Анализ процесса разрушения по АЭ-измерениям в физическом материаловедении основан на прямом сопоставлении сигнала с породившим его источником (событием). Разрушение является многофакторным, дискретным процессом. Характер АЭ при образовании или развитии трещин определяется механизмом разрушения. Тип разрушения определяет время силового воздействия (динамического или статического) на материал, тип напряженного состояния (например, плоскодеформированное или плосконапряженное). Влияют так же ориентировка поверхности разрушения, соотношение между размерами зоны разрушения и структурных элементов, структурная траектория разрушения (например, транс- или интеркристаллитное разрушение), степень пластической деформации, внешняя среда и другие факторы.
Сопротивление материала разрушению определяют процессы зарождения и распространения трещины и необходимая для их осуществления энергия. Разрушение металла может проходить через несколько стадий: подготовительную (инкубационную), критическую и закритическую стадию быстрого развития трещины. Однако некоторые из перечисленных стадий кинетики процесса разрушения могут по разным причинам отсутствовать.
Типы разрушения по его механизму классифицируют как хрупкое. вязкое и смешанное, которые различаются энергией, необходимой для их осуществления. Однако механизм разрушения для одного и того же процесса может быть различным на разных (микро-, мезо-, макро-) структурных уровнях, например, разрушение может быть хрупким на макроуровне и вязким (ямочным) на микроуровне. Необходимая для разрушения энергия определяет сопротивление разрушению - важнейшую эксплуатационную характеристику материала.
Характер разрушения определяет и характер АЭ. Это позволяет изучать механизмы и кинетику различных видов разрушения по акустическим сигналам.
Акустическая эмиссия при хрупком разрушении
Характерной чертой хрупкого разрушения является высокая скорость развития трещины Ср (сравнимая со скоростью звука в металле Ср-Сзв) и его малая энергоемкость, что делает возможным его протекание за счет энергии, накопленной разрушающимся телом, поэтому оценка трещиностойкости материала проводится по параметру линейной механики разрушения: критическому коэффициенту интенсивности напряжений Kic. Макрохрупкий (прямой) излом и существование закритической ускоренной стадии развития макротрещины - характерные признаки хрупкого макроразрушения. Быстрое разрушение даст высокую мощность выделяемой при образовании хрупкой трещины упругой энергии. Поэтому сигналы АЭ при хрупком разрушении регистрируются как «взрывная эмиссия».
Мощная АЭ с относительно большими амплитудами сигналов от хрупкой магистральной трещины служит основой для многих практических приложений метода акустической эмиссии (в частности, для контроля крупногабаритных конструкций, например сосудов давления).
Скорость роста хрупких трещин регулируется величиной действующего напряжения, жесткостью напряженного состояния, скоростью нагружения, структурой материала и может достигать 25(Х) м/с при хрупком разрушении сталей. Сравнение осциллограмм АЭ и кинетики развития закритической трещины в оргстекле (поляризационно-оптический метод со скоростной киносъемкой) показало, что излучение упругих волн происходит в момент изменения скорости трещины. Скорость трещины вначале резко возрастает, затем ускорение уменьшается, и в момент выхода трещины на стабильный режим ее ускорение меняет знак. С ускорением роста трещины происходит релаксация напряжений, а при торможении ее роста наблюдается возрастание напряжений в вершине макротрещины. Поэтому с ростом скорости хрупкой трещины увеличивается крутизна фронта акустического импульса (уменьшается время нарастания сигнала до его максимальной - пиковой - амплитуды). Регистрируется сдвиг максимума спектральной плотности энергии сигнала в высокочастотную область. Это дает возможность по форме и структуре акустического излучения судить о скорости хрупкого разрушения на разных этапах, если наложение сигналов от многократных отражений волн в лабораторном образце не мешает измерениям.
Наряду с объемными акустическими волнами при хрупком разрушении на берегах трещины генерируются поверхностные волны Рэлея. Их временные и частотные параметры одинаковы, но, в отличие от объемных волн, волны Рэлея слабо затухают, локализованы в поверхностном слое и поэтому наиболее чувствительны к локальным изменениям напряженного состояния в вершине трещины.
Отраженные от свободной поверхности образца, упругие волны, дифрагируя на трещине, могут вызывать значительное (на 20...30 %) локальное повышение напряжений в ее вершине. Упругие импульсы могут стимулировать развитие трещины или тормозить его. при этом динамическое усиление концентрации напряжений в вершине наиболее эффективно при длине волны, близкой к длине трещины.
Усиление волновых процессов происходит при увеличении скорости разрушения: с ростом скорости трещины от КХ) до 2500 м/с (скорость, близкая скорости рэлеевских волн) поток энергии увеличивается на два порядка. Накопленная при деформации образца энергия тратится при разгоне трещины на вскрытие полости и на сообщение трещине кинетической энергии. Существует монотонная зависимость между упругой потенциальной энергией, запасенной в образце к моменту разрушения, и амплитудой излучаемых волн АЭ при макроскачке трещины, а также глубиной скачка трещины.
