Экспериментально-теоретическое исследование затухания высокочастотных колебаний в пластично деформируемом образце тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Толстопятов, Сергей Николаевич

• Толстопятов, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Толстопятов, Сергей Николаевич

Введение

Глава I Состояние вопроса и постановка задач исследований

§1.1. Физические причины затухания упругих волн в поликристаллическом твердом теле

§1.2. Затухание ультразвука, обусловленное поликристаллическим характером структуры металлов

§1.3. Рассеяние ультразвука из-за присутствия в структуре материала фаз, имеющих различные акустические характеристики

§1.4. Влияние пористости на затухание ультразвука

§1.5. Влияние дислокаций на затухание ультразвука

§1.6. Связь напряжений с затуханием ультразвука в металлах

§1.7. Выводы

§1.8. Постановка задач исследования

Глава II Экспериментальные исследования затухания ультразвука в малоуглеродистых сталях в процессе одноосного растяжения

§2.1. Ультразвуковые измерения

§2.2. Излучение и прием акустических волн

§2.3. Источники погрешностей при измерении коэффициента затухания ультразвука

§2.4. Методика проведения экспериментальных исследований

§2.5. Выводы

Глава III Математическое моделирование затухания высокочастотных колебаний в поликристаллическом твердом теле

§3.1. Выбор уравнений и их линеаризация

§3.2. Конкретизация уравнения состояния по результатам экспериментов

§3.3. Эталонные кривые w-а

§3.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое исследование затухания высокочастотных колебаний в пластично деформируемом образце»

Развитие современной науки и техники характеризуется резким возрастанием нагрузок на рабочие органы машин и элементы конструкций, что требует обеспечения запаса прочности и надежности при одновременном снижении материалоемкости изделий. Решение таких задач невозможно без неразрушающего определения прочностных характеристик материала как в процессе изготовления, так и во время эксплуатации.

Для неразрушающего определения напряженно-деформированного состояния стальных образцов широко используются традиционные методы: тензометрический, рентгеновский, хрупких покрытий, фотоупругости и др. Однако, перечисленные методы имеют каждый лишь свою специфическую область применения, и для всех них характерен общий недостаток, заключающийся в том, что измерения проводятся только на поверхности, либо результаты можно получить только после разрушения образца, без чего нельзя судить о состоянии во внутреннем объеме или об общем напряженно-деформированном состоянии детали или образца.

Одними из наиболее перспективных являются ультразвуковые методы, позволяющие находить однозначную связь между изменениями акустических свойств материала и внутренними превращениями, происходящими при нагружении, которые являются физической причиной изменения механических характеристик материала.

Ультразвуковые методы в сравнении с традиционными обладают рядом преимуществ:

- возможностью измерения не только поверхностных напряжений, но и напряжений в объеме материала;

- оперативностью измерений;

- безопасностью измерения.

Большой вклад в разработку метода ультразвуковых измерений напряженно-деформированного состояния поликристаллического твердого тела, основанного на изменении ультразвуковой волны под действием напряжений, внесли Соколов С .Я., Ермолов И.Н., Рохлин JLJL, Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И., Бобренко М.М., Хьюз Д., Кэли Дж. и др.

Исследованиям закономерностей распространения упругих волн в телах с начальными напряжениями посвящены многие работы.

Значительно меньше научных работ посвящено исследованиям связи затухания ультразвуковых волн с внутренними напряжениями в твердом теле.

Экспериментальные исследования Меркулова Л.Г., Ермолова И.Н. и др. показали, что затухание ультразвука более чувствительно к изменению напряженно-деформированного состояния, чем скорость, что открывает новые возможности в совершенствовании и дальнейшем развитии ультразвуковых методов определения напряжений и деформаций в твердом теле при наложении внешней нагрузки.

Математическое моделирование затухания ультразвука в поликристаллическом твердом теле сводится, в основном, к рассмотрению рассеяния упругих волн различными частицами - включениями, т.е. среда предполагается упругой, но с различными включениями.

Целью данной работы является экспериментальное изучение изменения затухания ультразвуковых волн малой амплитуды в стальных образцах под действием одноосных растягивающих напряжений, построение математической модели упруго/вязкопластического тела, объясняющей накопленные экспериментальные результаты и получение практических рекомендаций по определению напряжений в металлах методом затухания ультразвука.

Механические испытания стальных образцов с получением статических диаграмм <т - е при одноосном растяжении проводились на кафедре сопротивления материалов Белгородской государственной сельскохозяйственной академии. Ультразвуковые измерения проводились в Центральной заводской лаборатории ПО «Белгородский завод энергетического машиностроения».

