книги / Применения ультразвука
..pdf8.6. Оценка механических свойств
Оценка механических свойств, таких как предел текучести, про чность при растяжении, жесткость и т.д., подразумевает затраты денег и времени на подготовку тестовых образцов и их тестиро вание. Разрушающее тестирование дает информацию, которую не могут воспроизвести неразрушающие методы. Разрушающее тестирование в лаборатории является основой для установ ления корреляции ультразвука с механическими свойствами. Потенциальным преимуществом непрерывного внутрипроцессного мониторинга механических свойств является появление веских стимулов к исследованию и промышленному примене нию неразрушающих методов характеристики материалов [158, 183, 184]. В литературе описаны эмпирические связи между ско ростью, затуханием ультразвука и различными механическими свойствами. Однако теоретические основы корреляции недоста точно хорошо разработаны по ряду причин, к которым относятся расхождения между измеренными и теоретически рассчитанны ми величинами ультразвуковых параметров, различия в опреде лении наиболее важного ультразвукового параметра, связанного с механическим свойством, и т.д. Как бы то ни было, существуют теоретические модели, предсказывающие корреляционные связи, которые можно выявить между ультразвуковыми и механически ми свойствами.
Модули упругости материалов наиболее удобно определять посредством измерения скоростей ультразвука. Поскольку мо дули, в свою очередь, непосредственно связаны с межатомными силами, предпринимались попытки соотнести скорость с про чностью материала. Но прочность материала зависит не только от модулей или постоянных упругости. К примеру, тогда как не которые сплавы можно обработать и тем самым повысить их трещиностойкость в десять и более раз, постоянные упругости, такие как модуль Юнга, остаются неизменными величинами.
Важную роль в механических свойствах поликристаллических материалов играют микроструктура и морфология. Например, трещиностойкость является внешним фактором для упругих свойств отдельных кристаллитов или зерен. Критическая прочность при растяжении и предел текучести, ковкость, жесткость и другие ме ханические свойства управляются микрострукгурными факторами, которые включают плотность дислокаций, размер, отношение дли
ны к диаметру и ориентацию зерен, примеси, структуру фазы и дру гие характеристики в совокупности. Хотя скорость можно связать с некоторыми из этих параметров, измерения затухания более чувс твительны к микрострукгурным факторам, которые управляют про чностью, жесткостью и другими механическими свойствами. Чтобы установить связи с микроструктурными факторами, управляющими механическими свойствами, необходимыточные ультразвуковые из мерения, основанные на эхо-импульсном подходе. Для каждого ма териала нужно определить спектр затухания (кривые «коэффициент затухания — частота»), потому что важные изменения микрострук туры проявляются в виде изменения наклона и других параметров, которые обуславливают спектр затухания. Акцент на затухании не препятствует установлению корреляции скорости или других базо вых параметров с механическими свойствами. Конечно, нужно реа лизовывать и изучатьлюбой подход, который чувствителен к микро струкгурным переменным. К примеру, было показано, как скорости волн связаны с дисперсионным твердением сталей. С помощью уль тразвуковых коэффициентов затухания был оценен средний размер зерна в аустенитных нержавеющих сталях.
8.6.1. Прочность при растяжении и предел текучести
Модель Холла-Петча предлагает следующее соотношение между пределом текучести о и размером зерна D материала:
CT= <7,.+-J= , |
(8.54) |
где о(.—начальный предел текучести.
Модель Холла-Петча предполагает, что движения дислокаций в зерне сдерживаются межзеренными границами, а любое рас тягивающее напряжение, связанное с наложением дислокаций, способно вызвать трещины. В нелегированной углеродистой ста ли соотношение Холла-Петча (рис. 8.47) позволило достичь очень хорошей корреляции. Хотя прочность при растяжении также под чиняется соотношению Холла-Петча, она менее чувствительна к размеру зерна. Параметр А для прочности при растяжении в два раза меньше, чем для предела текучести. Вообще говоря, с помо щью соотношения Холла-Петча можно охарактеризовать любой параметр, который зависит от движения дислокаций. К ним от носятся твердость, предел усталости, воздействие и температура фазового перехода из пластичного состояния в хрупкое.
