Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема разрушения в условиях циклических нагружений 11
1.1. Современное состояние и тенденции развития проблемы разрушения в условиях усталости 11
1.1.1. Основные этапы усталостных разрушений 14
1.1.2. Микромеханизмы накопления усталостных повреждений и механика роста усталостных трещин 17
1.1.3. Закономерности накопления усталостных повреждений 22
1.1.4. Современные тенденции развития теории усталостной прочности 24
1.2. Методы исследования изменения внутренней структуры материалов 27
1.2.1. Металлографические методы 28
1.2.2. Неразрушающие методы 29
1.2.3. Акустические методы 33
2. Исследование возможностей оптико-акустического метода для измерения упругих свойств и контроля структурных перестроек материалов 41
2.1. Физические основы оптико-акустического метода 42
2.2. Макет оптико-акустического дефектоскопа 48
2.3. Экспериментальное исследование чувствительности и разрешающей способности оптико-акустического дефектоскопа на модельных средах. Погрешность метода 52
2.4. Исследование влияния структурных изменений на упругие характеристики сплава АМГ-1 68
3. Экспериментальное исследование перестройки структуры материалов при усталости. Анализ результатов 72
3.1. Методика исследования процесса усталости оптико-акустическим методом 72
3.2. Результаты экспериментальных исследований усталости 76
3.2.1. Инструментальная сталь 76
3.2.2. ПММА 84
3.2.3. Стеклопластик 92
3.3. Анализ изменения модулей упругости материалов при циклических нагрузках 98
3.4. Определение масштабов структурных перестроек из анализа частотных зависимостей затухания 102
4. Критерий усталостного разрушения с учетом скрытой энергии деформации 112
4.1. Скрытая энергия деформации и методы измерения 112
4.2. Разработка критерия усталостной прочности 119
Выводы 131
- Методы исследования изменения внутренней структуры материалов
- Макет оптико-акустического дефектоскопа
- Результаты экспериментальных исследований усталости
- Анализ изменения модулей упругости материалов при циклических нагрузках
Введение к работе
Актуальность темы
Согласно мировой статистике основная доля разрушений в инженерной практике происходит по причине усталости. Поэтому проблема усталости является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем. Несмотря на многочисленные исследования, полного решения проблемы усталости до сих пор не найдено. Решение этой проблемы требует дополнительных комплексных экспериментальных и теоретических исследований. При этом* возникает необходимость разработки новых и совершенствования уже существующих методов неразрушающего контроля материалов на различных стадиях изготовления и, в особенности, в процессе эксплуатации элементов конструкций и изделий. Этими обстоятельствами определяется актуальность выбора темы диссертационной работы.
В работе представлены результаты исследования изменения физико-механических свойств материалов методом оптико-акустической диагностики в ходе циклических нагружений.
Приведены исследования чувствительности и разрешающей способности усовершенствованной методики оптико-акустической диагностики механических и физических характеристик, обусловленных перестройкой структуры конструкционных материалов. Предложенные методы обработки и анализа эволюции формы субмикросекундных акустических импульсов, распространяющихся в материале, позволили получать информацию и об изменении масштабов структурной перестройки в материалах в процессе циклических испытаний.
Результаты исследований обнаружили общность изменения акустических свойств различных материалов (металлы, полимеры, композиты) в ходе циклических испытаний, а также наличие качественно отличных этапов этих изменений.
В работе предложен новый критерий определения усталостной прочности материалов. При формулировке критерия используется энергетический подход, который, наряду с силовым, является фундаментальной основой получения и обоснования закономерностей деформирования и разрушения материалов и конструкций.
Цели работы
Исследование возможностей применения оптико-акустического метода для диагностики акустических свойств материалов. Выбор оптимальной схемы и разработка макета оптико-акустического дефектоскопа.
Экспериментальное исследование чувствительности и разрешающей способности оптико-акустического дефектоскопа на модельных образцах с естественными и искусственными дефектами с целью определения эффективности метода для диагностики состояния элементов конструкций в процессе эксплуатации.
Проведение экспериментальных исследований изменений акустических свойств различных конструкционных материалов, вызванные изменениями их структуры при испытаниях на циклический изгиб.
Формулировка критерия усталостной прочности, основанного на использовании результатов усталостных испытаний и литературных данных по измерению скрытой энергии деформации.
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие новые результаты: 1. Усовершенствована методика оптико-акустический диагностики физико-механических свойств материалов и на ее основе создан макет оптико-акустического дефектоскопа. Предложены методы обработки
акустических сигналов, позволяющие связать изменения механических свойств с изменениями структуры материалов.
