RU2822717C1

RU2822717C1 - Method for monitoring kinetics of brittle and viscous damages at stages of evolution of destruction of structural materials

Info

Publication number: RU2822717C1
Application number: RU2023122513A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Витальевич Чернов; Игорь Евгеньевич Васильев; Николай Андреевич Махутов; Юрий Григорьевич Матвиенко
Filing date: 2023-08-30
Publication date: 2024-07-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used for monitoring of kinetics of viscous and brittle damages in structure of structural material with application of acoustic emission diagnostics. Essence of the invention consists in the fact that based on the combined analysis of the amplitude decay steepness at the attenuation phase of the signal with spectrograms, the recorded AE signals are divided into flows generated by viscous and fragile damages of the material structure.

EFFECT: enabling monitoring of partial content of viscous and brittle damage accumulation in the article loading mode.

1 cl, 5 dwg

Description

Термины «вязкий» и «хрупкий» служит для обозначения способности металлов сопротивляться сдвиговым и нормальным модам напряжений на стадиях эволюции разрушения металла. Различные по своей природе механизмы фрагментации структуры материала генерируют заметно отличающиеся по своим энергетическим и темпоральным параметрам импульсы АЭ. Хрупкие, вызванные сколом, и вязкие соответственно сдвигом механизмы разрушения структуры металла прежде всего отличаются скоростью и длительностью происходящих процессов. Так скорость хрупкого разрушения может быть сопоставима со скоростью звука в металле. Вязкое разрушение структурных связей происходит при значительных сдвиговых деформациях, большой затрате энергии на зарождение трещины и медленном ее подрастании, что обуславливает меньшую скорость происходящих процессов. Причем для большинства высокопрочных конструкционных сталей характерен смешанный характер разрушения, когда на стадиях эволюции хрупкие разрушения сменяются вязкими или они происходят параллельно, как это наблюдается на стадиях упрочнения и предельного состояния высокопрочных сталей [1-2].The terms “ductile” and “brittle” are used to denote the ability of metals to resist shear and normal stress modes during the evolutionary stages of metal failure. Mechanisms of material structure fragmentation that are different in nature generate AE pulses that are noticeably different in their energy and temporal parameters. Brittle, caused by chipping, and ductile, respectively, by shear, mechanisms of destruction of the metal structure are primarily distinguished by the speed and duration of the processes occurring. Thus, the rate of brittle fracture can be comparable to the speed of sound in metal. Ductile destruction of structural bonds occurs with significant shear deformations, high energy consumption for crack initiation and slow growth, which causes a lower rate of processes. Moreover, most high-strength structural steels are characterized by a mixed nature of fracture, when at the stages of evolution brittle fractures are replaced by ductile ones or they occur in parallel, as is observed at the stages of hardening and the limiting state of high-strength steels [1-2].

Как было показано в [3-6], акустическая эмиссия (АЭ) позволяет по энергетическим и темпоральным параметрам регистрируемых импульсов, генерируемых в результате повреждения структурных связей конструкционного материала, осуществлять мониторинг эволюции разрушения «in situ» накопления АЭ событий. При этом существуют различные методики оценки степени разрушения структуры материала и достижения им предельного состояния [3-11], но ни одна из них не дает возможность достоверно контролировать кинетику накопления вязких и хрупких повреждений в процессе деформирования материала.As was shown in [3-6], acoustic emission (AE) allows, based on the energy and temporal parameters of the recorded pulses generated as a result of damage to the structural bonds of a structural material, to monitor the evolution of the destruction “in situ” of the accumulation of AE events. At the same time, there are various methods for assessing the degree of destruction of the structure of a material and its achievement of a limiting state [3-11], but none of them makes it possible to reliably control the kinetics of the accumulation of ductile and brittle damage during the deformation of the material.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ, предложенный в статье «Разработка эмпирической модели расчета степени поврежденности стальных образцов по результатам статистической обработки потока импульсов акустической эмиссии» [12]. Для разделения процессов активизации вязкого и хрупкого разрушения на стадиях неупругого и предельного деформирования конструкционной стали 30ХГСА был использован критерий Колмогорова - Смирнова при статистической обработке значений энергии переднего фронта потоков регистрируемых импульсов. Такой прием позволил разделить поток регистрируемых импульсов на два характерных процесса, связанных с хрупким и вязким разрушением структуры конструкционной стали 30ХГСА при повышении относительного уровня деформирования материала ε₁/ε_Bсвыше 37%.The closest technical solution adopted for the prototype is the method proposed in the article “Development of an empirical model for calculating the degree of damage to steel samples based on the results of statistical processing of the flow of acoustic emission pulses” [12]. To separate the activation processes of ductile and brittle fracture at the stages of inelastic and limiting deformation of 30KhGSA structural steel, the Kolmogorov-Smirnov criterion was used to statistically process the energy values of the leading edge of the recorded pulse flows. This technique made it possible to divide the flow of recorded pulses into two characteristic processes associated with brittle and ductile destruction of the structure of 30KhGSA structural steel with an increase in the relative level of material deformation ε ₁ /ε _B over 37%.

