1. Одной из тенденций развития современного экспериментального материаловедения во всём мире является активное развитие методов локальной диагностики материала, в частности, методов нестандартных лабораторных испытаний малогабаритных образцов металлов после промежуточных или финишных режимов термомеханической обработки. Конечно, развитие локальных методов диагностики не заменяет и не может заменить традиционных методов испытания материалов с утверждёнными ГОСТами и ТУ условиями их проведения и геометрией лабораторных образцов. Однако тенденция в развитии методов локальной диагностики, как наукоёмких технологий, отчётливо прослеживается все последние годы. Причины этого определяются повышением требований к контролю технологий производства материала и необходимостью экспресс-контроля металла непосредственно в изделии. Это связано также с необходимостью обеспечения методиками контроля разработок новых материалов и технологий, когда полномасштабные натурные испытания неэффективны или нецелесообразны по соображениям времени экспресс-оценки промежуточных результатов, например, при оптимизации химического и структурного состава разрабатываемых материалов с улучшенными служебными характеристиками.

2. Технологически, быстрое развитие методов локальной диагностики в материаловедении обеспечено техническими достижениями (часто взаимосвязанными) научного приборостроения:

3. Быстрым развитием средств аналитического контроля и анализа ( например, их разрешающей способности).

4. Быстрым развитием средств вычислительной техники, как по вычислительной мощности микропроцессоров, так и по объёму и быстродействию электронной памяти. Это сделало возможным, например, многоканальную регистрацию параметров материала при его испытаниях и их обработку в режиме реального времени.

5. Быстрым развитием сенсорной электроники. Технологии миниатюрных высокочувствительных датчиков механических, электрических, акустических, химических, оптических и других параметров сделали методы локальных испытаний по нестандартным схемам надёжным инструментом экспериментального материаловедения.

6. Быстрое развитие и внедрение средств прикладного программирования, позволяющих проектировать компьютерные информационно-измерительные системы «под задачу», используя обширные встроенные библиотеки подпрограмм. Такой универсальной для проектирования систем является среда графического программирования LabVIEW.

Однако, развитие технических и программных средств локальной диагностики не уменьшает роли методического обеспечения технологий такого контроля. Нестандартные задачи, решаемые на нестандартных образцах, требуют серьёзного анализа поставленной задачи, проработки методов испытаний, измерения и анализа полученных результатов. Так, для эффективного использования в качестве диагностических сигналов импульсов акустической эмиссии (акустическое излучение ультразвукового диапазона, сопровождающее процессы деформации и разрушения материалов) при лабораторных испытаниях, требуется согласование объекта контроля, средств и методов измерения и обработки сигналов.

Высокая чувствительность обеспечивает методу АЭ широкий спектр применений в лабораторных исследованиях материалов и контроле конструкций в промышленности. Метод акустической эмиссии (АЭ), в отличие от традиционной ультразвуковой дефектоскопии, - «пассивный метод». Контрольно-измерительная аппаратура работает в режиме приема сигналов. Технологии микроэлектроники позволили здесь миниатюризировать приборы детектирования, усиления и предварительной аналоговой обработки сигналов (таких, например, как аналоговая фильтрация, дискриминация, выделение экстремальных значений сигналов сложной формы, временная и пространственная селекция и многие другие). Развитие методов АЭ обеспечивается и бурным развитием средств вычислительной техники, создавая уникальные возможности цифровой обработки сигналов в режиме реального времени. Для обеспечения гибкости измерительные системы часто проектируются как многоканальные компьютерные информационно-измерительные системы с возможностью удаленного доступа и управления внешними устройствами. Широкие возможности, которые представляет интегрированная среда разработки, отладки, и выполнения программ LabVIEW обеспечили широкое применение этой универсальной среды для создания аппаратно- программных комплексов сбора, обработки и представления измерительной информации, в том числе методом АЭ. Использование объектно-ориентированного языка графического программирования (язык G), графических символов из инженерной области проектирования средств электро- и радиоизмерений позволяют пользователю с небольшим опытом программирования эффективно проектировать компьютерные измерительные системы. Это особенно важно при использовании программирования в LabVIEW в учебной и научной работе студентов технических университетов. Представлены студенческие проекты компьютерных измерительных систем АЭ в программной среде Lab VIEW, научным руководителем которых был автор.

