RU2492464C1 - Acoustic emission method of controlling quality of materials on samples - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: mechanical stress is generated by heating a local region of a sample lying equidistant from its top and bottom end surfaces and parallel thereto to 90°C; acoustic emission signals propagating from the heated local region are received at each of said surfaces; curves of total count of said signals versus time are plotted, on which values corresponding to the time when the rise of said curves stops are selected, and the ratio of least value to the greatest value is used to determine presence of crack defects and location thereof relative the heated local region.

EFFECT: high reliability and easier detection of crack defects in samples of rock geomaterials, enabling estimation of the location of said defects relative the centre of the sample.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для выявления трещиновидных дефектов в образцах скальных геоматериалов.The invention relates to the field of non-destructive testing and is intended to detect crack-like defects in samples of rock geomaterials.

Известен способ контроля качества материалов методом акустической эмиссии, заключающийся в том, что принимают акустическим преобразователем деформационные шумы, сопровождающие трещинообразование в материале, регистрируют импульсные электрические сигналы на выходе преобразователя путем их разделения на группы с близкими по величине амплитудами, и производят считывание количества импульсов в каждой из групп [1].A known method of controlling the quality of materials by acoustic emission method is that they accept deformation noise accompanying crack formation in the material with an acoustic transducer, record pulsed electrical signals at the transducer output by dividing them into groups with close amplitudes, and read out the number of pulses in each from the groups [1].

Недостатком данного способа являются низкая достоверность выявления с его помощью дефектов, связанная с тем, что сигналы акустической эмиссии, приходящие из точек объекта контроля, расположенных на различных расстояниях от приемного преобразователя, испытывают разные затухания, из-за чего искажается картина распределения амплитуд принятых сигналов.The disadvantage of this method is the low reliability of detecting defects with it, due to the fact that the acoustic emission signals coming from the points of the test object located at different distances from the receiving transducer experience different attenuation, which distorts the distribution pattern of the amplitudes of the received signals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах, заключающийся в создании в них путем внешнего воздействия механических напряжений, приеме возникающих под влиянием этих напряжений сигналов акустической эмиссии, по которым определяют наличие в образцах трещиновидных дефектов [2].The closest in technical essence to the present invention is an acoustic emission method for controlling the quality of materials on samples, which consists in creating mechanical stresses in them by receiving acoustic emission signals generated under the influence of these stresses, which determine the presence of crack-like defects in the samples [2 ].

В указанном способе - прототипе, нагружение осуществляют циклически посредством механического воздействия.In the specified method, the prototype, loading is carried out cyclically by mechanical action.

Недостатком известного способа является низкая достоверность и высокая трудоемкость выявления трещиновидных дефектов в образцах скальных геоматериалов, а также невозможность хотя бы примерного определения их местоположения. Это обусловлено сложностью изготовления из указанных материалов образцов правильной формы для проведения акустико-эмиссионных испытаний. Даже незначительная непараллельность поверхностей образца, на которые осуществляется механическое воздействие при нагружении, приводит к возникновению микроразрушений в приповерхностной области и, как следствие, значительной помеховой составляющей акустической эмиссии. Это ведет к значительному искажению характера акустограммы, что и снижает достоверность контроля, который к тому же не несет информации о местоположении искомых дефектов.The disadvantage of this method is the low reliability and high complexity of detecting crack-like defects in samples of rock geomaterials, as well as the impossibility of at least an approximate determination of their location. This is due to the complexity of manufacturing samples of the correct form from the indicated materials for conducting acoustic emission tests. Even slight non-parallelism of the surfaces of the sample, which are subjected to mechanical action during loading, leads to microdestruction in the near-surface region and, as a result, a significant interference component of acoustic emission. This leads to a significant distortion of the nature of the acoustogram, which reduces the reliability of the control, which also does not carry information about the location of the desired defects.

В данной заявке решается задача разработки способа контроля обеспечивающего повышение достоверности и снижение трудоемкости выявления трещиновидных дефектов в образцах скальных геоматериалов, а также возможность оценки местоположения этих дефектов относительно центра образца.This application solves the problem of developing a control method providing an increase in reliability and a decrease in the complexity of detecting fractured defects in samples of rock geomaterials, as well as the ability to assess the location of these defects relative to the center of the sample.

