Кафедра термофизики материалов

Кафедра термофизики материалов

 

Курсовая работа.

Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов.

Содержание.

Введение

1) Акустическая эмиссия и ее основные параметры

2) Основные понятия и определения метода акустической эмиссии

3) Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех

4) Методика электролитического наводороживания металлических образцов

5) Назначение прибора АФ-15

6) Источники акустической эмиссии в металлах

7) Практическая часть

Выводы

Литература

Введение.

 

В последнее время наблюдается тенденция неуклонного роста требований как к конструкционным материалам, так и к методам оценки их надежности и качества. Особое внимание уделяется разработке новых, физически обоснованных критериев конструк­тивной прочности материалов, основанных на всестороннем изу­чении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разру­шения. Такой подход предполагает расширение наших представ­лений о природе прочности и механизмах разрушения материалов на различных масштабных уровнях. Это возможно только при ис­пользовании в процессе изучения данных явлений комплекса со­временных физических методов исследования [54].

Как показывает действительность, решение поставленной за­дачи комплексного подхода к проблеме несущей способности ма­териалов и конструкций возможно на стыке материаловедения, физики и механики разрушения, т.е. в рамках новых направле­ний - микромеханики разрушения и физической мезомеханики. Не исключены методы классического материаловедения. Широкие перспективы предвидятся на новых подходах, сочетающих прин­ципы синергетики и теории фракталов.

Метод акустической эмиссии (АЭ), основанный на регистра­ции и обработке волн напряжений, возникающих в результате формирования, изменения и разрушения структур различных ма­териалов, является в настоящее время наиболее эффективным для изучения процессов и стадий развития дефектной структуры и создания систем непрерывного мониторинга ответственных объек­тов промышленности.

Первые работы по изучению явления АЭ появились в конце 40-х годов 20 века в США и в начале 50-х годов в ФРГ. Развитие электроники и создание специальных аналоговых приборов АЭ позволили с конца 60-х годов использовать метод АЭ для обна­ружения роста трещин в процессе различных механических испы­таний. Новое возрождение метода АЭ относится к 90-м годам и связано с активным появлением и использованием персональных ЭВМ. Цифровая техника с большим объемом памяти и скоростью обработки информации позволила накапливать и хранить АЭ ин­формацию, а также при необходимости обрабатывать и анализиро­вать эту информацию по различным параметрам.

Анализ современного состояния работ показывает, что вся проблема, связанная с методом АЭ, может быть представлена сле­дующими научными направлениями [85]:

1. Теория и методы диагностики и прогноза несущей способ­ности конструкций, включающие вопросы теоретических и экспе­риментальных исследований разрушения.

2. Информационно-измерительные системы, предназначенные для анализа АЭ информации, необходимой для принятия решений о состоянии конструкций.

3. Математическое обеспечение измерительной аппаратуры, включающее рабочие программе организации обработки входя­щей информации и подпрограммы, связанные со сжатием инфор­мации, повышением достоверности результатов измерения на ос­нове теории распознавания образов, математической статистики и теории вероятностей.

4. Теория прогнозирования и принятия решений.

В предлагаемой работе предпринята попытка обобщить суще­ствующую информацию по использованию метода АЭ в экспери­ментальной практике современного материаловедения. Особое место в книге отводится использованию метода АЭ для исследо­вания процессов накопления повреждений в нагруженных мате­риалах, для неразрушающего контроля и диагностики несущей способности материалов и изделий.

Назначение прибора АФ-15.

 

Прибор предназначен для проведения исследований и контроля механических свойств различных объектов (образцы конструкционных материалов, сосуды давления, детали и узлы машин и механизмов, например, атомной энергетики, судостроение, авиаций) по информативным параметрам сигналов АЭ.

Прибор обеспечивает прием сигналов АЭ по двум каналам и одновременную регистрацию не менее четырех информативных параметров: амплитуда, скорость счета, сумма осцилляций, активность, сумма событий, разность времен прихода, форму и длительность импульсов АЭ на графопостроителях, анализаторов импульсов, цифропечатающих устройствах и Микро-ЭВМ.

Практическая часть.

Рис. 1. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB.

 

 

Рис. 2. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 10 dB, 2- дискриминация 12 dB.

 

 

Рис. 3. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 16 dB, 2- дискриминация 20 dB.

 

Рис. 4. Зависимость скорости счета от времени наводороживания стали 20; 1,2 – закаленные образцы, 3,4 – отожженные образцы;при уровне дискриминации 8dB.

