Идентификация деформационных процессов в кристаллических материалах с применением современных методов обработки сигнала акустической эмиссии

Основной проблемой при создании новых или модификации традиционных металлических материалов является обеспечение оптимального (или заданного) комплекса прочностных и пластических свойств, который при данном химическом составе определяется строением внутренней структуры. К сожалению, существующий на сегодняшний день теоретический уровень развития физики прочности и пластичности не позволяет с большой точностью прогнозировать поведение нового материала (или известного, но в новом структурном состоянии) под воздействием внешних полей, а способен лишь сформулировать принципы конструирования таких материалов. В связи с этим, для проверки свойств и поведения новых материалов в условиях внешних воздействий экспериментаторам приходится проводить огромный объем рутинных дорогостоящих экспериментальных исследований.

Пластические свойства материалов, от которых напрямую зависит технологичность изготовления из них изделий, определяются деформационными механизмами и последовательностью их включения в работу. Поэтому материаловедам очень важно иметь такие исследовательские инструменты, которые позволяли бы идентифицировать механизмы пластической деформации, реализующиеся в объекте изучения, в реальном времени. Желательно, чтобы такой инструментарий не требовал особой подготовки образцов и был относительно не дорогим. Таким критериям, в принципе, отвечает метод акустической эмиссии (АЭ), который уже в достаточной мере хорошо себя в этом плане зарекомендовал. Однако у него есть ряд недостатков, который сдерживает прогресс его применения для указанных целей. Метод АЭ чрезвычайно чувствителен к любым изменениям дефектной структуры материалов, но, поскольку он, по сути, является интегральным методом, а уровень сигналов АЭ чаще всего невысок, то возникают большие проблемы, связанные с выделением «полезных» сигналов на уровне собственных шумов аппаратуры (или внешних технологических шумов) и распознанием сигналов АЭ от различных одновременно действующих источников. Еще недавно эти проблемы были принципиально неразрешимы, однако бурный рост производительности вычислительной техники дал возможность применять в реальном времени сложный математический аппарат и алгоритмы обработки цифровых сигналов. Поэтому разработка техники идентификации деформационных.

Деформационные процессы в материалах с ГЦК и ГПУ решеткой.

Параметры АЭ при активации элементарных деформационных процессов: дислокационного скольжения и двойникования.

1. Проанализированы классические системы регистрации и анализа сигнала АЭ, выявлены недостатки, влияющие на чувствительность метода АЭ, выбраны процедуры анализа сигнала, позволяющие устранить выявленные недостатки.
2. Исследована теоретическая возможность детектирования сигнала АЭ, генерируемого движением элементарного дислокационного сегмента на примере ГЦК металлов: медь и алюминий.
3. Выбран способ создания контролируемой локализованной деформации, позволяющий инициировать в материале единичные деформационные события, и разработаны процедуры обработки сигнала АЭ, позволяющие идентифицировать сигналы от единичны дислокационных источников.
4. Проведены исследования сигнала АЭ при локализованном воздействии на модельные образцы металлов с ГЦК решеткой: медь и алюминий.
5. Исследованы деформационные процессы и акустическая эмиссия при монотонном растяжении и сжатии и при знакопеременном нагружении образцов из магниевого сплава ZK60.

• Впервые для анализа акустической эмиссии применена процедура спектрального шумоподавления (Spectral Noise Gate), которая позволила эффективно выделять малоамплитудные АЭ события на фоне стационарного электрического и теплового шума, в частности, четко фиксировать рождение каждой новой полосы скольжения при скрайбировании поверхности поликристаллической меди твердым наконечником.
• Разработанный алгоритм детектирования сигналов АЭ (Phase Picker) позволяет в сильно зашумленном временном ряду с высокой точностью, до нескольких дискретных отсчетов цифрового сигнала, оценивать длительность АЭ отклика от элементарных деформационных событий, а также временные интервалы между ними.
• Показано, что при локальных микромеханических испытаниях (внедрение индентора) по величине статистического коэффициента: эксцесса (или эксцесс куртозиса) спектральной плотности мощности сигналов АЭ можно судить о механизмах пластической деформации: малая величина эксцесса соответствует сигналам с широким пиком спектральной характеристики и является следствием массового стохастического процесса, связанного со скольжением дислокаций, а большая величина эксцесса соответствует острому пику спектра локализованного процесса двойникования.
• Установлено, что при последовательном пересечении индентором отдельных зерен поликристаллического агрегата, возникающие при этом сигналы АЭ приобретают энерго-частотные характеристики в строгом соответствии с ориентацией зерен по отношению к движению индентора.
• Впервые с помощью техники спектрального и кластерного анализа сигнала АЭ на примере коммерческого магниевого сплава ZK60 удалось установить полную картину конкуренции двух альтернативных механизмов деформации: скольжения и двойникования, - в зависимости от исходного состояния сплава и схемы нагружения.

• Разработанные способы распознавания «полезных» сигналов на фоне шума, могут найти широкое применение не только для идентификации механизмов деформации при решении задач в области физики прочности и пластичности, но и в практике неразрушающего контроля при мониторинге промышленных объектов с высоким уровнем технологических шумов с целью раннего обнаружения зарождения негативных процессов.
• Разработанная процедура испытаний, совмещающая скрайбирование объекта контроля с широкополосной регистрацией сигнала АЭ, а также оригинальные алгоритмы обработки и представления АЭ-информации позволяют на малом объеме исследуемого металла проводить большое количество тестов, тем самым, резко повысить достоверность и значимость результатов.