Для решения поставленной задачи в акустико-эмиссионном способе контроля качества материалов на образцах, заключающемся в создании в них путем внешнего воздействия механических напряжений, приеме возникающей под влиянием этих напряжений сигналов акустической эмиссии, по которым определяют наличие в образцах трещиновидных дефектов, механические напряжения создают путем нагрева до 90°C локальной области образца, расположенной на равном расстоянии от его верхней и нижней торцевых поверхностей и параллельно с ними, осуществляют прием на каждой из этих поверхностей сигналов акустической эмиссии, распространяющихся от локальной нагреваемой области, регистрируют зависимости суммарного счета этих сигналов от времени, на которых выделяют значения, соответствующие моменту прекращения роста указанных зависимостей, а по отношению меньшего к большему из этих значений судят о наличии трещиновидных дефектов и их местоположении относительно локальной нагреваемой области.To solve the problem in the acoustic emission method of controlling the quality of materials on the samples, which consists in creating mechanical stresses through them, receiving acoustic emission signals generated under the influence of these stresses, which determine the presence of crack-like defects in the samples, they create mechanical stresses by heating up to 90 ° C of the local region of the sample located at an equal distance from its upper and lower end surfaces and in parallel with them, Each of these surfaces of acoustic emission signals propagating from a local heated region records the time dependences of the total count of these signals, on which the values corresponding to the moment of the termination of growth of the indicated dependences are distinguished, and the presence of crack-like defects is judged with respect to the smaller to the larger of these values and their location relative to the local heated area.

Предлагаемый способ базируется на следующих физических предпосылках и установленных авторами экспериментально закономерностях акустической эмиссии в образцах скальных геоматериалов, содержащих и не содержащих трещиновидные дефекты, при их нагревании.The proposed method is based on the following physical premises and experimentally established patterns of acoustic emission in samples of rock geomaterials containing and not containing crack-like defects when they are heated.

Известно, что причиной акустической эмиссии в скальных геоматериалах при их нагревании является возникновение новых и рост уже имеющихся дефектов структуры в результате: термонапряжений, возникающих из-за различия тепловых свойств отдельных структурных элементов геоматериала и их анизотропии; фазовых переходов, а также возможных химических преобразований в определенных температурных диапазонах и некоторых других факторов.It is known that the reason for acoustic emission in rocky geomaterials when they are heated is the appearance of new and growth of existing structural defects as a result of: thermal stresses arising from the difference in thermal properties of individual structural elements of the geomaterial and their anisotropy; phase transitions, as well as possible chemical transformations in certain temperature ranges and some other factors.

Механические напряжения достаточные для формирования акустической эмиссии в скальных геоматериалах в зависимости от их типа возникают при прогреве в диапазоне температур 60-90°C. При этом, если осуществляется нагрев локальной области образца до 90°C, то источником акустической эмиссии является преимущественно эта область. Получаемые в результате сигналы акустической эмиссии проходят через области образца, находящиеся между его торцевыми поверхностями и нагреваемой локальной областью. При этом если структура образца по обе стороны от нагреваемой области не имеет значимых структурных отличий, в частности трещиновидных дефектов, и область нагрева расположена по центру образца, то приемные преобразователи на торцевых поверхностях регистрируют примерно одинаковые значения суммарного счета акустической эмиссии. В случае наличия по одну из сторон от плоскости нагрева структурных неоднородностей в виде трещиновидных дефектов, последние приводят к повышенному затуханию сигналов акустической эмиссии. Как следствие, на приемном преобразователе, расположенном со стороны наличия дефектов фиксируется меньшее значение суммарного счета акустической эмиссии, что позволяет определить факт наличия и местоположение дефекта относительно нагреваемой области. В случае отсутствия дефектов сигналы регистрируемые на обеих торцевых поверхностях примерно одинаковы, т.е. их отношение близко к единице.The mechanical stresses sufficient for the formation of acoustic emission in rocky geomaterials, depending on their type, occur during heating in the temperature range 60-90 ° C. In this case, if the local area of the sample is heated to 90 ° C, the source of acoustic emission is mainly this region. The resulting acoustic emission signals pass through the sample regions located between its end surfaces and the heated local region. Moreover, if the structure of the sample on both sides of the heated region does not have significant structural differences, in particular, crack-like defects, and the heating region is located in the center of the sample, then the receiving transducers on the end surfaces record approximately the same values of the total acoustic emission count. If there are structural inhomogeneities in the form of crack-like defects on one side of the heating plane, the latter lead to increased attenuation of acoustic emission signals. As a result, a lower value of the total acoustic emission count is recorded on the receiving transducer located on the side of the presence of defects, which allows determining the fact of the presence and location of the defect relative to the heated region. In the absence of defects, the signals recorded on both end surfaces are approximately the same, i.e. their ratio is close to unity.

Отмеченные закономерности были подтверждены при проведении авторами экспериментальных исследований на образцах таких геоматериалов как мрамор, гранит, диабаз и других, содержащих и не содержащих различные типы трещиновидных дефектов.The noted regularities were confirmed when the authors conducted experimental studies on samples of such geomaterials as marble, granite, diabase, and others, containing and not containing various types of fissure defects.

Акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах иллюстрируется фиг.1, где приведена принципиальная схема реализации предлагаемого способа, а также фиг.2 и фиг.3, где в качестве примера приведены зависимости суммарного счета акустической эмиссии, возникающей при нагревании локальной области, находящейся в центре образцов гранита Янцевского месторождения, соответственно не содержащих и содержащих нарушения структуры в виде трещиновидных дефектов.The acoustic emission method of controlling the quality of materials on the samples is illustrated in FIG. 1, which shows a schematic diagram of the implementation of the proposed method, and also FIG. 2 and FIG. 3, where, as an example, the dependences of the total acoustic emission count arising from heating of a local area located in the center of the granite samples of the Yantsevo deposit, respectively, not containing and containing structural defects in the form of crack-like defects.

Акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах реализуют следующим образом.The acoustic emission method for controlling the quality of materials on samples is implemented as follows.

На верхней торцевой поверхности 1 образца 2 геоматериала (см. фиг.1) закрепляют приемный преобразователь 3, а на нижней торцевой поверхности 4 закрепляют приемный преобразователь 5. При этом преобразователи 3 и 5 находятся на одной прямой ортогональной к поверхности 1 и поверхности 4. На поверхности образца 2 равноудаленной от его торцевых поверхностей 1 и 4 крепят незамкнутый обод 6, выполняемый из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из меди. При этом высота обода 6 не должна превышать 10% от расстояния между торцевыми поверхностями образца 1 и 4. Посредством управляемого источника 7 питания пропускают электрический ток по ободу 6, что приводит к его нагреву, и далее к нагреву локальной области 8, образца 2. Значение температуры нагрева обода 6 контролируют с помощью контактирующей с ним термопары 9 показания который считываются контроллером 10, который регулирует источник 7 питания, таким образом, чтобы на поверхности обода 6 поддерживалась постоянная температура ≈90°C. Термонапряжения, возникающие в локальной области 8, приводят к генерации импульсов акустической эмиссии, которые распространяются к верхней торцевой поверхности 1 и нижней торцевой поверхности 2, где синхронно принимаются преобразователем 3 и преобразователем 5, соответственно. Сигналы акустической эмиссии с преобразователей 3 и 5 поступают на вход акустико-эмиссионной измерительной системы 11 (например, A-Line 32D). С помощью системы 11 регистрируют зависимости 12 и 13 суммарного счета сигналов акустической эмиссии от времени (см. фиг.2) - для случая практически бездефектного образца, или зависимости 14 и 15 суммарного счета сигналов акустической эмиссии от времени (см. фиг.3) - для случая образца, содержащего трещиновидный дефект или несколько таких дефектов. На зависимостях 12, 13, 14, 15 выделяют значения 16, 17, 18, 19, соответственно, при которых прекращается рост зависимостей 12, 13, 14, 15 суммарного счета акустической эмиссии. Далее, для каждой из пар значений 16 и 17, а также 18 и 19 выделяют наименьшее значение суммарного счета акустической эмиссии и наибольшее значение суммарного счета акустической эмиссии. Затем определяют отношение наименьшего значения к большему и по степени отличия этой величины от единицы судят о наличии трещиновидных дефектов. При этом трещиновидный дефект находится в области образца между локальной нагреваемой областью и той торцевой поверхностью на которой фиксируется меньшее значение суммарного счета акустической эмиссии.A receiving transducer 3 is fixed on the upper end surface 1 of the sample 2 of the geomaterial (see Fig. 1), and a receiving transducer 5 is fixed on the lower end surface 4. The transducers 3 and 5 are then located on one straight line orthogonal to surface 1 and surface 4. On the surface of sample 2 equidistant from its end surfaces 1 and 4 is attached to an open rim 6 made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, for example, copper. Moreover, the height of the rim 6 should not exceed 10% of the distance between the end surfaces of the sample 1 and 4. By means of a controlled power source 7, an electric current is passed through the rim 6, which leads to its heating, and then to the heating of the local region 8, sample 2. Value the heating temperature of the rim 6 is controlled by the thermocouple 9 in contact with it, which is read by the controller 10, which regulates the power supply 7, so that a constant temperature of ≈90 ° C is maintained on the surface of the rim 6. Thermal stresses arising in the local region 8 lead to the generation of acoustic emission pulses that propagate to the upper end surface 1 and the lower end surface 2, where they are synchronously received by the transducer 3 and the transducer 5, respectively. Acoustic emission signals from transducers 3 and 5 are fed to the input of the acoustic emission measuring system 11 (for example, A-Line 32D). Using system 11, the dependences of 12 and 13 of the total count of acoustic emission signals on time are recorded (see FIG. 2) —for the case of a practically defect-free sample, or the dependences of 14 and 15 of the total count of acoustic emission signals on time (see FIG. 3) - for the case of a specimen containing a crack-like defect or several such defects. On dependencies 12, 13, 14, 15, values 16, 17, 18, 19 are distinguished, respectively, at which the growth of dependencies 12, 13, 14, 15 of the total acoustic emission count stops. Further, for each of the pairs of values 16 and 17, as well as 18 and 19, the lowest value of the total acoustic emission count and the largest value of the total acoustic emission count are distinguished. Then, the ratio of the smallest value to the larger is determined, and the presence of fissure defects is judged by the degree to which this value differs from unity. In this case, a crack-like defect is located in the sample region between the local heated region and that end surface on which a lower value of the total acoustic emission count is recorded.

На фиг.2 приведены в качестве примера экспериментально полученные зависимости 12 и 13 суммарного счета акустической эмиссии, зарегистрированной на верхней торцевой поверхности 1 и нижней торцевой поверхности 4 бездефектного образца. Из фиг.2 следует, что точка 16 начала выполаживания зависимости 12 соответствует значению суммарного счета акустической эмиссии равному 818 импульсов, а точка 17 начала выполаживания зависимости 13 соответствует значению суммарного счета акустической эмиссии равному 741 импульсов, отношение меньшего из этих значений к большему составляет ≈0,91. Незначительное отличие полученного отношения от единицы свидетельствует об отсутствии трещиновидных дефектов в образце, а только незначительной по объему структурной неоднородности. Этот вывод был подтвержден данными проведенной оптической микроскопии шлифов полученных из исследуемого образца. На фиг.3 приведены в качестве примера экспериментально полученные зависимости 14 и 15 суммарного счета акустической эмиссии, зарегистрированной на верхней торцевой поверхности 1 и нижней торцевой поверхности 4 образца с трещиновидным дефектом. Из фиг.3 следует, что точка 18 начала выполаживания зависимости 14 соответствует значению суммарного счета акустической эмиссии равному 612 импульсов, а точка 19 начала выполаживания зависимости 15 соответствует значению суммарного счета акустической эмиссии равному 217 импульсов, отношение меньшего из этих значений к большему составляет ≈0,35. Столь значимое отличие полученного отношения от единицы свидетельствует о наличии в рассматриваемом образце трещиновидного дефекта расположенного между торцевой поверхностью с которой была получена зависимость 15 и нагреваемой локально областью 8. Этот вывод был подтвержден данными проведенной оптической микроскопии шлифов, полученных из исследуемого образца.Figure 2 shows as an example the experimentally obtained dependences 12 and 13 of the total account of acoustic emission recorded on the upper end surface 1 and the lower end surface 4 of the defect-free sample. From figure 2 it follows that the point 16 of the beginning of the flattening of the dependence 12 corresponds to the value of the total acoustic emission account equal to 818 pulses, and the point 17 of the beginning of the flattening of the dependence 13 corresponds to the total acoustic emission account of 741 pulses, the ratio of the smaller of these to the larger is ≈0 , 91. An insignificant difference in the obtained ratio from unity indicates the absence of crack-like defects in the sample, but only an insignificant structural heterogeneity in volume. This conclusion was confirmed by optical microscopy of thin sections obtained from the test sample. Figure 3 shows as an example the experimentally obtained dependences 14 and 15 of the total account of acoustic emission recorded on the upper end surface 1 and the lower end surface 4 of the sample with a crack-like defect. From figure 3 it follows that the point 18 of the beginning of the flattening of dependence 14 corresponds to the value of the total acoustic emission account of 612 pulses, and the point 19 of the beginning of the flattening of dependence 15 corresponds to the value of the total acoustic emission account of 217 pulses, the ratio of the smaller of these to the larger is ≈0 , 35. Such a significant difference between the obtained ratio and unity indicates the presence in the sample under study of a crack-like defect located between the end surface with which the dependence 15 was obtained and locally heated by region 8. This conclusion was confirmed by optical microscopy of thin sections obtained from the test sample.

Таким образом, предложенный акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах в отличие от способа-прототипа за счет возбуждения механических напряжений в локальной области термическим способом и их одновременной регистрации двумя равноудаленными от этой области приемными преобразователями позволяет реализовать схему аналогичную мостовой, что повышает достоверность и снижает трудоемкость выявления трещиновидных дефектов в образцах скальных геоматериалов, а также дает возможность оценить местоположение этих дефектов относительно центра образца.Thus, the proposed acoustic emission method for controlling the quality of materials on samples, in contrast to the prototype method, by excitation of mechanical stresses in the local area by the thermal method and their simultaneous registration by two receiving transducers equidistant from this area, allows implementing a circuit similar to a bridge circuit, which increases the reliability and reduces the complexity of identifying fractured defects in samples of rock geomaterials, and also makes it possible to assess the location of these defects relative to the sample center.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство СССР №464813, кл. G01N 29/14, 1975.1. USSR author's certificate No. 464813, cl. G01N 29/14, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР №968742, кл. G01N 29/14, 1982.2. Copyright certificate of the USSR No. 968742, cl. G01N 29/14, 1982.

Claims (1)

Акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах, заключающийся в создании в них путем внешнего воздействия механических напряжений, приеме возникающих под влиянием этих напряжений сигналов акустической эмиссии, по которым определяют наличие в образцах трещиновидных дефектов, отличающийся тем, что механические напряжения создают путем нагревания до 90°C локальной области образца, расположенной на равном расстоянии от его верхней и нижней торцевых поверхностей и параллельно с ними, осуществляют прием на каждой из этих поверхностей сигналов акустической эмиссии, распространяющихся от локальной нагреваемой области, регистрируют зависимости суммарного счета этих сигналов от времени, на которых выделяют значения, соответствующие моменту прекращения роста указанных зависимостей, а по отношению меньшего к большему из этих значений судят о наличии трещиновидных дефектов и их местоположении относительно локальной нагреваемой области. The acoustic emission method of controlling the quality of materials on samples, which consists in creating mechanical stresses through external influences, receiving acoustic emission signals generated under the influence of these stresses, which determine the presence of crack-like defects in the samples, characterized in that mechanical stresses are created by heating to 90 ° C of the local area of the sample, located at an equal distance from its upper and lower end surfaces and in parallel with them, receive at each of On the surface of acoustic emission signals propagating from a local heated region, the time dependences of the total count of these signals are recorded, on which the values corresponding to the moment of the growth of the indicated dependencies are highlighted, and the smaller to the larger of these values are judged on the presence of fissure defects and their location relative to the local heated area.

Images