2
Оглавление.
Введение...............................................................4
Глава 1. Результаты и перспективы исследований дефектной структуры твердых тел акустическими методами.
1.1 Методы исследования акустической нелинейности...............11
1.2 Влияние дефектной структуры твердых тел на их акустические свойства...................................................17
1.3 Модельные представления механизмов структурной нелинейности...27
1.4 Эволюция структурных уровней деформации твердых тел и возможности её контроля акустическими методами.............34
Глава 2. Методика и экспериментальные установки для исследования акустических свойств тонких металлических проволок
2.1 Особенности распространения акустических волн в тонких металлических проволоках...................................44
2.2 Экспериментальная установка для исследования металлических проволок статическим и квазистатическим методами...........54
2.3 Методика исследований металлических проволок динамическим методом....................................................58
2.4 Экспериментальная установка для исследования металлических проволок динамическим методом..............................61
Глава 3. Результаты и обсуждение исследований упругих и акустических свойств медных проволок статическим и квазистатическим методами.
3.1 Описание экспериментальных образцов.........................65
3.2 Результаты экспериментального исследования зависимостей «напряжение-деформация» и их обсуждение....................70
3
3.3 Результаты экспериментального исследования зависимостей относительной скорости акустических волн от деформации и их обсуждение.......................................................76
3.4 Особенности поведения статического и динамического модулей Юнга медных проволок в области статических деформаций.......83
Глава 4. Нелинейные акустические свойства медных проволок и их модельное представление.
4.1 Зависимость статического нелинейного параметра
медных проволок от деформации....................................93
4.2 Зависимость квазистатического нелинейного параметра
медных проволок от деформации....................................96
4.3 Зависимость динамического нелинейного параметра
медных проволок от деформации...................................101
4.4 Гистерезисное поведение упругих и акустических
свойств медных проволок и его обсуждение........................105
4.5 Модель Прейсаха-Майергойца упругой гистерезисной неоднородной среды.........................................117
Глава 5. Исследование влияния дефектной структуры титана на поглощение акустических волн.
5.1 Дислокационный механизм поглощения акустических
волн............................................................126
5.2 Низкотемпературная часть экспериментальной установки для исследования поглощения акустических волн..................130
5.3 Результаты низкотемпературного исследования акустических свойств поликристаллического титана и их обсуждение........132
Заключение............................................................137
Список литературы.....................................................140
4
Введение.
Одна из актуальных задач современной физики твердого тела состоит в изучении взаимосвязи изменения внутренней структуры материала с его различными макроскопическими свойствами. Решение этой проблемы погребовало проведения экспериментов по целенаправленной модификации дефектной структуры твердых тел с помощью разного рода внешних воздействий: температуры, пластических деформаций, термических обработок, облучения и т.п. Среди всевозможных способов исследования неоднородных сред наиболее перспективными являются акустические методы в силу их высокой чувствительности к любым изменениям микроструктуры. Впервые это было продемонстрировано в работах научной группы В.А. Красильникова, доказавших существование корреляции между величиной структурной нелинейности и плотностью дефектов в твердых телах, предсказавших наличие «тесной связи акустической нелинейности с прочностью материала» и принципиальную возможность «путем измерения упругих модулей высших порядков, оценивать предел прочности хрупких твердых тел».
Акустические эксперименты с материалами, содержащими такие дефекты структуры как дислокации, микротрещины, межзеренные границы и т.д. обусловили интенсивное развитие нелинейной акустики твердых тел и вызвали разработку методов их акустодиагностики, основная цель которых -прогнозирование разупрочнения и предсказание разрушения материалов.
Особая ценность акустических способов дефектоскопии связана с возможностью осуществления неразрушающего контроля элементов рабочих конструкций непосредственно в процессах их эксплуатации. Таким образом, решение задач современной научной проблемы приобрело и важное прикладное техническое значение.
Однако, из-за малого количества экспериментальных результатов по нелинейным свойствам конструкционных материалов, а также отсутствия соответствующих апробированных методик способы нелинейной акустики в
5
томографии и дефектоскопии твердых тел в настоящее время используются недостаточно широко.
