Применение статистического анализа для оценки степени деформации стальных образцов по результатам сегментации импульсов акустической эмиссии
Ключевые слова:
акустическая эмиссия, испытания растяжением, степень деформации, пластическая деформация, сталь 30ХГСА, статистический анализ, потоковые параметры, регрессионная модель
Аннотация
Работа посвящена определению наиболее информативных акустико-эмиссионных параметров, коррелирующих со степенью деформации образцов из конструкционной стали 30ХГСА. Проведены испытания статическим растяжением до разрушения стальных образцов с синхронной регистрацией в процессе нагружения сигналов акустической эмиссии (АЭ). Показано, что абсолютные значения первичных АЭ параметров, таких как амплитуда и активность, не имеют четкой однозначной взаимосвязи со степенью деформации образцов, что подтверждает невозможность применения стандартных критериев (например, амплитудного критерия) при акустико-эмиссионном мониторинге процесса накопления повреждений в конструкционных материалах. При детальном анализе полученных сигналов акустической эмиссии установлено, что совместное применение таких потоковых параметров, как усредненная частота выбросов и удельная энергия регистрируемых импульсов АЭ, позволяет оценить степень деформации стальных образцов, начиная от площадки текучести до момента их разрушения. Для численной оценки степени деформации металла по потоковым параметрам регистрируемых импульсов предложена модель множественной линейной регрессии. Доказано, что с использованием предлагаемой модели анализа АЭ-данных значение степени деформации металла в области малых и развитых упругопластических деформаций может быть определено по данным акустической эмиссии с относительной погрешностью не более 7%.
Литература
1. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Романов А.Н. Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения. М.: Ленард, 2018.
2. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Спектр, 2017.
3. Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л. Природа акустической эмиссии при деформационных процессах в металлических материалах // Физика низких температур. 2018. Т. 44. № 9. С. 1186—1195.
4. Носов В.В., Зеленский Н.А. Оценка прочности элементов сварного корпуса подводного аппарата на основе микромеханической модели временных зависимостей параметров акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2017. № 2. С. 3—9.
5. Буйло С.И. Физико-механические, химические и статистические аспекты акустической эмиссии // Известия АлтГУ. 2019. № 1. С. 11—21.
6. Vetrone J., Obregon J. E., Indacochea E. J., Ozevin D. The Characterization of Deformation Stage of Metals Using Acoustic Emission Combined with Nonlinear Ultrasonics // Measurement. 2021. V. 178. P. 109407.
7. Zou Sh., Yan F., Yang G., Sun W. The Identification of the Deformation Stage of a Metal Specimen Based on Acoustic Emission Data Analysis // Sensors. 2017. V. 17(4). P. 789.
8. Ботвина Л.Р. и др.Стадийность процесса разрушения и остаточная прочность трубной стали после длительной эксплуатации // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24. № 1. С. 50—61.
9. Зибров Г.В., Попов А.В., Старов В.Н., Смоленцев Е.В. Метод акустической эмиссии на основе инвариантов в оценке прочности специальных конструкций и техники // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2014. № 4. С. 22—28.
10. Chernyaeva E.V. e. a. Evaluation of the Condition of a Metal Using the Acoustic-emission Method: Prospects and Problems // Russ. J. Nondestruct. Test. 2013. V. 49. Pp. 131—139.
11. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Проблемы локации источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2021. № 9. С. 35—44.
12. Botvina L.R. e. a. Residual Strength, Microhardness, and Acoustic Properties of Low-carbon Steel after Cyclic Loading // J. Machinery Manufacture and Reliability. 2018. V. 47(6). Рp. 516—524.
13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Снижение погрешности при определении скорости распространения волнового пакета в композиционных материалах // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 1. С. 115—120.
14. Middleton C.A., McCrory J.P., Greene R.J., Holford K., Patterson E.A. Detecting and Monitoring Cracks in Aerospace Materials Using Post-Processing of TSA and AE Data // Metals. 2019. V. 9(7). P. 748.
15. Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V., Ivanov V.I., Terent’ev E.V. Adaptation of Methodology for Monitoring Damage Kinetics and Assessing Load-Bearing Capacity in Relation to Steel Products // Russ. J. Nondestruct. Test. 2022. V. 58(9). Pp. 800—813.
16. Martin-del-Campo S., Sandin F., Schnabel S., Marklund P., Delsing J. Exploratory Analysis of Acoustic Emissions in Steel using Dictionary Learning // Proc. IEEE Intern. Ultrasonic Symp. 2016. Pp. 1—4.
17. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. An Acoustic Emission Method for Assessing the Degree of Degradation of Mechanical Properties and Residual Life of Metal Structures under Complex Dynamic Deformation Stresses // Materials. 2021. V. 14(9). P. 2090.
18. Панин С.В., Башков О.В., Семашко Н.А., Панин В.Е., Золотарева С.В. Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микро- и мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № S1—2. C. 303—306.
19. Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: обзор экспериментальных работ // Физическая мезомеханика. 2015. № 18(3). С. 11—24.
20. Ono K. Application of Acoustic Emission for Structure Diagnosis // Diagnostics and structural health monitoring. 2011. V. 58(2). Pp. 3—17.
---
Для цитирования: Махутов Н.А., Марченков А.Ю., Терентьев Е.В., Чернов Д.В., Васильев И.Е., Панькина А.А. Применение статистического анализа для оценки степени деформации стальных образцов по результатам сегментации импульсов акустической эмиссии // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 157—165. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-157-165
Работа выполнена при поддержке: Российского научного фонда (проект № 20-19-00769-П), https://rscf.ru/prjcard_int?20-19-00769
#
1. Makhutov N.A., Matvienko Yu.G., Romanov A.N. Problemy Prochnosti, Tekhnogennoy Bezopasnosti i Konstruktsionnogo Materialovedeniya. M.: Lenard, 2018. (in Russian).
2. Ivanov V.I., Barat V.A. Akustiko-emissionnaya Diagnostika. M.: Spektr, 2017. (in Russian).
3. Vinogradov A.Yu., Merson D.L. Priroda Akusticheskoy Emissii pri Deformatsionnykh Protsessakh v Metallicheskikh Materialakh. Fizika Nizkikh Temperatur. 2018. 44;9:1186—1195. (in Russian).
4. Nosov V.V., Zelenskiy N.A. Otsenka Prochnosti Elementov Svarnogo Korpusa Podvodnogo Apparata na Osnove Mikromekhanicheskoy Modeli Vremennykh Zavisimostey Parametrov Akusticheskoy Emissii. Defektoskopiya. 2017;2:3—9. (in Russian).
5. Buylo S.I. Fiziko-mekhanicheskie, Khimicheskie i Statisticheskie Aspekty Akusticheskoy Emissii. Izvestiya AltGU. 2019;1:11—21. (in Russian).
6. Vetrone J., Obregon J. E., Indacochea E. J., Ozevin D. The Characterization of Deformation Stage of Metals Using Acoustic Emission Combined with Nonlinear Ultrasonics. Measurement. 2021;178:109407.
7. Zou Sh., Yan F., Yang G., Sun W. The Identification of the Deformation Stage of a Metal Specimen Based on Acoustic Emission Data Analysis. Sensors. 2017;17(4):789.
8. Botvina L.R. i dr.Stadiynost' Protsessa Razrusheniya i Ostatochnaya Prochnost' Trubnoy Stali Posle Dlitel'noy Ekspluatatsii. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2021;24;1:50—61. (in Russian).
9. Zibrov G.V., Popov A.V., Starov V.N., Smolentsev E.V. Metod Akusticheskoy Emissii na Osnove Invariantov v Otsenke Prochnosti Spetsial'nykh Konstruktsiy i Tekhniki. Vestnik Voronezhskogo Instituta GPS MCHS Rossii. 2014;4:22—28. (in Russian).
10. Chernyaeva E.V. e. a. Evaluation of the Condition of a Metal Using the Acoustic-emission Method: Prospects and Problems. Russ. J. Nondestruct. Test. 2013;49:131—139.
