Preview

Применение метода акустической эмиссии для мониторинга ультразвуковых усталостных испытаний

https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-2-47-56

Полный текст:

Аннотация

Ультразвуковые усталостные испытания (УЗУИ) являются эффективным методом для быстрого определения усталостных свойств конструкционных материалов при высокоцикловых (≥106 циклов) нагрузках. Однако процесс возникновения и накопления усталостных повреждений при этом способе испытаний остается неопределенным из-за ограничений существующих методов измерения. Используемые в настоящее время методы мониторинга усталостных испытаний позволяют детектировать усталостные трещины, однако лишь на поздних стадиях разрушения. Несмотря на рекордную чувствительность, использование метода акустической эмиссии (АЭ) при УЗУИ крайне затруднено наличием резонансных шумов. Задачей данной работы являлось подавление резонансных шумов и выделение полезного сигнала с целью раннего выявления усталостных повреждений. Образцы алюминиевого сплава AlSi9Cu3 были испытаны циклически при acимметричном нагружении (R=0,1) на резонансной частоте 19,5 кГц с беспороговой регистрацией АЭ. Поверхности разрушения были проанализированы с помощью электронной и оптической микроскопии. АЭ обрабатывалась двумя различными методами: (1) метод цифровой фильтрации заключался в детектировании резонансных шумов и удалении их из спектра; (2) метод φ-функции заключался в дифференцировании спектрограммы по времени. Обработанные спектрограммы интегрировались по частоте, и события АЭ извлекались из полученных мощностей сигналов пороговым методом. Метод цифровой фильтрации выявил корреляцию сигналов АЭ с усталостным разрушением, тогда как контрольный образец без усталостных повреждений показал нулевое количество сигналов. Метод φ-функции продемонстрировал неоднозначные результаты, показав высокую активность АЭ на контрольном образце. 

Об авторах

Михаил Николаевич Селезнев
Технический университет «Фрайбергская горная академия», Фрайберг (Германия)
Германия

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник института материаловедения



Алексей Юрьевич Виноградов
Норвежский университет науки и технологии, Тронхейм (Норвегия)
Норвегия

кандидат физико-математических наук, профессор факультета механической и промышленной инженерии



Список литературы

1. Mughrabi H. Fatigue, an everlasting materials problem – Still en vogue // Procedia Engineering. 2010. Vol. 2. № 1. P. 3–26.

2. Stanzl-Tschegg S.E. Time Saving Method for Measuring VHC Fatigue and Fatigue Crack Growth Data with the Ultrasonic Fatigue Technique // Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. P. 3–10.

3. Zimmermann M. Very High Cycle Fatigue // Handbook of Mechanics of Materials. Singapore: Springer, 2018. P. 1–38.

4. Si Y., Rouse J.P., Hyde C.J. Potential difference methods for measuring crack growth: A review // International Journal Fatigue. 2020. Vol. 136. Article number 105624.

5. Kumar A., Torbet C.J., Jones J.W., Pollock T.M. Nonlinear ultrasonics for in situ damage detection during high frequency fatigue // Journal Applleted Physics. 2009. Vol. 106. № 2. Article number 024904.

6. Jhang K.-Y. Nonlinear ultrasonic techniques for nondestructive assessment of micro damage in material: A review // International Journal of Preciston Engineering and Manufacturing. 2009. Vol. 10. № 1. P. 123–135.

7. Lage Y., Cachao H., Reis L., Fonte M., De Freitas M., Ribeiro A. A damage parameter for HCF and VHCF based on hysteretic damping // International journal of fatigue. 2014. Vol. 62. P. 2–9.

8. Krewerth D., Lippmann T., Weidner A., Biermann H. Application of full-surface view in situ thermography measurements during ultrasonic fatigue of cast steel G42CrMo4 // International journal of fatigue. 2015. Vol. 80. P. 459–467.

9. Wadley H.N.G., Mehrabian R. Acoustic Emission for Materials Processing: a Review // Materials Science and Engineering. 1984. Vol. 65. № 2. P. 245–263.

10. Chai M., Zhang J., Zhang Z., Duan Q., Cheng G. Acoustic emission studies for characterization of fatigue crack growth in 316LN stainless steel and welds // Applied acoustics. 2017. Vol. 126. P. 101–113.

11. Noorsuhada M.N. An overview on fatigue damage assessment of reinforced concrete structures with the aid of acoustic emission technique // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 112. P. 424–439.

12. Saeedifar M., Zarouchas D. Damage characterization of laminated composites using acoustic emission: A review // Composites Part B: Engineering. 2020. Vol. 195. Article number 108039.

13. Holford K.M., Eaton M.J., Hensman J.J., Pullin R., Evans S.L., Dervilis N., Worden K. A new methodology for automating acoustic emission detection of metallic fatigue fractures in highly demanding aerospace environments: An overview // Progress Aerospace Sciences. 2017. Vol. 90. P. 1–11.

14. Du Y., Zhou S., Jing X., Peng Y., Wu H., Kwok N. Damage detection techniques for wind turbine blades: A review // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020. Vol. 141. Article number 106445.

15. Vinogradov A., Patlan V., Hashimoto S. Spectral analysis of acoustic emission during cyclic deformation of copper single crystals // Philosophical Magazine A: Physics of Condensed Matter, Structure, Defects and Mechanical Properties. 2001. Vol. 81. № 6. P. 1427–1446.

16. Chai M., Zhang Z., Duan Q. A new qualitative acoustic emission parameter based on Shannon’s entropy for damage monitoring // Mechanical Systems and Signal Processing. 2018. Vol. 100. P. 617–629.

17. Kotzem D., Arold T., Niendorf T., Walther F. Damage tolerance evaluation of E-PBF-manufactured inconel 718 strut geometries by advanced characterization techniques // Materials. 2020. Vol. 13. № 1. P. 247–248.

18. Shiwa M., Furuya Y., Yamawaki H., Ito K., Enoki M. Fatigue process evaluation of ultrasonic fatigue testing in high strength steel analyzed by acoustic emission and Non-linear ultrasonic // Materials Transactions. 2010. Vol. 51. № 8. P. 1404–1408.

19. Agletdinov E., Merson D., Vinogradov A. A new method of low amplitude signal detection and its application in acoustic emission // Applied Sciences (Switzerland). 2020. Vol. 10. № 1. Article number 73.

20. Becker H., Bergh T., Vullum P.E., Leineweber A., Li Y. Effect of Mn and cooling rates on α-, β- and δ-Al–Fe–Si intermetallic phase formation in a secondary Al–Si alloy // Materialia. 2019. Vol. 5. Article number 100198.

21. Scholkmann F., Boss J., Wolf M. An efficient algorithm for automatic peak detection in noisy periodic and quasi-periodic signals // Algorithms. 2012. Vol. 5. № 4. P. 588–603.

22. Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions // Engineering Failute Analysis. 2019. Vol. 98. P. 228–239.

23. Murakami Y. Metal Fatigue Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. USA: Elsevier Ltd., 2002. 369 p.

24. Suresh S. Fatigue of materials. 2nd ed. Cambridge: University Press, 1998. 679 p.

25. Fischer H. Untersuchungen zum einfluss einer schmelzekonditionierung von AlSi9Cu3 auf die mikrostrukturelle ausprägung und die ermüdungslebensdauer. TU Bergakademie Freiberg, 2020. 58 p.

26. Seleznev M., Weidner A., Biermann H. On the formation of ridges and burnished debris along internal fatigue crack propagation in 42CrMo4 steel // Fatigue Fracture of Engineering Materials and Structures. 2020. Vol. 43. № 7. P. 1567–1582.

27. Seleznev M., Merson E., Weidner A., Biermann H. Evaluation of very high cycle fatigue zones in 42CrMo4 steel with plate-like alumina inclusions // International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 126. P. 258–269.

28. Toda H., Sinclair I., Buffiere J.-Y., Maire E., Khor K.H., Gregson P., Kobayashi T. A 3D measurement procedure for internal local crack driving forces via synchrotron X-ray microtomography // Acta Materialia. 2004. Vol. 52. № 5. P. 1305–1317.

29. Davidson D., Chan K., McClung R., Hudak S. Small fatigue cracks // Comprehensive Structural Integrity. 2007. Vol. 4. P. 129–164.

30. Xu L., Wang Q., Zhou M. Micro-crack initiation and propagation in a high strength aluminum alloy during very high cycle fatigue // Materials Science and Engineering A. 2018. Vol. 715. P. 404–413.

31. Zerbst U., Madia M., Klinger C., Bettge D., Murakami Y. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. I: Basic aspects // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 97. P. 777–792.


Для цитирования:


Селезнев М.Н., Виноградов А.Ю. Применение метода акустической эмиссии для мониторинга ультразвуковых усталостных испытаний. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021;(2):47-56. https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-2-47-56

For citation:


Seleznev M.N., Vinogradov A.Yu. The application of acoustic emission method for ultrasonic fatigue testing monitoring. Science Vector of Togliatti State University. 2021;(2):47-56. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-2-47-56

Просмотров: 31


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-5073 (Print)
ISSN 2712-8458 (Online)