о кафедре | новости | сотрудники | образование | наука | объявления | контакты | карта сайта

   на главную :: наука :: программы и гранты :: Грант РФФИ № 06-08-08043 :: научный отчет за 2006 г.
Версия для печати
    

Научный отчет за 2006 г.

Проект № 06-08-08043

Разработка метода диагностики структурно-неоднородных материалов на основе измерений акустической эмиссии

Аннотация проекта

За отчетный период была разработана и апробирована новая модификация метода исследования и диагностики пластической деформации и разрушения, основанная на измерении информативных параметров акустической эмиссии при нагружении материала. Разработаны, изготовлены и апробированы основные блоки создаваемого по проекту программно-аппаратного комплекса диагностики. Разработаны и применены оригинальные способы обработки сигналов акустической эмиссии для широкого интервала частот акустического излучения. Апробирована система компьютерной обработки массивов получаемых данных на основе виртуальных приборов в программной среде LabVIEW. Предложен новый теоретический метод интерпретации информативных параметров акустической эмиссии, основанный на математическом аппарате анализа многомерных данных.

В результате выполнения проекта были установлены зависимости между измерявшимися параметрами акустической эмиссии и характеристиками деформационных процессов, протекавших в материалах при механическом нагружении. Обнаружен эффект влияния величины механического напряжения на форму и количественные характеристики акустико-эмиссионных сигналов для различных интервалов спектра частот. Впервые примененные в акустико-эмиссионных исследованиях проекционные методы анализа многомерных данных показали свою высокую эффективность. Впервые выявлено и описано влияние структуры пористых металлов на спектр сигналов акустической эмиссии в широком интервале частот излучения. Установленные особенности спектральных распределений сигналов акустической эмиссии позволяют существенно расширить возможности акустико-эмиссионной диагностики, повысить надежность и эффективность ее информативных параметров.

 

A new modification of method for investigation and diagnostic of plastic deformation and fracture of materials as well as major parts of diagnostic complex that realizes this method have been developed and approved. The method rests on the invented new theoretical approaches to processing and analysis of acoustic emission parameters, measured during specimens loading, using wide-band acoustic detectors. These approaches built upon the methods of multivariate data analysis, was also developed. The part of the diagnostic software for data acquisition and processing was developed using LabVIEW visual programming environment.

The following experimental results have been obtained during completion of the project. The dependencies between acoustic emission parameters and deformation stages under the mechanical loading of materials specimens were established. The effect of mechanical tension on the shape and quantitative parameters of acoustic emission signals in the different ranges of frequency was discovered. The use of multivariate data analysis allowed to find out the dependencies between the type and structure of materials and acoustic emission spectra. These dependencies give the advanced facilities for using the acoustic emission for materials diagnostic.


 

1. Объявленные в исходной заявке цели и основные задачи проекта.

Целью проекта является решение фундаментальной проблемы создания новых методов и устройств для исследования и диагностики материалов.

Основными задачами проекта являются:

1. Установление закономерностей формирования акустической эмиссии при нагружении металлических материалов с резко неоднородной структурой.

2. На основе знания этих закономерностей разработка модификации акустико-эмиссионного метода, предназначенной для диагностики и анализа пластической деформации и разрушения в этих материалах.

3. Создание программно-аппаратного комплекса такой диагностики.

При реализации данных задач используется предложенный в работах авторов подход, заключающийся в исследовании акустической эмиссии в высокопористых металлических материалах, а также предложенные новые технические решения. Проект завершается созданием программно-аппаратного комплекса, реализующего разрабатываемый метод исследования и диагностики. Решение поставленной в проекте фундаментальной задачи позволит осуществить прорывное техническое решение важнейшей проблемы диагностики и предупреждения разрушения новых материалов и изготовленных из них изделий.

 

2. Степень выполнения поставленных задач фундаментальной части проекта.

За отчетный период были выполнены следующие задачи фундаментальной части проекта.

