трещиной упругих импульсов. Исходя из этого, используя связь величины об ласти локальной деформации с квадратом коэффициента интенсивности напря жений К, можно установить корреляцию между параметрами эмиссии и К- Дей ствительно, оказалось, что зависимость такого рода существует и имеет вид
at = 6,66 • 10-5 (К5 - К%), |
(X .18) |
где Ко — коэффициент интенсивности порогового нагружения, ниже которого растрескивания не происходит, т. е. критический коэффициент интенсивности. Масштаб акустической эмиссии может характеризоваться скоростью счета 2 X X 104 импульсов в минуту. Эксперимент показал, что во всех случаях разру шение происходит при акустической эмиссии в пределах —15% от предсказанной величины. Таким образом, непрерывный акустический эмиссионный контроль металлов, содержащих водородную трещину, позволит предсказать момент полного разрушения.
И . АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ Б К О М П О ЗИ ТН Ы Х
И НЕМ ЕТАЛЛИЧЕСКИХ М А Т Е РИ А Л А Х
Рейнхарт и Юнг [406] изучали обнаружение акустическими методами отно сительно ранних стадий зарождения трещины на композитных слоистых пласт массах. Они установили, что акустическую эмиссию в виде «щелчка» можно использовать для предсказания разрушения.
Известно несколько работ, в которых акустическая эмиссия применена для прогнозирования разрушения волокнистых композитов. Так, Герберих [407] исследовал возникновение звуковых импульсов при испытании алюминиевой матрицы с волокнами из нержавеющей стали. Рассматривалось распространение трещины, сопровождаемое излучением волн напряжений. Такую эмиссию вы являли в условиях коррозионной среды и растущих напряжений разрыва. Показано, что мощные сигналы возникают вследствие разрыва волокон при движении трещины и могут не только служить «сообщением» о разрушении, но и давать возможность определять полную нагрузку, при которой оно осуще ствляется. Более того, эмиссия позволяет точно установить местоположение разрушаемого волокна и продолжительность его разрыва. Сопоставление звуко вых сигналов при разрушении матрицы алюминия с волокнами бора и стали показало, что в первом случае величина этих сигналов на порядок выше.
Наблюдалась акустическая эмиссия и при разрыве волокон в процессе испы тания боро- и углеродоэпоксидных композитов [408]. Ратвелл и Эррингтон [409] использовали излучение звука для контроля отрыва поверхности волокна от матрицы. Деформирование осуществлялось сжатием композита вдоль волокна. Возникавшая при этом поперечная деформация приводила к разрыву композита по его межфазной границе. Акустические импульсы возникают при ослаблении сцепления и способны указать на критическую нагрузку при его нарушении. Более того, оказалось возможным сделать выводы не только о расслаивании ком позита, но и о кинетике этого процесса. Установлено, что отрыв начинается от края образца, где волокно выходит на поверхность. Исследования были про ведены на стеклянных и углеродных волокнах толщиной 10 мкм.
По мнению авторов работы [410], акустическая эмиссия имеет прямое отно шение к поверхностной энергии при разрушении бороэпоксидных композитов, а именно: предполагается, что потеря трещиной энергии в процессе разрушения связана с вытягиванием волокон и излучением волн напряжений. В частности, исследовали излучение звуковых импульсов в процессе изгиба композитных образцов без концентратора и содержащих треугольный вырез. Максимум аку стической эмиссии наблюдался при ударном нагружении. Испускание упругих волн мало при повторном приложении усилия С собственно трещиной связывают лишь достаточно мощные всплески излучения.
