Metoda akustické emise

Transkript

1 P11: NDT metody 4/5

2 Princip metody - Uvolněné elastické vlny, které jako typický praskot sledoval Josef Kaiser během deformace cínové tyčinky, daly základ novému oboru testování materiálu a struktur. - Jak se později zjistilo, původní frekvence uvolněných elastických vln je v pásmu 50 khz až několika MHz a není v rozsahu slyšitelných akustických frekvencí název Akustická emise však pro tuto metodu již zůstal. - Akustickou emisí se rozumí prudké uvolňování energie z lokálních zdrojů v materiálu v průběhu zatěžování konstrukcí. - Pro vyhodnocování signálu AE je nutné současně zaznamenávat technologické parametry (např. tlak, teplotu, zatěžující sílu atd.), které jsou stimulačním faktorem pro vznik emisního signálu.

3 Princip metody

4 Kaiserův jev - Kaiserův efekt reprezentuje nevratnost procesů, které jsou zdrojem akustické emise. - V prvním zatěžovacím cyklu se aktivita akustické emise začíná projevovat od určité hladiny zatížení po maximální zatížení, poté těleso odlehčíme a opětovně zatěžujeme. - Při platnosti Kaiserova jevu se aktivita akustická emise projeví až od maximální amplitudy zatížení z předchozího cyklu.

5 Felicity jev - Felicity efekt je de facto porušením Kaiserova jevu aktivita akustické emise se projeví dříve, než dosáhneme maximálního zatížení z předchozího cyklu.

6 Akustická emise v prodlevách zatížení - Aktivita akustické emise v prodlevách zatížení signalizuje plastické tečení materiálu včetně přítomnosti významnějších koncentrátorů napětí ve struktuře. - V případě, že je materiál zatěžován rychleji, než je schopen relaxovat napětí, pak při zastavení zatěžování dochází vlivem relaxace napětí k pokračování plastické deformace a tedy i k aktivitě akustické emise.

7 Nespojitá akustická emise - Dle ČSN EN je nespojitý (burst) signál akustické emise definován jako signál akustické emise s rozlišitelným počátkem a koncem.

8 Hit signálu akustické emise - Hitem signálu akustické emise rozumíme časově izolovaný signál, který překročil předem stanovený práh (threshold) a po určité době došlo k jeho opětovnému podkročení.

9 Hit signálu akustické emise - Mezi parametry hitu AE řadíme: Rise time doba náběhu signálu od překročení prahu po maximální amplitudu signálu Rise counts Počet překmitů signálu AE k dosažení maximální amplitudy signálu AE Ringdown counts Počet překmitů signálu AE, které se realizovaly mezi maximální amplitudou a podkročením signálu pod práh. Ringdown time čas, potřebný k podkročení signálu AE od dosažení maximální amplitudy signálu Hit duration délka trvání hitu (Rise time + Ringdown time) MARSE vyjadřuje energii daného hitu, jedná se o plochu pod obálkou daného hitu. Výhodou parametru MARSE je to, že není závislá na nastaveném prahu a samotné frekvenci signálu AE

10 Událost signálu akustické emise - Událost akustické emise je dle ČSN EN definována jako fyzikální jev způsobující vznik akustické emise. - Představme si těleso s trhlinou, na kterém jsou umístěny dva snímače. Vlivem namáhání tělesa dojde v určitém okamžiku k propagaci trhliny, což bude mít za následek dynamické uvolnění elastických vln ze samotného čela trhliny. - Tato rázová vlna dorazí v určitém časovém odstupu k oběma snímačům AE, na nichž zaznamenáme hit AE. Zaznamenané hity AE tedy můžeme přiřadit jedné události AE, v našem případě propagaci trhliny.

11 Zdroj signálu akustické emise - Zdroj akustické emise je dle ČSN EN definována jako fyzikální původ jedné nebo více událostí akustické emise. - Jinými slovy, jedná se o fyzikální proces, který generuje akustickou emisi poskok dislokací, praskání křehkých fází ve struktuře atd.

12 Spojitá akustická emise - Spojitou akustickou emisi bychom mohli definovat jakou interakci mnoha událostí AE současně, kdy se akustické vlny jednotlivých událostí superponují a vzniká tak tzv. akustický šum. - Spojitá akustická emise má tedy charakter šumu, kdy není možné identifikovat přesný začátek a konec určitého hitu akustické emise.