1. Создана новая модификация экспериментального метода измерения информативных параметров акустической эмиссии при нагружении. Проведенная апробация метода  показала его высокую эффективность.

2. Разработаны и апробированы новые способы обработки и анализа акустико-эмиссионных сигналов в реальном режиме времени и в широком диапазоне частот от 100 до 800 КГц. При обработке была использована технология виртуальных приборов в программной среде LabVIEW.

3. Разработаны и апробированы основные системные блоки автоматизированного программно-аппаратного комплекса диагностики.

4. Установлены зависимости между информативными параметрами акустической эмиссии, прежде всего напряжением сигналов и скоростью счета, и основными характеристиками процесса механического нагружения.

5. Разработаны новые теоретические методы для интерпретации сигналов акустической эмиссии, основанные на математическом аппарате анализа многомерных данных. Создано и апробировано обеспечивающее эти методы программное обеспечение.

6. Установлены зависимости спектрального распределения сигналов акустической эмиссии от пористости для различных стадий пластической деформации и разрушения пористых металлов.

Сопоставление с поставленными задачами и ожидаемыми результатами позволяет утверждать, что задачи фундаментальной части проекта полностью выполнены.

 

3. Полученные за отчетный период важнейшие научные результаты с указанием их патентоспособности и информация о представлении результатов проекта в печати, на конференциях, семинарах.

1. Экспериментальная часть исследований проводилась на оригинальном устройстве, позволявшем измерять спектр сигналов акустической эмиссии при нагружении (защищено патентом: Егоров А.В., Гумиров Е.А., Поляков В.В. Устройство регистрации сигналов акустической эмиссии. Патент РФ № 2251688 от 10.05.2005. Правообладатель – ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет). Принципиальной особенностью устройства являлось использование предложенного авторами проекта модифицированного метода осцилляций (описанного в статье: Егоров А.В., Поляков В.В., Гумиров Е.А., Лепендин А.А. Регистрация сигналов акустической эмиссии с помощью модифицированного метода осцилляций. Приборы и техника эксперимента. 2005. № 5. С. 115-118). Этот метод эффективно работает как при дискретной, так и при непрерывной акустической эмиссии и позволяет надежно определять энергетические характеристики процесса. При проведенной апробации определялись максимальные амплитуды каждой пульсации, время ее регистрации и форма электрического импульса. Для регистрации использовались датчики, обладавшие повышенной чувствительностью и обеспечивавшие максимально возможные значения отношения «сигнал/шум». В качестве основных информативных параметров акустической эмиссии выступали среднеквадратичное значение напряжение, суммарный счет сигналов (определявшийся как число положительных пульсаций за интервал времени наблюдения) и скорость счета сигналов.

Особенностью комплекса измерительных приборов являлась «бесшумная» система водяного нагружения, осуществлявшая деформирование по схеме одноосного растяжения или сжатия при постоянной скорости нагружения. Одновременно с измерением параметров акустической эмиссии проводилась регистрация кривой деформационного упрочнения в координатах «напряжение – логарифмическая деформация» в интервале деформаций вплоть до разрушения. Для этого применялась разработанная по проекту оригинальная система регистрации деформационных характеристик (описана в публикации: Егоров А.В., Поляков В.В., Матвеев С.И. Оптико-механический датчик малых перемещений. Приборы и техника эксперимента. 2007. № 1. С. 166-167).

Обработка массивов данных, полученных при испытаниях образцов металлических материалов, осуществлялась с помощью многоканальной высокочастотной платы сбора данных Advantech PCI 1714. Эта плата была приобретена за счет средств, выделенных по проекту, и характеризуется частотой дискретизации по каждому каналу до 30 МГц. Использования такой платы дало возможность проводить одновременное снятие большого числа параметров в реальном режиме времени.