11. Matvienko Yu.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V., Elizarov S.V. Problemy Lokatsii Istochnikov Akusticheskoy Emissii. Defektoskopiya. 2021;9:35—44. (in Russian).
12. Botvina L.R. e. a. Residual Strength, Microhardness, and Acoustic Properties of Low-carbon Steel after Cyclic Loading. J. Machinery Manufacture and Reliability. 2018;47(6):516—524.
13. Matvienko Yu.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V. Snizhenie Pogreshnosti pri Opredelenii Skorosti Rasprostraneniya Volnovogo Paketa v Kompozitsionnykh Materialakh. Pribory I Tekhnika Eksperimenta. 2020;1:115—120. (in Russian).
14. Middleton C.A., McCrory J.P., Greene R.J., Holford K., Patterson E.A. Detecting and Monitoring Cracks in Aerospace Materials Using Post-Processing of TSA and AE Data. Metals. 2019;9(7):748.
15. Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V., Ivanov V.I., Terent’ev E.V. Adaptation of Methodology for Monitoring Damage Kinetics and Assessing Load-Bearing Capacity in Relation to Steel Products. Russ. J. Nondestruct. Test. 2022;58(9):800—813.
16. Martin-del-Campo S., Sandin F., Schnabel S., Marklund P., Delsing J. Exploratory Analysis of Acoustic Emissions in Steel using Dictionary Learning. Proc. IEEE Intern. Ultrasonic Symp. 2016:1—4.
17. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. An Acoustic Emission Method for Assessing the Degree of Degradation of Mechanical Properties and Residual Life of Metal Structures under Complex Dynamic Deformation Stresses. Materials. 2021;14(9):2090.
18. Panin S.V., Bashkov O.V., Semashko N.A., Panin V.E., Zolotareva S.V. Kombinirovannoe Issledovanie Osobennostey Deformatsii Ploskikh Obraztsov i Obraztsov s Nadrezom na Mikro- i Mezourovnyakh Metodami Akusticheskoy Emissii i Postroeniya Kart Deformatsii Poverkhnosti. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2004. 7;S1—2:303—306. (in Russian).
19. Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Povrezhdennost' i Razrushenie: Obzor Eksperimental'nykh Rabot. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2015;18(3):11—24. (in Russian).
20. Ono K. Application of Acoustic Emission for Structure Diagnosis. Diagnostics and structural health monitoring. 2011;58(2):3—17
---
For citation: Makhutov N.A., Marchenkov A.Yu., Terent’ev E.V., Chernov D.V., Vasil’ev I.E., Pan’kina A.A. Application of a Statistical Analysis for Estimating the Steel Specimen Deformation Degree Based on the Acoustic-emission Pulses Segmentation Results. Bulletin of MPEI. 2024;2:157—165. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-157-165
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Project No. 20-19-00769-П), https://rscf.ru/prjcard_int?20-19-00769
2. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Спектр, 2017.
3. Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л. Природа акустической эмиссии при деформационных процессах в металлических материалах // Физика низких температур. 2018. Т. 44. № 9. С. 1186—1195.
4. Носов В.В., Зеленский Н.А. Оценка прочности элементов сварного корпуса подводного аппарата на основе микромеханической модели временных зависимостей параметров акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2017. № 2. С. 3—9.
5. Буйло С.И. Физико-механические, химические и статистические аспекты акустической эмиссии // Известия АлтГУ. 2019. № 1. С. 11—21.
6. Vetrone J., Obregon J. E., Indacochea E. J., Ozevin D. The Characterization of Deformation Stage of Metals Using Acoustic Emission Combined with Nonlinear Ultrasonics // Measurement. 2021. V. 178. P. 109407.
7. Zou Sh., Yan F., Yang G., Sun W. The Identification of the Deformation Stage of a Metal Specimen Based on Acoustic Emission Data Analysis // Sensors. 2017. V. 17(4). P. 789.
8. Ботвина Л.Р. и др.Стадийность процесса разрушения и остаточная прочность трубной стали после длительной эксплуатации // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24. № 1. С. 50—61.