Получены экспериментальные зависимости изменения скорости звука, затухания, дисперсии спектрального распределения передаточной функции от числа циклов нагружения в опытах на циклический изгиб образцов из инструментальной стали, ПММА, стеклопластика.
Установлено наличие качественно различных этапов в изменении модулей упругости материалов в процессе циклических испытаний, обусловленных принципиальным различием этапов перестройки структуры.
Введен параметр поврежденности, основанный на изменении скрытой энергии деформации. Предложено кинетическое уравнение для параметра поврежденности, решением которого является логистическая функция. Сформулирован критерий усталости, основанный на введенном параметре поврежденности и учитывающий частоту нагружения.
Практическая и теоретическая ценность
Практическая ценность работы определяется полученными экспериментальными закономерностями изменения механических характеристик различных конструкционных материалов, обусловленных перестройкой структуры в процессе циклических нагружений.
Полученные зависимости изменения упругих модулей материалов различного класса от числа циклов нагружения могут быть полезны как для более глубокого понимания физических процессов, происходящих при циклических нагружениях, так и для анализа состояния инженерных объектов.
Разработанная оптико-акустическая методика дефектоскопии, дающая возможность с высокой точностью отслеживать изменения физико-механических свойств материалов, позволяет рекомендовать метод для
экспресс-анализа состояния элементов конструкций в процессе эксплуатации.
Теоретическая ценность работы состоит в использовании понятия скрытой энергии деформации при формулировке критерия усталости и возможном прогнозировании работоспособности конструкционных материалов в области многоцикловой и гигацикловой усталости.
Достоверность основных научных положений
Достоверность исследований базируется на применении высокоточной методики оптико-акустической диагностики' с использованием современных приборов для регистрации сигналов, а также проведением серии испытаний и применением стандартных статистических методов обработки экспериментальных результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждается корреляцией изменения таких независимых характеристик как затухание и скорость звука в образцах в процессе испытаний, а также качественно сходным характером изменения модулей упругости различных материалов в ходе циклических испытаний.
Критерий усталостной прочности сформулирован с учетом скрытой энергии деформации по результатам опытов, полученных известными в физике и механике материалов методами.
Положения, выносимые на защиту
1. Анализ возможностей применения оптико-акустического метода для исследования изменений физико-механических свойств материалов вследствие изменения их структуры и методика спектральной обработки сигналов для оценки масштабов структурных перестроек.
Результаты исследования закономерностей изменения акустических свойств, в том числе и модуля упругости, различных конструкционных материалов в условиях циклических нагружений.
Выявлено наличие различных этапов изменения физико-механических свойств материалов, обусловленное принципиальным различием этапов структурной перестройки материалов в процессе циклических испытаний: этапа адаптации к изменению внешних условий и этапа накопления повреждаемости.
Критерий усталостной прочности, основанный на понятии скрытой энергии деформации. Частотная зависимость кривых усталости в рамках предложенного критерия.
Апробация работы
Результаты научных исследований докладывались на XXXIII, XXXIV, XXXV, XXXVI Международных летних школах "Актуальные проблемы механики" (Summer School-Conference "Advanced Problems in Mechanics", Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007, 2008); Научной конференции молодых ученых по механике сплошных сред, посвященной 80-летию чл.-корр. АН СССР А.А. Поздеева "Поздеевские чтения" (Пермь, 2006); Международной конференции "Механика композитов и оптимальное проектирование", посвященной памяти профессора В.Ц. Гнуни (International conference "Mechanics of composites and optimal design", Армения, Ереван, 2006); XXII Международной конференции "Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов" (22-nd International conference "Mathematical Modeling in Mechanics of Solids and Constructions. Methods of Boundary and Finite Elements", Санкт-Петербург, 2007); Международной конференции "Актуальные проблемы механики сплошной среды", посвященной 95-летию академика НАН Армении Н.Х. Арутюняна (International Conference "Topical
Problems of Continuum Mechanics", Армения, Ереван, 2007); VI Международной конференции "Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред" (VI International Conference "The Problems of Dynamics of Interaction of Deformable Media", Армения, Горис - Степанакерт, 2008); Семинаре кафедры теории упругости мат.-мех. факультета Санкт-Петербургского государственного университета под руководством академика РАН Н.Ф. Морозова (Санкт-Петербург, 2008); XV Научном семинаре "Механика рассеянного повреждения и разрушения" секции строительной механики и надежности конструкций Санкт-Петербургского Дома, ученых РАН им. A.M. Горького (Санкт-Петербург, 2009); Семинаре лаборатории1 прочности материалов мат.-мех. факультета Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации
Результаты научных исследований опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 7 статьях. В" изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликована одна статья. В работах [1, 5, б, 13] диссертанту принадлежит формулировка критерия усталостного разрушения с учетом параметра поврежденности и сравнение с результатами опытов; соавтору принадлежит идея использования логистической функции для описания накопления скрытой энергии деформации. В работах [2-4, 7-11] диссертанту принадлежат участие в разработке оптико-акустического дефектоскопа, исследования его чувствительности и разрешающей способности, разработка методики проведения циклических испытаний, проведение экспериментальных исследований, обработка данных и участие в анализе полученных результатов; Ю.В. Судьенкову принадлежит разработка оптико-акустического дефектоскопа и идеология его применения для исследований изменения структуры материалов, в частности в ходе циклических испытаний, участие в анализе и трактовке результатов исследований; Б.А.