Особенностью программно-аппаратного блока устройства явился созданный в процессе работы над проектом комплект виртуальных приборов. Этот комплект базируется на средствах программной среды LabVIEW компании National Instruments (описан в работе: Кучерявский С.В., Суранов А.Я. Создание сетевых приложений в среде LabVIEW. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2005. 92 с.). Комплект виртуальных приборов обеспечивает эффективную компьютерную обработку результатов измерений без привлечения интерфейсов и дополнительных приборов.

Все измерительные и вычислительные блоки прошли апробацию и показали высокую надежность и эффективность. В качестве объектов при апробации использовались алюминиевые сплавы, стали различных марок, славы на основе меди.

В качестве иллюстрации получаемых экспериментальных результатов на рис. 1 приведены данные для эффективного напряжения U акустической эмиссии в зависимости от приложенного напряжения σ и частоты f измеряемого сигнала для образца алюминиевого сплава марки Д16, подвергнутого статическому растяжению (данные получены при использовании узкополосного пьезорезонансного датчика).

2. В неоднородных материалах (в частности, в пористых металлах, многокомпонентных композиционных материалах и т.д.) генерация акустического излучения в условиях механического воздействия происходит одновременно за счет существенно разных механизмов. В этом процессе принимают участие различные источники на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях (ансамбли дислокаций, границы раздела между фазами и компонентами, микротрещины, поры и т.д.). В силу крайней сложности получаемой картины природа акустической эмиссии в таких материалах, ее доминирующие источники и механизмы практически не изучены. Как следствие, весьма затруднены анализ и интерпретация получаемых в методе акустической эмиссии информативных параметров, не решена проблема диагностики пластической деформации и разрушения.

В проекте для математического анализа спектра сигналов акустической эмиссии предложен и впервые применен принципиально новый подход. Его суть заключается в использовании математических проекционных методов анализа многомерных данных (изложено в работе: Esbensen K.H. Multivariate Data Analysis. CAMO Process AS. Oslo, Norway. 2002. 158 p.), базирующихся на принципах формального моделирования. Этот подход хорошо зарекомендовал себя в хемометрических задачах расшифровки спектров сложных веществ, когда необходимо выявить закономерности в больших объемах «зашумленных» данных.

Для анализа акустико-эмиссионных сигналов в проекте использовалась оригинальная реализация метода главных компонент и метода проекций на латентные структуры (описана в монографии: Kucheryavski S.; Polyakov V.; Govorov A. Analysis of simulated fracture surfaces using AMT and fractal geometry methods. Progress in Chemometrics Research. (Eds: Pomerantsev A.L.). Nova Science Publishers, Inc., USA. 2005. Р. 3-11). Это позволило заменить многомерные исходные данные их геометрической проекцией на соответствующим образом ориентированное пространство (провести факторную компрессию). В результате исходные данные разделялись на структурную часть, непосредственно связанную с диагностируемыми свойствами, и вариацию данных, с этими свойствами не связанную (шум). Оригинальное программное обеспечение, реализующее изложенный подход, защищено свидетельством (Кучерявский С.В. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006611654 «Программа для предварительной обработки и анализа спектров акустической эмиссии AExplorer», правообладатель - ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет», 2007). Разработанная программа «AExplorer» является платформенно-независимой (написана на языке Java) и может использоваться с операционными системами Windows 98/2000/XP/2003, Linux, Solaris. Она позволяет выполнять пакетную обработку файлов со спектрами акустической эмиссии, расположенных в одном каталоге.

Для проверки эффективности развитого подхода исследовались, в частности, образцы алюминиевого сплава В16. Эти образцы имели стандартную форму для испытаний на одноосное растяжение с сечением рабочей части 3х3 мм. Область, подвергавшаяся деформации, обрабатывалась до 6 класса чистоты поверхности. На части образцов в центре рабочей зоны был нанесен линейный дефект в виде надреза глубиной 0,25 мм, перпендикулярного оси растяжения. Экспериментально полученные спектры акустической эмиссии для групп образцов с дефектом и без дефекта были визуально практически не различимыми. Эти спектры были обработаны с помощью метода главных компонент. Были рассчитаны графики счетов, т.е. проекции исходных данных на пространство главных компонент. Первая главная компонента оказалась непосредственно связана с вариацией данных, отвечающих за различие в спектрах акустической эмиссии образцов без дефекта и с дефектом. Как следствие, соответствовавшие двум группам образцов серии точек оказались линейно разделимы, что свидетельствует о надежности и эффективности проведенного анализа и классификации.

