авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Акустические методы обнаружения и визуализации микродефектов в металлах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Корх Юлия Владимировна


Акустические методы обнаружения и

визуализации микродефектов

в металлах


05.02.11 – Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Екатеринбург - 2009

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов УрО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Ринкевич Анатолий Брониславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Костин Владимир Николаевич

доктор технических наук,

Владимиров Александр Петрович

Ведущая организация: Физико-технический

институт УрО РАН (г. Ижевск)

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620041, г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С.Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан “ 15 ” мая 2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук Лошкарева Н.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время для повышения надежности эксплуатации различных систем и объектов, предотвращения возникновения аварийных ситуаций и отказов необходима своевременная оценка технического состояния изделий и объектов. Незначительные изменения структуры, накапливающиеся при длительной эксплуатации оборудования микропоры и стремительно растущие микротрещины способны отнять от 50% до 70% усталостного ресурса конструкции и привести к разрушению за короткий промежуток времени. Ранняя диагностика наличия в материале зарождающихся микроповреждений и степени их опасности особенно актуальна при контроле ответственных и металлоемких объектов, испытывающих воздействие высоких температур, давлений, статических и динамических нагрузок.

Однако существующие традиционные методы неразрушающего контроля малочувствительны к дефектам, размеры которых составляют от единиц до десятков микрометров, позволяя эффективно детектировать наличие уже достаточно крупных дефектов. Проведение разрушающих испытаний, в свою очередь, связано с вырезанием металла из реальной конструкции и изготовлением образцов для исследования, что во многих случаях как технически, так и экономически нецелесообразно.

Применение ультразвука открывает новые возможности в изучении микроструктуры и микронеоднородности металлов. При распространении в средах со множеством микронесплошностей, много меньших длины упругой волны на стандартных частотах ультразвукового контроля, упругие волны испытывают эффекты многократного рассеяния на совокупности микродефектов, рефрагируют и дифрагируют вблизи краев микронеоднородностей [1, 2]. Интерес к изучению данных явлений в области физической акустики появился только в последние годы, однако результаты исследований специфических особенностей волновых процессов в микронеоднородных средах могут быть применены для разработки новых методик неразрушающего контроля и технической диагностики.



Общая тенденция развития акустического метода выявления микродефектов должна быть связана с глубоким изучением изменений пространственно-временной структуры акустических полей и сигналов, вызванных гетерогенностью среды. Для этого необходимо найти способ повышения чувствительности к дефектам малых размеров, обеспечить более высокую локальность измерений по сравнению с традиционными методиками ультразвукового контроля, совершенствовать методы обработки акустической информации. Использование сфокусированных упругих волн высокой частоты (сотни МГц) позволит визуализировать микродефекты в материале на разных глубинах, в том числе и в оптически непрозрачных средах. Все это позволит получить новую информацию о степени микроповрежденности среды и может быть положено в основу нового неразрушающего метода выявления этапа предразрушения металла.

Цель работы

Изучить особенности распространения упругих волн в металлах с микродефектами; установить функциональные зависимости, связывающие параметры акустических полей и сигналов со степенью гетерогенности среды; разработать на основе полученных данных рекомендации для развития комплексной неразрушающей методики выявления и визуализации микродефектов в металле.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- изучение особенностей многократного рассеяния ультразвуковых волн от импульсных источников в средах с микропорами;

- изучение особенностей дифракции упругих волн на краях трещин с малой шириной раскрытия;

- исследование возможностей применения метода лазерного детектирования акустических полей для выявления параметров, связанных с гетерогенностью среды;

- исследование возможностей применения метода акустической микроскопии для визуализации микродефектов в твердых телах;

- поиск новых информативных параметров, указывающих на наличие в металле микродефектов;

- разработка метода выявления микроповрежденности металла и рекомендации по способу его реализации на практике;

- разработка методики обработки и анализа экспериментальных данных для получения дополнительной информации о степени микроповрежденности металла.

Научная новизна

1. Показано, что детектирование акустических полей с длиной упругой волны порядка нескольких миллиметров с помощью лазерного интерферометра позволяет выявить наличие в металле совокупности микропор, размер каждой из которых почти в тысячу раз меньше длины упругой волны. Получено визуальное изображение результата многократного рассеяния упругих волн на совокупности микропор в твердом теле.

2. Показано, что детектирование пространственно-временной структуры акустического поля на поверхности металла с временным разрешением, много меньшим периода упругих колебаний, позволяет визуализировать особенности распространения волновых фронтов упругих волн в среде со множеством микрорассеивателей, а также вблизи краев резкой неоднородности типа вершины трещины.

3. Предложены новые информативные параметры, такие как пространственное распределение акустических шумоподобных сигналов, скорость распространения фазы колебательного процесса, указывающие на наличие микроповрежденности металла. Обоснована возможность использования специально разработанных пьезоэлектрических преобразователей для практической реализации предлагаемой новой методики выявления микродефектов в металле.

4. Проведено численное моделирование пространственного распределения акустических полей преобразователей различной формы и размеров, работающих в импульсном режиме, в металлических образцах с микродефектами различного типа.

5. Методом акустической микроскопии получены акустические изображения отдельных микродефектов с высоким разрешением, анализ которых позволил получить качественно новую информацию о микродефектах по сравнению с оптической микроскопией.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты экспериментального и теоретического исследования особенностей распространения упругих волн, создаваемых импульсными источниками, в среде с микродефектами различного вида;
  2. Математические модели, описывающие распространение упругих волн в микронеоднородной среде;
  3. Новые качественные и количественные информативные параметры контроля, указывающие на наличие микродефектов в металле;
  4. Метод оценки микроповрежденности металла, чувствительность которого в 2-3 раза выше по сравнению с существующими ультразвуковыми методиками;
  5. Рекомендации по параметрам ультразвуковых преобразователей и условиям контроля, позволяющие реализовать предложенный метод оценки микроповрежденности металла в производственных условиях.

Настоящая работа выполнена в соответствии с плановой темой “Диагностика” ИФМ УрО РАН, номер гос. регистрации 01.2.006.13393, а также при поддержке грантов Европейской ассоциации акустиков, стипендии Американского акустического общества, грантов УрО РАН для молодых ученых и аспирантов, премии «Новая генерация».

Научная и практическая значимость работы

Полученные в диссертационной работе данные об особенностях распространения упругих волн в среде с микродефектами, размеры которых много меньше длины упругой волны, могут быть положены в основу нового акустического неразрушающего метода выявления этапа предразрушения металла ответственных металлических изделий и объектов с односторонним доступом, в частности теплоэнергетического оборудования. Разработанная методика выявления микропор в металле с помощью пьезоэлектрических преобразователей может быть реализована на основе стандартных ультразвуковых дефектоскопов. Способ измерения скорости распространения фазы колебательного процесса использован при разработке устройства регистрации пульсовых волн, распространяющихся по артериальным сосудам человека, на которое получен патент РФ. Алгоритмы обработки и визуализации акустических данных, разработанные для получения информации о микродефектах в твердом теле, могут быть использованы для обработки экспериментальных данных в существующих методиках ультразвукового неразрушающего контроля.

Результаты исследований, изложенных в диссертации, использованы в учебных курсах «Акустический контроль» и «Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле», читаемых в Ижевском государственном техническом университете для студентов специальности 200102 «Приборы и методы контроля качества и диагностики».

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается применением нескольких эффективных методов и средств детектирования акустических сигналов и полей и сопоставлением их результатов; воспроизводимостью экспериментальных данных; использованием при анализе полученных результатов современных представлений в области физической акустики и ультразвукового контроля; обеспечивается строгой обоснованностью сделанных приближений. Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами параметров акустических полей и теоретическими представлениями о пространственно-временной структуре акустического поля в микронеоднородной среде.

Личный вклад

Вошедшие в диссертацию результаты получены автором совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. Ринкевичем А.Б., а также к.т.н. Перовым Д.В., к.ф.-м.н. Бурхановым А.М. Автор принимал участие в разработке алгоритмов обработки и визуализации экспериментальных данных. При непосредственном участии автора разработан и апробирован метод численного моделирования акустического поля на поверхности металла при прохождении ультразвуковой волны через среду с микропорами и трещиноподобными дефектами. Автором был проведен расчет и сравнение чувствительности существующих акустических методик выявления микродефектов в металле с методикой оценки микроповрежденности, разработанной в диссертации. Автором лично разработано сканирующее устройство и программное обеспечение, управляющее процессом сканирования поверхности твердого тела сфокусированным высокочастотным ультразвуковым пучком и осуществляющее сбор и обработку выходных экспериментальных данных акустического микроскопа. Автор лично проводил эксперименты для получения акустико-микроскопических изображений микродефектов и выполнил их анализ. Автор принимал участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и написании текстов публикаций.

Апробация работы

Основные результаты, приведенные в диссертационной работе докладывались на XVIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (г. Нижний Новгород, 2008 г.), 19м Международном акустическом конгрессе «Акустика в 21 веке» (ICA2007MADRID) (Испания, г. Мадрид, 2007 г.), 2ой совместной конференции Американского акустического общества и Европейской ассоциации акустиков “ACOUSTICS’08 PARIS” (Франция, г. Париж, 2008 г.), III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.), V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008 г.), XVIII - XX сессиях Российского акустического общества (г. Таганрог, 2006 г., г. Нижний Новгород, 2007 г., г. Москва, 2008 г.), Научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 2007 года, IX Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008 г.), XXIII Уральской конференции “Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами” (Курган, 2006 г.).





Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 21 научных работах, в том числе 8 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, 3 статьях в сборниках и трудах конференций, 8 тезисах докладов, 1 патенте.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации – 158 страниц, включая 69 рисунков, 3 таблицы и список цитированной литературы из 148 наименований.

