При исследовании способности изделий выдерживать различные механические нагрузки проводят как измерения самих нагрузок (сил, моментов), так и измерения деформаций, которые испытывает конструкция изделия или ее отдельные элементы. Область измерений, предметом которой является исследование деформаций, называется тензометрией (от латинского tensus– напряженный).

Одним из наиболее распространенных методов измерения деформаций является метод хрупких покрытий. Тензочувствительное покрытие наносится на поверхность исследуемого объекта. В результате воздействия некоторых усилий объект подвергается деформациям, а на покрытии появляются мелкие трещины. Анализируя места концентрации трещин и их плотность можно восстановить значения деформации в каждой точке объекта. В этом случае пользуются зависимостью между плотностью трещин и величиной деформации, которая снимается с помощью тарировочной балки – сужающегося к одному конце стержня, толстый конец которого жестко закреплен, а к тонкому концу которого прикладывается усилие. На тарировочной балке нанесено то же покрытие, что и на объекте, а величина деформации в каждой точке может быть однозначно определена теоретически по перемещению тонкого конца. Недостатком данного метода измерения деформаций является то, что он применим только для анализа статических деформаций и максимального значения динамических деформаций.

Менее распространен другой метод измерения статических деформаций – метод муаровых сеток, который заключается в нанесении на поверхность объекта мелкой сетки и последующем его фотографировании в нормальном и в деформированном состояниях. При совмещении этих двух фотографических изображений в местах деформаций визуально наблюдается муар – последовательность темных и светлых полос.

Для того, чтобы измерять не только статические, но и динамические деформации, прибегают к использованию информационно-измерительных тензометрических систем, осуществляющих электрические измерения. В качестве первичного преобразователя в таких системах выступает тензорезистор – резистор, меняющий свое сопротивление при деформации.

Ранее уже упоминалось о полупроводниковых (кремниевых) тензорезисторах. Другим типом преобразователей являются проволочные тензорезисторы, представляющие собой размещенную на специальной подложке проволоку (см. рис.3.1). Тензорезистор состоит из тонкой проволоки диаметром 0.015 – 0.05 мм, уложенной в форме решетки между двумя эластичными изоляционными пластинами из тонкой бумаги, или пленками лака. В настоящее время также используется тензорезистор из травленой фольги толщиной 0,005-0,025 мм. Фольговый тензорезистор обеспечивает большую площадь поверхности резистора, и, как следствие, его большую теплоотдачу. Поэтому, повышается допустимая плотность тока, и увеличивается чувствительность тензорезистора.

Так как изменение тензорезистора невелико, то используется мостовая схема включения тензорезисторов с использованием переменного тока. Одна из главных трудностей применения тензорезисторов состоит в их сильной температурной зависимости (близкой по порядку с зависимостью от деформации). Для компенсации этого, в соседнее плечо моста включается идентичный тензорезистор, расположенный рядом с рабочим, но не испытывающий деформации. Подложка закрепляется на исследуемом объекте (приклеивается или приваривается), и при его деформациях происходит изменение длины (растяжение или сжатие) проволоки, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. При установке тензорезисторы ориентируют в направлении максимальных деформаций, а если такое направление не известно, то применяют розетку из трех тензорезисторов, установленных под углом 120 0 . П

Рис. 3. 1. Проволочный тензорезистор

одключаются терморезисторы, по мостовой схеме, простейший вариант которой изображен на рис. 3.2. Компенсационный резисторR К , идентичный измерительному, служит для исключения температурной погрешности, связанной с изменением сопротивления тензорезистораR Т при изменении температуры. С помощью подстроечного резистораR 1 добиваются баланса моста (нулевой выходной сигнал) при отсутствии деформаций. В этом случае выходной сигнал тензометрического моста будет определяться выражением:

Рис. 3. 2. Мостовая схема включения

3.1

Всвязи с определенными трудностями, связанными с построением усилителя постоянного тока для очень слабых сигналов, питание моста часто осуществляется от источника переменного напряжения. В этом случае величина деформации оценивается по амплитуде выходного сигнала (3.1), а ее тип (растяжение или сжатие тензорезистора вдоль базы) - по фазе выходного сигнала. В случае, когда сопротивление тензорезистора увеличивается по сравнению с номиналом, фаза выходного сигнала будет противоположна фазе напряжения питания (положительной полуволне напряжения питания соответствует отрицательная полуволна выходного сигнала).

С

Рис. 3. 3. Схема тензометрического усилителя

хема усилителя, предназначенного для работы с тензорезисторным мостом, питающимся от источника переменного напряжения, показана на рисунке 3.3. Переменное выходное напряжение с тензорезисторного мостаR T поступает на нормирующий усилительНУ , образованный трансформаторным усилителем и усилителем переменного тока. После прохождения масштабирующего усилителяМУ сигнальное напряжение поступает на вход фазового детектораФД , на выходе которого появляется постоянное напряжение, соответствующее амплитуде входного сигнала. Знак выходного напряжения определяется соотношением фаз измеряемого сигнала и опорного напряжения, которое совпадает по фазе с напряжением питания.

На выходе этой усилительной схемы стоят фильтр низких частот ФНЧ для подавления помех и дополнительный усилитель мощностиУМ . Установка нуля усилителя осуществляется с помощью делителя на резисторахR 1 иR 2 .

В таблице 3.1 приводятся характеристики некоторых серийных усилителей, предназначенных для использования в тензометрических информационно-измерительных системах.

Таблица 3.1.

Напряжение питания	Переменное 220 В или 110 В	Переменное 220 В или 110 В	Постоянное	Постоянное
Напряжение		7 В или 14 В,	Постоянное	Постоянное
Максималь- ный выходной ток

д.т.н., профессор Дубов А.А., к.т.н. Власов В.Т.

Предисловие

Идеологическую основу энергетической концепции диагностики НДС определили результаты изучения объективных процессов перераспределения собственной энергии материала и установление закономерностей, описывающих объективно существующие связи макрохарактеристик материала с параметрами внешнего воздействия и реакцией на воздействие.

В процессе разработки данной концепции возникла необходимость, а затем появилась и возможность создания инструмента для проведения дальнейших исследований и развития теории - новой семимерной динамической саморегулирующейся модели материала, учитывающей взаимодействие нормальных и сдвиговых напряжений и деформаций, модели, изменяющей свои параметры в зависимости от амплитудных (вплоть до разрушающих) и частотных (от статики и инфразвуковых до ультразвуковых) характеристик внешнего воздействия.

Энергетическая концепция диагностики НДС материалов и ее наиболее важные следствия докладывались Власовым В.Т. на научно-технических советах Государственного института физико-технических проблем (Председатель НТС академик Лупичев Л.Н.) и Международного института безопасности сложных технических систем на базе Института Машиноведения РАН (Председатель НТС чл. кор. РАН Махутов Н.А.) и получили высокую оценку.

1. Внутренние напряжения, классификация и влияние на прочность материалов

Наиболее коварной причиной внезапных разрушений объектов являются внутренние остаточные механические напряжения, возникающие в детали, сварном соединении или конструкции в целом. Эти напряжения в сталях могут достигать предела текучести, а в алюминиевых и титановых сплавах 70-80% предела текучести и часто оказываются более опасными в отношении снижения прочности, чем некоторые типы дефектов.

Остаточными напряжениями принято называть такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела, жесткого агрегата материалов, сборной или сварной конструкции после устранения причин вызвавших их появление. Эти напряжения всегда внутренние, и их образование всегда связано с неоднородными линейными или объемными деформациями в смежных объемах материала, агрегата или конструкции.

