RU2618760C1

RU2618760C1 - Acoustic-emission method for early detecting damages in deformable aluminium alloys

Info

Publication number: RU2618760C1
Application number: RU2015149178A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Шибков; Михаил Александрович Желтов; Александр Евгеньевич Золотов; Андрей Александрович Денисов; Михаил Фахраддинович Гасанов
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-11

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: low-frequency sensor of acoustic emission (vibration transducer) is installed on the device surface near the most loaded zone. The occurrence of the mechanical instability as a macro-localized deformation band is determined by the first burst of the acoustic emission signal with a duration of about 10 milliseconds and the amplitude above the threshold one, which is an acoustic precursor to the loss of the stability, that can cause a sudden material destruction.

EFFECT: providing the opportunities of non-destructive testing and diagnostics of the plastic instabilities, and early warning about the destructive dangers of products and structures of aluminium alloys, exhibiting discontinuous deformation and strip-forming, mainly of the aircraft Al-Mg system alloys.

dwg 6

Description

Изобретение относится к акустико-эмиссионному методу неразрушающего контроля и ранней диагностики полос локализованной деформации, вызывающих преждевременную коррозию и внезапное разрушение металлических сплавов, демонстрирующих полосообразование и прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье, особенно алюминиевых сплавов систем Al-Mg, используемых при производстве летательных аппаратов.The invention relates to an acoustic emission method of non-destructive testing and early diagnosis of localized deformation bands, causing premature corrosion and sudden destruction of metal alloys exhibiting strip formation and intermittent deformation of Porteven-Le Chatelier, especially aluminum alloys of Al-Mg systems used in the manufacture of aircraft.

Известно, что источниками акустической эмиссии (АЭ) является трещинообразование, пластическая деформация и фазовые переходы [1-3]. Наиболее важным итогом исследования деформационной АЭ было обнаружение корреляции между интенсивностью спектра АЭ и кривой нагружения с максимумом интенсивности (одним или более) в районе предела текучести, которая демонстрирует временную неоднородность пластического течения практически у всех исследованных кристаллов. Было установлено, что первый максимум интенсивности АЭ связан с неравномерным развитием полос скольжения. При деформировании алюминиевых сплавов в условиях эффекта Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) было обнаружено, что каждому скачку разгрузки на кривой деформации соответствует всплеск сигнала АЭ, связанный, как предполагалось на основе визуальных наблюдений, с динамикой полос деформации [4, 5]. В работе [6] с помощью метода АЭ зафиксировано зарождение полосы деформации по повышению энергии сигнала и смещению спектра АЭ в сторону низких частот. В работах [7, 8] отмечена большая скорость счета малоамплитудных сигналов АЭ при распространении полосы Людерса в отожженных сплавах Al-Mg, в то же время эволюция последующих полос деформации сопровождается более редким и высокоамплитудными сигналами, откуда сделан вывод, что полоса Людерса менее локализована в пространстве и времени, чем полосы ПЛШ.It is known that acoustic emission (AE) sources are crack formation, plastic deformation, and phase transitions [1-3]. The most important result of the study of deformation AE was the discovery of a correlation between the intensity of the AE spectrum and the loading curve with a maximum intensity (one or more) in the region of yield strength, which demonstrates a temporary heterogeneity of the plastic flow in almost all the crystals studied. It was found that the first maximum of AE intensity is associated with the uneven development of slip bands. During the deformation of aluminum alloys under the conditions of the Porteven-Le Chatelier effect (PLC), it was found that each unloading jump on the deformation curve corresponds to a burst of the AE signal, which, as was supposed on the basis of visual observations, is associated with the dynamics of the deformation bands [4, 5]. In [6], using the AE method, the nucleation of the deformation band was detected by increasing the signal energy and shifting the AE spectrum towards low frequencies. In [7, 8], a high counting rate of small-amplitude AE signals during the propagation of the Luders band in annealed Al-Mg alloys was noted, while the evolution of subsequent deformation bands is accompanied by more rare and high-amplitude signals, from which it was concluded that the Luders band is less localized in space and time than the PLS strip.

Вместе с тем, известные способы акустико-эмиссионного контроля предназначены не для идентификации полос макролокализованной деформации, способных вызвать внезапное разрушение конструкции, а в основном для определения координат источников сигнала АЭ (подвижных дислокационных скоплений, двойников и трещин) на основе анализа спектра акустического излучения [3, 9, 10], скорости затухания ультразвуковых волн [11] и т.д. Настоящее изобретение относится к устройствам технической диагностики и неразрушающего нелокального контроля материалов и изделий и предназначено для раннего выявления моментов потери механической устойчивости деформируемой давлением плоской заготовки или элемента конструкции из металлических сплавов, демонстрирующих прерывистую деформацию в результате зарождения и распространения в материале полос деформации, способных вызывать внезапное разрушение. Данное устройство технической диагностики может быть использовано в системах оперативного подавления полос нелокальными методами, например, с помощью пропускания электрического тока через заготовку (см. [12]).At the same time, the known methods of acoustic emission monitoring are not intended to identify macrolocalized deformation bands that can cause sudden structural failure, but mainly to determine the coordinates of AE signal sources (moving dislocation clusters, twins and cracks) based on the analysis of the acoustic emission spectrum [3 , 9, 10], the attenuation rate of ultrasonic waves [11], etc. The present invention relates to devices for technical diagnostics and non-destructive nonlocal control of materials and products and is intended for the early detection of moments of loss of mechanical stability by a pressure-deformed flat workpiece or a structural element made of metal alloys that exhibit intermittent deformation due to the generation and propagation of deformation bands in the material that can cause sudden destruction. This device of technical diagnostics can be used in systems for the operational suppression of bands by nonlocal methods, for example, by passing an electric current through a workpiece (see [12]).

Наиболее близким техническим решением является способ АЭ контроля (см. [13]), заключающийся в том, что на поверхности объекта контроля в наиболее нагруженных зонах конструкции устанавливают наборы хрупких тензоиндикаторов, настроенных на уровень пороговой деформации, меньшей или равной предельно допустимой для безопасной эксплуатации конструкции, а для дистанционного контроля за их состоянием используют акустико-эмиссионную (ультразвуковую) систему.The closest technical solution is the AE control method (see [13]), which consists in the fact that on the surface of the control object in the most loaded areas of the structure, sets of fragile strain gauges are installed that are set to a threshold strain level less than or equal to the maximum permissible for safe operation of the structure , and for remote monitoring of their condition using the acoustic emission (ultrasound) system.

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков: необходимость размещать на поверхности изделия не только приемники ультразвукового излучения, но и наборы хрупких тензоиндикаторов, которые являются источниками АЭ при достижении предельно допустимого состояния материала конструкции, т.е. представляет косвенный способ получения информации о состоянии объекта; невозможность различать трещины в тензоиндикаторе и в объеме материала конструкции по спектру сигнала АЭ; необходимость существенной перестройки акустической системы в случае материалов, демонстрирующих прерывистую деформацию и полосообразование из-за изменения характера корреляции между процессами трещинообразования в тензоиндикаторах и спектром сигнала АЭ.However, this method has a number of significant drawbacks: the need to place not only ultrasonic radiation detectors on the surface of the product, but also sets of fragile strain gauges that are sources of AE when the maximum permissible state of the material of construction is reached, i.e. represents an indirect way of obtaining information about the state of the object; the inability to distinguish cracks in the strain gauge and in the volume of the material of the structure according to the spectrum of the AE signal; the need for a significant restructuring of the acoustic system in the case of materials showing intermittent deformation and banding due to a change in the nature of the correlation between the processes of cracking in strain gauges and the spectrum of the AE signal.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и диагностики состояния механической неустойчивости. Сущность предлагаемого способа акустического контроля полос локализованной деформации и раннего предупреждения об опасности внезапного разрушения материалов и изделий состоит в том, что в наиболее нагруженных зонах изделия или конструкции устанавливается не ультразвуковой, а низкочастотный, в полосе 10-1000 Гц, акустический датчик (вибропреобразователь), настроенный на уровень пороговой деформации, соответствующей появлению полосы макролокализованной деформации, при этом полезным сигналом АЭ рассматривается только первый всплеск длительностью не более порядка 10 миллисекунд амплитудой выше пороговой в серии сигналов АЭ, который является ранним предвестником развития опасной механической неустойчивости материала или изделия.The invention relates to methods for non-destructive testing and diagnosis of the state of mechanical instability. The essence of the proposed method of acoustic control of localized deformation bands and early warning of the danger of sudden destruction of materials and products is that in the most loaded areas of the product or structure is installed not ultrasonic, but low-frequency, in the band of 10-1000 Hz, an acoustic sensor (vibration transducer), tuned to the level of threshold deformation corresponding to the appearance of a band of macrolocalized deformation, while only the first burst of length is considered as a useful AE signal not exceeding about 10 milliseconds, the amplitude is higher than the threshold in a series of AE signals, which is an early harbinger of the development of dangerous mechanical instability of a material or product.

Технический результат: обеспечение высокой степени надежности диагностирования состояния механической неустойчивости алюминиевого сплава и изделий с последующей сигнализацией об опасности раннего разрушения. Изобретение может быть использовано в системах непрерывного мониторинга состояния металлической поверхности и ранней диагностики повреждаемости конструкций и изделий из алюминиевых сплавов системы Al-Mg.EFFECT: provision of a high degree of reliability of diagnosing the state of mechanical instability of aluminum alloy and products with subsequent signaling about the danger of early destruction. The invention can be used in systems for continuous monitoring of the state of a metal surface and early diagnosis of damage to structures and products from aluminum alloys of the Al-Mg system.

Апробация способа проводилась на образцах промышленного алюминий-магниевого сплава АМг6. Образцы в форме двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6×3×1.2 мм³, вырезаемые из холоднокатаного листа, отжигали в течение часа при температуре 450°С и закаливали на воздухе. После термообработки образцы подвергали одноосному растяжению с постоянной скоростью возрастания напряжения

в «мягкой» деформационной машине [14]. Такой режим нагружения материала соответствует условиям эксплуатации материала, когда задан силовой закон воздействия (сила тяги, подъемная сила, сила лобового сопротивления, сила трения и т.д.), а измеряемым откликом является деформация материала. Для исследования динамики полос деформации использовалась скоростная видеосъемка со скоростью 500 кадров в секунду цифровой видеокамерой VS-FAST/G6 (НПО «Видеоскан»). Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма. При такой методике обработки изображений выделяются только движущиеся объекты - распространяющиеся полосы деформации [15].The method was tested on samples of industrial aluminum-magnesium alloy AMg6. Samples in the form of double-sided blades with the dimensions of the working part 6 × 3 × 1.2 mm ³ cut out from a cold-rolled sheet were annealed for an hour at a temperature of 450 ° C and quenched in air. After heat treatment, the samples were subjected to uniaxial tension with a constant rate of increase in stress

in a “soft” deformation machine [14]. This mode of loading the material corresponds to the operating conditions of the material when the force law of influence is set (traction force, lift force, drag force, friction force, etc.), and the measured response is the deformation of the material. To study the dynamics of the deformation bands, we used high-speed video recording at a speed of 500 frames per second with a VS-FAST / G6 digital video camera (NPO Videoscan). The video processing consisted in subtracting time-consistent frames of the video using a computer program. With this image processing technique, only moving objects — propagating strain bands [15] - are distinguished.

Акустический вибропреобразователь АР34 (частотный диапазон 1-2⋅10⁴ Гц) укреплялся через слой масла на нижней лопатке образца, связанной с базой (станиной испытательной машины). Сигнал пьезодатчика ϕ(t) усиливался широкополосным предусилителем (полоса пропускания 1-10⁵ Гц), регистрировался осциллографом и параллельно оцифровывался с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и подавался на компьютер. Для синхронизации сигналов АЭ с данными видеосъемки использовали следующую схему (Фиг. 1). Изображение экрана осциллографа с помощью собирающей линзы проецировалось через небольшое отверстие в стальном экране на объектив видеокамеры. Такое устройство позволяло наблюдать в поле зрения видеокамеры поверхность деформируемого образца и одновременно перемещение луча осциллографа для последующей синхронизации видеофильма с акустическими сигналами, записанными с помощью АЦП и компьютера.The AP34 acoustic vibration transducer (frequency range 1-2⋅10 ⁴ Hz) was strengthened through a layer of oil on the lower blade of the sample connected to the base (bed of the testing machine). The signal from the piezoelectric transducer ϕ (t) was amplified by a broadband preamplifier (bandwidth 1–10 ⁵ Hz), recorded by an oscilloscope, and simultaneously digitized using an analog-to-digital converter (ADC) and fed to a computer. To synchronize AE signals with video data, the following scheme was used (Fig. 1). The image of the oscilloscope screen using a collecting lens was projected through a small hole in the steel screen onto the camcorder lens. Such a device made it possible to observe in the field of view of the video camera the surface of the deformed sample and at the same time the movement of the oscilloscope beam for subsequent synchronization of the video with acoustic signals recorded using an ADC and a computer.

При нагружении с постоянной скоростью роста напряжения

в мягкой машине полосы деформации представляют собой расширяющиеся шейки [16]. Для выяснения их роли в развитии скачка пластической деформации в серии экспериментов проводили синхронную видеосъемку противоположных фронтальных поверхностей образца и боковой поверхности с использованием схемы видеосъемки с помощью двух зеркал (Фиг. 2).When loading with a constant voltage growth rate

in a soft machine, the deformation bands are expanding necks [16]. To clarify their role in the development of a jump in plastic deformation in a series of experiments, synchronous video shooting of opposite frontal surfaces of the sample and side surface was carried out using a video shooting scheme using two mirrors (Fig. 2).

Анализ видеофильмов показывает, что картина деформационных полос на противоположных фронтальных поверхностях абсолютно идентична (Фиг. 2). Поэтому можно утверждать, что полоса макролокализованной деформации - сквозная, т.е. представляет собой объемный домен с более высокой скоростью пластической деформации, чем область образца вне полосы. Объем этого домена приближенно равен произведению толщины плоского образца w на площадь А, заключенную между границами полосы. Для оценки вклада в скачкообразную деформацию полос деформации, регистрируемых данным оптическим методом (включающим скоростную цифровую видеосъемку и оригинальную методику компьютерной обработки изображений), суммарную площадь всех полос, появившихся на поверхности к данному моменту времени, т.е. Α_∑(t), сравнивали с формой скачка деформации Δε(t).The analysis of video films shows that the pattern of deformation bands on opposite frontal surfaces is absolutely identical (Fig. 2). Therefore, it can be argued that the band of macrolocalized deformation is through, i.e. represents a bulk domain with a higher rate of plastic deformation than the region of the sample outside the strip. The volume of this domain is approximately equal to the product of the thickness of the flat sample w by the area A enclosed between the borders of the strip. To assess the contribution to the discontinuous deformation of the deformation bands recorded by this optical method (including high-speed digital video and the original computer image processing technique), the total area of all the bands that appeared on the surface at a given point in time, i.e. Α _∑ (t), compared with the shape of the strain jump Δε (t).

На фиг. 3 представлено сравнение временной зависимости суммарной площади полос Α_∑(t), распространяющихся на фронте достаточно крупного скачка деформации амплитудой около 6% и формы фронта деформационного скачка Δε(t). Коэффициент корреляции этих зависимостей, рассчитанный с помощью программы «MathCad», равен k=0.9931. Столь высокая корреляция зависимостей Α_∑(t) и Δε(t) с коэффициентом корреляции в интервале 0.9930-0.9985 характерна для всех деформационных скачков вплоть до последнего скачка с разрывом образца. Поэтому полосы макролокализованной деформации дают основной вклад в скачкообразную деформацию образца, т.е. почти вся пластическая деформация на фронте деформационных скачков осуществляется полосами. Этот факт подтверждает корректность применяемого метода регистрации полос.In FIG. Figure 3 presents a comparison of the time dependence of the total area of the bands Α _∑ (t) propagating at the front of a sufficiently large strain jump with an amplitude of about 6% and the shape of the front of the strain jump Δε (t). The correlation coefficient of these dependencies calculated using the MathCad program is k = 0.9931. Such a high correlation of the dependences Α _∑ (t) and Δε (t) with a correlation coefficient in the range 0.9930–0.9985 is characteristic of all deformation jumps up to the last jump with a sample discontinuity. Therefore, the bands of macrolocalized deformation make the main contribution to the spasmodic deformation of the sample, i.e. almost all plastic deformation at the front of the deformation jumps is carried out by bands. This fact confirms the correctness of the applied band registration method.

Таким образом, деформационные скачки происходят за счет зарождения и роста полос макролокализованной деформации, которые являются доменами высокоскоростной деформации. В плоской геометрии образца эти домены сквозные, а хорошей мерой их объема является площадь полос. Поэтому кинетику скачкообразной деформации можно рассматривать аналогично кинетике фазового перехода [17] и положить в качестве кинетической кривой «фазового перехода» временную зависимость суммарной площади полос A_∑(t) как кривую роста «новой фазы» - домена пластической деформации - в пластически недеформированном материале - «старой фазе». Явление АЭ при фазовых переходах первого рода хорошо известно [3, 18]. Можно ожидать, что наиболее быстрые стадии роста деформационных полос будут сопровождаться генерированием сигналов АЭ. Действительно, ранее было обнаружено, что при деформировании сплава системы Al-Mg в жесткой испытательной машине каждый тип неустойчивости на деформационных кривых, А, В и С, сопровождается характерным сигналом АЭ, причем отдельному скачку разгрузки «машина-образец» соответствует всплеск сигнала АЭ, который по визуальным наблюдениям связывался с эволюцией полос деформации [5]. Отличительной особенностью настоящего технического решения является использование синхронно с измерением акустических сигналов методики одновременной регистрации с помощью скоростной видеокамеры деформационных полос на различных поверхностях образца, деформируемого с постоянной скоростью возрастания приложенного напряжения

.Thus, deformation jumps occur due to the nucleation and growth of macrolocalized deformation bands, which are domains of high-speed deformation. In the flat geometry of the sample, these domains are end-to-end, and the area of the bands is a good measure of their volume. Therefore, the kinetics of jump-like deformation can be considered similarly to the kinetics of the phase transition [17] and put as the kinetic curve of the “phase transition” the time dependence of the total band area A _∑ (t) as the growth curve of the “new phase” - the domain of plastic deformation - in a plastic undeformed material The "old phase". The phenomenon of AE during phase transitions of the first kind is well known [3, 18]. It can be expected that the fastest stages of growth of the deformation bands will be accompanied by the generation of AE signals. Indeed, it was previously discovered that during the deformation of an Al-Mg system alloy in a rigid test machine, each type of instability in the deformation curves A, B, and C is accompanied by a characteristic AE signal, and a separate AE-signal burst corresponds to a separate jump in the unloading, which, according to visual observations, was associated with the evolution of deformation bands [5]. A distinctive feature of this technical solution is the use, simultaneously with the measurement of acoustic signals, of a technique for simultaneously recording deformation bands on a different surface of a specimen deformed at a constant rate of increase in applied voltage with a high-speed video camera.

.

На фиг. 4 представлены синхронные записи сигнала АЭ - временной зависимости потенциала ϕ (t) акустического датчика («осциллограмма» сигнала АЭ) и временной зависимости суммарной площади полос Α_∑ (t), а на фиг. 5 представлен соответствующий этому временному интервалу фрагмент видеозаписи начальной стадии зарождения и развития полос деформации на фронтальной поверхности образца.In FIG. 4 shows synchronous recordings of the AE signal — the time dependence of the potential ϕ (t) of the acoustic sensor (“waveform” of the AE signal) and the time dependence of the total band area Α _∑ (t), and in FIG. Figure 5 shows a fragment of a video recording corresponding to this time interval of the initial stage of nucleation and development of deformation bands on the front surface of the sample.

Данные видеосъемки со скоростью 500 кадров в секунду показывают, что потеря устойчивого пластического течения начинается с зарождения первичной полосы на поверхности образца (фиг. 5, кадр 39). Первичная полоса зарождается обычно в некоторой точке на ребре кристалла и распространяется на фронтальной поверхности вдоль направления, перпендикулярного оси растяжения, а на боковой - в направлении, составляющем угол около 45° к оси растяжения. В первые миллисекунды ширина первичной полосы не превышает величины порядка размера зерна (10-20 мкм), а через несколько десятков миллисекунд первичная полоса локализованного сдвига переходит в расширяющуюся шейку (фиг. 5, кадры 49, 50), составляющую на фронтальной поверхности угол 53-63°, а на боковой - около 90° к оси растяжения. Начальная ширина полосы-шейки составляет уже около 2 мм.Video data at a speed of 500 frames per second show that the loss of stable plastic flow begins with the nucleation of the primary strip on the surface of the sample (Fig. 5, frame 39). The primary strip usually nucleates at some point on the edge of the crystal and extends on the frontal surface along the direction perpendicular to the axis of extension, and on the side - in the direction of an angle of about 45 ° to the axis of extension. In the first milliseconds, the width of the primary strip does not exceed a value of the order of grain size (10-20 μm), and after a few tens of milliseconds the primary strip of localized shift passes into an expanding neck (Fig. 5, frames 49, 50), which makes an angle of 53 63 °, and on the side - about 90 ° to the axis of extension. The initial width of the neckband is already about 2 mm.

Первый скачок зависимости Α_∑(t) связан с начальной стадией зарождения и распространения первичной узкой полосы локализованного сдвига и резким переходом ее в расширяющуюся шейку (кадры 39-48 на фиг. 5). Этот нестационарный процесс продолжительностью около 18 мс «толкает» добротную систему машина-образец на частоте, близкой к резонансной (период собственных колебаний системы на данном участке кривой нагружения равен 15 мс). Это приводит к раскачке системы на ее собственной частоте с затуханием после окончания скачка деформации, т.е. спустя приблизительно 0.4-0.5 с после зарождения первичной полосы деформации. Поэтому корреляцию акустического сигнала с динамикой полос деформации имеет смысл искать только на начальной стадии развития пластической неустойчивости продолжительностью 18-20 мс.The first jump in the dependence Α _∑ (t) is associated with the initial stage of nucleation and propagation of the primary narrow band of the localized shift and its sharp transition into the expanding neck (frames 39-48 in Fig. 5). This non-stationary process with a duration of about 18 ms “pushes” the solid machine-sample system at a frequency close to the resonant one (the period of natural oscillations of the system in this section of the loading curve is 15 ms). This leads to a buildup of the system at its natural frequency with attenuation after the end of the deformation jump, i.e. approximately 0.4–0.5 s after the initiation of the primary deformation band. Therefore, it makes sense to search for the correlation of the acoustic signal with the dynamics of the deformation bands only at the initial stage of development of plastic instability lasting 18–20 ms.

На фиг. 6а сравниваются временные зависимости сигнала акустического датчика ϕ(t) и площади полос Α_∑(t) для начальной стадии развития полос, представленной кадрами 38-55 на фиг. 5. Коэффициент корреляции между зависимостями ϕ(t) и А_∑(t) на этом временном отрезке весьма высокий, k:=0.9856, и, как хорошо видно, формы этих зависимостей почти совпадают. Видно также, что основные особенности динамики полос на этой стадии отражены в особенностях акустического сигнала. Первое заметное изменение сигнала АЭ соответствует стадии зарождения и незавершенного роста первичной полосы, когда она пересекает поперечное сечение образца со скоростью около 0.4 м/с (кадры 39-42). Затем начинается активный рост сигнала АЭ почти с постоянной скоростью роста, продолжительностью 10 мс, которому соответствует расширение первичной полосы также приблизительно с постоянной скоростью. Наконец, наибольшая скорость роста сигнала АЭ и соответственно площади полос происходит на стадии перехода первичной полосы в расширяющуюся шейку (кадры 47-49), продолжительностью 4-6 мс.In FIG. 6a, the time dependences of the acoustic sensor signal ϕ (t) and the area of the bands Α _∑ (t) for the initial stage of development of the bands, represented by frames 38-55 in FIG. 5. The correlation coefficient between the dependences ϕ (t) and A _∑ (t) in this time interval is very high, k: = 0.9856, and, as can be clearly seen, the forms of these dependences almost coincide. It is also seen that the main features of the dynamics of the bands at this stage are reflected in the features of the acoustic signal. The first noticeable change in the AE signal corresponds to the stage of nucleation and incomplete growth of the primary band when it crosses the sample cross section at a speed of about 0.4 m / s (frames 39-42). Then begins the active growth of the AE signal with an almost constant growth rate of 10 ms duration, which corresponds to the expansion of the primary band also at approximately constant speed. Finally, the highest growth rate of the AE signal and, correspondingly, the area of the bands occurs at the stage of transition of the primary band to the expanding neck (frames 47-49), lasting 4-6 ms.

Соответствующий временной интервал выделен серой полосой на фиг. 6а. Затем скорость расширения полосы затухает во времени (кадры 50-55) и соответственно уменьшается корреляция между ростом площади Α_∑(t) и акустическим сигналом ϕ(t), который теперь будет регистрировать в основном лишь собственные колебания системы машина-образец.The corresponding time interval is highlighted by a gray bar in FIG. 6a. Then, the expansion speed of the strip damps in time (frames 50-55) and, accordingly, the correlation between the increase in the area Α _∑ (t) and the acoustic signal ϕ (t) decreases, which will now mainly register only the natural vibrations of the machine-sample system.

