Применение метода акустической эмиссии в физическом материаловедении

Глава 12. в книге Перспективные материалы: Структура и методы исследования: Учеб. пособие / Под ред. Д. Л. Мерсона. ТГУ, МИСиС, 2006. – сс. 417-456

Пособие составлено по материалам лекций, прочитанных ведущими учеными-материаловедами России, ближнего и дальнего зарубежья на I Международной Школе «Физическое материаловедение», состоявшейся 22-26 ноября 2004 г. в г.Тольятти.

Автор: Мерсон Д.Л.

Содержание:
12.1. Явление и метод акустической эмиссии
12.2. Источники акустической эмиссии
12.2.1. Механизмы, ответственные за пластическое деформирование
12.2.2. Механизмы, связанные с разрушением
12.2.3. Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и фазовыми переходами первого и второго рода
12.3. Спектральный анализ сигналов АЭ
12.4. Влияние примесей и легирования на АЭ
12.5. Роль свободной поверхности в формировании пика АЭ, наблюдаемого в области предела текучести
12.6. Практика применения метода АЭ в материаловедении
12.6.1. Применение метода АЭ для контроля покрытий
12.6.2. Применение метода АЭ для оценки деструкции материала
12.6.3. Акустическая эмиссия в термообработанных сталях
Контрольные вопросы
Список литературы

Краткое описание
Хорошо известно, что в определенных условиях материалы могут издавать звук. Например, процесс разрушения практически любых хрупких материалов (дерево, стекло и т.п.) сопровождается треском. Другим классическим примером излучения звука является наличие характерных щелчков при деформации олова («крик олова»). Однако в подавляющем большинстве случаев акустические сигналы, излучаемые материалом, невозможно обнаружить на слух, поскольку их частотный диапазон лежит в области десятков и даже сотен кГц, а амплитуды смещений чрезвычайно малы. Поэтому изучение данного явления по настоящему стало возможным только в 50-х годах, когда был достигнут необходимый уровень развития техники для регистрации слабых колебаний поверхности (Явление излучения звука в результате разрушения и подвижек горных пород началось значительно раньше, но и аппаратурное обеспечение для этого требовалось проще.)

Теперь уже не вызывает сомнения, что эффект излучения звуковых волн материалом (акустическая эмиссия) является следствием перестройки его внутренней структуры. Накопленный к настоящему времени экспериментальный и теоретический материал позволяет сформулировать два основных условия, без которых акустическая эмиссия невозможна: процессы структурной перестройки должны протекать локально и динамично. Это положение занимает центральное место в формулировке понятия «акустическая эмиссия» (acoustic emission) (АЭ). Акустическая эмиссия материала (material acoustic emission) – это акустическая эмиссия, вызванная локальной динамической перестройкой внутренней структуры материала. Особый интерес к явлению АЭ во всем мире объясняется тем обстоятельством, что материал излучает звук только тогда, когда «с ним что-то происходит». Отсюда заманчивая перспектива с помощью регистрации сигналов АЭ судить о структурных преобразованиях, происходящих в материалах, и на этой основе прогнозировать их поведение в будущем, то есть определять остаточный ресурс изделий и конструкций.

Метод акустической эмиссии (acoustic emission method) – это метод, основанный на анализе параметров упругих волн АЭ. В настоящее время метод АЭ нашел применение в двух основных направлениях: в качестве метода неразрушающего контроля и в качестве эффективного метода физических исследований.

Успешное применение метода АЭ в первом направлении определяется наличием у него ряда преимуществ по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, а именно:

• высокая чувствительность;
• возможность обнаруживать и следить за поведением только развивающихся дефектов, т.е. представляющих наибольшую опасность для конструкций;
• возможность контролировать большую площадь объекта неподвижно расположенным датчиком – без сканирования;
• относительная простота использования метода в процессе проведения технологической операции и основанная на этом возможность адаптивного управления процессом;
• возможность применения для контроля изделий, изготовленных из разнообразных материалов (как однородных, так и неоднородных), в том числе, композиционных;
• возможность определения координат развивающегося дефекта с большой точностью.

Однако эти преимущества имеют и оборотную сторону – сложность интерпретации сигналов АЭ. Согласно современным представлениям, основным источником АЭ являются процессы, сопровождающиеся изменением дислокационной структуры. Именно благодаря этому обстоятельству, метод АЭ широко используется во втором направлении, т.е. для решения задач физики прочности и пластичности и физического материаловедения, что и является предметом настоящей главы.