Акустические методы обнаружения и визуализации микродефектов в металлах

Актуальность темы

В настоящее время для повышения надежности эксплуатации различных систем и конструкций, предотвращения аварий и техногенных катастроф необходима своевременная оценка технического состояния материалов и объектов, находящихся в эксплуатации. Неразрушающий контроль и диагностика материалов и изделий физическими методами — одно из приоритетных направлений обеспечения промышленной и технологической безопасности.

Одним из эффективных методов выявления существующих повреждений материалов, получения информации о дефектах в среде является ультразвуковой метод неразрушающего контроля. Использование ультразвуковых волн обеспечивает хорошую разрешающую способность, а возможность ультразвука проникать на большие расстояния вглубь металла дает данному методу в ряде случаев существенные преимущества перед другими методами физических исследований. Информативность и способность выявления дефектов различного типа и размеров в материалах различных классов обеспечивает широкое применение акустических методов для контроля металлов.

В последние годы все больший интерес проявляется к свойствам неоднородных и микронеоднородных упругих сред, структура которых характеризуется наличием совокупности включений очень малых размеров от единиц до десятков микрометров. Распространение акустических волн и сигналов в таких средах отличается специфическими особенностями, такими как многократное рассеяние упругих волн на микронесплошностях среды, рефракция и дифракция вблизи краев микронеоднородностей [1, 2]. Интерес к изучению данных явлений в области физической акустики проявился только в последние годы, однако исследование особенностей волновых процессов в средах с микронесплошностями имеет важное значение для развития новых методик неразрушающего контроля и технической диагностики.

При длительной эксплуатации различных производственных объектов и конструкций в сложных напряженных условиях, при повышенных температурах и переменных во времени механических нагрузках в металлах, из которых они изготовлены, образуются и развиваются микродефекты. Зарождение микродефектов обычно вызвано такими явлениями как усталость (малои многоцикловая, коррозионная, коррозионно-термическая и. т. д.), ползучесть различных типов или их совместным действием. Накопление структурных микронесплошностей в материале приводит к тому, что микродефекты растут и могут сливаться друг с другом, образовывая за достаточно короткое время потенциально опасные трещиноподобные дефекты, способные отнять от 50% до 70% усталостного ресурса конструкции. Анализ причин аварийных разрушений объектов теплоэнергетического оборудования показал, что именно зарождение и развитие микродефектов различного типа является основной причиной стремительных катастрофических разрушений производственных объектов [3, 4].

Важно своевременно диагностировать наличие в материале микроповреждений и степень их опасности с тем, чтобы определять допустимый ресурс работы ответственных и металлоемких изделий и конструкций, испытывающих воздействие высоких температур, давлений, статических и динамических нагрузок. При этом диагностика этапа предразрушения материала оказывается существенно важнее для обеспечения безопасной работы оборудования, продления срока его службы, чем детектирование уже конечной стадии деградации материала.

В настоящее время существует целый комплекс как разрушающих, так и неразрушающих испытаний, используемых для оценки состояния металла на различных этапах его изготовления и эксплуатации. Однако используемые методы дефектоскопии имеют ограничения для выявления дефектов столь малых размеров. Существующие традиционные методы неразрушающего контроля, такие как электромагнитные, вихретоковые, каппилярные и др., позволяют выявлять только наличие уже образовавшихся, достаточно крупных дефектов. Проведение разрушающих испытаний связано с вырезанием металла из реальной конструкции и изготовлением образцов для исследования, что во многих случаях как технически, так и экономически нецелесообразно. Перспективным является использование свойств акустических волн, дифрагирующих и рассеивающихся на микронеоднородностях, для обнаружения и визуализации микронесплошностей в металлах. Проблема заключается в том, что размер отдельного микродефекта составляет от единиц до десятков микрометров, что почти в тысячу раз меньше, чем длина упругой волны на стандартных частотах ультразвукового контроля (2−15 МГц). Известные классические методы ультразвукового контроля позволяют зафиксировать отдельные несплошности в металле с эффективной отражающей поверхностью 1.5−2 мм, что явно недостаточно для обнаружения дефекта на стадии его зарождения. Измерение скорости распространения упругих волн и коэффициентов затухания в микроповрежденной среде дает лишь косвенную, усредненную оценку степени микроповрежденности среды. Поэтому разработка метода выявления и визуализации микродефектов в настоящее время является актуальной задачей.