Остаточные напряжения делят на три рода, классифицируя их по протяженности создаваемого ими силового поля:

• первого рода - уравновешивающиеся 1) в макроскопических объемах (в пределах детали или конструкции);
• второго рода - уравновешивающиеся в микрообъемах (в пределах кристаллитов структуры металла);
• третьего рода - уравновешивающиеся в ультрамикроскопических объемах (в пределах кристаллической решетки). Такие определения остаточных напряжений впервые в 1935 году дал Давиденков Н.Н.

1) Термин "уравновешиваются" не вполне корректен, и правильнее употребить другой термин, например, "развиваются" или "возникают". Дело в том, что напряжения всех трех родов связаны между собой и каждое из напряжений является причиной или следствием напряжений "соседних" родов, а в случае "уравновешивания" в пределах своих объемов мы имели бы самодостаточные напряжения, не связанные друг с другом.

Вообще, изучение остаточных напряжений началось очень давно. Первые серьезные исследования провели Родман В.И. в 1857 году и затем Умов И.А. в 1871 году. Начало же систематических исследований было положено в 1887 году Калакуцким Н.В., который впервые разработал метод расчета остаточных напряжений и впервые предложил экспериментальные методы их измерения. В последующие годы методы исследования остаточных напряжений сводились в основном к развитию методов их измерения - важной практической задаче в проблеме определения надежности конструкций.

Как сказано выше, остаточные напряжения относятся к внутренним напряжениям материала. Внутренние напряжения - это проявление процессов взаимодействия собственной внутренней энергии материала с энергией внешнего поля (силового, теплового и др.), воздействующего на материал, оформленный в виде конкретной детали или конструкции. Поэтому к внутренним напряжениям относятся также напряжения, которые возникают в материале эксплуатируемой детали или конструкции под действием внешних полей и определяют сопротивляемость материала внешним воздействиям - его прочность. При этом, изменение и перераспределение внутренней энергии материала между ее составляющими под действием эксплуатационной нагрузки приводит к появлению "новых" остаточных напряжений. Во избежание путаницы целесообразно ввести следующую классификацию внутренних напряжений:

• технологические остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием физических и физико-химических процессов, начинающихся в материале при изготовлении детали или конструкции 2) и продолжающихся после изготовления;
• нагрузочные напряжения - это напряжения, возникающие в материале эксплуатируемой детали или конструкции как упругая реакция материала на внешнюю нагрузку, нагрузочные напряжения исчезают при снятии внешнего воздействия;
• эксплуатационные остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием процессов взаимодействия собственной внутренней энергии материала детали или конструкции с энергией внешнего поля, возникающие и накапливающиеся в материале в течение всего срока эксплуатации детали или конструкции;
• рабочие напряжения - это векторная сумма технологических, нагрузочных и эксплуатационных напряжений;
• фактические напряжения - это векторная сумма технологических и эксплуатационных напряжений, сложившаяся на момент проведения измерений.

2) Каждая технологическая операция всего цикла изготовления детали или конструкции последовательно вносит свои остаточные напряжения, имеющие характерные особенности. Результатом их динамического векторного взаимодействия и будут остаточные технологические напряжения.

Таким образом, прочность, надежность и степень пригодности сварных конструкций для использования по эксплуатационному назначению во многом определяются наличием, характером и величиной рабочих и фактических внутренних напряжений. Во многом, но далеко не во всем, и виной тому деградация материала в процессе длительной эксплуатации.

2. Деградация материала и ее роль в прочности материала

Действительно, на стадии проектирования и строительства объектов механические свойства используемых конструкционных материалов известны с необходимой точностью, а при возможности экспериментального определения остаточных напряжений можно оценить и начальный ресурс прочности объекта. Причем, точность и достоверность оценки ресурса объекта на стадии его сооружения не представляется серьезной характеристикой, ведь есть предпусковые испытания, а 15 или 20 лет ресурса не так важно - это еще далеко!

Но когда приблизился, а в ряде случаев уже наступил срок предполагаемого физического износа оборудования и конструкций, точность и достоверность оценки остаточного ресурса становятся, в прямом смысле слова, жизненно важными. Вот здесь и приобретают острейшую актуальность методы определения остаточного ресурса ответственных объектов и методы продления сроков их безопасной эксплуатации с учетом реальных условий, часто приводящих к непредсказуемым изменениям свойств материала, к его деградации. А конечная стадия деградации материала - это уже вновь появившиеся дефекты, процесс "подрастания" которых в условиях эксплуатации конструкции из деградирующего материала слабо изучен и часто развивается лавинообразно, так что время, оставшееся до разрушения конструкции, оказывается неизвестным и часто слишком малым для предотвращения катастрофы.

Поэтому для получения достоверных результатов расчета остаточного ресурса прочности объектов, эксплуатируемых длительное время, необходимо знать в первую очередь фактические механические характеристики материала 3) и характеристики его напряженно-деформированного состояния, сложившегося к настоящему времени в результате эксплуатации объекта.

3) Заметим, что без знания фактических механических характеристик материала, сложившихся в процессе длительной эксплуатации объекта, бессмысленно требовать получения абсолютных величин внутренних напряжений, - их не с чем сравнивать! В этих случаях гораздо полезнее качественные изменения поля напряжений.

Эта задача стала главной не только в изучении и оценке статической прочности объектов, она становится решающей в изучении и оценке усталостной прочности в связи с локальным характером усталостного разрушения и сильной его зависимости от фактического напряженно-деформированного состояния материала.

Итак, при решении проблемы надежности объектов ответственного назначения последовательно возникали следующие задачи:

• определение остаточных напряжений ;
• определение характера внутренних напряжений и величин составляющих ;
• определение фактических механических характеристик материала и характеристик его напряженно-деформированного состояния .

Совершенно очевидно, что обеспечить такую возможность должны неразрушающие методы диагностики состояния конструкционных материалов. Но готовы ли они решать такие задачи?

Принципиальная новизна метода МПМ заключается в использовании объективно существующего, но не изученного ранее, явления "магнитопластики" . Изучение сложных процессов перераспределения собственной энергии материала под действием внешних силовых и/или магнитных полей потребовало знаний не только из областей металлофизики, теорий упругости, пластичности и прочности, механики разрушения, основ радиотехники и даже термодинамики, но заставило обратиться к таким областям науки, как квантовая физика, физика твердого тела, теория дислокаций, теория электромагнитного поля, - казалось бы далеким от решаемых практических задач. Но полученные результаты превзошли ожидания: удалось установить не только функциональную связь различных внутренних энергетических полей между собой и с внешними полями, что обеспечивает развитие таких известных активных методов диагностики, как метод коэрцитивной силы, метод остаточной намагниченности, метод шумов Баркгаузена и др., но и выявить количественные критерии определения сильных и слабых магнитных полей, энергетические соотношения силовых и магнитных полей, определяющие границы магнитоупругости и впервые вводимого в практическое использование явления магнитопластики.

Некоторые результаты совместной работы в области экспериментальных и теоретических исследований физики магнитных явлений действительно не укладываются в классические представления о магнетизме и доменной структуре. Однако при этом, они не только не противоречат, но и стирают "белые" пятна в теории магнетизма, о которых давно и хорошо известно специалистам, работающим в этой области.

Заметим, что нами получена не система отдельных установленных фактов , подтверждаемых результатами экспериментальных исследований, проведенных Дубовым А.А., и экспериментами, полученными еще раньше, конечно, независимо от него известными отечественными и зарубежными исследователями магнитных явлений, а разработана логически выстроенная на примере железа теория доменной структуры .

Полученные результаты тезисно докладывались в 2002 году в Петербурге на XVI Всероссийской конференции по диагностике и более подробно в 2003 году на III Международной конференции "Диагностика оборудования и конструкций с использованием МПМ". Работа заинтересовала специалистов, активно работающих в области диагностики НДС материалов магнитными методами. Однако, ни на одном из этих наших докладов, к сожалению, мы не увидели известных отечественных ученых-магнитчиков.