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы доктору физико-математических наук И.Н. Молодцову. Особая признательность доктору физико-математических наук профессору И.А. Кийко за ценные советы и поддержку. Автор благодарен докторам физико-математических наук Г.Л. Бровко, Р.И. Васину и кандидату физико-математических наук А.В. Муравлеву за полезные советы и замечания при обсуждении экспериментов по затуханию ультразвука в стальных образцах.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Толстопятов, Сергей Николаевич

§3.4. Выводы

1. Предложенная математическая модель адекватно описывает явление уменьшения амплитуды высокочастотных колебаний с ростом одноосных растягивающих напряжений в образцах.

2. Полученная в линейном приближении теоретическая зависимость w- эр позволяет качественно судить о напряженно-деформированном состоянии образца.

3. Полученные эталонные кривые w-a дают возможность количественно оценивать одноосное растягивающее напряжение в образце при нагрузке по результатам измерения относительного изменения амплитуды ультразвуковых колебаний вводимых в образец. Точность определения напряжений для материала Сталь 20 не хуже 10%, для материала Сталь 45 не хуже 20%, что вполне пригодно для экспресс-оценки напряженного состояния изделия.

Заключение

В результате выполнения настоящей работы можно сформулировать следующие основные выводы:

1. Экспериментально исследовано относительное затухание высокочастотных колебаний малой амплитуды (ультразвук на частоте 5 МГц) в стальных образцах при наложении растягивающих напряжений до достижения больших пластических деформаций. Показано, что при достижении напряжений выше СГТ всегда имеется остаточное затухание.

2. Предложен и защищен авторским свидетельством СССР способ определения напряженного состояния образца по методу затухания ультразвука.

3. Построена математическая модель, адекватно описывающая явление роста относительного затухания высокочастотных колебаний с увеличением пластической деформации.

4. Установлена аналитическая формула зависимости относительного затухания высокочастотных колебаний от пластической деформации.

5. Показана возможность экспресс-оценки одномерного напряженно-деформированного состояния методом затухания ультразвука.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Толстопятов, Сергей Николаевич, 2005 год

1. Шрайбер Д.С. Исследование металлов при помощи ультразвука./Д.С. Шрайбер // Заводская лаборатория. 1940.- №9. - С. 1001- 1008.

2. Шрайбер Д.С. Заводская лаборатория. 1945.-№11-12.- С. 1051.

3. Шрайбер Д.С Ультразвуковая дефектоскопия./ Д.С. Шрайбер// Информационный сборник ВИАМ. 1941. №18. М., Оборонгиз. С. 241276.

4. Соколов С.Я. Поглощение ультразвуковых колебаний твердыми телами / С. А. Соколов //Докл. АН СССР.- 1948. -Т. 59.- №5.- С. 883-886.

5. Соколов С.Я. Успехи физических наук / С.Я. Соколов // 1950. Т. 40. -№1. -С.З.

6. Roth W. J. Appl. Phys. 1948. 19. N10. P. 901-939.

7. Mason W., McSkimin H. J. Appl. Phys. 1948. 19. N10. P. 940-954.

8. Mason W., McSkimin H. J. Acoust. Soc. America. 1947. 19. N13. P. 464-482.

9. Меркулов Л.Г. Применение ультразвука для исследования структуры сталей. / Л.Г. Меркулов // Ж. Технич. Физ. 1957.- Т. 27. - №6. - С. 13861391.

10. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А. Ультразвуковые исследования деформированных кристаллов NaCl. / Л.Г. Меркулов, Л.А. Яковлев// Акустический журнал.- I960.- Т. 6.- Вып. 2.- С. 244- 251.

11. Меркулов Л.Г. Поглощение и рассеяние ультразвука в поликристаллических средах. / Л.Г. Меркулов // Изв. ЛЭТИ.- 1957. Вып. 31.- С. 4-20.

12. П. Полунин И.Н. О связи коэффициента затухания с микроструктурой образцов из меди и хромовых бронз. /И.Н. Полунин // Заводская лаборатория.- 1980.- Вып. 46- №.9.- С. 844-845.

13. Papadakis Е. "Ultrasonic Attention in SAE 3140 and 4150 Steel". J. Acoust. Soc. Am. 1960. 32. N12. P. 1628-1639.

14. Пападакис Э. Затухание ультразвука, обусловленное рассеянием в поликристаллических средах. / Э. Пападакис //В сб. «Физическая акустика».- 1970.- Т.4. Ч. Б. -М. «Мир».

