2.6. Измерение твердости и микротвердости. Ультразвуковая дефектоскопия. Метод акустической эмиссии.

Многие важные характеристики материала, в том числе степень его пластического деформирования, запас пластичности до разрушения, степень поврежденности, наличие внутренних напряжений в поверхностном слое, можно узнать при помощи измерения твердости. Твердостью материала называют способность сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, называемого индентором.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности или объему отпечатка индентора, который может быть шариком, пирамидкой или конусом в зависимости от метода измерения. Так, например, для метода Бринелля, в котором в качестве индентора выступает полированный шарик из закаленной стали, твердость определяется по формуле

, (2.13)

где – твердость по Бринеллю, – приложенная сила в Н, – диаметр шарика, – глубина отпечатка.

Твёрдость очевидным образом связана с пластическим деформированием и меняется вместе с пределом текучести, что позволяет, например, по увеличению твердости материала конструкции относительно исходной судить об уменьшении способности материала к пластическому деформированию, а значит уменьшению остаточного рабочего ресурса конструкции. Уменьшение твердости материала может говорить о накоплении повреждений.

Благодаря малым размерам индентора, влияние, оказываемое на испытуемый объект, незначительно, что позволяет применять этот вид испытаний к работающим конструкциям.

Широкое применение в области определения текущего состояния материалов и конструкций находит также метод ультразвуковой дефектоскопии. Он основан на том, что звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале, но отражаются от границ раздела сред с различными звукопроводящими характеристиками. Чем больше разница этих характеристик, тем полнее отражение. Так от свободной поверхности материала или границ внутренних пустот волна отражается практически полностью. Разрешающая способность акустического исследования определяется длиной используемой звуковой волны: при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается. Поэтому для таких исследований используют высокочастотные колебания – ультразвук. Общая схема работы дефектоскопа показана на рис. 2.6.1.

Таким образом могут быть обнаружены отдельные дефекты, но кроме того можно определить и среднюю поврежденность материала, поскольку при наличии в материале большого количества микродефектов увеличивается коэффициент затухания проходящих через него ультразвуковых волн.

Рис. 2.6.1. Отражение ультразвука от свободной поверхности и от поверхности дефекта.

Деформируемый материал также является источником звуковых колебаний. Как говорилось в первой главе, пластическая деформация связана с перемещением дефектов кристаллической решетки различных масштабных уровней. Эти перемещения порождают упругие колебания в материале, которые можно фиксировать как звук. Такие звуковые сигналы, исходящие из деформируемого материала, называют акустической эмиссией или акустическим излучением. Она может возникать так же при образовании и развитии трещин. По характеристикам акустической эмиссии можно получать косвенные данные о скорости пластической деформации, росте трещин, внутреннем разрушении волокнистых материалов. В случае проявления прерывистой текучести металлов интенсивность эмиссии может быть настолько велика, что легко фиксируется обычными звукозаписывающими устройствами (рис. 2.6.2.).

Рис. 2.6.2. Однозначное соответствие спадов напряжения при прерывистой текучести и сигналов акустической эмиссии, совпадающих по времени и коррелирующих по мощности (изгиб балки из титанового сплава ВТ5-1).

Заключение главы 2.

При помощи экспериментов можно получить достаточно обширную информацию как о материалах, так и о конструкциях. Если речь идет о контроле качества, текущего состояния или об определении свойств новых материалов, эксперименты вряд ли могут быть чем-то заменены. Однако для проектирования конструкций необходимо знать не только частные свойства, но и общие закономерности, на основе которых могут строиться математические модели, то есть некоторые наборы уравнений с краевыми и начальными условиями, включающие ряд экспериментальных констант, достаточный для удовлетворительного описания рассматриваемых явлений и при этом максимально ограниченный для простоты расчета.

Как уже было сказано в первой главе, атомно-кристаллическая модель даже для простейших кубических решеток предполагает слишком большие системы уравнений, чтобы их можно было решить в настоящее время, а гипотетическое решение таких систем было бы для каждого объекта слишком частным. Поэтому вместо реального материала, состоящего из атомов, рассматривают сплошную среду, целиком заполняющую некоторый объем, и имеющую одинаковые свойства в любой своей точке. Эти свойства устанавливаются путем статистического анализа экспериментальных данных. Если тело неоднородно настолько, что этим нельзя пренебречь, оно может рассматриваться как совокупность объемов с разными свойствами, склеенных по границе. Теория пластического деформирования сплошной среды не является обобщением физических процессов пластичности, имеющих место на масштабном уровне кристаллической решетки. Она построена на основе общей теории сплошной среды и экспериментальных наблюдениях над необратимым деформированием макроскопических объектов.

Представление материала как сплошной среды выглядит чрезвычайно упрощенным по сравнению с атомарной моделью, однако даже оно позволяет аналитически решить лишь очень узкий круг задач для тел с простейшей геометрией. С этим затруднением помогает справиться компьютерное моделирование объектов – приближенное представление сложных сплошных тел наборами маленьких подобъемов простой конфигурации, в которых аппроксимируются искомые функции (напряжения, деформации).