Наиболее высокая корреляция функций ϕ(t) и Α_∑(t) наблюдается на начальном временном интервале между кадрами 42 и 49. Зависимость ϕ(Α_∑) на этом интервале носит линейный характер ϕ=mΑ_∑ (Фиг. 6b), где m (=0.13 В/мм²) - коэффициент пропорциональности, который зависит от чувствительности акустического метода регистрации напряжения (т.е. от коэффициента электромеханической связи вибропреобразователя, жесткости и собственных частот системы машина-образец и т.д.).The highest correlation of the functions ϕ (t) and Α _∑ (t) is observed in the initial time interval between frames 42 and 49. The dependence ϕ (Α _∑ ) in this interval is linear ϕ = mΑ _∑ (Fig. 6b), where m ( = 0.13 V / mm ² ) is the proportionality coefficient, which depends on the sensitivity of the acoustic method of voltage registration (i.e., on the coefficient of electromechanical coupling of the vibration transducer, rigidity and natural frequencies of the machine-sample system, etc.).

Таким образом, на основе прямого наблюдения деформационных полос с помощью скоростной видеосъемки и одновременного измерения сигнала АЭ выявлена связь между сигналом АЭ и эволюцией первых полос деформации на начальной стадии развития деформационного скачка в плоском образце сплава АМг6. Установлено, что в первые ~10 мс после зарождения первичной полосы рост электрического потенциала на вибропреобразователе ϕ(t) определяется ростом площади полос А_∑(t). Затем корреляция между акустическим сигналом и динамикой деформационных полос падает вследствие возбуждения собственных колебаний системы машина-образец. Поэтому наиболее информативной характеристикой сигнала АЭ, генерируемого в ходе скачкообразной деформации, является сигнала ϕ(t) в первые ~10 мс, который, как установлено, обусловлен зарождением и начальной стадией распространения первых деформационных полос. Поскольку продолжительность скачка деформации обычно составляет 300-500 мс, то резкий рост сигнала АЭ в первые ~10 мс после зарождения первичной полосы деформации можно рассматривать как акустический предвестник потери механической устойчивости образца.Thus, based on direct observation of the deformation bands using high-speed video recording and simultaneous measurement of the AE signal, a relationship was found between the AE signal and the evolution of the first deformation bands at the initial stage of the development of the deformation jump in a flat sample of the AMg6 alloy. It was found that in the first ~ 10 ms after the initiation of the primary strip, the increase in the electric potential on the vibration transducer ϕ (t) is determined by the increase in the area of the bands A _∑ (t). Then the correlation between the acoustic signal and the dynamics of the deformation bands decreases due to the excitation of the natural oscillations of the machine-sample system. Therefore, the most informative characteristic of the AE signal generated during spasmodic deformation is the signal ϕ (t) in the first ~ 10 ms, which, as established, is due to the nucleation and initial stage of propagation of the first deformation bands. Since the duration of the deformation jump is usually 300–500 ms, a sharp increase in the AE signal in the first ~ 10 ms after the initiation of the primary deformation band can be considered an acoustic harbinger of the loss of mechanical stability of the sample.

Наиболее вероятным источником акустического сигнала, сопровождающего развитие деформационной полосы, являются избыточные напряжения сдвига вблизи границы полосы, обусловленные неоднородностью пластического течения на границе между пластически деформируемой и пластически недеформированной макрообластями материала, которые рассматриваются в литературе как один из основных механизмов распространения деформационных полос. Акустические сигналы-предвестники потери механической устойчивости материала могут быть использованы для запуска устройств с отрицательной обратной связью с целью подавления деформационных полос, например, для синхронизации с генератором импульсов электрического тока, которые, протекая по алюминий-магниевому сплаву, способны подавлять развитие полосообразования [12].The most probable source of the acoustic signal accompanying the development of the deformation band is excess shear stresses near the boundary of the strip due to the heterogeneity of the plastic flow at the interface between the plastically deformable and plastically undeformed macroregions of the material, which are considered in the literature as one of the main mechanisms of propagation of deformation bands. Acoustic precursors of the loss of mechanical stability of the material can be used to start devices with negative feedback in order to suppress deformation bands, for example, to synchronize with an electric current pulse generator, which, flowing through an aluminum-magnesium alloy, can suppress the development of band formation [12] .

Источники информацииInformation sources

1. James D.R., Carpenter S.H. Relationship between acoustic emission and dislocation kinetics in crystalline solids // J. App. Phys. 1971. V. 42. №12. P. 4685-4697.1. James D.R., Carpenter S.H. Relationship between acoustic emission and dislocation kinetics in crystalline solids // J. App. Phys. 1971. V. 42. No. 12. P. 4685-4697.

2. Грешников Β.Α., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Издательство стандартов, 1976. 276 с. 2. Sinners Β.Α., Drobot Yu.B. Acoustic emission. - M .: Publishing house of standards, 1976. 276 p.

3. В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7. Кн.1. М.: Машиностроение. 2005. 829 с. 3. V.I. Ivanov, I.E. Vlasov. Acoustic emission method. Non-Destructive Testing: A Guide. In 7 t. Under the total. ed. V.V. Klyueva. T. 7. Book 1. M .: Engineering. 2005.829 s.

4. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и акустическую эмиссию при прерывистой текучести в алюминиево-магниевых сплавах // ФММ. 1991. №10. С. 187.4. Cristal M.M., Merson D.L. The influence of the geometric parameters of the sample on the mechanical properties and acoustic emission during intermittent flow in aluminum-magnesium alloys // FMM. 1991. No. 10. S. 187.

5. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии при деформировании Al-Mg сплавов // ФММ. 1996. Т. 81. №1. С. 156.5. Cristal M.M., Merson D.L. Interrelation of macrolocalization of deformation, discontinuous yield and features of acoustic emission during deformation of Al-Mg alloys // FMM. 1996.V. 81. No. 1. S. 156.

6. Криштал Μ.М., Хрусталев А.К., Разуваев Α.Α., Демин И.С. Спектральные особенности акустической эмиссии и макролокализация деформации при прерывистой текучести сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. №1. С. 28.6. Krishtal Μ.M., Khrustalev A.K., Razuvaev Α.Α., Demin I.S. Spectral features of acoustic emission and deformation macrolocalization during intermittent flow of AMg6 alloy // Deformation and fracture of materials. 2008. No. 1. S. 28.

7. Chmelik F., Ziegenbein Α., Neuhauser Η., Lukac P. Investigation the Portevin-Le Chatelier effect by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. Eng. 2002. V. A324. P. 200.7. Chmelik F., Ziegenbein Α., Neuhauser Η., Lukac P. Investigation the Portevin-Le Chatelier effect by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. Eng. 2002. V. A324. P. 200.

8. Chmelik F., Klose F.B., Dierke H. et al. Investigating the Portevin-Le Chatelier effect in strain rate and stress rate controlled test by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. and Eng. 2007. V. A462. P. 53.8. Chmelik F., Klose F.B., Dierke H. et al. Investigating the Portevin-Le Chatelier effect in strain rate and stress rate controlled test by the acoustic emission and laser extensometry techniques // Mat. Sci. and Eng. 2007. V. A462. P. 53.

9. Патент РФ №2498293. Способ определения координат источника акустической эмиссии / Виноградов А.Ю., Костин В.И., Мерсон Д.Л. Опубл. 10.11.13.9. RF patent No. 2498293. A method for determining the coordinates of a source of acoustic emission / Vinogradov A.Yu., Kostin V.I., Merson D.L. Publ. 11/10/13.

10. Патент РФ №2515423. Способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии на основе спектрально-временного самоподобия / Растегаев И.А., Данюк А.В., Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л., Чугунов А.В. Опубл. 10.05.14.10. RF patent No. 2515423. A method for increasing the accuracy of location of noise-like sources of acoustic emission based on spectral-temporal self-similarity / Rastegaev I.A., Danyuk A.V., Vinogradov A.Yu., Merson D.L., Chugunov A.V. Publ. 05/10/14.

11. Патент РФ №2523077. Способ локации дефектов / Виноградов А.Ю., Костин В.И., Мерсон Д.Л. Опубл. 20.07.14.11. RF patent No. 2523077. The defect location method / Vinogradov A.Yu., Kostin V.I., Merson D.L. Publ. 07/20/14.

12. Патент РФ №2544721. Электрофизический способ подавления механической неустойчивости промышленного алюминий-магниевого сплава / Шибков Α.Α., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Михлик Д.В. Опубл. 20.03.15.12. RF patent No. 2544721. The electrophysical method of suppressing the mechanical instability of an industrial aluminum-magnesium alloy / Shibkov Α.Α., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Mikhlik D.V. Publ. 03/20/15.

13. Патент РФ №2403564. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий / Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А., Ушаков Б.Н. Опубл. 10.11.10.13. RF patent No. 2403564. A device for diagnosing the limit state and early warning about the danger of destruction of materials and products / Vasiliev I.E., Ivanov V.I., Makhutov N.A., Ushakov B.N. Publ. 11/10/10.

14. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. №7. С. 20.14. Shibkov A.A., Lebedkin M.A., Zheltov M.A., Skvortsov V.V., Koltsov R.Yu., Shuklinov A.V. A complex of in situ methods for studying spasmodic plastic deformation of metals // Factory Laboratory. 2005.V. 71. No. 7. S. 20.

15. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Лебедкин М.А. // Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. №9. С. 1372.15. Shibkov A.A., Koltsov R.Yu., Zheltov M.A., Shuklinov A.V., Lebedkin M.A. // Dynamics of spontaneous delocalization of plastic deformation during unstable plastic flow of Al-Mg alloys // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. The series is physical. 2006.V. 70. No. 9. S. 1372.

16. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. №5. С. 412.16. Shibkov A.A., Zolotov A.E. Nonlinear dynamics of spatio-temporal structures of macrolocalized deformation // Letters in JETP. 2009.V. 90. No. 5. S. 412.

17. Криштал М.М. Общая теория неустойчивости и мезоскопической неоднородности пластической деформации // Известия РАН. Серия физическая. 2004. Т. 68. №10. Р. 1391.17. Cristal M.M. The general theory of instability and mesoscopic heterogeneity of plastic deformation // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. The series is physical. 2004.V. 68. No. 10. R. 1391.

