Неразрушающие методы контроля материалов. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Физико-механическийинститут
Высшаяшколамеханикиипроцессовуправления
В. А. Челноков А. В. Степанов С. А. Филиппов
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2023
ББК34.2я73 Ч38
Р е ц е н з е н т ы:
Кандидат технических наук, доцент Высшей школы физики и технологии материалов СПбПУ О. Г. Зотов
Доктор технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии изделий СПГУ К. Ю. Шахназаров
А в т о р ы:
В. А. Челноков , А. В. Степанов, С. А. Филиппов
Челноков В. А.Неразрушающие методы контроля материалов: учеб. пособие /
В. А. Челноков, А. В. Степанов, С. А. Филиппов. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023.–99с.
Соответствует содержанию основной образовательной программы 15.04.03_06 «Физика прочности и пластичности материалов» по направлению подготовки магистров 15.04.03 «Прикладная механика».
Учебное пособие посвящено изучению свойств конструкционных материалов с помощью неразрушающих методов исследования материалов. В пособие включены работы по определению упругих свойств металлов, основанные на методах ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии, атакжеработыпоопределениюмагнитныххарактеристикферромагнетиков, параметров внутреннего трения в металлах.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 15.04.03 «Прикладная механика».
Табл. 2. Ил. 39. Библиогр.: 14 назв.
Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
|
© |
|
, Степанов А. В., |
|
Челноков В. А. |
||
|
|
Филиппов С. А., 2023 |
|
ISBN 978-5-7422-8452-9 |
© Санкт-Петербургский политехнический |
||
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-713 |
|
университет Петра Великого, 2023 |
|
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
InstituteofPhysicsandMechanics
GraduateSchoolofMechanicsandControlProcesses
V. A. Chelnokov A. V. Stepanov S. A. Filippov
NON-DESTRUCTIVE METHODS OF MATERIAL CONTROL
Training manual
Saint-Petersburg
2023
R e v i e w e r s:
Candidate (PhD) of Engineering, associate professor at the Graduate School
of Physics and Materials Technology of SPbPU O. G. Zotov
Doctor of Engineering, associate professor at the Department of Materials Science
and Technology of Products of SPMU K. Yu. Shakhnazarov
A u t h o r s:
V. A. Chelnokov , A. V. Stepanov, S. A. Filippov
Chelnokov V. A. Non-destructive methods of material control : training manual / V.A.Chelnokov,A.V.Stepanov,S.A.Filippov.–St.Petersburg.:POLYTECH-PRESS, 2023.–99p.
The training manual corresponds to the content of the main educational program 15.04.03_06 “Physics of Strength and Plasticity of Materials” in the Master’s degree major 15.04.03 “Applied Mechanics”.
The training manual is devoted to the study of properties of structural materials using non-destructive methods of materials research. The manual includes tasks on determining the elastic properties of metals, based on the methods of ultrasonic defectoscopyandthicknessmeasurement,aswellastasksondeterminingthemagnetic characteristics of ferromagnetic materials, parameters of internal friction in metals.
It is intended for students studying in the major 15.04.03 “Applied Mechanics”.
Tables: 2. Figures: 39. References: 14 titles.
Printed by the Publishing Council
of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council..