Сравнительно большие амплитуды дискретных сигналов акустической эмиссии позволяют выделять также зародыши хрупкого разрушения - хрупкие микротрещины. Так, известно, что пластическая деформация играет определяющую роль в зарождении любого, в том числе и хрупкого, разрушения. Преодоление группами дислокаций препятствий является источником интенсивной высокочастотной непрерывной АЭ в области макропластического течения металла, например, при растяжении. Отмечалось, что наблюдаемые дискретные всплески скорости счета АЭ на фоне непрерывной эмиссии на стадии упрочнения металла часто соответствуют сигналам от микротрещин (например, у неметаллических включений в стали при их отслаивании или хрупком разрушении).
Состояние отпускной хрупкости стали, когда охрупчивание приводило к образованию трещин размером от 20 до 200 мкм по границам зерен аустенита, фиксировалось по акустической эмиссии - по резкому (на два порядка) увеличению амплитуд сигналов в сравнении с неохрупченным состоянием. По крупным импульсам АЭ оценивались масштабы скачков межзеренного разрушения и при водородном охрупчивании (до 10 фасеток поперечником 40 мкм). Оценки размеров хрупких внутренних трещин, проведенные по АЭ. сравниваются с металлографическими измерениями трещин на поперечных шлифах и в изломе. Для электролитического железа типичное время вскрытия трещины составило 88 нс. а размеры трещин на шлифе до d<40 мкм хорошо согласовывались с оценками, полученными по АЭ.
При хрупком разрушении, сопровождающемся пластической деформацией. по акустической эмиссии фиксируется стадия стабильного скачкообразного докритического роста трещины. Выделяющейся при скачке трещины энергии недостаточно для компенсации работы пластической деформации и поверхностной энергии образующихся берегов трещины. Тем не менее амплитуды АЭ хрупкого разрушения остаются высокими и их динамический диапазон может достигать 100 дБ.
2.3.2 Акустическая эмиссия при вязком разрушении
Отличительная особенность механизма вязкого разрушения - высокий уровень пластической деформации в зоне разрушения на всех стадиях процесса. Пластическая зона у вершины трещины позволяет трещине раскрываться, притупляться и развиваться стабильно, без внезапного разрушения после зарождения трещины. Если при образовании и росте хрупкой трещины высокая мощность АЭ определяется высокой скоростью хрупкого разрушения, то при вязком разрушении некоррелированный характер «элементарных» актов пластической деформации порождает шум непрерывной АЭ значительно меньшей мощности, но в более широком диапазоне частот. Так, для металлов низкой и средней прочности в испытаниях на трещиностойкость образцов с концентратором напряжений рост зоны пластической деформации у вершины надреза сопровождается низкоэнергетической непрерывной акустической эмиссией. Взрывная АЭ может сопровождать образование полос Чернова - Людерса. Однако даже при пластической деформации относительно простых структур (например, монокристаллов) взаимосвязь акустического сигнала и характеристик процессов деформирования и разрушения является сложной. Показано, например, что суммарный счет АЭ может быть связан с коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины
(где т = 4 для AI и т = 6.. .8 для стали перлитного класса).
Известен общий характер АЭ при растяжении гладких образцов пластичных металлов: увеличение амплитуды и числа импульсов при достижении предела пропорциональности, максимум скорости счета АЭ в районе предела текучести, спад интенсивности сигналов в области упрочнения и равномерной деформации. При локализации течения металла в шейке значительной АЭ обычно не наблюдается, если развитие шейки не сопровождается образованием внутренних трещин. Хорошо регистрируемая АЭ наблюдается при деформации сплавов с неметаллическими включениями (НВ). Так, дискретные сигналы АЭ с амплитудой импульсов, незначительно превышающей уровень шума, наблюдались при растяжении пластичных сталей с карбидными выделениями в перлитных структурах и сульфидами марганца (MnS) в ферритно-перлитных структурах. При увеличении чистоты стали по НВ, изменении формы и ориентации включений относительно оси растяжения интенсивность сигналов акустической эмиссии резко падала.
Если шейка образуется из-за трещин, то сигналы от них наблюдаются еще при равномерной деформации образца в области пика нагрузки. В дальнейшем АЭ определяется кинетикой разрушения. При медленном (пластическом) раскрытии трещины в формирующейся шейке крупные импульсы АЭ не регистрируются. Только непосредственно перед разделением образца обычно регистрируется несколько импульсов акустической эмиссии большой амплитуды от образования трещин отрыва. При охрупчивании границ зерен могут образовываться продольные трещины - расслоения вдоль оси образца в шейке из-за действия тангенциальных напряжений с ростом ее кривизны. Есть однозначное соответствие как между числом таких трещин в изломе образца и числом импульсов АЭ. регистрируемых при развитии шейки, так и между площадью трещин и пиковыми амплитудами импульсов АЭ.
Медленный рост пор в шейке и сужение перемычек между ними не вызывает заметной АЭ из-за низкой мощности выделяемой упругой энергии, а срез перемычек между единичными порами дает импульсы АЭ за пределами чувствительности современной аппаратуры (см. рис. 3). Рост АЭ непосредственно перед вязким окончательным разрушением образца определяется образованием поперечной «донной» трещины. Эта стадия вязкого разрушения в образцах диаметром 3 мм может занимать последние 1...2 с до окончательного разделения образца, например, срезом по конусу (в вязком изломе - чашке), или до 10 с при формировании изломов типа «звездочка» путем среза перемычек между продольными трещинами расслоя.
