сотрудник
сотрудник
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Проводится обзор литературы, посвященной описанию процесса распространения и затухания высокочастотных (ультразвуковых) волн малой амплитуды в упруго пластическом теле. Показана возможность экспресс-оценки одномерного напряженно-деформированного состояния методом затухания ультразвука. Исследуется связь величины декремента затухания высокочастотных колебаний от текущих и остаточных деформаций в условиях одноосного напряженно-деформированного состояния.
ультразвук, затухание, напряженно-деформированнное состояние, колебания, прочностные характеристики, пористость, дислокации
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. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Изменение скорости ультразвука при пластической деформации Al // Журнал Технической физики. 2000. Т.70. №1. С. 52-56.
2. Способ ультразвукового контроля качества изделий: А.С. 1295326 СССР / И.Н. Каневский, В.Н. Казимиров, М.И. Сластен. - №3947830/25 - 28; заявл.02.09.85; опубл.07.03.87. Бюл. № 9 - 3с.
3. Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. М.: Изд. АН СССР, 1963. 271 с.
4. Труэлл Р., Элбаум Ч., Хиката А. Ультразвуковые методы исследования пластической деформации // Сб. Физическая акустика под ред У. Мэзона, Т.3, Ч. А. Влияние дефектов на свойства твердых тел. М., «Мир». 1969. С. 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. Толстопятов С.Н. Зависимость затухания ультразвука от одноосного напряженно-деформированного состояния образца // Энергомашиностроение. 1988. №2. С.27-28.
7. Буренин Л.А., Дудко О.В., Манцыбора Л.Л. О распространении обратимых деформаций по среде с накопленными необратимыми деформациями // Прикладная механика и техн. физика. 2002. №5. С. 162-170.
