ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................................5
Глава 1. Физические предпосылки разработки моделей, имитирующих рассеивающие свойства неоднородностей металлов и сплавов естественного металлургического происхождения.........................................17
1.1. Особенности структуры естественных неоднородностей и способы их учета при математическом моделировании.......................20
1.2. Идеализированные модели, используемые для изучения взаимодействия упругих волн с неоднородностями естественного происхождения в материалах......................................26
1.3. Выводы.........................................................55
Глава 2. Рассеяние плоских воли на упругом цилиндре с частичным нарушением условий контакта на поверхности в твердой среде..............58
2.1. Постановка задачи рассеяния....................................58
2.2. Определение падающей волны.....................................63
2.3. Определение рассеянной волны...................................67
2.4. Определение граничных условий..................................73
2.4.1. Граничные условия при «сварном» контакте...................73
2.4.2. Граничные условия при нарушении качества контакта..........73
2.5. Определение характеристик рассеянного поля.....................80
2.6. О решении бесконечных систем алгебраических уравнений..........83
2.7. Численная оценка энергетических характеристик рассеянных полей...........................................................85
2.7.1. Энергетические характеристики поля, рассеянного на упругом цилиндрическом включении в упругой среде, при уменьшении зоны нарушенного контакта и нормальном симметричном падении продольной волны с теневой стороны сектора с нарушенной адгезией........................................'.................90
2.7.2. Энергетические характеристики поля, рассеянного на упругом цилиндрическом включении в упругой среде, при увеличении зоны
нарушенного контакта и нормальном симметричном падении
продольной волны на сектор с нарушенной адгезией...................99
2.7.3. Энергетические характеристики поля, рассеянного на упругом цилиндрическом включении в упругой среде, при произвольном расположении сектора с нарушенной адгезией относительно фронта падающей продольной волны.........................................104
2.8. Выводы.........................................................109
Глава 3. Рассеяние плоских волн на упругом слоистом цилиндре с частичным нарушением условий контакта на границе слоев............................112
3.1. Постановка задачи рассеяния....................................112
3.2. Формирование матрицы передачи..................................113
3.3. Определение характеристик рассеянного поля ..;.................117
3.4. Численная оценка энергетических характеристик рассеянных
полей...............................................................122
3.5. Выводы.........................................................141
Глава 4. Рассеяние плоских волн на системе упругих цилиндров............143
4.1. Постановка задачи рассеяния....................................143
4.2. Решение бесконечной системы линейных алгебраических
уравнений...........................................................149
4.3. Численная оценка энергетических характеристик рассеянных
полей............................................................................153
4.4. Выводы.........................................................165
Глава 5. Анализ уравнений акустическою тракта при обнаружении цилиндрических неоднородностей эхо-методом..............................168
5.1. Расчет акустического тракта....................................168
5.2. Численная оценка полученных результатов ......................175
5.3. Выводы.........................................................183
3
Глава 6. Экспериментальное исследование рассеивающих свойств
цилиндрической неоднородности........................................186
6.1. Разработка требований к экспериментальной установке.........186
6.1 Л. Разработка экспериментальных образцов и их параметры 188
6.1.2. Требования к поверхности образцов.......................193
6.1.3. Пьезоэлектрические преобразователи, применяемые при проведении эксперимента...................................194
6.1.4. Схема измерительной установки...........................196
6.2. Методика эксперимента.......................................199
6.4. Выводы......................................................208
Заключение...........................................................210
Список литературы....................................................213
Приложение...........................................................233
4
ВВЕДЕНИЕ
Проблема качества выпускаемой продукции в современной промышленности заслуживает особого внимания, так как именно качество сырья, материалов и изделий в значительной степени определяет качество и срок службы машин и механизмов. С совершенствованием производства изделий и материалов модернизируются технологии их получения, что приводит к возрастанию многообразия дефектов естественного происхождения. Особенно опасными с точки зрения надежности изделия являются плоские дефекты с малым раскрытием (трещины, тонкие непровары и др.). Округлые дефекты (шлаки, поры) часто считаются допустимыми, если их размеры не превосходят определенной величины. Дефекты, вытянутые в некотором направлении (цепочки пор, волосовидные поры, непровары, заполненные шлаком) занимают промежуточное положение с точки зрения влияния на эксплуатационные свойства изделий.