В настоящее время мы готовим к печати книгу, представляющую подробное содержание проделанной работы.

3. Классификация и анализ физических методов диагностики конструкционных материалов

Приблизится к ответу на этот вопрос позволил анализ тенденций развития существующих неразрушающих методов и средств контроля 4) . Рассмотрим динамику распределения усилий ученых в области развития методов и средств диагностики, объединив тематики родственных исследований в направления.

4) Анализ проведен по материалам международных конференций, симпозиумов и специальной периодической литературе за периоды с 1966 по1974 годы (выборка представлена - 125 публикациями) и с 1987 по 1994 годы (здесь проанализировано более 1000 докладов и статей).

Таблица 1. Динамика распределения научных сил по направлениям.

Заметим, что с начала 90-х годов поиск новых подходов к диагностике материалов становится главным направлением развития средств диагностики. При этом следует сказать, что наблюдаемое в настоящее время повышение интенсивности работ по поиску новых подходов к диагностике, - это уже третий, более мощный подъем интереса к этому направлению, появившемуся в конце 50-х годов и имевшему первый пик в середине 80-х годов, второй - в начале 90-х. Сделанный вывод убедительно подтверждается все боле заметной переориентацией тематической направленности докладов и экспозиции не только Российских, но и международных научно-технических конференций "Неразрушающий контроль и диагностика", начиная с 1997 года.

Рост научного интереса к новым подходам к диагностике очевиден. Но нельзя не обратить внимания на то, что значительно вырос объем работ и по II-му направлению - совершенствованию норм разбраковки на основе статистических исследований . А это, по мнению авторов, свидетельствует не только о желании повысить достоверность результатов дефектоскопии, но и о все более ощутимой недостаточности информации, получаемой при диагностике объектов, для оценки их состояния.

Анализ работ, представляющих научные направления, позволяет увидеть, что, в сущности, конечные цели некоторых работ разных направлений - одинаковые. Действительно, фактической целью работ, посвященных совершенствованию норм разбраковки и исследованию влияния дефектов на прочность конструкций - является поиск новых информативных характеристик дефектов, определяющих степень их опасности при эксплуатации конструкции. А тематики, связанные с исследованием эмиссии волн напряжения и с разработкой методов и средств определения напряженного состояния материалов, являются попыткой решения проблемы оценки надежности конструкций новыми путями.

Правильность определения тенденций развития средств диагностики, выявленных в начале 90-х годов, когда мировая прикладная наука накопила в области разработки методов и средств диагностики большой опыт, не вызывает сомнений ведь это, по сути, всего лишь статистика. А вот перспективность направлений в аспекте полезности их результатов в решении задачи оценки остаточного ресурса сложных технических объектов не бесспорна.

Более глубокий анализ работ отечественных и зарубежных исследователей привел автора к двум следующим предварительным выводам:

Во-первых, нисколько не намереваясь принизить важность I-го и II-го направлений и значительность успехов, достигнутых там, автор считает, что с точки зрения возможности выхода на качественно новый , в принципиальном аспекте, уровень определения надежности объектов, эти два направления бесперспективны , поскольку они замкнуты друг на друга: новые приборы позволяют совершенствовать нормы контроля, а новые нормы стимулируют совершенствование приборов.

Во-вторых, как показал анализ работ по III-му направлению, несмотря на приток новых интеллектуальных сил и современных компьютерных средств, "прорыв" к качественно новому уровню пока не предвидится .

Дело в том, что III-е направление разрабатывает две разные, не пересекающиеся концепции, не претерпевшие никаких изменений с конца 50-х годов (с момента появления метода АЭ), хотя, в сущности, и методы измерения напряженного состояния, и методы АЭ имеют в качестве объекта изучения разные фазы одного и того же процесса - реакции материала на нагружение и воздействие факторов среды.

Кроме того, возможности современной микроэлектроники и компьютерной техники увели многих западных специалистов в сторону от решения чисто физических задач, а ведь там, в физике процессов спрятан искомый ответ. Многие отечественные специалисты, пытаясь догнать зарубежных в направлении совершенствования средств контроля, "въезжали" в ту же, но уже разбитую, колею 5) .

5) В последнее время в части разработки программного продукта для диагностики ряд частных отечественных фирм вышел на передовые позиции, обогнав известные зарубежные фирмы. Наиболее интересные результаты получены на фирме ООО "Интеллект" в Нижнем Новгороде (руководитель Углов А.Л.).

Итак, результаты анализа можно сформулировать следующим образом:

• главное направление развития средств диагностики материалов - поиск возможностей определения неких механических характеристик материала , связанных с его напряженным состоянием, по параметрам физических полей, используемых для диагностики;
• перспективность существующих концепций, лежащих в основе важных и интересных исследований по главному направлению, вызывает серьезные сомнения .

Безусловно, сомнения в перспективности концепций, лежащих в основе главного направления развития средств диагностики состояния материала, в аспекте существенного повышения достоверности оценки надежности конструкций требует серьезных доказательств.

Современная диагностика имеет большой арсенал разновидностей методов и средств измерения механических характеристик материалов. Наиболее широко представлены методы и средства измерения остаточных и упругих внутренних напряжений.

Существует стандартная классификация неразрушающих методов диагностики, разделяющая их по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом и по способам получения первичной информации на девять видов: магнитные, электрические, вихретоковые, радиоволновые, тепловые, оптические, радиационные, акустические и капиллярные. Каждый из видов, в свою очередь подразделяется на различные группы.

Эта классификация, введенная для методов и средств дефектоскопии и применяемая сейчас для классификации методов и средств диагностики напряженного состояния материалов, носит формальный характер , разделяя все многообразие неразрушающих методов диагностики скорее по способу выделения используемого эффекта , чем по типу физических полей.

Однако, при решении задач следующего, более высокого уровня сложности - задач определения свойств материалов, в частности механических характеристик, необходимо провести боле четкое разделение методов именно по типу физических полей .

В сущности, определение свойств материала сводится к измерению изменений неких параметров используемых физических полей. Иными словами, если на объект исследования, обладающий некоторыми заранее неизвестными способностями сопротивления внешним воздействиям, оказать воздействие физическим полем, имеющим известные или заданные параметры 6) , то изменения параметров используемого поля, вызванные реакцией объекта, будут представлять "отпечаток" его свойств в области, заданной типом физического поля. При этом, "отголоски" реакции будут видны и в пространствах других полей, но как косвенные "отпечатки" или вторичная реакция. Так, например, если воздействовать тепловым полем, то прямыми характеристиками будут тепловые, а косвенными - механические, электромагнитные и др. Если же воздействовать на объект механическим силовым полем, то прямые характеристики реакции будут относиться к механическим характеристикам, а косвенные проявления можно наблюдать в тепловых, электромагнитных и других полях.

6) "Известные" и "заданные" далеко не всегда одно и тоже. Вообще, "заданные" параметры известны, но часто они относятся к внешним условиям возбуждения поля в исследуемом материале, при этом параметры фактически возбужденного поля остаются частично или полностью неизвестными.

Сортируя известные методы диагностики состояния материалов по типу физических полей, получаем следующие виды:

• электрические ;
• магнитные ;
• электромагнитные ;
• тепловые ;
• механические .

При этом, такие известные и широко применяемые методы как оптические, радиоволновые, рентгеновские, акустические, голографические, капиллярные, методы электрического сопротивления, тензометрические, а также методы муара, сеток, фотоупругости и другие не исчезли, они заняли свои места в этих пяти видах.

Не забывая, что классификация методов диагностики не является самоцелью, а лишь средством в поиске причин низкой достоверности их результатов, рассмотрим подробнее лишь некоторые, наиболее характерные виды диагностики.

