Экспериментальные исследования акустической нелинейности в поликристаллических металлах в области упругопластических деформаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат физико-математических наук Ван Нин

• Ван Нин
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ван Нин

Введение.

Глава 1. Экспериментальные исследования структурнонеоднородных твердых тел акустическими методами

1.1 Экспериментальные исследования влияния дефектной структуры в твердых тел на их акустические свойства.

1.2 Физические модели механизмов структурной нелинейности.

1.3 Экспериментальные методы исследования акустической нелинейности твердых тел.

Глава 2. Распространение акустических волн в тонких стержнях (проволоках) и экспериментальные методы их исследования

2.1 Распространение акустических волн в неограниченной среде.

2.2 Особенности распространение акустических волн в тонких стержнях (проволоке).

2.3 Экспериментальная установка для исследования распространения продольных и крутильных упругих волн в металлических проволоках в области упругих и пластических деформаций.

2.4 Методика исследований нелинейных упругих свойств тонких стержней (проволок) динамическим методом.

2.5 Экспериментальная установка для исследования нелинейных упругих свойств тонких стержней динамическим методом.

Глава 3. Результаты и обсуждение экспериментальных исследований линейных и нелинейных упругих свойств поликристаллической меди

3.1 Описание экспериментальных образцов.

3.2 Экспериментальное исследование влияния изменения внутренней структуры на линейные упругие константы в поликристаллической меди.

3.3 Влияние статической деформации на квазистатические нелинейные параметры меди.

3.4 Особенности поведения динамического нелинейного параметра меди для продольных и крутильных волн при статических деформациях.

Глава 4. Экспериментальные исследований распространения упругопластических импульсов сжатия в поликристаллической меди.

4.1 Особенности распространения упругопластических импульсов.

4.2 Экспериментальная установка для исследования распространения упругопластических импульсов в тонких стержнях.

4.3 Результаты экспериментального исследования распространения упругопластических импульсов в поликристаллической меди и их обсуждение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования акустической нелинейности в поликристаллических металлах в области упругопластических деформаций»

Распространение акустических волн (АВ) в твердых телах сопровождается разнообразными эффектами их взаимодействия с физическими полями и элементарными возбуждениями (квазичастицами), существующими в твердых телах. Совершенствование техники эксперимента, расширение диапазона частот АВ наряду с развитием теоретических представлений о механизмах их взаимодействий с этими полями и квазичастицами привели к тому, что современные акустические методы стали одними из наиболее информативных и универсальных в физике твердого тела. Акустические методы позволяют исследовать как макроскопические, так микроскопические свойства твердых тел [1-3]. При этом наряду с импульсными ультразвуковыми методами для исследований упругих волн свойств твердых тел широко используются непрерывные методы [4-6] Существенно расширяются возможности этих методов при использовании АВ конечной амплитуды, распространение которых сопровождается рядом нелинейных явлений [7-13]. Особый интерес вызывает исследование акустическими методами физических свойств твердых тел подвергнутых внешним воздействиям: давлению, термической обработке. Измерение акустических свойств твердых тел при этом позволяет определить ряд параметров характеризующих линейные и нелинейные свойства исследуемых объектов.

В последнее время методы нелинейной акустики широко используются для исследования структурно-неоднородных сред. В таких средах наряду с нелинейностью сил межмолекулярного взаимодействия (физическая нелинейность), приводящей к нелинейной связи между напряжением а и деформацией е, проявляется структурная нелинейность. Эта нелинейность определяется надмолекулярной внутренней структурой твердого тела (дислокациями, микротрещинами, локальными внутренними напряжениями и т.д.) и может на 2-4 порядка превышать физическую нелинейность. Помимо гигантской нелинейности, обуславливающей высокую чувствительность нелинейных методов, структурно-неоднородные среды интересны также вследствие необычности некоторых наблюдавшихся в них нелинейных явлений [14-26]. Однако физические механизмы структурной нелинейности полностью не изучены.