Неоднородности твердых упругих сред могут быть обусловлены многими причинами: инородными включениями, градиентами температуры, концентрации, зернистым строением вещества и т.д. В ходе технологических процессов производства металлоизделий в последних в результате действия различных, случайных факторов, обусловленных некоторыми неизбежными отклонениями от "идеальной" технологии, могут формироваться самые разнообразные, нежелательные нарушения в требуемой структуре материала. В зависимости от своих характеристик неоднородности могут быть отнесены к потенциально опасным из-за чрезмерного изменения физико-механических свойств материала. По этой причине возникает необходимость в совершенствовании методов и средств для своевременного обнаружения и оценки параметров неоднородностей в процессе производства и прогнозирования поведения конструкций в условиях эксплуатационных нагрузок с дальнейшей их проверкой в эксплуатационных условиях. Эти
5
задачи относятся к области неразрушающего контроля (НК). Затраты на НК достаточно быстро окупаются, поэтому эта отрасль является экономически эффективной, что предопределяет ее дальнейшее развитие как одного из важнейших направлений научно-технического прогресса.
Способность упругих колебаний распространяться в твердых средах на значительные расстояния позволила ультразвуку занять одно из ведущих мест среди инструментов исследования упругих сред. Изучение свойств объемных упругих волн и процессов их распространения в твердых упругих телах проводилось еще в [1]. В нашей стране применение ультразвуковых методов исследования материалов и изделий связано с именем члена-корреспондента АН, профессора С.>1.Соколова [2]. Открытые явления сделали возможным решение ряда таких важных практических задач как: обнаружение скрытых дефектов в материалах и изделий простой и сложной формы; создание линий задержки; прецизионные измерения толщины стенок конструкций; определение упругих характеристик материалов; определение физико-химических свойств материалов и т.д. Обнаруженные универсальные свойства ультразвука обеспечили ему преобладающее положение в ряде фундаментальных и прикладных научно-технических областей, привели к формированию таких прогрессивных направлений как акустическая диагностика, акустооптика, акустоэлектроника и т.д.
Достижение отмеченных успехов в применении ультразвука в значительной степени стало возможным на основе результатов теоретического изучения процессов распространения и рассеяния объемных упругих волн, и особенно, тех разделов, в которых рассматриваются взаимодействия объемных упругих волн с различного рода неоднородностями в твердых, упругих телах. В ультразвуковом неразрушающем контроле и измерениях, в качестве информативного источника широко используются свойства рассеянных на неоднородностях упругих волн. По этой причине изучение процессов взаимодействия упругих волн с неоднородностями различных типов, продолжает привлекать
внимание исследователей. Достигнутые результаты исследований в дальнейшем могут служить основой для разработки новых средств и методов неразрушающего контроля и измерений, обладающих более высокими, по сравнению с предыдущими, информативными характеристиками.
В практике ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии часто возникает задача обнаружения всевозможных вытянутых, одномерно-протяженных включений в материале изделия, а также определения их параметров (рисунок 1.), т.е. обнаружения пор, микротрещин и других дефектов, возникающих на границе включения и основного материала. Наиболее широкое применение при имитации протяженных включений получил искусственный отражатель типа бесконечного цилиндра. В настоящее время известны технологические возможности для изготовления таких отражателей с целью имитации в эталонных образцах условий обнаружения подобных неоднородностей с помощью ультразвука.
• . ' . -1 1 ’ ' ; | V * ** *-• - * .