Пример применения данного подхода проиллюстрирован на рис. 2 и рис.3. На рис. 2 приведены спектры акустической эмиссии в координатах «эффективное напряжение U акустической эмиссии – время нагружения t» для образцов алюминиевого сплава В16. Образцы с дефектом (красные кривые) и без дефекта (синие кривые) визуально практически не различимы. На рис. 3 приведен график счетов для двух первых главных компонент. Видно, что серии точек для образцов без дефекта (синие точки) и с дефектом (красные точки) линейно разделимы.

3. Применяемые в настоящее время модификации акустико-эмиссионного метода диагностики и используемая диагностическая аппаратура предназначены, как правило, для температурных испытаний в ненагруженном состоянии материала и мало пригодны для диагностики разрушения. Это обусловлено как сложностью сигналов акустической эмиссии вследствие работы разных видов источников с разными механизмами генерации излучения, так и с подавлением полезной информации неизбежно возникающими при механическом воздействии сторонними сигналами и шумами. Как следствие, возникает настоятельная потребность во внесении принципиальных изменений в акустико-эмиссионную диагностику деформационных процессов, и прежде всего в качественном изменении и расширении учитываемого при испытаниях набора информативных параметров.

При выполнении проекта был разработан новый подход, заключавшийся в измерении спектра сигналов акустической эмиссии в широкой полосе частот с сопоставлением формы и количественных характеристик узкополосных участков спектра для последовательности фиксированных значений прикладываемого механического напряжения. Этот подход был апробирован для различных этапов и стадий деформационного упрочнения и разрушения. Аппаратная реализация предложенного метода была осуществлена с помощью высокочувствительных широкополосных датчиков GT 350, приобретенных за счет полученных по проекту средств. Использованные датчики имели рабочую полосу частот в широком интервале от 100 до 800 КГц.

Результаты испытаний показали, что сигналы акустической эмиссии отличаются достаточно сложным распределением спектральной плотности. Был обнаружен и впервые описан эффект качественного изменения формы и относительной величины сигналов для отдельных участков спектра в процессе деформирования. Отметим, что этот результат не вытекает из сложившихся представлений об акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении материалов.

Обнаруженные изменения оказались существенно различающимися для материалов, отличающихся пластическими и прочностными свойствами. Так, сопоставление результатов измерений для образцов железа и меди показал, что для меди наблюдается совершенно иная динамика изменения вкладов низкочастотных и высокочастотных участков спектра в суммарный сигнал акустической эмиссии при развитии деформации.

Полученный результат иллюстрируют рис. 4 и рис. 5, на которых приведены данные соответственно для железа и меди (в координатах напряжение U акустической эмиссии – логарифмическая деформация ε - частота f измеряемого сигнала, измерения с широкополосным датчиком).

Учет большого объема данных, связанных обнаруженным эффектом, в качестве дополнительных информативных параметров позволяет существенно расширить возможности акустико-эмиссионной диагностики, повысить ее достоверность и надежность.

 

4. Отличительной особенностью проекта является использование высокопористых металлов для выявления фундаментальных закономерностей акустической эмиссии в структурно-неоднородных материалах. С одной стороны, пористые металлы выступают в качестве специфического предельного случая таких  материалов, поскольку для них физико-механические свойства составляющих  компонентов (компактного металлического каркаса и порового пространства) максимально различны. В работах авторов проекта была выявлена принципиальная роль топологических изменений в структуре, происходящих при изменении пористости. Именно, рост пористости вызывал перколяционный переход от системы изолированных поровых кластеров к связному («бесконечному») поровому кластеру и приводил к аномальному поведению физико-механических и прочностных характеристик вблизи порога перколяции. Было установлено, что материалы с одним и тем же составом и одинаковыми концентрациями компонент, но разными топологическими картинами структуры обладали различными свойствами. С другой стороны, пористые металлические материалы являются важным классом неоднородных композиционных материалов, находящим все более широкое применение в технике.