При приложении больших нагрузок, превышающих величину механического напряжения any, называемого пределом пропорциональности, в материалах нарушается однозначная связь между деформацией s и механическим напряжением айв исследуемом материале возникают пластические деформации. В случае статических нагрузок механические свойства материалов характеризуются нагрузочной кривой механическим напряжением a - деформация 6. В случае динамических нагрузок на кривую напряжение - деформация существенную влияние оказывает скорость деформации. В последнее время большое внимание уделяется распространению упругих однополярных импульсов сжатия или разрежения в различных средах. Поэтому представляет интерес исследование распространения импульсов сжатия, амплитуда напряжения в которых превышает предел пропорциональности а^ в исследуемом материале. При своем распространении импульс в области своего распространения переводит исследуемый материал в пластическую область. Такие импульсы называют упругопластическими. Исследование распространения таких импульсов в металлах представляет большой интерес.

Целью настоящей диссертационной работы являются экспериментальные исследования линейных и нелинейных упругих свойств поликристаллических металлов при изменении их дефектной структуры, вызванной приложением к ним (металлам) статических и динамических нагрузок, превышающих предел пропорциональности апу.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Создание экспериментальной методики для возбуждения и приема крутильных волн в тонких металлических стержнях (проволоках), подвергнутых большим статическим нагрузкам.

2. Измерение полного набора упругих констант поликристаллической меди при приложении к ней внешних статических деформаций (включая пластические деформации).

3. Проведения экспериментальных исследований влияния изменения внутренней структуры в поликристаллической меди, вызванной приложением к ней реверсивных больших внешних статических деформаций (включая пластические деформации) на динамические нелинейные акустические параметры для продольных и крутильных волн.

4. Проведение анализа экспериментальных результатов исследования динамических нелинейных акустических параметров для продольных и крутильных волн на основе хлопающей и гистерезисной структурных нелинейностей.

5. Разработка и создание автоматизированной экспериментальной установки для возбуждения и регистрации упругопластических импульсов сжатия в тонких металлических стержнях (проволоках).

6. Экспериментальные исследования влияния амплитуды упругопластического импульса на его поглощение и скорость распространения в поликристаллической меди.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Ван Нин

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана и реализована экспериментальная методики для возбуждения и приема крутильных волн в тонких металлических стержнях (проволоках) в условиях больших статических нагрузок.

2. Проведено измерение полного набора упругих констант в поликристаллической меди в зависимости от внешних статических деформаций (включая пластические деформации). Обнаружено, что в области статических деформаций 0-0,06 происходит монотонное уменьшение модулей Юнга и сдвига, приблизительно на 10%, с одновременным увеличением коэффициента Пуассона приблизительно на 10%.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния изменения внутренней структуры в поликристаллической меди, вызванной приложением к ней реверсивных больших внешних статических деформаций (включая пластические деформации) на динамические нелинейные акустические параметры для продольных и крутильных волн.

4. В области пластических деформаций обнаружено аномальное поведение динамических нелинейных акустических параметров при циклах нагрузки-разгрузки.

5. Анализ экспериментальных результатов исследования динамических нелинейных акустических параметров для продольных и крутильных волн показал, что аномальное поведение этих параметров при циклах нагрузки-разгрузки качественно описывается моделями хлопающей и гистерезисной структурных нелинейностей.

Разработка и создание автоматизированной экспериментальной установки для возбуждения и регистрации упругопластических импульсов сжатия в тонких металлических стержнях (проволоках).

Проведены экспериментальные исследования влияния амплитуды упругопластического импульса на его поглощение и скорость распространения в поликристаллической меди. Обнаружено, что увеличение амплитуды импульса сжатия сопровождается увеличением его амплитуды и уменьшением скорости импульса. Дается качественное объяснение результатов экспериментов.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю Александру Ивановичу Коробову за предоставление интересной темы, постоянное внимание и огромную помощь в работе. А также хочу выразить благодарность моему второму научному руководителю Юрию Александровичу Бражкину за руководство в экспериментальной работе.

Отдельно хочу поблагодарить Олега Владимировича Руденко за введение меня в акустику и дальнейшую поддержку.

Также хочу поблагодарить весь наш коллектив, Ольгу Юрьевну Сердобольскую, Наталью Ивановну Одину и всех аспирантов и студентов за терпение и помощь в течение последних 4 лет.

Я также благодарна сотрудникам кафедры акустики, коллегам за оказанное внимание к проведенным исследованиям, консультации по ряду возникавших вопросов и обсуждение полученных результатов.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ван Нин, 2005 год

1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Москва, Мир, 1972, 307с.

2. Такер Д., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. Москва, Мир, 1975, 473с.

3. Баранский К.Н. Физическая акустика кристаллов. Изд-во МГУ, 1991.