V УДЯ
I
I
Рисунок 1. - Микрошлифы дефектов, обнаруженных в металле
7
При теоретическом изучении рассеивающих свойств неоднородностей различных типов в твердых, упругих средах широко используются их идеализированные математические модели. Используемый для этих целей ряд моделей, вследствие многообразия строения неоднородностей естественного происхождения, не в состоянии отразить "все" процессы, возникающие при взаимодействии с ними упругих волн. И как следствие этого большинство методов акустической диагностики в рамках традиционных подходов используют далеко не весь объем доступной информации о взаимосвязи характеристик рассеянного естественной неоднородностью излучения и строением самой неоднородности. Одной из особенностей строения, которая рапсе не учитывалась при рассмотрении взаимодействия упругих воли с естественными неоднородностями, является сложная структура зоны контакта неоднородности с вмещающей средой. Поэтому не достаточно полно изучено ее влияние на характеристики рассеянных упругих полей.
С другой стороны возникает проблема, связанная с изготовлением эталонных образцов, более адекватно отражающих влияние особенностей строения неоднородностей на характеристики рассеянных ими упругих полей. Кроме того, хотя известно, что в силу особенностей внутреннего строения во многих неоднородностях естественного происхождения имеет место затухание упругих волн, но количественная оценка влияния данного явления на формирование рассеянных полей также до последнего времени не являлось предметом более пристального изучения.
Эти особенности строения включений не учитывались в предшествующих работах. Однако, известны экспериментальные данные, применительно к неоднородностям металлургического происхождения, когда наблюдается существенное изменение рассеивающих свойств, вследствие раздробленности заполняющего рассеиватель вещества и нарушение акустической связи на границе раздела металл-включение. Известны случаи,
8
когда нарушение акустической связи может наблюдаться на некоторой части поверхности включения.
Данная диссертационная работа посвящена систематизированному изучению влияния состояния границы раздела "вмещающая среда — включение" на формирование характеристик полей упругих воли ультразвукового диапазона, рассеянных, как на отдельных, так и на множественных совокупностях локальных неоднородностей.
С учетом изложенных выше фактов целью диссертационной работы является расширение и углубление физических предпосылок использования закономерностей рассеивающих свойств неоднородностей металлов для разработки усовершенствованных средств неразрушающего контроля с функциональными возможностями получения дополнительной информации о свойствах обнаруженных неоднородностей и повышения реалистичности интерпретации результатов акустических измерений.
Объектом исследования в работе являются неоднородности естественного (в т.ч. металлургического) происхождения в металлах листового проката и композиционных материалах специального назначения.
Предметом исследования в работе являются волновые процессы, характеризующие рассеяние упругих волн в твердой среде объектами со сложной структурой строения.
Целью диссертационной работы является расширение и углубление физических предпосылок использования закономерностей рассеивающих свойств неоднородностей металлов для разработки усовершенствованных средств неразрушающего контроля с функциональными возможностями получения дополнительной информации о свойствах обнаруженных неоднородностей и повышения реалистичности интерпретации результатов акустических измерений.
Достижение цели работы обеспечено решснис>м следующих задач:
- теоретическое и экспериментальное исследование влияния на результаты ультразвукового контроля особенностей состояния границы раздела "вмещающая среда - включение" при взаимодействии упругих плоских объемных волн с единичными неоднородностями (цилиндрической формы) упругих сред;
- теоретическое и экспериментальное исследование вопросов влияния на результаты ультразвукового контроля особенностей состояния границы раздела "вмещающая среда - включение" при взаимодействии упругих плоских объемных волн с множественными совокупностями цилиндрических неоднородностей упругих сред;
установление связи между характеристиками рассеянных неоднородностями полей упругих полей и параметрами неоднородности, характеризующими её структуру и состояние границы раздела;
- разработка технологии и создание образцов с эталонными отражателями, имитирующими особенности состояния акустического контакта на границах неоднородностей по отношению к рассеянным на них упругим волнам;
- определение возможности и условий применения полученных закономерностей к задачам обнаружения и идентификации неоднородностей в металлах, в частности при разработке средств неразруиіающего контроля.
Методы исследованші: теоретические исследования, осуществлялись методами математической физики и анализа, интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились в условиях компьютерного и натурного моделирования исследуемых процессов с использованием математических пакетов МаШСАЭ, Ма^аЬ и данных акустических измерений.