Недостатком данного технического решения является невозможность его использования в режиме реального времени для мониторинга кинетики накопления вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала, а также применения на ранней стадии неупругого деформирования, когда е₁/ε_B<37%.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of using it in real time to monitor the kinetics of accumulation of ductile and brittle damage in the structure of a structural material, as well as its application at the early stage of inelastic deformation, when e ₁ /ε _B <37%.

Для решения указанных проблем было предложено использовать дескриптор um/N_u отображающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала или тангенс угла наклона ниспадающей волны (фиг. 1), поверхность под огибающей которой характеризует энергию импульса (E_u)-To solve these problems, it was proposed to use the descriptor um/N _u, which displays the steepness of the amplitude decay during the signal decay phase or the slope of the downward wave (Fig. 1), the surface under the envelope of which characterizes the pulse energy (E _u ) -

Для определение пороговых значений параметра u_m/N_u, разделяющих поток регистрируемых импульсов на два, генерируемых вязкими и хрупкими повреждениями, было проведено сопоставление форм сигналов и свойственных им спектрограмм (фиг. 2).To determine the threshold values of the parameter _um /N _u , dividing the flow of recorded pulses into two, generated by viscous and brittle damage, a comparison of signal shapes and spectrograms characteristic of them was carried out (Fig. 2).

На фиг. 2 показаны формы (α, в) и спектрограммы Чои-Вильямса (б, г) импульсов (1) и (2), генерированных структурными преобразованиями от действия сдвиговых и нормальных мод напряжений, имеющих одинаковые значения максимальной амплитуды u_m=46 дБ, но отличающиеся по формам и спектрограммам.In fig. Figure 2 shows the shapes (α, c) and Choi-Williams spectrograms (b, d) of pulses (1) and (2), generated by structural transformations from the action of shear and normal stress modes, having the same maximum amplitude values u _m =46 dB, but differing in shapes and spectrograms.

В табл. 1 представлены основные энергетические и темпоральные параметры сопоставляемых импульсов.In table 1 shows the main energy and temporal parameters of the compared impulses.

Импульсы, генерируемые сдвиговыми процессами структурных преобразований, при сопоставимых уровнях энергетических параметров имеют существенно большую длительность по сравнению с сигналами хрупкого разрушения. На это указывают и представленные на фиг. 2, б и г спектрограммы, которые отражают скорость затухания энергии сигналов. Сопоставление показывает, что диссипация энергии сигналов вязкого разрушения имеет примерно в пять раз большую длительность затухания.Pulses generated by shear processes of structural transformations, at comparable levels of energy parameters, have a significantly longer duration compared to brittle fracture signals. This is also indicated by those shown in Fig. 2, b and d spectrograms that reflect the rate of attenuation of signal energy. A comparison shows that the energy dissipation of ductile fracture signals has a decay time approximately five times longer.

