Новые подходы к оценке механизмов изнашивания в реальном времени по данным акустической эмиссии

Глава 19 во 2 Томе коллективной монографии "Актуальные проблемы прочности" / В 2-х томах // Бабич В.Е. [и др.] под редакцией члена-корреспондента НАН Белоруси В.В. Рубаника - Витебск: УО "ВГТУ", 2018 - сс. 402-427

О монографии
В монографии опубликованы результаты исследований конструкционных и функциональных материалов. Представлены инновационные разработки по проблемам материаловедения, обработки материалов, создания композиционных материалов. Обсуждены механизмы формирования структуры, результаты исследования структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры материалов, а также воздействия ультразвука, электромагнитного излучения, интенсивной пластической деформации на свойства различных материалов.
Книга предназначена для широкого круга специалистов – научных работников, инженеров, работающих в области материаловедения и физики конденсированного состояния, а также преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области материаловедения.
ISBN:978-985-481-560-2

Авторы: Растегаев И.А., Мерсон Д.Л.

Содержание:
Введение
1. Аппаратура исследований
2. Методы акустических исследований
2.1. Алгоритмы фильтрации АЭ данных
2.2. Алгоритмы детектирования и кластеризации АЭ данных
3. Методы и материалы трибологических испытаний
4. Результаты акустических исследований и их обсуждение
5. Применение результатов исследований
5.1. Определение критических точек трения и изнашивания
5.2. Восстановление хронологии разрушения узла трения
6. Особенности применения предлагаемого подхода анализа АЭ данных
Заключение
Список литературы

Введение
Одним из важнейших эксплуатационных свойств новых разрабатываемых материалов является сопротивление износу. Для изучения механизма износа требуются методы, позволяющие проводить их распознавание и оценку в реальном времени, что, с одной стороны, обеспечивает большую достоверность результатов по сравнению с традиционным подходом, когда исследования контактирующих поверхностей проводят после периодических остановок процесса трибоиспытаний, а, с другой стороны, позволяет резко сократить время исследований. Многими авторами показано, что к числу наиболее эффективных средств контроля трибоиспытаний относится метод акустической эмиссии (АЭ).

Явление АЭ известно человечеству давно (треск ненадежного льда/моста под ногой, треск сучьев под крадущимся хищником, шум кипения воды, рокот вулкана, землетрясение и т.д.), но как физическое явление начало изучаться и фиксироваться человечеством начиная с 1916 г., когда Г. Чохральский описал треск, возникающий при разрушении цинка и олова. Первоначально явление АЭ трактовалось, как акустическое излучение, сопровождающее локальную и динамическую перестройку внутренней структуры материала. Однако сегодня, благодаря накопленному за более чем 100-летний период экспериментальному и теоретическому материалу, это явление формулируется более широко: Акустическая Эмиссия - явление излучения объектом контроля (испытаний) акустических волн под воздействием нагрузки или влияния других факторов.

Под источником АЭ понимается некоторая область объекта, в которой происходит преобразование какого-либо вида энергии в акустическую. По нашему мнению любые источники по отношению к объекту, с которого фиксируется АЭ, условно можно разделить на: внутренние, поверхностные и внешние.
Внутренние источники – это пластическая деформация, фазовые превращения, трещинообразование и др. явления, происходящие в объеме материала объекта, с которого регистрируется АЭ.
Поверхностные источники – трение и износ, коррозия, воздействие лазером и др. явления, приводящие к повреждению поверхности объекта с которого регистрируется АЭ при прямом воздействии на него извне.

Внешние источники АЭ – это источники (внутренние или внешние) действующие в стороннем объекте непосредственно с которого не регистрируется АЭ, но который акустически связан через жидкую или твердую среду с объектом с которого происходит запись АЭ (при трении это схемы записи АЭ работы подшипника через корпус механизма, зубчатой передачи через масло и корпус редуктора и т.д.)

Источниками АЭ являются практически все известные физико-химические процессы, а АЭ волны распространяются на большие расстояния, поэтому существует принципиальная возможность решения чрезвычайно важной обратной задачи: путем расшифровки зарегистрированной АЭ-информации физически обоснованно судить о происходящих в материалах и изделиях всевозможных процессах. Эта заманчивая перспектива и объясняет большое многообразие и количество исследований АЭ в различных областях науки и техники. Однако явление АЭ и причины ее возникновения оказались более сложными, чем изначально представлялось. По-видимому, наиболее продуктивным периодом развития метода АЭ являются 70-е годы XX века. Именно тогда была осознана проблема сложности интерпретации АЭ данных, разработана высокочувствительная АЭ аппаратура, накоплен базовый экспериментальный материал, достаточный для решения исследовательских и технических задач. К этому же периоду относится и появление метода АЭ, как средства неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики.

В настоящее время метод АЭ применяется в двух направлениях: в качестве метода исследований экспериментальной физики (для изучения природы самого явления АЭ и изучения с его помощью кинетики механизмов деформации и разрушения материалов) и в качестве метода НК (для оценки повреждѐнности материалов/изделий/технических объектов, как до (после изготовления), так и во время их эксплуатации). Метод АЭ обладает, как существенными преимуществами перед другими  неразрушающими методами исследований и контроля, так и серьезными недостатками, сдерживающими его развитие и широкое внедрение.

Несмотря на то, что АЭ при трении человек всегда воспринимал, как чрезвычайно важную информацию о событиях, происходящих в окружающем мире (грохот схода лавины, скрип колеса телеги / петель двери и т.д. требующих смазки, визг чистой посуды и др.), начало применения метода АЭ для диагностики узлов трения также приходится на 70-е годы XX века. При трении источниками АЭ являются: динамическое взаимодействие микровыступов контактирующих поверхностей; пластическая деформация; трещинообразование и отделение частиц износа; микрорезание; окисление (коррозия) поверхностей; колебания при движении трущихся тел; фазовые превращения; сварка, разрыв и вырывание микровыступов и т.д. Т.е. это те же элементарные явления и источники, которые встречаются и при других видах разрушения материалов, однако есть и важное отличие: при трении одновременно действует множество источников АЭ различной природы, сосредоточенных на небольшой контактной площади, а их набор определяется условиями взаимодействия тел. Все это приводит к тому, что при трении АЭ представляет собой суперпозицию акустических колебаний от всех действующих источников и изменяется в широком частотном и амплитудном (энергетическом) диапазонах. По литературным оценкам при трении интенсивность потока сигналов АЭ может достигать величины порядка 10^5 импульсов в секунду в диапазоне частот до 3,0 МГц и амплитуд до 80 дБ. При этом сигналы частотой до 100 кГц могут быть акустическими шумами, связанными с работой машин и механизмов.

Наличие множества источников акустических сигналов, их случайный характер происхождения, волновые трансформации при распространении, сложность и недостаточная изученность самого процесса трения, малые размеры и сложность доступа для исследования трибоконтакта в системе «тело-смазочный материал-контр тело» в совокупности приводит к трудностям разделения регистрируемых сигналов АЭ на группы, связанные с доминирующими (главными) источниками АЭ и, соответственно, трудности решения обратной, наиболее важной для практики задачи: установление по сигналам АЭ инициирующих их источники в реальном времени. Без решения указанных вопросов невозможно в полной мере использовать заложенный в методе АЭ потенциал для решения трибологических задач. Поэтому необходимы новые подходы к обработке акустических сигналов, регистрируемых при трибологических испытаниях.

Глава 19 доступна для скачивания ниже на странице в строке "СКАЧАТЬ ФАЙЛ"
Полностью монографии "Актуальные проблемы прочности" доступны для скачивания по ссылке >>>.