В исследованиях свойств материалов наиболее широко представлены электромагнитные методы , которые в зависимости от диапазона частот разделяются на следующие группы или подвиды (по возрастанию частоты возбуждаемого поля): радиоволновые, СВЧ-методы, инфракрасные, оптические (видимый диапазон), ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-методы . Все эти разновидности, так или иначе, основаны на взаимодействии возбуждающего электромагнитного поля с собственными электромагнитными полями исследуемого материала, создаваемыми его молекулами, атомами или их электронными оболочками. Причем наибольший эффект проявляется тогда, когда частоты возбуждающего и собственных полей близки, что, собственно, следует из молекулярной термодинамики и подтверждает ее выводы. Частоты же собственных электромагнитных полей, лежащие в существенно разных диапазонах, конечно же, зависят от напряженного состояния материала. Отсюда и появляется такое разнообразие подвидов электромагнитных методов.

Наиболее распространенный на практике рентгеновский метод использует изменение спектра отраженных лучей, вызываемое изменением частоты колебаний узлов кристаллической решетки и изменением расстояний между узлами или кристаллографическими плоскостями. Информативными параметрами рентгеновского метода являются: интенсивность, положение и ширина дифракционных пиков спектра , определяемые деформацией кристаллической решетки.

К механическим методам 7) диагностики свойств материала относятся различные разновидности статических и динамических методов измерения твердости и других механических характеристик материалов, использующих результаты контактного взаимодействия пробного тела - индентора и исследуемого материала 8) . Это давно известно и совершенно очевидно.

7) Наиболее распространенный механический метод диагностики - измерение твердости материалов является условно неразрушающим, поскольку качество поверхности объекта все-таки меняется. Применение этого метода ограничивается эксплуатационными требованиями к качеству поверхности.

8) Анализ существующих методов определения характеристик материалов по параметрам контактного деформирования и обширная библиография даны в докторской диссертации Рудницкого В.А.

А вот отнесение акустических и, в том числе, ультразвуковых методов к механическим видам выглядит, мягко говоря, несколько непривычным. Но, в сущности, это справедливо, ведь акустическое поле - это поле механических напряжений, создаваемое тем или иным способом в ограниченном объеме исследуемого материала и вызывающее колебательные или апериодические смещения частиц материала, т.е. локальные деформации материала. По сути, этот ограниченный деформированный объем материала и является индентером, замечательная особенность которого состоит в том, что он может перемещаться внутри исследуемого материала. Причем размеры деформированной области определяются не параметрами кристаллической решетки (в случае металлов и других кристаллических или поликристаллических материалов) или размерами молекул (в случае аморфных материалов), а длиной волны возбужденного в материале поля и составляют от долей до десятков мм .

Теперь, сравнивая два рассмотренных метода, можно понять, почему результаты измерения внутренних напряжений рентгеновским и акустическим методами просто обязаны быть разными, ведь в первом случае определяющим фактором является деформация на микроуровне, создающая напряжения III-го рода, а во втором - совокупность напряжений I-го и II-го родов. А все эти три рода напряжений, при всей неразрывности связи их между собой, имеют не только существенно разные величины, но разный характер и, часто, разные знаки. Более того, тарируя рентгеновский метод, реагирующий на микродеформации, определяющие напряжения III-го рода, на образцах по усилиям растяжения или сжатия, т.е. фактически по напряжениям I-го рода, допускают грубую принципиальную ошибку, о которой часто и не подозревают.

Как видим, предлагаемая классификация физических методов диагностики , позволяя взглянуть на методы диагностики с другой, менее привычной стороны, дает повод задуматься о механизме связи параметров физических полей, применяемых для диагностики, с измеряемыми характеристиками материала и свойствами материала в целом , а также показывает насколько близок используемый для диагностики физический метод к измеряемым характеристикам исследуемого материала.

Другими словами, классификация физических методов приобретает принципиальный характер в аспекте задачи определения напряженного состояния материала , указывая путь установления причин слишком низкой достоверности 9) результатов измерения характеристик напряженного состояния материалов.

9) Здесь уместно напомнить о результатах сопоставительных испытаний различных физических методов при измерении остаточных напряжений, когда измеренные величины отличались не только количественно, но и по знаку: одни методы говорили о сжатом состоянии материала, а другие - о растянутом.

Таким образом, классификация и анализ физических методов диагностики напряженного состояния материалов физических методов диагностики позволяют сделать первый, совсем не сенсационный, но важный вывод: прямыми методами исследования свойств материалов являются механические методы диагностики, а все остальные методы (по предлагаемой классификации) являются косвенными .

4. Оценка достоверности результатов диагностики состояния материалов

Итак, практически все методы диагностики напряженного состояния материалов или являются косвенными, или применяются как косвенные.

Идеологической основой косвенных методов является использование неких аппроксимирующих функций, полученных чаще экспериментальным и иногда теоретическим путем и отражающих объективно существующую связь регистрируемых изменений параметров используемого поля с фактически произошедшими изменениями состояния материала, обычно выражаемого отдельными механическими характеристиками или некой совокупностью его характеристик. Но поскольку эта связь, являясь следствием вторичных явлений преобразования внутренней энергии материала, сопровождающих процесс изменения его состояния, определяется многими факторами, то область правомерного применения косвенных методов, ограничивается адекватностью применяемых аппроксимирующих функций исследуемым процессам . При этом, определить границы этой области если и возможно, то лишь качественно .

Принципиально важными параметрами полей, вводимых в материал для исследования его свойств, являются энергетические параметры и, в первую очередь, интенсивность и мгновенная мощность 10) . Дело в том, что вводимое в исследуемый материал поле, взаимодействуя с собственными полями материала, меняет его свойства. При этом характер, величина и время жизни 11) изменений определяются динамическим соотношением энергий взаимодействующих полей. Чаше всего изменения свойств материала в процессе проведения диагностики просто не замечают, либо, не предполагая возможности таких изменений, либо, зная о них, сознательно пренебрегают, считая интенсивность полей, применяемых для диагностики, малой. Но в обоих случаях мы имеем еще один источник методической погрешности измерения характеристик материала косвенными методами. А величина этой погрешности может быть очень большой.

10) Мощность - энергия, передаваемая вводимым полем через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Интенсивность - средняя по времени энергия переносимая вводимым полем через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения энергии, т.е. интенсивность - это средняя удельная мощность. Мгновенная мощность - мощность поля в данный момент времени.

11) Время жизни - условный период времени, в течение которого величина изменений, вызванных внешним воздействием, уменьшается до наперед заданной величины. Время жизни изменений определяется соотношением скоростей релаксации и ретардации (последействия).

Кроме того, большинство методов , претендующих на количественную оценку измеряемых характеристик материала, являются относительными , поскольку основаны на измерении изменений информативного параметра применяемого физического поля в нагруженном и разгруженном состояниях материала. Это достигается либо снятием нагрузки с исследуемого объекта (что на практике редко осуществимо), либо использованием образцов-свидетелей, сопоставляемых с исследуемым объектом. Понятно, что оба варианта вносят дополнительную погрешность неизвестной величины : в первом случае - вследствие протекания релаксационно-ретардационных процессов, во втором - вследствие не идентичности, как условий измерений, так и самих материалов образца и объекта, имеющих не только разную предысторию, но чаще всего и форму.

Следовательно, эти, не принимаемые ранее во внимание, методические ошибки 12) определения механических характеристик косвенными методами - основная составляющая результирующей погрешности измерения, не могут быть выражены количественно . А это значит, что при таком подходе говорить о достоверности количественных результатов измерения механических характеристик косвенными методами не корректно .

12) Методическими ошибками традиционно считаются ошибки, связанные с правильностью проведения процесса измерения - методики измерения, что, как следует из сказанного, приводит к принципиальным заблуждениям.