|
© |
Chelnokov V. A. |
, Stepanov A. V., |
|
Filippov S. A., 2023 |
||
ISBN 978-5-7422-8452-9 |
© Peter the Great St. Petersburg |
||
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-713 |
Polytechnic University, 2023 |
||
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. |
Определение амплитудной зависимости внутреннего трения.................. |
7 |
|
1.1. Измерение амплитудной зависимости внутреннего трения........ |
14 |
|
1.2. Порядок проведения измерений................................................... |
16 |
|
1.3. Требования к оформлению отчета................................................ |
17 |
2. |
Определение температурной зависимости внутреннего трения ............. |
18 |
3. |
Исследование температурных зависимостей упругих свойств |
|
|
металлов............................................................................................... |
28 |
|
3.1. Краткие сведения об упругих свойствах поликристаллов .......... |
28 |
|
3.2. Измерение модулей упругости..................................................... |
33 |
|
3.3. Расчет модуля упругости .............................................................. |
35 |
|
3.4. Порядок проведения измерений ................................................. |
37 |
4. |
Измерение модулей упругости ультразвуковым методом....................... |
39 |
|
4.1. Ультразвуковой метод измерения упругих свойств ..................... |
39 |
|
4.2. Требования к образцам ................................................................ |
46 |
|
4.3. Материалы, применяемые для акустического контакта............. |
46 |
|
4.4. Порядок проведения измерений ................................................. |
48 |
5. |
Ультразвуковая толщинометрия ........................................................... |
50 |
|
5.1. Описание методов применения акустических толщиномеров... |
50 |
|
5.2. Порядок проведения измерений ................................................. |
58 |
|
5.3. Требования к оформлению отчета .............................................. |
61 |
6. |
Ультразвуковая дефектоскопия ............................................................ |
62 |
|
6.1. Описание работы Olympus OmniScan .......................................... |
62 |
|
6.2. Построение карты дефектов стальной плиты при помощи |
|
|
наклонного ультразвукового датчика .......................................... |
70 |
|
6.3. Построение карты дефектов стальной плиты при помощи |
|
|
прямого УЗ-датчика ..................................................................... |
73 |
|
6.4. Построение карты дефектов стальной плиты при помощи |
|
|
УЗ-датчика на фазированных решетках ..................................... |
76 |
7. |
Определение магнитных характеристик ферромагнетиков |
|
|
баллистическим методом...................................................................... |
82 |
|
7.1. Основные магнитные характеристики......................................... |
82 |
7.2. Измерение коммутационной кривой намагничивания |
|
на баллистической установке....................................................... |
87 |
7.3. Порядок проведения измерений ................................................. |
90 |
7.4. Измерение петли гистерезиса ...................................................... |
92 |
Библиографический список................................................................... |
95 |
Приложение ............................................................................................ |
96 |
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМПЛИТУДНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ
Колебания твердых тел даже при отсутствии внешнего трения довольнобыстрозатухают,аэнергияупругихколебанийрассеивается,превращаясьвтепло.Этуспособностьтвердыхтелназывают внутренним трением.
Мерой внутреннего трения может являться логарифмический декремент колебаний:
δ = ln |
An |
. |
(1.1) |
|
|||
|
A |
|
|
|
n+1 |
|
|
Зависимость внутреннего трения твердых тел от амплитуды колебаний α имеет сложный характер (рис. 1.1). Принято различать амплитудно-зависимое (δ2) и амплитудно-независимое (δ1) внутреннеетрение.Физическиамплитудно-зависимоевнутреннее трение (АЗВТ) вызывается движением дислокаций под действием приложенного напряжения σ.
В настоящее время предложено большое количество дислокационных моделей, позволяющих объяснить особенности ам- плитудно-зависимого внутреннего трения. Например, широко известна модель Келера–Гранато–Люкке, представляющая АЗВТ
δ
δ1
δ2
α
Рис. 1.1. Логарифмический декремент колебаний
7
а
σ
ε
а
Рис. 1.2. Движение дислокаций
как потери, связанные с гистерезисным движением дислокаций под действием циклического внешнего напряжения. Схема представлена на рис. 1.2.
Дислокациижесткозакрепленывузловыхточкаха дислокационной сетки. Кроме того, на дислокации имеются менее прочные препятствия, образованные примесными атомами, от которых дислокацияможетотрываться.Отрывпроисходитлавинообразно, приэтомдислокацияполностьюосвобождаетсяотпримесныхзакреплений.Приуменьшениинапряжениядислокацияподдействием линейного натяжения возвращается обратно и, проходя через примеси,вновьнанихзастревает.Петлямеханическогогистерезиса при этом для одной дислокации имеет форму бабочки.