Излучение волн напряжений легко использовать для изучения растрескива ния керамических материалов под действием теплового удара и термической
усталости [411]. При этом можно контролировать не только зарождение, но и рост магистральных трещин. Акустические измерения проводили в диапазоне 600 кГц на керамических трубах из торий-иттриевых окислов и окиси алюминия. Первые используют на практике в качестве объекта, измеряющего количество кислорода в системах с жидким натрием. Обладая высоким коэффициентом теп лопередачи, жидкий натрий ведет к термоудару. Опыты показали, что каждый цикл нагрева в процессе соприкосновения с жидким натрием, а затем охлаждение в атмосфере гелия сопровождаются интенсивным излучением импульсов. При этом было установлено, что источником излучения каждый раз оказывались трещины. В случае окиси алюминия в керамическом стержне создавали про дольный термический градиент, методически вводят один конец стержня в печь при 1250° С, а противоположный погружая в стакан с водой. После этого обра зец удаляли из печи и охлаждали на воздухе. В результате в стержне появлялись трещины, что в свою очередь регистрировали по возникновению импульсов аку стической эмиссии. На этом основании Ромрелл и Баннелл [411] пришли к за ключению о безусловной целесообразности контроля разрушения керамических материалов методом акустической эмиссии. Это позволило бы легко заменять трубы еще до разрушения и тем самым исключать аварийные ситуации.
Ряд авторов [412] рассматривал сигналы растрескивания при погружении нагретых пластинок и цилиндров в холодное масло. При этом возможна реги страция в стекле трещин длиной примерно 1 мм при охлаждении в воде пла стины толщиной 2 мм от температуры 600° С. Акустические сигналы, реги стрирующие появление трещины, лежат в диапазоне до 200 кГц. Особенностью исследования была необходимость исключения шумов кипения жидкости. Уда лось получить от трещины сигналы, намного превышающие фоновые. В некото
рых случаях отдельные трещины регистрировались |
через 10— 15 мин после |
того, как создавалось впечатление об окончании процесса растрескивания. |
Акустическая эмиссия композитных материалов |
рассматривается также |
в обзоре [393]. |
|
12. ПРИМ ЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В ПРОМ Ы Ш ЛЕННОСТИ
Учитывая широкие возможности метода акустической эмиссии и прежде всего возможность характеризовать широкий круг параметров разрушения без нарушения сплошности тела, ясно, что практическое использование этого ме тода — вопрос лишь времени. Уже сейчас излучения волн применимы для контроля конструкций, которые в течение всего времени эксплуатации находятся под давлением, в частности мощных котлов, оболочек двигателей ракет, многих компонентов метательных снарядов и космических ракет, котлов ядерных реак торов [413]. При этом не только определяется сам факт возникновения трещины, но и предсказывается ее расположение, а также момент наступления лавинного разрушения при напряжениях, на 70% более низких, чем критические. Свое временное обнаружение трещины позволяет приостановить эксплуатацию и про вести контрольные измерения и ремонт.
Одна из важнейших областей применения акустической эмиссии — контроль ядерных реакций. Дело в том, что радиоактивное ядро в американских реакто рах помещают в стальной сосуд толщиной примерно 3 м под давлением. Исполь зуемые конструкционные материалы могут противостоять воздействию радио активности, высоких давлений и температур, а также коррозии в течение не скольких лет. Основная проблема [4 1 4 ]— охрупчивание стали под действием облучения нейтронами. Возникающая при этом трещина может дать неприятные последствия. В этих условиях именно акустическая эмиссия представляет мощ ный инструмент контроля материалов реактора и его компонентов. Одно из достоинств метода — его дистанционный характер, второе — возможность лоцирования с точностью до 2—3 см на площади поперечником 300 м. Этот же вопрос обсуждается в работе [414], где, в частности, указывается на удаленность контролирующего акустического устройства для выявления дефекта или роста
трещины (кроме собственно датчика) от ядериого |
реактора на 90 м. |
21 В. М. фннкель |
321 |
Один нз обстоятельных обзоров по использованию акустической эмиссии составлен Хаттоном и Ордом [415]. В обзоре приводятся следующие возможные области применения этого метода исследования в связи с проблемой разрушения:
а) непрерывный надзор за первичной границей давления ядерного реактора в целях обнаружения и определения местоположения активных трещин;
б) выявление зарождающихся усталостных разрушений в корпусе самолета; в) контроль сварных соединений в процессе остывания сварных швов; г) обнаружение проникновения микрометеоритов в космические приборы;
обнаружение появления трещин от коррозионных напряжений в структурах, подверженных коррозии;
е) исследование механизмов излома и поведения материалов.