Рис. 8.47. График «рассчитанный предел текучести — измеренный предел текучести в нелегированной углеродистой стали»
8.6.2. Твердость
Прочность при растяжении, предел текучести и твердость в поликристаллических материалах взаимосвязаны. Для оценки прочнос ти при растяжении и предела текучести часто используется опре деление микротвердости путем вдавливания благодаря простоте и неразрушающей природе тестирования. Измерения твердости мо гут также сопровождаться реализацией метода резонансных коле баний, связанной с микровдавливаниями. В резонансном методе для измерения твердости используется механизм пьезоэлектричес кого преобразователя. Неразрушающие методы точного определе ния твердости пользуются большим спросом. Ультразвуковые ме тоды могут сформировать основу для непрерывного мониторинга твердости как контрольной опции производства [187].
Экспериментальные данные показывают, что измерения ско рости и затухания эхо-импульсов способны однозначно опреде лять твердость (в соответствующихрамках, которые зависят от ма териала). В эксперименте участвовали сплавы алюминия и меди с различными степенями дисперсионного твердения. Оказалось, что в зависимости от твердости сплава скорость изменяется по параболическому закону, а затухание —линейно и обратно про порционально твердости (рис. 8.48).
85
60
355 |
360 |
365 |
370 |
375 |
380 |
Затухание ультразвука (дБ/мг1)
Рис. 8.48. График « затухание ультразвука —твердость»
8.6.3. Трещиностойкость
Трещиностойкостьопределяеткритическуюинтенсивностьнапряже ния, при которой трещина определенного размера становится неста бильной и начинает катастрофически расти [188]. Размер зерна — не единственный фактор, который обусловливает трещиностойкость, поскольку помимо него важную роль играют межзеренные границы, форма, отношение длины к диаметру, субзерновая структура, плот ность дислокаций и другие морфологические факторы.
В основе ультразвуковой оценки трещиностойкости лежит концепция участия волны напряжения в процессе разрушения во время катастрофического роста трещин. Согласно этой концеп ции, параметры затухания, определяемые микроструктурой мате риала, важны для процесса разрушения. Модель взаимодействия волны напряжения, основанная на этой концепции, помогает объяснить существующую корреляцию между затуханием ультра звука и трещиностойкостью.
Используя модель взаимодействия волны напряжения в со четании с концепциями механики разрушения, можно получить факторы трещиностойкости и затухания. Жесткость и ультразву ковые факторы связаны следующим соотношением:
(8.55)
Заключение 4
где К[с —трещиностойкость при плоской деформации, ау —пре дел текучести, М —константа материала, UL—скорость продоль ных волн, т —показатель степени для частоты/в уравнении для коэффициента затухания a = c f рэлеевского процесса рассеяния, Р6 —производная, которая задается следующим образом:
|
(8.56) |
где |
da |
оценивается при частоте, которая связана с критической |
длиной ультразвуковой волны \ в материале.
Величина (К{ /о у)2 является определяющим линейным раз мером, а также мерой трещиностойкости. Она пропорциональна размеру зоны затупления активной вершины трещины. Данное обстоятельство предполагает, что в материале существует плас тичная деформация или похожий микромеханизм поглощения энергии волны напряжения на фронте трещины, как это происхо дит в поликристаллическом материале.
Предыдущее уравнение для определяющего линейного разме ра можно переписать:
(8.57)
где а5 —удельное фазовое затухание для критических микроструктурных характеристик [189].
Правда, для оценки определяющего линейного размера нужно сделать предположение о критической характеристике и ее сред нем значении 5. Однако в теории 5 можно вывести из спектра за тухания, потому что оно определяется по средней (фазовой) дли не волны, при которой начинается стохастическое рассеяние.
8.7. Заключение
Восьмая глава посвящена определению характеристик свойств материалов с помощью ультразвука. Предмет рассмотрения можно классифицировать по нескольким категориям, но только четыре из них являются основополагающими, как показано на рис. 8.1. Для удобства первая и третья категории были объедине ны и тщательно изучены, в частности было рассмотрено влияние постоянных упругости при наличии пор в различных материалах.
Buck and SWolfedsWarrensdale, MSAIME, (1981) 115.
7.Nowich A and Berry B, An Elastic relaxation in Crystalline Solids, Academie Press, London, (1972).
8. Kolsky H, Stress Waves in Solids, Dover Publisher, New-York, (1963).
9.Green R E, Ultrasonic Investigation of Mechanical Properties, Treatise on Materials Science and Technology, Vol.3. Academic Press, New-York and London, (1973).
