Александр Щербаков: любой дефект в металле излучает ультразвуковые волны

В совместной научной работе кафедры теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов (№5) и лаборатории функциональной электрофизической диагностики и неразрушающего контроля (№687) НИЯУ МИФИ уже давно проходят исследования новаторского метода неразрушающего контроля металлических поверхностей. Об этой научной разработке и перспективах ее прикладного применения мы беседуем со старшим преподавателем кафедры Александром Щербаковым.

Интервью взято для рубрики "Голос науки"

Александр Щербаков

– В чем суть метода неразрушающего контроля, который вы разрабатываете?

– Мы исследуем электрические методы неразрушающего контроля. Частным случаем является метод сканирующей контактной потенциометрии (СКП). Если кратко, суть метода заключается примерно в следующем. В момент контакта двух разных металлов происходит переход электронов из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода. При использовании достаточно точной аппаратуры мы можем зафиксировать этот ток и соответствующее ему напряжение. В материалах всегда присутствуют дефекты, их там очень много: точечные, протяженные и другие. Поэтому при сканировании датчиком поверхности образца, аппаратура фиксирует скачки измеряемого сигнала. Любой внутренний дефект излучает волны упругих напряжений, которые взаимодействуя с электронной системой преобразователя, приводят к изменению локальной работы выхода электронов и появлению соответствующей разности электрических потенциалов. В зоне контакта всегда существует неравновесное состояние и протекают интенсивные процессы обмена электронами между обеими поверхностями, особенно если работа выхода в металлах имеет близкие значения.

– Он обнаруживается уменьшением потенциала?

– Уменьшением или увеличением, в зависимости от того, какой там дефект. Например, небольшую пору в сварном соединении мы видим, как отрицательный рефлекс, с отрицательным значением потенциала. Включение мелкого вольфрамового осколка в том же сварном соединении дает на выходе преобразователя положительный потенциал и соответствующий положительный рефлекс на потенциограмме. Все поверхности имеют конкретное значение волнистости или шероховатости. Если образец активно деформируется, профиль поверхности изменяется как функция от времени. Тогда мы имеем дело с деформационной активностью поверхности и видим изменение сигнала, в том числе и за счет изменения площади пятна контакта между преобразователем и поверхностью. Поэтому наш метод позволяет корректировать результат эксперимента с использованием модели динамической шероховатости.

Справочно

• Рефлексом называется результат биметаллического взаимодействия поверхности преобразователя с поверхностью контроля, характеризующийся протяженностью, формой и распределением градиента электрического потенциала. Рефлексы могут иметь произвольную форму и протяженность, которые определяются по потенциограммам.
• Опорным рефлексом называется одиночный протяженный рефлекс, имеющий форму гексагона.
• Положительным называется рефлекс с положительным значением потенциала.
• Отрицательным – с отрицательные значения потенциала.

– Почему динамической? Разве шероховатость меняется?

– Да, еще как. Просто на глаз мы этого не замечаем, а современный прибор с нано вольтовой чувствительностью фиксирует это очень быстро. Ультразвуковые волны, излучаемые дефектами в объеме, достигают поверхности и приводят к ее микроколебаниям. Этот эффект хорошо известен специалистам по акустической эмиссии. По аналогии приходит сравнение с земной поверхностью, колеблющейся в результате землетрясения. Поверхность также можно сравнить и с плоской мембраной, которая хаотически колеблется с высокой частотой. Если мы в какой-то точке такой поверхности коснемся преобразователем, то мгновенно получим реакцию измерительной системы. На потенциограмме в месте касания появляется рефлекс. Но мы получим реакцию не от одного, а сразу от многих дефектов-излучателей, находящихся в зоне касания, в том месте, в которое мы установили датчик. То есть, на выходе преобразователя мы получаем сразу целый «волновой пакет». И это только в одной точке. Нам опять на помощь приходит техника. Современные мультиметры за одну секунду производят сразу тысячу измерений. Поэтому следующей нашей задачей является выделение из этого многообразия колебательных мод, соответствующих значимым дефектам.

– То есть, изменение, вызванное ультразвуком, фиксируется как изменение шероховатости?

– Точнее – как изменение электродвижущей силы протекающего тока через пятно контакта под влиянием двух факторов: под действием упругих волн в отсутствии внешней нагрузки или в упругой области и за счет изменения площади пятна контакта при активных испытаниях, в области пластической деформации.

– А насколько точно может различать разные типы дефектов?

– На основе многолетнего опыта экспериментальной работы создана база данных для опорным рефлексов, которая включает информацию о протяженности рефлексов, их форме, градиенте потенциала и ряда других параметров. Все опорные рефлексы верифицированы независимыми методами неразрушающего контроля и сопоставлены с реальными дефектами различных типов. Необходимо отметить, что научная группа работает над этим методом приблизительно с середины 1980-х годов. Поэтому счет уже идет на сотни проведенных экспериментов и тысячи испытанных образцов, включая современные материалы и оборудование атомных станций. Наш метод надежно выявляет зародыши трещин и растущие усталостные трещины, дефекты в сварных швах, непровары и несплавления, образование фаз и фазовые переходы в сталях, шлаковые включения и газовые поры, пустоты, свищи и другие дефекты структуры. Более десятка разных типов дефектов мы можем идентифицировать по форме и интенсивности сигнала.

– С поверхностями из каких материалов вы можете работать?

– В принципе, нам подходят любые металлы - то есть любой проводящий материал. Сейчас, в основном, мы работаем с разными марками сталей, но в нашем архиве есть результаты по меди и алюминию, по различным сплавам, фазам внедрения, цветным металлам, сверхпроводникам и наноматериалам.

– Насколько мощный ток требуется для проверки и нет ли здесь опасность появления артефактов, когда сам ток может повлиять на поверхность?

– Это важный момент. Метод, которым мы занимаемся – пассивный и не требует никакого внешнего воздействия. То есть, мы не пропускаем ток через образец, а работаем с тем «естественным» потенциалом, который распределен на поверхности. Поэтому нам нужна прецизионная аппаратура, чтобы фиксировать напряжение, связанное с миграцией электронов через контакт двух различных металлов. Правда, результаты исследований показывают, что и в случае двух одноименных металлов, применяя специальную методику, можно извлечь необходимую для нас информацию.

– Вашему методу придется конкурировать с теми, что уже присутствуют на рынке и применяются в индустрии?

– Во всем мире для неразрушающего контроля промышленной продукции применяются, прежде всего, ультразвук и рентген — это два наиболее массовых и распространенных инструментальных метода контроля. С электрическими методами ситуация чуть посложнее. Так получилось, что развитие они получили позже и готовых решений по промышленному применению почти нет. Есть на рынке приборы для выявления трещин, но в их основе лежат устаревшие измерительные технологии. Мы первыми применили новые технологии измерения и обработки сигналов нано вольтового диапазона и сейчас находимся на восьмом (из девяти) уровне технологической готовности (TRL) по изготовлению промышленного образца первого электрофизического дефектоскопа. В неразрушающем контроле применяется также визуальный метод и методы с использованием порошков и проникающих красок. Но последние из перечисленных годятся только для обнаружения поверхностных дефектов и не могут выявить глубоко залегающие неоднородности. А ультразвук, например, в силу своих особенностей, имеет «мертвую зону» вблизи поверхности. Метод контактной потенциометрии, о котором идет речь, одинаково надежно обнаруживает дефекты как в объеме, так и в поверхностных слоях. На сегодняшний день мы можем обнаружить такой дефект, как например, небольшую пору, на глубине 70 мм от поверхности металла. И это считается для нас очень хорошим результатом. Многие эксперты по неразрушающему контролю, с которыми мы сотрудничаем, уже поняли и признали достоинства и преимущества метода контактной потенциометрии. Есть и понимание того, что новые технологии измерений и контроля повлекут за собой изменения в технологиях сварки, производстве материалов и т.д. Тогда и включится эффект «домино».

– В чем преимущества вашего метода?

– Главные преимущества метода СКП сформулировали наши партнеры и коллеги из отдела методов неразрушающего контроля АО «АЭМ-технологии «Атоммаш» в городе Волгодонске. Кстати, совсем недавно, между нашим университетом и заводом заключено соглашение о научно-техническом сотрудничестве и об использовании результатов совместной интеллектуальной деятельности. Сравнивались ультразвуковой, рентгенографический и наш метод по ключевым показателям – степени выявляемости дефектов, трудоемкости контроля и стоимости комплекта аппаратуры. Во всех трех позициях наш метод имеет заметные преимущества.  Сюда еще можно добавить то, что для функционального контроля элементов активных зон реакторов метод СКП, на сегодняшний день, не имеет альтернативы. Преимуществом также является его применение в недоступных для других методов местах. Например, только методом контактной потенциометрии можно проконтролировать поверхность внутренней резьбы или внутреннюю поверхности трубы малого диаметра. Мы определили зону усталостного разрушения, с размерами в несколько квадратных миллиметров, сверла диаметром 10 мм из быстрорежущей стали, покрытое тонким слоем нитрида титана, исследуя поверхности излома двух его половинок.

– Насколько масштабными могут быть площадь поверхности, которые проверяемы вашим методом?

– Задачи бывают совершенно разные. Некоторые образцы, с которыми мы работаем, требуют проверки отверстий размером два на два миллиметра. А на заводе это может быть сварной шов коллектора парогенератора диаметром более одного метра и шириной около 10 сантиметров, это большое «кольцо», которое надо все промерить. К нам уже обращались металлурги со своей проблемой неразрушающего контроля листового проката шириной около двух метров. Универсальность применения метода и для больших, и для малых образцов объясняется размерами преобразователей, сравнимых с размерами кончика иголки, и их точечной разрешающей способностью.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