Последнее замечание справедливо еще и потому, что не существует достаточно убедительного экспертного метода оценки правильности и достоверности определения напряженного состояния материала .

Действительно, один из наиболее распространенных методов измерения напряжений - метод с использованием тензодатчиков, пользующийся максимальным доверием специалистов, как это не покажется странным, также является косвенным и относится к электрическим, поскольку в нем используется зависимость электросопротивления чувствительного элемента от его геометрических размеров. Т.е., фактически, это косвенный метод измерения деформации, которая, конечно, связана с величиной механического напряжения посредством модуля упругости, но, к сожалению, не только с ним одним. Поэтому область применения тензометрического метода измерения напряжений ограничена упругой областью, при этом, чем меньше мы знаем о свойствах исследуемого материала, тем меньше мы сможем сказать о напряжении, к тому же, не в материале, а только на его поверхности.

Даже разрушающие методы, такие как метод отверстий, метод столбиков или метод трепанации и другие, по сути, все-таки не могут быть эталонными, поскольку вносят свои остаточные напряжения, связанные с механической обработкой материала при высверливании отверстий или выфрезеровывании столбиков.

И, наконец, главным и самым неприятным недостатком всех неразрушающих методов является то, что, позволяя с той или иной (пусть даже большой) погрешностью оценить величину напряжения, не дают возможности определить характер деформаций, вызываемых напряжениями, фактически существующими в материале, т.е. определить состояние материала (хрупкое или пластичное) и оценить насколько близко оно к критическим состояниям материала (текучести или разрушению). Причина в ограниченных информативных возможностях методов , традиционно использующих для измерений не более 4-х независимых информативных параметров физических полей, применяемых для диагностики.

5. Выводы

Таким образом, отмечая высочайший уровень развития современных неразрушающих методов и средств диагностики материалов и конструкций, приходится констатировать не только отсутствие средств достоверного определения характеристик НДС материалов в конструкциях эксплуатируемых объектов, но невозможность оценки самой достоверности получаемых результатов.

Обобщая результаты проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

• все известные в настоящее время методы диагностики, кроме механических, являются косвенными и относительными ;
• разнообразие ультразвуковых методов свидетельствует об их потенциально высокой информативности, однако, существующие в настоящее время средства используют не более 4-х независимых информативных параметров ;
• ультразвуковые методы , реализуемые известными техническими средствами, при всем их многообразии, являясь интегральными спектральными или интегральными амплитудно-фазовыми, используются как косвенные методы ;
• все известные в настоящее время средства диагностики измеряют лишь некие параметры используемых физических полей, связанные в общем случае не с механическими напряжениями, а с некой совокупностью характеристик НДС материала, причем связанные недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными закономерностями ;
• определение характера и величины методической погрешности измерения характеристик напряженного состояния материала невозможно ;
• достоверность и, тем более, точность измерения характеристик напряженного состояния материала неразрушающими физическими методами , приводимые разработчиками средств диагностики, вызывают серьезные сомнения ;
• не существует достаточно убедительного экспертного метода оценки правильности определения характеристик напряженного состояния материала неразрушающими физическими методами .

6. Анализ и систематизация причин низкой эффективности использования неразрушающих методов диагностики НДС

Очевидная причина столь долгого отсутствия жизненно необходимого повышения достоверности оценки и прогнозирования сроков и условий безопасной эксплуатации объектов ответственного назначения - разобщенность специалистов по прочности и разработчиков методов и средств диагностики . Эта разобщенность приводит к тому, что специалисты по прочности, из-за отсутствия объективных характеристик, отражающих свойства материала, сложившиеся на текущий момент, разрабатывают различные методики расчетов, опирающиеся на любые доступные характеристики, которые хоть качественно, хоть частично дают представление о текущем состоянии материала. А разработчики методов и средств диагностики - в гордом одиночестве "с головой ушли" в поиск методов и средств определения остаточных напряжений, подчас, не задумываясь о достоверности результатов измерений.

Эту очевидную причину недостаточной эффективности использования средств диагностики НДС конструкционных материалов при оценке ресурса объектов можно сформулировать более строго: отсутствие научно-обоснованной концепции диагностики напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов и общей концепции комплексной диагностики . Такая формулировка пока носит частный характер, как бы не касаясь состояния дел у специалистов по прочности, но уже несет элементы конструктивизма, поскольку указывает направление действий и требует углубления анализа сложившейся ситуации.

Результаты дальнейшего анализа показывают, что истинные, глубинные причины "застоя" в решении главной проблемы сложнее и формируют две проблемы, общие для наук о прочности и наук о методах диагностики:

• идеологическую : отсутствие четкого представления об определяющей роли некоторого количества основных независимых характеристик материала и о их функционально-определяющей взаимосвязи с характеристиками напряженно-деформированного состояния (НДС) материала и, как следствие, отсутствие научно-обоснованной методологии , определяющей цели, задачи и критерии диагностики НДС конструкционных материалов;

  Действительно, отсутствие требований к измеряемым характеристикам НДС, отсутствие метрологической базы для сертификации и поверки средств измерения характеристик НДС материалов приводят к неоднозначности исходных требований и ошибочности методического подхода к разрабатываемым средствам, что влечет за собой не только недопустимо низкую достоверность результатов измерений, но, часто, и невозможность правильной идентификации измеренного параметра используемого физического поля и измеряемой физической характеристики исследуемого материала. К тому же, достоверность результатов (если, как было замечено ранее, о ней, вообще, можно говорить) оценить практически невозможно вследствие отсутствия методических и метрологических рекомендаций и норм.

• физическую : недостаточное понимание, а в ряде случаев и неизученность физических процессов взаимодействия полей, используемых для диагностики свойств материала, с его собственными полями и, как следствие, отсутствие представления о недостаточной информативности неразрушающих методов и средств диагностики , применяемых для исследования сложных физических процессов перераспределения внутренней энергии материала, выражающихся в перераспределении напряжений I-го, II-го и III-го родов, определяемых основными характеристиками материала и, одновременно, определяющих его НДС материала.

  Следует особо подчеркнуть, что в последние годы появились опасные тенденции упрощенного подхода к оценке остаточного ресурса сложных объектов. Некоторые разработчики средств измерения остаточных напряжений, проводя исследования на образцах в условиях одноосного нагружения, получают неплохую корреляцию результатов измерения одного или, в лучшем случае, двух параметров используемых физических полей с величиной нагрузки, изменяемой вплоть до разрушающей. Не утруждая себя изучением процессов сопротивляемости материала внешним нагрузкам, не пытаясь понять механику разрушения, они переносят полученные результаты на реальные объекты, полагая, что разработано уникальное средство измерения остаточного ресурса исследуемого объекта. Это, как минимум, дискредитирует новые интересные решения, но, главное, цена такого подхода к сложнейшей проблеме расчета остаточного ресурса может оказаться страшной.

Проведенный анализ причин недостаточной эффективности использования средств диагностики НДС конструкционных материалов при оценке ресурса сложных технических сооружений показывает их объективность, важнейшим следствием которой в моральном аспекте должно стать справедливое разделение ответственности за отсутствие необходимых средств диагностики свойств материалов между специалистами по прочности и разработчиками методов и средств диагностики. Осознание равенства ответственности, безусловно, сблизит позиции обеих сторон, по сути, решающих одну проблему - обеспечить приемлемые гарантии безопасности объектов, но соединить усилия можно только при конструктивном подходе.

Но главное, аналитически сгруппированные причины приобретают уже иной, активный, конструктивный характер, указывая путь решения актуальнейшей проблемы обеспечения безопасности эксплуатации сложных технических объектов.