18. Лубе Э.Л., Багдасаров Х.С., Федоров Е.А., Златкин А.Т., Антонов Е.В. Акустоэмиссионная дефектоскопия крупных кристаллов в процессе выращивания при высоких температурах // Кристаллография. 1982. Т. 27. №3. С. 584.18. Lube E.L., Bagdasarov H.S., Fedorov E.A., Zlatkin A.T., Antonov E.V. Acoustic emission testing of large crystals during growth at high temperatures // Crystallography. 1982. T. 27. No. 3. S. 584.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1. а) Схема синхронизации видеофильма с сигналом АЭ:FIG. 1. a) Scheme for synchronizing a video with an AE signal:

1 - плоский металлический образец, 2 - шток деформационной машины, 3 - экран электрометрической ячейки, 4 - осциллограф (источник света - луч на экране осциллографа), 5 - собирающая линза, 6 - цифровая видеокамера, 7 - пьезодатчик, 8 - предусилитель акустического сигнала, 9 - АЦП, 10 – компьютер;1 - a flat metal sample, 2 - the rod of the deformation machine, 3 - the screen of the electrometric cell, 4 - the oscilloscope (the light source is the beam on the screen of the oscilloscope), 5 - the collecting lens, 6 - the digital video camera, 7 - the piezoelectric transducer, 8 - the preamplifier of the acoustic signal , 9 - ADC, 10 - computer;

б) Видеоизображение поверхности деформируемого образца АМг6 в момент зарождения деформационной полосы и соответствующий сигнал АЭ.b) A video image of the surface of the deformable AMg6 sample at the time of deformation band initiation and the corresponding AE signal.

Фиг. 2. Схема видеосъемки с двумя зеркалами для получения синхронных изображений полос на боковой и двух противоположных фронтальных поверхностях плоского образца. Ось растяжения перпендикулярна плоскости фигуры. На вставке фотографии деформационной полосы: а и б - на противоположных фронтальных поверхностях, в - на боковой поверхности.FIG. 2. A video recording scheme with two mirrors for obtaining synchronous images of strips on the side and two opposite frontal surfaces of a flat sample. The axis of tension is perpendicular to the plane of the figure. On the insert of the photograph of the deformation strip: a and b - on opposite frontal surfaces, c - on the side surface.

Фиг. 3. Сравнение временной зависимости площади полос Α_∑ (штриховая линия) и формы фронта скачка деформации Δε (сплошная линия). Коэффициент корреляции между зависимостями A_∑(t) и Δε(t):k=0.9931.FIG. 3. Comparison of the time dependence of the area of the strips Α _∑ (dashed line) and the shape of the front of the strain jump Δε (solid line). The correlation coefficient between the dependences A _∑ (t) and Δε (t): k = 0.9931.

Фиг. 4. Результаты обработки данных акустического и оптического мониторинга первого скачка деформации сплава АМг6: вверху - сигнал АЭ ϕ(t), внизу - временная зависимость суммарной площади полос Α_∑(t). Цифрами (39 и 55) отмечены номера кадров видеофильма, показанного на фиг. 5.FIG. 4. The results of processing the data of acoustic and optical monitoring of the first jump in the deformation of the AMg6 alloy: at the top is the AE signal ϕ (t), below is the time dependence of the total band area Α _∑ (t). The numbers (39 and 55) indicate the frame numbers of the video shown in FIG. 5.

Фиг. 5. Результаты компьютерной обработки видеофильма роста деформационных полос на фронте первого скачка деформации. Фронтальная съемка (вид со стороны поверхности 3×6 мм²). Временной интервал между кадрами 2 мс. Ось растяжения горизонтальна.FIG. 5. The results of computer processing of a video of the growth of deformation bands at the front of the first strain jump. Front-end shooting (view from the surface 3 × 6 mm ² ). The time interval between frames is 2 ms. The axis of extension is horizontal.

Фиг. 6. Связь между акустическим сигналом и площадью полос на начальной стадии развития первых полос деформации: а - сравнение формы фронта акустического сигнала ϕ (сплошная линия) и временной зависимости суммарной площади полос Α_∑ (штриховая линия). Коэффициент корреляции между зависимостями ϕ(t) и Α_∑(t):k=0.9856; b - зависимость ϕ(Α_∑). Цифрами отмечены номера кадров видеофильма, показанного на фиг. 5.FIG. 6. The relationship between the acoustic signal and the area of the bands at the initial stage of development of the first deformation bands: a - comparison of the shape of the front of the acoustic signal ϕ (solid line) and the time dependence of the total area of the bands Α _∑ (dashed line). The correlation coefficient between the dependences ϕ (t) and Α _∑ (t): k = 0.9856; b is the dependence ϕ (Α _∑ ). The numbers indicate the frame numbers of the video shown in FIG. 5.

Claims

A method for early detection of damage in wrought aluminum alloys of the Al-Mg system, showing intermittent deformation and band formation: the method includes installing an acoustic sensor near the most loaded zone of the structure, deforming the structure until damage occurs, generating an acoustic emission signal (AE), its amplification and registration, different the fact that as an acoustic sensor uses a low-frequency receiver of acoustic vibrations (vibration transducer) in the frequency band 10 Hz - 10 kHz, and only the first acoustic burst with a duration of ~ 10 ms with an amplitude above the threshold, which is a harbinger of the development of mechanical instability that can lead to sudden destruction of the product material, is considered as a useful AE signal.