Применение метода акустической эмиссии при испытаниях материалов для ядерной энергетики

¹ 1238

ÔÅÄÅÐÀËÜÍÎÅ ÀÃÅÍÒÑÒÂÎ ÏÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÞ

Êàôåäðà ìåòàëëîâåäåíèÿ è ôèçèêè ïðî÷íîñòè

Â.Ã. Õàíæèí
Ñ.À. Íèêóëèí

Ïðèìåíåíèå ìåòîäà
àêóñòè÷åñêîé ýìèññèè
ïðè èñïûòàíèÿõ ìàòåðèàëîâ
äëÿ ÿäåðíîé ýíåðãåòèêè

Ó÷åáíîå ïîñîáèå

Äîïóùåíî ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì 
ïî îáðàçîâàíèþ â îáëàñòè ìåòàëëóðãèè â êà÷åñòâå
ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ
çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòÿì Ôèçèêà
ìåòàëëîâ è Ìåòàëëîâåäåíèå è òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà
ìåòàëëîâ

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2008

УДК 669.017.004.12 
 
Х19 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Н.А. Семашко 

Ханжин В.Г., Никулин С.А. 
Х19  
Применение метода акустической эмиссии при испытаниях 
материалов для ядерной энергетики: Учеб. пособие. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2008. – 93 с. 

Рассмотрены физические основы применения метода акустической эмиссии (АЭ), информативные параметры акустического излучения при деформации и разрушении металлов, современная аппаратура и методы регистрации 
АЭ для диагностики материалов в ядерной энергетике.  
Пособие содержит примеры испытаний материалов с измерениями АЭ – 
перспективных промышленных циркониевых сплавов для конструктивных 
элементов активной зоны ядерных энергетических реакторов, композиционных технических сверхпроводников для магнитных систем термоядерного 
реактора. Рассмотрены возможности качественного и количественного анализа процессов деформации и разрушения материалов при механических испытаниях и в процессе изготовления изделий.  
Приведены вопросы для самоконтроля знаний и библиографический список основной и дополнительной литературы. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
150702 «Физика металлов» и 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов», а также аспирантов и научных сотрудников, специализирующихся в области разработки и исследования конструкционных материалов для ядерной энергетики. 
Пособие подготовлено при поддержке Фонда содействия отечественной 
науке по программе «Физик-ядерщик». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Объекты диагностики материалов в ядерной технике......................7 
2. Метод акустической эмиссии............................................................11 
2.1. Физические основы мониторинга материалов методом 
акустической эмиссии........................................................................11 
2.2. Информативные параметры акустической эмиссии 
при испытании материалов................................................................14 
2.3. Особенности акустической эмиссии при разрушении 
металлов ..............................................................................................20 
2.3.1. Акустическая эмиссия при хрупком разрушении .............21 
2.3.2. Акустическая эмиссия при вязком разрушении ................24 
2.3.3. Выделение доминирующих механизмов разрушения 
методом акустической эмиссии ....................................................26 
2.4. Аппаратура, методы регистрации и обработки сигналов 
акустической эмиссии........................................................................27 
2.5. Совместный анализ АЭ-диаграмм, диаграмм 
деформации и результатов фрактографического анализа 
для оценки качества материалов.......................................................37 
2.5.1. Оценка запаса пластичности сплавов по измерениям 
акустической эмиссии....................................................................37 
2.5.2. Оценка параметров трещиностойкости сплавов 
с низкой прочностью по измерениям акустической эмиссии ....40 
3. Материаловедческие задачи, требующие проведения  
испытаний с измерением акустической эмиссии ................................45 
3.1. Влияние структурных факторов на деформацию 
и разрушение сплавов циркония.......................................................45 
3.2. Водородное охрупчивание сплавов циркония..........................46 
3.3. Коррозионное растрескивание под напряжением сплавов 
циркония..............................................................................................48 
3.4. Анализ трещиностойкости тонких оксидных слоев 
на оболочках твэлов по измерениям акустической эмиссии..........49 
4. Испытания лабораторных образцов из сплавов циркония 
с регистрацией акустической эмиссии. Примеры экспериментов.....51 
4.1. Методика измерения акустической эмиссии при 
растяжении..........................................................................................51 
4.2. Испытания для оценки запаса пластичности сплавов 
при растяжении...................................................................................52 

4.3. Испытание образцов сплавов циркония на статическую 
трещиностойкость ..............................................................................57 
4.4. Испытание компактных образцов на замедленное 
гидридное разрушение при повышенных температурах................59 
4.5. Испытание образцов тонкостенных труб на статическую 
трещиностойкость ..............................................................................63 
4.6. Оценка трещиностойкости тонких оксидных слоев 
на оболочках твэлов по измерениям акустической эмиссии..........68 
4.7. Испытания на коррозионное растрескивание под 
напряжением образцов оболочек твэлов из сплавов циркония .....71 
5. Анализ акустической эмиссии деформации и разрушения 
технических композиционных сверхпроводников, применяемых 
в термоядерном реакторе.......................................................................75 
5.1. Основные задачи измерения акустической эмиссии 
при испытаниях композиционных проводов...................................75 
5.2. Испытания лабораторных образцов композиционных 
сверхпроводников с регистрацией акустической эмиссии.  
Примеры экспериментов....................................................................78 
5.2.1. Оценка запаса пластичности композиционных 
сверхпроводников при деформации растяжением ......................79 
5.2.2. Оценка запаса пластичности и анализ повреждаемости 
композиционных сверхпроводников при деформации 
кручением........................................................................................82 
5.2.3. Контроль процесса волочения композиционного 
провода по измерениям акустической эмиссии...........................86 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................90 
Библиографический список...................................................................92 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Одной из тенденций современного экспериментального материаловедения в мире является активное развитие методов локальной диагностики материалов, в частности, методов нестандартных испытаний малогабаритных лабораторных образцов или образцов непосредственно конечных изделий (труб, листов, проводов и др.). При этом 
локальные методы диагностики не заменяют и не могут заменить 
традиционные 
методы 
испытания 
материалов, 
утвержденные 
ГОСТами, ТУ на их проведение.  
Развитие методов локальной диагностики обусловлено как возрастающими требованиями к новым материалам, так и совершенствованием инструментальной базы экспериментального материаловедения. Во-первых, повышаются требования к реакторным материалам и изделиям из них на разных стадиях производства и эксплуатации. Во-вторых, возникает необходимость эффективного обеспечения разработок новых материалов и технологий высокочувствительными методами диагностики в случаях, когда методы, основанные на 
полномасштабных натурных испытаниях, неэффективны и нецелесообразны (например, в силу затрат времени на проведение эксперимента или анализа его результатов).  
Технологически быстрое развитие методов локальной диагностики в материаловедении обеспечено техническими достижениями в 
таких направлениях научного приборостроения, как: 
1) средства аналитического анализа, как по разрешающей способности (вплоть до наблюдения единичных атомов, например, методами 
туннельной микроскопии), так и по локальности анализаторов; 
2) средства вычислительной техники, как по вычислительной 
мощности микропроцессоров, так и по объему и быстродействию 
электронной памяти, что сделало возможным, например, многоканальную регистрацию измеряемых параметров и их обработку в режиме реального времени; 
3) сенсорная электроника. Технологии измерения с помощью миниатюрных высокочувствительных датчиков механических, электрических, акустических, химических, оптических и других параметров 
позволили методам локальных испытаний по нестандартным схемам 
стать надежным и хорошо воспроизводимым инструментом экспериментального материаловедения. 

Наряду с интенсивным развитием технических средств локальной 
диагностики возрастает роль методического обеспечения технологий 
такого контроля. Нестандартные задачи, решаемые на нестандартных 
образцах, требуют серьезного анализа поставленной задачи, разработки новых схем и методов испытаний, измерений наиболее информативных параметров и разработки методов анализа полученных 
результатов. Несмотря на общие элементы технологий локального 
контроля (например, использование в качестве высокочувствительного индикатора процессов в материалах сигналов акустической 
эмиссии (АЭ) как диагностических сигналов), каждая задача требует 
своего методического подхода. Формальный подход к решению задач локальной диагностики с применением даже таких методов, как 
метод АЭ, и мощных средств вычислительной техники является наи-
более типичной причиной неудач: плохой воспроизводимости и неинтерпретируемости результатов измерений. Поэтому решающее 
значение при развитии методов локальной диагностики часто приобретает накопленный методический и технологический опыт экспериментатора. 
В настоящем пособии иллюстрируется такой опыт применения 
локальной диагностики в реакторном материаловедении при проведении лабораторных исследований и испытаний материалов с применением метода акустической эмиссии на кафедре металловедения 
и физики прочности МИСиС. 