При вязком разрушении может наблюдаться также взрывная АЭ большой мощности. Например, рост вязкой макротрещины скачками на величину деформационно-упрочненной зоны у ее вершины сопровождается импульсами АЭ в динамическом диапазоне 70 дБ. При медленном росте вязкой макротрещины по механизму раскрытия пор на включениях у вершины трещины (в области высоких напряжений) и их слияния с фронтом магистральной трещины величина АЭ значительно меньше, чем при скачке, и определяется размером включений (чем больше включение, тем больше амплитуда импульса АЭ).
Пластическая деформация требует значительной энергии, и это определяет энергоемкость вязкого разрушения. Для оценки сопротивления разрушению пластичных материалов используются параметры нелинейной механики разрушения, например, критическое раскрытие трещины δ, (деформационный параметр) или J - интеграл Черепанова - Райса (энергетический параметр). Метод акустической эмиссии используется при таких оценках как высокочувствительный индикатор начала роста трещины в образце. Оценки по силовому параметру К1с дают при вязком разрушении заниженные, консервативные значения трещи постой кости. так как они не учитывают работу пластической деформации. Следует помнить, что оценки сопротивления разрушению по всем параметрам линейной и нелинейной механики совпадают только при хрупком разрушении металла.
Выделение доминирующих механизмов разрушения методом акустической эмиссии
Возможность разделения механизмов разрушения методом акустической эмиссии определяется в основном различием мощности излучения и формы импульсов АЭ. Увеличение мощности излучения при уменьшении времени разрушения приводит к скачку скорости на волновом фронте излучения. При разрушении, сопровождающемся пластическим течением, такого разрыва нет и скорость на фронтс волны нарастает плавно.
Для выделения механизма разрушения используются как прямые измерения формы сигналов, так и сравнительные измерения спектральных и энергетических характеристик АЭ. Методы обработки сигналов могут быть основаны, например, на информационных алгоритмах распознавания образов.
Так, по крутизне переднего фронта импульса акустической эмиссии (измерявшейся емкостным методом) разделялись механизмы хрупкого разрушения по границам реечных пакетов мартенсита (трещины размером d-50 мкм) в малоуглеродистой стали и транскристаллитного разрушения сколом (d-30 мкм) ферритных зерен в электролитическом железе (при -25 °C). Было показано также, что длительность фронта импульса акустической эмиссии от вскрытия зернограничных трещин в хромоникелевой стали при отпускной хрупкости короче, чем при вскрытии зернограничных трещин в образцах стали, подвергнутых наводороживанию.
Измерение формы единичных импульсов акустической эмиссии требует уникальной аппаратуры, например, использования неконтактных методов измерения АЭ (емкостных или интерферометрических измерений). Более доступен анализ спектра АЭ. Физической основой разделения механизмов разрушения по спектральным характеристикам АЭ является связь ширины спектра АЭ с эффективным временем действия излучателя (например, микротрещины), а также подобный характер спектров у однотипных по форме импульсов (фурье-спектры множества импульсов и одиночного импульса одинаковы). Однако оценки параметров процесса разрушения, получаемые по спектральным характеристикам, часто трудно воспроизводимы и носят в основном качественный характер. Это связано с сильными искажениями спектра при многократных отражениях упругих волн и уширением импульсов при поглощении в материале высокочастотных гармоник сигналов. Тем не менее, сдвиг максимума спектральной плотности энергии при измерениях АЭ в идентичных условиях позволяет фиксировать смену механизмов разрушения. Так, при испытании на внецентренное растяжение образцов хромомолибденованадиевой стали, высокопрочных алюминиевых сплавов и роторных сталей анализ спектра АЭ в полосе частот Δf-3(М) кГц позволял выделять узкую полосу частот Δf-2...20 кГц (спектральное окно), связанную с декогезией неметаллических включений (MnS, Аl2O3).
Для перехода от вязкого к хрупкому разрушению характерным является резкое увеличение ширины амплитудного спектра АЭ. Этот эффект используется для наблюдения вязко-хрупкого перехода и разделения механизмов разрушения по амплитудному спектру АЭ или для выделения структурных составляющих металла, ответственных за его разрушение. Так, по амплитудному спектру АЭ и диаграммам направленности излучения разделяются сигналы от пластической деформации в вершине трещины и сигналы от медленного роста вязкой трещины. Сравнением распределения пиковых амплитуд импульсов акустической эмиссии при их измерении на одном образце с распределением размеров пакетов реек в малоуглеродистом мартенсите было показано, что источниками АЭ являются трещины на межфазных границах.
Вид распределения амплитуд АЭ позволял разделять структурные состояния металла по вязкости разрушения. Например, у сплавов с низкой вязкостью разрушения, у которых механизмом разрушения являлось множественное микрорастрескивание по фронту трещины, функция распределения амплитуд АЭ отличалась ярко выраженным максимумом.