10
I
Достоверность полученных результатов оценивалась путем сопоставления теоретических результатов с результатами проведенных экспериментов, а также при сопоставлении с более простыми частными случаями, известными по ранним исследованиям при установлении доказанной корректности.
Работа содержит: введение; шесть основных разделов; заключение; список литературы и приложения.
Во введении обоснованы объективные роль и место, принадлежащие существующим моделям неоднородностей твердых сред в задачах ультразвуковой дефектоскопии для целей усовершенствования ручных и автоматизированных средств контроля изделий из металлов и спецматериалов, обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Рассмотрена структура диссертационной работы.
В первом разделе рассмотрено современное состояние и проведен анализ известных работ но вопросам взаимодействия объемных упругих волн с естественными неоднородностями и их моделями в твердых упругих телах. Определены направления дальнейших исследований взаимодействия плоских упругих объемных волн с неоднородностями с "неидеальной" зоной контакта с вмещающей средой на основе математических идеализированных моделей.
Во втором разделе проведено решение задачи дифракции плоской упругой продольной гармонической волны на отдельном упругом изотропном цилиндрическом включении в упругой изотропной среде с использованием граничных условий в приближении «линейного скольжения». На основе результатов численного анализа проведено изучение влияния на характеристики рассеянного поля параметров граничных условий, размера области с «нежестким» контактом, ее ориентации относительно фронта падающей волны и наличия затухания упругих волн.
11
В третьем разделе проведено решение задачи дифракции плоской упругой продольной гармонической волны на отдельном упругом слоистом цилиндрическом включении с частичным нарушением условий контакта на границе слоев. На основе результатов численного анализа исследованы закономерности влияния на характеристики рассеянного поля толщины слоя, размера и расположения области с «нежестким» контактом, а так же проведено сравнение с ранее полученными результатами.
В четвертом разделе выполнено решение задачи рассеяния объемных плоских упругих гармонических волн на произвольной совокупности коллинеарных упругих изотропных круговых цилиндров, на поверхности которых наблюдается нарушение акустической связи в пределах некоторого сектора. На основе результатов численного анализа изучено влияние на характеристики рассеянного поля параметров граничных условий и наличия затухания упругих волн в цилиндрах, а также таких параметров как геометрическое расположение цилиндров в системе, а также зон нарушения контакта, акустические свойства материала включения и пр.
В пятом разделе рассмотрено уравнение акустического тракта при наличие в нем цилиндрической неоднородности с частично нарушенной акустической связью на хранице для эхо-метода контроля, с целью оценки ослабления пришедшего на приемник сигнала по отношению к излученному. Получены численные результаты для одиночного упругого изотропного цилиндра с нарушением акустического контакта в пределах сектора на его поверхности, а так же для слоистого цилиндра с наличием участков с «нежесткой» связью на границах слоев.
В шестом разделе рассмотрены вопросы экспериментального моделирования нарушения акустических связей на границе «металл-включение» при создании экспериментальных образцов, имитирующих свойства дефектов в упругой твердой среде. На основании теоретических исследований осуществлен анализ требований и сформулированы
12
рекомендации по выбору соответствующей аппаратуры, описана методика и результаты экспериментов, подтверждающих выводы теории.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.
В списке литературы содержится 291 наименований источников.
В приложении приведены таблицы измеренных величин.
Текст диссертации изложен на 246 страницах машинописного текста, содержит 101 иллюстрацию, 22 таблицы.
При выполнении диссертационной работы получены следующие
новые научные результаты:
1. Решены задачи о взаимодействии объемных плоских продольных гармонических волн, а так же поперечных волн разной поляризации в твердой изотропной среде с объектами, обладающими неоднородным качеством акустического контакта на граничных поверхностях: одиночным упругим изотропным цилиндрическим включением; со слоистым цилиндрическим включением, на границе слоев которого присутствуют области с «не жесткой» связью; с набором конечного числа однонаправленных цилиндрических включений на части поверхности "не жестко" связанных с вмещающей средой;
2. Установлены ранее не известные зависимости между характеристиками рассеянных от цилиндрических неоднородностей упругих полей с параметрами их моделей; в частности показана возможность образования порогового значения протяженности контактной зоны с существенным влиянием на изменение рассеивающих свойств единичных и множественных объектов.
3. Показана возможность применения выявленных в работе закономерностей для совершенствования методов ультразвуковой диагностики материалов при эталонировании неоднородностей и интерпретации результатов контроля.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:
- повышения информативности, достоверности, методов ультразвукового контроля материалов и изделий с неоднородностями сложного строения путем увеличения числа оцениваемых параметров;
- совершенствования метрологического обеспечения методов и средств ультразвуковой диагностики прокатных листовых материалов и изделий из них, поковок, отливок и т.д. и композиционных материалов специального назначения;
- научно-технического обоснования инженерных методик проектирования систем акустического контроля с учетом особенностей строения неоднородностей контролируемых изделий;
- внедрения в учебный процесс кафедры электроакустики и ультразвуковой техники;
В диссертации защищаются следующие научные положения:
1. Анализ цилиндрических включений, «не жестко» связанных с вмещающей средой на части поверхности позволяет сформировать модели неоднородностей естественного происхождения в упругих изотропных средах.
2. Рассеивающие свойства цилиндрических неоднородностей в зависимости от геометрических и физических параметров включения и его границы могут соответствовать: "свободной" поверхности, идеальному «скользящему» контакту', идеальной «сварной» границе или промежуточным состояниям («полужесткая» связь); изменение свойств рассеянного поля происходит «скачкообразно».
3. Характеристики по ля, рассеянного совокупностью ориентированных включений "не жестко" связанных с вмещающей средой, в установленном диапазоне частот, зависят от расстояния между
14
рассеивателями и их количества; при превышении «порогового» размера областей с нарушенным контактом рассеяние может быть соизмеримым с рассеянием от совокупности «полостей» тех же волновых размеров.
Обоснованность и достоверность перечисленных основных результатов определена и подтверждена сопоставлением экспериментальных данных с расчетами, основанными на применении фундаментальных физических законов, использовании уже апробированных, с доказанной достоверностью методов измерений, и в некоторых случаях на использовании физически корректных приближений, и сопоставлении с данными, известными из других работ для частных случаев.
Основные результаты работы докладывались на:
- IV и V науч.-техн. конференциях «Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів» («Физические методы и средства контроля сред, материалов и изделий «Леотест-2004 и Леотест-2005», Львов, 16-21 февраля 2004 г, 14-19 февраля 2005 г.
- Научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов». -Могилев: 2004.
- Научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2004 - 2010 годов.
15
Автором по теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 2 работы в журнале из Перечня изданий, рекомендованных ВАК, 1 работа в другом издании, 9 работ в трудах международных научно-технических конференций.
Настоящая диссертационная работа выполнялась на кафедре Электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ (ЛЭТИ) имени В.И. Ульянова (Ленина).
16
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ
МОДЕЛЕЙ, ИМИТИРУЮЩИХ РАССЕИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ЕСТЕСТВЕННОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.
Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является в настоящее время одной из основных задач, так как именно качество сырья, материалов и изделий в значительной степени определяет качество и срок службы машин и механизмов. Одной из главных причин, снижающих качество продукции, являются скрытые дефекты, т.е. дефекты, не обнаруженные при установленных на данном предприятии контрольных проверках.
В ходе технологических процессов производства металлоизделий в результате действия различных случайных факторов, обусловленных некоторыми неизбежными отклонениями от "идеальной" технологии, в металлоизделиях могут формироваться самые разнообразные нежелательные нарушения в требуемой структуре материала [3-12]. Исходная информация о видах и характере нарушений сплошности, свойственных изделиям из металла, примеры которой представлены в [13 - 19], свидетельствуют о значительном многообразии видов пороков металлов. Обычно эту информацию получают на основе металлографических и фрактографических исследований металлоизделий. В результате совершенствования и внедрения новых технологических приемов количество различных типов несплошностей имеет тенденцию к увеличению. В зависимости от своих характеристик многие неоднородности могут быть отнесены к потенциально опасным из-за возможного заметного влияния на физико-механические свойства материала. По этой причине возникает необходимость в совершенствовании методов и средств своевременного обнаружения и
17
оценки параметров неоднородностей в процессе производства, что определяет актуальность задач, решаемых в диссертационной работе.
