Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2008
    Журнал
    Технічна акустика
    Наукова стаття на тему 'Лазерний оптико-акустичний метод локального вимірювання пружних модулів композиційних матеріалів, зміцнених частинками'

    Текст наукової роботи на тему «Лазерний оптико-акустичний метод локального вимірювання пружних модулів композиційних матеріалів, зміцнених частинками»

    ?Електронний журнал «Технічна акустика» http: // www .ejta.org

    2008, 19

    А. А. Карабутов1, Л. І. Кобелева2, Н. Б. Подимова1,

    Т. А. Чернишова2

    1 Міжнародний навчально-науковий лазерний центр МДУ ім. М.В.. Ломоносова,

    119991, Росія, Москва, Ленінські гори, МДУ, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    2 Інститут металургії і матеріалознавства ім. А. А. Байкова РАН,

    117334, Росія, Москва, Ленінський проспект, 49, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Лазерний оптико-акустичний метод локального вимірювання пружних модулів композиційних матеріалів, зміцнених частинками

    Отримано 28.10.2008, опублікована 28.11.2008

    Запропоновано і експериментально реалізовано лазерний оптікоакустіческій метод локального вимірювання пружних модулів ізотропних композиційних матеріалів. Метод заснований на вимірюванні фазових швидкостей поздовжніх і зсувних акустичних хвиль в зразках в спектральному діапазоні 0,2 ... 50 МГц. Отримання широкосмугових акустичних імпульсів відбувається за рахунок лазерного термооптичних механізму збудження ультразвуку. Товщина досліджуваних зразків може складати 0,1.70 мм, поперечні розміри - від 10 мм. Локальність вимірювань в поперечному напрямку становить 1. 2 мм, максимальна відносна похибка визначення модуля Юнга - 6%, модуля зсуву -4%, коефіцієнта Пуассона - 5%. Виміряні локальні значення пружних модулів композиційних матеріалів на основі алюмінієвих сплавів АК12М2МгН і АК12, зміцнених частинками SiC із середнім діаметром 14 мкм і 28 мкм, а також наночастинками Al2O3. Розроблений лазерний ультразвуковий метод дає можливість проводити експериментальний аналіз впливу хімічного складу матриці, а також складу, розмірів і концентрації зміцнюючих часток на пружні властивості композиційних матеріалів.

    Ключові слова: лазерний оптико-акустичний метод, поздовжні і зсувні акустичні хвилі, фазова швидкість, пружні модулі композиційних матеріалів.

    ВСТУП

    Проблема неруйнівного контролю конструкційних матеріалів по фактичному стану є досить актуальною, оскільки дефекти і зміни структури матеріалу, що виникають при виготовленні та в процесі експлуатації виробів, можуть істотно зменшити їх міцність. Механічні властивості матеріалу (наприклад, пружні модулі) матеріалу несуть цінну інформацію для визначення залишкового ресурсу деталі. Тому особливе значення має розробка оперативних неруйнівних методів діагностики, що дозволяють контролювати

    локальні зміни структури матеріалу не тільки в процесі виготовлення, а й при експлуатації виробів [1, 2].

    Одним з найбільш поширених методів неруйнуючої діагностики структури і стану конструкційних матеріалів є ультразвуковий метод. Він заснований на аналізі характеристик ультразвукових хвиль, що поширюються в об'єкті контролю [3, 4]. Для дослідження неоднорідностей і дефектів структури матеріалів застосовуються методи ультразвукової спектроскопії і дефектоскопії, засновані на аналізі частотних залежностей коефіцієнта загасання і фазової швидкості акустичних хвиль в досліджуваному матеріалі (див., Наприклад, [5-11]). За вимірами фазових швидкостей акустичних хвиль в широкому частотному діапазоні проводиться розрахунок пружних модулів твердих тіл, зокрема, анізотропних композиційних матеріалів [12-16].

    Характерні розміри неоднорідностей структури конструкційних матеріалів лежать в діапазоні від одиниць до сотень мікрометрів [17-19]. Тому для вимірювання загасання і фазової швидкості ультразвукових хвиль в таких матеріалах необхідно застосовувати широкосмугові акустичні імпульси, що мають спектральний діапазон від часток до десятків мегагерц. У цьому діапазоні величина коефіцієнта загасання ультразвуку може досягати десятків зворотних сантиметрів [17-19], тому амплітуда зондирующих імпульсів повинна бути досить великий для забезпечення діагностики виробів товщиною до декількох сантиметрів.