Зимину принадлежит методика обработки акустических измерений с позиций передаточной функции, характеризующей изменение внутренней структуры материала.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 129 наименований. Текст работы изложен на 145 страницах, содержит 63 рисунка и 1 таблицу.
>
Методы исследования изменения внутренней структуры материалов
Для получения достоверной информации об изменениях в макро- и микрокристаллической структурах различных материалов используются различные методы исследования, которые взаимно дополняют друг друга [35, 71, 72]. Современные методы анализа неоднородности структуры материалов весьма разнообразны, и выбор того или иного метода определяется как принципиальными ограничениями, присущими конкретному методу, так и субъективными факторами, определяемыми конечной целью исследования. В последнее время все более привлекательными являются методы неразрушающего контроля материалов [4, 34, 71, 72], которые позволяют проводить техническую диагностику материалов и конструкций без их разрушения. Однако, при исследовании эволюции дефектного состояния металлических материалов в различных условиях нагружения, в частности, при усталости, высокотемпературной ползучести [54] и др. широко используются металлографические методы, которые дают наиболее полную и обоснованную информацию о происходящих процессах. Методы неразрушающего контроля базируются на наблюдении, регистрации и анализе результатов взаимодействия физических полей (излучений) или веществ с объектом контроля, причем характер этого взаимодействия зависит от химического состава, строения, состояния структуры; контролируемого объекта и т. п. Все методы неразрушающего контроля являются косвенными методами. Методы: контроля качества материалов и изделий должны обеспечить надежное обнаружение дефектов. Исследование изменений физических характеристик материалов и обнаружение различного рода дефектов составляют физическую основу неразрушающих методов контроля. В зависимости от физических явлений, положенных в основу методов неразрушающего контроля, их подразделяют на следующие основные виды: акустический, магнитный, капиллярный, радиационный. Металлографический анализ предусматривает выявление дефектов; особенностей структуры, фазового состава и их связь с физическими и; механическими свойствами металлов и сплавов [72].
Для; проведения металлографического исследования необходимо разрезать образец, отшлифовать и отполировать поверхность разреза, протравить, а затем сфотографировать разные участки шлифа с различными увеличениями. На основании этих данных можно сделать заключение о химическом составе сплава, различных структурных составляющих и режимах предшествующей термической обработки. Макроскопический анализ предусматривает изучение изломов и макрошлифов. При этом получают информацию о наличии дефектов и характере разрушения. Кроме дефектов при первичном осмотре изломов устанавливают характер разрушения (хрупкий, вязкий, хрупковязкий, вязкохрупкий) и его особенности (внутризеренный, межзеренный). При микроскопических исследованиях структуры металла необходимы большие увеличения. В обычном оптическом; микроскопе предельное увеличение практически не может быть более 1000х. Сканирующий электронный микроскоп имеет большую глубину резкости изображения и увеличение порядка 10000х. Наблюдают либо сами металлические образцы, либо снятые с их тщательно отполированной поверхности отпечатки (реплики) толщиной меньше тысячной доли миллиметра. Оптическая металлография позволяет определить типы, расположение и процесс образования структурных составляющих в металле, электронная же металлография незаменима для наблюдения дефектов кристаллической решетки, от которых в значительной мере зависят свойства металлов. Цифровая микроскопия — новейшее направление современной микроскопии, которая базируется на анализе изображений, получаемых с помощью цифровых комплексов. Цифровой комплекс состоит из цифрового микроскопа и компьютера со специальным программным обеспечением. Магнитные методы неразрушающего контроля применяются для контроля изделий из ферромагнитных материалов, которые изменяют свои магнитные характеристики под воздействием внешнего магнитного поля [4, 34, 61]. Все магнитные методы неразрушающего контроля основаны на обнаружении локальных возмущений поля, создаваемых дефектами в намагниченном ферромагнетике. При наличии дефектов на пути магнитного потока возникают поля рассеивания, форма и амплитуда которых несет информацию о размере, характере, и глубине залегания дефекта. Магнитные методы контроля подразделяют на магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, индукционный, вихретоковый и др. Магнитопорошковый метод основан на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или суспензии. В основе метода лежат свойства мелких магнитных частиц концентрироваться на неоднородностях магнитного поля объекта, обусловленных наличием дефектов. Метод позволяет выявлять тонкие и мелкие трещины с раскрытием, больше 0,0025 мм и высотой не менее 0,025 мм. Феррозондовый метод основан на преобразовании напряженности магнитного поля, в том числе и магнитных полей рассеяния, возникающих в зоне дефектов, в электрический сигнал с помощью магниточувствительных элементов - феррозондов.
