WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 2. Осциллограммы акустических импульсов (а), увеличенный фрагмент выделенной области (б) и частотные зависимости передаточной функции H(f) (в) для образца из кварцевого стекла: 1 – бездефектная область образца, 2 – дефектная область образца.

Отраженных от дефектов сигналов в образце из кварцевого стекла (рис. 2, а, б) практически не наблюдается. В тоже время заметны различия формы донных импульсов для бездефектных и дефектных областей образца (рис. 2 б), обусловленые изменением спектров эхо-импульсов за счет рассеяния акустической волны на дефекте. Но эти изменения формы не дают количественной информации, что не позволяет однозначно определить наличие или отсутствие дефектов в образце. В этой связи была предложена методика спектрального анализа, позволяющая однозначно выявлять наличие дефектов в образце.

- 8 В общем виде исследование структуры материала сводится к решению следующего интегрального уравнения:

F( y ) f ( x ) H( y x ) dx, (1) где для нашего случая f(x) – это зондирующий сигнал “вход”, F(y) – прошедший, или донный сигнал – “выход”, H – передаточная функция – характеристика исследуемой среды.

Можно показать, что отношение спектров мощности “донного” или прошедшего акустического импульса и зондирующего сигнала позволяют определить зависимость дисперсии спектрального распределения передаточной функции от частоты (H(f)), характеризующую структуру исследуемого материала:

P( f ) H( f ) f df, (2) Pz( f ) где P(f) – спектр мощности “донного” или прошедшего акустического импульса, Pz( f ) – спектр мощности зондового акустического импульса.

На рис. 2, в приведены частотные зависимости H(f) бездефектных областей и областей с дефектами для образца из кварцевого стекла. Как видно, наблюдается сильное влияние дефектов на характер этих зависимостей.

Анализ осциллограмм дает возможность определять: скорость звука, затухание, а также изменение спектров акустических сигналов при распространении по образцу. Проведенные оценки погрешностей определения этих величин показали, что погрешность определения скорости звука в образцах не превышала 0,1%, a затухания – 0,2%.

Третья глава посвящена исследованию закономерностей изменения акустических свойств материалов при циклических испытаниях с использованием оптико-акустического метода.

Были проведены испытания на циклический изгиб образцов в виде пластин из различных конструкционных материалов с размерами нагружаемой части ~ 3 30150 мм. Частоты нагружения были равны 15 Гц и 27 Гц.

Длительность воздействия нагрузки ( 10 15 ) мс. Через каждые ~ 5104 циклов нагружения проводился контроль акустических свойств образца с помощью ОАД в режиме на отражение. Область контроля располагалась на расстоянии ~ 10 мм от заделки. В исследуемых образцах измерялись зависимости скорости звука, затухание акустических импульсов и анализировалось изменение их спектральных характеристик H ( f,N ).

Величины напряжений в заделке для образцов из инструментальной стали, ПММА и стеклопластика находились в упругой области. Образцы из инструментальной стали и оргстекла были доведены до разрушения, при этом число циклов составило ~( 8 9 )105 и ~( 8 9 )106. Для образцов из стеклопластика эксперименты останавливались с появлением признаков расслоения при числе циклов нагружения ~ ( 12 13 )106.

Для рассматриваемых образцов экспериментально определялись зависимости относительных изменений скорости звука c / c0, затухания / 0 и дисперсии спектрального распределения передаточной функции ( HN H0 ) / H0 Hmax от числа циклов нагружения. На рис. 3 представлены - 9 экспериментальные зависимости c / c0 и / 0 для образца из ПММА.

Каждая экспериментальная точка соответствует усреднению по 10 измерениям.

Как видно (рис. 3), наблюдается существенный разброс экспериментальных точек, что обусловлено немонотонностью процесса структурных перестроек.

Для выявления общей тенденции изменения измеряемых характеристик проводилось сглаживание экспериментальных данных методом текущего среднего (жирные линии). Отметим также достаточно хорошую корреляцию измеряемых в эксперименте зависимостей от числа циклов, в частности для зависимостей изменений скорости звука и затухания.

Рис. 3. Зависимость относительных изменений скорости звука и затухания от числа циклов нагружения для образца из ПММА.

Значения нормированного модуля упругости для каждого из рассматриваемых материалов представлены на рис. 4. Наблюдается общность в поведении рассматриваемых характеристик для столь различных материалов:

металлы, полимеры, композиты.

Рис. 4. Зависимости изменения нормированного модуля упругости для образцов из инструментальной стали (а), ПММА (б) и стеклопластика (в) от числа циклов нагружения.

- 10 Анализ результатов экспериментов (рис. 3, 4) показывает, что для инструментальной стали, ПММА и стеклопластика наблюдаются два достаточно четко выраженных этапа при циклических нагружениях, в которых поведение рассматриваемых характеристик существенно различается. Поэтому можно предположить, что 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.

Применение оптико-акустической методики диагностики открывает дополнительные возможности при анализе частотных зависимостей затухания, что позволяет оценить характер изменения масштабных уровней перестройки структуры материалов.

Предполагая, что существенные изменения частотных зависимостей затухания определяются в основном изменением процесса рассеяния акустических волн на внутренней структуре образцов и, выбрав в качестве модели рассеяния модель Релея, частотную зависимость затухания можно связать с масштабом элементов структуры соотношением:

n( D )D3 f ( f ) ~, (3) cгде n(D) – распределение дефектов, D – размер дефектов, f – частота, ( f ) ln( P( f ) / Pz( f )), P ( f ) – спектр мощности “донного” или прошедшего акустического импульса, Pz( f ) – спектр мощности зондового акустического импульса. Эти зависимости для образца из инструментальной стали представлены на рис. 5.

Рис. 5. Частотные зависимости затухания для различного числа циклов нагружения для образца из инструментальной стали.

Так как при циклических испытаниях нас интересуют изменения внутренней структуры, то информативнее является относительное распределение дефектов, которое для образцов из стали и ПММА представлено на рис. 6. Различный характер зависимостей относительного распределение дефектов от их размера для металлов (рис. 6, а) и полимеров (рис. 6, б) определяется значительным отличием их внутренних структур. Для материалов, имеющих ярко выраженную структуру, например, сталь, основные изменения структуры происходят на размерах, сопоставимых со средним размером зерна.

Для стали пик зависимости относительного распределение дефектов от их размера наблюдается при размере D 27 мкм. В оргстекле изменения происходят на всем интервале размеров структурных элементов.

- 11 Рис. 6. Относительное распределение дефектов от их размера для различных циклов нагружения для образца из инструментальной стали (а) и ПММА (б).

Анализ этих результатов показывает, что на этапе накопления повреждаемости с ростом числа циклов для всех материалов наблюдается увеличение количества крупномасштабных структурных элементов.

Таким образом, предложенный и проведенный анализ изменения частотных зависимостей затухания позволяет выявить изменение масштабов перестройки структуры материалов в процессе циклических испытаний.

В четвертой главе разрабатывается критерий усталостного разрушения, учитывающий величину скрытой энергии деформации.

В процессе деформации в материалах происходят значительные изменения, приводящие к увеличению внутренней энергии, при этом часть энергии деформации выделяется в виде тепла. Таким образом, работа деформации идет на изменение внутренней энергии (скрытая энергия) и на нагревание образца. Как показывают литературные данные (Треска, Хорт, Тейлор, Феррен, Квини, М.А. Большанина, В.Е. Панин и др.), скрытая энергия деформации в среднем составляет 10-15 % от общей энергии деформации.

Согласно уточненным экспериментальным данным Хоткевича, поглощенная энергия при малых деформациях составляет величину, близкую к 100% от затраченной на деформирование работы и монотонно уменьшается с увеличением степени деформации.

Как следует из результатов исследований (рис. 3, 4), зависимости различных физико-механических характеристик от числа циклов нагружения имеют два четко выраженных участка и точку перегиба, которые могут быть описаны логистической функцией. Можно предположить, что циклическая прочность определяется количеством накопленной в образце скрытой энергии деформации, которая в момент разрушения достигает критической величины.

Это положение используется при формулировке критерия усталостной прочности.

Известно, что логистическая функция является решением кинетического уравнения следующего вида d A ( ), (4) d где A, – параметры, которые в работе считаются функциями напряжения ( ) A A( ),.

- 12 Считаем, что параметр в уравнении (4) характеризует относительное изменение скрытой энергии деформации W / W, где W – текущая, W – предельная величины скрытой энергии деформации. Причем 0, где 0, – соответственно, начальное и предельное значения параметра, 0 1.

Решение уравнения (4) при начальном условии 0 0 имеет вид. (5) 1 1e A Таким образом, в начальном состоянии 0, W0 / W, где W0 – начальная величина скрытой энергии деформации, которая может быть определена экспериментально.

Соотношение (5) показано на рис. 7 сплошной линией, кривой с точками отмечены результаты соответствующих экспериментов для образцов из алюминиевого сплава 2024-T351 согласно работе Розакиса. Аналогичные экспериментальные кривые были получены В.Н. Куниным.

Рис. 7. Логистическая функция согласно соотношению (5) – сплошная линия, точки – результаты экспериментов для образцов из алюминиевого сплава 2024-T351.

Наблюдается хорошее согласие опытных данных накопления скрытой энергии деформации и теоретической зависимости. Считая, что в момент разрушения, k, где k – постоянная, 0,5 k 1, из (5) получим деформационный критерий разрушения 1 k ln 1. (6) A k 1 Формула (6) может быть использована для формулировки критерия разрушения при циклических нагружениях.

В случае гармонического циклического нагружения с ростом частоты время нахождения образца под нагрузкой в течение одного цикла сокращается, поэтому уменьшается величина остаточной деформации, накопленной за один цикл нагружения. Для учета этого обстоятельства вводится приведенное время a z t f (t – обычное время, f – частота нагружения, a – постоянная).

- 13 Для описания кривых накопления остаточной деформации при циклических нагружениях используется степенной закон, связывающий 1 dl скорость продольной деформации ( ln l / l0, где l0, l – начальная и l dz текущая длины образца соответственно) с напряжением 1 dl F0 m m m B B, (7) l dz F где B, m – постоянные, F0, F – соответственно, начальная и текущая площади поперечного сечения образца, P / F 0F0 / F, 0 P / F0, P – растягивающая сила.

Для рассмотрения общего случая вязко-хрупкого разрушения вводится текущий коэффициент поперечной деформации / x z /.

y x Учитывая геометрическое соотношение F0 / F (l / l0 )2, уравнение (7) можно записать в виде 2m 1 dl l m B0. (8) l dz l Решая уравнение (8) при начальном условии z 0 ( t 0 ), l l0 и рассматривая момент разрушения z zp, получим следующую зависимость для предельной деформации m ln 1 2mB0 zр. (9) 2m Сравнивая формулы (6) и (9) и, переходя от времени к числу циклов, получим следующий критерий усталостной прочности 2m ( 1a ) f m 1 k * 1 A N 2mB 1 k 0. (10) Из формулы (10) можно получить критерии малоциклового и многоциклового разрушения. В первом случае следует считать 0,5. Во втором случае выполняются приближенные соотношения F0 / F 1, 0. В этом случае критерий усталости запишется в виде ( 1a ) f k * m N0 ln 1 k 0 1. (11) A*B Результаты экспериментальных исследований по поглощению энергии при циклических нагружениях показывают, что с увеличением напряжения величина скрытой энергии деформации в момент разрушения будет уменьшаться. Учитывая это обстоятельство, будем задавать в виде убывающей степенной или экспоненциальной зависимости от напряжения:

- 14 ( 1 c ), (12) e, (13) где,, c – постоянные.

С учетом (12) и (13), критерий усталости (11) запишется, соответственно ( 1a ) f (1 c0 ) k (1 c0 ) m N0 ln 1, (14) AB k 1 ( 1a ) f k e m N0 ln ABe 0 k 1 0. (15) Рис. 8. Кривые усталости согласно критериям (14) (сплошная линия) и (15) (пунктирная линия), крестики – результаты экспериментов для образцов из алюминиевого сплава 2024-T3.

Теоретические кривые усталости, согласно критериям (14), (15), сравнивались с результатами опытов на осевое циклическое растяжение листовых образцов из алюминиевого сплава 2024-T3. Эти кривые показаны на рис. 8, соответственно, сплошной и пунктирной линиями. Как видно, теоретические кривые хорошо описывают экспериментальные точки на всем диапазоне кривых усталости.

Предварительные расчеты показывают, что предложенный критерий усталости описывает наблюдаемую в опытах зависимость циклического поведения металлических материалов от частоты нагружения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты и выводы.

1. Разработан макет высокочувствительного оптико-акустического дефектоскопа, позволяющий проводить измерения при одностороннем доступе к исследуемому объекту или при одновременном контроле проходящих и отраженных акустических импульсов. Показана перспективность его применения для исследований изменения физико-механических свойств - 15 материалов вследствие структурных перестроек в процессе циклических испытаний.

2. Исследования при циклических испытаниях на изгиб изменений физико-механических свойств (скорости звука, затухания, дисперсии спектрального распределения передаточной функции и модуля упругости) материалов показали, что зависимости этих изменений от числа циклов нагружения для различных материалов (металлы, полимеры и композиты) имеют качественно сходный характер.

3. Полученные зависимости изменения физико-механических свойств материалов при циклических нагрузках позволили выделить два различных этапа структурных преобразований, определяющих эти зависимости.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»