    Для ультразвукової діагностики конструкційних матеріалів необхідно забезпечити ефективне збудження коротких і потужних зондуючих імпульсів в широкому спектральному діапазоні. Однак п'єзоелектричні випромінювачі ультразвуку мають низьку ефективність при порушенні широкосмугових акустичних сигналів [4].

    У даній роботі пропонується використовувати лазерне термооптичних збудження звуку - імпульсний оптико-акустичний ефект [20]. Метою цієї роботи є розробка і реалізація лазерного оптико-акустичного методу локального вимірювання пружних модулів ізотропних конструкційних матеріалів.

    1. термооптичних МЕХАНІЗМ ЛАЗЕРНОГО ПОРУШЕННЯ УЛЬТРАЗВУКУ

    Принцип лазерного термооптичних збудження ультразвуку схематично показаний на рис. 1. Лазерний імпульс з характерною тривалістю ть падає з прозорого середовища по нормалі на поверхню поглинаючого середовища, коефіцієнт поглинання світла якої дорівнює? Ла. На рис. 1 вісь Z спрямована вглиб поглинає

    середовища, площина г = 0 - межа поглинає і прозорою середовищ, т = tz | c0 і тг = t + г / с0г - час в біжать зі швидкостями відповідних хвиль системах координат, С0 і сШг - швидкості поширення поздовжніх акустичних хвиль в поглинає і в прозорою середовищах відповідно.

    Мал. 1. Принцип лазерного термооптичних збудження ультразвуку. Стрілками умовно показані напрямки зміщення частинок поглинає середовища при її тепловому розширенні. Заштрихована ділянка - область підвищеної температури

    При поглинанні лазерного імпульсу відбувається неоднорідний нестаціонарний нагрів приповерхневого шару середовища глибиною близько і-1, який призводить до

    виникненню механічних напружень в поглинає середовищі. При цьому як в прозору, так і в поглинає середу починають поширюватися імпульси поздовжніх акустичних хвиль рг (тг) і р (т) відповідно (рис. 1).

    Амплітуда і тимчасова форма (і, відповідно, частотний спектр) термооптичних збуджується ультразвукового імпульсу - оптико-акустичного (ОА) сигналу - визначається тимчасової залежністю інтенсивності поглиненого лазерного імпульсу і теплофізичними параметрами поглинаючого середовища (коефіцієнтом поглинання світла, коефіцієнтом теплового розширення і теплоємністю). При використанні імпульсних лазерів з модуляцією добротності (ть має порядок десятків наносекунд, енергія в імпульсі близько 10 мДж) амплітуда ОА сигналів може досягати десятків і сотень атмосфер, а їх спектр - сягати від часток до сотень мегагерц.

    2. МЕТОДИКА ВИМІРЮВАННЯ ШВИДКОСТЕЙ подовжніх і сдвігових АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ І ПРУЖНИХ МОДУЛІВ

    У даній роботі використовується оптико-акустична осередок, схема якої представлена ​​на рис. 2. Випромінювання імпульсного Ке: УЛО-лазера з модуляцією добротності (довжина хвилі випромінювання 1,064 мкм, тривалість імпульсу ть = 10.12 нс, енергія в імпульсі 10.15 мДж) використовується для збудження імпульсів поздовжніх ультразвукових хвиль в спеціальному оптико-акустичному (ОА) джерелі, що представляє собою плоскопараллельную пластину з оптичного фільтра СЗС-22 товщиною 5 мм і діаметром 23 мм.

    лазерний

    імпульс

    ОА джерело

    досліджуваний

    Н

    зразок

    п'єзоелектричний

    приймач

    Мал. 2. Схема оптико-акустичної осередки

    При поглинанні лазерного імпульсу в ОА джерелі в ньому порушується ультразвуковий імпульс поздовжніх акустичних хвиль з відомими амплітудою і частотним спектром - зондує (опорний) імпульс, який потім поширюється в досліджуваному зразку і реєструється за допомогою спеціально розробленого широкосмугового пьезопріемніка, що знаходиться в акустичному контакті зі зразком. Для забезпечення такого контакту ОА джерело, зразок і пьезопріемнік поділяються шарами иммерсионной рідини (дистильованої води) товщиною 1,8 мм. На рис. 3 показані тимчасова форма і спектр опорного ультразвукового імпульсу, що збуджується в ОА джерелі СЗС-22. Локальність тестування в поперечному напрямку визначається поперечним розміром випромінюваного ультразвукового пучка, що збігається з характерним діаметром лазерного пучка, і становить 1.2 мм. Акустичні сигнали в системі реєструються широкосмуговим пьезопріемніком, що представляє собою добре демпфірованного перетворювач діаметром 3 мм з органічної пьезополімерной плівки (ПВДФ) товщиною 30 мкм, робоча смуга частот 0,2.50 МГц.

