آزمون آکوستیک امیشن(AE) روشی است که به طور گسترده برای پایش وضعیت ساختاری مواد و سازهها استفاده میشود. فعالیت تجمعی AE، همانطور که توسط سنسورها ثبت میشود، نشان دهنده شدت ترک است. زیرا انتشار ترک پیش نیاز AE در بیشتر موارد است. نرخ بالای سیگنالهای ورودی به معنای وجود چندین منبع ترک فعال است. هنگامی که از چندین سنسور استفاده میشود، جدا از تعداد سیگنالهای AE، مکان هندسی ترکها، به دلیل تأخیر بین ورود امواج به نقاط اندازهگیری مختلف قابل استخراج است. اندازهگیری نرخ انتشار ترک با نظارت همزمان AE انجام شد تا پارامترهای بهدستآمده بهطور غیرمخرب با نتایج مکانیکی مرتبط شود و ویژگیهای خاصی بهعنوان امیدوارکنندهترین خصوصیات آسیب خستگی در فلزات پیشنهاد شود.
آکوستیک امیشن این اجازه را به ما میدهد تا بتوانیم تخمینی داشته باشیم که کدام قسمت از سازه دچار خرابی گستردهتری میباشد. بنابراین اقدامات تعمیری لازم به خصوص برای سازههای بزرگ انجام میشود. در این مطالعه، نمونههای آلومینیومی دارای بریدگی در آزمایشهای خستگی شکسته شدند.
تست مواد و مکانیکی
جنس آلومینیوم (AA7075) بود. این ماده مقاومت خوبی در برابر خوردگی و استحکام بالایی در محیط و همچنین در دماهای بالا از خود نشان میدهد. نمونههای آزمایش بر اساس استاندارد ASTM E399-09e1 ساخته شدند. برای تعیین نرخ انتشار ترک یک درجه جابجایی باز شدن ترک در دهانه شکاف ثابت شد. تعیین نرخ انتشار ترک از استاندارد ASTM E647-08e1 پیروی کرد. آزمایش خستگی بر روی یک دستگاه هیدرولیک با حداکثر بار استاتیکی و دینامیکی 100± کیلو نیوتن انجام شد. چرخه خستگی سینوسی با فرکانس 3 هرتز، نسبت تنش (Loadmax/Loadmin) روی R = 0.2 و دامنه (Loadmax – Loadmin) = 4 kN تنظیم شد.
آزمون آکوستیک امیشن برای اندازه گیری نرخ انتشار ترک
دو سنسور پیزوالکتریک (Pico، Physical Acoustics Corp.، PAC) در یک طرف نمونه متصل شدند (شکل 1 را ببینید). پهنای باند فرکانسی بین 50 تا 800 کیلوهرتز است و بنابراین سنسورها برای نظارت بر منابع مختلف مناسب هستند. سیگنالهای AE بر روی دو کانال در یک برد PAC-PCI-2 با نرخ نمونه برداری 5 مگاهرتز ضبط شد. نرم افزار مورد استفاده PAC بود که فعالیت AE و پارامترهای سیگنال در زمان واقعی مانیتور میشد. کل دادههای شکل موج برای پردازش ثانویه ثبت شد.
شکل1: عکس سنسورها روی نمونه
نتایج آزمون نرخ انتشار ترک
شکل 2 نرخ انتشار ترک را به عنوان تابعی از زمان نشان میدهد. همانطور که به طور معمول در خستگی فلزات انتظار میرود نرخ به طور تصاعدی افزایش مییابد. شکست نهایی نمونه در 3231 ثانیه رخ داد. سیگنالهای AE اندکی پس از شروع آزمایش ثبت میشوند. بدون نوسانات زیاد، نرخ ضربه AE را میتوان ثابت توصیف کرد که منجر به تعداد کل تقریبا 20000 سیگنال میشود.
شکل2: تاریخچه زمانی CPR و AE تجمعی.
با این حال، سایر پارامترهای AE روند بسیار متمایز و واضحی را نشان میدهند. شکل 3 مدت و زمان افزایش سیگنالها را نشان میدهد. واضح است که تقریباً 200 تا 300 ثانیه قبل از شکستگی نهایی، مدت زمان و RT شروع به افزایش شدید میکند. در حالی که RT کمتر از 500 میکرو ثانیه بود. پس از آن نقطه، سیگنالهای AE با مدت زمان بسیار طولانیتر ثبت میشوند.
شکل 3: تاریخچه زمانی CPR (الف) مدت زمان AE (ب) RT.
مدت زمان و RT
افزایش مدت زمان و RT نشان دهنده تغییر احتمالی حالت ترک است. این انتقال بین حالت های مختلف ترک را میتوان با مقدار RA بررسی کرد، که دامنه سیگنالها را نیز در نظر میگیرد. تاریخچه RA در رابطه با CPR را میتوان در شکل 4 برای آخرین مرحله عمر نمونه (پس از 2500 ثانیه) مشاهده کرد.
شکل4: تاریخچه زمانی CPR و RA.
قبل از 2700 ثانیه، مقادیر RA بالاتر از 50ms/V نادر است. با این حال، پس از 2900 ثانیه، جمعیت نقاط به مقادیر بالاتر از 75ms/V گسترش مییابد. خط ثابت نشان دهنده میانگین متحرک 150 ضربه اخیر است که افزایش واضحی را در 3000 ثانیه نشان میدهد. این تغییر مقدار RA همچنین به تغییر بین حالتهای شکست دلالت دارد. در واقع این توالی حالتهای ترک در یک نمونه خستگی معمولی از این نوع است. شکل 5 (الف) عکسی از سطح شکستگی پس از پایان آزمایش را نشان میدهد. ترک به صورت افقی تقریباً 20 میلیمتر از شکاف پخش میشود. بعداً سطح شکستگی منحنی میشود. این به میدان تنش صفحه محلی نسبت داده میشود. به دلیل ضخامت کم صفحه، تنش عمود بر سطح (σZ) صفر است، شکل 5 (ب).
بنابراین، اگر چه ترک شروع به انتشار افقی دیکته شده توسط شکاف میکند، تحت اعمال تنش کششی (σY)، شکست نهایی به دلیل تنشهای برشی رخ میدهد. این توالی حالت ترک مسئول رفتار پارامترهای AE است. اندازه کوچک نمونه و حساسیت سنسور امکان ثبت دقیق این تغییرات را در حین انتشار ترک فراهم میکند.
شکل 5: (الف) بخشی از نمونه پس از شکست خستگی. (ب) شکست تنش صفحه.
فرکانس متوسط AF
یکی دیگر از پارامترهای AE که در طبقه بندی حالت ترک استفاده شد، فرکانس متوسط، AF است. در مطالعه حاضر، این پارامتر روندهای در حال تغییر را نشان میدهد، اما به روشی بسیار هموارتر از RA. شکل 6 فرکانس متوسط تمام ضربهها و همچنین تناسب خطی با دادهها را نشان میدهد. تناسب خطی برای نشان دادن روند کاهشی صاف اما واضح تولید میشود. در واقع، یک تغییر از مقدار متوسط 83 کیلوهرتز در ابتدای بارگذاری به حدود 50 کیلوهرتز در هنگام شکست وجود دارد. این کاهش دوباره میتواند به تغییر حالت غالب ترک متصل شود. رفتار AE مشاهده شده برای هر پنج نمونه آزمایش شده با پارامترهایی مانند RT، RA و AF قابل تکرار است.
شکل 6: تاریخچه زمانی CPR و AF.