Как следует из табл. 1, энергетические и темпоральные параметры за исключением длительности (τ_и) достаточно близки. Причем расхождение значений параметра u_m/N_и отличается менее, чем 0,6 мкВ/ед. Однако, именно этот параметр, отражающий крутизну затухания амплитуды или тангенс угла наклона фронта ниспадающей волны, позволяет разделять регистрируемые сигналы на потоки локационных импульсов, характерные для вязкого и хрупкого механизмов разрушения. На графиках фиг. 3, α показано разделение сигналов АЭ на потокиотражающие кинетику вязкого и хрупкого накопления повреждений в структуре стали 20ХН2МА, а на фиг. 3, 6 изменение динамики весового содержания локационных импульсов (W^I) и (W^II) в режиме нагружения изделия. В данном случае при выбранных настройках аппаратуры (u_th=40 дБ, Δƒ=100-300 кГц - полосе пропускания фильтров) потоки объединяют сигналы, имеющие значение параметра u_m/N_и соответственно меньшее 9,5 мкВ/ед. и большее 9,6 мкВ/ед.As follows from the table. 1, the energy and temporal parameters, with the exception of duration (τ _and ) are quite close. Moreover, the discrepancy between the values of the parameter u _m /N _and differs by less than 0.6 μV/unit. However, it is precisely this parameter, which reflects the steepness of the amplitude attenuation or the slope angle of the front of the descending wave, that makes it possible to separate the recorded signals into streams of location pulses characteristic of ductile and brittle fracture mechanisms. In the graphs of Fig. 3, α shows the division of AE signals into streams reflecting the kinetics of ductile and brittle accumulation of damage in the structure of 20ХН2МА steel, and in Fig. 3, 6 change in the dynamics of the weight content of location pulses (W ^I ) and (W ^II ) in the loading mode of the product. In this case, with the selected equipment settings (u _th =40 dB, Δƒ = 100-300 kHz - filter passband), the flows combine signals that have a parameter value u _m /N _and, accordingly, less than 9.5 μV/unit. and more than 9.6 μV/unit.

Сплошной линией черного цвета с обозначением (Р) на графиках фиг. 3 показана динамика изменения растягивающей нагрузки при испытаниях стального образца на разрыв.A solid black line with the designation (P) on the graphs of Fig. Figure 3 shows the dynamics of changes in tensile load during tensile testing of a steel sample.

Сущность изобретения заключается в том, что для разделения регистрируемых сигналов АЭ на потоки, генерируемые вязкими (I) и хрупкими (II) повреждениями структуры материала, используют комплексный параметр u_m//N_и (u_и - максимальная амплитуда в мкВ,N_и -количество выбросов в ед.), отражающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала или тангенс угла наклона фронта ниспадающей волны, по пороговому значению которого [u_m/N_и]=χ при выбранных настройках аппаратуры (u_th - пороге дискриминации сигналов и Δƒ- полосе пропускания цифровых фильтров) выполняют селекцию регистрируемых сигналов акустической эмиссии на потоки локационных импульсов свойственные вязкому (I - u_m/N_и≤χ) и хрупкому (II - u_m/N_и>χ) механизмам разрушения структуры материала, а для ежесекундного контроля кинетики их накопления и определения весового содержания в режиме нагружения изделия вычисляют кумулятивные и темпоральные потоковые параметры локационных импульсов, в том числе их парциальные доли (1), соотношение (2) и разность долей (3):The essence of the invention is that to separate the recorded AE signals into flows generated by viscous (I) and brittle (II) damage to the structure of the material, a complex parameter u _m //N _and (u _and is the maximum amplitude in μV, N _and - number of emissions in units), reflecting the steepness of the amplitude decline in the signal attenuation phase or the tangent of the angle of inclination of the front of the descending wave, according to the threshold value of which [u _m /N _and ]=χ with the selected equipment settings (u _th - signal discrimination threshold and Δƒ- passband of digital filters) perform selection of recorded acoustic emission signals into flows of location pulses characteristic of viscous (I - u _m /N _and ≤χ) and brittle (II - u _m/ N _and >χ) mechanisms of destruction of the material structure, and for every second monitoring of the kinetics of their accumulation and determination of the weight content in the loading mode of the product, cumulative and temporal flow parameters of location pulses, including their partial shares (1), ratio (2) and difference of shares (3):