4. Физическая акустика под ред. У. Мэзона, Т.1А. Москва, Мир, 1966, 592с.

5. Коробов А.И. Резонансная акустическая спектроскопия твердых тел. (Учебно-методическая работа). Физический факультет МГУ. 2003, 22с.

6. Коробов А.И., Максимочкин А.Г., Н.И.Одина Н.И. Резонансная акустическая спектроскопия динамической нелинейности металлических проволок. Сб. трудов XIII сессии РАО Т.1 .Москва.2003 с.174-177.

7. Зарембо JI.K., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Москва. Наука. 1966. 519с.

8. Руденко О.В. Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1971. 288с.

9. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. Москва. Наука. 1984. 400с.

10. Лямов В.Е. Поляризационные эффекты и анизотропия взаимодействия акустических волн в кристаллах. М.: Изд-во МГУ, 1983, 224с.

11. Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. М.: Изд-во МГУ, 1984, 104с.

12. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков A.A. Теория волн. М.:Наука. 1990. 432с.

13. Наугольных К.А., Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. М. Наука, 1990. 237 с.

14. Руденко О.В. Нелинейные методы в акустической диагностике. Дефектоскопия. 1993. №8. С.24-32

15. Короткое А.С., Славинский М.М., Сутин A.M. Изменения нелинейного акустического параметра стали при накоплении дефектов. Акуст. журнал, 1994, т. 40, №1, с. 84-87

16. Solodov I.Yu., Maev R.G. Overview of opportunities for nonlinear acoustic applications in material characterization and NDE. Emerging Technologies in NDT, Rotterdam, Brookfield, 2000, p. 137-144

17. Zheng Y., Maev R.G., Solodov I.Yu. Nonlinear acoustic application for material characterization: A review, Canadian Journal of Physics, 1999, V.77, №12, pp. 927-967.

18. McCall K.R. and Guyer R.G. Equation of state and wave propagation in hysteretic nonlinear elastic materials. J. Geophys. Res., 1994, v. 99, pp. 887897.

19. Guyer, R. and Johnston, P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: Evidence for a new class of materials, Physics Today, 1999, pp 30-36.

20. Есипов И.Б. Исследование протекания нефти в гранулированной среде методом нелинейной акустической резонансной спектроскопии. Сборник трудов семинара научной школы профессора С.А. Рыбака. Москва, 2001, с. 45-50

21. Ballad E.M., Korshak B.A., Solodov I.Yu., Krohn N., and Busse G. Local Nonlinear and Parametric Effects for Non-Bonded Contacts in Solids. Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century edited by O.V.

22. Rudenko and О. A. Sapozhnikov (Faculty of Physics, MSU, Moscow, 2002) vol. 2, pp. 727-734

23. Экономов А.И. Влияние изменения микроструктуры поликристаллических металлов на их акустические свойства. Диссертация кандидата физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 2002.

24. Korshak В.A., Solodov l.Yu., Ballad Е.М. DC-effects, subharmonics, stochasticity and "memory" for contact acoustic non-linearity // Ultrasonics, 2002, v. 40, pp. 707-713.

25. Гедройц A.A., Зарембо Jl.K., Красильников В.А. Сдвиговые волны конечной амплитуды в поли- и монокристаллах металлов. Докл. АН СССР, 1963. т. 150, с.515-518

26. Murnaghan F.D. Finite deformation of an elastic solid. New York, 1951, p. 140

27. Ермилин K.K., Зарембо Jl.K., Красильников B.A., Мезинцев Е.Д., Прохоров В.М., Хилков К.В. Изменение второй гармоники сдвиговой ультразвуковой волны при усталостном динамическом нагружении металлов. ФММ, 1973, т.36. №3, с.640-641

28. Прохоров В.M. Исследование некоторых особенностей генерации гармоник и взаимодействия сдвиговых упругих волн в твердых телах. Диссертация кандидата физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1974.

29. Гиц И.Д., Гущин В.В., Конюхов Б.А. Измерение нелинейных искажений звуковых волн в поликристаллическом алюминии при усталостных испытаниях // Акуст. журн., 1973, т. 19, № 3, стр. 491-499.

30. Зарембо Л.К., Красильников В.А., Школьник И.Э. Нелинейная акустика в проблеме диагностики прочности твердых тел. Проблемы прочности. 1989. № 11. с. 86-92.

31. Робсман В.А. Накопление и хаотическое развитие нелинейных акустических процессов при динамическом нагружении геологических структур. Акуст. журн., 1993, т. 39, вып. 2, стр. 333-349.

32. Робсман В.А. Трансформация акустических спектров в неоднородных твердых средах при нелинейной деформации, // Акуст. журн., 1992, т. 38, в.1. стр. 129- 143.

33. В.Е.Назаров, А.В.Радостин, И.А. Соустова. Экспериментальное исследование влияния мощной звуковой волны на акустические характеристики резонатора из песчаника. Акуст. Журн., 2002, т. 48, №1, с85-90

34. Назаров В.Е. Нелинейные акустические эффекты в отожженной меди Акуст. журнал, 1991 г., т. 37, вып. 1, с. 150-156.

35. Korobov A.I., Brazhkin Yu., and Ekonomov A.N. Static and Dynamic Young Moduli of Copper in the Field of Static Deformations. Sixth Annual Internazional Conference on Composites Engeneering, Orlando, Florida, USA, June 27- July 3, 1999, pp.89-90.

36. Коробов А.И., Бражкин Ю.А., Гринь Е.Ю. Экономов А.Н. Экспериментальные исследования нелинейности металлических проволок. Сборник трудов X сессии Российского акустического общества, том 2, с. 107-111, Москва, 29мая-2 июня 2000г.

37. Коробов А.И., Экономов А.Н. Нелинейность медных проволок при статическом нагружении. Акуст. Журн. 2002. том 48. №5. С.640-647

38. Зарембо Л.К., Красильников В.А., Школьник И.Э. Нелинейная акустика в проблеме диагностики прочности твердых тел. Проблемы прочности, 1989, № 11, с. 86-92

39. Руденко О.В. Исследование новых физических принципов и методов нелинейной акустической диагностики твердых тел // Москва, Отчет по теме 2-91-53, каф.акуст., физ.фак. МГУ.

40. Амбарцумян С.А. Разномодульная теория упругости. М.: Наука, 1973.

41. Антонец В.А., Донской Д.М., Сутин А.И. Механика композитных материалов. 1986, №5, с.93

42. Солодов И.Ю., Чин Ан By "Хлопающая" нелинейность и хаос при колебаниях контактной границы твердых тел. Акуст. журн., 1993, т. 39, вып. 5, стр. 904-910.

43. Ко Сел Лен. Нелинейные эффекты при распространении акустических волн на контактной границе твёрдых тел. Диссертация кандидата физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1992.

44. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теория упругости. М., Наука, 1978,293с.

45. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М., Мир, 1989, 509с.

46. Гольдсмит В. Удар. М. 1965,448с.

47. Дейвис P.M. Волны напряжения в твердых телах. М. 1961, 104 с.

48. Коробов А.И., Бражкин Ю.А., Мамаев М.Б. Экономов А.Н. Теоретические и экспериментальные исследования нелинейности контакта Герца. Сб. трудов X сессии РАО. Москва. 2000. с. 199-202.

49. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения, 1987, М. Наука, 80с.

50. Градов О.М., Попов Е.А. Синергетика и усталостное разрушение металлов. М.Наука, 1989, с. 138

51. Баллад Е.М. Экспериментальное исследование эффектов контактной акустической нелинейности. Диссертация кандидата физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 2004.

52. Назаров В.Е, Островский JI.A. Упругие волны в средах с сильной акустической нелинейностью. Акуст. журн., 1990, т. 36, вып. 1, с. 106110.

53. Лебедев А.Б. Амплитудно-зависимый дефект модуля упругости в основных моделях дислокационного гистерезиса. ФТТ. 1999. т.41, №7. с.1214-1221

54. Зарембо Л.К., Красильников В.А., Школьник И.Э. Дефектоскопия. 1989, т. 10, с.16

55. Powell В.Е., Skove M.J. Phys. Rev. 1968, v. 174, n.3, p.977

56. Бриджмен П.В. Физика высоких давлений. ОНТИ, 1935, 175с.

57. Korobov A.I., Brazhkin Yu.A., Economov A.N. Sixth annual international conference on composites engineering ICCE 6. 1999. Orlando, Florida. p.89

58. Гедройц А.А., Красильников В.А. ЖЭТФ. 1962, т.43, с. 159263,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74