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.