Цель, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего при проведении АЭ диагностики в режиме нагружения изделия с применением потоковых параметров импульсов (1) - (3) осуществлять мониторинг парциального содержания вязкого и хрупкого накопления повреждений в режиме нагружения изделия.The goal to which this technical solution is aimed is to develop a method that allows, when carrying out AE diagnostics in the loading mode of a product using flow pulse parameters (1) - (3), to monitor the partial content of ductile and brittle accumulation of damage in the loading mode of the product.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении АЭ диагностики изделий в режиме нагружения, выполняют разделение регистрируемых импульсов по пороговому значению χ=[u_m/N_и], определенному при выбранных настройках аппаратуры (u_th - пороге дискриминации сигналов и Δƒ- полосе пропускания цифровых фильтров), на потоки локационных импульсов отражающие кинетику вязкого (I -u_m/N_и≤χ) и хрупкого (II - u_m/N_и>χ) разрушения структуры материала, для вычисления активности накопления которых используют потоковые параметры локационных импульсов (1) - (3).The essence of the proposed invention lies in the fact that when carrying out AE diagnostics of products in loading mode, the recorded pulses are separated according to the threshold value χ = [u _m /N _and ], determined with the selected equipment settings (u _th - signal discrimination threshold and Δƒ - band transmission of digital filters), to flows of location pulses reflecting the kinetics of viscous (I - _{u m} /N _and ≤χ) and brittle (II - u _m /N _and >χ) destruction of the material structure, to calculate the accumulation activity of which the flow parameters of location pulses (1) - (3) are used.

При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача достигается посредством мониторинга изменения весового содержания локационных импульсов в кластерах I и II, регистрируемых в поле дескрипторов u_m/N_и - E_и, характеризующих крутизну падения амплитуды на фазе затухания сигнала и относительный уровень их энергии, что позволяет с использованием кумулятивных и темпоральных потоковых параметров локационных импульсов (1) - (3) осуществлять мониторинг кинетики накопления вязких и хрупких повреждений в режиме нагружения.When implementing the proposed technical solution, the task is achieved by monitoring changes in the weight content of location pulses in clusters I and II, registered in the field of descriptors _um /N _and - E _and , characterizing the steepness of the drop in amplitude during the signal attenuation phase and the relative level of their energy, which allows, using cumulative and temporal flow parameters of location pulses (1) - (3), to monitor the kinetics of accumulation of ductile and brittle damage under loading conditions.

Перед проведением АЭ диагностики выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на разрушение для заданных видов нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также АЭ параметры локационных импульсов при заданных настройках аппаратуры.Before carrying out AE diagnostics, test samples of the material of the product are tested for destruction for given types of loading, determining the required mechanical and acoustic properties, as well as AE parameters of location pulses at given equipment settings.

Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. мониторинга кинетики вязких и хрупких повреждений в структуре конструкционного материала в режиме нагружения изделия, что снижает риск внезапного его разрушения и повышает уровень безопасной эксплуатации.The technical and economic efficiency of the invention follows from the technical result obtained by implementing the invention, i.e. monitoring the kinetics of ductile and brittle damage in the structure of a structural material in the loading mode of the product, which reduces the risk of its sudden destruction and increases the level of safe operation.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах предложенного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к заявляемому устройству отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the level of technology, including a search of patents and scientific and technical sources of information containing information about analogues of the proposed invention, allowed us to establish that an analogue was not found that was characterized by features identical to all the essential features of the proposed invention, but the determination from the list of identified analogues of the prototype as the analogue that is closest in terms of the set of features, made it possible to identify a set of distinctive features that are essential in relation to the claimed device and are set out in the claims.

Для проведения соответствия предлагаемого изобретения требованию изобретательского уровня проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результат которого показывает, что предложенное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники.To ensure that the proposed invention complies with the requirement of inventive step, an additional search for known solutions was carried out in order to identify features that coincide with the features of the proposed invention that are distinctive from the prototype, the result of which shows that the proposed invention does not clearly follow from the prior art.

В качестве демонстрации эффективности заявленного способа мониторинга кинетики хрупких и вязких повреждений в структуре конструкционного материала при нагружении изделия рассмотрим его применение для оценки влияния ударного воздействия с различным уровнем энергии на исчерпание пластичности образцов ферритно-карбидной стали 20ХН2МА по результатам их испытания на разрыв.To demonstrate the effectiveness of the claimed method for monitoring the kinetics of brittle and ductile damage in the structure of a structural material when a product is loaded, let us consider its use for assessing the effect of impact with different energy levels on the exhaustion of ductility of samples of ferritic carbide steel 20ХН2МА according to the results of their tensile testing.

Образцы из стали 20ХН2МА с габаритными размерами 300x20x6 мм имели боковой надрез v-образной формы глубиной 3,3 мм. Исследуемая партия включала 30 образцов, которые были разбиты на шесть групп по пять образцов в каждой. Образцы первой партии перед испытаниями на разрыв не подвергались ударному воздействию. Остальные партии образцов были подвергнуты ударному воздействию на маятниковом копре МК-30 [13]. В зоне ударного воздействия, выполняемого оппозитно месту расположения v -образного надреза глубиной 3,3 мм, происходило изменение пластичности материала. В результате снижалась доля вязкого разрушения и возрастала хрупкого - разрушения сколом. Для оценки ударного воздействия был использован параметр удельной работы [1,2, 13]:Samples made of steel 20ХН2МА with overall dimensions of 300x20x6 mm had a v-shaped side cut with a depth of 3.3 mm. The batch under study included 30 samples, which were divided into six groups of five samples each. The samples of the first batch were not subjected to impact before tensile testing. The remaining batches of samples were subjected to impact on an MK-30 pendulum impact driver [13]. In the impact zone, performed opposite to the location of the v-shaped cut with a depth of 3.3 mm, a change in the plasticity of the material occurred. As a result, the proportion of ductile fracture decreased and the proportion of brittle fracture—chip fracture—increased. To assess the impact impact, the specific work parameter was used [1,2, 13]:

(3), (3),

где A - работа ударного воздействия в Дж, b=1,7 см и h=0,6 см - ширина и толщина образцов в месте надреза, имеющих в месте v-образного надреза площадь F=1 см². При этом удельная работа удара для образцов второй партии составляла 50 Дж/см², третьей -75 Дж/см², четвертой - 100 Дж/см², пятой - 125 Дж/см² и шестой - 150 Дж/см².where A is the work of impact in J, b = 1.7 cm and h = 0.6 cm are the width and thickness of the samples at the cut site, having an area F = 1 cm ² at the v-shaped cut site. In this case, the specific impact work for the samples of the second batch was 50 J/cm ² , the third - 75 J/cm ² , the fourth - 100 J/cm ² , the fifth - 125 J/cm ² and the sixth - 150 J/cm ² .

Перед контрольным нагружением все испытываемые образцы подвергались предварительной протяжке при повышении нагрузки до 5 кН. Испытание на разрыв выполнялось при скорости перемещения подвижной траверсы 1 мм/мин. При этом АЭ диагностика проводилась с применением преобразователей R15α-AST (фирмы «Mistras», США), системы A-Line 32D (ООО «Интерюнис-ИТ», РФ), имеющей следующие настройки аппаратуры: порог дискриминации сигналов u_th=40 дБ, полоса пропускания цифровых фильтров Δƒ=100-300 кГц, расчетная групповая скорость по результатам тестирования составляла V_g=2,9 мм/мкс.Before control loading, all tested samples were subjected to preliminary broaching with the load increasing to 5 kN. The tensile test was carried out at a moving crosshead speed of 1 mm/min. In this case, AE diagnostics were carried out using R15α-AST converters (Mistras, USA), the A-Line 32D system (Interunis-IT LLC, Russian Federation), which has the following equipment settings: signal discrimination threshold u _th =40 dB, passband of digital filters Δƒ=100-300 kHz, calculated group velocity according to testing results was V _g= 2.9 mm/µs.

На фиг. 4 приведены результаты АЭ диагностики, полученные при испытаниях на разрыв образцов партий №1,…, № 6.In fig. Figure 4 shows the results of AE diagnostics obtained during tensile testing of samples of batches No. 1,..., No. 6.