7. Предложения

По мнению авторов, для решения проблемы достоверного измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и сварных соединений в частности необходимо провести следующие мероприятия:

7.1. Разработать единые научно-обоснованные требования к методам и средствам измерения НДС материала . Эти требования должны:

• исходить из четкого представления об определяющем значении и о взаимосвязи независимых основных характеристик материала - это идеологическая основа;
• иметь новую классификацию методов и средств измерения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов вообще и сварных соединений в частности;
• содержать классификацию, перечень и критерии оценки основных характеристик материала и характеристик его НДС , причем эти характеристики, с одной стороны, должны подлежать обязательному измерению при диагностике состояния материала, а, с другой стороны, должны подлежать обязательному использованию в качестве базовых характеристик при проведении расчетов фактического или прогнозируемого ресурса. Конечно, это потребует корректировки методик расчета ресурса, но только так, создав условия сближения наук о прочности и наук о диагностике, можно решить проблему достижения требуемого уровня безопасности объектов .

7.2. Разработать методику и средства метрологической поверки и аттестации средств измерения параметров НДС , которые позволят объективно оценивать эффективность и точность разрабатываемых средств. Безусловно, создание достоверного экспертного метода поверки средств диагностики представляется весьма трудной задачей, решение которой может затянуться. Тем не менее, необходимо срочно вводить, хотя бы условно, единую систему стандартных средств поверки (например, образцов или методик). Такая единая система позволит не только корректно сопоставлять различные методы диагностики, но может стать впоследствии некоторым прообразом критериев оценки результатов диагностики.

7.3. Необходимо начать разработку нормативных документов, регламентирующих измерение параметров НДС материалов при диагностике объектов в зависимости от категории их потенциальной опасности для человека и окружающей среды.

В 2003 году по инициативе авторов совместно с ТК-132 "Техническая диагностика" Госстандарта разработан проект стандарта "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта при оценке ресурса оборудования. Общие требования". Данный проект стандарта вынесен на обсуждение заинтересованных организаций и частных лиц.

В заключение заметим, что изучение сложных процессов перераспределения собственной энергии материала под действием внешних силовых, магнитных и других полей потребует знаний из, казалось бы, далеких от решаемых практических задач, областей науки: квантовой физики, физики твердого тела, металлофизики, теории дислокаций, теорий упругости, пластичности и прочности, механики разрушения, теории электромагнитного поля и даже основ радиотехники. Это, безусловно, определяет высокий уровень требований к специалистам, которые разрабатывают различные методы контроля НДС. Необходимо подчеркнуть, что диагностика НДС конструкционных материалов представляет собой следующую за дефектоскопией, более высокую ступень диагностики , и требует новой идеологии, новой концепции. Только новая концепция способна не только примирить "враждующие" сейчас в этом новом виде диагностики различные физические методы неразрушающего контроля, прекрасно уживавшиеся и дополнявшие друг друга в дефектоскопии, но с учетом специфики их физических "взаимоотношений" соединить их в единую систему, способную существенно ускорить решение проблемы повышения достоверности оценки остаточного ресурса сложных технических объектов.

Одним из важнейших моментов наблюдений является контроль за напряжённым состоянием массива, с помощью которого устанавливаются места концентрации упругих деформаций, появляющиеся в нарушенном разработками массиве при разгрузке от напряжений. В настоящее время существует несколько методов определения напряжений в массиве горных пород .

Метод разгрузки применяется для измерения упругих деформаций в достаточно крепких породах после их отделения от массива с последующим восстановлением характеристик элементов формы пород.

Значения напряжений в горном массиве определяются тремя способами (рис. 7):

упругое восстановление торца скважины при выбуривании керна (способ ВНИМИ);

изменение диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Хаста);

деформации стенок центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Лимана).

Рис. 7. Схема определения напряжений методом разгрузки: I - по ВНИМИ; II - по Хасту; III - по Лиману; 1 - буровой станок; 2 - измерительная скважина; 3 - регистрирующая аппаратура; 4 - датчик на торце скважины; 5-деформометр; 6 - наклеиваемые тензометры

При измерении упругих деформаций в породном массиве в результате его разгрузки от напряжений, необходимо учитывать, трещиноватость и неоднородность пород, значения коэффициента Пуассона и модуля упругости, направление и глубину измерительных скважин. Для этих целей в местах наблюдения бурятся скважины.

Метод компенсационной нагрузки основан на восстановлении упругой деформации после повторного нагружения, частично разгруженного массива, давильным устройством. Прибор для измерения напряжений в породном массиве устанавливается на репере, забетонированном в неглубоких скважинах, пробуренных в стене выработки (рис. 8). В образованную недалеко от репера щель, необходимую для разгрузки от напряжений на наблюдаемом участке, устанавливается давильное устройство. Удельное давление в щели, создаваемое гидродомкратом, повышается до исходного уровня, что соответствует величине напряжения в массиве в данный момент.

Рис. 8. Схема определения напряжений методом компенсационной нагрузки: 1 - гидродомкраты; 2 - шланг; 3 - гидронасос; 4 - измерители деформаций

Метод разности давлений основан на создании в скважине, пробуренной в породе, окружающей горную выработку, в которой помещен гидравлический баллон, принудительной начальной величины давления (рис. 9).

Рис. 9. Схема определения напряжений методом разности давлений: 1 - гидродатчик; 2 - трубопровод; 3 - самопишущий манометр; 4 - вентильные устройства; 5 - пресс-расходомер; 6 - манометр; 7 - ручной насос

В результате деформирования баллона, находящегося в скважине, вызванного изменением напряженного состояния массива, меняются показания давления жидкости на манометре, присоединенном к баллону. Разность показаний на манометре величин первоначального и последующего давлений, характеризует изменения напряжений на обследуемом участке во времени и в пространстве.

Метод упругих включений основан на наблюдении за изменением величин напряжений в датчике из стекла, оптического или других материалов, прикрепленных на крепь выработки или породу (рис. 10).

Рис. 10. Схема определения напряжений методом упругих включений: 1 - фотоупругий датчик; 2 - цементный слой

Метод буровых скважин основан на измерении деформометром, находящимся в скважине, величины давления горных пород в поперечном и продольном направлениях (рис. 11).

Для расчёта величины напряжённого состояния массива пород по измеренным деформациям применяют формулы теории упругости с учётом реологических параметров пород, коэффициента Пуассона, модуля упругости.

Рис. 11. Схема определения напряжений методом буровых скважин: 1 - измеритель деформаций; 2 - опора деформометра; 3 - кабель

Акустический метод основан на использовании способности большинства горных пород при изменении напряженного состояния массива генерировать упругие звуковые импульсы микроразрушений.

Для регистрации звуковых импульсов, возникающих в горных породах, используются пьезоэлектрические и электродинамические геофоны, электронные усилители мощности сигналов, полученных геофонами, регистрирующие устройства с электропитанием и соединительными проводами (рис. 12).

Ультразвуковой метод основан на регистрации скорости прохождения упругих волн через массив горных пород, находящийся в напряжённом состоянии (рис. 12).

На обследуемом участке при увеличении напряжённого состояния горных пород скорость прохождения упругих волн в породном массиве увеличивается, снижается при уменьшении напряжений. В зависимости от поставленной задачи определяется количество, глубина и направление скважин в которых устанавливается излучатель, и приёмник ультразвуковых колебаний.

Рис. 12. Схема сквозного каротажа: 1 и 2 - электроды

Рис. 13. Схема электрического прозвучивания массива между двумя параллельными шпурами: 1 - излучатель; 2 и 2" - приемное устройство (два положения)

Электрический метод основан на определении удельного электрического сопротивления и электропроводности горных пород в зависимости от изменения напряжённого состояния в массиве пород (рис. 13).

В пробуренную скважину устанавливается каротажный снаряд. В результате его перемещения по скважине определяются изменения удельного электрического сопротивления пород, что соответствует с учётом установленных корреляционных связей изменению напряжённого состояния массива.

