Characterization of damage evolution on metallic components using ultrasonic non-destructive methods

Abstract

When fatigue is considered, it is expected that structures and machinery eventually fail. Still, when this damage is unexpected, besides of the negative economic impact that it produces, life of people could be potentially at risk. Thus, nowadays it is imperative that the infrastructure managers, ought to program regular inspection and maintenance for their assets; in addition, designers and materials manufacturers, can access to appropriate diagnostic tools in order to build superior and more reliable materials. In this regard, and for a number of applications, non-destructive evaluation techniques have proven to be an efficient and helpful alternative to traditional destructive assays of materials. Particularly, for the design area of materials, in recent times researchers have exploited the Acoustic Emission (AE) phenomenon as an additional assessing tool with which characterize the mechanical properties of specimens. Nevertheless, several challenges arise when treat said phenomenon, since its intensity, duration and arrival behavior is essentially stochastic for traditional signal processing means, leading to inaccuracies for the outcome assessment.
 In this dissertation, efforts are focused on assisting in the characterization of the mechanical properties of advanced high strength steels during under uniaxial tensile tests. Particularly of interest, is being able to detect the nucleation and growth of a crack throughout said test. Therefore, the resulting AE waves generated by the specimen during the test are assessed with the aim of characterize their evolution. 
 For this, on the introduction, a brief review about non-destructive methods emphasizing the AE phenomenon is introduced. Next is presented, an exhaustive analysis with regard to the challenge and deficiencies of detecting and segmenting each AE event over a continuous data-stream with the traditional threshold detection method, and additionally, with current state of the art methods. Following, a novel AE event detection method is proposed, with the aim of overcome the aforementioned limitations. Evidence showed that the proposed method (which is based on the short-time features of the waveform of the AE signal), excels the detection capabilities of current state of the art methods, when onset and endtime precision, as well as when quality of detection and computational speed are also considered. Finally, a methodology aimed to analyze the frequency spectrum evolution of the AE phenomenon during the tensile test, is proposed. Results indicate that it is feasible to correlate nucleation and growth of a crack with the frequency content evolution of AE events. Cuando se considera la fatiga de los materiales, se espera que eventualmente las estructuras y las maquinarias fallen. Sin embargo, cuando este daño es inesperado, además del impacto económico que este produce, la vida de las personas podría estar potencialmente en riesgo. Por lo que hoy en día, es imperativo que los administradores de las infraestructuras deban programar evaluaciones y mantenimientos de manera regular para sus activos. De igual manera, los diseñadores y fabricantes de materiales deberían de poseer herramientas de diagnóstico apropiadas con el propósito de obtener mejores y más confiables materiales. En este sentido, y para un amplio número de aplicaciones, las técnicas de evaluación no destructivas han demostrado ser una útil y eficiente alternativa a los ensayos destructivos tradicionales de materiales. De manera particular, en el área de diseño de materiales, recientemente los investigadores han aprovechado el fenómeno de Emisión Acústica (EA) como una herramienta complementaria de evaluación, con la cual poder caracterizar las propiedades mecánicas de los especímenes. No obstante, una multitud de desafíos emergen al tratar dicho fenómeno, ya que el comportamiento de su intensidad, duración y aparición es esencialmente estocástico desde el punto de vista del procesado de señales tradicional, conllevando a resultados imprecisos de las evaluaciones. Esta disertación se enfoca en colaborar en la caracterización de las propiedades mecánicas de Aceros Avanzados de Alta Resistencia (AAAR), para ensayos de tracción de tensión uniaxiales, con énfasis particular en la detección de fatiga, esto es la nucleación y generación de grietas en dichos componentes metálicos. Para ello, las ondas mecánicas de EA que estos especímenes generan durante los ensayos, son estudiadas con el objetivo de caracterizar su evolución. En la introducción de este documento, se presenta una breve revisión acerca de los métodos existentes no destructivos con énfasis particular al fenómeno de EA. A continuación, se muestra un análisis exhaustivo respecto a los desafíos para la detección de eventos de EA y las y deficiencias del método tradicional de detección; de manera adicional se evalúa el desempeño de los métodos actuales de detección de EA pertenecientes al estado del arte. Después, con el objetivo de superar las limitaciones presentadas por el método tradicional, se propone un nuevo método de detección de actividad de EA; la evidencia demuestra que el método propuesto (basado en el análisis en tiempo corto de la forma de onda), supera las capacidades de detección de los métodos pertenecientes al estado del arte, cuando se evalúa la precisión de la detección de la llegada y conclusión de las ondas de EA; además de, cuando también se consideran la calidad de detección de eventos y la velocidad de cálculo. Finalmente, se propone una metodología con el propósito de evaluar la evolución de la energía del espectro frecuencial del fenómeno de EA durante un ensayo de tracción; los resultados demuestran que es posible correlacionar el contenido de dicha evolución frecuencial con respecto a la nucleación y crecimiento de grietas en AAAR's.