Методика исследования повреждаемости ВТСП-лент и определения их механического состояния с поиощью акустической эмиссии и оптической голографии

Рожков Е. В., Паринов И. А.

1. ВВЕДЕНИЕ

Настоящая методика посвящена исследованию с помощью методов акустической эмиссии (АЭ) и оптической голографии повреждаемости и дефектности высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент, подвергающихся внешним механическим воздействиям. Методика устанавливает общие требования к организации работ, к средствам и технологии акустико-эмиссионных исследований процесса разрушения материалов и оптико-голографической системы для измерения малых усилий и деформаций в ВТСП-лентах при помощи многопараметрического автоматизированного комплекса диагностики ленточных образцов МК-01. Комплекс предназначен для проведения исследований процессов разрушения ВТСП-лент и оценки их технического состояния при различных видах механического нагружения. Устройство позволяет проводить комплексные испытания ВТСП-лент и проводов на различных этапах их изготовления и нагружения. Методика использует современное прикладное программное обеспечение, предназначенное для исследования зарождения и развития разрушения с помощью методов акустической эмиссии и оптической голографии. Она включает системы приема, ввода, вывода и обработки АЭ-сигналов, а также базу экспериментальных данных, полученных при испытании ВТСП-лент при различных видах механического нагружении.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВТСП МЕТОДОМ АЭ

Акустическая эмиссия - физическое явление, связанное с излучением упругих волн твердым телом при его нагружении. Она определяется, как излучение материалом акустических волн, вызванное динамической, локальной перестройкой внутренней структуры твердого тела. Метод акустической эмиссии - один из наиболее эффективных методов неразрушающего контроля, уже нашел свое применение для исследования различных физико-механических свойств ВТСП, сопутствующих микроструктурных и фазовых превращений в процессе получения и нагружения сверхпроводников различными внешними и внутренними воздействиями. АЭ обнаружена при спекании [1] и термообработке YBa₂Cu₃O_7-х (YBCO) [2]. При этом, интенсивная АЭ наблюдалась, вследствие микрорастрескивания, вызванного анизотропным сжатием решетки, в узком температурном интервале при охлаждении после спекания. Акустическая эмиссия была изучена в керамике YBCO при нагреве образца, находящегося при температуре кипения жидкого азота [3]. Наблюдаемая АЭ связывалась с релаксацией микронапряжений на границах зерен, обусловленной анизотропией теплового расширения зерен. Возможными механизмами релаксации напряжений предполагались: подвижки групп дислокаций и образование микротрещин на наименее благоприятно ориентированных границах зерен. Кинетика окисления керамики YBCO исследована методом АЭ в работе [4]. Окисление подчинялось экспоненциальному закону. Результаты подтвердили, что сначала окисляется узкий поверхностный слой, а растворение кислорода в материале контролируется скоростью объемной диффузии. В работе [5] методом АЭ исследовалась керамика YBa₂Cu₃O_7-х в интервале температур 25…700°С. Было зарегистрировано излучение АЭ в области 260…300°С и показано, что оно вызвано структурным фазовым переходом 90-градусной фазы в 30-градусную в процессе перераспределения кислорода в материале. Совместные исследования АЭ и дилатометрии керамики YBa₂Cu₃O_7-х в интервале температур 80…100°С выполнены в [6]. Дилатометрическая кривая демонстрировала две аномалии: первую при 83К и вторую при 92К. При этом, первая аномалия совпадала с увеличением активности АЭ. Метод АЭ также использовался для регистрации структурных изменений в ВТСП при термоциклировании образцов [7]. Измерения активности АЭ при переходе в сверхпроводящее состояние керамики YBa₂Cu₃O_7-х позволили предположить усиленную перестройку кристаллитов в образце. Акустоэмиссионные исследования керамики YBCO при циклическом пропускании тока, при температуре 77К, выполнены в работе [8]. При этом засвидетельствовано проникновение линий магнитного потока внутрь образца под влиянием собственного магнитного поля. При температуре Т_с в образцах Tl₂Ba₂CuO_6+x наблюдался пик АЭ [9]. Обнаруженые релаксационные аномалии связывались с изменением зарядового состояния линейных дефектов и параметрическими изменениями структуры купратного слоя.

Процессы микрорастрескивания и микропластичности монокристаллов GdBa₂Cu₃O_y и Bi₂Ca₂Sr₂Cu₃O_y, а также керамики YBCO исследовались методом локального микродеформирования, сопровождаемого регистрацией сигналов АЭ [10]. Сопоставление данных АЭ и картины разрушения позволило судить о характере неупругой деформации ВТСП и сделать вывод о том, что. АЭ позволяет оперативно контролировать механические свойства ВТСП. В случае монокристаллов GdBa₂Cu₃O_y сигналы АЭ были обусловлены образованием характерных микротрещин в углах отпечатка индентора. При локальном нагружении Bi₂Ca₂Sr₂Cu₃O_y наблюдалось образование клиновидных дефектов, сопровождаемое появлением низкочастотной составляющей в сигналах АЭ. Предполагалось, что эти дефекты являлись следствием сочетания процессов микроразрушения и расслоения висмутсодержащих кристаллов ВТСП. Метод АЭ также был применен для изучения неупругой деформации керамических ВТСП в процессе макроскопических механических испытаний [11] и при микроиндентировании [12].

АЭ была использована для исследования вторичного спекания сверхпроводящей ленты (Bi,Pb)₂Ca₂Sr₂Cu₃O_x/Ag (Bi-2223/Ag) в процессе ее нагревания после первичного спекания и прокатки [13]. Сигналы акустической эмиссии регистрировались в интервале 570…660°С. При этом предполагалось, что возможным источником АЭ выступает процесс жидкофазного залечивания трещин, сформировавшихся при прокатке ленты. Это позволило сделать вывод о возможности применения метода АЭ, в качестве неразрушающего метода технологического контроля, при производстве лент Bi-2223/Ag.

Наконец, метод акустической эмиссии был использован для определения зарождения и развития дефектов при изгибе одножильных и многожильных высокотемпературных сверхпроводящих лент Bi-2223/Ag [14]. Было показано, что при изгибе ВТСП-лент Bi-2223/Ag происходит формирование и развитие микроповреждений, вызывающих сигналы АЭ, а сам метод АЭ может быть применен для определения дефектности и качества сверхпроводящих образцов на рассматриваемом микроструктурном уровне. Результаты испытаний продемонстрировали, что при определении повреждаемости сверхпроводящих лент необходимо учитывать как деформацию, так и скорость деформации образца. Кроме того, было показано, что данные, полученные методом АЭ при идентификации микроструктурных повреждений, коррелируют с результатами метода магнитооптических изображений (МОИ) и величиной критического тока.

3. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

Методика экспериментальных исследований удельной акустической активности и энергетических параметров для отработки критериев автоматизированной АЭ-диагностики ВТСП-лент составлена с учетом следующих стандартов и нормативных документов:

1) ГОСТ 27655-88 “Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения.”

2) ГОСТ 1497-84 “Металлы. Методы испытаний на растяжение.”

3) ГОСТ 25.506-85 “Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.”

4) СТП20-96. “Стандарт предприятия. Метрологическая аттестация. Акустико-эмиссионная аппаратура для контроля технического состояния магистральных газопроводов. Российское акционерное общество ГАЗПРОМ.”

5) РД-03-131-97. “Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. Постановление Гостехнадзора России от 11.11.96 № 44.”