При выполнении проекта было впервые исследовано влияние пористости на спектр акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении металлических материалов. Величина пористости P (равная интегральной доле пустот) изменялась в широком диапазоне от компактного состояния до значений P=30%, что соответствовало высокопористому материалу со сформировавшимся «бесконечным» поровым кластером. В качестве основных образцов использовалось пористое железо, полученное путем прессования до требуемых значений P и последующего высокотемпературного спекания в вакууме. В качестве компактного материала выступало литое армко-железо.

В результате исследований были установлены зависимости спектра сигналов акустической эмиссии в различных частотных интервалах от стадий деформационного упрочнения при фиксированных значениях пористости. Была выявлена роль пористости при формировании сигналов акустической эмиссии и обнаружена немонотонная зависимость их характеристик от величины пористости. Именно, в районе порога перколяции (P~10%) наблюдались аномальные как количественные, так и качественные изменения спектра сигналов.

Для иллюстрации на рис. 6 - рис. 9 приведены полученные зависимости напряжения U акустической эмиссии от механического напряжения σ для различных интервалов частот f. Рис. 6 соответствует пористости P=7%, т.е. случаю изолированных поровых кластеров; на рис. 7 и рис. 8 пористость P=12% и P=14% соответственно, это интервал вблизи порога перколяции; на рис. 9 пористость P=24%, что отвечает «бесконечному» поровому кластеру. Представленные на рис. 6 – рис. 9 данные наглядно свидетельствуют о весьма существенном влиянии структуры на характеристики сигналов акустической эмиссии и их спектральное распределение.

Полученные при исследовании пористых металлов результаты являются фундаментальной основой для анализа и интерпретации информативных параметров акустической эмиссии при диагностике материалов с резко неоднородной структурой в условиях механического воздействия.

 

4. Публикации по проекту.

Результаты проекта представлены в следующих научных публикациях:

  1. Егоров А.В., Поляков В.В., Матвеев С.И. Оптико-механический датчик малых перемещений. Приборы и техника эксперимента. 2007. № 1. С. 166-167.