Известно, что неоднородности твердых упругих сред могут быть обусловлены целым рядом причин: инородными включениями, градиентами температуры, скоростей упругих волн, концентрации примесей, зернистым строение вещества и т.д. [3-12].
Фундаментальным, объективным свойством любых неоднородностей твердых сред является их способность оказываться препятствием на пути распространения упругих волн. В результате чего порождаются рассеянные волны, параметры которых зависят от параметров несплошности. Поэтому изучение закономерностей рассеяния упругих волн на препятствиях различной формы и строения является важнейшим элементом формирования физических основ обнаружения и определения характера неоднородностей, и имеет определяющее значение для развития ультразвуковых методов неразрушающего контроля. В действительности для этих целей широкое распространение получило использование идеализированных замещающих моделей эквивалентных по свойствам естественным неоднородностям. При этом на первом этапе, модели выбирались на основе сходства естественной неоднородности и моделирующей структуры [20 — 22] по топологическим характеристикам, поддающимся визуальной оценки по результатам металлографического анализа. Это приводит к тому, что каждая из моделей по своим топологическим признакам может соответствовать целому ряду реальных нарушений структуры, имеющих некоторые общие характерные особенности, которые и учитывает модель.
Таким образом, решение задачи о взаимодействии упругих волн с неоднородностями естественного происхождения в твердых средах может быть разделено на два основных этапа:
построение идеализированной замещающей модели, соответствующей исследуемой неоднородности;
18
- решение задачи о взаимодействии упругих волн с идеализированной моделью.
При решении задачи о взаимодействии упругих волн с характерными для структуры материала неоднородностями, имеющими естественное происхождение, в целях применения в области неразрушающего контроля, широкое распространение нашел ряд моделей в виде объектов преимущественно простых геометрических форм [23 - 27]. Для
количественного описания процесса взаимодействия плоских упругих волн с протяженными несплошностями практический интерес имеют коэффициенты отражения и прохождения [28], несущие информацию об исследуемом нарушении сплошности. Эти коэффициенты наиболее содержательно отражают акустические свойства неоднородности и, в общем случае, характеризуют процесс переноса упругой энергии через препятствие и ее спектральный состав. Точные значения этих коэффициентов находятся путем решения дифракционных задач, при постановке которых используются соответствующие граничные условия, учитывающие физическое состояние материалов на границе неоднородность - "здоровый" металл, что обусловлено особенностями технологии изготовления.
Применение граничных условий, соответствующих реальному состоянию границы раздела, и задание упругих характеристик неоднородности исследуемого типа в одной из соответствующих геометрических интерпретаций модели несплошности и формируют идеализированную математическую модель реального нарушения структуры основного металла.
В первом подразделе рассматриваются особенности структуры наиболее часто встречающихся в металлоизделиях неоднородностей технологического происхождения и различные способы учета известных особенностей в замещающих идеализированных математических моделях с целью изучения характеристик взаимодействия упругих волн с
19
препятствиями.
Во втором подразделе рассмотрен ряд моделей, используемых и имеющих потенциальную возможность использования для изучения взаимодействия упругих волн с неоднородностями естественного происхождения в металлах. При изложении осуществляется переход от «элементарных» рассеивателей к моделям, имеющим более сложную структурную организацию. При этом для наиболее распространенных моделей рассматриваются методы решения задач о рассеянии упругих волн на препятствиях подобного вида.
1.1. Особенности структуры естественных неоднородностей и способы их учета при математическом моделировании
Решение проблемы определения характера и величины нарушений сплошности в изделиях, обнаруживаемых УЗ контролем, требует знания особенностей отражения звука от дефектов различной формы.