6) МР 204-86. “Расчеты и испытания на прочность. Применение метода акустической эмиссии для контроля сосудов, работающих под давлением, и трубопроводов. - М.: Госстандарт. ВНИИМАШ, 1986 год.”

7) А-Line 32 D. Акустико-эмиссионные системы фирмы “ИНТЕРЮНИС”. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. г. Москва, 2000г.

8) Машина испытательная специальная УМЭ-10ТМ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

9) ГОСТ 12997-84. "Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Общие технические требования. Методы испытаний."

10) РД 03-131-97 Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.

11) РД 03-299-99 Требования к акустико-эмиссионной аппаратуре, используемой для контроля опасных производственных объектов.

12) РД 03-300-99 Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов.

13) ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Уровень шума на рабочих местах.

14)Требования безопасности. ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ.

15) Пожарная безопасность. Общие требования ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ.

16) Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты. ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ.

17) Техническое задание и программа испытаний ВТСП-лент, выполненных в рамках гранта РФФИ N04-01-96800.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Использованные в Методике термины с соответствующими определениями представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Термины и их определения (по ГОСТ 2 765 5).

Термин	Определение
Акустическая эмиссия	Испускание акустических волн контролируемым объектом
Акустическая эмиссия материала	АЭ, вызванная динамической, локальной перестройкой структуры материала
Источник АЭ	Область испытаний, в которой происходит преобразование какого-либо вида энергии в механическую энергию АЭ
Сигнал акустической эмиссии	Изменяющаяся стохастическая физическая величина, отражающая сообщение об акустической эмиссии
Акустический сигнал АЭ	Генерируемое источником АЭ акустическое поле, параметры которого несут информацию об источнике и объекте испытаний
Электрический сигнал акустической эмиссии	Электрическое напряжение или ток, регистрирующие АЭ
Импульс АЭ	Сигнал АЭ с отличной от нуля величиной в интервале времени, в течение которого его значение превышает заданный уровень, относимый к максимальному
Эффект Кайзера	Отсутствие АЭ в материале до тех пор, пока не превышен уровень предыдущего воздействия
АЭ-аппаратура	Устройства, обеспечивающие прием, обработку и регистрацию сигналов АЭ
Преобразователь АЭ	Устройство, в котором сигнал АЭ преобразуется в электрический
Имитатор АЭ	Устройство для искусственного возбуждения в объекте акустических волн, моделирующих АЭ
АЭ- помеха	АЭ, вызванная источниками, определение которых не является целью эксперимента
Число импульсов АЭ	Число импульсов АЭ, зарегистрированных в период времени наблюдения
Суммарный счет АЭ	Число зарегистрированных превышений импульсами АЭ установленного уровня дискриминации в период времени наблюдения
Активность АЭ	Число зарегистрированных импульсов АЭ за единицу времени

5. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Применение данной Методики обеспечивает получение информации и позволяет создать базу экспериментальных данных по разрушению и повреждаемости (при появлении поверхностных и внутренних дефектов типа нарушений сплошности, микротрещин, микропор и т. д..) ВТСП-лент при механическом нагружении, являющихся источниками сигналов акустической эмиссии.

Метод АЭ-контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности и активности.

Для определения величины повреждаемости материала необходимо, чтобы все идентифицированные источнии АЭ, вызванные процессами разрушения, были оценены другими методами неразрушающего контроля (НК).

Для разработки методики АЭ-диагностики конкретного объекта необходимы критерии оценки технического состояния объекта и система классификации источников акустической эмиссии. Эти критерии и систему классификации источников АЭ устанавливаются на основе механических испытаний стандартных образцов, моделей объекта и натурных испытаний. Модельные и натурные испытания объектов обычно требуют больших материальных затрат и поэтому используются только для окончательной корректировки критериев отбраковки.

Для определения характеристик материала, таких как удельная акустическая активность, ее зависимость от скорости нагружения и начального состояния материала, влияния эффекта Кайзера и др., а также зависимости АЭ-параметров от напряженно-деформированного состояния, можно применить механическое испытание на растяжение стандартных образцов согласно ГОСТов 1497-84 и 25.506-85, сопровождаемое одновременным использованием метода акустической эмиссии. Результаты данных испытаний позволяют выбрать наиболее подходящий для данного материала критерий оценки технического состояния и систему классификации источников АЭ-сигналов. Утвержденные руководящими документами РД-03-131-97 критерии оценки технического состояния приведены в Приложении 1. Испытания должны проводится на аттестованных средствах измерения.

5.1. Основные положения акустико-эмиссионного метода исследования процессов разрушения материалов

Метод акустической эмиссии основан на регистрации и анализе акустических волн, вызванных динамической локальной перестройкой структуры материала в процессе пластической деформации и разрушения (роста структурных дефектов) в рассматриваемом объекте. АЭ-диагностика механического состояния основана на регистрации и анализе сигналов акустической эмиссии, обусловленной образованием и развитием дефектов в материале под воздействием механической нагрузки, а также регистрации и анализе напряженно-деформированного состояния с помощью тензометрических и оптико-голографических сигналов, несущих информацию о возникновении дефектов и трещин.

По классификации ГОСТа 18353 метод АЭ относится вместе с ультразвуковой дефектоскопией к акустическим методам неразрушающего контроля. В отличие от ультразвукового, метод АЭ, совмещающий механику разрушения и НК, позволяет получить больший объем полезной информации, а также более качественные данные по сравнению с традиционными методами НК. Это связано с тем, что при нагружении образца "оживающий", активный в своем поведении дефект материала (ГОСТ 27655) автоматически сигнализирует о начале развития и своем статусе, что позволяет сформулировать "правильную" систему классификации дефектов и критерии процесов разрушения, которые отражают реальное влияние дефекта на объект.

Характерными особенностями метода АЭ, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:

• метод АЭ обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. Это означает, что независимо от размеров дефекта выявляются наиболее опасные из них, склонные к росту или распространяющиеся.

• метод АЭ позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности. При этом некоторые дефекты, превышающие браковочный уровень, при использовании традиционных методов НК могут попасть в разряд не опасных, не требующих пристального внимания и необходимости их устранения. Кроме того, изделие может выйти из строя не только в результате роста несплошности, но также из-за изменения формы, потери устойчивости и других причин. В этих случаях АЭ сигнализирует о развитии нежелательных процессов;

• метод АЭ обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам. Он позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещин порядка долей миллиметра. Предельная чувствительность аппаратуры АЭ по теоретическим оценкам составляет порядка 10^-6 мм², что соответствует выявлению скачка микротрещины длиной 1 мкм на величину 1мкм;

• метод АЭ относится к интегральным методам НК. Интегральность заключается в том, что использование одного или нескольких стационарных преобразователей АЭ на поверхности объекта, обеспечивает контроль всего объекта в целом. При этом координаты дефектов определяются без сканирования поверхности объекта преобразователем. Следовательно, проведение контроля и его результаты не зависят от состояния и шероховатости поверхности образца.

• метод АЭ не критичен к ориентации дефекта. Это существенно отличает его от традиционных методов, для которых этот параметр является одним из наиболее существенных факторов, определяющих результаты контроля.

• метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материала. Неоднородность материала не имеет существенного значенияю Поэтому, в этом смысле метод АЭ имеет более широкий диапазон применения.

Акустоэмиссионный метод диагностики механического состояния позволяет повысить достоверность исследования процессов разрушения, упростить процедуру принятия решения по измеренным данным и произвести автоматизацию эксперимента

Целью АЭ-контроля является обнаружение и определение координат источников сигналов акустической эмиссии, связанных с поверхностными или внутренними дефектами исследуеиого объекта.