  2. Кучерявский С.В., Поляков В.В., Лепендин А.А. Применение фрактального анализа к исследованию поверхностей разрушения пористых металлических материалов. Матер. XVI Междунар. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, 2006. Изд-во Самарского техн. ун-та, 2006. С. 115.
  3. Поляков В.В., Кучерявский С.В. Применение фрактального анализа к исследованию поверхностей раздела в порошковых металлах. Матер. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии их получения: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия». Минск, 2006. Изд-во НАН Беларуси, 2006. С. 72.
  4. Поляков В.В., Егоров А.В., Лепендин А.А., Свистун И.Н. Применение метода акустической эмиссии для диагностики порошковых металлических материалов. Матер. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии их получения: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия». Минск, 2006. Изд-во НАН Беларуси, 2006. С. 152.
  5. Поляков В.В., Лепендин А.А.. Егоров А.В. Компьютерное моделирование деформационного упрочнения пористых металлических материалов. Докл. Междунар. конф. «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, Изд-во ИФПМ СО РАН, 2006. С. 104-105.
  6. 6. Кучерявский С.В., Поляков В.В., Говоров А.В. Исследование поверхностей разрушения пористых материалов на основе АМТ-методик. Докл. Междунар. конф. «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, Изд-во ИФПМ СО РАН, 2006. С. 324.
  7. 7. Егоров А.В., Кучерявский С.В., Поляков В.В. Применение метода главных компонент для акустико-эмиссионной диагностики алюминиевых сплавов. Известия АлтГУ. 2007. № 1. С. 32-36.
  8. Рудер Д.Д., Калинин А.В. Компьютерное моделирование высокоскоростной деформации в пористом твердом теле. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2006. Т. 3. №2. С. 98-104.
  9. Рудер Д.Д., Калинин А.В. Определение критического угла сдвига методом молекулярной динамики. Докл. Междунар. конф. «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, Изд-во ИФПМ СО РАН, 2006. С. 90.
  10. Рудер Д.Д., Бедарев С.Н. Компьютерное моделирование пластической деформации ГЦК кристалла серебра. Докл. Междунар. конф. «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, Изд-во ИФПМ СО РАН, 2006.С. 77-78.
  11. Рудер Д.Д., Калинин А.В. Компьютерное моделирование деформации простого сдвига гцк кристалла по системе скольжения . Докл. I Междунар. конф. «Деформация и разрушение материалов». Москва, 2006. М., Изд-во ИМЕТ им. А.А. Байкова, 2006. С.181.
  12. 12. Kucheryavski S. Using black and white models for classification of images. Proc. of Fifth Winter School on Chemometrics. Russia, Samara, 2006. P. 17.
  13. 13. Kucheryavski S. Using hard and soft models for classification of images. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2006. Vol. 83. P. 180-181.
  14. Кучерявский С.В.Технология анализа процессов. Методы менеджмента качества. 2006. №5. С. 12-17.
  15. Поляков В.В., Егоров А.В., Свистун И.Н. Диагностика пористых СВС-материалов на основе метода акустической эмиссии. Матер. Междунар. школы - семинара "Прорывные технологии в области композиционных материалов, теория и практика процессов СВС". Барнаул, 2006. Изд-во АГТУ, 2006.
  16. Кучерявский С.В. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006611654 «Программа для предварительной обработки и анализа спектров акустической эмиссии AExplorer» (правообладатель - ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»), 2007.
  17. Плотников В.А., Грязнов А.С. Влияние термообработки на акустическую эмиссию при циклировании мартенситных превращений. Вестник ТГУ. 2006. № 87. С. 14-22.
  18. Плотников В.А., Пачин И.М. Акустическая эмиссия при термоупругих мартенситных превращениях в сплавах на основе никелида титана в условиях нагружения. Вестник ТГУ. 2006. № 87. С. 32-39.
  19. Плотников В.А., Пачин И.М., Грязнов А.С. Акустическая эмиссия и релаксационные процессы при термоупругих мартенситных превращениях. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2006. № 1. С. 41-48.
  20. Лепендин А.А., Поляков В.В., Егоров А.В. Особенности спектральных характеристик акустической эмиссии при разрушении пористых металлических материалов. Тез. докл. III Российской научно-техн. конф. «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций». Екатеринбург, 2007. Изд-во ИМаш УрО РАН, 2007.
 
 

Результаты проекта были доложены на следующих научных конференциях и семинарах:

1. Поляков В.В., Лепендин А.А. Пятая Всероссийская конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" Томск, 3-5.10.2006.

2. Поляков В.В. II Международная конференция "Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение. Бийск, 11-13.09.2006.

3. Рудер Д.Д., Калинин А.В. Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, 19-22.09.2006.

4. Рудер Д.Д., Бедарев С.Н. Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов». Томск, 19-22.09.2006.

5. Поляков В.В., Кучерявский С.В., Лепендин А.А., Егоров А.В. Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» Томск, 19-22.09.2006.

6. Поляков В.В., Кучерявский С.В., Говоров А.В. Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» Томск, 19-22.09.2006.

7. Рудер Д.Д., Калинин А.В. I Международная конференция «Деформация и разрушение материалов». Москва, 13-16.11.2006.

8. Кучерявский С.В. Fifth Winter School on Chemometrics. Russia, Samara, 18-23.03.2006.

9. Поляков В.В., Егоров А.В., Свистун И.Н. Международная школа - семинар «Прорывные технологии в области композиционных материалов, теория и практика процессов СВС». Барнаул, 27-28.09.2006.

10.  Поляков В.В., Кучерявский С.В., Лепендин А.А. XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, 26-29.06.2006.

11.  Поляков В.В., Егоров А.В., Лепендин А.А., Гумиров Е.А., Свистун И.Н. 7-я Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии их получения: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия». Минск, 16-17.05.2006.

12.  Поляков В.В., Кучерявский С.В. 7-я Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии их получения: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия». Минск, 16-17.05.2006.

13.  Поляков В.В., Кучерявский С.В. Международная научно-техническая конференция «Виртуальные и интеллектуальные системы сбора и обработки данных». Барнаул, 16-17. 11.2006.

14.  Кучерявский С.В. Научный семинар «Modern Method of Data Analysis». Aalborg University, Esbjerg, Denmark. 15-20.08.2007.

15.  Плотников В.А., Макаров С.А. Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия.

16.  Плотников В.А., Пачин И.М. Акустическая эмиссия при изотермической деформации никелида титана. XVII Петербургские чтения по проблемам прочности. Санкт-Петербург, 10-12.04.2007.

17.  Матвеев С.И. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». Новосибирск, 7-12.11.2006.

18.  Лепендин А.А., Поляков В.В., Егоров А.В. III Российская научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций». Екатеринбург, 24-26.04.2007.

 

4. Степень новизны полученных результатов.

При работе по проекту получены следующие новые результаты.

1. Реализованная новая схема измерений информативных параметров, использующая обработку в реальном режиме времени с учетом особенностей спектрального распределения акустико-эмиссионных сигналов.

2. Новый способ анализа и интерпретации сигналов акустической эмиссии, основанный на проекционных методах анализа многомерных данных.

3. Обнаруженная зависимость формы и количественных характеристик сигналов акустической эмиссии на всех стадиях деформирования материалов от выделяемых узкополосных интервалов спектра частот.

4. Выявленные и проанализированные особенности спектра акустико-эмиссионных сигналов  для металлических материалов с различным деформационным поведением.

5. Впервые установленное влияние структуры пористого металла на спектр акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении.

 

4. Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем.

Используемая в настоящее время акустико-эмиссионная диагностическая аппаратура мало пригодна для анализа деформационного поведения неоднородных и композиционных материалов. Это связано с тем, что в силу сложности акустического излучения при механическом воздействии на материал она не позволяет получить необходимый для понимания диагностируемых процессов набор информативных параметров. При выполнении первого этапа проекта было создано оригинальное измерительное устройство и разработано специальное программное обеспечение, использующее математические методы анализа многомерных данных. Это позволило реализовать следующие принципиальные преимущества по сравнению с имеющимися в настоящее время модификациями акустико-эмиссионного метода:

- возможность надежно исследовать, диагностировать и прогнозировать процессы пластической деформации, предразрушения и разрушения в структурно-неоднородных материалах;

- одновременный учет большого числа информативных параметров акустической эмиссии и характеристик процессов деформации, многопараметрический анализ акустико-эмиссионных сигналов, существенно повышающие надежность и эффективность диагностики;

- предотвращение,  за счет оригинальных конструктивных особенностей и применения новых методов обработки сигналов. негативного воздействия помех и механических шумов;

- возможность анализировать сигналы акустической эмиссии в широком спектре частот с учетом особенностей формы и количественных характеристик сигналов в отдельных интервалах частот и на разных стадиях нагружения, что вводит в использование дополнительные информационные данные и существенно расширяет возможности акустико-эмиссионной диагностики.

Это позволяет сделать вывод, что достигнутые по проекту результаты работы превосходят имеющийся за рубежом уровень.

Кроме того, получен значительный объем новых фундаментальных данных по закономерностям формирования акустической эмиссии в условиях пластической деформации и разрушения. Имеющиеся по этой проблеме работы зарубежных авторов, как правило, ограничиваются изучением поведения одного - двух информативных параметров в узком интервале частот для наиболее распространенных конструкционных материалов, без выявления влияния структуры на процессы формирования акустического излучения. Среди полученных в проекте значимых фундаментальных результатов можно выделить обнаруженный эффект зависимости вида сигналов на различных стадиях деформационного упрочнения от частотного интервала, впервые изученное влияние пористой структуры на частотный спектр акустической эмиссии. Это позволяет считать полученные фундаментальные результаты также превосходящими уровень, достигнутый за рубежом.

 

5. Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта.

При выполнении проекта был использован комплексный подход, включавший в себя методы экспериментального и теоретического анализа акустической эмиссии при пластической деформации, предразрушении и разрушении металлических материалов.

Непосредственное измерение сигналов акустической эмиссии при нагружении проводилось на оригинальном устройстве, разработанном и изготовленном авторами проекта. Предложенная техническая схема регистрации подтверждена патентами и описана в научных публикациях. Принципиальной особенностью проводимых испытаний явилось измерение параметров акустической эмиссии в широком диапазоне частот с одновременной обработкой спектральных составляющих сигналов с помощью виртуальных приборов. Реализация таких испытаний, проведенных впервые, стала возможной вследствие приобретения за счет выделенных по гранту средств комплекта широкополосных измерительных датчиков, обеспечивающих регистрацию сигналов в полосе частот от 100 до 800 КГц, и высокочастотной многоканальной платы сбора данных с частотой дискретизации до 30 МГц.

Для теоретического анализа полученных результатов и компьютерного моделирования поведения информационных параметров на разных стадиях деформационного упрочнения был использован принципиально новый подход, разработанный и апробированный авторами проекта. Этот подход изложен в научных публикациях авторов, программная реализация подтверждена свидетельством. Суть подхода заключается в привлечении для анализа и интерпретации спектров акустико-эмиссионных сигналов проекционных методов анализа многомерных данных, прежде всего метода главных компонент и метода проекций на латентные структуры. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности разработанного подхода.

ИЛЛЮСТРАЦИИ
Рис. 1. Акустическая эмиссия при нагружении алюминиевого сплава.
Рис. 1. Акустическая эмиссия при нагружении алюминиевого сплава.

Рис. 2. Спектры акустической эмиссии для образцов алюминиевого сплава с дефектом (красные кривые) и без дефекта (синие кривые).
Рис. 2. Спектры акустической эмиссии для образцов алюминиевого сплава с дефектом
(красные кривые) и без дефекта (синие кривые).

Рис. 3. Графики счетов для первых главных компонент (образцы с дефектом - красные точки, без дефекта - синие точки)
Рис. 3. Графики счетов для первых главных компонент
(образцы с дефектом - красные точки, без дефекта - синие точки).

Рис. 4. Спектры акустической эмиссии при нагружении железа.
Рис. 4. Спектры акустической эмиссии при нагружении железа.

Рис. 5. Спектры акустической эмиссии при нагружении меди.
Рис. 5. Спектры акустической эмиссии при нагружении меди.

Рис. 6. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 7%).
Рис. 6. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 7%).

Рис. 7. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 12%).
Рис. 7. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 12%).

Рис. 8. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 14%).


Рис. 9. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 24%).
Рис. 9. Спектры акустической эмиссии для пористого металла (пористость 24%).

    
о кафедре
История кафедры
Издания
Выпускники кафедры

образование
Информация для студентов
Темы дипломных и
курсовых работ


наука
Диссертации
Докторантура и аспирантура
Программы и гранты
Конференции
Выставки
НИРС

Диссертационный совет Д212.005.03

РНМЦ АлтГУ
Copyright ФЭБ АлтГУ © 2003-2005
Разработка: Александр Головин