Магнитопорошковый и феррозондовый методы предназначены для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов (трещины, расслоения, раковины и т. д.) на глубинах до 1,5...2 мм и до 10 мм соответственно. Магнитографический метод заключается в- намагничивании зоньг контролируемого металла вместе с прижатым к его поверхности эластичным магнитоносителем (магнитной лентой), фиксации на нем полей рассеяния, возникающих в местах дефектов, и последующим воспроизведении полученной записи. При индукционном методе для регистрации магнитных полей рассеяния, образующихся около дефектов в намагниченной детали, используют приемную катушку индуктивности, которую перемещают вдоль детали с постоянной скоростью. Магнитным полем детали в катушке наводится электродвижущая сила (ЭДС), по величине которой судят о дефекте. Для вихретоковых методов при воздействии переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой, в металле контролируемой детали возникают вихревые токи, которые создают свое электромагнитное поле, противодействующее внешнему полю. Нарушения сплошности контролируемого изделия увеличивают электрическое сопротивление поверхностного слоя металла, что приводит к ослаблению вихревых токов. Метод используется для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов, в том числе и в неферромагнитных материалах, а также для изучения структуры и физико-механических свойств материалов. Электромагнитные методы контроля имеют по сравнению с другими методами следующие преимущества: простота, возможность осуществления с большой скоростью, высокая чувствительность к различным изменениям структуры. Новым направлением в технической диагностике оборудования и конструкций ЯВЛЯЄТСЯА метод магнитной памяти металла, основанный на регистрации собственных магнитных полей рассеяния, возникающих в локальных зонах концентрации напряжений под действием .рабочих нагрузок [26]. Метод позволяет осуществлять раннюю диагностику усталостных повреждений. Этот метод - второй после акустической эмиссии пассивный метод, при котором используется информация излучения конструкций. Кроме раннего обнаружения дефекта метод дает информацию о фактическом напряженно-деформированном состоянии и позволяет выявить причину развивающего повреждения. Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе ионизирующего излучения при его взаимодействии с контролируемым объектом [4, 15, 58].
Макет оптико-акустического дефектоскопа
Одним из неудобств большинства ОА методик является необходимость двухстороннего доступа к излучаемому объекту, т. е. возбуждение акустических импульсов лазерным излучением производится на одной из поверхностей объекта, а регистрация акустического сигнала — на противоположной. Данное неудобство существенно ограничивает возможности ОА диагностики, поскольку на практике доступ к исследуемому объекту, как правило, возможен только с одной стороны. Для устранения этого недостатка предложена оптико-акустическая ячейка [85, 129], позволяющая преодолеть ряд технических ограничений применения ОА эффекта в дефектоскопии материалов и элементов конструкций. На рис. 2.3, а приведена блок-схема макета оптико-акустического дефектоскопа (ОАД). Основным элементом ОАД являются разработанная оптико-акустическая (ОА) ячейка (рис. 2.3, б), совмещающая функции оптического и акустического волноводов, а также эффективного термоакустического преобразователя свет-звук. ОАД позволяет проводить измерения при одностороннем доступе к исследуемому объекту или при одновременном контроле проходящих и отраженных акустических импульсов. Для возбуждения акустических сигналов используется лазер 1 (рис. 2.3) на неодимовом стекле с модулированной добротностью. Длительность импульса излучения равна 15-10 9 с, длина волны — 1,06мкм, энергия ЗмДж. Импульс лазера 1 направляется в оптическое кварцевое волокно 2, которое закрепляется в дюралюминиевом корпусе с помощью стандартного разъема. Разъем обеспечивает возможность смены волокна в случае его повреждения. Лазерный импульс, вышедший из волокна через просветленную фаску на боковой поверхности прозрачного цилиндра 3 падает на поглощающий слой 7, нанесенный на основание цилиндра, находящегося в акустическом контакте с исследуемым образцом 4. Цилиндр с плоскопараллельными шлифованными основаниями изготовлен из полиметилметакрилата (ПММА) и является одновременно звукопроводом для термооптически возбуждаемых в поглощающем слое акустических импульсов. Акустические импульсы регистрируются широкополосным пьезоприемником 5 из поливинилиденфторид (ПВДФ) пленки толщиной 30 мкм, приклеенной на тыльное основание звукопровода.