АЭ-контроль технического состояния образца проводится только при создании в нем напряженного состояния, способного возбудить источники АЭ, сигналы от которых принимают установленные на поверхности контролируемого объекта пьезоэлектрические преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ). В качестве последних используются пьезоэлектрические датчики. ПАЭ устанавливаются на поверхности образца и преобразуют упругие волны, распространяющиеся в объекте от источников АЭ, в электрические сигналы.

По разности времен прихода АЭ сигналов на ПАЭ определяют координаты областей, генерирующих сигналы акустической эмиссии. Степень опасности дефекта определяется в результате статистического анализа сигналов от источника АЭ по одному из критериев, представленных в РД 03-131-97. Критерии отбраковки деталей по результатам АЭ-контроля, являющиеся основой программного обеспечения диагностического комплекса, приведены в Приложении 1.

6. НАЗНАЧЕНИЕ КОМПЛЕКСА МК-01

Акустико-эмиссионный и оптико-голографический комплекс МК-01 предназначен для выявления развивающихся под нагрузкой дефектов типа трещин и пор в ВТСП-лентах с использованием данных акустической эмиссии, оптической голографии и тензометрических измерителей. Комплекс представляет собой испытательную многоканальную многопараметрическую информационно-измерительную систему, состоящую из двух частей:

- стандартных и нестандартных механических нагружающих устройств для создания различных внешних механических воздействий, деформирующих исследуемый объект;

- аппаратной части, предназначенной для обнаружения и регистрации дефектов методами акустической эмиссии и оптической голографии, а также, определения координат и классификации обнаруженных дефектов по степени опасности при последующем использовании объекта..

Нагрузка измеряется с помощью тензометрического динамометра (ГОСТ 15077-71), динамометра испытательной машины и оптико-голографического измерителя. Деформация измеряется тензометрическим датчиком перемещений ТДП-07, датчиком испытательной машины и оптико-голографическим измерителем. Линейные размеры определяются с помощью штангенциркуля (ГОСТ 1666-89), металлической линейки (ГОСТ 427-75) и микрометра (ГОСТ 6507-90). Могут быть также использованы другие испытательные и измерительные средства, способные выполнить поставленную задачу и прошедшие государственную или ведомственную метрологическую аттестацию

В состав комплекса входят:

- малогабаритные стандартные и нестандартные механические нагружающие устройства для создания напряженно-деформированного состояние в исследуемом объекте;

- приемные акустические каналы измерительного комплекса А-Line 32D фирмы Интерюнис для регистрации и преобразования АЭ-сигналов;

- тензометрические каналы для измерения нагрузки и деформации;.

- голографический измеритель деформаций и усилий;

- многоканальный внешний модуль АЦП/ЦАП фирмы L-Card для приема и оцифровки электрических сигналов (устройство сопряжения);

- микро-ЭВМ PC-AT (ноутбук);

- принтер.

6.1. Устройства для создания механической нагрузки

Устройства для создания механической нагрузки предназначены для проведения различных видов механических испытаний. Например, изгибные испыьания ВТСП-лент могут проводиться по трехточечной схеме нагружения с помощью нестандартной малогабаритной испытательной машины. При этом образец свободно располагается на двух шарикоподшипниковых опорах, а нагружение осуществляется с помощью индентора-дачика. С помощью этой установки можно плавно менять и задавать скорость нагружения и измерять его величину. Измерение усилия и прогиба выполняется с помощью тензометрических датчиков. Кроме того, усилие при нагружении измеряется с помощью оптико-голографической системы. Параметры АЭ-сигналов принимаются датчиком-индентором, обрабатываются акустико-эмиссионным блоком и передаются в устройство сопряжения АЦП, установленной в ПК.

6.2. Назначение аппаратной части

Аппаратная часть предназначена для обнаружения дефектов методом АЭ, их регистрации и определения координат, а ткаже классификации обнаруженных дефектов по степени опасности при дальнейшем использовании объекта. Она основывается на дефектоскопическом акустико-эмиссионном комплексе A-Line 32D, который соответствует РД 03-299-99 и ТУ 4013-001-2569000-97.

A-Line 32D представляет собой цифровую компьютеризированную многоканальную сисему сбора и обработки АЭ-информации, получаемой с исследуемого объекта от акустических преобразователей в процессе контроля. A-Line 32D выполнен на основе ПК в индустриальном исполнении. Комплекс имеет мощное программное обеспечение для обработки АЭ-параметров и получения различных зависимостей, разработанных на основе многолетнего опыта фирмы “Интерюнис” по проведению АЭ-диагностики технического состояния различных промышленных объектов и оценки степени их остаточного ресурса. Подробные технические данные комплекса приведены в паспорте прибора. На указанный комплекс имеется СЕРТИФИКАТ об утверждении типа средства измерения, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 17333-98 и допущен к применению в Российской Федерации. Могут быть использованы и другие многоканальные цифровые акустико-эмиссионные системы, прошедшие государственную или ведомственную метрологическую аттестацию.

Технические характеристики аппаратной части:

- число измерительных каналов 1…8

- число используемых измерительных каналов 2

- программируемый диапазон изменения

коэффициента усиления, дБ 20…60

- уровень приведенного к входу шума, мкВ, не более 5

- полоса пропускания измерительного тракта, кГц 30…500

- неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ не более 1

- динамический диапазон измерения:

амплитуды АЭ сигнала, дБ не менее 72

- частота преобразования АЦП, МГц 1

- разрядность АЦП, бит 14

- напряжение питания, В 220± 20

- частота тока питания, Гц 50 ±1

- персональный компьютер РС Intel Celeron, мГц 1500

- потребляемая мощность, Вт не более 500

Комплекс A-Line32D осуществляет измерение следующих АЭ параметров:

• время регистрации АЭ-сигнала;

• время регистрации максимальной амплитуды АЭ-сигнала;

• время окончания АЭ-сигнала;

• максимальная амплитуда АЭ-сигнала;

• энергия АЭ-сигнала.

Программное обеспечение комплекса A-Line 32D реализовано в среде Windows-9Х. В программе предусмотрены два основных режима работы системы:

• Режим ON-LINE (аппаратная часть подключена);

• Режим OFF-LINE (аппаратная часть отключена).

Работа аппаратной части в этом режиме - анализ сохраненных протоколов контроля, вывод протоколов на печать, архивирование, передача информации по электронной почте и др. - описаны в Руководстве пользователя A Line-32D.

Преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), принимающие сигналы АЭ, устанавливают на исследуемых образцах.

Типы используемых преобразователей: стандартные и специальные пьезо- преобразователи акустической эмиссии 2-го класса в соответствии с РД 03-300-99 (например, типа ПАЭПП1-30-300, GT-200 или аналогичные).

Основные технические характеристики ПАЭ GT-200:

- коэффициент электроакустического преобразования, дБ не менее 60

- рабочий частотный диапазон, кГц 100... 500

- электрическая емкость, пф не менее 400

- сопротивление изоляции, ГОм не менее 1

- материал корпуса титановый сплав

- габаритные размеры, мм² 0,16х15

- масса, г не более 13

Электрические сигналы от ПАЭ поступают на установленные рядом модули АЭ, где происходит их обработка (усиление, фильтрация, аналого-цифровое преобразование), и передаются по коаксиальному кабелю в системный блок компьютера A-Line32D (DDM).

ПАЭ устанавливают на поверхность контролируемого объекта, зачищенную под Rz 40 (ГОСТ 2789). Надежное крепление ПАЭ и модулей АЭ на образце обеспечивается магнитными держателями. Для создания акустического контакта ПАЭ с поверхностью образца используют жидкие среды повышенной вязкости, например, смазку «циатим» (по ГОСТ 20799).

6.3. Имитатор акустико-эмиссионных сигналов

Имитатор акустико-эмиссионных сигналов предназначен для возбуждения упругих волн, имитирующих сигналы акустической эмиссии в контролируемом объекте. Имитатор АЭ-сигналов используют для настройки АЭ-системы и ПАЭ после установки их на контролируемую деталь. Он состоит из электронного блока и пьезоэлектрического преобразователя с магнитным держателем.

Основные параметры имитатора АЭ-сигналов:

- диапазон амплитуды импульсов, В 10...300

- диапазон частоты следования импульсов, Гц 1...10

- задаваемое время излучения, мин 1...60

- габаритные размеры, мм³ не более 155х80х30

- вес, кг не более 0,3

При настройке АЭ-аппаратуры излучающий преобразователь имитатора устанавлиют через контактную смазку на подготовленное зачищенное место на образце.

6.4. Метрологическое обеспечение

Автоматизированный комплекс МК-01 для АЭ-иследований процессов разрушения и пьезо-преобразователи ПАЭ должны быть поверены (откалиброваны) в организациях, аккредитованных в установленном порядке на право аттестации средств акустико-эмиссионного неразрушающего контроля. Ежедневная проверка работоспособности комплекса проводится в соответствии с разделом 7 настоящей Методики. Проверка работоспособности и калибровка акусто-эмиссионного блока системы производится с помощью имитатора АЭ-сигналов.

6.4. Принцип работы автоматизированного комплекса МК-01

Работа оптико-голографического измерителя деформации и нагружающего усилия состоит в следующем. На индентор, внедряемый в сверхпроводящий образец, прикладывается механическое усилие с помощью малогабаритного механического нагружающего устройства. Величина усилия измеряется с помощью тензометрического динамометра. Глубина внедрения индентора измеряется оптико-голографическим измерителем перемещений [15, 16]. Пластическая деформация и образование структурных дефектов регистрируются с помощью системы приема и обработки сигналов АЭ. Все измеряемые параметры и значения вводятся в ПК с помощью устройства сопряжения (УС) и программы ввода и тем самым создается база экспериментальных данных. С помощью прикладной программы по соответствующим алгоритмам производится пост-обработка полученной базы данных. Принцип работы измерительной установки поясняется ее структурной схемой (см. Рис. 1).

Используемая в измерителе эталонная голограмма, задающая опорный световой поток, является ограниченно толстослойной и представляет собой отражательную дифракционную решётку. Она экспонировалась (изготовлялась) в линейном режиме по оптической схеме в соответствии с Рис.1. Угол Q выбирался из условий получения эллиптического пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости голограммы при ее экспонировании. При указанных условиях в эмульсии голограммы формируется и закрепляется совокупность гиперболических отражательных страт, близких по форме к параболическим и "вложенных" друг в друга. Сечения страт (поверхности эмульсии голограммы) представляют собой эллипсы с небольшим эксцентриситетом. При экспонировании эталонной голограммы в установке необходимо использовать высокоразрешающие голографические фотопластинки.

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки с электронными узлами, обеспечивающими ввод информации в ПК. Приведены обозначения: 1 - лазер; 2 - оптическая линза; 3 - эталонная голограмма; 4 - отражатель; 5 - пьезоэлемент для подстройки нуля измерителя; 6 - волновод, закрепленный в гофрированных мембранах; 7 - датчик АЭ; 8 -индентор; 9 - объект измерений; 8 - экран; 9 - фотоприемник; 10 - тензометрический датчик; 11 - тензометрический усилитель; 12 - предусилитель сигналов АЭ; 13 - блок формирования сигналов АЭ; 14 - экран для формирования голограммы; 15 - фотоприемник; 16 - усилитель фототока; 17 - осциллограф; 18 - цифровой вольтметр; 19 - АЦП/ЦАП; 20 - ПК; Р - приложенная нагрузка; Q - угол между плоскостями голограммы и отражателя.

Работа оптико-голографического измерителя перемещений, представленного на Рис.1, состоит в следующем. Когерентный луч света от лазерного источника (1) проходит сквозь рассеивающую линзу (2), после чего расходящийся пучок света попадает на голографическую пластину (3). Часть света, дифрагировавшего на эталлоной голограмме, направляется в сторону экрана (8) и фотоприемника (9). В силу особенностей дифракции на эталонной голограмме на экран попадает не менее 84% энергии дифрагировавшего светового потока. Другая часть света проходит через голограмму и направляется на отражатель (4), отразившись от которого повторно проходит через голографическую пластину и также поступает на экран. Световые потоки в плоскости экрана образуют при соответствующем угле Q интерференционную картину в виде максимумов и минимумов интенсивности оптического поля в форме эллипсов с небольшим эксцентриситетом. Фотоприемник (9) размещается в центре изображения в пределах интерференционной полосы нулевого порядка, что соответствует максимальной чувствительности схемы измерений, т. е. длине волны l/4. В пределах этого интервала весь диапазон перемещения оптического отражателя разбивается на 1000 градаций измерительного электронного устройства. Выходной сигнал фотоприемника (9) поступает на вход усилителя фототока и далее на цифровой вольтметр и осциллограф, а также на АЦП и далее на ПК.

Отметим, что интерференционное кольцо нулевого порядка, обеспечивающее максимальную чувствительность измерителя, находится в центре интерферограммы, что обеспечивает повышение пороговой чувствительности измерителя по сравнению с известными оптическими схемами.

Кроме того, информационная интерферограмма формируется в плоскости фотоприемника за пределами голографической фотопластинки, в стороне от оптической оси реконструирующего светового потока, что также упрощает съем информации. Фурье- голограмма (3) имеет несколько направлений оптимальной реконструкции изображения и оптическая ось z (Рис. 1) может не совпадать с нормалью к плоскости голограммы, а угол Q в этом случае при измерениях можно задавать приближенно равным нулю.

Предлагаемый измеритель согласно Рис.1 имеет особенность, состоящую в том, что при удалении отражателя (4) от голограммы (3) интерференционные кольца в плоскости фотоприемного устройства (8) разбегаются от центра изображения, а при сближении отражателя (4) с голограммой (3) - сбегаются к центру изображения.

В качестве оптического отражателя (4) может использоваться отполированная поверхность акустического волновода (6) или рабочая поверхность калибруемого преобразователя, или же тонкое (не толще 0,3…0,4 мм) оптическое зеркало, укрепленое на рабочих поверхностях объекта. На другом конце волновода укрепляется калибруемый преобразователь или калибруемый преобразователь, на который подают переменное напряжение с генератора. Перемещение рабочей поверхности преобразователя воэбуждает акустическую волну, распространяющуюся вдоль волновода и вызывающую смещение его зеркальной торцевой поверхности. При этом происходит изменение фазовой разности световых потоков, интерферирующих в плоскости экрана. Пьезоэлемент (5) служит для начальной настройки измерителя путем подачи на него постоянного напряжения с источника.

