тихий, Л. П. Карасев // Автоматическая сварка. - 1982. - № 9. -С. 28-30.
6. Тихонов, Л. В. Дитонационные механизмы деформации, разрушения и акустической эмиссии в алюминии и его сплавах [Текст] / Л. В. Тихонов, Г. И. Прокопенко // Технич. диагностика и неразрушающий контроль. - 1991. -№ 1. - С. 73-76.
7. Тихий, В. Г. Исследование зависимости сигналов акустической эмиссии от характера дефектов сварки в сплаве АМг6 [Текст] / В. Г. Тихий, Ф. П. Санин, Д. Г. Борщевская // Автоматическая сварка. - 1982. - № 9. - С. 36-38.
8. ГОСТ 25506-85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 61 с.
9. Астафьева, Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения [Текст] / Н. М. Астафьева // Успехи физических наук. -1996. - Т. 166. - № 11. - С. 1145-1170.
10. Скальский, В. Р. Критерий оценки хрупкого разрушения стекла по сигналам акустической эмиссии [Текст] / В. Р. Скальский, С. И. Буйло, Е. М. Станкевич // Дефектоскопия. - 2012. -№ 5. - С. 26-34.
11. Vallen Systeme: The Acoustic Emission Company. - [Virtual Resource]. - Access Mode: URL: http://www.vallen.de.
Надшшла до редколеги 26.06.2012. Прийнята до друку 09.07.2012.
В. Р. СКАЛЬСКИЙ, И. Н. ЛЯСОТА, Е. М. СТАНКЕВИЧ (Физико-механический институт имени Г. В. Карпенка НАНУ, Львов), Т. В. СЕЛИВОНЧИК (Луцкий национальный технический университет)
АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОЧАГОВ РАЗРУШЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Рассмотрены особенности генерирования акустической эмиссии при статическом разрушении термически упрочненного алюминиевого сплава 1201-Т. По металлографическим и фрактографическим исследованиям установлено, что механизм их разрушения хрупко-вязкий, где хрупкая составляющая соответствует растрескиванию интерметаллидов А^Си, а вязкая - а -твердого раствора. Анализ волновых отображений и их непрерывных вейвлет-преобразований позволяет распознавать по сигналам акустической эмиссии механизмы разрушения алюминиевого сплава.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, акустическая эмиссия, микроструктура, микрофрактограма, трещина
V. R. SKALSKY, I. M. LYASOTA, O. M. STANKEVYCH (Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Lviv), T. M. SELIVONCHYK (National Technical University of Lutsk)
ACOUSTIC EMISSION IDENTIFYING OF FRACTURE SOURCES OF ALUMINUM ALLOY
The features of acoustic emission generation by static fracture of thermostrengthened aluminum alloy 1201-T were considered. With the help of metallographic and fractographical studies it was found that the alloy is destroyed by brittle-ductile fracture mechanism, where the brittle component corresponds to intermetallic cracking Al2Cu and ductile - to solid solution. Analysis of wave representation and their continuous wavelet transformation allows us to recognize clearly the aluminum alloy fracture mechanisms using acoustic emission signals. Keywords: aluminum alloy, acoustic emission, microstructure, micro fractography, crack
