Реферат Добровольской (1248291), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Непрерывная АЭ связывается большинством исследователей с пластической деформацией металлов. Двойникование, переориентация зерен, мартенситные превращения, дислокации являются причиной эмиссии этого типа. Непрерывная акустическая эмиссия, чаще всего, используется для:

• определения уровня напряжений, ранее перенесенных материалом, и остаточных напряжений; изучения влияния термообработки и других видов поверхностной обработки на структуру материала;

• обнаружения фазовых превращений; исследования релаксации напряжений и нестационарной ползучести материалов.

Частотный спектр сигналов непрерывной акустической миссии весьма широк. Отмечались составляющие непрерывной эмиссии с частотами до 30 МГц. Нижняя граница спектра трудно поддается определению из-за вибраций и низкочастотного шума испытательных установок. Частота максимума излучения при пластической деформации изменяется в процессе деформации от 3-7 кГц в начале нагружения до 15-30 кГц - в конце.

Эмиссия взрывного типа характеризуется большой амплитудой (на 10-14 порядков большей энергией вспышки, чем непрерывная эмиссия) и сравнительно низкочастотным спектром. Взрывная эмиссия сопровождает процессы, связанные с макроскопическими дефектами, зарождением и распространением трещин, и поэтому позволяет прогнозировать разрушение конструкций. Сигналы эмиссии взрывного типа апериодичны но своему происхождению, однако, по мере распространения в объекте трансформируются, приобретая осциллирующий характер.

Частотный спектр взрывной эмиссии имеет более интенсивные низкочастотные составляющие, чем у непрерывной эмиссии. Однако регистрация их обычно затруднена из-за окружающих акустических шумов. Поэтому для наблюдения взрывной эмиссии обычно определяют "частотное окно", в котором отчетливо проявляются высокочастотные составляющие взрывной эмиссии.

Основными характеристиками сигналов АЭ являются:

1. количество сигналов АЭ в секунду;

2. пиковая амплитуда импульса;

3. энергия сигнала АЭ;

4. характеристики формы импульса (длительность импульса,

- время нарастания и спада амплитуды и др.).

Длительность импульсов при акустической эмиссии находится в диапазоне 10^-8-10^-4с, энергия отдельных импульсов 10^-9-10^-5 Дж. Смещение колебаний поверхности образца за счет АЭ составляет от 10^-14-10^-7 м. Частотный диапазон АЭ простирается от области слышимости до сотен мегагерц.

Получаемые в ходе измерений значения параметров АЭ определяются свойствами испытуемого объекта (образца, конструкции), внешними условиями (температура, напряжение) и характеристиками регистрирующей аппаратуры.

Техника эксперимента.

Измерение акустикой эмиссии в лабораторных условиях проводят при следующих вариантах использования контролируемых механических нагрузок: длительном измерении сигналов АЭ при стационарном действии приложенной силы (статическая нагрузка), равномерном постепенном растяжении или сжатии образца (до его разрушения) или при циклическом нагружении (динамические испытания).

Исследования процесса электролитического наводороживания металлов методом АЭ.

Процесс наводороживания металлов сопровождается образованием дефектной структуры, созданием напряжений в решетке металла, появлением микро- и микротрещин как на поверхности, так и в объеме материала. Формирование структурных нарушений сопровождается акустическими колебаниями решетки металла.

Сложность регистрации акустических импульсов при электролизе заключается в наличии интенсивных фоновых импульсов, возникающих в электролите в процессе образования, движения и разрыва газовых пузырей, возникающих на катоде и аноде. С разной степенью интенсивности эти сигналы охватывают частотный диапазон от единиц герц до десятков мегагерц. Основным способом снижения уровня фоновых сигналов является выбор диапазона регистрации с пониженным уровнем шумов (как правило, регистрация осуществляется на высоких частотах).

Установка для исследований включает электролитическую ячейку, конструкция которой представлена на рисунке 23, и спектрометр сигналов АЭ. Для исследования скорости счета сигналов, превышающих заданный амплитудный уровень и энергетического анализа использовался спектрометр. Сигналы АЭ регистрировались пьезодатчиком с резонансной частотой 214 кГц. Селективный усилитель SMV-11 с шириной пропускания 9 кГц был настроен на ту же частоту.