Оптический отражатель (4) укрепляется на пьезопреобразователе (5), который в свою очередь укреплен на волноводе (6). Волновод зажат в гофрированных мембранах (11), позволяющих перемещаться ему только в одном продольном направлении. Другой конец волновода соприкасается с датчиком акустической эмиссии, индентором и поверхностью измеряемого объекта. Перемещение индентора вызывает изменение фазовой разности световых потоков, интерферирующих в плоскости экрана. Пьезопреобразователь (5) служит для начальной настройки. В зависимости от геометрической формы объкета и цели эксперимента его нагружение может производиться механическим, гидравлическим, электромагнитным или тепловым способом.

Скорость нагружения и время выдержки первого нагружения должны выдерживаться с точностью не хуже ±5%, а величины первого и повторного нагружения должны обеспечиваться с точностью ±2 %.

Если оптический отражатель (4) укреплен непосредственно на объекте или им служит одна из отполированных граней объекта, то частотный диапазон измеряемых перемещений резко возрастает. При этом интерференционным измерителем можно регистрировать сигналы АЭ и производить обработку измеряемого спектра.

Максимальная чувствительность измерителя достигается в случае падения на голограмму световой волны с плоским фронтом. Тогда интенсивность светового потока итерферограммы определяется соотношением:

где I₁, I₂ - интенсивности световых потоков, реконструированного голограммой и направляемого отражателем; d = k(r_j - r_от) - фазовый угол интерферирующих световых потоков; r_j - длина оптического пути светового потока, реконструированного голограммой, до плоскости интерференции (экрана); r_от - длина оптического пути светового потока от отражателя до плоскости интерференции; k = 2p /l - волновое число.

Из конструктивной схемы (Рис.1) следует, что оптическая разность хода световых потоков I₁, I₂ при перемещении отражателя вдоль нормали к плоскости голограммы удваивается, а общая чувствительность d, такой схемы по уровню смены фазы светового потока в точке наблюдения на p определяется выражением:

где n - номер интерференционного порядка; l - длина волны оптического излучателя.

Предполагаемые технические параметры оптического измерителя перемещений:

- диапазон измеряемых величин 0…2 мм

- чувствительность 10^-9 м

- динамический диапазон 30 Дб

- частотный диапазон измерения перемещений:

а) с использованием волновода - до 1 кГц

б) без волновода - до 1мГц

- дрейф нулевого уровня в течение 1 часа работы не превышает 5х10^-9 м

- температурный дрейф 5х10^-9 м/К;

- нестабильность измеряемой величины при изменении

питающей сети на 10% не превышает 0,1% за один час работы.

Описанный измеритель малых перемещений в силу своей компактности, конструктивной простоты, высокой чувствительности и широкополосности можно использовать непосредственно для приема акустических сигналов, например, сигналов АЭ и производить обработку их спектрального состава с целью изучения ранних стадий процессов разрушения и оценки повреждаемости материалов и элементов конструкций в процессе их нагружения и ползучести.

Представленная оптико-голографическая схема датчика перемещений обладает высокой устойчивостью к вибрациям конструктивных элементов и не требует калибровки после ее начальной настройки. Конкретная схемотехническая реализация узлов устройства сопряжения облегчает организацию программного обеспечения. Последнее в наибольшей степени ориентировано на учет особенностей аппаратуры, упрощая тем самым устройство сопряжения между измерительными блоками и ПК.

6.5. Экспериментальное устройство для исследования дефектности ВТСП-лент методом АЭ при трехточечном изгибе

Для испытания на изгиб изготовленных по технологии "оксидный порошок в трубке" одножильных и многожильных ВТСП лент Bi-2223/Ag используется устройство, общий вид которого приведен на Рис.2,а. Оно обеспечивает нагружение образца по схеме 3-х точечного изгиба, при возможном плавном изменении скорости нагружения, Испытания проводятся при комнатной температуре. Образец свободно устанавливается на два опорных подшипника

диаметром 10 мм. Расстояние между опорами равнялось 35 мм. Нагружающим устройством является цилиндрический индентор диаметром 20 мм, содержащий датчик акустической эмиссии. Механическое усилие на индентор прикладывается с помощью малогабаритного механического нагружающего устройства. Усилия и прогиб образца измеряются с помощью соответствующих тензометрических датчиков. Накопление повреждений и образование трещин регистрируется системой приема и обработки сигналов АЭ. Принцип работы измерительной установки следует из ее структурной схемы, представленной на Рис.2,б.

При испытании измеряются следующие параметры:

- величина перемещения образца под индентором (Dl);

- величина прилагаемой нагрузки (P_m);

- число импульсов АЭ - SN (имп);

- сумма амплитуд сигналов АЭ - SA (м);

^- активность сигналов АЭ - (имп/c);

^- время нагружения - t (с).

Деформация определяется по формуле [17]: e = 6dDl/L², а скорость деформации по формуле:, где V_n = Dl/t - скорость нагружения; d - толщина ленты; Dl-перемещение образца под индентором; L - расстояние между опорами. При этом, один и тот же образец может последовательно нагружаться на нескольких участках. Частота приемного акустического датчика составляет 165кГц. Величина порогового напряжения устанавливается: U_пор < U_ш + 6дБ, где максимальный уровень шума акустического канала, приведенного ко входу предусилителя: U_ш < 10мкВ, при максимальном коэффициенте усиления равном 60дБ. Максимальная величина активности принимаемых АЭ сигналов составляет 4000имп/с. Максимальная величина нагрузки на индентор достигает 80гс. Максимальная величина прогиба: Dl = 6.5мм.

6.6. Прикладное программное обеспечение

Прикладное программное обеспечение предназначено для обеспечения выполнения эксперимента с использованием микро-ЭВМ в диалоговом режиме, а также для проведения расчетов и вывода результатов на дисплей и печатающее устройство. Программное обеспечение состоит из нескольких файлов, которые могут вызываться из основной программы пользовательского меню. Последнее представляет собой совокупность ‘’выпадающих окон”, каждое из которых имеет свое функциональное название и назначение. Выбор нужного пункта может осуществляться с помощью “мышки” или клавиатуры. Программное обеспечение написано в среде Windows 9Х и Delfi 5.

а)

(

Рис. 2. Общий вид (а) и структурная схема экспериментальной установки (б). Цифрами обозначены: 1 - динамометр; 2 - индентор с датчиком АЭ, осуществляющий трехточечный изгиб; 3 - измеритель перемещений; 4 - ленточный образец; 5 - опорные подшипники; 6, 8 - тензометрические устройства согласования; 7 - предусилитель; 9 - системный блок обработки сигналов АЭ и 10 - регистрирующее устройство

Параметры и сигналы, регистрируемые в процессе испытания:

- номер образца и условия испытания;

- время испытаний;

- скорость нагружения;

- величина нагрузки;

- величина деформации;

- амплитуда АЭ-сигнала;

- энергия акустического сигнала;

- осциллограмма акустического сигнала;

- число акустических импульсов;

- активность акустических сигналов.

После завершения испытаний производится пост-обработка полученных результатов с целью анализа и фильтрации данных, а также повышения достоверности полученных параметров сигналов, характеризующих механическое состояние образца, и построения различных графиков и зависимостей. На основании полученных результатов производится выбор критериев разрушения образца и определяются соответствующие коэффициенты в системах классификации источников сигналов АЭ.

В процессе пост-обработки результатов испытаний производится:

n определение акустической активности экспериментальных образцов;

n определение амплитудного и энергетического распределения;

n определение влияния скорости нагружения;

n определение влияния формы, размера и состояния поверхности образца;

n определение влияния эффекта Кайзера;

n определение влияния начального состояния образца.

Фильтрация данных осуществляется по следующим параметрам:

n времени;

n амплитуде;

n энергии;

n длительности АЭ-сигнала;

n количеству превышений порога в АЭ-сигнале;

n величине нагрузки;

n величине перемещения индентора.

Все результаты должны быть представлены в удобном для интерпретации виде. Должны быть указаны местоположение и размеры зоны разрушения, а также произведена классификация каждого источника АЭ-сигнала с соответствующим комментарием.

7. ПОДГОТОВКА КОМПЛЕКСА К РАБОТЕ

7.1. Проведение поверки

При проведении внешнего осмотра комплекса устанавливают:

- наличие свидетельства о предыдущей поверке (при периодической поверке);

- соответствие комплектности комплекса технической документации;

- наличие маркировки;

- отсутствие механических и коррозионных повреждений;

- целостность электрических разъемов и изоляции.

Проверка габаритных размеров образца проводится с помощью любого измерительного инструмента, обеспечивающего требуемую точность.

7.2. Подготовка испытательного устройства

- Установить испытательное устройство на рабочем месте и заземлить;

- подключить устройство к сети (не включать!);

- подготовить к работе устройство для создания соответствующей экспериментальной нагрузки согласно его технической инструкции.

7.3. Подготовка аппаратной части

- Установить компьютер на рабочем столе и заземлить;

- подключить компьютер к сети (не включать!);

- соединить системный блок компьютера и клавиатуру;

После выполнения подготовительных и настроечных работ производят выбор и установку режима испытания образца согласно программы испытаний. При этом выполняются следующие операции:

- выбирается вид испытания: (а) на растяжение - по ГОСТу 1497-84; (б) на изгиб или растяжение для определения параметров трещиностойкости - по ГОСТу 25.506-85 и т. д.

- для каждого вида испытаний устанавливаются соответствующие захваты испытательной устройства и тип образца;

- производится выбор скорости нагружения в соответствии с программой испытаний и техническим описанием нагружающего устройства;

- согласно программе испытаний производится выбор вида нагружения (однократное или многократное, монотонно возрастающее до разрушения образца или ступенчатое);

- с помощью штангенциркуля (микрометра) и линейки производится измерение геометрических размеров образца с последующим занесением их в протокол и журнал испытаний;

- образец устанавливается в захваты испытательного устройства и производится их предварительная затяжка;

- устанавливаются датчики акустической эмиссии и измерения деформации;

- на исследуемый объект наносится контактная смазка и устанавливаются ПАЭ, которые фиксируются магнитными или пружинными держателями;

- разъем ПАЭ cоединяется с разъемом «Вход» предусилителя АЭ, который затем фиксируется с помощью магнитных держателей на поверхности;

- фиксируются номера ПАЭ;

- оптико-голографические и тензометрические модули согласования присоединяются к ПК по соответствующим электрическим схемам, изложенным в технической инструкции.

8. ПОРЯДОК РАБОТЫ

8.1. Настройка аппаратной части

- Включить компьютер и подождать завершения его загрузки;

- Войти в программу A-Line, для чего дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на выбранном значке.

- В появившемся основном окне программы с помощью мыши нажать кнопку «Управление», и в появившемся подменю нажать кнопку «Новое измерение». В диалоговом окне "Параметры нового измерения" после введения данных об объекте контроля и фамилии оператора нажать кнопку «ОК». Система врзвратится в основное окно программы.

- Установить на поверхности ВТСП-образца излучающий пьезопреобразователь имитатора АЭ-сигналов (аналогично установке измерительных ПАЭ), выставить на имитаторе в режиме «Установка» амплитуду импульса равную 20 В (1 Гц), перевести имитатор АЭ сигналов в режим «Излучение» нажатием кнопки «Старт\Стоп».

- Нажать кнопку «Управление» основного меню, а в подменю - кнопку «Старт». В окне «Амплитуда, дБ» наблюдать амплитуду сигналов, принимаемых измерительными ПАЭ.

- При проведении первичного экспресс-контроля амплитуды ПАЭ (№1 и №2) не должны отличаться более, чем на ±3 дБ от среднего значения. Если это условие не выполняется, необходимо переустановить датчики.

- Выключить и снять имитатор АЭ сигналов.

8.2. Включение устройства создания испытательной нагрузки

Запуск испытательного нагружающего устройства производится в соответствии с его техническим описанием:.

- включить тензометрические и оптические измерители перемещений.

- включить тензометрические и оптические измерители перемещений.

- установить соответствующую скорость нагружения.

- установить исследуемый объект в захватах испытательного нагружающего устройства.

8.3. Проведение испытаний

Испытание ВТСП-образца производится в соответствии с данной методикой акустико-эмиссионного исследования процессов разрушения. Для этого нажать мышью в основном окне кнопку «Управление», а в подменю - кнопку «Новое измерение».

Оператор в окне "Параметры нового измерения" вводит номер образца; код завода-изготовителя; год изготовления (две последние цифры); фамилию, имя, отчество оператора и комментарии (если они необходимы).

Для сохранения данных в окне «Параметры нового измерения» убирается галочка в строке «Не сохранять данные» и нажимается «ОК».

Нажать кнопку «Старт системы» и открыть окно «Основные окна». Через 10 секунд после начала измерения нажать на пульте управления нагрузочным стендом кнопку включения подачи нагрузки.

По достижении соответствующего усилия нажать кнопку «СТОП».

Скорость нагружения поддерживается автоматически. Продолжительность времени нарастания нагрузки от нуля до максимального значения - не менее 20 с.

После испытания образца акустико-эмиссионная система останавливается кнопкой "Стоп" в основном окне компьютера.

Открыть окно «Локация» и на объемном изображении образца оценить результат испытания. В основном меню нажать кнопку «Печать протокола». На экране возникнет протокол испытания. При необходимости распечатать протокол на бумажном носителе - подключить принтер и нажать кнопку «Печать» в окне «Печать протокола».

На этом исследование данного ВТСП-образца с помощью комплекса МК-01 заканчивается.

Для испытаний следующих ВТСП-образцов снять ПАЭ и модули АЭ с проконтролированного образца, установить другие образцы на стенде и выполнить необходимые операции согласно разделам 7 и 8.

Оценка результатов контроля каждого образца в реальном масштабе времени проводится при помощи выхода в окно «Локация» (объемная и линейная). При этом на экран монитора выводится изображение данного образца, где красным цветом выделяется зона с зарегистрированным источником сигналов АЭ (дефектная зона) (пример результатов контроля приведен на Рис. 3).

Рис. 3. Вид диалоговых окон «Основные окна» при проведении испытаний.

После окончания испытаний в основном окне программы войти в меню "Управление" и в подменю нажать кнопку "Стоп системы". Затем выйти из программы "A-Line" и завершить работу стандартным выходом из компьютера. Отсоединить кабели от компьютера и модулей АЭ, разместить кабели на катушках, снять и протереть датчики.

9. ОЦЕНКА И ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЬТАТОВ АЭ-ИСПЫТАНИЙ

Выходной информацией при АЭ-контроле является индикация на мониторе компьютера места обнаруженного дефекта на объемном изображении образца в виде прямоугольника красного цвета. В результате использования специально разработанного программного обеспечения комплекса вывод о наличии дефекта в детали автоматически без участия оператора-дефектоскописта регистрируется в окне «Объемная локация» и в протоколе результатов контроля, вид которого приведен на Рис 3. Результаты данных испытаний, полученные согласно приведенной методике, рекомендуется использовать при выборе критериев отбраковки и классификации источников АЭ-сигналов, приведенных в руководящих материалах РД-03-131-97 "Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. Постановление Гостехнадзора России от 11.11.96 № 44" (см. Приложение 1).