В обзоре сообщается, кроме того, об использовании акустической эмиссии для обнаружения роста трещин в процессе гидростатического испытания корпу сов ракеты «Поларис», а также о разработке акустической эмиссионной кон трольно-измерительной аппаратуры для обнаружения и определения местополо жения растущей трещины при гидростатических испытаниях ядерного реактора. Отмечается при этом, что сигнал акустической эмиссии, по крайней мере в стали, возникает за очень короткий промежуток времени — менее 0,03 мкс.
Авторы работы [415] сообщают об использовании акустической эмиссионной аппаратуры для изучения разрывов трубопроводов реактора под давлением. Одной из функций контроля было определение момента начала роста трещины. Установлена значительная интенсивность акустической эмиссии задолго до обра зования видимой трещины.
Укажем также на работу [416], в которой приводятся данные об акустиче ской эмиссии железных, бетонных и железобетонных элементов корпуса реак тора в связи с влиянием радиации, температуры, времени и нагрузки.
13. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ Э Ф Ф Е К Т Ы , С О П РО В О Ж Д А Ю Щ И Е РА ЗРУ Ш Е Н И Е ДИ ЭЛЕКТРИ КО В
Наличие высоких полей между берегами трещины, доходящих до 107 В/см (по оценкам [198]), обусловливает ряд эффектов, сопутствующих разрушению. Релаксация зарядов вызывает люминесценцию, световые вспышки и электро
магнитное |
излучение [208, 417—419]. В |
работе [417] |
исследованы |
световые |
и электромагнитные импульсы |
совместно. |
Нагружение |
кристаллов L iF , |
NaCl, |
КС1, C sl, |
KI в вакууме 10-5 |
мм рт. ст. |
сопровождалось короткими |
(1 |
мкс) |
световыми вспышками и электромагнитными импульсами, возникающими одно временно. При этом соотношение амплитуд обоих сигналов было примерно по стоянным для различных образцов и разных режимов разрушения. Почти каж дая световая вспышка сопровождалась акустическими сигналами, регистрировав шимися пьезодатчиком. По мнению авторов, это свидетельствует о том, что высве чивание обусловлено разрушением.
Авторы работ [198, 417] следующим образом объясняют наблюдаемые явле ния. При разрушении берега трещины покрываются разноименными зарядами. Увеличение вскрытия в процессе роста трещины приводит к повышению раз ности потенциалов между ее берегами. По достижении пробивного напряжения происходит разряд, сопровождающийся электромагнитным излучением и све товой вспышкой.
Существование высоких полей в зазоре между берегами разрушающей тре щины способствует холодной эмиссии электронов. Впервые обнаружил эмиссию электронов при разрушении Крамер [420]. В дальнейшем многие авторы иссле довали экзоэлектронную эмиссию, возникающую при различных видах разру шения [421 ]. Испускание быстрых электронов при разрушении диэлектриков
и, в частности, ионных |
кристаллов описано в работах [209, 210]. |
Опыты проводили |
в |
вакууме |
10- 4— 10"5 |
мм рт. ст. Электроны регистри |
ровались на фотопленку, |
которую |
помещали |
в светонепроницаемую кассету. |
Их энергия составляла 15—40 кэВ, что соответствует ускоряющим напряжениям 104 В. Учитывая, что это напряжение приложено к зазору, образованному берегами вскрывающейся трещины, авторы работы [210] оценивают ст на вну тренней поверхности разъединяемых частей образца величиной— 10а CGSE''см2.
Механизм излучения электронов высоких энергий (до сотен кэВ) следую щий. Электроны вырываются с поверхности, несущей отрицательный заряд, под воздействием поля в зазоре, достигающего 107 В/см, т. е. вследствие разно видности автоэлектронной эмиссии. Вырванные электроны, разгоняясь тем же полем, могут вызвать вторичные процессы выбрасывания ионов.
Радиационной активностью, в частности, после эмиссии механоэлектронов объясняются особые свойства свежеобразованных поверхностей и их повышен ная химическая активность.