10.Rajendran V, Muthukumaran S, Sivasubramanian V, Jayakumar T and Baldev Raj, physica status solidi (a) 195(2003)350.
11.Papadakis E P, Physical Acoustics Principles and Methods, Ed Mason W P and Thurston R N, Academic Press, London Vol.XII, 1976.
12.Wachtman J H Jr; In Fracture Mechanics of Ceramics, Eds., R C Bradt, D P H Hasselman and F F Lange, Plenum Press, New-York, Vol. I (1974) 49.
13.Lockyer G E and Proudfoot E A, Amer Ceram Soc Bull, 46 (1967) 521.
14.Ledbetter H M and Read D T, Metall Trans A, 8A (1977) 1805.
15.Lynnworth L C, Papadakis E P and Fowler К A, In International Advances in Nondestructive Testing, Ed., McGonnagle W J, Gordon and Breach, New-York, London and Paris, Vol.5 (1977) 71.
16.Dean G D and Lockett F J, Analysis ofTest Methods for High Modulus Fibers and Composites, ASTM STP 521, (1973)326, Amer Soc for Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania.
17.Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials, Springer-Verlag, New-York, (1977).
18.Felix WA, MetalProg, 83 (1963) 91.
19.Flynn P L, Cohesive Strength Prediction of Adhesive Joints, AFMLTR- 77-44, (1977) 59-65, Air Force Materials Laboratory, Dayton, Ohio.
20.Levitan L Ya, Fedorchenko A N and Sharko A V, Defektoskopiya, Soviet Journal ofNondestructive Testing, 21 (1976) 335.
21.Vary A and Lark R F, / TestEval, 1 (1979) 185.
22.Jones В Rand Stone DEW, JNon Dest Test, 9(1976) 71.
23.HayfordDT, Hennecke EG and StinchcombWW, / ComposMat, 11(1977) 429.
24.Schliekelmann R J, JNon Dest Test, 5(1972) 144.
25.Alers G A, Flynn P L and Buckley M J, Mat Eval, 35 (1977) 77.
26.Regalbuto J A, Mat Eval, 30 (1972) 66.
27.Elvery R H and Ibrahim LAM, Mag ConcrRes, 28 (1976) 181.
28.Vary A., Mat Eval, 36 (1978) 55-64. Also NASATM X- 71889 (1976) & Quantitative Ultrasonic Evaluation of Mechanical Properties of Engineering Materials, NASATM - 78905, (1978).
29.Lavender J.D., Ultrasonic Testing of Steel Castings, Steel Founders Society of America, Rocky River, Ohio, (1976).
30.Papadakis E P, JAcoust SocAm, 32 (1960)1628.
31.Vary A, Correlations between Ultrasonic and Fracture Toughness Factors in Metallic Materials, NASA TM73805, (1978). In Fracture Mechanics, ASTM, STP 677, Ed. C.Smith, (1979) 563.
32.ТашЬигеШ С and Quaroni A, N DT, 8 (1975) 152.
33.David R Lide (ed), CRC Hand Book of Chemistry and Physics, 75th edition, (1994).
34.Trnell R, Elbaum C and ChickВ В, Ultrasonic Methods in Solid State Physics, New-York, Academic Press, (1969).
35.Wert C, Physical Acoustics, ed. W P Mason, Vol. 3, (1976).
36.Kanninen M and Popelar C, Advanced Fracture Mechanics, Oxford, Clarendon Press, (1985) 392.
37.Panakkal J P, IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics & Freq Control, 38, (1991)161.
38.Phani К К and Niyogi S K, J Mater Sci Lett, 6, (1987), 511.
39.Rice R W, Treatise on Material Science and Technology, ed: R К MacCrone (Academic Press), New-York, 1977, Vol.ll p 199.
40.James C Wang, J Mater Sci, 19 (1984) 801.
41.Panakkal J P, Willium H and Arnold W, J Mater Sci, 25 (1990) 1397.
42.Mackenzie J K, Procc Roy Soc Phys, 63, (1950) 2.
43.Hashin Z, JAppl Mech, 29 (1962) 143.
44.Ondracek G Z Werkstofftechnik, 9 (1978) 31.
45.Wang JC ,J Mater Sci, 19(1984) 801.
46.Panakkal J P, Franunhofer Institute for NOT, Saarbrucken, FRG Report No: 890103-TW, 1989.
47.Sayers C M and Smith R L, Ultrasonics, 19 (1982) 201.