Для этого определяются константы в зависимости коэффициента интенсивности напряжений (К) от числа импульсов АЭ-сигналов при развитии трещины [18]:

,

где а и m - материальные константы, зависящие от состояния материала, условий роста трещины; параметр m для различных материалов изменяется в пределах от 4 до 12.

КИН для тонкой пластинки при однородном растягивающем напряжении s имеет вид:

,

где l - длина трещины.

Далее находится константа материала с из эмпирической зависимости, описывающей увеличение поверхности трещины DF от суммы амплитуд SА сигналов АЭ [18]:

,

где Е - модуль Юнга.

Этими результатами можно воспользоваться для получения определяющих выражений, связывающих параметры сигналов АЭ с параметрами дефектов материала.

В процессе нагружения материалов уже на ранних стадиях появляются микро- и макродефекты. Кинетика их накопления зависит от структуры материала, условий нагружения и размера образца. Описание этих явлений и выбор обоснованных критериев разрушения на основе обобщения стандартных типов деформации и разрушения возможно при постановке соответствующих экспериментов. Диагностика повреждаемости позволяет предсказать ожидаемое разрушение конкретного образца и определить его долговечность. Накопление дефектов в твердом теле можно описать в качестве термоактивированного процесса, развивающегося во времени. Согласно этим представлениям долговечность образца t связана с действующим механическим напряжением s и температурой испытания T выражением:

,

где - энергия активации при нулевом напряжении, близкая по абсолютной величине к энергии межатомных связей; - период тепловых флюктуаций атомов в твердом теле; - параметр материала, определяющий локальные перенапряжения; - постоянная Больцмана.

Однако этот подход позволяет оценить время до разрушения только с логарифмической точностью. Более того, истинные значения s, T и g - часто неизвестны. Вследствие этого одним из приемлемых методов определения степени повреждаемости оказывается метод АЭ.

9. Требования к безопасности

Испытания и эксплуатация установки должны проводиться с соблюдением требований пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004. Поверка установки производится с учетом «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭ) и «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТБ).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ АЭ-СИГНАЛОВ

Оценку состояния контролируемого объекта производят по наличию в нем источников АЭ того или иного класса. Классы источников определяются по различным критериям.

П.1. 1. Представление результатов по амплитудному критерию

При представлении результатов по амплитудному критерию (см. РД-03-131-97) система A-Line 32D должна вычисляться средняя амплитуда A_ср не менее трех импульсов с индивидуальной амплитудой A_с для каждого источника АЭ за выбранный интервал наблюдения. Амплитуда корректируется с учетом затухания АЭ-сигналов при их распространении в материале.

В предварительных экспериментах определяют предельное значение допустимой амплитуды A_t:

А_t = B₁ U_пор + B₂ А_с

где: U_пор - значение порога амплитудной дискриминации; А_с - величина превышения порога АЭ-сигналом, соответствующим росту трещины в материале; В₁ и В₂ - экспериментальные параметры, изменяющиеся в интервале [0, 1] и зависящие от материала

Классификациz источников (дефектов) по степени опасности

· Источник I класса - источник, для которого не производилось вычисление средней амплитуды импульсов ( получено менее трех импульсов за интервал наблюдения);

· Источник II класса - источник, для которого выполняется неравенство:

А_ср < А_t ,

· Источник III класса - источник для которого выполняется неравенство:

А_ср > А_t,

· Источник IV класса - источник, включающий не менее трех зарегистрированных импульсов, для которых выполняется неравенство:

A_cđ > A_t,

П.1.2. Представление результатов по интегральному критерию (МР 204-86)

При представлении результатов по интегральному критерию должна вычисляться активность источников АЭ сигналов с использованием выражения:

,

где:

N_k - число событий в k - том интервале оценки параметров; N_k+1 - число событий в k+1 -ом интервале оценки параметров; k - номер интервала оценки параметров.

Интервал наблюдения разделяется на k частей и производится оценка для:

F << 1, F = 1, F > 1.

Вычисляется относительная сила J_k источника АЭ на каждом интервале регистрации:

,

где А_k - средняя амплитуда источника за интервал k; А_К - средняя амплитуда всех источников АЭ по всему образцу за исключением анализируемого в течении интервал k; W - коэффициент, определяемый в предварительных экспериментах.

После этого оисточник АЭ пределяется с помощью матрицы:

	Jk < 1	Jk > 1	Jk > 1
F << 1	I	II	III
F = 1	II	II	III
F > 1	III	III	IV

П.1.3. Представление результатов по локально-динамическому критерию

(МР 204-86)

При представлении результатов по локально-динамическому критерию, оценку производят в реальном масштабе времени с использованием следующих параметров АЭ:

N_i+1 - числа выбросов в последующем событии и N_i - числа выбросов в предыдущем событии, либо Е_i+1 - энергии последующего АЭ-события и Е_i - энергии предыдущего АЭ-события. Вместо энергии может быть использован квадрат амплитуды (U²_m).

Для каждого события вычисляется отношение:

либо ,

а таккже

где P_i+1 - значение внешнего параметра в момент регистрации последующего события (если в качестве параметра используют время, тогда это - промежуток времени от начала интервала наблюдения); Р_i - значение внешнего параметра в момент регистрации предыдущего события (если в качестве параметра используют время, тогда это - промежуток времени от начала интервала наблюдения).

Классификация источника производится на основе соотношений:

I класс - W_i+1 << V_i+1

II класс - W_i+1 = V_i+1

III класс - W_i+1 > V_i+1

IV класс - W_i+1 >> V_i+1

П.1.4. Представление результатов по интегрально-динамическому критерию

(стандарт NDIS 2412-80, Япония)

Для каждого источника определяют коэффициент концентрации с:

,

где R - средний радиус источника АЭ и суммарную энергию:

,

С помощью этих данных оценивают положение точки на плоскости в логарифмических координатах "" (см. Рис. 4) и устанавливают ранг источника АЭ. Положение разграничивающих линий, определяющих ранг источника, определяется предварительными экспериментами.

Рис. 4. Процедура определения ранга источника АЭ.

Далее формируют величину Р, характеризующую динамику энерговыделения источника в течении периода наблюдения:

,

где

, k = 1, 2 ... K

Устанавливается тип источника по Таблице 2:

Таблица 2. Тип источника.

P	Тип
P << 1 P < 1 P = 1 P > 1	1 2 3 4

Классификация источников по степени опасности проводится по Таблице 3:

Таблица 3. Классификация источников по степени опасности.

Тип	Ранг
	1	2	3	4
1 2 3 4	I I I I	I II III IV	II II III IV	III III III IV

П.1.5. Представление результатов по технологии MONPAC

Согласно технологии MONPAC источники АЭ разделяются на классы в соответствии со значениями параметров “Силовой индекс” и “Исторический индекс”.