Электромагнитное излучение при разрушении диэлектриков. Образование, перемещение и релаксация зарядов в процессе скола должны приводить к излу чению электромагнитной энергии в окружающее пространство. Действительно,, известна работа [417], авторы которой^наблюдали электромагнитное излучение (ЭМИ) в виде коротких (порядка 1 мкс) импульсов, появляющихся синхронна со световой вспышкой. ЭМИ может нести ценную ииформецию о природе своего происхождения, об электрических процессах и состоянии вещества в областях, прилегающих к вершине трещины, ее берегам и т. д. Однако авторы [417] не ставили своей целью связать это явление с параметрами разрушения (например скоростью) или хотя бы с определенной фазой разрушения и развития трещины. В то же время совершенно очевидно, что медленная дислокационная трещина даже качественно сильно отличается от быстрой (и > 60 м/с для LiF), не гене рирующей дислокации.
В связи с этим представлялось целесообразным разработать методику реги страции и исследовать1 в широком диапазоне частот основные характеристики и особенности ЭМИ, сопровождающего разрушение диэлектриков (оценить возможность его использования в системах обнаружения быстрых трещин, а также оценить параметры возможных источников ЭМИ — плотность, подвиж ность зарядов и т. д.). В качестве образцов были выбраны монокристаллы LiF, так как в них легко получить быстрые трещины скола и, кроме того, их элек трические свойства сравнительно хорошо изучены.
ЭМИ регистрировалось датчиками двух типов, чувствительными к электри ческой и магнитной (Е и Н) компонентам и обеспечивающими подавление сигнала от другой компоненты не менее чем на 60 дБ. Первый датчик представлял собой электрод-антенну, второй — пояс Роговского, намотанный на ферритовое кольцо
с высокой магнитной проницаемостью (р, = 3000). |
Испытуемый образец разме |
ром 4,5X 2,5X 30 мм разрушался в установке для |
нагружения тарированным |
ударом. |
|
В некоторых опытах записывалась величина нагрузки с помощью пьезо датчика, установленного на раскалывающем ноже. Сигналы с обоих датчиков ЭМИ усиливались широкополосными усилителями и подавались на вход осцил лографа. Сигнал с пояса Роговского предварительно интегрировался. Осцил лограф запускался в момент удара падающего груза по бойку с ножом. Усили тели, установленные в обоих каналах, были построены по одинаковой схеме; их характеристики: коэффициент усиления 200; уровень шумов, приведенных ко входу, 1 мкВ; полоса пропускания (на уровне — 3 дБ) 500 кГц — 50 Гц; входное сопротивление 1 Гом; входная емкость 15 пф.
Высокое входное сопротивление усилителя, необходимое для реализации нижней частоты пропускания 100 Гц при работе с датчиком-антенной, достигнуто применением в первом каскаде полевого транзистора КГПОЗМ, включенного по схеме истокового повторителя. Собственно усилитель напряжения собран на высокочастотных транзисторах Г1308В по каскадной схеме и содержит две ступени усиления.
Приступая к опытам по обнаружению ЭМИ, необходимо было убедиться, что оно возникает синхронно с разрушением. С этой целью вместе с электрома гнитным сигналом записывалась и нагрузка на раскалывающем ноже. Предва рительно, используя одновременную кинорегистрацию процесса разрушения и запись нагрузки, удалось выяснить, что началу движения трещины соответ ствует резкий спад усилия на ноже. Таким образом была осуществлена времен-
1 Головин 10. И. Электромагнитные методы управления |
разрушением твер |
дых тел. Автореф. канд. дис., Воронеж, 1974. |
|
21* |
323 |
А.отн. ед |
|
|
|
_ J rгО*--------------------------------------- |
— |
|
|
|
1,00 |
чч° |
/ / ° п |
|
|
0,75 |
|
|
о |
0,50 |
|
о |
9 |
г |
о |
О __ |
|
|
о / / |
|
|
. |
|
|
|
0 ____ I____ I____ I____
0,30 0,35 0,40 0,45 а
йай привйзка сигнала ЭМИ к определенной фазе раз рушения. Из приведенных осциллограмм видно, что Н-компонента ЭМИ имеет низкочастотную (НЧ) несу щую гармоники с периодом порядка 50 мкс, на кото рую накладываются более высокочастотные (ВЧ) гар моники. По форме низкочастотная составляющая ана логична сигналу, наводимому в датчике при пролете через него заряженной частицы. Зная чувствитель ность канала (200 мкА на 1 деление) и скорость тре щины при заданной нагрузке (200 м/с), легко оценить заряд, переносимый трещиной через датчик:
Рис, |
132. Зависимость |
|
121 |
|
|
|
|
|
|
(X. 19) |
интенсивности Я-компо- |
|
|
102 CGSE, |
|
|
|
|
|
ненты |
излучения от не |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
симметричности раскола |
где |
I = 2 Ом — зона чувствительности |
датчика. |
|
|
|
|
|
Опытами было |
установлено, |
что основным факто |
|
|
ром, влияющим на величину сигнала, является несим |
|
|
метричность раскола образца. Этот |
выход хорошо со |
|
|
гласуется |
с результатами |
работы |
[194], в |
которой |
|
|
показано, |
что остаточный |
заряд |
на |
полостях |
разру |
|
|
шающей трещины LiF тем больше, чем тоньше отка |
|
|
лываемая |
часть по отношению ко всему |
образцу. |
|
|
|
На рис. 132 показана зависимость интенсивности |
|
|
излучения |
А в функции параметра |
а = |
|
t2), |
|
|
где |
tx — ширина |
меньшей |
откалываемой |
части, |
|
|
(*i Н" t2) — ширина всего образца (величина А |
оцени |
Рнс. 133. Спектр Я-ком* |
валась по |
максимальному |
размеру |
колебаний |
на ос |
поненты сигнала ЭМИ |
циллограмме). Интенсивность |
излучения |
оценивалась |
|
|
по |
максимальной |
амплитуде |
сигнала. |
|
|
При большей скорости развертки удается рассмотреть форму высокочастот ных составляющих ЭМИ. Пилообразный характер сигнала отражает процесс, напоминающий работу релаксационного генертора с зарядом емкости через сопротивление и разрядом накоротко. По периодичности высокочастотных гар моник (порядка 5 мкс) с учетом средней скорости разрушения 200 м/с можно оценить размеры областей, между которыми происходят разряды % VT = = 10'1 см. Они совпадают со средним размером блоков электрической мозаики на поверхности скола, полученным в работе [2031. Спектр сигнала ЭМИ, найден ный разложением его в ряд Фурье, чрезвычайно широк и простирается, по край ней мере, до верхней частоты пропускания тракта (рис. 133). Следует отметить, что амплитуда высокочастотных гармоник сигнала одного порядка с амплитудой, несущей гармоники при 50-кратной разнице в периодах. Следовательно, вели чина заряда генерирующих ВЧ гармоник во столько же раз меньше суммарного, пролетающего через датчик, и составляет порядка 10CGSE ед. заряда. Считая, что разряд происходит между блоками электрической мозаики со средними раз
мерами 10'1 см, можно оценить плотность поверхностного заряда в блоке вели чиной порядка 10® CGSE/CM2.
Е-компонента электромагнитного излучения. Общим характерным призна ком сигнала является наличие на осциллограмме пика отрицательной поляр ности (в 2—3% случаев первый пик имел положительную полярность), передний фронт которого составляет несколько десятых долей миллисекунды. Очевидно, пик связан со стадией формирования и разделения зарядов трещиной; форма заднего фронта этого пика более сложна и отвечает разнообразным релакса ционным процессам. Как правило, через 2—3 мс после первого наблюдался
второй, более |
пологий выброс |
той же |
полярности. Примерно в одном случае |
из 10 отмечена |
инверсия знака |
второго |
выброса, т. е. он был положительным. |
Наличие второго выброса можно объяснить следующим образом. В процессе разрушения и последующего развала разноименно заряженных половинок образца вместе с зазором должна возрастать и разность потенциалов между ними (при условии сохранения неизменной плотности зарядов на берегах трещины).