Радиометрический метод заключается в получении информации об изменении интенсивности потока гамма-излучений, в зависимости от изменения напряжённого состояния массива, после их прохождения через изучаемый участок горных пород.

Источник гамма-излучения, находящийся в измерительном зонде, перемещается по скважине. Величина напряжённого состояния массива определяется по тарировочной кривой соответствующих пород в зависимости от интенсивности потока излучения.

Оценка относительно напряжённого состояния массива осуществляется методами изменения:

сечения скважины с удалением от устья, на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилия подачи бура при бурении скважин на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилий вдавливания штампа в стенки или торец скважины;

степени разрушения кернов при бурении скважин.

Измерение напряжённого состояния в породном массиве и вокруг подземных выработок методом разгрузки производится с помощью аппаратуры и деформометров, находящихся в скважине диаметром от 36 мм до 76 мм, глубиной от 0,3 м до 20 м. При этом измеряются деформации от 110 -6 до 110 -3 единиц относительных деформаций, чувствительность приборов составляет 110 -6 единиц относительных деформаций (табл. 8).

Проведенные исследования показали, что горные выработки и массив пород находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. Технологическая и экологическая безопасность выработок вторичной многоцелевой эксплуатации может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга как в подземном технологическом пространстве, так и в окружающих выработки породах. Слежение за динамикой изменения параметров состояния среды объекта наблюдения должно обеспечиваться различными типами сигнализаторов, фиксирующих один или несколько критических уровней.

Таблица 8. Приборы и средства для определения напряжений в массиве пород и подземных сооружениях

Наименование прибора	Код прибора	Погрешность измерения	База измерений	Диапазон измерений	Изготовитель	Дополнительная информация
Комплект аппаратуры для метода разгрузки	ДМ-18 (деформометр); 71Р 01 (тензометрическая приставка); М 195/1; СБ-8М-(гальванометры)	Деформации 7; (относит. деформ) чувствительность прибора 110-6 (ОТНОСИТ. ДЕФОРМАЦ,)	d скв - 76 мм L скв - 20 м		Определение напряженного состояния массива горных пород при подземной разработке полезных ископаемых
Унифицированный комплект		d скв - 75 мм	ВНИМИ, Кольский филиал АН СССР	Определение механических напряжений в массиве горных пород методом разгрузки
Установочное устройство			Криворожский горнорудный институт	Определение напряжений в массиве горных пород методом полной разгрузки
Комплект аппаратуры для разгрузки	Деформация относит. деф. Чувствительность прибора 1*10-6 относит. деф.	d скв - 36-112 мм L скв - 250 м		Определение полного тензора напряжений в массиве горных пород методом разгрузки
Гидравлический преобразователь				ИГД СО АН г. Новосибирск	Определение абсолютных значений напряжений и их приращений, действующих в массиве горных пород, по методу разности давлений
Деформометр		d скв - 45 мм L скв - 280 м		Определение напряжений методом разгрузки
Репер-деформометр струнного типа		Продольное смещение: 0,2-0,01 мм; радиальное смещение: 0,001 мм	Продольное смещение: ; радиальное смещение:		Одновременное измерение продольных и радиальных деформаций скважин глубиной до 30м, не заполненных водой
Шахтный ультразвуковой прибор				ИГТМ АН УССР г. Днепропетровск	Определение физико-механических свойств и относительного изменения напряженного состояния массива горных пород по скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн
Ультразвуковая шахтная станция	СБ - 22 (ШУС)		Скорость: 1000- 5000 м/с; Затухания		Оценка нарушенности и напряженности горных пород в целиках и вокруг выработок по скорости и затуханию упругих волн

Выбор места размещения измерительных устройств в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом экономических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

При проведении маркшейдерских наблюдений в подземных выработках вторичной многоцелевой эксплуатации, пройденных в неустойчивых породах (III категория) и средней устойчивости (II категория), закреплённых монолитной железобетонной, металло-бетонной, сборной железобетонной или бетонной крепью с податливой забутовкой и последующим тампонажем закрепного пространства с анкерным упрочнением, необходимо устанавливать измерительные приборы непрерывного или дискретно непрерывного действия. Установка конкретного прибора зависит от состояния выработки, цели её использования. Так, в выработках долговременной эксплуатации при размещении складов целесообразно вести наблюдения как за породами, так и за крепью выработки. Для этого необходимо использовать импульсные радиометрические датчики дискретно непрерывного действия. Они срабатывают в зависимости от заложенных в измерительное устройство фиксированных параметров, несущей способности пород и конструктивной податливости крепи. Измерительное устройство при контроле состояния породного массива устанавливается в пробуренное в породе, окружающей выработку, отверстие. Изменения геометрических и прочностных характеристик крепи определяются при установке устройства на крепь.

ПО МАТЕРИАЛАМ КОНФЕРЕНЦИИ

Предлагаем вниманию читателей окончание подборки статей по материалам 9-го Международного Симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальным приборам, проходившего летом 2009 г. в Санкт-Петербурге (начало подборки см. журнал «Измерительная техника» № 3, 2010 г.)

Использование измерений скорости ультразвука для определения напряженно-деформированного состояния металлических изделий

Л. Б. ЗУЕВ, Б. С. СЕМУХИН, А. Г. ЛУНЕВ

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск,

Россия, e-mail: [email protected]

Исследовано изменение скорости рэлеевских волн в деформируемых материалах. Описан прибор для точного измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний. Показана возможность применения метода измерения их скорости для контроля качества циркониевых заготовок, используемых при холодной прокатке оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, неразрушающий контроль, напряженно-деформированное состояние, контроль качества.

The investigations of ultrasound propagation velocity variation in deformable materials were carried out in order to determine the correlation between this velocity and the mechanical characteristics of deformable material. A detailed description of instrument for ultrasound propagation velocity accurate measurement is presented. Using Zr base alloys as an example, it is shown that the method can be used for quality control of zirconium billets, from which the nuclear reactor fuel cladding is fabricated by cold rolling.

Key words: ultrasound, nondestructive control, stress-strained state, quality control.

Ранее было установлено , что скорость распространения ультразвуковой волны в деформируемом растяжением образце зависит от общей деформации, напряжения течения и структуры исследуемого материала. Аналогичные результаты были получены для малых пластических деформаций . При исследованиях привлекла внимание форма зависимости скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) от напряжения течения (рис. 1). Зависимость состоит из трех линейных участков, каждый из которых можно описать уравнением вида

^ = ^ + %о, (1)

где v0, % - эмпирические величины, имеющие различные значения для разных стадий пластического течения. Коэффициент % может принимать любой знак, но пропорциональность зависимости ^$(о) всегда сохраняется в пределах одного участка с коэффициентом корреляции около 0,9.

Ниже показана возможность использования уравнения (1) для определения механических свойств материалов нераз-

рушающим методом. Для этого были получены зависимости ^(о) для широкого круга металлов и сплавов (таблица).

Изменение скорости рэлеевских волн регистрировалось методом автоциркуляции импульсов непосредственно в процессе растяжения плоских образцов. Полученные зависимости ^(о) имеют одинаковый вид для всех исследованных материалов. Используя безразмерные величины скорости и напряжения и аппроксимируя выделяемые стадии линейными функциями, получаем обобщенную зависимость

/ = р,- + а, о / ов, (2)

где - скорость рэлеевских волн в ненагруженном образце, м/с; р,-, а, - эмпирические величины, не зависящие от материала; / = 1, 2 - номер линейного участка на рис. 1; ов - предел прочности исследуемого материала, МПа.