Силовой индекс S_av

_,

где S_0i - сила сигнала i-го события, представляющая собой удвоенную площадь под огибающей импульса АЭ:

S_0i / 2 = MARSE

Исторический индекс определяется выражением:

,

После вычисления значений индексов для каждого зарегистрированного импульса Аэ производится классификация источников в соответствии с диаграммой классификации по технологии MONPAС:

А - незначительный источник АЭ, регистрирующийся для учета в будущих испытаниях;

В – источник, регистрирующийся для учета в будущих испытаниях; при этом осматривается поверхность образца с целью выявления поверхностных дефектов типа коррозии, питтинга, трещин и т. д.;

С – источник, свидетельствующий о наличии дефекта, требующего последующего анализа данных АЭ, повторного АЭ-контроля или исследования с помощью других методов;

D – источник, свидетельствующий о наличии значительного дефекта, требующего последующего исследования с помощью других методов;

Е - источник, свидетельствующий о наличии большого дефекта, требующего немедленного прекращения нагружения и исследования другими методами.

Наиболее информативным параметром для оценки локальной зоны разрушения образца, на наш взляд, является степень повреждаемости Р. Этот параметр характеризует вероятность опасного состояния образца и поэтому представляет собой нормированную величину, характеризующую процесс разрушения и деформирования. В качестве такой величины наиболее приемлемой является величина пластической деформации ε. Тогда степень повреждаемости можно определить как отношение текущей деформации образца (e_Т) к ее предельному (разрушающему) значению (e_пр). Тогда выражение для степени повреждаемости будет иметь вид: Р = e_Т /e_пр

Необходимо учитывать, что пластическая деформация отражает совокупность процессов разрушения, и каждый акт разрушения вызывает акустическую эмиссию с соответствующей амплитудой сигнала. При этом, чем больше объем разрушения, тем больше амплитуда сигнала АЭ. При этом напомним, что часть пластической деформации происходит термoфлyктуaциoнным способом с очень маленьким конфигурационным объемом, при котором величина акустического сигнала может находится на уровне шума и лежать ниже порога отсечки электронной приемной акустической аппаратуры. Кроме того, необходимо принимать во внимание затухание и рассеивание акустического сигнала при его распространении от источника разрушения до приемного преобразователя. С учетом вышесказанного можно получить выражение для степени повреждаемости, определяемой сигналами АЭ, с учетом затухания, рассеивания и термофлуктуационного разрушения.

Так, для одномерного случая степень повреждаемости Р можно определить из соотношения:

где α - коэффициент затухания ультразвуковой волны в материале исследуемого образца; - расстояние от активной зоны разрушения до преобразователя, соответственно, при испытании объекта и контрольного образца; V_k и V_об – соответственно, объем активной зоны разрушения контрольного и исследуемого образца; и - соответственно, сумма амплитуд сигналов AЭ при испытании контрольного и исследуемого образца; N_пр и N - соответственно, число импульсов АЭ-сигналов при испытании контрольного и исследуемого образца; t - время испытаний; e_пр - предельная пластическая деформация при данном режиме испытаний; - скорость пластической деформации, происходящей термофлуктуационным способом. Эта часть пластической деформации создает тепловой (фоновой) акустический шум и, как правило, величина его лежит ниже порога чувствительности приемной акустической аппаратуры. Долю этой пластической деформации определяют путем расчета из соотношения:

где ω - частота колебаний конфигурационного объема, ( ω ≈ 10¹² 1/с); σ - механическое напряжение в образце; k - постоянная Больцмана; Т - температура образца в зоне разрушения.

Сущность методики определения повреждаемости на основе метода акустической эмиссии заключается в том, что предварительно производят испытание контрольных образцов, выполненных из того же материала, что и объект исследования, определяют сумму амплитуд сигналов АЭ из зоны разрушения, объем зоны разрушения, расстояние от зоны до приемного преобразователя, температуру и время испытаний. Затем те же параметры определяют и при испытании диагностируемого образца, а степень его повреждаемостн определяется по значениям измеренных параметров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дулькин Е. А. Исследование процесса спекания керамики YBa₂Cu₃O_7-х методом акустической эмиссии. СФХТ, 1994, т.7, N1, с. 105-108.

2. Staines M. P., Flower N. E. Acoustic emission in YBCO ceramics. Supercond. Sci. Technol., 1991, v.4, N1s, pp. 232-234.

3. Стоев П. П., Папиров И. И., Финкель В. А. Акустическая эмиссия ВТСП керамики YBa₂Cu₃O_7-δ в окрестности сверхпроводящего перехода. Физ. Низ. Темп., 1997, т.23, N9, с.1019-1023.

4. Dul'kin E. A. Investigation of oxidation kinetics of YBa₂Cu₃O_7-x ceramics by the acoustic emission method. - J. Supercond., 1998, v.11, N2, pp. 275-276.

5. Дулькин Е. А. Акустическая эмиссия высокотемпературного сверхпрводника YBa₂Cu₃O_7-х в высокотемпературной области. СФХТ, 1992, т.5, N1, с. 103-104.

6. Дулькин Е. А. Об акустической эмиссии керамики YBa₂Cu₃O_7-х в области сверхпроводящего фазового перехода. СФХТ, 1993, т.6, N2, с. 314-317.

7. Сердобольская О. Ю., Морозова Г.П. Акустическая эмиссия в сверхпроводящей керамике YBa₂Cu₃O_7-y. ФТТ, 1989, т.31, N8, с. 280-282.

8. Dul'kin E., Beilin V., Yashchin E., Roth M. YBa₂Cu₃O_7-x flux field penetration by acoustic emission data. Supercond. Sci. Technol., 2002, v.15, N7, с. 1081-1082.

9. Островский И. В., Селивонов И. Н. Акустическая эмиссия, сопровождающая сверхпроводящий переход в ВТСП керамике TlBaCuO. Физ. Низ. Темп., 1998, т.24, N1, с. 67-70.

10. Бойко В. С., Кривенко Л. Ф., Демирский В. В., Нацик В. Д. Исследование процессов микроразрушения монокристаллов и керамик высокотемпературных сверхпроводников методом акустической эмиссии. СФХТ, 1991, т.4, N9, с. 1815-1820.

11. Бойко В. С., Горбатенко В. М., Кривенко Л. Ф. и др. Наблюдение акустической эмиссии в процессе нагружения высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-х при 300, 77 и 4.2К. Физ. Низ. Темп., 1989, т.15, N9, c. 988-991.

12. Грабко Д. З., Боярская Ю. С., Житару Р. П. и др. Микромеханические свойства сверхпроводящей иттриевой керамики. СФХТ, 1989, т.2, N6, с. 67-71.

13. Dul'kin E., Beilin V., Yashchin E., et al. Исследование процесса спекания ленты Bi-2223/Ag методом акустической эмиссии. Письма в ЖТФ, 2001, т.27, N9, с. 79-82.

14. Паринов И. А., Рожков Е. В. Исследование методом акустической эмиссии повреждаемости ВТСП лент при изгибе Механика композиционных материалов и конструкций, 2004, т. 10, N3, с. 355-365.

15. Паринов И. А., Попов А. В., Рожков Е. В., Прыгунов А. Г. Калибровка акустических преобразователей методом голографической интерферометрии. Дефектоскопия, 2000, N1, с.66-71.

16. Паринов И. А., Прыгунов А. Г., Рожков Е. В. и др. Измеритель перемещений с объемной голограммой. - Патент РФ N2169348, 2001. Бюл. Изобр. N17, 20.06.2001.

17. Oduleye O.O, Penn S. J., Alford N. McN., et al. Thermal cycling, critical current vs. strain and finite element modelling of 1, 7, 19 and 37 filament Ag/Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) tapes. IEEE Trans. Appl. Supercond., 1999, v.9, N2, pp. 2621-2624.

18. Грешников В. А., Дробот Ю. Б.. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М: Из-во стандартов, 1976.

Работа выполнена в рамках гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований N04-01-96800