Представленные графики показывают динамику изменения средних выборочных значений весового содержания локационных импульсов (W^I) и (W^II) и уровня их разброса η_Wi, в интервале ±2S от уровня деформации ε/ε_B, отражающих кинетику накопления вязких и хрупких повреждений в зоне надреза образцов из стали 20ХН2МА в зависимости от уровня удельной работы ударного воздействия. Анализ графиков фиг. 4 свидетельствует о том, что по мере повышения уровня α_Vот 50 до 150 Дж/ см^2, расхождение между параметрами весового содержания локационных импульсов W^I и W^IIпостоянно возрастало. Уровень пороговых значений [W^I] и [W^II], регистрируемых в момент разрушения образцов в партиях № 2, …№ 6, изменялся следующим образом. Значение [W^I] по мере повышения уровня α_Vот 50 до 150 Дж/ см² постепенно снижалось с 42 до 16%, а [W^II] синхронно возрастало от 58 до 84%.The presented graphs show the dynamics of changes in the average sample values of the weight content of location pulses (W ^I ) and (W ^II ) and the level of their scatter η _Wi , in the interval ±2S from the level of deformation ε/ε _B , reflecting the kinetics of accumulation of ductile and brittle damage in the notch zone samples made of steel 20ХН2МА depending on the level of specific impact work. Analysis of the graphs of Fig. 4 indicates that as the α _V level increased from 50 to 150 J/cm ^2, the discrepancy between the parameters of the weight content of the location pulses W ^I and W ^II constantly increased. The level of threshold values [W ^I ] and [W ^II ], recorded at the moment of destruction of samples in batches No. 2, ... No. 6, changed as follows. The value of [W ^I ] as the level of α _V increased from 50 to 150 J/cm ² gradually decreased from 42 to 16%, and [W ^II ] synchronously increased from 58 to 84%.

На фиг. 5 представлен график изменения соотношения j=[W^II]/[W^I] средних выборочных значений пороговых параметров [W^I] и [W^II] весового содержания локационных импульсов и уровня их разброса η_Wi; в интервале ±2S (S - среднее квадратичное отклонение) в зависимости от уровня α_V, значение которого возрастало от 0 до 150 Дж/ см² для партий образцов №1,…,№6.In fig. Figure 5 shows a graph of changes in the ratio j=[W ^II ]/[W ^I ] of the average sample values of the threshold parameters [W ^I ] and [W ^II ] of the weight content of location pulses and the level of their spread η _Wi ; in the range ±2S (S is the standard deviation) depending on the level of α _V , the value of which increased from 0 to 150 J/cm ² for batches of samples No. 1,..., No. 6.

Как следует из представленного графика, повышение удельной работы ударного воздействия от 50 до 150 Дж/см² вызвало рост соотношения j=[W^II]/[W^I] в 6 раз (от 1 до 6). Очевидно в такой же пропорции происходит снижение парциальной доли вязких и возрастание хрупких повреждений в КР стали 20ХН2МА. При повышении уровня α_V от 0 до 50 Дж/см²наблюдалось падение соотношения j, что характеризует рост вязкой и снижение хрупкой парциальных долей повреждений при разрушении структурных связей ферритно-карбидной стали 20ХН2МА. Как показали микроструктурные исследования, такое улучшение пластических свойств материала обусловлено локальным перераспределением карбидных включений, а также возникновением начальных напряжений сжатия в зоне надреза в результате ударного воздействия. На последнее указывает рост уровня максимальной нагрузки примерно на 10% до 62 кН при испытаниях на разрыв образцов второй партии по сравнению с первой, в которых разрушающая нагрузка не превышала 57 кН. Следует отметить, что при испытаниях образцов на разрыв расхождение линий нагружения во всех партиях составляло не более 4% в интервале ±2S, относительно приведенных на графиках фиг. 4.As follows from the presented graph, an increase in the specific work of impact from 50 to 150 J/cm ² caused an increase in the ratio j=[W ^II ]/[W ^I ] by 6 times (from 1 to 6). Obviously, in the same proportion, there is a decrease in the partial share of ductile damage and an increase in brittle damage in the CR of 20KhN2MA steel. When the _αV level increased from 0 to 50 J/ ^cm2, a drop in the ratio j was observed, which characterizes an increase in the ductile and a decrease in the brittle partial fractions of damage during the destruction of structural bonds of ferrite-carbide steel 20ХН2МА. As microstructural studies have shown, such an improvement in the plastic properties of the material is due to the local redistribution of carbide inclusions, as well as the occurrence of initial compressive stresses in the notch zone as a result of impact. The latter is indicated by an increase in the maximum load level by approximately 10% to 62 kN during tensile tests of samples of the second batch compared to the first, in which the breaking load did not exceed 57 kN. It should be noted that when testing the samples for tensile strength, the divergence of the loading lines in all batches was no more than 4% in the range ±2S, relative to those shown in the graphs of Fig. 4.

Если оценивать потерю пластичности материала по длительности испытания образцов на разрыв, то при повышении уровня α_V от 0 до 150 Дж/см², она сократилась с 1350 с до 450 с, т.е. пластичность стали 20ХН2МА снизился в 3 раза. Такой результат достаточно хорошо коррелирует с данными АЭ диагностики, согласно которым (фиг. 5), при повышении значения α_v от 0 до 150 Дж/см² уровень j возрос в 3,5 раза (с 1,7 до 6).If we evaluate the loss of material ductility by the duration of tensile testing of samples, then with an increase in the level of α _V from 0 to 150 J/cm ² , it decreased from 1350 s to 450 s, i.e. the ductility of steel 20ХН2МА decreased by 3 times. This result correlates quite well with AE diagnostic data, according to which (Fig. 5), with an increase in the value of α _v from 0 to 150 J/cm ^2, the j level increased 3.5 times (from 1.7 to 6).

Проведенные исследования показали возможность использования АЭ диагностики для оценки исчерпания пластических свойств конструкционных сталей в результате ударного воздействия. Совместное использование спектрограмм и параметров, характеризующих форму сигналов позволяет разделять регистрируемые импульсы на потоки, отражающие кинетику вязких и хрупких повреждений в процессе деформирования материала. В качестве критериального был использован комплексный параметр u_m/N_u, отображающий крутизну спада амплитуды на фазе затухания сигнала (фиг. 2), поверхность под огибающей которой характеризует энергию импульса E_u-Селекция импульсов в поле параметров u_m/N_u - E_u позволяет разделять регистрируемые импульсы на потокиотражающие кинетику вязких и хрупких повреждений конструкционных сталей. Контролируя кинетику изменения их весового содержания по параметрам W^I и W^II локационных импульсов в режиме нагружения изделия, и сопоставляя ее с результатами, полученными на тестовых образцах при различном уровне удельной работы (фиг. 4), можно оценить исчерпание пластичности изделия в зоне удара.The conducted studies showed the possibility of using AE diagnostics to assess the depletion of the plastic properties of structural steels as a result of impact. The combined use of spectrograms and parameters characterizing the shape of the signals makes it possible to separate the recorded pulses into flows that reflect the kinetics of ductile and brittle damage during the deformation of the material. The complex parameter _um /N _u was used as a criterion parameter, reflecting the steepness of the amplitude decay in the signal decay phase (Fig. 2), the surface under the envelope of which characterizes the pulse energy E _u -Pulse selection in the field of parameters _um /N _u - E _u allows you to divide the recorded pulses into streams reflecting the kinetics of ductile and brittle damage of structural steels. By monitoring the kinetics of changes in their weight content according to the parameters W ^I and W ^II of location pulses in the loading mode of the product, and comparing it with the results obtained on test samples at different levels of specific work (Fig. 4), it is possible to estimate the depletion of the plasticity of the product in the impact zone.

Список литературыBibliography

1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп.- М.: ООО ТИД «Аз -book», 2009. - 447 с. 1. Lakhtin, Yu.M. Materials science and heat treatment of metals: Textbook for universities. 5th ed., revised. and additional - M.: LLC TID "Az-book", 2009. - 447 p.

2. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение. Учебник для вузов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с. 2. Arzamasov B.N., Makarova V.I., Mukhin G.G. and others. Materials science. Textbook for universities / Under general. ed. B.N. Arzamasova. M.: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2008. - 648 p.

3. Патент № 2649081 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров СВ., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2018. Бюл. № 10.3. Patent No. 2649081 of the Russian Federation: IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). Method for monitoring the degree of degradation of the material structure and determining the residual strength of the product/ Vasiliev I.E., Matvienko Yu.G., Elizarov S.V., Chernov D.V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Science of the Russian Academy of Sciences. - 2018. Bulletin. No. 10.

4. Патент № 2690200 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров СВ., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2019. Бюл. № 16.4. Patent No. 2690200 of the Russian Federation: IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). Method of acoustic emission monitoring of the degree of degradation of the material structure and predicting the residual strength of the product/ Vasiliev I.E., Matvienko Yu.G., Elizarov S.V., Chernov D.V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Science of the Russian Academy of Sciences. - 2019. Bulletin. No. 16.

5. Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Иванов В.И., Елизаров СВ. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2022. № 1. С. 69-81.5. Matvienko Yu.G., Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V. Ivanov V.I., Elizarov S. Assessment of the residual strength of composite products based on the structural-phenomenological concept of damage and acoustic-emission diagnostics // Factory Laboratory. Diagnostics of materials. - 2022. No. 1. P. 69-81.

6. Патент № 2787964 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга несущей способности изделий / Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Чернов Д.В., Махутов Н.А., Елизаров СВ.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. - 2023. Бюл. № 2.6. Patent No. 2787964 of the Russian Federation: IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). Method for monitoring the bearing capacity of products / Vasiliev I.E., Matvienko Yu.G., Chernov D.V., Makhutov N.A., Elizarov S.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Science of the Russian Academy of Sciences. - 2023. Bulletin. No. 2.

7. Иванов В.И., Бигус Г.А., Власов И.Э. Акустическая эмиссия / Под общ. ред. B.В. Клюева. М.: Издательский дом "Спектр". - 2015.192 с. 7. Ivanov V.I., Bigus G.A., Vlasov I.E. Acoustic emission / Under general. ed. B.V. Klyueva. M.: Publishing house "Spectrum". - 2015.192 p.

8. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика / М.: «Спектр». -2017. 368 с. 8. Ivanov V.I., Barat V.A. Acoustic emission diagnostics / M.: “Spectrum”. -2017. 368 pp.

9. Ханжин В.Г. Акустическая эмиссия в металловедении // АПМАЭ-2018. Тольятти: ТГУ-218. С. 13-14.9. Khanzhin V.G. Acoustic emission in metallurgy // APMAE-2018. Tolyatti: TGU-218. pp. 13-14.

10. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря А.В., Мочалов Б.В. Определение температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению образца по измерениям акустической эмиссии // Заводская лаборатория. -1991. № 8. C. 66-69.10. Shtremel M.A., Alekseev I.G., Kudrya A.V., Mochalov B.V. Determination of the transition temperature from ductile to brittle fracture of a sample based on acoustic emission measurements // Factory Laboratory. -1991. No. 8. pp. 66-69.

11. Кудря А.В., Марков Е.А. Классификация источников акустической эмиссии в тонкой пластине по различиям структуры сигналов // Деформация и разрушение материалов. -2008. -№ 6. -С. 32-38.11. Kudrya A.V., Markov E.A. Classification of sources of acoustic emission in a thin plate based on differences in signal structure // Deformation and destruction of materials. -2008. -No. 6. -S. 32-38.

12. Марченков А.Ю., Васильев И.Е., Чернов Д.В., и др. Разработка эмпирической модели расчета степени поврежденности стальных образцов по результатам статистической обработки потока импульсов акустической эмиссии // Дефектоскопия. - 2023. № 9. С. 18-26.12. Marchenkov A.Yu., Vasiliev I.E., Chernov D.V., et al. Development of an empirical model for calculating the degree of damage to steel samples based on the results of statistical processing of the flow of acoustic emission pulses // Defectoscopy. - 2023. No. 9. P. 18-26.

13. Пояркова Е.В. Ударные испытания образцов на изгиб: методические указания /. Оренбург: Оренбургский гос. ун-т.- 2019. - 17 с.13. Poyarkova E.V. Impact testing of specimens for bending: guidelines /. Orenburg: Orenburg State. univ. - 2019. - 17 p.

Claims

A method for monitoring the kinetics of ductile and brittle damage in the structure of a structural material using acoustic emission (AE) diagnostics in the loading mode of the product, using the complex parameter u _m /N _and (u _m - maximum amplitude in μV, N _and - number of emissions in units), reflecting the steepness of the amplitude decay during the signal attenuation phase or the tangent of the angle of inclination of the front of the descending wave, and a spectrogram, characterized in that with their use for the selected equipment settings (u _th - signal discrimination threshold and Δƒ - digital filter passband) threshold level of the value [u _m /N _and ]=χ, according to which the recorded acoustic emission signals are divided into streams of location pulses characteristic of viscous (I - u _m /N _and ≤χ) and brittle (II - u _m /N _and >χ) mechanisms of destruction of the material structure, and for every second monitoring of the kinetics of their accumulation and determination of the weight content in the loading mode of the product, flow parameters are calculated location pulses, including their partial shares (1), ratio (2) and difference of shares (3):

where N _Σl - total number of location pulses