Однако конкурирующий процесс релаксации зарядов, очевидно, уменьшит эту разность. Преобладание этого или какого-либо другого процесса, по-видимому, и определяет величину и форму второго пика, поскольку потенциал в точке измерения будет при этом меняться сложным образом в соответствии с форму лой]; [422] для двойного электрического слоя:
(Х.20)
где ср — потенциал в точке измерения; а — плотность зарядов двойного слоя; I — расстояние между берегами трещины; dQ — телесный угол, под которым заряды двойного слоя, размещенные на плоскостях скола площадью 5 , видны
из точки |
измерения. |
|
|
|
|
Оценка величины о по этой формуле и полученным осциллограммам дает |
значение |
10*— 103 CGSE ед/см2, что согласуется по порядку величины со значе |
нием о, определенным |
аналитически |
в п |
1 гл. VI и |
по осциллограммам Н- |
компоненты ЭМИ. |
|
|
|
|
Были |
проведены |
эксперименты |
по |
обнаружению |
ЭМИ при ударе по об |
разцу в той же установке, но без разрушения. При одинаковой ударной нагрузке в случае разрушения образца амплитуда сигнала, по крайней мере, на порядок больше, чем при ударе, без разрушения. Наличие сигнала в последнем случае объясняется, по-видимому, образованием зоны дробления под ножом и эффек том Степанова (возникновение потенциала на поверхностях кристалла при не однородной деформации). Фронт сигнала, имеющего единственный пик, более
|
|
|
|
|
|
|
|
полог, а в некоторых случаях |
имеет ступенчатую форму, связанную, по-види- |
мому, со |
скольжением |
по |
новым плоскостям. |
хотя |
Завал |
вершины импульса в отсутствие разрушения обусловлен конечным, |
и большим, |
входным сопротивлением усилителя (при входной емкости |
усилителя |
с |
антенной |
20 |
пФ |
и входным сопротивлением 109 Ом постоян |
ная |
времени |
спада |
потенциала |
на антенне т = 20 мс). Постоянная времени |
релаксации в отсутствие разрушения намного больше 20 мс. Во всяком случае, экспоненциальный характер спада уровня сигнала с т = 20 мс не искажается существенно какими-либо другими процессами. Другими словами, при беско нечном входном сопротивлении усилителя сигнал имел бы плоскую вершину.
Таким образом, с трещиной скола, движущейся в LiF, связан значителный электрический заряд. По берегам трещины он распределен в виде знакопере менной мозаики с плотностью заряда в блоке '-Л 03 CGSE/см2. С вершиной тре щины перемещается локальный заряд величиной — Ю2 CGSE.
Электромагнитное излучение, сопровождающее разрушение, нуждается
вдальнейшем исследовании, однако уже сейчас вполне достаточная амплитуда
яширокий спектр сигнала позволяют использовать его для обнаружения дви жущейся в диэлектрике трещины.
Г л а в а XI
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРАЕКТОРИЕЙ РА ЗРУ Ш ЕН И Я И ТОРМОЖ ЕНИЕМ ТРЕЩ ИН
Как было показано выше, взаимодействие волн напряжений с материалом происходит по двум направлениям. Во-первых, волны напряжений способны создавать микротрещины, особенно в усло виях распространения системы пересекающихся колебаний, и приводить к полному разрушению твердого тела; во-вторых, эти волны могут дифрагировать на уже существующей трещине, в результате чего возникает концентрация напряжений в окрестно стях разреза и его вершине. Создание микротрещин—явление, очевидно, негативное, концентрация же напряжений может быть как положительным, так и отрицательным фактором.
Возникает вопрос, нельзя ли, используя сложные дифракцион ные процессы, повлиять на быструю трещину и либо приостано вить ее движение, либо направить по неопасной траектории. Если такая возможность окажется реальной, то это позволит продлить жизнь множеству конструкций, особенно таких, разру шение которых наступает за столь короткие промежутки времени, что визуальный контроль и оперативное инструментальное вме шательство сегодня практически недостижимы.
