Применение акустической эмиссии для оценки потери пластичности стальных изделий после ударного воздействия

Проведена акустико-эмиссионная диагностика при испытаниях на разрыв образцов из стали 20ХН2МА для изучения потери пластичности после ударного воздействия. Использовали образцы с габаритными размерами 300 × 20 × 6 мм и V-образным надрезом глубиной 3,3 мм. Ударное воздействие в зоне концентратора вызывало исчерпание пластичности материала, что сопровождалось снижением парциальной доли вязкого разрушения и возрастанием хрупкого. Испытываемые образцы разделили на шесть партий. Образцы первой партии не подвергали ударному воздействию. Во второй партии энергия удара составляла 50 Дж, в третьей — 75 Дж, в четвертой — 100 Дж, в пятой — 125 Дж и в шестой — 150 Дж. Испытания образцов на разрыв проводили при комнатной температуре и скорости перемещения подвижной траверсы 1 мм/мин. В процессе нагружения кинетику повреждений в зоне надреза контролировали с применением метода акустической эмиссии (АЭ) и видеосъемки. Хрупкие и вязкие процессы разрушения кристаллической решетки металла, вызванные сколом и сдвигом соответственно, прежде всего отличаются скоростью и длительностью волн напряжений. Для разделения генерируемых этими процессами импульсов АЭ анализировали спектрограммы частотно-временных преобразований и формы сигналов. Селекцию импульсов проводили с использованием комплексного параметра, отражающего крутизну падения амплитуды сигнала на фазе его затухания. Установлены граничные значения, позволяющие разделять регистрируемые импульсы на потоки, вызванные вязкими и хрупкими повреждениями структуры конструкционных сталей. Как показали проведенные исследования, влияние удара на исчерпание пластических свойств стали 20ХН2МА начинало заметно проявляться, когда уровень удельной работы (a_V) превышал 50 Дж/см². При возрастании a_V до 150 Дж/см² весовое содержание локационных импульсов, характеризующих кинетику хрупкого разрушения структурных связей, повышалось в 3 – 4 раза относительно регистрируемого для образцов без удара. Такой результат коррелирует с длительностью испытания образцов на разрыв, которая при повышении уровня a_V до 150 Дж/см² сокращалась в три раза.

1. Махутов Н. А. Безопасность и риски: системные исследования и разработки. — Новосибирск: Наука, 2017. — 724 с.

2. Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения / Под ред. Н. А. Махутова, Ю. Г. Матвиенко, А. Н. Романова. — М.: ЛЕНАНД, 2018. — 720 с.

3. Ботвина Л. Р. Разрушение, кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.

4. Матвиенко Ю. Г. Основы физики и механики разрушения. — М.: Физматлит, 2022. — 144 с.

5. Завойчинская Э. Б. Общие закономерности и критерии разрушения твердых тел на разных масштабных уровнях при длительном нагружении (Обобщающая статья) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 7. С. 48 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-48-62

6. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.

7. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1978. — 647 с.

8. Ботвина Л. Р., Белецкий Е. Н., Тютин М. Р. и др. Разрушение стали 30ХГСА в условиях смешанных мод нагружения / Физическая мезомеханика. 2023. Т. 26. № 2. С. 30 – 42. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_2_30

9. Растегаева И. И., Растегаев И. А., Аглетдинов Э. А., Мерсон Д. Л. Сравнение основных частотно-временных преобразований спектрального анализа сигналов акустической эмиссии / Frontier Materials & Technologies. 2022. ¹ 1. С. 49 – 60. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-1-49-60

10. Pollock A. Acoustic emission testing. Metals handbook. 9th edition. Vol. 17. — AST International, 1989. P. 278 – 294.

11. Иванов В. И., Барат В. А. Акустико-эмиссионная диагностика. — М.: Спектр, 2017. — 368 с.

12. Махутов Н. А. Спектральный акусто-эмиссионный анализ в процессе деформирования и повреждения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. ¹ 10. С. 53 – 58. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-53-58

13. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. An acoustic emission method for assessing the degree of degradation of mechanical properties and residual life of metal structures under complex dynamic deformation stresses / Materials. 2021. Vol. 14. 2090. DOI: 10.3390/ma14092090

14. Пат. 2569078 РФ, MPK G01N29/14, С 1. Способ распознавания источников сигналов акустической эмиссии, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции / Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Иванов В. И., Елизаров С. В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. — № 2014125453/28, заявл. 24.06.2014; опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.

15. Махутов Н. А., Васильев И. Е., Иванов В. И. и др. Тестирование методики кластерного анализа массивов акустико-эмиссионных импульсов при формировании насыпного конуса стеклогранулята / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 5. С. 44 – 54.

16. Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Чернов Д. В., Елизаров С. В. Мониторинг накопления повреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии / Проблемы машиностроения и автоматизации. 2020. № 2. С. 118 – 141. ID: 42965410

17. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В., Панков В. А. Акустико-эмиссионный мониторинг процесса повреждения опорной стойки в условиях циклического нагружения / Дефектоскопия. 2019. № 8. С. 24 – 33. DOI: 10.1134/S0130308219080037

18. Ботвина Л. Р., Петерсен Т. Б., Солдатенков А. П., Тютин М. Р. О временных зависимостях характеристик акустических сигналов при разрушении металлических образцов / Доклады Академии Наук. 2015. Т. 462. № 1. С. 91 – 94.

19. Ботвина Л. Р., Солдатенков А. П., Тютин М. Р. О зависимости параметра bАЭ от напряжения при смешанных модах нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. ¹ 3. С. 43 – 50.

20. Monitoring Method for Active Cracks in Concrete by Acoustic Emission / JCMS-III B5706. Federation of Construction Materials Industries. Japan, 2003. — 29 p.

21. Gong N., Hu S., Chen X., et al. Fracture behavior and acoustic emission characteristics of reinforced concrete under mixed mode I – II load conditions / Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020. Vol. 109(4). P. 745 – 763. DOI: 10.1016/j.tafmec.2020.102770

22. Masayasu Ohtsu, Toshiro Isoda and Yuichi Tomoda. Acoustic emission techniques standardized for concrete structures / J. Acoustic Emission. 2007. Vol. 25. P. 21 – 32.

23. Пояркова Е. В. Ударные испытания образцов на изгиб: методические указания. — Оренбург: Оренбургский гос. ун-т, 2019. — 17 с.

24. Максимов А. Б., Шевченко И. П., Ерохина И. С. Определение составляющих ударной вязкости металла при испытании на ударный изгиб / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. ¹ 12. С. 68 – 72. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-68-72