Исследование процесса деформации металлических материалов с применением статистического подхода к анализу временных рядов акустической эмиссии

Процессы дислокационного скольжения и механического двойникования имеют ключевое значение в деформационном поведении и разрушении материалов, но их весьма трудно идентифицировать экспериментально и описать теоретически. Одним из исследовательских методов, позволяющих отследить и сопоставить элементарные деформационные процессы с поведением деформируемого материала, является метод акустической эмиссии. Акустической эмиссией (АЭ) называется явление возникновения механических колебаний (акустических волн) в твердых телах при быстрой диссипации энергии, запасенной кристаллической решеткой. Величина этой энергии зависит от природы источника и лежит в очень широких пределах. Главным преимуществом метода АЭ является чрезвычайная чувствительность к всевозможным изменениям дефектной структуры материалов. Излучением акустической эмиссии сопровождаются процессы пластической деформации, коррозионные процессы, фазовые превращения, поверхностные и магнитные эффекты, разрушение частиц вторичной фазы, течь и др. Наиболее востребованной особенностью метода с точки зрения физики прочности и пластичности является практически уникальная способность АЭ отражать динамику ансамбля дефектов на различных этапах его эволюции.

В силу определяющей роли пластической деформации в эволюции дефектной структуры первостепенным является вопрос о связи параметров акустической эмиссии с характеристиками механизмов деформации. Действительно, даже самые хрупкие материалы перед окончательным разрушением претерпевают пластическую деформацию. Природа явления АЭ обеспечивает принципиальную возможность тонкого и глубокого исследования процессов развития дефектной структуры материала. В тоже время, интегральная регистрация излучения упругих волн всего объема материала вызывает серьезные проблемы, связанные с детектированием полезных сигналов из непрерывных внешних и аппаратных шумов и распознанием различных одновременно действующих источников сигналов АЭ. Значимые фундаментальные работы по акустической эмиссии были выполнены еще в прошлом веке Кайзером, Шофилдом, Татро, Авербухом, Бойко, Нациком, и др. Значительный объем исследований был посвящен практическому изучению фундаментальных механизмов излучения упругих волн развивающейся дефектной структурой. Однако, приборы того времени имели очень ограниченные по сегодняшним меркам возможности, не позволяющие эффективно анализировать сложные временные ряды акустической эмиссии. Поэтому результаты первых исследований деформационных процессов с помощью АЭ зачастую разнились и противоречили друг другу.

Вопреки того, что за прошедшие годы техника претерпела огромное развитие, а технологии предоставляют колоссальные возможности для обработки и анализа любых данных, все основные используемые на практике системы до сих пор используют пороговую систему регистрации данных, хотя качество полезной информации, извлекаемой из сигналов, существенно зависит от выбранного порога, который задаётся оператором достаточно произвольно.

Как следствие, при решении исследовательских задач физического материаловедения с использованием традиционной схемы регистрации АЭ в условиях плохой помехоустойчивости (зашумленности сигнала) происходит существенная потеря полезной информации, что не только снижает эффективность метода АЭ, но даже может приводить к ложной интерпретации результатов. Например, то, что до сих пор не достигнут приемлемый уровень понимания динамики ансамбля разномасштабных дефектов кристаллической решетки, в частности, объясняется отсутствием инструментария, способного в реальном времени «отслеживать» протекание этих процессов с нужным разрешением. Коллективная динамика дефектов в твердых телах во время пластического течения создает сложный акустоэмиссионный отклик, который невозможно верно интерпретировать, опираясь на устаревшие методы обработки и анализа сигналов АЭ. Именно поэтому как совершенствование методов анализа сигналов акустической эмиссии, так и создание абсолютно новых, инновационных методов и алгоритмов обработки и анализа сигналов АЭ является необходимым актуальным шагом на пути к пониманию процессов деформации и упрочнения в физике прочности и пластичности.

Деформационные процессы в чистом Mg (99,95 %), магниевом сплаве ZK60, чистом α-Fe (99,99 %) и титановом сплаве ВТ20 с покрытием ZrO2.

Статистические особенности, кинетика и взаимодействие элементарных деформационных процессов: дислокационного скольжения и механического двойникования.

1. Провести критический анализ традиционных методов обработки сигналов АЭ и выявить существующие недостатки, затрудняющие использование метода АЭ в исследовании процессов пластической деформации.
2. Разработать метод детектирования событий АЭ, позволяющий идентифицировать полезные сигналы в шуме при низких отношениях "сигнал-шум", что характерно для АЭ, генерируемой в процессе пластической деформации.
3. Разработать статистический подход к анализу сигналов АЭ, позволяющий охарактеризовать особенности, кинетику и взаимодействие элементарных деформационных процессов: дислокационного скольжения и механического двойникования.
4. С помощью нового разработанного статистического подхода к анализу сигналов АЭ исследовать и сравнить статистические особенности различных механизмов деформации: дислокационного скольжения и механического двойникования.
5. Разработать феноменологическую модель, адекватно описывающую деформационное поведение ГПУ материалов, в которых механическое двойникование наряду с дислокационным скольжением играет существенную роль.
6. Провести верификацию модели на реальных экспериментальных данных, полученных при механических испытаниях магния и его сплавов в различных исходных состояниях.

• Впервые установлено, что дислокационное скольжение проявляется как процесс, состоящий из случайных и независимых друг от друга элементарных актов. Хотя каждый элементарный акт скольжения включает в себя коррелированное движение большого числа атомов, многочисленные линии скольжения появляются случайно и независимо друг от друга.
• Напротив, механическое двойникование, относится к коррелированным процессам с памятью о прошлом. При этом наблюдаемые корреляции могут быть адекватно описаны моделью самовозбуждающегося процесса Хокса.
• Впервые разработана и апробирована феноменологическая модель деформационного упрочнения, управляемого взаимодействием механизмов дислокационного скольжения и механического двойникования. Модель учитывает структурные характеристики материала и точно восстанавливает деформационное поведение магния и его сплавов.

Разработанные инновационные методы статистического анализа сигналов АЭ, а именно: метод детектирования, основанный на параметре эволюции источников, метод обнаружения критических переходов в сигналах АЭ, основанный на байесовской статистике, метод анализа потока событий на основе элементов теории точечных процессов, могут найти широкое применение в практике трактовки результатов проводимого неразрушающего контроля, а также при решении различных исследовательских задач физического материаловедения. Кроме того, предложенные методы могут быть применены для анализа сигналов иной природы, например, сейсмограмм, финансовых и экономических временных рядов, телекоммуникационных сигналов, астрономических и других данных.