Рис. 5. Зависимость скорости счета от времени наводороживания; структура образца соответствует отпуску 200⁰С, плотность катодного тока 2 мА/см², дискриминация 10 dB.

 

Рис. 6. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании закаленного образца, плотность катодного тока 10 мА/см²; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB, 3- дискриминация 10 dB, 4- дискриминация 12 dB.

Рис. 7. Скорость счета акустической эмиссии отожженного образца при разных концентрациях H₂SO₄; 1- 0,5н H₂SO₄, 2- 0,1н H₂SO₄, 3- 0,01н H₂SO₄; плотность катодного тока 10 мА/см², дискриминация 8 dB.

Рис. 8. Зависимость скорости счета от времени наводороживания отожженного образца 1 и увеличенные в 10 раз значения на стеклянном датчике 2; плотность катодного тока 10 мА/см², дискриминация 8 dB.

Заключение:

1. В ходе исследований было обнаружено, что зависимость скорости счета от времени наводороживания для всех исследуемых металлов имела три основные области: стадия роста, стадия насыщения (область максимального значения АЭ) и стадия снижения величины АЭ. В сталях область максимального значения АЭ наступала позже, чем в титане, а спад скорости счета происходил гораздо медленнее. Насыщение в титане происходило за 2 часа, а в сталях за 1,5-3 часа, причем с увеличением содержания углерода в стали стадия насыщения наступала быстрее. В титане падение скорости счета  было более быстрым, чем в сталях.

2. Исследованы кинетические зависимости скорости счета акустической эмиссии в электролитах при разных концентрациях серной кислоты. Установлено, что АЭ возрастает при повышении концентрации H₂SO₄.

3. Чем выше плотность катодного тока, тем больше значения АЭ.

4. В данной работе проводилось наводороживание закаленных и отожженных образцов. По зависимостям можно сделать вывод, что закаленные образцы быстрее наводороживаются, чем отожженные, а также значения АЭ у закаленных образцов больше, чем у отожженных образцов.

5. Рассмотрены основные факторы, влияющие на значения АЭ: выделение пузырьков (газообразный водород) на поверхности катода и их «схлопывание»; накопление водорода в порах кристаллической решетки; сегрегация водорода у дислокаций, скоплений вакансий; образование трещин по границам зерен из-за большой концентрации водорода; коррозионное разрушение образца; образование и раскрытие коллекторов заполненных водородом; перемещение дислокаций под действием неоднородных внутренних напряжений, вызванных водородом.

6. “Схлопывание” пузырьков не значительно влияет на значения АЭ.

Выводы:

1) Механизм возникновения и изменения АЭ в ходе электролитического наводороживания тесно связан с накоплением и перераспределением водорода в образце.

2) АЭ зависит от плотности катодного тока, концентрации серной кислоты, площади поверхности образца опущенного в электролит.

3) Коррозия образца, выделяющиеся пузырьки на поверхности образца и их схлопывание вносят несущественный вклад в общую величину АЭ.

4) Наибольшая интенсивность акустических сигналов наблюдалась в диапазоне частот 200-500 кГц.

5) Изменение АЭ в процессе наводороживания можно будет связать со степенью диффузии и окклюзии водорода в материале.

Литература:

 

1) Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедений/

Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин и др./ «Машиностроение-1» 2002 г.

2) Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. / Изд-во Ленинградского университета, 1975 г.

3) Баранов В. М., Кудрявцев Е. М., Сарычев Г. А., Щавелин В. М. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998 – 256 с.

4) Иванов В. И., Белов В. М. Акустико-эмиссионный контроль сварных соединении. М.: Машиностроение, 1981. – 184с.

5) Алексеев И. Г., Кудря А. В., Штремель М. А. Параметры акустической эмиссии, несущие информацию об одиночной хрупкой трещине.

6) Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике/ В. И. Артюхов, К. Б. Вакар, В. И. Макаров и др./ Под ред. К. В. Вакара. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.

7) Филоненко С. Ф. Акустическая эмиссия. Киев. 1999. 304 с.

8) Хруцкий О. В., Юрас С. Ф. Акустико-эмиссионный метод диагностирования судовых энергетических установок. Учебное пособие. Ленинград. 1985. 47 с.

9) [85] Патон Б. Е. Об основных направлениях работ в области акустической эмиссии. Акустическая эмиссия материалов и конструкции// 1-ая Всесоюзная конференция. Ч. 1. Ростов-на-Дону. Издательство Ростовского университета. 1989. 192 с.

Кафедра термофизики материалов

 

Курсовая работа.