15. Муравьев В. А. Затухание звуковых колебаний металлов./ В.А. Муравьев // МиТоМ. 1975. - №4.- С. 63-65.21 .Рохлин JI.JI. Акустические свойства легких сплавов. 1974. Наука. Москва. 139с.

16. Рохлин Л.Л., Уральский М.П. Акустические свойства меди и сплавов на ее основе./ JI.JI. Рохлин, М.П. Уральский // Дефектоскопия. 1974. - №1.-С. 61-66.

17. Уральский М.П., Шкиров B.C. Затухание и скорость ультразвука в некоторых титановых сплавах. / М.П. Уральский, B.C. Шкиров //Дефектоскопия.- 1974.- №5.- С. 130-132.

18. Спасский А.Г. Влияние условий литья на затухание ультразвука в металлах / Д.П. Ловцов, В.П. Сизов, А.Г. Спасский // Изв. вузов. Сер. Цветная металлургия.-1958.- №3-С. 127-131.

19. Papadakis Е. "Ultrasonic Attention Velocity in Three Transformation Production Steel". / E. Papadakis // J. Appl. Phys.- 1964. 35.- N5. -P. 14741482.

20. Papadakis E. "Ultrasonic Spectroscopy Applied to Dowble Refraction in Worked Metals". / E. Papadakis // J. Acoust. Soc. Am.- 1974. 55.- N7. P. 783-784.

21. Truell R. Internal Stresses and Ultrasonic Measurement. Internal Stresses and Fatigue in Metals.- 1959.- New York. P. 185-188.

22. Ying C., Truell R. J. Appl. Phys. 1956. 27. N9. P. 1086.

23. Jonson G., Truell R. J. Appl. Phys. 1956. 27. N11. P. 3466.

24. Enspruch N., TruellR. J. Appl. Phys. 1960. 31. N5. P. 806.

25. Kraft O., Franzblau M. J. Appl. Phys. 1971. 42. N8. P. 3019.

26. Ъ2.Труэлл P. Ультразвуковые методы исследования пластической деформации. / Р. Труэлл, Ч. Элбаум, А. Хиката // Сб. Физическая акустика под ред У. Мэзона, Т.З, Ч. А. Влияние дефектов на свойства твердых тел. М., «Мир». 1969. - С. 234-262.

27. Koeler J. Imperfection in Nearly Perfect Crustals./ J/ Koeler // John Wiley and Sons. 1952. - P. 197.

28. Granato A., Lucke K. J. Appl. Phys. 1956. 27. N6. P. 583.

29. Меркулов Л.Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах. / Л.Г. Меркулов II ЖТФ.- 1956.-Т. 27.-№1.-С. 64.

30. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А., Гусева Е.К. Новый ультразвуковой метод определения содержания примесей в металлах./ Л.Г. Меркулов, Л.А. Яковлев, Е.К. Гусева // Дефектоскопия. 1967. - №6.- С. 33 - 42.

31. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А., Гусева Е.К. Ультразвуковой способ нахождения границы « чистой» части в слитках зонноочищенного алюминия./Л.Г. Меркулов, Л.А. Яковлев, Е.К. Гусева // Дефектоскопия.-1969.- №6. С. 44- 48.

32. Allen D., Cooper W., Sayers C., Silk M. The Use of Ultrasonics to Measuren residual stresses. Res. Techn. Nondestr. Test. V. 6. London. New York. 1982. P. 151-209.

33. Chio W., Gordon R. Trans. Metallurg. Soc. AIME. 1965. 233. N6. P. 1164.

34. Koss D., Goedon R. Trans. Metallurg. Soc. AIME. 1966. 236. N8. P. 1185.

35. Полоцкий И.Г. Сб. «Релаксационные явления в твердых телах»./ И.Г. Полоцкий 1968. Металлургия. Москва. -С. 340.

36. Hikata A., Truell R., Granato A., Chick В., Lticke К. Sensitivity of Ultrasonic Attention and Velocity Changes to Plastic Deformation and Recovery in Aluminium./ A. Hikata, R. Truell, A. Granato, K. Lucke // J. Appl. Phys.-1956.27.- N4.-P. 396-404.

37. Granato A., Hikata A., Liicke K. Recovery of Damping and Modplu Changes Following Plastic Deformation./ A. Granato, A. Hikata, K. Lucke I I Acta Metallurgies- 1958. 7.- P 480-489.

38. Hikata A., Truell R. J. Appl. Phys. 1957. 28. N5. P. 522.

39. Гусева E.K. Акустический журнал. 1966. Вып. 12. №2. С. 185.