    Повна тривалість опорного імпульсу становить 0,4.0,5 мкс, час приходу його ревербераций в ОА джерелі визначає робоче тимчасове вікно Т = 2,5 мкс. Ультразвуковий імпульс, що порушується в ОА джерелі і одноразово минулий зразок, реєструється першим на тимчасовому треку. Товщина досліджуваних зразків така, що час приходу імпульсу після потрійного пробігу в зразку (після перевідбиттів від його кордонів) менше, ніж часи ревербераций імпульсу в інших шарах оптико-акустичної осередки. Вимоги до шорсткості поверхонь зразків визначаються необхідністю пропускання високочастотних компонент ультразвукового імпульсу. Як правило, висота шорсткостей не повинна перевищувати 15.20 мкм.

    час t, мкс частота f, МГц

    Мал. 3. Тимчасова форма (а) і амплітудний спектр (б) зондуючого імпульсу поздовжніх ультразвукових хвиль, що збуджується в оптико-акустичному джерелі -

    оптичному фільтрі СЗС-22

    Електричні сигнали з пьезопріемніка подаються на двоканальний цифровий запам'ятовує осцилограф типу Tektronix (аналогова смуга 100 МГц). Відношення сигнал-шум реєстрованих електричних сигналів становить 50.60 дБ. Спектри акустичних сигналів розраховуються з використанням стандартного програмного пакета швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) з урахуванням амплітудних коефіцієнтів відбиття акустичної хвилі на кордонах розділу між зразком і шарами иммерсионной рідини в оптико-акустичної осередку і з урахуванням дифракції акустичних імпульсів. Частотні залежності коефіцієнта загасання і фазової швидкості ультразвукових хвиль можуть бути розраховані в реальному масштабі часу завдяки високому відношенню сигнал-шум і високої стабільності тимчасового профілю зондирующих ультразвукових імпульсів. Характеристики оптікоакустіческой системи наведені в табл. 1.

    Таблиця 1. Характеристики оптико-акустичної системи

    Робочий частотний діапазон ультразвукових хвиль G, 2.5G МГц

    Амплітуда тиску ультразвукових імпульсів G, G1.1G МПа

    Товщина зразків G, 1 .. .7G мм

    Локальність тестування 1.2 мм

    За виміряним фазовим спектрами опорного імпульсу, (р0 (/), і імпульсу,

    минулого зразок, ср (/), можна визначити абсолютне значення і дисперсію фазової швидкості поздовжніх акустичних хвиль е1 в зразку відомої товщини Н:

    С (/) = |

    н /

    (1)

    <р (/) -рЛ /)

    Для підвищення точності обчислення фазовоїшвидкості доцільно визначення різниці фаз ультразвукового сигналу, одноразово минулого зразок, і сигналу після «потрійного» пробігу в зразку - минулого зразок і відбилася від кордонів розділу між зразком і шарами иммерсионной рідини. Таким чином виключається неконтрольований вплив можливого відмінності товщини акустичних контактів при зборі оптико-акустичної осередки для реєстрації зондуючого імпульсу без зразка і осередки з зразком.

    При відсутності істотної дисперсії фазової швидкості в досліджуваному частотному діапазоні 0,2.50 МГц (відносна зміна швидкості не перевищує значення фазової швидкості поздовжніх акустичних хвиль

    %) Абсолютне визначається як:

    2 Н

    сі =

    (2)

    де АТ 1 - різниця часів приходу на пьезопріемнік імпульсу, одноразово

    минулого зразок, і імпульсу після потрійного пробігу в зразку. Як приклад на рис. 4 представлена ​​типова тимчасова форма імпульсу поздовжніх ультразвукових хвиль, що пройшов зразок композиційного матеріалу на основі алюмінієвого сплаву, і імпульсу після потрійного пробігу через цей зразок.

    І

    ів

    X

    і

    До

    про

    ів

    «

    Р

    До

    ч

    з

    0,6 | 0,40,20,0 -0,2 -0,4-1

    п - 1-і-1-і-1-і-1-і-1 - і-1-і

    5,00 5,25 5,50 5,75 6,00 6,25 6,50 6,75 7,00 7,25

    час І, мкс

    Мал. 4. Типова тимчасова форма імпульсу поздовжніх ультразвукових хвиль (7), що пройшов зразок композиційного матеріалу, і імпульсу після потрійного пробігу через цей зразок (2); ОА джерело - оптичний фільтр СЗС-22

    Інтервал АТ1 вимірюється по моментам переходу сигналів через «нуль» від фази

    стиснення (позитивна полуволна) до фази розрідження (негативна полуволна). Оскільки загасання ультразвуку в зразку впливає на тривалість полуволн, і порівнювані сигнали проходять різне відстань в зразку, то тривалість полуволн у них буде різна. З теоретичної моделі поширення широкосмугових ОА сигналів в поглинає середовищі [20] випливає, що найбільш близька до фазової швидкості хвилі при відсутності істотної дисперсії швидкість поширення «нульовий» точки тимчасового профілю двополярного імпульсу.

    Застосування лазерних джерел ультразвуку дозволяє використовувати метод вимірювання фазової швидкості поздовжніх акустичних хвиль «з потрійного пробігу» для зразків малої товщини (від 0,1.0,3 мм). Така можливість обумовлена ​​малою тривалістю опорного ультразвукового сигналу; відповідно, імпульс, одноразово минулий зразок, і імпульс після потрійного пробігу в зразку, що не будуть перекриватися. У цьому полягає основна перевага лазерного оптікоакустіческого методу перед традиційними методиками ультразвукової спектроскопії, які дозволяють досліджувати зразки металів і сплавів з товщиною більше декількох міліметрів. Це пов'язано з тим, що зондувальні ультразвукові імпульси п'єзоелектричних випромінювачів мають тривалість А1 порядку одиниць мікросекунд [4], відповідно, просторова протяжність цих імпульсів АН = с0А / (С0 - швидкість ультразвуку в зразку) становить одиниці

    міліметрів (для оцінки бралися величини С0 = 5-105 см / с, А1 = 1 мкс). Якщо зразок має товщину Н <АН / 2, то імпульс після потрійного пробігу в ньому буде перекриватися з імпульсом після однократного пробігу, і визначення фазової швидкості в зразку стає неможливим. Іншою перевагою запропонованого методу є можливість вимірювання фазових швидкостей акустичних хвиль «з потрійного пробігу» для зразків товщиною до 5.7 см, а також для сильно поглинаючих ультразвук матеріалів (значення коефіцієнта загасання ультразвуку до 10.20 см 1). Це обумовлено можливістю отримання при лазерному збудженні акустичних імпульсів з амплітудою в десятки мегапаскалей, достатньої для коректної реєстрації сигналів після потрійного пробігу в таких зразках.

    Вимірювання фазовоїшвидкості поперечних (зсувних) акустичних хвиль з проводились з використанням оптико-акустичного методу при поглинанні лазерного імпульсу в самому досліджуваному зразку (див., Наприклад, [21-25]). На рис. 5 представлена ​​типова тимчасова форма акустичного сигналу, що збуджується при поглинанні використовуваного в нашій роботі імпульсу Ке: УЛО-лазера з модуляцією добротності в зразку композиційного матеріалу на основі алюмінієвого сплаву. При цьому пошкодження поверхні зразка не відбувається. Порушуваний імпульс поздовжніх хвиль Ь є однополярним (стиснення), фаза розрідження з'являється через дифракції ультразвуку в зразку. Імпульс зсувних акустичних хвиль збуджується при відображенні імпульсу Ь від опромінюється акустично вільної поверхні зразка

    (Межа повітря - зразок). Реєстрована форма хвилі S (рис. 5) визначається акустичним полем сдвиговой хвилі, трансформованою в подовжню при переході з зразка в шар иммерсионной рідини.

    час (, мкс

    Мал. 5. Типова тимчасова форма акустичного сигналу, що збуджується при поглинанні лазерного імпульсу в зразку композиційного матеріалу на основі алюмінієвого сплаву: Ь - імпульс поздовжніх ультразвукових хвиль, $ - імпульс зсувних (поперечних) ультразвукових хвиль

    При цьому на форму хвилі $ впливає не тільки діаграма спрямованості порушуємо сдвиговой хвилі, але і залежність коефіцієнта трансформації від її кута падіння на кордон розділу зразок - імерсійна рідина, а також кінцівку апертури пьезопріемніка. Тому що реєструється імпульс $ визначається сдвиговой хвилею, сильно розтягнутий в порівнянні з імпульсом поздовжніх хвиль Ь, а момент приходу негативного піку сигналу $ визначається часом поширення зсувної хвилі за зразком. Імпульси, такі після цього сигналу, представляють собою переотражения імпульсу поздовжніх хвиль Ь в зразку і в шарі иммерсионной рідини між зразком і пьезопріемніком (рис. 5).