Ширина спектра, воспроизводимая датчиком, была не менее 80 МГц. В экспериментах обычно регистрировались одновременно несколько акустических эхоимпульсов, многократно прошедших через образец за счет переотражений оптико-акустического импульса на свободной поверхности образца и границе образец — ОА-ячейка. Это позволяло увеличить точность измерения скорости распространения акустических импульсов и их затухания. С пьезоприемника 5 сигнал поступает на цифровой осциллограф TDS-754 6 с полосой пропускания 500 МГц и частотой дискретизации 2 ГГц. Достоинством разработанной конструкции ячейки являются малые потери излучения при вводе в ОА ячейку. Для устранения попадания на датчик рассеянного поверхностью излучения, а также влияния поверхностных акустических волн, которые могут возбуждаться в поверхностном слое ячейки, вокруг датчика проточена канавка 9, глубиной около 1мм. Для того, чтобы отраженное от объекта излучение не могло генерировать сигнал на самом датчике, на поверхность цилиндра 3, на которой находится датчик 5, напылен отражающий слой 8. Акустический контакт исследуемого образца с лицевой поверхностью цилиндра-звукопровода обеспечивается через тонкий слой воды или акустического геля. Для удобства прижима дефектоскопа к поверхности образца или изделия, которые могут иметь ограниченные плоские участки, диаметр цилиндра-звукопровода не должен быть слишком большим. С другой стороны, величина диаметра цилиндра должна быть существенно больше диаметра лазерного пучка на поверхности образца для исключения засветки корпуса дефектоскопа отраженным от поверхности лазерным излучением. В противном случае такая засветка приведет к лазерному возбуждению паразитных ультразвуковых сигналов в стенках корпуса. Фотография оптико-акустической (ОА) ячейки вместе с оптико-акустическим дефектоскопом (ОАД) представлена на рис. 2.4. На рис. 2.5 представлены осциллограммы отраженных (1) и прошедших (2) акустических импульсов для образца из стекла толщиной 2,91 мм, полученные с помощью разработанного ОАД. Первый отрицательный импульс на осциллограммах представляет собой сигнал, отраженный непосредственно от границы датчик-образец, называемый зондовым сигналом. Последующие положительные импульсы - это отраженные или донные акустические сигналы, то есть акустические эхоимпульсы, переотраженные от свободной поверхности образца.
Промежуток времени t между двумя последовательными эхоимпульсами одинаков и составляет t - 2а I с. Здесь а - толщина образца, с — продольная скорость звука. При отражении сигнала от свободной поверхности образца фаза сигнала меняется. По этой причине отраженные акустические импульсы положительны, тогда как зондовый импульс отрицателен. 2.3. Экспериментальное исследование чувствительности и разрешающей способности оптико-акустического дефектоскопа на модельных средах. Погрешность метода Для анализа возможностей созданного оптико-акустического дефектоскопа (ОАД) были проведены исследования его чувствительности и разрешающей способности на модельных средах [100, 129]. Исследовались плоскопараллельные пластины из различных материалов. Длительность генерируемых акустических импульсов была равна -30-10 9 с. Анализ спектров отраженных и/или проходящих импульсов в полосе частот до 100 МГц значительно расширяет возможности его применения, существенно повышает разрешающую способность оптико-акустической дефектоскопии и информативность анализа структурных изменений в материалах или элементах конструкций. Осциллограммы акустических импульсов в образце из стеклопластика толщиной 4,02 мм при отражении и прохождении показаны на рис. 2.6. Стрелками на рисунках отмечены отраженные или донные акустические сигналы. Наличие расслоения в образце легко обнаруживается по возникновению дополнительных акустических сигналов (рис. 2.6). При этом интенсивность отраженных акустических импульсов значительно ослабевает (рис. 2.6 и 2.7). Осцилляции, наблюдаемые на спаде зондирующего импульса, обусловлены отражением акустического импульса от структурных элементов - стекловолокна. Возможность регистрации таких осцилляции говорит о чуствительности метода к такого рода элементам структуры. Частота этих осцилляции позволяет оценить характерный масштаб структуры таких композитов. Исследования разрешающей способности ОАД проводились также на модельных образцах с естественными и искусственными дефектами.