48.Kreher W, Ranachowski J and Rejmunb F, Ultrasonics, 14 (1977) 70.
49.Kreher W, Ranachowski J and Rejmund F, Ultrasonics; 15 (1977) 70.
50.Proudfoot E A, Advanced technology for Production of Aerospace Engines, AGARD Conference Proceedings, Paris, Nu.ber 64-70, pp 17.0-17.15.
51.Smith RE, J ApplPhys, 43 (1972) 2555.
52.Vary A and Bowles K J, Proceedings of the Eleventh Symposium on Nondestructive Evaluation, (1977) 242-258. American Society for Non destructive testing, Columbus, Ohio and Southwest Research Institute, San Antonio, Texas. Also NASATM X-73646.
53.ZurbrickJR, / TestEval, 1 (1973) 13.
54.Canella G, L’Erede A and Monti F, JNon Best TestInty 11 (1978) 185.
55.Vary A, J Test Eval, 4 (1976) 251-256 & Non-Destructive Evaluation Technique Guide, NASASP-3079, (1973).
56.Serabian S and Williams R S, Mat Eval, 36 (1978) 55.
57.Chowdari В V R. and Akhter S K, J Non-Cryst Solids, 116 (1990) 16.
58.Pradel A, Pagier T and Kriedl M, Solid State Ionics, 17 (1985) 147.
59.Lines M E and Glass A M, Principles and application of ferroelectrics and related materials, Clarendon press, Oxford (1979).
60.Grahlman H and Brackner R J Non-Cryst Solids, 13 (1974) 355.
61.Dimitrov Vand Dimitriev Y, J Non-Cryst Solids, 122 (1990) 133.
62.Wernicke R, Grain Boundary phenomena in electronics, ed. L H Lavirison, The American Ceramic Society Inc, Westerville, OH Vol. 1, (1981) p. 261.
63.Anita Pasricha, Neena C and Abhai Mansingh, Key Engg. Mater, 13-
15(1987)901.
64.Dentschuk P, НеШег A G, Palmer S B and Coply G J, J Mater Sci, 17 (1982) 31.
65.Shinkai N, Bradt R C and Rindone G E, J Am Ceram Soc, 65(2) (1982) 123.
66.El-Adawy Aand El-Mallawany R, J Mater Sci Lett, 15 (1996) 2065.
67.Ghosh U S, Bull Mater Sci, 18(1) (1995) 61.
68. Sudha Mahadevan, Giridhar A and Singh A K, J Non-Cryst Solids, 57 (1983) 423.
69.Rajendran V, El-Batal H A and Khalifa F A, 14th World Conference on Non Destructive Testing (14th WCNDT), New Delhi, India, December 8- 13 (1996).
70.Shaw R R and Uhlmann D R, J Non-Cryst. Sol. 5 237
71.Manghnani M H and Singh B K, Proc Xth Int cong On Glass, Kyoto, Nil, P104,1974
72.Rajendran V, Palanivelu N, Jeyakumar T, Palanichamy P, Baldev Raj, Modak D Kand Chaudhri B K, J Non-Cryst Sol, 296 (2001) 39.
73.DamodaranKV,SelvarajVandRaoKJ,M at.Res.Bull.,23(1988) 1151.
74.Kim K S, Bray P J and Merrin S, J Chem. Phys., 64 (1976) 4459.
75.Worrel C Aand HenshellT, J Non-Cryst Soüds, 29 (1978) 283.
76.Imaoka, M, Hasegawa H, Hamaguchi Y and Kurotaki, Y, Yogyo Kyokai Shri. 79 (1971) 164.
77.Bansal N P and Doremus R H, Handbook of Glass properties, Academic press, New-York, (1986).
78.Rajendran V, Palanivelu N, Modak D К and Chaudhri В К, phys stat soilids(a), 180 (2000) 467.
79.Rajendran V, Palanivelu N, Chaudhri В К and Goswami K, phys stat soilids(a), 191 (2002)445.
80.Rajendran V, Palanivelu N, Chaudhri В К and Goswami K, J Non-Cryst Sol, 320 (2003) 195.
81.Hunklinger S and Arnold W, Physical Acoustics principles and methods, Ed WP Mason & RN Thurston, VolXII (1976).
82.Strakna R.E. and Savage H T, J Appl Phys, 35 (1964) 1445.
83.Krause J T and Kurkjian C R, J Amer Ceram Soc, 51 (1968) 226.
84.Manghnami M H, Pressure and temperature studies ofglass properties related to vibrational spectra report HIG-74-11. University of Hawaii, Honolubu (1974).
85.Jackie J, Piche L, Arnold W and Hunklinger S, J Non-Cryst Sol, 20 (1976)
365.
86. Kurkjian C R, Krause J T and Sigety E A 1972, Proc Int Congr Glass, 9 (1971) P508.
87. Hunklinger S. and Piche L., Solid State Common, 17 (1975) 1189.
88. Filippini C E, Konaté K, Buder R, Marcus J and Schlenker C, Physica C, 153-155(1988) 1030.
89.Sayer M and Mansingh A, Phys Rev, B6 ( 1972) 4629.
90.Greaves G N, J Non-Cryst Solids, 11 (1973) 427.
91.Farley J М and Saunders G A, Phys Stat Solid(a), 28 (1975) 199.
92.Muthupari S, Lakshmi Raghavan S and Rao K J, Materials Science & Engg, B38 (1996) 237.
93.Pakade S V, Yawale S P and Gawande W, Acoustics Letters, 18 (1995) 212.
94.Rajendran V and El-Batal H A, Ind J Pure & Appl Phys, 35 (1997) 82.
95.El-MaUawany R, Phys Stat Solid(a), 130 (1992) 103.
96.Hunklinger S and Schickfus M V, Amorphous Solids, ed. by W A Philips (Springer-Verlag, Berlin, 1981) p81.
97.Pal A, Maiti A, Mukherjee S and Basu C, J Mater Sci, 15 (1996) 329.
98.Oilman J J, Prog In Ceram Sci, Pergamon Press, New-York, 1 (1961) 146.
99.Makishima A and Mackenzie J D, J Non-Cryst Sol, 12(1) (1973) 35.
100.Sandiitov D S and Tselypov Sh B, Sov J Glass Phys Chem, 4 (1978) 62.
101.Makishima A and Mackenzie J D, J Non-Cryst Sol, 17 (1975) 147.
102.Sidkey M A, Faltah, A M B, Latif L A B and Nakhla R I, J Pure & Appl Ultrason, 12 (1990) 93.
103.Bhatti S S and Singh A P, Acustica, 68 (1989) 181.
104.Rajendran V, Khalifa F A and El-Batal H A, Ind J Phys, 69A (1995) 237.
105. Singh A P, Singh K J and Bhatti S S, J Pure & Appl Ultrason, 12 (1990) 70.
106.Charles R J, Prog Ceram Sci, 1 (1961) 1.
107.Rajendran V, Khalifa F A and El-Batal H A, Egypt J Chem, 41 (1998) 329.
108.Bardeen J, Cooper L N and Schrieffer J R, Phys Review, 106 (1957) 162.
109.Fossheim K, Laegried T, Sandvoid E, Vasenden F, Mullar K A and Gbednorz J, Solid State Commns, 63 (1987)531.
110.Almond D P, Development in Acoustics and Ultrasonics, ed. M J W Povey and D J McClements, IPP, (1991) 183.
111.Hoire Y et al, J Phys. Soc Jpn, 58 (1989) 279.
112.Cankurttartan et al, Phy Rev, B39 (1988) 2872.
113.Sayers С M and Smith R L, Ultrasonics, 20 (1982) 201.
114.JayakumarT, Microstructural characterisation in Metallic Materials using Ultrasonic and Magnetic Methods, Ph.D. Thesis, University of Saarland, Saarbruecken, Germany, 1996.
115.Subba Rao G V, Varada Raju U V and Srinivasan R, Chemical and Structural aspects of high temperature superconductors, ed. Rao CNR, World Scientific, 42-50.
116.Chandra Sekhar M, Gopala Krishna B, ravinder Reddy R, Venugopal Reddy P and Suryanarayana S U, Supercond Sci Tech, 9 (1996) 29.
117.Ledbetter H, Ming Lei, Allen Hermann and Sheng Z, Physica C, 225 (1994) 397.
118.Tittmann B R, Proc 5th Inter Conf Industrial Friction and Ultrason Attenuation in Crystalline Solids, ed. Lenz and Lucke, (1975) 52.
119.Ewert S, Guo S, Lemmem P, Stellmach F, Wynants J, Arlt G, Bonnenberg D, Kliem H, Comberg A and Passing H, Solid State