Поэтому дальнейшее параллельное экспериментальное изучение упругих и акустических свойств твердых тел, подвергаемых различным воздействиям, является основой для обеспечения контроля за эволюцией их внутренней структуры и, несомненно, представляет научный и практический интерес. От решения именно этой актуальной задачи зависит успешное внедрение методов нелинейной акустодиагностики.
Целью настоящей диссертационной работы являлось комплексное исследование с помощью различных акустических методов влияния изменения микроструктуры поликристаллических металлов на поведение их макроскопических упругих и акустических свойств.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
- Создать автоматизированную экспериментальную установку для исследования упругих и акустических свойств твердых тел в зависимости от внешних статических деформаций (вплоть до разрывных) в интервале температур 77 - 300К;
- Разработать программное обеспечение для управления измерительной аппаратурой, обработки получаемой информации и анализа
экспериментальных данных;
- Разработать и реализовать различные методы исследования нелинейных акустических свойств металлических проволок;
- Экспериментально исследовать и проанализировать влияние различных видов термической обработки и статических деформаций на упругие и акустические свойства поликристаллических металлов;
- Апробировать теоретическое модельное представление упругой гистерезисной нелинейности исследуемых материалов;
- Разработать низкотемпературную часть установки и методику для изучения температурной зависимости коэффициента поглощения АВ в поли кристаллическом титане и провести её теоретический анализ.
6
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Реализация ряда акустических методов изучения твердых тел с помощью разработанных автоматизированных экспериментальных установок.
2. Результаты и обсуждение одновременного исследования статическим и квазистатическим методами упругих и акустических свойств образцов поликристаллической меди с различной исходной внутренней структурой в процессе их деформирования.
3. Методы расчета с помощью ЭВМ и обсуждение зависимостей от деформации статического и динамического модулей Юнга второго порядка.
4. Анализ особенностей поведения статического, квазистатического и динамического нелинейных параметров трех серий медных образцов в соответствии с изменениями их микроструктуры в процессах упругого и пластического деформирования.
5. Обсуждение упругого гистерезиса медных образцов с различной дефектной структурой. Исследование поведения в процессах разгрузки-нагрузки их статического и динамического модулей Юнга, а также статического, квазистатического и динамического нелинейных параметров.
6. Апробация теоретической модели гистеронов Прейсаха-Майергойца для поликристаллической меди и проверка правомерности её применения.
7. Экспериментальное исследование и теоретический анализ поглощения АВ в поликристаллическом титане в области низких температур.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.
Первая глава имеет обзорный характер.
Проводится обсуждение существующих методов экспериментального исследования акустической нелинейности.
Делается анализ имеющихся к настоящему времени научных публикаций, посвященных изучению влияния различного рода несовершенств внутренней
7
структуры на акустические свойства твердых тел. Особое внимание уделяется работам, устанавливающим связь прочностных свойств деформируемого материала с его акустическими, в том числе нелинейными, свойствами.
Рассматриваются некоторые модели акустической нелинейности, приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих их корректность.
Уделено внимание иерархии изменений различных структурных уровней (дислокаций, кристаллических зерен, микротрещин) материалов при их деформировании вплоть до разрушения.
Сделан обзор работ, демонстрирующих возможности акустических и некоторых других физических способов отслеживания микроструктурных изменений твердых тел непосредственно в процессах их упругого и пластического деформирования.
Во второй главе описываются методики и экспериментальные установки для исследований акустических свойств металлических проволок различными способами.
Даётся обоснование выбора образцов в виде тонких проволок. Анализируются особенности распространения акустических волн (АВ) в тонких стержнях (проволоках) и на основе теоретических и экспериментальных данных формулируется правомерность некоторых допущений, используемых в дальнейших исследованиях.
Описывается автоматизированная экспериментальная установка для исследования упругих и акустических свойств металлических проволок статическим и квазистатическим методами.