1. УПРАВЛЕНИЕ ТРЕЩИНОЙ ПРОДОЛЬНЫ М И,
ПОПЕРЕЧНЫМИ И РЕЛЕЕВСКИМ И УПРУГИМИ ИМ ПУЛЬСАМ И
Первые работы в этом направлении, позволяющие изучить умеренное воздействие волн и импульсов на трещину, выполнены Вальнером [1]. Эти исследования носили чисто методический характер и по-существу преследовали цель создания простого метода определения режимов распространения трещины. Поэтому упругие импульсы, воздействовавшие на трещину, безотноси тельно к тому, вводились они извне или возникали вследствие собственно процесса разрушения, были маломощны. Они слабо изменяли траекторию распространения трещины, что было вполне достаточно для определения ее скорости, но не давали возмож ности обеспечить заметное изменение направления разрушения.
Серьезные исследования волн напряжений как средства управ ления быстрой трещиной связаны с именем Керкхофа [249 J. Он отмечает, что в отличие от ультразвуковых и, в частности, вальнеровских (т. е., по-видимому, стоунлевских. — Курсив наш В. Ф.) волн единичные импульсы позволяют установить связь между поведением трещины и фазой упругого воздействия. Экспери менты, выполненные с импульсами, созданными взрывом капсюлядетонатора, показали, что продольные и поперечные упругие
импульсы способны менять траекторию трещины. Было исследо вано также отклонение трещины импульсами, генерированными взрывающимися проволочками. Керкхоф, по-видимому, был пер вым, кто применил обратную связь между трещиной и генератором упругого импульса. В установку, использованную им, входили следующие элементы. Монотонно нарастающая внешняя сила растягивала стеклянную пластину. При некоторых значениях напряжения в вершине заранее созданного надреза возникает трещина, распространяющаяся затем нормально к направлению приложенного усилия. При своем движении трещина разрывает напыленную на образец контактную полоску, в результате чего возникает импульс запуска. Посредством линии задержки спустя несколько микросекунд срабатывает пусковое устройство и про исходит взрыв капсюля-детонатора или проволочки. По проше ствии еще 10—30 мкс второе пусковое устройство включает искро вой разряд, позволяющий зафиксировать весь процесс в поля ризационно-оптической установке. Длительность разряда, опре делявшая экспозицию съемки, составляла 2-10"7с.
В опытах с капсюлем-детонатором продолжительность импульса составляла 10 мкс. Исходным был импульс сжатия, содержавший также и поперечную компоненту. В процессе отражения от гра ницы возникал и импульс растяжения. Комплексное воздействие упругого сигнала такого рода на трещину приводило к сложному се движению, сопровождавшемуся изменением траектории, ско рости распространения, ветвлением.
Для сокращения длительности упругого импульса Керкхоф применил взрывающиеся проволочки. Их испарение происходило в течение десятых долей микросекунды. В основном в этом случае возникали волны сжатия, генерировавшие при отражении от поверхности импульсы, имевшие природу сдвига. Обмен энергией между импульсами возникал при каждом последующем отражении от грани тела. В этом случае также показаны широкие возмож
ности в изменении |
траектории быстрой трещины. |
Управление трещиной с помощью продольных упругих волн |
-сжатия и |
релеевских воли |
изучали также |
В. М. Финкель и |
И. С. Гузь* |
1257]. |
Трещину |
инициировали |
в предварительно |
растянутом образце взрывом микрозаряда. Для управления про цессом использовали кинокамеру СФР-1. Ее высоковольтный импульс взрывал инициирующий заряд тена и систему освещения,
.а также посредством линии задержки спустя 300 мкс производил взрыв заряда для возбуждения релеевского импульса или взрыв проволочки для образования продольной волны.
В целом эксперимент можно охарактеризовать следующим образом. Скорость распространения трещины в плексиглазовых образцах достигала 300—400 м/с. К моменту, когда длина трещины
1 Гузь Я. С. Экспериментальное исследование взаимодействия упругих волн с трещиной. Автореф. канд. дис. Новокузнецк, 1970.
составляла 30—50 мм. и вершина входила в область киносъемки, повторным взрывом микрозаряда в образец вводилась продольная или релеевская волна 1257]. По достижении волнами напряжений фронта трещины скорость ее распространения резко возрастала (ускорение при этом составляло 2*108 см/с2) и достигала 700— 800 м/с. Поле напряжений становилось асимметричным. Каче ственно этот процесс аналогичен тому, который наблюдается при взаимодействии волны напряжений со статической трещиной. Это и понятно— ведь скорость упругих волн значительно превы шает скорость движения трещины.. Спустя 4—5,мкс после того, как волна настигала трещину и выходила на ее вершину, направо ление распространения разрушения изменялось на 45—60°.