Содержание работы

Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит литературный обзор, в котором проанализированы существующие методы выявления микродефектов в металлах. Акцентируется внимание на недостаточности традиционных методик дефектоскопии для решения проблемы своевременного выявления этапа предразрушения металла. Существующие акустические методики исследования микроструктуры материалов, основанные на изменении скорости распространения упругих волн и коэффициентов затухания при накоплении микродефектов в материале, дают лишь косвенную, усредненную оценку степени микроповрежденности среды [2, 3]. Так, для продольных волн изменение скорости ультразвука при наличии микродефектов часто не превышает 1% при измерении стандартными пьезоэлектрическими преобразователями, что сопоставимо с погрешностью применяемых на практике технических средств измерений.

Трудность заключается в том, что размер отдельного микродефекта (0,1-10 мкм) почти в тысячу раз меньше, чем длина упругой волны на типичных частотах ультразвукового контроля (2-15 МГц). Для поиска новых информативных параметров, указывающих на наличие и характер микродефектов в твердом теле, наиболее эффективно использовать эффекты многократного рассеяния и дифракции упругих волн на совокупности микронеоднородностей среды. В конце главы сделан обоснованный вывод о необходимости применения методов с высокой разрешающей способностью, таких как лазерное детектирование акустических полей, использование сфокусированного высокочастотного ультразвукового излучения, применять широкополосные излучатели и приемники ультразвука для выявления и визуализации локальных особенностей акустических полей и сигналов, вызванных наличием в металле микродефектов.

Во второй главе описаны экспериментальные установки и методики проведения измерений, а также приведены способы представления акустической информации и их применимость для решения задачи выявления микродефектов в материале. Показана возможность использования мгновенных картин акустического поля, детектированных на временном интервале, много меньшем периода упругих колебаний, для получения новой информации о динамике колебательного процесса в микроповрежденной среде. Описан принцип работы установки лазерного детектирования акустических полей (рис. 1а) на основе доплеровского лазерного интерферометра OFV5000 (фирмы “Polytec”) Института неразрушающего контроля (г. Дрезден, Германия), на которой выполнена основная часть экспериментальных исследований. Использование интерферометра позволяет получать информацию о взаимодействии упругой волны со всей совокупностью микродефектов в объеме твердого тела, при этом результирующее акустическое поле (рис. 1б) детектируется в широком диапазоне частот (0.05-100 МГц) с высокой локальностью, определяемой малым диаметром лазерного луча, много меньшим длины упругой волны.

Ультразвуковые измерения в работе выполнялись с использованием платы ультразвукового дефектоскопа PCUS-10, инсталлированной в компьютер. В качестве ультразвуковых преобразователей использовались прямые пьезоэлектрические преобразователи марок CLFS фирмы “Krautkraemer”, резонансная частота которых равнялась 5 МГц, а диаметр – 5 мм. Также использовались наклонные преобразователи с различными углами ввода, включенные по раздельной схеме.

Рис. 1. Схема лазерного детектирования акустических полей (а); картина акустического поля на поверхности образца (б).

Глава содержит раздел 2.4, посвященный применению различных методов цифровой обработки ультразвуковых сигналов с целью эффективного выделения полезной информации на фоне электрических помех. Показано, как использование алгоритмов одномерной вейвлет-фильтрации позволяет устранить низкочастотный тренд из акустических сигналов. Двумерная вейвлет-фильтрация позволила существенно улучшить отношение сигнал/шум, сохраняя при этом локальные особенности детектированных акустических изображений (рис. 2).

Рис. 2. С-скан на выходе интерферометра (а) и после вейвлет-фильтрации (б).

В разделе 2.5 описана разработанная методика обработки акустических изображений на основе преобразования Хафа, позволяющая автоматически выделять внешний контур проекции ультразвукового пучка, имеющий вид окружности, и измерять его геометрические параметры.

Третья глава посвящена исследованию особенностей распространения упругих волн в металле с различной концентрацией и размерами микропор.

Экспериментальные исследования были выполнены на металлических образцах, изготовленных в виде дисков диаметром 25 мм и толщиной 5 мм из жаропрочной стали 12Х1МФ, наиболее часто применяемой для производства паропроводов высокого давления. Все образцы подвергались воздействию высокого давления и температуры: образец 1 испытывался на стенде в течение 16000 ч. при температуре и давлении пара Т = 600оС и P = 20 МПа; образцы 2 и 3 были вырезаны из паропровода, эксплуатировавшегося на ТЭС в течение 150000 ч. при Т = 550°С, P = 13 МПа. Образцы 1 и 3 были вырезаны из растянутой части гиба трубы, образец 2 – из сжатой стороны гиба. Гиб трубы – это наиболее проблемный участок паропровода; в верхней области гиба, испытывающей деформацию на изгиб, в ходе эксплуатации в первую очередь начинают появляться и развиваться микродефекты.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.