Рисунок 23: Схема электролитической ячейки для изучения параметров сигналов АЭ при катодном насыщении металлов изотопами водорода: а) для одностороннего насыщения водородом металлических пластин; 6) для насыщения водородом всей поверхности образца. 1 -детектор сигналов АЭ; 2 - исследуемый образец

При исследовании слоистых или плоских металлических образцов диаметром больше 30 мм использовалась электролитическая ячейка, показанная на рисунке 23а. Образец герметично закрывал собой окно в боковой стенке ячейки. С одной стороны образца, служившего катодом, крепился детектор АЭ, другая сторона насыщалась водородом из раствора электролита. Второй электрод располагался в электролитической ячейке напротив катода.

Рисунок 24: Зависимость выхода АЭ от времени электролиза (кислотный электролит на Н₂О, плотность тока 130 мА/см2): 1 - титан с диэлектрическим покрытием; 2 - исходный образец

Исследовались образцы титана и нержавеющей стали толщиной 0,2 мм, покрытых хрупкой полимерной диэлектрической пленкой, обладающей хорошей адгезией. Для создания покрытия поверхность металла со стороны, обратной электролиту, покрывали полосами жидкого полимера шириной около 1 мм на расстоянии 0,5 мм между полосами. Толщина диэлектрического покрытия составляла около 0,1 мм. Для электролиза был использован кислотный электролит H₂SO₄+H₂O, плотность тока 50-150 мА/см². Растрескивание и отслоение жесткого полимерного покрытия при насыщении образцов водородом проявляется в увеличении выхода АЭ (рис. 24) и появлении характерного пика АЭ, появляющегося после 40-50 мин после начала электролиза (рис. 25).

Поведение кривых непосредственно связано с характером протекания процесса насыщения металлов водородом.

Рисунок 25: Зависимость выхода АЭ от времени электролитического на­сыщения нержавеющей стали дейтерием: 1 - исходный образец; 2 -образец с диэлектрическим покрытием

Наличие сигналов АЭ при насыщении металлов водородом обусловлено двумя основными механизмами:

а) формированием структурных нарушений и дефектов водородного происхождения;

б) образованием, отрывом от поверхности металла и выходом пузырьков газа на поверхность электролита.

Наиболее интересной частью сигналов являются акустические импульсы, вызванные растрескиванием металла. К сожалению, в чистом виде эти сигналы при электролизе мы наблюдать не можем.

Рисунок 26: Зависимость напряжения на электролизной ячейке от времени электролиза. Щелочной электролит LiOH (IN). Плотность тока 2 А/см2

Другая часть интересующих нас сигналов связана с миграцией водорода в металле. Движение водорода в глубину металла происходит под действием градиента концентрации максимальной на поверхности и снижающейся с ростом глубины. Часть водорода в металле жестко связывается с дефектами и образует химические связи с металлом (гидриды) или углеводородные соединения. Растворенный в металле водород имеет слабую связь с решеткой металла и может рассматриваться как подвижный газ, сдерживающийся в объеме, в основном, за счет высокой плотности Н в приповерхностном слое создаваемой перенапряжением источника питания. Внешние воздействия, меняющие состояния запорного слоя на поверхности вызывают выброс водорода, как в атомарном виде, так и в виде протопоп и молекулярного Н. Массовый выброс газа могут стимулировать высокочастотные сигналы АЭ, сопровождающиеся бросками напряжения катод-анод при плотности тока более 1 А/см² (рис. 26).

Измерение скорости распространения звуковых волн в системах металл-водород

Известно, что скорость распространения ультразвука в металлах связана с их физическими (состав, структура, плотность) и механическими свойствами (предел прочности, предел текучести, твердость, ударная вязкость). По величине скорости звука можно определять сжимаемость, отношение теплоемкостей Cp/Cv, модули упругости твердого тела. При появлении в объеме материала макродефектов (разрывы, трещины) происходит быстрый спад величины скорости звука, что позволяет определить момент наступления опасной стадии разрушения металлических конструкций. Скорость звука в металлах зависит от действующих напряжений. При электролитическом насыщении металла водородом постепенно увеличиваются внутренние напряжения в решетке материала, поэтому в области малых деформаций скорость звука может служить индикатором количества накопленного водорода в металле.

Техника эксперимента.

В качестве примера установки, измеряющей количество водорода методом измерения изменения скорости звука в материале, можно привести установку, использовавшуюся в ТПУ.

