Определение общих статистических закономерностей в появлении предвестников разрушения металлических материалов на основе анализа сигналов акустической эмиссии

При эксплуатации конструкционных материалов, преждевременное внезапное разрушение которых может приводить к большим экономическим потерям и представлять угрозу для жизни людей и экологической обстановки, возникает актуальнейшая проблема, связанная с выявлением предвестников разрушения. Для этого необходимо чёткое понимание механизмов деформации, обеспечивающих диссипацию накачиваемой в материал энергии и как следствие последовательной перестройке микроструктуры, неизбежно заканчивающейся разрушением. Для изучения развития ансамбля дефектов требуются соответствующие методы мониторинга, обладающие высокой чувствительностью в как можно более широких диапазонах энергий. Среди современных методов, которые способны отследить динамику физических процессов, лежащих в основе пластической деформации, выделяется метод акустической эмиссии (АЭ), получивший широкое признание благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности к динамике дефектного ансамбля. Как показывают экспериментальные исследования, ансамбль дефектов, таких как дислокации и трещины, обладающих полями дальнодействующих упругих напряжений, демонстрирует дальнодействующие же корреляции в пространстве и времени, пространственно-временную и энергетическую масштабную инвариантность, что является признаком самоорганизованного критического поведения. Интерпретация сигналов АЭ, генерируемых развивающимся ансамблем дефектов, является нетривиальной сложной задачей, осуществимой лишь с привлечением объединённых усилий современного статистического подхода и современных методов нелинейной динамики.

Конкретная фундаментальная задача, на решение которой направлен проект, заключается в определении общих статистических закономерностей в появлении предвестников разрушения материалов на основе анализа сигналов акустической эмиссии.

Научная новизна исследований заключается в использовании комплексного подхода к обработке сигналов АЭ, отражающих сложную коллективную динамику дефектов. Именно рассмотрение сигналов с позиций статистического подхода и методов нелинейной динамики наиболее соответствует природе подготовки разрушения как нелинейному процессу в сложно-эволюционирующей открытой системе. 

Достижимость поставленной задачи обеспечивается бесспорной эффективностью и чрезвычайно высокой чувствительностью метода АЭ к динамике дефектного ансамбля. Кроме того, возможность получения предполагаемых результатов обеспечивается мощью и универсальностью статистического подхода и методов нелинейной динамики, обеспечивших огромный прогресс в исследовании разнообразнейших явлениях природы.

В результате исследования будут установлены законы распределения основных параметров потока АЭ в ГЦК металлах и установлен факт наличия/отсутствия масштабной инвариантности, будут установлены признаки, указывающих на наличие детерминированного хаоса и/или отвечающих концепции самоорганизованной критичности. Будут сформулированы и обоснованы общие статистические закономерности в появлении предвестников разрушения материалов.

Таким образом, будет приближено решение одной из актуальных проблем современного материаловедения, а именно прогнозирование разрушения материалов в процессе их эксплуатации в рамках заданного технологического цикла нагружения. Что в свою очередь обеспечит снижение экономическим потерь и рисков для жизни людей и экологической обстановки за счет предотвращение преждевременного внезапного разрушения металлических конструкций в ходе эксплуатации.

1. Был проведен анализ искусственно сгенерированных данных двух типов: стохастические процессы и детерминированный хаос, с целью апробации ряда методов нелинейной динамики, основанных на восстановлении фазового портрета по наблюдаемой. Была подобрана методика статистического анализа временных рядов акустической эмиссии, а также методика анализа методами нелинейной динамики, позволяющая исследовать нелинейные свойства процесса деформации по сигналам акустической эмиссии, и благодаря сочетанию нескольких техник с большой степенью достоверности разделять низкоразмерный детерминированный хаос, самоорганизованную критичность и случайные процессы. Методика включает: подготовку сигналов (спектральное шумоподавление и детектирование методом эволюции источника), анализ амплитудных распределений, анализ распределений времен ожидания, анализ стационарности потока, метод Грассбергера-Прокаччиа, оценку максимального показателя Ляпунова, проверку гипотезы о стохастическом процессе рядом тестов (Кинана, Тсая, Терасвирты и др.). В качестве дополнительных инструментов используются метод рекуррентных диаграмм и мультифрактальный анализ.
2. Были проведены испытания по контролируемому царапанию образцов из монокристаллического чистого алюминия c непрерывной регистрацией сигналов акустической эмиссии. Было установлено, что поток АЭ при контролируемом царапании монокристалла Al имеет степенное распределение амплитуд, что является проявлением масштабной инвариантности дислокационного ансамбля. Применение методов нелинейной динамики показало, что скольжение дислокаций не проявляет свойств низкоразмерного детерминированного хаоса, но в тоже время и не является стохастическим случайным процессом. Скейлинг амплитуд потока АЭ в совокупности с нелинейностью и стационарностью потока АЭ позволяет предположить, что дислокационный ансамбль, формирующий линии скольжения в процессе деформации металла при движении индентора, проявляет свойства многомерных нелинейных систем, обладающих свойством самоорганизованной критичности. Кроме того, было установлено, что поток АЭ обладает мультифрактальной структурой как во времени, так и в пространстве амплитуд.
3. Было установлено, что поток АЭ при деформировании микрокристаллов цинка имеет степенное распределение амплитуд, что является проявлением масштабной инвариантности дислокационного ансамбля. Времена ожидания имеют гамма распределение, что согласуется с моделью последовательности афтершоков эпидемического типа, используемой в сейсмологии. Было установлено, что поток АЭ не является стохастическим случайным процессом, как показали результаты тестов нелинейности. Скейлинг амплитуд потока АЭ в совокупности с нелинейностью и стационарностью потока АЭ позволяет предположить, что, вообще говоря, дислокационный ансамбль, формирующий линии скольжения в процессе деформации микрокристаллов, проявляет свойства многомерных нелинейных систем, обладающих свойством самоорганизованной критичности. Применение методов нелинейной динамики показало, что существует переход к детерминированному хаосу в зависимости от размеров испытуемых образцов. На данном этапе исследования не ясна причина обнаруженного размерного эффекта и требует дополнительного изучения.