40. Меркулов Л.Г. Изв. Ленинградского электротехнического института. 1970. Вып. 89. С. 3.

41. Толстопятое С.Н. Зависимость затухания ультразвука от одноосного напряженно-деформированного состояния образца./ С.Н. Толстопятов // Энергомашиностроение. 1988. -№2. - С.27-28.

42. Толстопятов С.Н. К вопросу о связи затухания ультразвука с остаточными напряжениями. / С. Н. Толстопятов // Энергомашиностроение. 1987.- №7. -С. 20-21.

43. Амандосов А.А., Лисицин В.Н. Влияние одноосного растягивающего напряжения на скорость и затухание ультразвуковых вол. / А.А. Амандосов, В.Н. Лисицин // Изв. Ан КазССР. Сер. физико-математическая.- 1985.- Т. 1. С. 78-87.

44. Blinka J., Sachse W. Application of Ultrasonic-pulse Spectroscopy Measurements to Experimental Stress Analysis. / J. Blinka, W. Sachse // Exp. Mech.- 1976. 16.- N12.- P. 448-463.

45. Буренин Л.А., Дудко O.B., Манцыбора Л.Л. О распространении обратимых деформаций по среде с накопленными необратимыми деформациями. /Л.А.Буренин,О.В.Дудко, Л.Л.Манцыбора// Прикладная механика и техн. физика.- 2002. 43-. №5. С. 162-170.

46. Толстопятов С.Н. О связи затухания ультразвука с внутренними напряжениями в образце. / С.Н. Толстопятов // 1987. ЦНИИТЭИ Тяжмаш. ВИНИТИ. Депон. - №391-эм. 10(192)- С. 178.

47. Амандосов А.А., Тулеушев А.И. Упругие волны в телах с начальными напряжениями./ А.А. Аманлдосов, А.И. Тулеушев// Изв. Ан КазССР. Сер.физико-математическая. 1984. 14с. Деп. ВИНИТИ 19 января 1984.- №. 401-94.- С. 78-87.

48. Johnson G.C. Acoustoelastic Response of a Polycrystalline Agregate with Orthotropic Texture. / G. C. Johnson // J. of Apple. Mech. 1985. V. 52. -N9.- P. 117-133.

49. Allen D.R. Cooper W.H., Sayers C.M., Silk M.G. The Use of Ultrasonics to Measuresesidual Stresses. Res. Techn. Nondestr. Test. 1982. V. 6. New York. London.- P. 151-209.

50. Максимов B.H. Изменение акустических характеристик чугунов при деформации. / В.Н. Максимов //Дефектоскопия. 1978.- №2.- С. 105107.

51. Кулемин А.В. Поглощение ультразвука в металлах в процессе их пластической деформации./ А.В. Кулемин // Акустический журнал.1980.- Т. 26. В. 5.- С. 735-740.

52. Труэлл Р., Элбаум Ч., Хиката А. Ультразвуковые методы исследования пластической деформации. Сб. Физическая акустика под ред./ X. Мэзона Т.З., ч. А. М.: Мир. 1969. -С. 234-262.

53. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Измерение дисперсии скорости и затухания упругих волн. / А.Н. Бондаренко, А.И. Кондратьев // Акустический журнал. Т. 27. В. 1. - 1981. - С. 51-55.

54. Ермолов И.Н., Рыбник А.А., Царев К.К. Установка для исследования ультразвуком стадий развития усталости металлов. /И.Н. Ермолов, А.А. Рыбник, К.К. Царев //Труды ЦНИИТМАШ.-1981.- №165. -С. 60-64.

55. Ермолов И.Н., Рыбник А.А. Обоснование оптимальных методов оценки ультразвуком состояния материала в связи с циклической поврежденностью. / И.Н. Ермолов, А.А Рыбник // Труды ЦНИИТМАШ.1981.- №165.- С. 42-58.

56. Толстопятое С.Н. Способ определения напряженного состояния. 1989. Изобр. №1483354.

57. Бобренко В.М., Булгакова Л.В., Воскобожик И.А. К расчету напряжений в резьбовых деталях по результатам ультразвуковых измерений. / В.М. Бобренко, JI.B. Булгаков, И.А. Воскобойник // Дефектоскопия.- 1976. -№5,- С. 95-100.

58. Бусов В.Л. Затухание ультразвука в сталях с однородной структурой. / В.Л. Бусов // Дефектоскопия. 1983.- №4. - С. 11-18.

59. Буденков Г.А., Никифоренко Ж.Г., Школьник И.Э. Оценка напряженного состояния материалов с помощью ультразвука. / Г.А. Буденков, Ж.Г. Никифоренко, И.Э. Школьник //Заводская лаборатория. 1966.- Т. 32. -№8.- С. 962-965.

60. Ботаки А.А., Ульянов В.В., Шарко А.В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. / А.А. Ботаки, В.В. Ульянов, А.В. Шарко. М.: Машиностроение.- 1983.- с. 74

61. Бугай Н.В., Лебедев А.А., Левитан Л.Я., Федорченко А Н., Шарко А.В. Определение взаимосвязи механических и акустических свойств стали. / Н.В. Бугай, А.А. Лебедев, Л.Я. Левитан, А.Н. Федорченко, А.В. Шарко //12Х1МФ. Дефектоскопия.- 1982. №2. - С. 85-86.

62. Стрелков П.С. Измерение коэффициента затухания ультразвуковых колебаний./ П.С. Стрелков // Дефектоскопия. 1975.- №4. - С. 141-143.

63. Пудов Г.Н. Об оценке затухания ультразвуковых колебаний по донным сигналам. / Т.Н. Пудов//Дефектоскопия. 1970.- №6.- С. 143-145.

64. Бобренко В.М., Вагнели М.С., Куценко А.Н. Акустические методы контроля напряженного состояния деталей машин./ В.М. Бобренко,. М.С. Вагнели, А.Н Куценко. Кишинев: Штиница. - 1981.- с. 147

65. Гитис М.Б., Шенкер A.JI. Особенности акустических измерений в сильно поглощающих средах. / М.Б. Гитис, A.JI. Шенкер // Дефектоскопия. -1982.- №10.- С. 87-94.

66. Бовенко В.Н. Связь автоакустической эмиссии с предразрушающим состоянием кристалла./ В.Н. Бовенко // ДАН СССР. 1983.- Т. 271. - №5. -С. 1086-1090.

67. Бовенко В.Н. Синергетические эффекты при пластической деформации и разрушении кристаллов./ В.Н. Бовенко // Изв. АН СССР. Сер. физ. -1986.- Т. 50. № 3.- С. 509-512.

68. Бунин Н.А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. / Н.А. Бунин. JL: Изд-во ЛГУ. - 1990.- 156с.

69. Огибалов П.М., Тамбовцев Е.П., Молодцов И.Н. Неустойчивость континуума Орована. / П.М. Огибалов, Е.П. Тамбовцев, И.Н. Молодцов // Механика композит, материалов.- 1985.- №1.- С. 7-11.

70. Огибалов П.М., Тамбовцев Е.П., Молодцов И.Н. Очаги пластической деформации — основной объект механики реальных тел./ П.М. Огибалов, Е.П. Тамбовцев, И.Н. Молодцов // Механика композит, материалов. -1988.- №1.- С. 137-143.

71. Огибалов П.М., Тычкин А.А., Тамбовцев Е.П. Математическое моделирование стохастических процессов в континуумах механики реальных сред./ П.М. Огибалов, А.А. Тычкин, Е.П. Тамбовцев // Механика композит, материалов. 1989. - №6.- С. 963-968.

72. Молодцов И.Н. Теория очагов пластической деформации./ И.Н. Молодцов // Вестник МЭИ. 1994.- №4. - С. 49-56.

73. Молодцов И.Н. Очаговый механизм пластичности и динамическая калибровка уравнений состояния./ И.Н. Молодцов // Ивестия ТулГУ.

74. Сер. Математика. Механика. Информатика 2000. Т.6. Вып. 2.- С. 116-119.

75. Молодцов И.Н. Математическое моделирование очагового механизма пластичности./ И.Н. Молодцов // Автореф. дисс. . д-ра физ.-мат. наук. М.:- 2003.- 24С.

76. Молодцов И.Н. Нелинейная теория очагов пластической деформации. / И.Н. Молодцов // Проблемы машиностроения и автоматизации. 1992. -№6.- С. 66-68.

77. Молодцов И.Н. Об очаговом механизме динамической пластичности. / И.Н. Молодцов// Вестник МЭИ.- 1996.- №4. С. 89-95.

78. Алешин И.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия:/ И.П. Алешин, В.Г Лупачев. Справочное пособие. Минск:. Вышэйш. Шк. -1987.- 264с.

79. Новацкий В. Теория упругости. / В. Новацкий. 1975. - М.:Мир. - 872с.

80. Владимиров B.C. Уравнения математической физики./ B.C. Владимиров -М.: Наука. -1971.- 512 с.

81. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории вязкоупругости. / А.А Ильюшин, Б.Е. Победря.- М.: Мысль. 1970.-280с.