Введение к работе
Актуальность темы. Многие конструкционные материалы в процессе эксплуатации испытывают различные статические и динамические нагрузки, подвержены различным напряжениям (сжимающим или растягивающим, изгибным или крутильным). Как правило, выбор структуры материала зависит от условий его дальнейшей эксплуатации, т.е. от вида нагрузки, а также от его сопротивляемости или податливости в том или ином направлении. До недавнего времени считалось, что, для описания напряженного состояния твердого тела достаточно линейного представления Гука. Однако эксперименты показали, что во многих случаях это совсем не так. Речь идет о разносопротивляемости конструкционных материалов сжимающим и растягивающим напряжениям, что, зачастую, зависит даже не от анизотропии свойств материала вдоль осей главных напряжений, а, скорее, от микроповреждений и неоднородностей, «размазанных» случайно по всему объему твердого тела, имеющего четкую и строгую структуру (например, сталь).
Дело в том, что акустические характеристики металлов и сплавов в мегагерцевом диапазоне частот, используемом при импульсном ультразвуковом контроле, достаточно стабильны и слабо зависят от химического состава и других индивидуальных характеристик металлов и сплавов. Однако малейшие нарушения внутренней структуры (трещинки, эксплуатационные повреждения) могут оказать существенное влияние на параметры распространения упругих волн миллиметрового диапазона, поскольку отношение пространственных масштабов, характерных для микроповреждений материала, к длине упругой волны здесь величина более существенная.
Справедливо предположить, что наличие микродефектов может сказаться не лучшим образом на «работоспособности» материала, а, зачастую, приводит к его разрушению раньше предполагаемого срока. Поэтому интересно рассмотреть возможность диагностирования материала на наличие микронарушений его структуры, причем использовать для этого неразрушающие акустические методы.
Цель работы: исследование поврежденной упругой среды на основе волновых эффектов, связанных с распространением в ней упругих волн. Изучение возможности построения метода диагностики поврежденности на основе этих волновых эффектов.
Методы исследования. Теоретическая модель поврежденности материала основана на положениях разномодульной теории упругости. Для моделирования поврежденности в экспериментах использована методика испытания материалов на кручение, разработанная для выполнения лабораторных работ студентами в рамках программы курса «Механические свойства металлов» специальности «Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов» Нижегородского Государственного Технического Университета. Экспериментальная часть осуществлена с помощью акустических методов неразрушающего ультразвукового контроля материала.
Научная новизна.
-
Предложена математическая модель, описывающая поврежденность конструкционных материалов, на основе современных тенденций развития разномодульной теории упругости.
-
Выведены уравнения, описывающие динамические процессы в поврежденной упругой среде, а также, в стержне из поврежденного материала. Исследованы особенности распространения продольных, сдвиговых и крутильных упругих волн.
-
Показано, что наличие поврежденности является одной из возможных причин появления второй гармоники в спектре сдвиговой волны в среде и крутильной волны в стержне, «запрещенных» уравнениями нелинейной теории упругости.
-
Экспериментально установлено, что поврежденность материала влияет на скорость распространения продольных волн в поврежденном материале. В рамках использованной модели скорость продольной волны в стержне уменьшается с ростом степени внутренних повреждений (деформаций).
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, а именно, влияние поврежденности на параметры распространения упругих волн, позволяют говорить о возможности прогнозировать начало интенсивного разрушения детали в зоне пластических деформаций на основе ультразвуковых методов неразрушающего контроля.
Достоверность результатов проведенных исследований обусловлена корректным применением математического аппарата; использованием простых и точных методик и схем в экспериментах; определением погрешностей на каждом этапе измерений и подтверждается хорошим соответствием теоретических исследований с данными экспериментов, проведенных в рамках данной работы.
Апробация работы. Научные результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: Международном симпозиуме «Material instabilities in deformation and fracture» (Греция, Салоники, Университет Аристотеля, 1997), 2-ой Международной н.-т. конференции «Инженерно-технические проблемы авиационной и космической техники» (Егорьевск (Моск.обл.), 1997), VI сессии Российского Акустического обществам «Акустика на пороге XXI века» (Москва, 1997), Международной молодежной научной конференции «ХХV Гагаринские чтения» (Москва, 1999), XI сессии Российского Акустического общества (Москва, 2001), Второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций (Н. Новгород, 2007).
Основные результаты диссертационной работы были получены в ходе выполнения научно-исследовательских программ Нф ИМАШ РАН по теме «Нелинейные волны в твердых телах с микроструктурой. Теория. Эксперимент. Компьютерное моделирование» (1996-1999 гг.) и при выполнении работ по грантам «Построение математических моделей динамики механических систем, учитывающих микроструктуру материала, поврежденность, геометрическую и физическую нелинейности, а так же взаимодействие деформационных и магнитных полей» (98-15-96127-н, рук. Ерофеев В.И.), «Нелинейные акустические волны в неоднородных, поврежденных и структурированных поврежденных средах. Теория. Эксперимент. Приложения» (03-02-16924-а, рук. Ерофеев В.И.), «Разработка способа ранней диагностики разрушения материалов и конструкций» (06-08-00520-а, рук. Ерофеев В.И.).
Автор удостоин стипендий имени академика Г.А. Разуваева (1997 г.), Американского Акустического Общества (1998 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в числе которых 10 статей в журналах и сборниках научных трудов, из них 1 из списка, рекомендованного ВАК, 1 доклад на конференциях, 8 тезисов докладов, 2 препринта.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В конце диссертации приведен список литературы. Диссертация представлена на 85 страницах. Список литературы содержит 70 наименований.