Представлен динамический метод, основанный на взаимодействии высокочастотной и низкочастотной АВ, распространяющихся в нелинейной среде: получено выражение для определения динамического нелинейного параметра.
Приведена схема экспериментальной установки для исследований нелинейных акустических свойств тонких металлических проволок
8
динамическим методом при наложении на образец медленной статической нагрузки.
Третья глава посвящена обсуждению исследований (статическим и квазистатическим методами) упругих и акустических свойств различных серий медных проволок.
Дается описание методики приготовления используемых в работе образцов, приводятся результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов в их исходном состоянии и после их разрывной деформации. Описаны характерные особенности микроструктур трех серий образцов: обычной
поликристаллической медной проволоки, отожженной и закаленной проволок.
Излагаются результаты изучения экспериментальных зависимостей «механическое напряжение - относительная деформация» для образцов с различной исходной внутренней структурой. На основе результатов металлографического и рентгеноструктурного исследований проводится анализ и сопоставление поведения упругих свойств образцов с особенностями дефектности их микроструктур.
Приводятся результаты экспериментального исследования зависимостей «относительное изменение скорости АВ - деформация» для всех типов медных проволок. По особенностям поведения этих зависимостей для каждой серии образцов идентифицируются различные этапы особых изменений микроструктуры со стадиями их пластической деформации.
Предложен метод расчета (с помощью ЭВМ) статических и динамических модулей Юнга в зависимости от деформации на основании полученных опытных зависимостей «механическое напряжение - деформация» и «относительное изменение скорости АВ - деформация» с использованием различных видов полиномиальных и «экспоненциальных» аппроксимаций.
Проводятся обсуждения исходных величин модулей Юнга всех серий образцов и закономерностей их изменения при деформировании в соответствии с установленной ранее грансформацией дефектности внутренней структуры материалов.
9
В четвертой главе рассматриваются акустические нелинейные свойства медных проволок, их упругое гистерезисное поведение и его теоретическое модельное представление.
Рассматривается изменение статического нелинейного параметра всех серий образцов в процессах их деформации растяжением; проводятся обсуждения характерных величин статических нелинейных параметров в соответствии с исходной дефектностью их структур; выявляется критерий разупрочнения материала по величине изменений статического нелинейного параметра в начальной (обратимой) области деформаций.
Обсуждается поведение зависимостей квазистатического нелинейного параметра образцов от величины деформации; показана связь изменений этого параметра с характерными перестройками микроструктуры; устанавливается характерный признак изменения квазистатического нелинейного параметра в начальной области деформаций всех образцов, связанный с величиной предела их прочности; даётся сравнительный анализ роли статического и квазистатического нелинейных параметров применительно к проблеме диагностики внутреннего состояния деформируемого материала.
Анализируются особенности значений и зависимости от деформации динамического нелинейного параметра образцов на основе рассмотрения изменений их микроструктур. Устанавливаются закономерности величины роста динамического нелинейного параметра в начальной области деформаций.
Проводится обобщение результатов статических, квазистатических и динамических экспериментов и формулируется общий диагностический критерий разрушения материала поликристаллической меди по изменениям его любого нелинейного параметра на начальных этапах деформационного процесса.
Анализируется гистерезисный характер зависимости «напряжение-деформация» в процессах разгрузки-нагрузки и выявляется связь упругого неоднозначного поведения материала образцов со степенью несовершенства их микроструктуры.
10
Рассчитаны и рассматриваются поведения статического, динамического модулей Юнга, статического, квазистатического и динамического нелинейных параметров в процессах разгрузки-нагрузки.
Демонстрируется правомерность теоретического описания упругих нелинейных гистерезисных свойств поликристаллических металлов с помощью модели гистеронов (Прейсаха-Майергойца), для чего разработано соответствующее программное обеспечение и производятся расчеты плотности распределения гистеронов по напряжениям и теоретических зависимостей статических модулей Юнга от деформации образцов в сравнении с экспериментальными результатами.