Рассчитанные значения р,-, а, для участков 1 и 2 составили Р1 = 1,0 ± 2 ■ 10-4, р2 = 1,03 ± 10-3, а1 = 6,5 ■ 10-3 ± 4,7 ■ 10-4, а2 = 3,65 ■ 10-2 ± 3,2 ■ 10-3.

Рис. 1. Зависимость скорости ультразвука от действующих напряжений в образце латуни

Из (2) следует

<зв = щ о//vS -Р/). (3)

Уравнение (3) можно использовать для оценки предела прочности при малых пластических деформациях задолго до разрушения образца. Таким образом, чтобы определить ов, достаточно измерить скорость УЗК при напряжениях в образце в пределах о02 < о < 0,6ов (где о02 - предел текучести), т. е. на участке малых пластических деформаций.

По уравнению (3) предел прочности при деформации порядка 1 % (о ~ 0,1 ов) был рассчитан для большинства материалов, приведенных в таблице. Полученные ультразвуковым способом значения сравнивали со значениями ов, найденными традиционно из диаграмм растяжения до разрыва (рис. 2). Значения и ов оказались равны с коэффициентом корреляции Я = 0,96.

Это означает, что предлагаемый метод можно использовать для оценки предела прочности материалов задолго до их разрушения. Природа полученного соотношения скорости и напряжений, возможно, заключается в том, что, с одной стороны, упрочнение материала связано с полями внутренних напряжений, которые тормозят движение дислокаций . С другой стороны, с увеличением внутренних напряжений скорость УЗК уменьшается . Таким образом, обе эти величины оказываются зависимыми от одного параметра, что в результате определяет связь между скоростью УЗК и механическими характеристиками материала.

Для использования ультразвукового метода в лабораторных и полевых условиях были разработаны два прибора: ANDA (акустический прибор для неразрушающего анализа состояния материалов в лабораторных условиях) и ASTR (прибор для определения остаточных напряжений металлоконструкций в полевых условиях). Принцип измерения скорости распространения рэлеевских волн, примененный в приборах, основан на методе автоциркуляции импульсов . Погрешность измерения составляет 3 ■ 10-5, работа с прибором не требует от оператора специальных знаний.

Суть метода автоциркуляции состоит в создании замкнутого контура для прохождения импульса. Под действием короткого электрического импульса излучающий пьезопреоб-разователь формирует акустическую волну в образце. Прошедшая от передающего к приемному пьезопреобразова-телю волна преобразуется обратно в электрический сигнал и вновь поступает в излучающий преобразователь. Таким образом, при неизменном расстоянии между преобразователями частота появления импульса в определенной точке цепи будет зависеть от времени прохождения акустического сигнала в образце и задержки в схеме прибора. Поскольку задержка в схеме пренебрежимо мала по сравнению с временем распространения акустической волны в образце, частота автоциркуляции будет характеризовать скорость распространения УЗК в образце. В данном случае поверхностные волны Рэлея имеют частоту 2,5 МГц.

Химический состав исследованных сплавов

Номер Материал Символ C N Si Mg Mn Li Cr Cu Ni Zn Pb Zr Ti Sn Nb

1 Сталь 0,12 - 0,8 - 2,0 - 17,0-19,0 0,3 9,0-11,0 - - - 0,5-0,8 - -

2 То же ■ < 0,12 0,008 0,5-0,8 - 1,3-1,7 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

3 » ▲ < 0,12 0,008 0,8-1,1 - 0,5-0,8 - 0,6-0,9 0,4-0,6 0,5-0,8 - - - - - -

4 » ♦ 0,14-0,22 - 0,12-0,3 - 0,4-0,65 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

5 Дюралюминий ® - - < 0,5 1,5 - - - 4,35 < 0,1 < 0,3

6 Al-Mg + - - 0,25 5,8-6,2 0,1-0,25 1,8-2,2 - - - - - 0,1 - - -

7 Al-Li X - - 0,15 - - 1,8-2,0 - 2,8-3,2 - - - 0,12 0,12 - -

8 Латунь - - < 0,1 - - - - - - 38,0-41,0 0,8-1,9 - - - -

9 Zr--Nb * - - - - - - - - - - - 99,0 - - 1,0

10 Zr-Nb - - - - - - - - - - - 97,5 - 1,0 1,0

600500-400^ 300^

200200 300 400 500 600

Рис. 2. Корреляция между пределами прочности, определенным ультразвуковым методом и пределом прочности, полученным по диаграмме растяжения образца (обозначения см. в таблице)

Ультразвуковой датчик, устанавливаемый на объект исследования, имеет два наклонных пьезопреобразователя, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, называемом базой. Наклон пьезопреобразователей выбирают таким образом, чтобы формировать в объекте исследования поверхностную волну Рэлея. Для надежного измерения скорости необходимо обеспечить контакт с металлом контролируемого изделия зачисткой последнего от краски, грязи и окислов, поверхность должна быть ровной, датчик должен быть прижат к месту контроля. Акустический контакт с пьезопреобразователем обеспечивается жидкой неагрессивной смазкой, например, трансформаторным маслом. При этом следует помнить, что пространство между пьезопреобразователями должно оставаться сухим и чистым.

Одним из применений рассматриваемого ультразвукового метода является оценка напряженного состояния в циркониевых заготовках, используемых для производства оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В процессе холодной прокатки трубок из сплава Zr-Nb в заготовке формируется сложное распределение внутренних остаточных макронапряжений, которые могут привести к разрушению заготовки на одной из стадий обработки. Для оптимизации процесса прокатки требуется учитывать уровень и распределение остаточных напряжений в рабочих заготов-

а, МПа 1000"

Рис. 3. Распределение внутренних напряжений в Zr-заготовке круглого сечения

ках. Использование традиционных методов, таких как рентгеновский , для определения внутренних напряжений на заготовках большой протяженности связано со значительными временными затратами и фактически невозможно в условиях поточного производства.

Для рабочих заготовок было проведено исследование по определению внутренних напряжений с помощью ультразвукового прибора ASTR. В деформируемых в широких пределах напряжений образцах Zr-Nb-сплава 9 (см. таблицу) были выполнены измерения с целью установления зависимости скорости УЗК от напряжений. Наиболее важные результаты были получены для рабочих заготовок, в которых внутренние напряжения менялись в широком диапазоне. Предполагается расширить применение неразрушающих методов для определения остаточных напряжений в тонкостенных циркониевых трубках, производимых холодной прокаткой . Это позволит усовершенствовать существующую технологию их изготовления. Исследование выполняли как на трубках, так и заготовках из сплавов 9 и 10 на основе Zr.

Ресурс работы материалов и конструкций в большинстве случаев зависит от однородности структуры материала и напряженно-деформированного состояния конечного изделия выполненного из этого материала. На заготовках были измерены остаточные напряжения как рентгеновским методом, так и ультразвуковым, результаты полученных измерений были сопоставлены.

Обнаружено, что м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»

• OPTICAL EMISSION CHARACTERIZATION OF LASER ABLATED ZIRCONIUM PLASMA

  HANIF M., SALIK M. - 2015 г.

• NON-DESTRUCTIVE EVALUATION OF THE YIELD STRESS FOR LOW CARBON STEEL BY ULTRASOUND MEASUREMENTS

  KAVARDZHIKOV V., PASHKOULEVA D., POPOV AL. - 2013 г.

• ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ДЕРЕВОПЛИТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ И СТАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРУГОЙ АНИЗОТРОПИИ

  АББАСИ МАРАШТ А., КАДЖЕМИ НАДЖАФИ С., ЭБРАХИМИ Г. - 2004 г.

• THERMOGRAPHIC, ULTRASONIC AND OPTICAL METHODS: A NEW DIMENSION IN VENEERED WOOD DIAGNOSTICS

  AVDELIDISB N.P., KOUI M., SFARRAA S., THEODORAKEASB P. - 2013 г.