Общая тенденция развития акустического метода исследования сред с микронеоднородностями должна быть связана в большей степени с глубоким изучением локальных особенностей пространственно-временной структуры акустических полей и сигналов, вызванных гетерогенностью среды, усовершенствовании методов их анализа и обработки. Для этого необходимо развивать методы, чувствительные к дефектам малых размеров, обеспечить их более высокую разрешающую способность по сравнению с традиционными ультразвуковыми методиками контроля, а также использовать широкополосные излучатели и приемники ультразвука, способные детектировать акустические сигналы различных типов и частот. Использование сфокусированных упругих волн высокой частоты (сотни МГц), чувствительных к наличию микронесплошностей и микронеоднородностей в объекте контроля, позволит визуализировать микроструктуру материала на разных глубинах, в том числе и в оптически непрозрачных средах. Это обеспечит возможность исследовать процессы зарождения микродефектов в контролируемых материалах, что может нести важную информацию при разработке физической основы будущего неразрушающего метода выявления микродефектов.

Цель работы.

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

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

— экспериментальное и теоретическое исследование особенностей распространения упругих волн от импульсных источников в среде с микродефектами различного вида;

— изучение особенностей многократного рассеяния ультразвуковых волн в средах с микропорами;

— анализ особенностей дифракции упругих волн на краях трещин с малой шириной раскрытия;

— исследование возможности применения методов лазерного детектирования акустических полей для выявления параметров, связанных с гетерогенностью среды;

— исследование возможности применения метода акустической микроскопии для визуализации микродефектов в твердых телах;

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

— разработка метода выявления микроповрежденности металла и рекомендации для применения полученных результатов на практике;

— разработка методики обработки и анализа экспериментальных данных для получения дополнительной информации о микродефектах в металле.

Научная новизна представляемой работы.

Впервые был применен метод лазерного детектирования акустических полей для выявления и визуализации микродефектов в металлах. Показано, что детектирование акустических полей с длиной упругой волны порядка нескольких миллиметров с помощью ультразвукового лазерного интерферометра позволяет выявить наличие в металле совокупности микропор, размер каждой из которых почти в тысячу раз меньше длины упругой волны. Впервые получено визуальное изображение результата многократного рассеяния упругих волн на совокупности микронесплошностей в твердом теле.

Впервые показано, что детектирование пространственно-временной структуры акустического поля на поверхности металлических образцов с временным разрешением много меньшим периода упругих колебаний позволяет выявить особенности распространения волновых фронтов упругих волн, создаваемых импульсными источниками, в среде со множеством микрорассеивателей, а также вблизи краев резкой неоднородности типа вершины трещины.

Предложены новые качественные и количественные характеристики, такие как пространственное распределение акустических шумоподобных сигналов, скорость роста радиусов проекции ультразвукового пучка на плоскость детектирования, указывающие на наличие совокупности микронесплошностей в жаропрочной стали. Обоснована возможность использования специально разработанных пьезоэлектрических преобразователей для практической реализации предлагаемой новой методики выявления микродефектов в металле.

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

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального и теоретического исследования особенностей распространения упругих волн в средах с микродефектами различного вида;

2. Математические модели, описывающие распространение импульсных ультразвуковых сигналов 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 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 Уральского отделения Российской академии наук 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, 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 автором 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 магистрантов по программе 200 100.68−21 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», студентов специальности 200 102 «Приборы и методы контроля качества и диагностика», бакалавров по направлению 200 100 «Приборостроение».

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается применением нескольких эффективных методов и средств детектирования акустических сигналов и полей и сопоставлением их результатоввоспроизводимостью экспериментальных данныхиспользованием при анализе полученных результатов современных представлений в области физической акустики и ультразвукового контроляобеспечивается 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 неоднородной среде. Выводы, сделанные в диссертации, качественно и количественно позволяют объяснить набор экспериментальных данных, полученных для металлических объектов с микродефектами.

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 A.M. При непосредственном участии автора разработаны алгоритмы обработки и визуализации экспериментальных данных. Автор принимал участие в разработке математических моделей, описывающих распространение упругих волн в микронеоднородной среде. При непосредственном участии автора разработан и апробирован метод численного моделирования результирующего 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 акустическим пучком и осуществляющее сбор и обработку выходных экспериментальных данных акустического микроскопа. Автором лично проведены эксперименты для получения акустико-микроскопических изображений микродефектов и выполнен 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.), 19 м 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 [84, 97, 101, 110, 111, 123, 124, 147], 3 статьях в сборниках и трудах конференций [103, 109, 125], 8 тезисах докладов [102, 104, 105, 107, 108, 126, 127, 128], 1 патенте РФ [121].

Структура и объем диссертации

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

Выводы к главе 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выявлены особенности распространения акустических волн в металлах с микродефектами различного типа на основе экспериментальных методов доплеровской лазерной интерферометрии, сканирующей акустической микроскопии, ультразвуковой дефектоскопии, а также методов численного моделирования и теоретического анализа. Полученные результаты могут быть использованы для разработки нового неразрушающего метода выявления этапа предразрушения металла.

1. Установлено, что при наличии в металле скопления микропор, в принятом сигнале увеличивается относительная доля шумоподобных акустических компонент, вызванных эффектом многократного рассеяния ультразвука, что подтверждается полученными пространственными распределениями акустических шумов. Предложен новый информативный параметр контроля микроповрежденности металла — скорость распространения фазы колебательного процесса вдоль поверхности образца, чувствительность которого к размеру и концентрации микропор в металле в 2−3 раза выше по сравнению со скоростью продольных и поперечных упругих волн в среде.

2. Выявлено, что резкое изменение мгновенных картин акустического поля вблизи вершины трещины, имеющей очень малую ширину раскрытия и пространственное расположение, не позволяющее детектировать ее традиционными методиками акустического контроля, обусловлено процессами дифракции упругих волн на ребре и вершине трещины. Разработан алгоритм численного моделирования процессов дифракции упругих волн на неоднородностях типа трещины для импульсных ультразвуковых сигналов, результаты которого позволили проанализировать влияние геометрии трещины и формы волнового фронта ультразвукового пучка на результирующие картины волнового поля на поверхности образца.

3. На основе установленных макроскопических параметров, связывающих характеристики акустического поля с микродефектами в среде, разработана методика выявления микроповрежденности металла с использованием специально разработанных пьезоэлектрических преобразователей. Найдено, что оценка времени задержки выбранной фазы радиоимпульса с помощью наклонных пьезоэлектрических преобразователей с малым диаметром пьезопластины и оптимальным углом ввода позволяет обеспечить различие в 5−6% между бездефектным материалом и материалом с микродефектами на стандартных частотах ультразвукового контроля. Разработаны рекомендации по практической реализации предлагаемой методики для неразрушающего контроля состояния металла труб паропроводов.

4. Установлено, что получение акустических изображений отдельных микродефектов различной формы и размеров с использованием сфокусированного высокочастотного ультразвукового излучения позволяет получать качественно новую информацию о микродефектах в поверхностных и приповерхностных слоях металлов по сравнению с оптической микроскопией.

5. Показана эффективность применения алгоритмов вейвлет-фильтрации ультразвуковых сигналов для улучшения отношения сигнал/шум при сохранении информации о микродефектах. На основе методов вейвлет-анализа найдено, что наличие микродефектов в среде приводит к сложной модуляции различных частотных компонент сигналов, что может быть использовано для получения дополнительной информации о степени микроповрежденности среды.