При воздействии волн напряжений на магистральную быструю трещину иногда наблюдался процесс .ветвления, при котором нередко возникало несколько трещин. В этих случаях скорость распространения трещин резко уменьшалась, а в некоторых опытах трещины останавливались, Представляется, что процесс ветвления можно очень эффективно .использовать для торможения трещины. Ранее на основании обнаруженного в работе [441, 4421 снижения скорости распространения трещины после акта бифур кации возможность использования насильственного ветвления для прерывания разрушения была предсказана в-работе [1].
Таким образом, с помощью упругих импульсов можно управ лять движением трещин и, в частности, вызывать их полное тор можение. Этот вывод основан на том, что под действием волны напряжений происходит значительные изменения поля напря жений в вершине трещины, которое приобретает асимметричный характер, а скорости волн напряжений бесспорно больше ско ростей распространения трещин. По этой причине волны напря жений быстро настигают трещину и затем неоднократно взаимо действуют с ней, отражаясь от поверхности образца.
2 . АВТОМ АТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРЕЩИНОЙ С ПОМ ОЩ ЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ЛОГИЧЕСКОГО. УСТРОЙСТВА
Обратная связь между трещиной и тормозным или просто управляющим взрывом, описанная в предыдущем параграфе, осуществлялась простейшей электронной системой, срабатывав шей каждый раз, когда детектор (проволочка) разрывалась тре щиной или спустя заранее заданное время после этого. Между тем такой подход технически неприемлем, так как для реального образца не известны ни скорость трещины, ни ее трасса. Если к тому же для повышения эффективности торможения импульсную нагрузку следует прикладывать вполне определенным образом и прежде всего к вершине трещины, а не к ее уже вскрывшимся полостям, то ясно, что совершенно необходима прицельность поражения трещины во времени и в пространстве, что при исполь зовании рассмотренных выше способов невозможно.
Как правило, трещина появляется внезапно в каком-то месте конструкции и за десятки—сотни микросекунд окончательно разрушает ее, поэтому понятно, что самым важным звеном в системе динамического управления разрушением должно быть специальное электронное быстродействующее устройство, которое, получая сигнал от датчиков, сигнализирующих о начале разру шения, оценивает скорость движения трещины, ее направление и за промежутки времени, исчисляемые микросекундами, подает сигнал на срабатывание одного из тормозных барьеров, распо ложенных в непосредственной близости к вершине движущейся трещины (рис. 134).
Принцип работы электронного логического устройства, соз данного в работе [423 J, основан на сравнении реальной скорости трещины с максимальной вероятной ее скоростью для материала данного вида, определяемой экспериментально. Скорости сопо ставляются на начальном этапе движения трещины между двумя фиксированными датчиками, установленными на образце. Для увеличения точности это расстояние дополнительно разбивают еще на несколько интервалов, так как разрешающая способность задается числом ступеней блок-схемы.
Устройство на п ступеней (рис. 135) работает следующим образом. Движу щаяся трещина разрывает первый датчик. При этом подается сигнал на запуск формирователя импульса задержки (ФИЗ). Длительность импульса определяется емкостью конденсатора С9 и сопротивлением R3i и равна минимальному вре мени прохождения трещиной расстояния между первым и последним датчиками при максимальной возможной скорости разрушения данного материала.
Предлагаемая схема имеет один выход, поэтому в устройстве предусмотрены линии задержки, собранные на полупроводниковых приборах ГТ-308. Тогда момент срабатывания устройства определяется скоростью движения трещины и длительностью импульса задержки. Продолжительности задержек увеличи ваются от п-иой ступени к первой. Если трещина распространяется с максималь ной скоростью, то за время т с р .н .з все датчики будут порваны, и устройство включит тормозной барьер с минимальной задержкой тт1п, запретив срабаты вание всех промежуточных ступеней. Запрет поступает на предыдущие ступени