Для известного многообразия встречающихся дефектов в металлоизделиях на основе работ [13, 14] можно отметить, что одним из наиболее распространенных типов дефектов являются неметаллические включения, которые образуются из-за неизбежного попадания в расплав частиц разрушающихся огнеупоров.
Так как физической основой образования информационных сигналов, которые используются для ультразвукового контроля, являются волновые процессы, происходящие на границе раздела сред, обладающих различными волновыми сопротивлениями, то первостепенной задачей при построении замещающих моделей является определение акустических параметров материалов. Результаты таких исследований представлены в [29 - 31]. Они показали, что величина акустических сопротивлений материалов неметаллических включений, как правило, существенно меньше, чем в
20
основном металле. Из [18, 19] известно, что вещество неметаллических включений (особенно в изделиях, подвергшихся деформирующим воздействиям, например при прокатке), как правило, образовано раздробленными частицами округлой или более сложной формы, соприкасающимися друг с другом. При этом частицы могут испытывать действие сжимающих нагрузок со стороны основного металла. Следует отметить, что округлая форма частиц является преобладающей, что обусловлено "сглаживающим" характером воздействия деформирующих напряжений. Очевидно, что при взаимодействии упругих волн с таким веществом их амплитуда будет уменьшаться в результате перерассеяиий на отдельных частицах и трения соприкасающихся поверхностей [31 - 58].
Другой особенностью неметаллических включений, которую необходимо учитывать при построении замещающих моделей, является сложная структура зоны контакта неоднородности и "здорового" металла [6, 11, 13, 20 - 22, 28], которая зависит от образовавшейся связи. Из [53] известно, что между включением и вмещающей средой могут иметь место следующие типы связей:
механическая связь — образуется в отсутствии, какого бы то ни было химического механизма - даже сил Ван-дер-Ваальса - и сводится к механическому сцеплению;
связь путем смачивания и растворения - имеет место, когда включение не являющееся окислом, смачивается или растворяется вмещающей средой, но не образует с ней соединений. Процесс образования связи обусловлен взаимодействием электронов на атомном уровне. Силы взаимодействия являются силами ближнего порядка, и поэтому они начинают действовать лишь тогда, когда расстояния между поверхностями не превышают нескольких диаметров атома;
реакционная связь - возникает в результате химических реакций между включением и вмещающей средой, при этом включение не окисел. Реакция
21
включает перенос атомов одного или обоих компонентов к месту взаимодействия, причем этот процесс контролируется процессом диффузии;
обменно-реакционная связь - разновидность реакционной. Возникает в случае если легирующий элемент, вмещающего вещества обменивается местами с элементами, входящими в состав продукта реакции.
окисная связь - может возникать при смачивании, а так же при образовании промежуточных соединений на поверхности раздела, при этом включение является окислом.
Вследствие случайного характера процессов зарождения и развития несплошностей естественного происхождения в металлоизделиях и прохождения металла через ряд различных технологических операций неметаллические включения могут быть соединены с основным металлом посредством различных типов связи [11, 18]. Как отмечается в [23] наличие окислов на границе раздела является причиной нарушения адгезии вещества неметаллического включения и металла. Отмечается [56, 57, 59 - 67], что при взаимодействии упругих волн с такой сложной по структуре границей раздела неметаллического включения и металла процессы на ней не могут быть описаны с помощью обычных граничных условий, устанавливающих непрерывность в передаче компонент тензора напряжений и вектора смещений на границе раздела. В работах [54, 55, 68] для моделирования таких зон раздела предлагается использовать слой из упругого изотропного вещества с эквивалентными, как упругими, так и геометрическими параметрами. Но определение нескольких параметров (скорости распространения продольной и поперечной волн, плотности, толщины) такого слоя сопряжено со значительными трудностями, что снижает эффективность данного подхода. В работах [59 - 63] предложено значительно упростить эту задачу, если вместо эффективного слоя рассматривать обычную границу раздела, при прохождении через которую упругой волны остаются непрерывными компоненты тензора напряжений, а
22
- Київ+380960830922