Измерения скорости звука проводились методом автоциркуляции импульсов на приборе ASTR. Суть метода заключается в том, что прошедший по образцу ультразвуковой импульс преобразуется в приемном пьезопреобразователе ультразвукового датчика в электрический сигнал, формирующий следующий вводимый в образец импульс. Встроенный частотомер подсчитывает число импульсов, прошедших через исследуемый участок поверхности материала за 1 секунду. При этом частота импульсов автоциркуляции зависит от времени прохождения импульсом расстояния между преобразователями, а значит от скорости распространения ультразвука в контролируемом объекте. Ультразвуковой датчик присоединяется к поверхности образца через контактирующую жидкость (трансформаторное масло).

Измерение скорости звука можно проводить как после снятия механической нагрузки, так и в процессе измерения в режиме in situ. Расстояние между пьезопреобразователями фиксировано и не меняется при изменении длины образца во время измерения при растяжении. Скорость звука определяют как произведение измеряемой частоты на расстояние между пьезопреобразователями (32 мм). Электронно-измерительный блок прибора соединен с компьютером, что позволяет через заданные интервалы автоматически измерять временные зависимости скорости звука на протяжении длительного времени (сутки и более).

Технические характеристики прибора.

Используемый прибор ASTR предназначен для измерения частоты автоциркуляции ультразвуковых колебаний в материалах, скорость распространения ультразвуковых рэлеевских волн в которых находится в диапазоне от 2000 до 3000 м/с (сталь, цветные металлы, сплавы и т.д.). Прибор включает ультразвуковой датчик УД-2,5-32 с двумя пьезопреобразователями и электронно-измерительный блок (ЭИБ).

Рисунок 27: Функциональная схема прибора. Блок автоциркуляции акустических импульсов: 1 - запускающий ключ; 2, 4 - пьезопреобразователь соответственно ввода и приема ультразвуковых импульсов; 3 - образец (изделие); 5 - усилитель-формирователь; 6-генератор импульсов регулируемой длительности; 7 - первая ступень генератора парафазного напряжения; 8 - запускающий генератор; 9 - звуковой сигнал-индикатор; 10 - электронный коммутатор. Блок индикации результатов измерений: 11 - генератор; 12 - делитель; 13 - дешифратор; 14 - счетчик; 15 - регистр памяти; 10 - дешифратор результата; 17 - цифровой индикатор.

Технические характеристики прибора: погрешность измерений частоты автоциркуляции - 0,01%; несущая частота ультразвуковых колебаний - 2,5 МГц; температурный диапазон измерений - от -20 до +40 °С Изменение температуры датчика на 5 К приводит к изменению частоты на 2 кГц. Изменение шероховатости поверхности учитывается следующим выражением для частоты автоциркулляции: Δf_ц=4,3Rz, где Rz - шероховатость поверхности в микронах.

Работа измерительного блока.

Принципиальная схема прибора показана на рисунке 27.

Блок обеспечения автоциркуляции работает следующим образом. Генератор (8) парафазным напряжением формирует на выходе электронного коммутатора (10) короткий импульс, запускающий ключ (1) и первую ступень генератора (7). В результате срабатывания ключа акустический импульс посылается с пьезопреобразователя (2) в исследуемый образец (3). Прошедший по заданной базе изделия акустический сигнал принимается пьезопреобразователем (4) и подается на вход усилителя-формирователя (5). На выходе усилителя возникает пакет "импульсов-откликов", что связано с акустическими реверберациями в контролируемом изделии. Поскольку интересующий отклик приходит (по времени) первым, формирователь, собранный по схеме одновибратора, срабатывая по первому импульсу, выдает импульс заданной длительности, несколько превышающий длительность пакета "импульсов-откликов". В дальнейшем обработка пакета ведется по переднему фронту импульса, вырабатываемого формирователем.

Химические методы

Химические методы анализа водорода материалах в основном используются в промышленности. Они дают более скудную информацию о характеристиках водорода в материалах, чем методы, использующиеся в науке, и сильно уступают научным методам в чувствительности. Но достоинство химических методов в простоте оборудования.

Учитывая, что в химических методах не используется высокий вакуум, то при нагревании любых исследуемых материалов не исключается возможность окисления водорода до воды, что создает затруднения его анализа. Поэтому был предложен метод, устраняющий данную проблему.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы