книги / Применения ультразвука

между модулем продольной упругости и модулем растяжения, ко­ торое было выведено ими в результате разрушающего исследования хрупкого графита и спеченных вольфрамовых заготовок. Позднее это соотношение было распространено на композиционные мате­ риалы [50-51].

Ультразвуковые измерения также использовались для опре­ деления модулей упругости при экстремальных температурах. Для таких материалов, как мартенситные стали [14], уже были получены некоторые данные. Зависимость модулей от темпера­ туры для многих материалов невелика. Тем не менее Линн Ворт (и др.) [15] предпринимал попытки исследовать модули при тем­ пературах, близких к точке кипения в тугоплавких металлах, с помощью самонагревающихся проводов. Величина постоян­ ных упругости непосредственно связана с прочностью матери­ алов, таких как бетон, чугун, керамика и некоторые композиты. Определение предела прочности материалов при растяжении, то есть модуля растяжения, выполняется путем измерений скоро­ сти продольных и поперечных волн. Предпринимались попытки [17, 18] установить зависимость прочности чугуна при растяже­ нии от скорости продольных волн и измерений твердости, по Бринеллю. Так, с помощью ультразвуковой резонансной техни­ ки тестирования была обнаружена корреляция предела прочнос­ ти и предела текучести [2 0 ].

В таких материалах, как бетон, большой интерес представля­ ет оценка возрастной прочности, которая имеет отношение к на­ пряжениям в опалубке, целостности сборки и перераспределению нагрузки. Рис. 8.5 демонстрирует приближенную оценку возрас­ тной прочности бетона, полученную с помощью ультразвуковых измерений [27].

Предпринимались попытки [23, 52] измерить силу сдвига и изучить, как она соотносится с акустическими параметрами, та­ кими как скорость и затухание в слоистых волоконных компози­ тах. Зубрик [53] выявил хорошую корреляцию между прочностью при растяжении, измеренной входе разрушающего исследования, и модулем, определенным с помощью ультразвука. Измерения скорости ультразвука и упругих свойств использовались для изу­ чения ориентации волокон в материалах. Эмпирическое соотно­ шение между скоростью Ub, плотностью р и модулем продольной упругости L%в ряде композитных материалов:

I

Î

о.

П родолж ительность испытания, которому

подвергается бетон (часы)

Рис. 8.5. Зависимость скорости от возрастной прочности бетона

где 0 - угол расположения волокна в серии слоистых веществ.

С помощью ультразвуковойтехники можно определитьтрещиностойкость высокопрочных сплавов [29, 30, 54, 55]. Измерения скорости ультразвука и затухания эффективно использовались для установления их корреляции с ударной вязкостью и трещиностойкостью. Количественное исследование явления затухания открывает много возможностей как в теоретической, так и в при­ кладной области. Затухание в твердых телах и соответствующие взаимосвязи показаны на рис. 8 .6 .

Большое значение для определения свойств материалов имеет измерение затухания в зависимости от частоты. Как было сказа­ но в главе 2 , потери энергии, сопровождающие распространение ультразвуковых волн в среде, связаны с механизмом поглощения, который уменьшает упругие колебания, обращая их в тепловую энергию. Данный механизм известен как истинное поглощение, в отличие от механизма поглощения, связанного с рассеянием. Механизм затухания, обусловленного рассеянием, преобладает в поликристаллических материалах. Коэффициенты затухания [56] зависят от размера зерна (D) и частоты (/) ультразвукового луча. Механизмы рассеяния в твердых телах классифицируются по трем категориям (табл. 8 .2 ).

те для коэффициента затухания а, А, В и С—экспериментальные константы, зависящие от материала.

Рис. 8.7. Корреляция затухания ультразвука и трещиностойкости

Из уравнения (8.32) понятно, что в результате проведения ультразвуковых измерений в поликристаллических материалах можно получить калибровочные кривые для трещиностойкости и предела текучести [31].

В аэрокосмической и других отраслях промышленности широ­ кое применение находяттакие материалы, как адгезивно-связанные структуры и слоистые композиты, благодаря высокому показателю отношения прочности к весу. Неразрушающее тестирование ком­ позиционных материалов играет важную роль в измерении пара­ метров прочности после изготовления, а также в оценке снижения прочности в условиях неблагоприятной рабочей среды, приводя­ щих к проникновению влаги, стационарным перегрузкам, сотря­ сению, усталости и т.д. Было получено соотношение, связывающее скорости, затухание и факторы прочности в связанных и слоистых структурах, что позволило исследовать ультразвуковой метод на предмет возможности предсказания внутренней, внутрислойной и адгезивно-связывающей прочностей. В данной области существу­ ют различные подходы: (1 ) ультразвуковое резонансное измерение, позволяющее определить адгезивную прочность соединения метал­ ла с металлом, (2 ) использование модулей упругости, полученных из измерений скорости ультразвука и объясняющих прочность слоис­ тых композиционных материалов, армированных волокном, (3) из­ мерения методом акустического возбуждения, использующиеся для

объяснения межволоконной прочности волоконных композитов при сдвиге, чтобы связать отношение волокно/смола с содержани­ ем пустот. Прочность адгезивной связи металл—металл оценивается, исходя из известной резонансной частоты^, толщины адгезивного слоя / и модуля упругости (L или G) адгезивного слоя [24]:

fr= C

где с —калибровочный коэффициент, который зависит от конфи­ гурации соединения, толщины металла и т.д.

Силу связи, определяемую уравнением (8.33), получают из ультразвуковых резонансных измерений. К примеру, соотноше­ ние между межслойной прочностью при сдвиге и прочностью при сдвиге, выведенной из скоростей в волоконном слоистом компо­ зиционном материале графит/полиамид [52], показано на рис. 8 .8 .

Рис. 8.8. Соотношение между межслойной прочностью при сдвиге

и прочностью при сдвиге, оцененной с помощью ультразвука

8.4.3.Стекла

Наиболее распространенными методами измерения модулей уп­ ругости стекол являются использование кривой «напряжениедеформация», ультразвуковые измерения и метод резонансной частоты. Из трех вышеперечисленных методов ультразвуковые

изменяет структуру стекла. Это означает, что связи структуры меня­ ются с Si-0-Si на Pb-0-Pb. Многие исследователи [73—75] отмечали поэтапное выстраивание силикатногочетырехгранника и существо­ вание ионной ковалентности. Наблюдаемые результаты подтверж­ дают, что РЬО при высоком составе выступает в качестве создате­ ля структуры. Влияние изменения структуры висмуто-свинцового стекла с добавлением сегнетоэлектрика ВаТЮ3 на скорость и зату­ хание ультразвука [72] показано на рис. 8.11.

Помимо этого, изучалась зависимость упругих свойств стекол Na2 0-B2 0 3 -Si02 и Li2 0-Al2 0 3 -Si02 от изменения щелочности [76, 77]. Зависимость упругих свойств от температуры тоже представ­ ляет собой интересный объект для изучения. Изменения затуха­ ния и скоростей звука в стеклах при низких температурах обус­ ловлены структурными преобразованиями, причиной которых являются загрязнения, межзеренные границы или энгармонизм пространственной решетки [78—80]. Вышеперечисленные изме­ нения можно изучать, учитывая взаимодействие ультразвуковых волн и тепловых фононов, поскольку последние представляют собой единственно важные элементарные возбуждения, присутс­ твующие при низких температурах [81].

2350 ^

2300 Щ.

0

X

2

2250 ?

и

о.

01

2200 с

2150 g

и

Рис. 8.11. Изменение скорости (а) и затухания (Ь) в зависимости от содержания РЬО в стекле состава висмут-свинец с добавлением сегнетоэлектрика ВаТЮ3

Изучение поглощения в стеклах показало наличие ярко выра­ женного пика затухания при понижении температуры в простых стеклах [82, 83], таких как Ge02, В2 0 3, As2 0 3 и т.д., и многокомпо­ нентных [84—85], как, например, Na02 -B2 0 2 -Si02 /N a2 0 -G e0 2 и т.д. Были предприняты попытки исследовать сложный механизм структурных связей в стекле, исходя из величины затухания и его

вариаций, Зависимость затухания от температуры в некоторых халькогенидных стеклах (полученная с помощью 2 0 -мегагерцовых продольных звуковых волн) [8 6 ] проиллюстрирована рис. 8 .1 2 .

Рис. 8.12. Изменение затухания в зависимости от температуры в халькогенидном стекле

При температуре стеклования для малой системы As2 S3 и As2 0 Sg 0 помимо резкого увеличения поглощения наблюдается ус­ туп. Зависимость скоростей звука (продольных и поперечных волн) [87] на частоте 90 МГц от состава боросиликатного стекла (главный компонент Si02 —80%, В2 0 3 - 14%) при очень низкой температуре показана на рис. 8.13.

Относительное изменение скорости можно выразить так:

A U V(T)-U(T„)

U - V(Tt) ’

где Т0—произвольная исходная температура, принятая равной 0,3 К. Рис. 8.13 показывает существование резкого наклона кривой из­ менения скорости в боросиликатном стекле при очень низкой тем­ пературе. Подробное исследование аномалий в стеклах при низкой

температуре можно найти в соответствующей литературе [81]. Предпринимались попытки изучить температуру Дебая в по-

лупроводящих стеклах, сверхпроводящих стеклах с высокой тем­ пературой фазового перехода (Тс) и 7Ж7-содержащих оксидных стеклах. Температура Дебая использовалась для объяснения явле­ ния твердого состояния. Всверхпроводящем материале [8 8 ] темпе-