13 Spojitá akustická emise - U spojité akustické emise mimo jiné vyhodnocujeme: 1. RMS RMS ( Root mean square ) vyjadřuje efektivní hodnotu, nebo-li výkon signálu: RMS = 1 T signal(t) T 2 dt 0 2. ASL ASL ( Average signal level ) vyjadřuje střední hodnotu z absolutní hodnoty signálu: 3. Amplitudové spektrum 4. Frekvenční spektrum ASL = 1 T T 0 signal(t) dt

14 Zdroje akustické emise - Existuje celá řada zdrojů akustické emise, v našem případě se však zaměříme na zdroje, které úzce souvisí s porušováním kovových materiálu. - Při porušování kovových materiálů se nejčastěji setkáváme s následujícími mechanismy porušení: 1. Křehký lom Porušení s minimální plastickou deformací, kterému předchází iniciace křehkých mikrotrhlin. 2. Houževnatý lom V případě houževnatého lomu dochází k iniciaci dutin mezi precipitáty či vměstky. Posléze následuje objemový růst dutin, jejich vzájemné propojování, které je završeno lomem. 3. Smykový lom Smykový lom je charakterizován porušením v tzv. smykových pásech s výraznou plastickou deformací.

15 Zdroje akustické emise 4. Plastická deformace Plastická deformace u kovových materiálů probíhá díky pohybu dislokací. Samotné pohyby dislokací jsou však několik řádů pod prahem detekovatelnosti. Vzhledem ke kvantitativně velkému počtu pohybujících se dislokací dochází k superponování jednotlivých signálů a výsledný signál, mimo jiné spojitý signál charakteru bílé šumu, je již detekovatelný. 5. Dekoheze, lom křehkých složek v materiálu Vměstky, nebo-li inkluze, jsou v řadě případů relativně dobrými zdroji akustické emise, které nám signalizují probíhající plastickou deformaci, jež je sama o sobě obtížně detekovatelná. Typickým příkladem můžou být inkluze MnS v Al slitinách. 6. Korozní vrstva Korozní vrstva je rovněž významným zdrojem akustické emise. Korozní produkty přítomné ve formě povrchové vrstvy jsou samy o sobě poměrně křehké. V případě výskytu plastické deformace dochází v první fázi k samotnému křehkému poškození korozní vrstvy (lom/dekoheze od podkladu), které je zdrojem detekovatelné AE.

16 Zdroje akustické emise 7. Únik provozního média Únik provozního média je zdrojem spojité akustické emise. V zásadě není možné stanovit korelaci mezi množstvím unikajícího média a intenzitou signálu akustické emise, která je mimo jiné závislá na geometrii trhliny/spáry, drsnosti stykových ploch a řadě jiných faktorů

17 Zdroje akustické emise 8. Mechanické rušivé zdroje akustické emise Na frekvencích v řádu jednotek khz můžeme narazit na vlivy okolního prostředí, jakými jsou vibrace vyvolané větrem nebo hluk či vibrace z okolí. Na frekvencích v řádu desítek khz můžeme například narazit na rušení vlivem toku média v potrubí. Rušivé signály s frekvencí stovek khz mohou mít původ v transportu médií potrubními systémy či v elektronickém rušení. Specifickou oblastí je rovněž déšť nebo drobné částice písku, které dopadají na povrch zkoušené součásti. V těchto případech můžou vznikat rušivé signály v rozmezí jednotek až stovek khz.

18 Faktory ovlivňující detekovatelnost akustické emise Faktory posilující intenzitu AE Faktory oslabující intenzitu AE Nízká tažnost Malé zpevnění materiálu Vyšší mez kluzu Nižší teplota Vyšší rychlost zatěžování Trojosá napjatost Nehomogenity v základním materiálu Vysoká tažnost Vyšší zpevnění materiálu Nižší mez kluzu Vyšší teplota Nižší rychlost zatěžování Rovinná napjatost Absence nehomogenit a křehkých fází v materiálu

19 Literatura [1] Kaiser, J: Untersuchungen über das Auftreten von Geräuschen beim Zugversuch, Archiv für das Eisenhüttenwesen, 1-2, pp 43-45, [2] Školící materiály pro metodu akustické emise, Josef Solnař s.r.o. [3] Kopec, B. a kol.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Brno, CERM 2008, 571 s., ISBN