1. ОБЪЕКТЫ ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ 
В ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКЕ 

Для получения ядерной энергии используются процессы двух типов: расщепление ядер тяжелых элементов, либо соединение (синтез) 
ядер легких элементов. 
В промышленных масштабах энергия деления ядер урана была 
реализована в технологических установках атомных реакторов. В 
атомной энергетике широко используются реакторы, тепловыделяющие системы (ТВС) которых содержат нагревательные (тепловыделяющие) элементы (твэлы), погруженные в теплоноситель, например воду. Таблетки диоксида урана – «ядерное горючее» – находятся в металлических тонкостенных оболочках твэлов реактора. 
Оболочки твэлов энергетических реакторов на тепловых нейтронах 
изготовляют из сплавов циркония, а реакторов на быстрых нейтронах – из сталей.  
Требования к материалам для элементов ТВС. Из циркониевых 
сплавов изготовляют следующие основные элементы ТВС атомных 
реакторов: особо тонкостенные оболочечные трубы тепловыделяющих элементов, трубы направляющих каналов, центральные трубы, 
трубы давления, каландровые и кожуховые трубы, а также дистанционирующие решетки, уголки жесткости каркаса и другие элементы 
конструкций ТВС, изготовляемые из плоских лент и листов.  
Циркониевые оболочки должны непрерывно работать в реакторе 
не менее 3…4 лет, а канальные трубы – не менее 30 лет. 
Основным компонентом активной зоны ядерного реактора являются твэлы. Они представляют собой цилиндрические тонкостенные 
оболочки (диаметром 7…18 мм, толщиной стенки 0,3…1,0 мм, длиной до 4 м) из сплавов циркония, заполненные ядерным топливом 
таблетками – диоксида урана (рис. 1). Кроме таблеток топлива твэлы 
содержат поджимающие их дистанционирующие пружины, обеспечивающие удержание и непрерывность столба таблеток. 

 

Рис. 1. Схема стержневого твэла: 1 – пробка (заглушка); 2 – таблетки 
диоксида урана; 3 – оболочка; 4 – дистанционирующая пружина;  
5 – геттер; 6 – крепление пружины 

Оболочки твэлов обеспечивают требуемую механическую прочность конструкции, ее размерную стабильность, защищают ядерное 
топливо и продукты деления от воздействия теплоносителя. 
Они работают в сложных условиях при одновременном воздействии на них температуры, облучения, коррозионной среды и механических напряжений. Снаружи они подвергаются коррозии при контакте с теплоносителем, имеющим температуру до 380 °С, а изнутри – коррозии под действием влаги, водорода, фтора, йода, цезия и 
других элементов, выделяющихся из топлива при работе тепловыделяющих элементов. Оболочки испытывают механические напряжения от расширяющихся со временем таблеток топлива.  
Материал и конструкция твэла должны обеспечить его надежную 
работу в течение длительного времени в чрезвычайно тяжелых условиях эксплуатации. Необходимо обеспечить прежде всего его герметичность и стабильность размеров. Разгерметизация твэла приводит 
к попаданию ядерного топлива и продуктов деления в теплоноситель, что абсолютно недопустимо. 
При эксплуатации реактора оболочки твэлов накапливают повреждения, которые приводят к изменению структуры и свойств, под 
действием целого ряда факторов. Среди них: 
– давление и температура теплоносителя; 
– нейтронное облучение; 
– коррозия со стороны теплоносителя и фреттинг-коррозия из-за 
трения оболочек с другими элементами конструкции ТВС; 
– перегревы оболочки из-за окисления и отложения продуктов 
коррозии; 
– наводороживание; 
– динамические нагрузки из-за вибраций; 
– давление газовых продуктов деления под оболочкой; 
– термические напряжения от теплового потока, дифференциальный осевой рост из-за различного термического расширения диоксида урана и циркониевого сплава; 
– радиационный рост из-за накопления радиационных дефектов 
в материале оболочки. 
Поэтому материал оболочек твэлов должен обладать комплексом 
высоких механических свойств в диапазоне температур от комнатной 
до рабочей (350…380 °С) и до 1200 °С при аварийных ситуациях и 
удовлетворять многочисленным требованиям, основные из которых: 
– высокая коррозионная стойкость; 
– стойкость к радиационному росту; 