Делается оценка плотности гистерезисных упругих микрочастиц в поликристаллической меди с различной степенью дефектности внутренней структуры. Приводится расчетная зависимость числа открытых гистеронов от величины приложенного напряжения в процессе разгрузки-нагрузки и анализируется её характер.
Пятая глава посвящается исследованию влияния дефектной структуры поликристаллического титана на поглощение АВ.
Обсуждаются теоретические проблемы дислокационного механизма поглощения АВ в металлах; описывается низкотемпературная часть установки и результаты исследования акустических свойств образцов титана в области низких температур.
Из экспериментальных данных рассчитываются физические параметры, характеризующие релаксацию точечных дефектов и теоретическая зависимость коэффициента поглощения ультразвука от температуры.
В заключении формулируются основные результаты и выводы диссертационной работы.
11
Глава 1. Результаты и перспективы исследований дефектной структуры твердых тел акустическими методами.
1.1 Методы исследования акустической нелинейности.
Перспективность акустических методов исследования упругой нелинейности твердых тел связана с тем, что они могут применяться непосредственно во время технологических испытаний, и позволяют получать текущую информацию об изменениях микроструктуры материалов. В телах с неоднородной внутренней структурой нелинейные эффекты начинают проявляться уже при малых деформациях, возникающих, например, при распространении в рассматриваемом образце АВ. В акустике различают геометрическую, физическую и структурную нелинейности. Первая связана с присутствием нелинейных членов в уравнении движения, вторая - с нелинейностью сил межмолекулярного взаимодействия. Структурная нелинейность определяется надмолекулярным строением веществ, проявляется при внешних воздействиях на материалы с дефектами (дислокациями, микротрещинами, посторонними включениями и т.д.) и может на 3-4 порядка превышать геометрическую и физическую нелинейности [I]. Анализ возможных механизмов акустической структурной нелинейности приведен в работе [2].
Практически для описания нелинейных свойств твердых тел используются коэффициенты упругости высших порядков. Эти характеристики оказались более чувствительными к особенностям дефектной структуры исследуемых материалов, чем модули упругости второго порядка [1-3].
В последнее время для характеристики степени нелинейности среды чаще используют так называемый нелинейный параметр - Г. В структурнонеоднородных материалах нелинейный параметр является функцией многих переменных - его величина зависит от исходного состояния (то есть от предыстории) образца, от особенностей трансформации всех структурных уровней материала: дислокаций, зеренных кристаллитов, локальных
12
напряжений межзеренных границ, микротрещин, а также от условий и способов возмущения среды.
К настоящему времени существует несколько методов исследования нелинейного параметра, которые, как правило, связаны с нахождением упругих констант материала. Наиболее распространенными являются статический, динамический и квазистатический методы.
Статический метод основан на измерении зависимости относительной деформации £ образца от приложенного к нему механического напряжения а. Коэффициенты упругости при этом определяются через разложение в степенной ряд Тейлора аналитической зависимости напряжения от деформации а(£)в малой окрестности Ае относительного удлинения £0:
ст(£„ + Де) * Е„(£„) ■ Де + ^Е2м(£0) • Де2 = Е„(е0) ■ Де [1 — ГЛ(£„) • Дё] (1.1)
где Е„(£0)= ^(£„) (1.2)
Эе
- статический модуль Юнга второго порядка;
д:о
~дЁ'
- статический модуль Юнга третьего порядка.
Нелинейный параметр Г, в этом случае называют статическим и определяют как отношение модуля упругости 3-ого порядка к модулю
- Е
упругости 2-ого порядка: Г1 = — (1.4)
2Е„
Таким методом, например, в работе [4] экспериментально определены упругие константы в различных монокристаллах. Статические измерения для определения упругих модулей различных твердых тел производились при всестороннем сжатии в ряде работ Бриджмена [5]. Статические модули Юнга медных и стальных проволок определены в работах [6-7].
Динамический метод является наиболее распространенным акустическим способом измерения нелинейного параметра и связан с самовоздействием или взаимодействием АВ [1]. В этом случае для определения нелинейного
Е2„(£о) = — (О (1.3)
- Київ+380960830922