employee
employee
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
A literature survey is presented, dealing with the spreading and fading of high-freguency ultrawaves of small amplitude in an elastic body. It is shown that express-esteem of one-dimensional tense-deformed state by ultrasound is possible. The relationship between the fading decrement and hoth current an residual deformations in one-axis tense-deformed state.
ultrasound, fading, tense deformation, oscillations, strength, characteristics, porosity, dislocations
Разработка методов контроля качества строительных материалов является важной составляющей как процесса их производства, так и при исследовании технического состояния сооружений в процессе эксплуатации. Кроме этого, использование новых строительных материалов с разнообразными добавками, новых технологий, особых режимов эксплуатации и реконструкции объясняет необходимость дальнейшего развития исследований свойств материалов при конечных деформациях. В настоящее время существует несколько методов определения напряженно–деформированного состояния строительных образцов: рентгеновский, тензометрический, фотоупругости, хрупких покрытий и др. Каждый из названных методов имеет свою специфическую область применения, однако для всех них имеется общий недостаток: измерения проводятся либо на поверхности, либо результаты можно получить только после разрушения образца. Без этого невозможно судить о состоянии во внутреннем объеме или об общем напряженно-деформированном состоянии детали или образца. Среди различных методов разрушающего и неразрушающего контроля перспективное место занимают ультразвуковые методы. Они позволяют находить однозначную связь между изменениями акустических свойств материала и внутренними превращениями, происходящими при нагружении. Эта связь служит физической причиной изменения механических характеристик материала [1, 2]. В основе ультразвукового метода лежат фундаментальные исследования об определяющих соотношениях деформируемых сред Л.И. Седова, Ю.Н. Работнова, А.А. Ильюшина [3].
Интерес к ультразвуковым методам объясняется рядом преимуществ:
1. Возможностью измерения не только поверхностных напряжений, но и напряжений в объеме материала;
2. Оперативностью измерений;
3. Безопасностью измерений.
Использование метода затухания высокочастотных колебаний при оценке прочностных характеристик строительных материалов в нашей стране не имеет пока государственных нормативных документов на их практическое применение. Одной из основных причин, объясняющих такое положение, является недостаточное теоретическое и экспериментальное обоснование возможностей применения этого метода для количественной оценки прочностных параметров контролируемых объектов, и как следствие, неоднозначность трактовки текущего напряженно-деформированного состояния. Достоверность результатов неразрушающего контроля прочностных параметров строительных изделий основывается только при комбинированном использовании теоретического и экспериментального методов исследований. Дальнейшее развитие метода затухания высокочастотных колебаний связано с исследованием связи декремента затухания с догрузочными напряжениями и остаточными деформациями.
Математическое моделирование затухания ультразвука в поликристаллическом твердом теле сводится, в основном, к рассмотрению рассеяния упругих волн различными частицами – включениями, поэтому среда предполагается упругой, но с различными включениями.
Очевидно, что пористость в строении твердых тел должна привести к увеличению измеряемого затухания ультразвука. Однако, провести количественную оценку влияния пор и других подобных дефектов на затухание ультразвука в материалах довольно сложно, поскольку этому вопросу посвящено мало научных публикаций. Теоретическое исследование затухания ультразвука в пористых материалах было выполнено одновременно с исследованием затухания ультразвука в упругоизотропной среде, содержащей включения, в работах. В работах Енга и Труэлла [4] рассматривается распространение продольных волн в упругоизотропной среде, с содержанием сферической поры с радиусом намного меньшим, чем длина волны ультразвука. В работе проведено более общее теоретическое рассмотрение рассеяния продольных волн сферической порой. Среда принималась также упругоизотропной, причем отношение длины волны к радиусу поры могло быть произвольным. В случае, когда длина волны в среде намного превышает радиус поры. В работе [4] приводится теоретическое исследование рассеяния поперечных волн сферической порой в упругоизотропной среде, при этом получен результат, практически совпадающий с результатом расчета для продольных волн. На основе исследований, проведенных ранее, авторы работы [4] провели численный расчет рассеяния ультразвука сферической порой в упругоизотропной неограниченной среде. Показано, что результаты существенно зависят от типа волн (продольные или поперечные). Поскольку в реальных материалах поры редко бывают сферическими и однородными по величине, то полученные теоретически формулы далеко не всегда применимы практически. Результаты экспериментальных исследований позволяют судить об увеличении затухания ультразвука в результате пористости: показано, что затухание при пористости порядка 1 % по объему возрастает более чем на порядок.
Затухание ультразвука может быть вызвано наличием в кристаллической решетке твердых тел дислокаций. Основополагающий вклад в теорию затухания упругих колебаний вследствие наличия дислокаций связан с работами Келера, Гранато и Люкке [5]. Келером сделано предположение, что при упругих колебаниях дислокации колеблются подобно упругой струне в вязкой среде. При этом на колебания дислокаций оказывают влияние примесные атомы и другие дислокации, которые закрепляют колеблющиеся дислокации в определенных точках. Задача о затухании упругих колебаний вследствие колебаний дислокаций, закрепленных в отдельных точках, была решена методом последовательных приближений. В дальнейшем теория Келера была развита Гранато и Люкке работе [5], в которой она получила наибольшую известность. В соответствии с предложенной моделью затухание упругих колебаний при малых амплитудах не должно зависеть от величины амплитуды деформации. Теория Гранато-Люкке подтверждается многочисленными экспериментальными данными. В работах изложено исследование влияния на затухание упругих колебаний небольших пластических деформаций с последующим возвратом. Показано, что первые небольшие пластические деформации порядка 0,1–1 % приводят к резкому возрастанию коэффициента затухания ультразвука в отожженных металлах. Авторы объясняют это явление только увеличением плотности дислокаций или отрывом дислокаций от закрепляющих их точечных дефектов и образованием таким образом «свежих» дислокаций. В работе [5] показано, что при выдержке после деформации затухание упругих колебаний обычно снижается, что связывается с закреплением дислокаций точечными дефектами. В большинстве случаев кинетика снижения затухания после деформации с достаточно хорошим приближением подчиняется закону Коттрела-Билби, согласно которого количество точек закрепления, про мигрировавших к дислокациям должно увеличиваться со временем пропорционально t2/3, где t – время выдержки. В работах отмечается, что изменение коэффициента затухания ультразвука при возврате следует закону пропорциональности не t2/3, а t1/3. В случае больших предварительных деформаций экспериментальные данные [6, 7] не объясняются в рамках теории Гранато-Люкке.
1. Zuev L.B., Semuhin B.S., Bushmeleva K.I. Izmenenie skorosti ul'trazvuka pri plasticheskoy deformacii Al // Zhurnal Tehnicheskoy fiziki. 2000. T.70. №1. S. 52-56.
2. Sposob ul'trazvukovogo kontrolya kachestva izdeliy: A.S. 1295326 SSSR / I.N. Kanevskiy, V.N. Kazimirov, M.I. Slasten. - №3947830/25 - 28; zayavl.02.09.85; opubl.07.03.87. Byul. № 9 - 3s.
3. Il'yushin A.A. Plastichnost'. Osnovy obschey matematicheskoy teorii. M.: Izd. AN SSSR, 1963. 271 s.
4. Truell R., Elbaum Ch., Hikata A. Ul'trazvukovye metody issledovaniya plasticheskoy deformacii // Sb. Fizicheskaya akustika pod red U. Mezona, T.3, Ch. A. Vliyanie defektov na svoystva tverdyh tel. M., «Mir». 1969. S. 234-262.
5. Granato A., Hikata A., Lücke K. Recovery of Damping and Modplu Changes Following Plastic Deformation // Acta Metallurgica. 1958. 7. P 480-489.
6. Tolstopyatov S.N. Zavisimost' zatuhaniya ul'trazvuka ot odnoosnogo napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya obrazca // Energomashinostroenie. 1988. №2. S.27-28.
7. Burenin L.A., Dudko O.V., Mancybora L.L. O rasprostranenii obratimyh deformaciy po srede s nakoplennymi neobratimymi deformaciyami // Prikladnaya mehanika i tehn. fizika. 2002. №5. S. 162-170.