    За виміряної різниці АТ, часів приходу на пьезопріемнік максимуму імпульсу Ь і мінімуму імпульсу $ і по виміряної з використанням описаної вище методики швидкості поздовжніх акустичних хвиль з1 визначається швидкість зсувних хвиль в зразку:

    н _ н

    (АТ "+ Н / с,) _ (+ АТ, / 2). (3)

    =

    Мала тривалість імпульсів поздовжніх і зсувних хвиль забезпечує досить високу відносну точність вимірювання фазових швидкостей 5 (з1) «0,5%, 5 (св)« 1,5 ... 2%. Для поздовжніх ультразвукових хвиль величина 8 (з1)

    визначається в основному похибкою вимірювання товщини зразків 8Н «0,5%, оскільки значення АТ 1 (рис. 4) визначається з точністю 1.2 нс, що становить близько 10 3 АТ 1 для зразків товщиною Н ~ 5 мм. Для зсувних ультразвукових хвиль величина д (с ,,) визначається в основному точністю вимірювання значення АТ ,, тобто локалізацією максимуму імпульсу зсувних хвиль $ (рис. 5): 8 (АТ,) «1,5 ... 2% .

    Для ізотропного твердого тіла зв'язок між швидкостями поздовжніх і зсувних акустичних хвиль і пружними константами виражається наступними співвідношеннями:

    Л + 2 ц

    Р (4)

    V

    р

    де Л, / і - константи (коефіцієнти) Ламі, р - щільність зразка (вважається відомої за результатами гідростатичного зважування). Коефіцієнт і ототожнюється з жорсткістю матеріалу і називається модулем зсуву: / і = О - традиційне позначення модуля зсуву в технічній літературі. Таким чином, за виміряним значенням швидкостей акустичних хвиль можна обчислити коефіцієнти Ламі:

    Л_р (з -2с1 _, (5)

    Про _рс].

    Відповідно, модуль Юнга Е і коефіцієнт Пуассона 1 / для досліджуваних зразків розраховуються за такими формулами:

    2 + 2 V сі- з * у

    (6)

    Л с2 - 2 с, 2

    V = - '*

    2 (Л + 0) 2 (с, 2 - з, 2)

    Максимальна відносна похибка визначення модуля Юнга в вживаному оптико-акустичному методі становить 8 Е = 6%, модуля зсуву -8О = 4%, коефіцієнта Пуассона - 8У = 5%.

    сі ~

    3. досліджених зразків КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

    У даній роботі досліджувалися зразки композиційних матеріалів на базі алюмінієвих сплавів АК12М2МгН і АК12, зміцнених частинками [26]. Зразки були отримані шляхом замішування і спікання вищевказаних сплавів з певною кількістю порошку Б1С із середнім розміром частинок 14 мкм - позначення? С (14), 28 мкм - / С (28), а також з додаванням N1, Т1, ТТВ2, А13Т і

    наночастинок А12О3 - позначення А ^ Оз (нано). Щільність, товщина і масовий

    хімічний склад всіх зразків наведені в табл. 2. Всі зразки (за винятком № 1361) представляли собою диски діаметром 40 мм. Фазова швидкість поздовжніх і зсувних акустичних хвиль вимірювалася в центрі і на периферії цих зразків. Зразок № 1361 мав квадратне поперечний переріз 10 * 10 мм, вимірювання проводилися в центрі зразка.

    Такі композиційні матеріали є ізотропним за акустичними властивостями. Зокрема, швидкість поздовжніх ультразвукових хвиль не залежить від напрямку поширення хвилі в зразку (див., Наприклад, [27]).

    Таблиця 2. Параметри досліджених зразків композиційних матеріалів

    № зразка Щільність Р, х 103 кг / м3 Товщина Н, мм Склад (компоненти) Масовий%

    172 2,714 10,70 АК12М2МгН 100,0

    171 2,66 4,72 АК12М2МгН 84,5

    СҐ 15,5

    022С 2,73 4,65 АК12М2МгН 96,85

    ті 3,0

    А \ 1О' (нано) 0,15

    032С 2,81 4,50 АК12М2МгН 93,85

    № 3,0

    ті 3,0

    А12О3 (нано) 0,15

    1361 2,74 9,20 АК12 85,0

    ТІВ2 5,0

    АІЗТІ 5,0

    Л'С (28) 5,0

    4. РЕЗУЛЬТАТИ ВИМІРЮВАНЬ ПРУЖНИХ МОДУЛІВ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

    Фазові швидкості поздовжніх і зсувних акустичних хвиль були виміряні за методикою, описаною в п. 2. Для зразка № 172 (сплав АК12М2МгН без включень - матриця зразків композиційних матеріалів) у всьому частотному діапазоні опорного імпульсу практично була відсутня дисперсія фазової швидкості поздовжніх акустичних хвиль - частотні варіації швидкості не перевищували відносної похибки вимірювань (0,5%), для інших зразків зміна фазової швидкості не перевищував 5%. Тому значення ег у всіх зразках визначався за формулою (2).

    Оскільки імпульси порушуваних зсувних хвиль є істотно більш низькочастотними, ніж імпульси поздовжніх хвиль, дисперсія фазової швидкості зсувних хвиль при поширенні в зразках не враховувалася, і її абсолютне значення є3 визначалося за формулою (3).

    В якості тестового зразка з відомими значеннями пружних модулів був досліджений зразок алюмінію (щільність р = 2,69 х 103 кг / м3, товщина Н = 7,3 мм). Результати оптико-акустичних вимірювань для цього зразка і довідкові дані для алюмінію [28] наведені в табл. 3. Як видно, в межах точності вимірювань експериментальні результати збігаються з цими даними, що дозволяє говорити про достовірність результатів вимірювань, отриманих лазерним оптико-акустичним методом.

    Таблиця 3. Порівняння результатів оптико-акустичних вимірювань і довідкових даних для зразка алюмінію

    з1, X 103 м / с з ,, х 103 м / с Е, ГПа О, ГПа V

    Довідкові дані [28] 6,26 3,08 69.72 25.26,5 3, 3 0,, 3 0,

    Результати оптико акустичних вимірювань 6,28 ± 0,03 3,13 ± 0,05 70,5 ± 3,9 26,4 ± 0,9 0,340 ± 0,015

    Результати оптико-акустичних вимірювань фазових швидкостей поздовжніх і зсувних ультразвукових (УЗ) хвиль, а також розраховані за формулами (5) і (6) значення модулів Юнга, зсуву і коефіцієнта Пуассона в центрі і на периферії всіх досліджених зразків представлені в табл. 4 (всі величини, що відносяться до цих ділянок зразків, позначені індексами «Ц» і «П» відповідно).

    Як видно, додавання частинок Л'С ^) в сплав АК12М2МгН не привело до

    збільшення модуля Юнга і модуля зсуву для зразка № 171 в порівнянні з

    вихідним сплавом (зразок № 172). Це може пояснюватися локальної пористістю зразка № 171, який за технологією виготовлення є неоднорідне-армованим. Про наявність повітряних пір в досліджених ділянках цього зразка свідчить також зменшення фазової швидкості поздовжніх УЗ хвиль в порівнянні з розрахованою з використанням моделі двофазного середовища [29, 30]

    величиною з1 (теор> = 7,13 х 103 м / с. Визначення об'ємного утримування Р по теоретично розрахованим і експериментально виміряним значенням швидкостей поздовжніх УЗ хвиль [31] в досліджених ділянках зразка № 171 дає величини

    Р «ц» * 4,6%; Р «п» * 3,9%.

    Зразки № 022С і № 032С (з додаванням часток А ^ 03 (нано ')) виявилися істотно неоднорідними за механічними властивостями - отримані значення модулів Юнга і зсуву в центрі зразків на 6.8% менше, ніж на периферії. Мабуть, це обумовлено особливостями технології виготовлення даних зразків. Максимальні значення модулів Юнга і зсуву має зразок № 1361, єдиний з усіх досліджених зразків, виготовлений на основі сплаву АК12 і зміцненого частками? / С (28). Коефіцієнт Пуассона виявився практично

    однаковим для всіх досліджених зразків.

    Таким чином, розроблений лазерний оптико-акустичний метод дає можливість вимірювання локальних значень пружних модулів неоднорідних твердих тіл, дозволяє проводити експериментальний аналіз впливу хімічного складу матриці, а також складу, розмірів і концентрації зміцнюючих часток на пружні властивості композиційних матеріалів.

    Таблиця 4. Результати оптико-акустичних вимірювань для досліджених зразків композиційних матеріалів

    № зразка Швидкість поздовжніх УЗ хвиль з1, х 103 м / с Швидкість зсувних УЗ хвиль з ,, х 103 м / с Модуль Юнга Е, ГПа

    С1 «П» С1 «П» з, «Ц» с, «П» Е «Ц» Е «П»

    172 6,67 ± 0,03 6,73 ± 0,03 3,39 ± 0,06 3,40 ± 0,06 82,7 ± 5,0 83,3 ± 5,0

    171 6,66 ± 0,03 6,71 ± 0,03 3,35 ± 0,06 3,44 ± 0,06 79,4 ± 4,8 83,2 ± 5,0

    022С 6,17 ± 0,03 6,33 ± 0,03 3,18 ± 0,06 3,27 ± 0,06 72,8 ± 4,4 77,0 ± 4,6

    032С 6,32 ± 0,03 6,54 ± 0,03 3,23 ± 0,06 3,36 ± 0,06 77,5 ± 4,7 83,7 ± 5,0

    1361 6,63 ± 0,03 3,48 ± 0,06 87,0 ± 5,2

    Таблиця 4. Продовження

    № зразка Модуль зсуву G, ГПа Коефіцієнт Пуассона v

    G «ц» G «п» у «ц» у «п»

    172 31,2 ± 1,2 31,4 ± 1,3 0,326 ± 0,016 0,328 ± 0,016

    171 29,9 ± 1,2 31,5 ± 1,3 0,330 ± 0,016 0,321 ± 0,016

    022C 27,6 ± 1,1 29,2 ± 1,2 0,319 ± 0,016 0,318 ± 0,016

    032C 29,3 ± 1,2 31,7 ± 1,3 0,323 ± 0,016 0,321 ± 0,016

    Тисячу триста шістьдесят одна 33,2 ± 1,3 0,310 ± 0,016

    ВИСНОВОК

    Запропоновано і експериментально реалізовано лазерний оптико-акустичний метод вимірювання локальних пружних модулів зразків ізотропних твердих тіл. Максимальна відносна похибка визначення модуля Юнга становить SE = 6%, модуля зсуву - SG = 4%, коефіцієнта Пуассона - Sv = 5% навіть для сильно поглинаючих ультразвук зразків (коефіцієнт загасання поздовжніх акустичних хвиль може досягати десятків зворотних сантиметрів). Для зразка з максимальною концентрацією часток SiC (j4) проведена кількісна оцінка

    локальної об'ємної пористості по теоретично розрахованим і експериментально виміряним значенням швидкостей поздовжніх акустичних хвиль в двох ділянках зразка.

    Таким чином, розроблений лазерний ультразвуковий метод дозволяє здійснювати неруйнівного локальну діагностику механічних і акустичних властивостей композиційних матеріалів по фактичному стану. Така діагностика є необхідною на етапі відпрацювання та вдосконалення технології виготовлення матеріалу, а також для виявлення «слабких» місць з меншою міцністю в матеріалі перед виготовленням деталей і виробів.

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Крюков І. І., Агузумцян В. Г. Ультразвуковий тіньової дефектоскоп для контролю структурно-неоднорідних матеріалів. Заводська лабораторія, № 1, с. 28-31, 1998..

    2. Баранов В. М., Карасевич В. А., Саричев Г. А. Втомні випробування матеріалів в екстремальних умовах із застосуванням акустичного методу. Заводська лабораторія, № 9, с. 55-59, 2003.

    3. Fitting D. W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. New York, Plenum Press, 1981.

    4. Труелл Р., Ельбаум Ч., Чик Б. Ультразвукові методи в фізиці твердого тіла. Москва, Мир, 1972.

    5. Nicoletti D., Anderson A. Determination of grain size distribution from ultrasonic attenuation. Transformation and inversion. J. Acoust. Soc. Am., V. 101, № 3, p. 686-689, 1997..

    6. Zang X.-G., Simpson W. A., Vitek J. M., et. al. Ultrasonic attenuation due to grain boundary scattering in copper and copper-aluminum. J. Acoust. Soc. Am., V. 116, № 1, p. 109-116, 2004.

    7. Layman C., Murthy N. S., Yang R.-B., et. al. The interaction of ultrasound with particulate composites. J. Acoust. Soc. Am., V. 119, № 3, p. 1449-1456, 2006.

    8. Дятлова Е. Н., Кольцова І. С., Майсун М. Експериментальне дослідження швидкості ультразвукових хвиль в дисперсних середовищах. Акустич. журн., т. 48, № 1, с. 52-59, 2002.

    9. Кольцова І. С., Зінов'єва Е. Н., Михальов О. Ю. Швидкість ультразвукових хвиль в феррокомпозітах. Акустич. журн., т. 51, № 5, с. 658-662, 2005.

    10. Алимов В.Т., Буров А.Е., Кокшаров І.І., Москвичов В.В. Застосування методів неруйнівного контролю для виявлення макроскопічних дефектів в волокнистом композиційному матеріалі. Заводська лабораторія, № 10, с. 26-29, 2001..

    11. Велівши Г. Ст., Латковський В. В. Метод дослідження матеріалів ультразвуком. Електронний журнал «Технічна акустика», http://ejta.org, 2003 11.

    12. Карабут А. А., Керштейн І. М., Пеліванов І. М., Подимова Н. Б. Дослідження пружних властивостей односпрямованих графітоепоксідних композитів лазерним ультразвуковим методом. Механіка композитних матеріалів, т. 34, № 6, с. 811- 822, 1998..

    13. Карабут А. А., Керштейн І. М., Пеліванов І. М., Подимова Н. Б.

    Поширення поздовжніх і зсувних акустичних відеоімпульсів в графито-епоксидних композитах. Акустич. журн., т. 45, № 1, с. 86-91, 1999..

    14. Pritz T. Measurement methods of complex Poisson's ratio of viscoelastic materials. Appl. Acoustics, v. 60, № 3, p. 279-292. 2000.

    15. Plesek J., Kolman R., Landa M. Using finite element method for the determination of elastic moduli by resonant ultrasound spectroscopy. J. Acoust. Soc. Am., V. 116, № 1, p. 282-287, 2004.

    16. Norris A. N. Elastic moduli approximation of higher symmetry for the acoustical properties of an anisotropic material. J. Acoust. Soc. Am., V. 119, № 4, p. 2114-2121, 2006.

    17. Меркулов Л. Г. Дослідження розсіювання ультразвуку в металах. ЖТФ, т. 26, № 1, c. 64-75, 1956.

    18. Beecham D. Ultrasonic scatter in metals: its properties and its application to grain size determination. Ultrasonics, v. 4, № 1, p. 67-76, 1966.

    19. Stanke F. E., Kino G. S. A unified theory for elastic wave propagation in polycrystalline materials. J. Acoust. Soc. Am., V. 75, № 3, p. 665-681, 1984.

    20. Гусєв В. Е., Карабут А. А. Лазерна оптоакустіка. Москва, Наука, 1991.

    21. Aindow A. M., Dewhurst R. J., Hutchins D. A., Palmer S. B. Laser-generated ultrasonic pulses at free metal surfaces. J. Acoust. Soc. Am., V. 69, № 2, p. 449-455, 1981.

    22. Bescond C., Audoin B., Deschamps M., Qian M. Measurement by laser generated ultrasound of the stiffness tensor of an anisotropic material. Acta Acustica, v. 88, № 1, p. 50-59, 2002.

    23. Arias I., Achenbach J. D. Thermoelastic generation of ultrasound by line-focused laser irradiation. Int. J. of Solids and Structures, v. 40, p. 6917-6935, 2003.

    24. Hurley D. H. Laser-generated thermoelastic acoustic sources in anisotropic materials. J. Acoust. Soc. Am., V. 115, № 5, p. 2054-2058, 2004.

    25. Zhang F., Krishnaswamy S., Lilley C. M. Bulk-wave and guided-wave photoacoustic evaluation of the mechanical properties of aluminum / silicon nitride double-layer thin films. Ultrasonics, v. 45, № 1-4, p. 66-76, 2006.

    26. Чернишова Т. А., Курганова Ю. А., Кобелєва Л. І., Болотова Л. К., та ін. Композиційні матеріали з матрицею з алюмінієвих сплавів, зміцнених частинками, для пар тертя ковзання. Конструкції з композиційних матеріалів, вип. 3, с. 38-48, 2007.

    27. Sachse W., Kim K. Y. Quantitative acoustic emission and failure mechanics of composite materials. Ultrasonics, v. 25, № 7, p. 195-203, 1987.

    28. Фізичні величини. Довідник. (Ред. Григор'єв І. С., Мейліхов Е. З.). Москва, Вища школа, 1991.

    29. Жаркий С. М., Карабут А. А., Пеліванов І. М., Подимова Н. Б., та ін. Дослідження шарів пористого кремнію лазерним ультразвуковим методом. Фізика і техніка напівпровідників, т. 32, № 10, с. 485-489, 2003.

    30. Бєлов М. А., Карабут А. А., Пеліванов І. М., Подимова Н. Б. Діагностика пористості графітоепоксідних композитів лазерним ультразвуковим методом. Контроль. Діагностика, № 2, с. 48-54, 2003.

    31. Поляков В. В., Головін В. А. Вплив пористості на швидкість ультразвукових хвиль в металах. Листи в ЖТФ, т. 20, № 11, с. 54-57, 1994.


    Ключові слова: лазерний оптико-акустичний метод / поздовжні і зсувні акустичні хвилі / фазова швидкість / пружні модулі композиційних матеріалів

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити