Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках
DEVICE FOR DETERMINING AND CONTROLLING VELOCITIES OF SURFACE AND LONGITUDINAL ACOUSTIC WAVES IN MATERIALS UNDER QUASISTATIC AND CYCLIC LOADS

Изобретение относится к области методов неразрушающего контроля материалов и может быть использовано для исследования и контроля физико-механических характеристик материалов и элементов конструкций, их внутренней структуры и изменений геометрических размеров при различных нагрузках.
Известно устройство для исследования образцов с помощью ультразвука [1], содержащее импульсный лазер для получения высокочастотного импульса оптического излучения, оптическое волокно для передачи оптического излучения на образец и пьезоприемник для регистрации ультразвука, который передается в пьезоприемник через акустическую среду. Недостаток этого устройства в том, что оптико-акустическое преобразование осуществляется в образце, а значит, генерируемый акустический сигнал различен для различных материалов и не может быть использован для сравнительного анализа. Более того, сигнал поступающий в пьезоприемник, несет в себе не только информацию об материале образца, но и зависит от свойств и качества связующей акустической среды.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен на оптико-акустический преобразователь, расположенный над поверхностью исследуемого материала, и пьезоприемник, помещенный с обратной стороны исследуемого материала и соединенный через усилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером [2].
К недостаткам известного устройства следует отнести получение информации только об продольных акустических волнах, проходящих через образец, что ограничивает возможность контроля упругопластических характеристик материала при нагружении образца.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение информативности оптико-акустического метода исследования и контроля механических и структурных свойств материалов и элементов конструкций как в свободном состоянии, так и под квазистатической или циклической нагрузкой.
Для достижения указанного технического результата в устройстве, содержащем импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом контролируемый объект расположен между оптико-акустическим преобразователем и пьезоприемником, дополнительно включен второй пьезоприемник, который выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем, и соединен с аналого-цифровым преобразователем.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1-3.
На Фиг. 1 приведена схема устройства для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках.
На Фиг. 2 представлены сигналы от пьезоприемников, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в плоском образце из стали 12Х18Н10Т. (OS - импульс акустического воздействия на образец оптико-акустическим преобразователем; RW - сигнал с пьезоприемника в виде кольца (4); LW - сигнал с плоского пьезоприемника (5)).
td
На Фиг. 3 приведено зависимость продольной деформации ε и коэффициента поперечной деформации v от напряжений σ при растяжении плоских образцов титана ВТ1.
Устройство содержит: 1 - импульсно-модулированный лазер; 2 - оптическое волокно для передачи лазерного излучения в оптико-акустический преобразователь; 3 - оптико-акустический преобразователь для преобразования лазерного импульсного излучения в акустические импульсы и передачи их в исследуемый материал или элемент конструкции; 4 - пьезоприемник в виде пластины для регистрации продольных акустических волн, прошедших через образец; 5 - пьезоприемник в виде плоского кольца для регистрации поверхностных волн; 6 - аналого-цифровой преобразователь для перевода электрического сигнала с пьезоприемников в цифровой сигнал и его передачи в компьютер (7) и контролируемый объект (8).
Работа предлагаемого изобретения осуществляется следующим образом. Импульс лазерного излучения с лазера (1) через оптоволокно (2) поступает в оптико-акустический преобразователем (3), который излучает акустический импульс в контролируемый объект (8). Возбуждаемые в контролируемый объекте (8) акустические волны распространяются вдоль и ортогонально поверхности (по толщине) контролируемого объекта (8) и попадают на пьезоприемники (4) и (5), а их электрические сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (6) передающий цифровые сигналы в компьютер (7), который их регистрирует.
Контролируемый объект (8) может находиться как в свободном от напряжений и деформации состоянии, так и под действием нагрузки. Например, он может быть зафиксирован в захватах испытательной машины или являться элементом конструкции несущей нагрузку. Синхронизация компьютера (7) осуществляется по сигналу импульса излучения лазера (1) или от первого импульса с аналого-цифрового преобразователя (6). Скорость поверхностных и продольных акустических волн в контролируемом объекте (8) определяют по времени прихода волны в соответствующий пьезоприемник (4 и 5) и расстоянию до него от места приложения оптико-акустического преобразователя (3).
Заявленное устройство было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение информативности результатов исследований.
-3
-1
В качестве примера конкретной реализации представленного устройства были проведены механические испытания плоских образцах из стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1 с размерами рабочей части 50×5×2 мм на стандартной испытательной машине SHIMADZU AG-X. Образцы подвергались растяжению со скоростью деформации 1⋅10 с.
К образцу с помощью миниатюрной пружинной струбцины прижимались два пьезокерамических датчика. С одной стороны образца размещался датчик в виде диска (∅10×0.3 мм) для измерений параметров продольной волны. С противоположной стороны располагался пьезодатчик в виде диска (∅10×0.5 мм) с центральным отверстием диаметром 4 мм для регистрации волн Рэлея.
Лазерное излучение по оптическому волокну (∅0.8 мм) с помощью оптического разъема подводилось к образцу по центру отверстия пьезодатчика, регистрирующего поверхностную волну Рэлея. При такой методике термоупругий точечный источник позволял эффективно возбуждать как поверхностные, так и продольные акустические импульсы. Период следования лазерных импульсов выбирался в зависимости от скорости деформирования в интервале 1÷5 с. Регистрация сигналов с датчика осуществлялось осциллографом Lecroy Wave Surfer 64MXs-B. Методика позволяла измерять скорости акустических волн с погрешностью не хуже 0.1%.
На Фиг. 2 представлена типичная осциллограмма сигналов от пьезодатчиков, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в стальном образце. Зная расстояние L и время прохода Т волны от точки излучения до места регистрации и можно определить скорость распространения волны С:
пр
R
Таким образом, устройство позволяло одновременно измерять скорости продольных волн и поверхностных волн Рэлея в стандартных испытаниях на растяжение образцов в виде лопаток. Так для стальных образцов они составили С=5814 м/с для продольной волны и C=2830 м/с для волны Рэлея.
Более того, определение скоростей акустических и поверхностных волн в материале позволяет определять упругопластические характеристики материала, например модуль упругости и коэффициента поперечной деформации (коэффициент Пуассона).
пр
поп
R
поп
Коэффициент поперечной деформации, как известно из механики деформируемого твердого тела [3], в упругой области определяется соотношением скоростей продольных С и поперечных С волн, при этом скорость волн Рэлея C отличается от С на множитель, значение которого в зависимости от материала лежит в интервале δ=0,874÷0,955. В этой связи выражение для коэффициента Пуассона может быть записано в следующем виде:
Это соотношение строго выполняется в области упругости, но и при пластическом деформировании его применение при известных зависимостях скоростей звука от напряжений достаточно обосновано [4].
td
td
На Фиг. 3 приведены зависимости коэффициента поперечной деформации v при растяжении образцов титана ВТ1. Отметим при этом, что начальные значения v были получены из значений скоростей упругих волн в исходных образцах и совпадали с табличными.
Как видно из рисунка, изменение коэффициента поперечной деформации имеет немонотонный характер. Наблюдается его небольшое снижение в области упругости, которое сменяется существенным уменьшением в области упрочнения, и дальнейшее значительное возрастание в области развитого пластического течения. Подобное поведение коэффициента поперечной деформации наблюдалось для всех исследованных металлов и для разных скоростей деформации. Существенное уменьшение коэффициента поперечной деформации наблюдается на стадии упрочнения, характеризуемой интенсивными процессами структурных преобразований, формированием и эволюцией пространственных распределений дислокационных субструктур (дислокационных клубков и ячеек и т.д.).
Таким образом, устройство позволяет определять не только скорости акустических и поперечных волн, но и определять степень напряжений и деформаций в материале, а также косвенную информацию об структурных перестройках в материале при воздействии на него квазистатических и циклических нагрузок.
Результаты испытаний показали, что заявленное устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках позволяет получать профиль волн в одном эксперименте, что существенно повышает его информативность и делает процесс определения физико-механических параметров материалов и элементов конструкции более мобильным.
Представленное изобретение может быть применено в материаловедении или инженерной практике для исследования и неразрушающего контроля физико-механических параметров материалов и элементов конструкций при квазистатической и циклической нагрузке.
Список используемой литературы
1. Патент США №5381695, кл. 73/643.
2. Патент РФ 2232983 (прототип).
3. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 712 с.
4. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. К.: Наукова думка, 1987. 236 с.