Сопротивление коррозионному разрушению под напряжением (КРН)- важная характеристика конструкционных материалов. Компьютерная измерительная система для наблюдения по АЭ кинетики коррозионного разрушения под напряжением в коррозионной среде «метанол-йод» малогабаритного трубчатого образца оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) атомного реактора -выпускная работа Гладкова Н.В. (2003г., кафедра Вычислительной техники и сетевых технологий, Университет города Переславля). Для проведения испытаний необходимы специальные условия, чтобы изучить кинетику коррозии за сравнительно небольшое время (8-10 часов) лабораторного тестирования материала. Локальная диагностика использовалась здесь при ограничении контакта коррозионного раствора с поверхностью металла «пятном» диаметром 5мм. Локализация коррозии позволила наблюдать по АЭ (и фрактографии) кинетику развития единичных очагов разрушения, что повысило точность измерения инкубационного периода КРН циркония. Эта же методика позволила выделить стадию перехода к активному зернограничному разрушению металла и проследить влияние на эти параметры КРН структурных факторов. В компьютерной системе, спроектированной студентом «под задачу», проводилось измерение уровня шумов для введения порога дискриминации и статистического анализа сигналов АЭ, масштабирование сигналов, архивирование данных. Эта система позволяла вести в реальном времени визуальный контроль измерений как по регистрируемому параметру - пиковым амплитудам импульсов АЭ, так и по параметрам компьютерной обработки сигналов - сумме амплитуд АЭ, как функции времени испытания, средней амплитуде АЭ на временных интервалах, сумме импульсов АЭ от времени измерения («суммарный счет АЭ» ГОСТ 27655 - 88). Для повышения достоверности измерений кинетики КРН компьютерная система проектировалась в LabVIEW как многоканальная, с параллельной регистрацией АЭ. Для оценки воспроизводимости результатов измерений испытывались сразу несколько (до десяти) образцов в идентичных температурных условиях и с одинаковым временем экспозиции поверхности образца в коррозионном растворе.

При реализации студенческих проектов компьютерных информационно-измерительных систем АЭ используются как особенности языка программирования G (функции, операторы, потоковая передача данных, встроенные компоненты и т.д.), так и программные особенности виртуальных инструментов (визуальные инструменты, функции, процедуры, способы взаимодействия инструментов). Программирование контроллера ввода-вывода данных измерительной системы требует от студента знаний его аппаратной реализации и технических характеристик, умения работать с библиотекой динамической компоновки (DLL), a проектирование всей системы требует составления логической схемы, разработки алгоритма, блок-диаграмм и пользовательского интерфейса системы в LabVIEW. Проектирование удаленного доступа к измерительной системе, например, по открытым сетям общего доступа (Internet) требует разработки архитектуры, применения технологии CGI, виртуальных инструментов сетевых коммуникаций в LabVIEW, реализации WEB-сервера, использования интерпретируемых программ, например, на языке PERL для связи с виртуальными компонентами LabVIEW. Для управления внешними устройствами необходимы навыки подключения исполнительных внешних устройств к контроллеру ввода-вывода. Удаленный доступ к измерительным системам особенно эффективен при длительных измерениях АЭ. На рис.1 показана блок-схема удаленного доступа к стенду для испытания крепежных болтов автомобиля на замедленное водородное охрупчивание с измерением по АЭ кинетики разрушения высокопрочной стали -дипломные работы Демцева В.В. и Демцева Н.В. (2007г., кафедра Металловедения и физики прочности, Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет).

Рисунок 1. Блок-схема распределенной компьютерной информационно-измерительной системы.

Болт (рис.2-1) под механическим напряжением в специальном устройстве (рис.2-2;4) подвергался локальному электролитическому (рис.2-5) наводораживанию в ванне с водным раствором соляной кислоты (рис.2-3). Пьезодатчик АЭ крепился на полированной поверхности головки болта (рис.2-6) и для повышения помехозащищенности аппаратуры конструктивно объединялся с предварительным усилителем (рис.2-7) в одном корпусе. В блоке предварительной аналоговой обработки (рис.2-8) осуществлялось дополнительное усиление и фильтрация сигналов, выделение пиковых амплитуд АЭ.

Компьютерная измерительная система для наблюдения за водородным охрупчиванием металла по АЭ разрабатывалась как многоканальная система, с возможностью проведения измерений одновременно на нескольких образцах и сетевым доступом к интерфейсу измерительной системы для удаленного контроля измерений по сети Интернет.

Рисунок 2. Схема испытания болтов на замедленное разрушение при наводораживании с измерением акустической эмиссии.

Система сбора и обработки информации состоит из нескольких основных узлов. После блока аналоговой обработки сигналы АЭ преобразовывались в цифровую форму (поток данных) АЦП контроллера ввода-вывода, встроенного (рис.2-9) в рабочую станцию - «Коллектор» (рис.1). Данные сохраняются в коллекторе в локальный кеш (по методу FIFO) и затем передаются во все узлы сети широковещательными пакетами («UDP датаграммы»). При необходимости ограничения распространения этой информации по сети на всех хостах сети устанавливаются соответствующие маски. Для гибкости системы, позволяющей подключать новые модули, возможность проведения одновременно нескольких измерений обеспечивается использованием уникального для каждого канала номера UDP порта. Для обработки всей информации, определяемой частотой дискретизации АЦП и количеством одновременно проводимых измерений, может использоваться несколько разных вычислительных единиц системы: коллектор, архив, кластер, пользовательские рабочие станции. Сервер WEB-приложений здесь используется один для всей системы. Несколько независимых коллекторов позволяют вести параллельные измерения АЭ от разных объектов контроля, в том числе и территориально удаленных друг от друга. Например, при четырех работающих измерительных каналах контроллера ввода-вывода одного коллектора и двух работающих каналах другого коллектора в сети (в данном случае ethernet, рис.1) присутствуют 6 независимых потоков данных, которые могут обрабатывать все хосты одного широковещательного сегмента (общей распределенной по сети измерительной системы):

1 поток UDP:192.168.101.20:7654 → 192.168.101.255:10001

2 поток UDP: 192.168.101.20:7644 → 192.168.101.255:10002

3 поток UDP:192.168.101.20:7622 → 192.168.101.255:10003

4 поток UDP:192.168.101.20:7676 → 192.168.101.255:10004

5 поток UDP:192.168.101.23:1213 → 192.168.101.255:10005

6 поток UDP:192.168.101.23:8713 → 192.168.101.255:10005

Здесь сервер данных («архив») ведет запись всех 6 потоков на диск с соответствующей маркировкой. Сервер данных («архив») - это достаточно быстрая рабочая станция с SCSI-дисками, объединенными в RAID-массив. Этот сервер получает по сети данные (UDP- поток) и сохраняет их. В дальнейшем эти данные доступны для просмотра и обработки. Рабочие станции могут отобразить текущие измерения АЭ и их историю, могут выполнять простую обработку сигналов АЭ : дискриминацию сигнала по заданному порогу, получение суммы амплитуд АЭ или суммы импульсов АЭ на заданных временных интервалах и т.п. Доступ к измерительной информации возможен здесь в двух режимах: файловый (доступ к файловым ресурсам через SMB-сеть) или потоковый (передача потока данных для обработки в LabVIEW). Рабочая станция - это пользовательский интерфейс, который используется для просмотра, обработки и редактирования данных АЭ. Для просмотра текущих измерений прослушивается широковещательный UDP-поток, что позволяет не нагружать другие вычислительные единицы в процессе просмотра. При проведении измерений на всех пользовательских рабочих станциях виден список всех текущих измерений и полный доступ к архиву. Вычислительный кластер - одна или несколько мощных рабочих станций, на которых проводится параллельная обработка больших объемов измерительных данных. Если в процессе проведения измерений необходимо, например, постоянно отслеживать общую шумовую обстановку или проводить спектральный анализ сигналов АЭ или сложную статистическую обработку сигналов и т.п., то выполняет эту задачу кластер и выдает поток в сеть с результатом, который становится доступен «в реальном времени» на всех рабочих станциях. Последний элемент архитектуры - сервер WEB-приложений. Этот сервер позволяет пользователю (используя технологию CGI) получить доступ к текущим и архивированным измерениям АЭ.

Дальнейшее развитие аппаратных и программных средств компьютерных систем измерений требует рассмотрения ограничений, при которых АЭ может отображать процесс разрушения с точностью, необходимой для прикладных применений в лабораторных исследованиях и на производстве (Ханжин В.Г., Штремель М.А. 2004г.).

Элементарный акт хрупкого разрушения металла - скол одного зерна (или одной его границы), разрыв волокна композита. При этом трещина поперечником d~ 10 … 100 мкм вскрывается со скоростью порядка скорости звука (в стали с ~ 5км/ с), за время t_o~ d/c . «Несущая частота» первичного упругого импульса хрупкого разрушения w~ t₀^-1 ~ 50МГц . Поэтому импульс АЭ сильно размыт при регистрации аппаратурой, пропускающей до 2 МГц (редко до 20 МГц).

Тем более для прикладных задач АЭ нет смысла моделировать элементарные акты вязкого разрушения (или АЭ от одиночных полос скольжения, двойников, выход на поверхность дислокаций). При вязком разрушении образуются ямки диаметром d~ 0,3...З мкм. Сначала в металле разрушаются неметаллические включения размером ~ d/10, а после пластической деформации возникшей полости происходит срез перемычки между двумя или тремя смежными ямками. Только этот срез мог бы дать упругий импульс АЭ, но его «несущая частота» w ~ 1/d на 1...2 порядка выше, чем при хрупком разрушении поликристалла. Таким образом, импульсы от элементарных процессов хрупкого разрушения такие короткие, что лежат на границе разрешения современной аппаратуры, а вязкого разрушения - за ее пределами. Чувствительная аппаратура могла бы зарегистрировать одно такое событие, но в процессе разрушения их импульсы многократно перекрыты. И хотя Фурье-спектр множества импульсов такой же, как у одиночного импульса, в нужном диапазоне частот w измеряемый спектр отражает, в основном, полосу пропускания аппаратуры, а не явления разрушения.

Если в одном скачке одиночной трещины в материале разгружается площадка поперечником d, то амплитуда смещения в первичном упругом импульсе пропорциональна ее площади: А ~ d². Хотя регистрируемый сигнал АЭ есть интегральная свертка этого импульса с динамической функцией Грина объекта и передаточной функцией измерительного тракта, можно выделить первичный импульс АЭ и по нему оценить размер одиночной трещины. Это подтверждалось однозначным соответствием : числа импульсов - числу трещин (оборванных волокон в композите или вскрытых зернограничных фасеток в керамике), а сумм пиковых амплитуд импульсов -приростам площади трещины.

Приемно-усилительная и регистрирующая аппаратура должны быть согласованы с объектом измерения и по скважности импульсов. Если за время t_p разрушается образец поперечным сечением F₀, схема регистрации с постоянной времени х не сможет раздельно фиксировать скачки трещины по площади менее чем F~ (τ/t_p) F₀. При малой скважности импульсов приросты трещины удается измерять по их однозначному соответствию с импульсами АЭ при замедленном разрушении, коррозионном растрескивании, отколе покрытий, предразрушении композитов. Микротрещина - импульсный излучатель звука. Многократные отражения импульса (реверберация) в малогабаритном образце возбуждают широкий спектр его собственных низких частот. Информацию о трещине несет только первый импульс цуга. Его можно выделить по большой крутизне переднего фронта - малому времени нарастания (а при малой скважности и по наибольшей пиковой амплитуде АЭ в цуге).

Регистрировать скачки трещин «в пропорции 1:1» может пьезодатчик (например, демпфированный), не имеющий собственной реверберации или пьезопленка тоньше наименьшей трещины d. Для измерения размера трещин d нужна калибровка установленных датчиков импульсом от независимого источника звука, который должен иметь время нарастания не более, чем первичный импульс от трещины t_o~ d/c.

Промышленная аппаратура для прогноза разрушения конструкций должна накапливать амплитуды первичных импульсов трещин, отличая их от реверберации, газо- и твердожидкостных шумов и ударов, трения и вибраций конструкции и т.п. Разделение потоков импульсов от этих источников возможно, если оно заранее отработано и заложено в алгоритмы цифровой обработки сигналов, например, реализованных в LabVIEW.

В перспективе, многоканальная аппаратура акустической эмиссии с несколькими ступенями обработки сигналов (как это принято, например, в радиолокации) должна быть способна накапливать для прогноза историю предразрушения объекта контроля, что вполне возможно на современном уровне развития аппаратных и программных средств компьютерных измерительных систем.

..............................................................................................................................