Декрементколебанийвычисляетсяизизвестногосоотношения
δ = |
∆W |
, |
(1.2) |
|
2W |
||||
|
|
|
где W – потери за цикл; W – полная энергия упругих колебаний образца.
Потери W представляют собой площадь петли механического гистерезиса из рис. 1.2.
В модели Келера–Гранато–Люкке принимается, что расстояние между примесями вдоль дислокационной линии много больше параметра решетки, что соответствует состоянию сверхчистых
8
металлов. Поэтому применение струнной модели Келера–Грана- то–Люккедляанализаамплитудно-зависимоговнутреннеготрения сплавов и технически чистых металлов нецелесообразно.
Вполикристаллическихматериалах,которымиявляютсяпрактически все конструкционные материалы, при колебаниях с амплитудами,соответствующимиобластиамплитуднойзависимости декремента, наблюдается целый ряд особенностей.
Вотожженномсостояниидислокациизакрепленыпримесными атмосферами,прималыхамплитудахколебанийонинеподвижны.
Сувеличениемамплитудыколебанийвотдельныхточкахповерхности образца,какправило,вблизиграницзерениихтройныхстыков начинается образование подвижных дислокаций. Именно в областяхсвысокойплотностьюподвижныхдислокаций,совершающих коллективныеперемещениянарасстояния,составляющиемногие параметры решетки, и происходит рассеяние энергии. В некоторых случаях наблюдается даже образование фрагментированной структурысубзернами,развернутыминанесколькоугловыхминут междусобой.Помереувеличенияамплитудыколебанийрастеткак число,такиобъемрассеивающихобластейсвысокойплотностью подвижных дислокаций.
Перечисленныеособенностидислокационныхпроцессовмогут быть учтены лишь в статистической модели амплитудно-зависи- мого внутреннего трения.
Внастоящее время нет достоверных сведений о взаимодействии большой совокупности дислокаций с примесями и иными возможнымибарьерамидлядвиженияприциклическомперемещении. Поэтому движение дислокаций приходится формально
описыватьопределеннойсилойтренияτf ,котораяпреодолевается под действием внешнего напряжения. Смещение дислокации, ограниченной совместным влиянием силы трения и линейным
натяжением, будет пропорционально τ – τf . Потери за цикл при этом составят (рис. 1.3):
∆W =4A(τ−τf )τf , |
(1.3) |
где A – некоторый коэффициент пропорциональности.
9
τВ реальном материале име-
τf
γ
Рис. 1.3. Петля механического гистерезиса
ется целый набор дислокаций с различнымизначениямиτf .Если ввести для них функцию распределения по напряжению h(y), то для потерь в материале за цикл колебанийполучаетсявыражение
τ
∆W =4A∫y(τ− y)h(y)dy. (1.4)
0
Отсюдавыражениедлядекремента колебаний обретает вид
|
2A |
τ |
|
δ = |
∫y(τ− y)h(y)dy. |
(1.5) |
|
|
W |
0 |
|
Из экспериментальных данных для декремента можно определить h(τ) материала. Данная зависимость может быть получена двукратным дифференцированием экспериментальной амплитудной зависимости. Однако экспериментальные данные обычно имеютразброс,непозволяющийполучитьдостаточнодостоверных сведений о виде функции h(τ).
Более подходящим для экспериментального определения становится другой способ измерения параметров дислокационного движения. Из многочисленных экспериментальных наблюдений об особенностях развития микродеформации при однонаправленном нагружении следует, что локальная микродеформация в подавляющембольшинствеслучаевописываетсянормальнымраспределением. Если принять, что и при циклическом нагружении эти особенности сохраняются, то
|
N |
|
|
(τ−τ0 )2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h(y)= B |
|
|
exp |
− |
2B2 |
, |
(1.6) |
|||
2π |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гдеТ0 –среднеезначениедислокационноготрения;В–среднеква- дратическое отклонение микродеформации; N – коэффициент, пропорциональный числу подвижных дислокаций.
10