Результаты экспериментальных исследований усталости
Испытывались образцы из инструментальной стали марки 11РЗАМЗФ2 со следующими геометрическими размерами: bxах1:35,25x2,02x150,00 мм. Перед проведением усталостных испытаний была определена зависимость величины прогиба образца от нагрузки с целью расчета напряжения в заделке при заданной величине утах. Для этого на свободный конец образца подвешивались грузы разной массы. Была построена зависимость величины прогиба у от нагрузки Р (рис. 3.6). Максимальная величина прогиба в ходе экспериментов на усталость составляла 6-10 3м, соответственно максимальная величина нагрузки согласно (3.6) равна 22 Н. Величина напряжения в заделке может быть определена по формуле [28] Таким образом, величина напряжения в заделке при утих =6-10 3 м равна 138МПа. Величина временного сопротивления сгв для выбранной стали составляет 1200МПа (cr&0,l ав) [82]. Испытуемые образцы были доведены до разрушения, при этом число циклов до разрушения составило около 8-Ю5 циклов. Характерный вид осциллограмм акустических импульсов, полученных с помощью ОАД, для рассматриваемых образцов без нагружения и после 1,522-105 циклов нагружения показан на рис. 3.7. Так как затухание акустических сигналов мало, то наблюдаются несколько эхо импульсов прошедших образец. В этой связи для анализа выбирались первый и второй эхо импульсы, соответственно 2 раза и 4 разе прошедшие образец. Анализ осциллограмм дает возможность определять скорость звука, затухание, а также изменение спектров акустических сигналов при распространении по образцу. Начальное значение продольной скорости звука для образца из инструментальной стали, определенное экспериментально составило (5888±6) м/с, а величина затухания - (0,08175±0,00025) 1/мм. Фрагменты осциллограмм (рис. 3.7) с первым и вторым эхо импульсами для образца без нагружения и после 1,522-105 циклов нагружения приведены на рис. 3,8. Различия зависимостей передаточной функции H(f) наблюдаются в области высоких частот.
Для анализа изменения передаточной функции Я в зависимости от числа циклов нагружения N удобнее использовать численную характеристику, выражаемую определенным интегралом по фиксированному диапазону частот, т. е. На рис. 3.11, а, б, в представлены экспериментальные зависимости относительных изменений скорости звука (с/с0-1), затухания (а/а„-1) и относительного изменения передаточной функции (HN-H0)/Н0-Нтах от числа циклов нагружения для образца из инструментальной стали. Каждая экспериментальная точка получена по усреднению по 10 измерениям. Наблюдается немонотонность изменений скорости звука, затухания и дисперсии спектрального распределения передаточной функции от числа циклов нагружения. Для выявления общей тенденции поведения представленных на рис. 3.11 зависимостей было проведено сглаживание полученных экспериментальных результатов методом текущего среднего [77]. Сглаженные кривые показаны на рис. 3.11 жирными линиями. Отметим корреляцию изменения зависимостей скорости звука и затухания. До -4-Ю5 циклов рассматриваемые зависимости убывают, с дальнейшим ростом числа циклов нагружения - наблюдается их рост. Зависимость величины прогиба у от нагрузки Р показана на рис. 3.12. Максимальная величина прогиба для рассматриваемого образца равнялась 8-Ю 3 м . Максимальная величина нагрузки составила 0,72 Н . Величина максимального напряжения в заделке для образцов равна 2,5МПа. Величина временного сопротивления для ПММА составляет 60МПа (а &0,04 сгв) [83]. Число циклов до разрушения для образцов составило приблизительно 8,5 -106 циклов. Осциллограммы отраженных акустических импульсов для рассматриваемого образца без нагружения и после 2,6888-106 циклов нагружения показаны на рис. 3.13. Можно видеть, что, в связи с большим затуханием, амплитуда второго импульса мала. Поэтому анализе эхо импульсов использовались зондовый и первый акустические импульсы. Фрагменты осциллограмм (рис. 3.13) с зондовым и первым акустическими импульсами для образца без нагружения и после 2,6888-106 циклов нагружения показаны на рис. 3.14. Наблюдается изменение амплитудных и временных характеристик эхо импульсов для разных циклов нагружения. Фурье-спектры для акустических импульсов, представленных на рис. 3.14, даны на рис. 3.15. Различия полученных Фурье-спектров наблюдаются в высокочастотной части спектра. Зависимость дисперсии спектрального распределения передаточной функции H(f) от частоты показана на рис. 3.16. Для образца из ПММА наблюдаются более существенные различия зависимости передаточной функции H(f) для разного числа циклов нагружения, чем для образца из инструментальной стали.
На рис. 3.17, а, б, г представлены экспериментальные зависимости относительных изменений скорости звука (с/Сд-1), затухания (а/а0-1) и дисперсии спектрального распределения передаточной функции (HN-H„)/Н0-Нтах от числа циклов нагружения для рассматриваемого образца. В процессе эксперимента для образцов дополнительно проводились измерения остаточного прогиба. Через каждые 5-Ю4 циклов, когда нагружение останавливалось, свободный конец образца нагружался силой Р, и по изменению угла отражения луча лазера измерялся прогиб образца, то есть получались кривые аналогичные рис. 3.12, которые получены для образца без нагружения. Точность измерений остаточного прогиба при этом составила 0,30%. На рис. 3.17, в представлена зависимость изменения остаточного прогиба образца (у/у0-1) от числа циклов нагружения для величины нагрузки равной 1Н. Кривые, сглаженные методом текущего среднего, показаны на рис. 3.17 жирными линиями. Каждая экспериментальная точка получена по усреднению по 10 измерениям. Наблюдается немонотонность изменений скорости звука, затухания и дисперсии спектрального распределения передаточной функции от числа циклов нагружения. Отметим корреляцию изменения зависимостей скорости звука и затухания. В отличие от образцов из инструментальной стали, где рассматриваемые зависимости сначала убывают, а потом растут, для образцов из ПММА до -4-Ю6 циклов нагружения скорость звука убывает, а затухание растет. При N 4-106 - наоборот: скорость звука растет, а затухание убывает. На рис. 3.18 представлены зависимости величины прогиба у от нагрузки Р для различного числа циклов нагружения. Были проведены циклические испытания образцов из стеклопластика со следующими геометрическими размерами: bxaxl: 29,00x4,10x150,00мм. Внутренняя структура образцов изучалась с помощью оптического микроскопа с увеличениями 5х и 15х. Полученные фотографии представлены нарис. 3.19.
Анализ изменения модулей упругости материалов при циклических нагрузках
Значения скорости звука, полученные в экспериментах, позволяют по известному соотношению (2.22) определить зависимость модуля упругости от числа циклов нагружения при условии постоянства изменений р и v. Данное допущение вполне корректно, так как существенные изменения плотности, например при отжиге, наблюдаются лишь при температурах больших температуры рекристаллизации (рис. 2.17) и так как напряжения в заделке много меньше ств. Значения нормированного модуля упругости Е/ Е0 для каждого из рассматриваемых материалов представлены на рис. 3.24. Из результатов экспериментов (рис. 3.11, 3.17, 3.23, 3.24) следует, что для инструментальной стали, ПММА и стеклопластика наблюдаются два достаточно четко выраженных этапа в процессе жизни образцов при циклических нагружениях, в которых поведение рассматриваемых характеристик существенно различается. То есть наблюдается общность поведения изменений скорости звука, затухания, дисперсии спектрального распределения передаточной функции и модуля упругости от числа циклов нагружения для столь различных материалов. На первом этапе происходит снижение модуля упругости. Для ПММА эта область соответствует приблизительно 5-Ю6 циклам, а для инструментальной стали —4-Ю5 циклам. С достаточным основанием можно предположить, что на начальном этапе циклических нагружений имеет место адаптация прочностных свойств образца к внешним нагрузкам. Это обусловлено стремлением к минимизации внутренней энергии образца за счет перестройки структуры, то есть так же как при тепловом отжиге на первом этапе происходит релаксация внутренних напряжений. Это сопровождается уменьшением модуля упругости. Мы имеем дело с реальными материалами, в которых всегда существуют внутренние остаточные микронапряжения. До тех пор, пока поле микронапряжений не станет минимальным, будет продолжаться период адаптации. Только после исчерпания возможностей адаптации наступает второй этап — этап накопления повреждений, который при достижении величины поврежденности критического значения приводит к макроразрушению образца. Таким образом, долговечность материалов при циклических нагружениях определяется двумя этапами — этапом адаптации к внешней нагрузке и этапом накопления повреждений.
Продолжительность этих этапов определяется как исходной структурой образцов, так и параметрами внешней нагрузки. Исследованию изменения скорости звука в различных материалах, в частности, при усталости посвящен ряд исследований [38, 39, 63, 76]. Показано, что наблюдается немонотонный характер изменений скорости звука от числа циклов нагружения. В связи с этим можно высказать сомнения в том, что широко применяемые модели накопления повреждений [47] адекватно описывают долговечность материалов при циклической нагрузке. По-видимому, они применимы лишь для заключительного этапа жизни материала при циклических нагружениях. Для сравнения на рис. 3.25 приведены линейные аппроксимации полученных зависимостей относительных изменений скорости звука (с/с0-1),%, затухания и дисперсии спектрального распределения передаточной функции от числа циклов нагружения для образца из инструментальной стали, соответствующие линейному закону накопления повреждений (1.6). Применение оптико-акустической методики диагностики открывает дополнительные возможности, а именно возможность получения частотных зависимостей затухания. Это позволяет оценить характер изменения масштабных уровней перестройки структуры материалов, в частности, в процессе циклических испытаний. С достаточным основанием можно предположить, что наблюдаемые существенные изменения частотных зависимостей затухания для различных циклов нагружения определяются в основном изменением процесса рассеяния акустической волны за счет изменения внутренней структуры образцов. В качестве модели рассеяния принимаем модель Релея. Тогда частотная зависимость затухания может быть связана с масштабом элементов структуры соотношением [91] Полученные зависимости a(f) для образца из инструментальной стали представлены нарис. 3.26. Задавая размер дефектов для образца из стали в разумных пределах от 0 до 100мкм, что близко к реальным значениям для стали [22], по известной частотной зависимости затухания можно с учетом соотношения Л = с// (Л -длина волны) восстановить функцию распределения дефектов п(D). Полученные таким образом распределения дефектов для образца из инструментальной стали для различных циклов нагружения показаны на рис. 3.27. Эти зависимости хорошо аппроксимируются функцией n(D) п0 е \ которая обычно и используется для описания распределения дефектов в различных материалах [90]. Более наглядным является относительное распределение дефектов nomH(D) = (n(D)-no(D))/n0(D)-nmJD), которое представлено на рис. 3.28. Основные изменения структуры для образца из инструментальной стали наблюдаются на размерах, сопоставимых с размером зерна в материале.
На этапе адаптации основные изменения структуры происходят на малых масштабах элементов структуры. С ростом числа циклов нагружения, то есть на этапе накопления повреждений, наблюдается постепенное увеличение размера дефектов. Для образца из ПММА наблюдается немонотонность изменения затухания от частоты и относительного распределения дефектов от их размера на всех этапах долговечности образца - как на этапе адаптации, так и на этапе накопления повреждений. Наблюдается корреляция изменения затухания и относительного распределения дефектов. С ростом числа циклов наблюдается рост числа структурных элементов с большими масштабными уровнями. На рис. 3.31 представлены зависимости затухания от частоты, а на рис. 3.32 - относительное распределение дефектов от их размера для образца из стеклопластика. Размер дефектов для этого образца задавался в пределах от 0 до 600мкм, что сравнимо с реальными размерами структурных элементов в материале образца (рис. 3.20) [83]. Основные изменения структуры для образца из стеклопластика наблюдаются на размерах, сопоставимых с размером жгута в материале. Несмотря на то, что диапазон изменения размеров дефектов D для материалов выбирался достаточно произвольно, рассматриваемый подход позволяет выявить изменение масштабов перестройки структуры материалов в процессе циклических испытаний. Различный характер зависимостей относительного распределения дефектов от их размера для металлов, композитов (рис. 3.28, 3.32) и полимеров (рис. 3.30) определяется значительным отличием их внутренних структур. Для материалов, имеющих ярко выраженную структуру - сталь и стеклопластик, основные изменения структуры происходят на размерах дефектов сопоставимых с размерами структурных элементов в этих материалах. Для стали пик зависимости относительного распределение дефектов от их размера наблюдается при размере дефектов D&27 мкм, что сопоставимо со средним размером зерна. Для стеклопластика пик имеет место — при размере дефектов D»180 мкм, что сопоставимо с характерным размером жгута. В оргстекле нет ярко выраженной структуры, и изменения происходят на всем интервале размеров структурных элементов.
Похожие диссертации на Исследования изменений акустических свойств конструкционных материалов в процессе циклических испытаний