9. Зибров Г.В., Попов А.В., Старов В.Н., Смоленцев Е.В. Метод акустической эмиссии на основе инвариантов в оценке прочности специальных конструкций и техники // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2014. № 4. С. 22—28.
10. Chernyaeva E.V. e. a. Evaluation of the Condition of a Metal Using the Acoustic-emission Method: Prospects and Problems // Russ. J. Nondestruct. Test. 2013. V. 49. Pp. 131—139.
11. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Проблемы локации источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2021. № 9. С. 35—44.
12. Botvina L.R. e. a. Residual Strength, Microhardness, and Acoustic Properties of Low-carbon Steel after Cyclic Loading // J. Machinery Manufacture and Reliability. 2018. V. 47(6). Рp. 516—524.
13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Снижение погрешности при определении скорости распространения волнового пакета в композиционных материалах // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 1. С. 115—120.
14. Middleton C.A., McCrory J.P., Greene R.J., Holford K., Patterson E.A. Detecting and Monitoring Cracks in Aerospace Materials Using Post-Processing of TSA and AE Data // Metals. 2019. V. 9(7). P. 748.
15. Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V., Ivanov V.I., Terent’ev E.V. Adaptation of Methodology for Monitoring Damage Kinetics and Assessing Load-Bearing Capacity in Relation to Steel Products // Russ. J. Nondestruct. Test. 2022. V. 58(9). Pp. 800—813.
16. Martin-del-Campo S., Sandin F., Schnabel S., Marklund P., Delsing J. Exploratory Analysis of Acoustic Emissions in Steel using Dictionary Learning // Proc. IEEE Intern. Ultrasonic Symp. 2016. Pp. 1—4.
17. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. An Acoustic Emission Method for Assessing the Degree of Degradation of Mechanical Properties and Residual Life of Metal Structures under Complex Dynamic Deformation Stresses // Materials. 2021. V. 14(9). P. 2090.
18. Панин С.В., Башков О.В., Семашко Н.А., Панин В.Е., Золотарева С.В. Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микро- и мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № S1—2. C. 303—306.
19. Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: обзор экспериментальных работ // Физическая мезомеханика. 2015. № 18(3). С. 11—24.
20. Ono K. Application of Acoustic Emission for Structure Diagnosis // Diagnostics and structural health monitoring. 2011. V. 58(2). Pp. 3—17.
---
Для цитирования: Махутов Н.А., Марченков А.Ю., Терентьев Е.В., Чернов Д.В., Васильев И.Е., Панькина А.А. Применение статистического анализа для оценки степени деформации стальных образцов по результатам сегментации импульсов акустической эмиссии // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 157—165. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-157-165
Работа выполнена при поддержке: Российского научного фонда (проект № 20-19-00769-П), https://rscf.ru/prjcard_int?20-19-00769
#
1. Makhutov N.A., Matvienko Yu.G., Romanov A.N. Problemy Prochnosti, Tekhnogennoy Bezopasnosti i Konstruktsionnogo Materialovedeniya. M.: Lenard, 2018. (in Russian).
2. Ivanov V.I., Barat V.A. Akustiko-emissionnaya Diagnostika. M.: Spektr, 2017. (in Russian).
3. Vinogradov A.Yu., Merson D.L. Priroda Akusticheskoy Emissii pri Deformatsionnykh Protsessakh v Metallicheskikh Materialakh. Fizika Nizkikh Temperatur. 2018. 44;9:1186—1195. (in Russian).
4. Nosov V.V., Zelenskiy N.A. Otsenka Prochnosti Elementov Svarnogo Korpusa Podvodnogo Apparata na Osnove Mikromekhanicheskoy Modeli Vremennykh Zavisimostey Parametrov Akusticheskoy Emissii. Defektoskopiya. 2017;2:3—9. (in Russian).
5. Buylo S.I. Fiziko-mekhanicheskie, Khimicheskie i Statisticheskie Aspekty Akusticheskoy Emissii. Izvestiya AltGU. 2019;1:11—21. (in Russian).
6. Vetrone J., Obregon J. E., Indacochea E. J., Ozevin D. The Characterization of Deformation Stage of Metals Using Acoustic Emission Combined with Nonlinear Ultrasonics. Measurement. 2021;178:109407.
7. Zou Sh., Yan F., Yang G., Sun W. The Identification of the Deformation Stage of a Metal Specimen Based on Acoustic Emission Data Analysis. Sensors. 2017;17(4):789.
8. Botvina L.R. i dr.Stadiynost' Protsessa Razrusheniya i Ostatochnaya Prochnost' Trubnoy Stali Posle Dlitel'noy Ekspluatatsii. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2021;24;1:50—61. (in Russian).
9. Zibrov G.V., Popov A.V., Starov V.N., Smolentsev E.V. Metod Akusticheskoy Emissii na Osnove Invariantov v Otsenke Prochnosti Spetsial'nykh Konstruktsiy i Tekhniki. Vestnik Voronezhskogo Instituta GPS MCHS Rossii. 2014;4:22—28. (in Russian).
10. Chernyaeva E.V. e. a. Evaluation of the Condition of a Metal Using the Acoustic-emission Method: Prospects and Problems. Russ. J. Nondestruct. Test. 2013;49:131—139.
11. Matvienko Yu.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V., Elizarov S.V. Problemy Lokatsii Istochnikov Akusticheskoy Emissii. Defektoskopiya. 2021;9:35—44. (in Russian).
12. Botvina L.R. e. a. Residual Strength, Microhardness, and Acoustic Properties of Low-carbon Steel after Cyclic Loading. J. Machinery Manufacture and Reliability. 2018;47(6):516—524.
13. Matvienko Yu.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V. Snizhenie Pogreshnosti pri Opredelenii Skorosti Rasprostraneniya Volnovogo Paketa v Kompozitsionnykh Materialakh. Pribory I Tekhnika Eksperimenta. 2020;1:115—120. (in Russian).
14. Middleton C.A., McCrory J.P., Greene R.J., Holford K., Patterson E.A. Detecting and Monitoring Cracks in Aerospace Materials Using Post-Processing of TSA and AE Data. Metals. 2019;9(7):748.
15. Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V., Ivanov V.I., Terent’ev E.V. Adaptation of Methodology for Monitoring Damage Kinetics and Assessing Load-Bearing Capacity in Relation to Steel Products. Russ. J. Nondestruct. Test. 2022;58(9):800—813.
16. Martin-del-Campo S., Sandin F., Schnabel S., Marklund P., Delsing J. Exploratory Analysis of Acoustic Emissions in Steel using Dictionary Learning. Proc. IEEE Intern. Ultrasonic Symp. 2016:1—4.
17. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. An Acoustic Emission Method for Assessing the Degree of Degradation of Mechanical Properties and Residual Life of Metal Structures under Complex Dynamic Deformation Stresses. Materials. 2021;14(9):2090.
18. Panin S.V., Bashkov O.V., Semashko N.A., Panin V.E., Zolotareva S.V. Kombinirovannoe Issledovanie Osobennostey Deformatsii Ploskikh Obraztsov i Obraztsov s Nadrezom na Mikro- i Mezourovnyakh Metodami Akusticheskoy Emissii i Postroeniya Kart Deformatsii Poverkhnosti. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2004. 7;S1—2:303—306. (in Russian).
19. Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Povrezhdennost' i Razrushenie: Obzor Eksperimental'nykh Rabot. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2015;18(3):11—24. (in Russian).
20. Ono K. Application of Acoustic Emission for Structure Diagnosis. Diagnostics and structural health monitoring. 2011;58(2):3—17
---
For citation: Makhutov N.A., Marchenkov A.Yu., Terent’ev E.V., Chernov D.V., Vasil’ev I.E., Pan’kina A.A. Application of a Statistical Analysis for Estimating the Steel Specimen Deformation Degree Based on the Acoustic-emission Pulses Segmentation Results. Bulletin of MPEI. 2024;2:157—165. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-157-165
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Project No. 20-19-00769-П), https://rscf.ru/prjcard_int?20-19-00769
Опубликован
2023-12-21
Выпуск
Раздел
Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды (технические науки) (2.5.9)