– минимальная скорость ползучести; 
– высокая длительная прочность; 
– высокое сопротивление разрушению. 
При этом материал оболочек должен обладать высокой технологичностью, необходимой для изготовления длинномерных тонкостенных изделий с точными геометрией и размерами, с высоким качеством поверхности и отсутствием внутренних дефектов. 
Контроль комплекса свойств конструкционных материалов для 
активной зоны реакторов по механическим характеристикам, трещиностойкости, коррозионной стойкости, радиационной повреждаемости и другим, а также необходимость повышения служебных характеристик материалов активной зоны реактора требуют их лабораторных испытаний с привлечением новейших методов диагностики. 
Термоядерная энергетика основана на использовании термоядерного синтеза ядер легких элементов – изотопов водорода: дейтерия 
(реакция Д+Д) или трития (Д+Т). Запасы термоядерного топлива, 
например, растворенного в воде океанов, огромны. В термоядерном 
реакторе невозможно осуществить реакцию неуправляемого синтеза, 
что гарантирует его безопасность. Однако состояние горячей плотной плазмы, необходимой для синтеза ядер, отличается крайней неустойчивостью, а при ее температуре, составляющей миллионы градусов, контакт со стенками реактора недопустим. Длительное время 
удержания (и нагрева) плотной плазмы для коммерчески значимого 
использования термоядерной энергии – это пока нерешенная техническая задача. Чтобы не допустить контакта плазмы со стенкой реактора, удержание плазмы осуществляется сильным магнитным полем 
магнитной ловушки, которое создается в тороидальной камере реактора обмоткой электромагнита. Проблема разогрева обмотки электромагнита большим электрическим током решается применением в 
обмотке магнитов уникальных сверхпроводящих композиционных 
проводов (например, на основе интерметаллидов типа А15 (Nb3Sn)), 
теряющих электрическое сопротивление при охлаждении провода 
жидким гелием. Композиционный сверхпроводящий провод сечением до 1 мм2 может содержать несколько десятков тысяч тонких волокон из ниобия в бронзовой матрице (рис. 2). Такой проводник изготовляется по сложной технологии, включающей многократную холодную пластическую деформацию (волочением) с промежуточными 
отжигами и диффузионный отжиг для получения сверхпроводящего 
соединения Nb3Sn. 

а 
б 
Рис. 2. Конструкция композиционного технического 
сверхпроводящего провода: а – поперечное сечение 
стабилизированного многожильного сверхпроводника (1 – медная 
оболочка провода; 2 – диффузионный барьер из тантала;  
3 – бронзовая матрица с ниобиевыми волокнами);  
б – схема конструкции композиционного провода (d – диаметр провода;  
dв – диаметр волокна ниобия; D – диаметр стренда (пучка) ниобиевых 
волокон; h – толщина бронзовой прослойки между волокнами ниобия; 
H – толщина бронзовой прослойки между стрендами) 

Провод длиной несколько километров не должен содержать обрывов волокон. Это требует специального подбора материалов для 
обеспечения необходимого запаса пластичности сложного композита, что, в свою очередь, ставит задачу жесткого технологического 
контроля механических свойств и дефектности композиционного 
материала при производстве длинномерных технических сверхпроводящих проводов.  

2. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ 

2.1. Физические основы мониторинга 
материалов методом акустической эмиссии 

Акустическая эмиссия (АЭ) – это акустическое излучение ультразвукового диапазона (∆ƒ~100 МГц), сопровождающее процессы фазовых превращений, деформации и разрушения материалов. Метод 
АЭ – быстроразвивающийся метод неразрушающего контроля (НК) 
конструкций и материалов на производстве и при лабораторных испытаниях. В качестве диагностических сигналов в этом методе используются сигналы АЭ – импульсное акустическое излучение от 
динамической перестройки полей упругих напряжений в твердом 
теле, которые содержат уникальную информацию как о кинетике 
процесса, так и о масштабах источников АЭ (например, трещин).  
Эффект излучения (эмиссии) звука при разрушении или деформации материалов был известен задолго до создания современных технологий неразрушающего контроля. Всем известен характерный 
треск при разрушении, а громкие щелчки при деформации олова 
двойникованием издавна имеют специальное название «крик олова». 
«Датчиком» АЭ здесь является человеческое ухо (частотный диапазон до 20 кГц). Однако основная энергия АЭ остается и рассеивается 
в материале, а в воздух переходит только несколько процентов общей энергии звуковой волны. Это связано с сильным внутренним 
отражением упругих волн от границы «металл – воздух», степень 
которого определяется отношением удельной плотности металла и 
воздуха, а также различием между скоростями звука в этих средах. 
Эмиссия звука сопровождает быстрое изменение полей упругих напряжений в материале. Например, при образовании трещины напряжения на ее поверхности падают до нуля и в материал излучается 
акустический импульс. Также АЭ сопровождает выделение упругой 
энергии при преобразовании полос сдвига или двойников при деформации, при мартенситном превращении и многих других процессах. 
Высокая чувствительность метода АЭ обеспечивает широкий 
спектр его применения в лабораторных исследованиях, включая регистрацию элементарных актов деформации и образование микротрещин, выделение и анализ микромеханизмов разрушения, анализ 
развития процесса разрушения объекта контроля по изменению параметров импульсного потока АЭ.  

В отличие от традиционных методов, использующих ультразвуковые волны в качестве диагностических сигналов, например, таких 
как ультразвуковая дефектоскопия, метод АЭ является «пассивным» 
методом. Диагностические сигналы здесь не вводятся в объект контроля принудительно, а являются следствием процессов, происходящих в материале. Контрольно-измерительная аппаратура работает 
только в режиме приема («прослушивания») сигналов АЭ.  
Метод АЭ – часто единственный метод, позволяющий надежно 
проводить прямые измерения внутренних трещин в реальном времени. Численное решение задачи о волне разгрузки от дискообразной 
трещины диаметром d в полупространстве под механическим напряжением σ в материале показывает, что пиковая амплитуда акустического смещения А на поверхности образца (в месте установки датчика) пропорциональна мощности Р выделяемой энергии внутреннего 
источника АЭ. Если время вскрытия трещины – tp, а высвобождаемая 
в зоне разрушения упругая энергия – u, то u~P~A/tp. Плотность упругой энергии в материале  

 
W = σ2/2E, 

где Е – модуль Юнга, а объем разгрузки V ~ d3, тогда смещение поверхности, регистрируемое датчиком: 

 
u~W/tp~d3σ/tp.  

Скорость распространения хрупкой трещины не может превышать скорость передачи энергии в материале, т.е. скорость звука (Сзв) 
в нем. При времени вскрытия трещины tp ~ d/Сзв смещение пропорционально площади трещины: u ~ d2.  
Таким образом, пиковая амплитуда акустического смещения в 
волне от хрупкой внутренней трещины Up пропорциональна площади зоны разрушения F ~ d2 (при неизменном σ). Однозначной связи 
Up(d) следует ожидать в первую очередь для хрупких трещин: 
Up ~ Сзв. Скорость вязкой трещины значительно меньше звуковой и 
может сильно зависеть от размера трещины.  
Как для любого метода измерений, при лабораторных измерениях 
методом АЭ существуют ограничения, которые необходимо учитывать при планировании эксперимента и при анализе результатов. 
Амплитуда импульса АЭ (Up) зависит от «диаграммы направленности» излучателя АЭ: