Помощь студентам в учебе
Применение оптико-акустической методики для исследования изменения упругих характеристик конструкционных материалов
|
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1 Основы оптико-акустической методики исследования свойств материалов 6
1.2 Изменение коэффициента поперечных деформаций при механических испытаниях 8
1.3 Работы по исследованию упругих характеристик материалов и изменения коэффициента поперечных деформаций 10
Глава 2. Цели исследования 13
Глава 3. Применение оптико-акустической методики для измерения упругих характеристик конструкционных материалов в процессе механических испытаний 14
3.1. Методика измерения упругих характеристик материалов оптико-акустическим методом в ходе механических испытаний 14
3.2. Экспериментальное исследование изменений упругих характеристик конструкционных
материалов в опытах на простое растяжение с использованием оптико-акустического метода 19
3.3. Экспериментальное исследование изменения упругих характеристик образцов капролона в серии испытаний на растяжение и ползучесть с использованием оптико-акустического метода 25
Выводы 28
Глава 4. Энергетический баланс в процессе механических испытаний 30
4.1. Расчет энергетического баланса конструкционных материалов при механических испытаниях на растяжение 30
Выводы 36
Заключение 38
Список использованной литературы 41
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1 Основы оптико-акустической методики исследования свойств материалов 6
1.2 Изменение коэффициента поперечных деформаций при механических испытаниях 8
1.3 Работы по исследованию упругих характеристик материалов и изменения коэффициента поперечных деформаций 10
Глава 2. Цели исследования 13
Глава 3. Применение оптико-акустической методики для измерения упругих характеристик конструкционных материалов в процессе механических испытаний 14
3.1. Методика измерения упругих характеристик материалов оптико-акустическим методом в ходе механических испытаний 14
3.2. Экспериментальное исследование изменений упругих характеристик конструкционных
материалов в опытах на простое растяжение с использованием оптико-акустического метода 19
3.3. Экспериментальное исследование изменения упругих характеристик образцов капролона в серии испытаний на растяжение и ползучесть с использованием оптико-акустического метода 25
Выводы 28
Глава 4. Энергетический баланс в процессе механических испытаний 30
4.1. Расчет энергетического баланса конструкционных материалов при механических испытаниях на растяжение 30
Выводы 36
Заключение 38
Список использованной литературы 41
В настоящее время всё больше и больше в различные сферы инфраструктуры внедряются полимерные и композиционные материалы на их основе, такие как оргстекло, капролон, углепластик и прочее. Они, в отличие от металлов, обладают большей лёгкостью, коррозийной прочностью и меньшей плотностью. Исследования эволюции упругих характеристик в полимерных конструкционных материалах являются важной задачей материаловедения, позволяющей повысить безопасность производственных объектов, установить наличие критических дефектов и устранять браки на начальных стадиях производства.
Диаграмма растяжения, построенная по деформации образца, характеризует поведение материала при деформировании. Она даёт возможность проводить анализ неупругих явлений в твёрдом теле по продольным деформациям. Однако такого же рода анализ можно провести по записям поперечных деформаций. На изменение величины поперечных деформаций в большей степени сказывается состояние деформируемого тела. Следовательно, закономерности изменения поперечных деформаций дают более полную информацию о неупругих явлениях [1]. Механические свойства материалов позволяют оценить остаточный ресурс детали. Поэтому разработка оперативных неразрушающих методов контроля имеет особое значение.
В данной работе рассмотрено применение оптико-акустического метода для оценки напряжённо-деформированного состояния и структурных преобразований на некоторых материалах (в основном полимерные и композиционные материалы). В частности, исследуются изменения коэффициента поперечных деформаций, скоростей продольных и поперечных волн.
Проведены экспериментальные исследования эволюции упругих характеристик образцов из меди, углепластика, оргстекла, капролона и эпоксидной смолы в опытах на растяжение и ползучесть.
Также в работе исследован энергетический баланс в ходе испытаний на растяжение образцов из капролона с учетом разделения работы внешних сил по деформации тела на энергию изменения объема и энергию сдвиговых деформаций.
Диаграмма растяжения, построенная по деформации образца, характеризует поведение материала при деформировании. Она даёт возможность проводить анализ неупругих явлений в твёрдом теле по продольным деформациям. Однако такого же рода анализ можно провести по записям поперечных деформаций. На изменение величины поперечных деформаций в большей степени сказывается состояние деформируемого тела. Следовательно, закономерности изменения поперечных деформаций дают более полную информацию о неупругих явлениях [1]. Механические свойства материалов позволяют оценить остаточный ресурс детали. Поэтому разработка оперативных неразрушающих методов контроля имеет особое значение.
В данной работе рассмотрено применение оптико-акустического метода для оценки напряжённо-деформированного состояния и структурных преобразований на некоторых материалах (в основном полимерные и композиционные материалы). В частности, исследуются изменения коэффициента поперечных деформаций, скоростей продольных и поперечных волн.
Проведены экспериментальные исследования эволюции упругих характеристик образцов из меди, углепластика, оргстекла, капролона и эпоксидной смолы в опытах на растяжение и ползучесть.
Также в работе исследован энергетический баланс в ходе испытаний на растяжение образцов из капролона с учетом разделения работы внешних сил по деформации тела на энергию изменения объема и энергию сдвиговых деформаций.
В данной работе были получены следующие результаты:
• Проведён обзор литературы по исследованию закономерностей изменения коэффициента поперечных деформаций и применению ОА метода в диагностике материалов.
• Исследование упругих характеристик в образцах проводилось на основе ОА метода, который основывается на возбуждении акустических импульсов путём лазерного воздействия на поверхность образца. С обратной стороны образца находится датчик, вырезанный из пьезокерамики, направление поляризации которой составляет 4 5 о, что позволяет регистрировать как продольные так и поперечные акустические волны одновременно. Основное преимущество такого подхода заключается в возможности проведения измерений ОА методом прямо во время испытаний.
• При использовании ОА метода зондирование образца происходит короткими акустическими импульсами, возбуждаемыми лазерным импульсом с длительностью порядка 10-8 с. При этом величины деформаций в упругом импульсе, возбуждаемом в данной методике, не превышают 10-(6+5). Время диагностики образцов с толщинами порядка 1+3 мм составляет величину порядка (1+5)х10-6 с, то есть при скорости движения захвата машины равной 5 мм/мин изменение a(s)за время диагностики практически отсутствует. Таким образом, диагностика состояния среды осуществляется за времена много меньшие времени изменения параметров нагружения, а энергия, переносимая акустическим импульсом, много меньше характерных энергий активации механизмов пластической деформации.
• С помощью ОА метода получены экспериментальные данные по изменению коэффициента поперечных деформаций, скоростей продольных и поперечных волн в ходе испытаний на растяжения для следующих материалов: медь М1, углепластик T26/22502/I131636, эпоксидная смола и ПММА ТОСП. Для образцов из углепластика, эпоксидной смолы и ПММА не наблюдалось значительного изменения коэффициента ц и скоростей VLи VT.Для меди в пластической области наблюдается рост как ц так и VLи VT, что обусловлено пластическим течением частей микрообъёмов тела.
• Исследовано изменение коэффициента поперечных деформаций для образцов из капролона (полиамид-6 блочный) в серии испытаний на растяжение и ползучесть. Полученные экспериментальные данные показывают, что наблюдается последовательное уменьшение коэффициента поперечных деформаций от этапа к этапу, что объясняется усилением хрупких свойств материала после испытания, вследствие накопления дефектов и образования несплошностей после релаксации напряжений. Увеличение ц в пластической области объясняется пластическим течением части микрообъёмов деформируемого твёрдого тела.
• Проведено исследование энергетического баланса в серии испытаний на растяжение образцов из капролона с учетом разделения работы внешних сил по деформации тела на энергию изменения объема и энергию сдвиговых деформаций.
• Построены графики удельных долей работ, затраченных на объемные
Wa./W и сдвиговые Шт/Ш деформации с использованием теории
В.А. Кузьменко. Удельная энергия сдвиговых деформация ^/ W
преобладает над удельной энергией объемных деформаций Wa/W,как на первом, так и на третьем этапе нагружения. Также удельная доля объемных деформаций на третьем этапе испытаний меньше, чем на первом для обоих образцов. Для обоих образцов в третьем этапе испытаний прослеживается уменьшение Wa./Wв начале деформации, затем постепенный рост и спад в конце, при разрушении.
• Построены графики изменения QG, QT, L„ и LT.На начальном этапе наблюдается снижение величин Q ^ и QT, в дальнейшем наблюдается рост величин вплоть до момента разрушения. Данное поведение говорит о схожести капролона с металлическими материалами. Для величин наблюдается постоянный рост вплоть до момента
разрушения.
• Проведён обзор литературы по исследованию закономерностей изменения коэффициента поперечных деформаций и применению ОА метода в диагностике материалов.
• Исследование упругих характеристик в образцах проводилось на основе ОА метода, который основывается на возбуждении акустических импульсов путём лазерного воздействия на поверхность образца. С обратной стороны образца находится датчик, вырезанный из пьезокерамики, направление поляризации которой составляет 4 5 о, что позволяет регистрировать как продольные так и поперечные акустические волны одновременно. Основное преимущество такого подхода заключается в возможности проведения измерений ОА методом прямо во время испытаний.
• При использовании ОА метода зондирование образца происходит короткими акустическими импульсами, возбуждаемыми лазерным импульсом с длительностью порядка 10-8 с. При этом величины деформаций в упругом импульсе, возбуждаемом в данной методике, не превышают 10-(6+5). Время диагностики образцов с толщинами порядка 1+3 мм составляет величину порядка (1+5)х10-6 с, то есть при скорости движения захвата машины равной 5 мм/мин изменение a(s)за время диагностики практически отсутствует. Таким образом, диагностика состояния среды осуществляется за времена много меньшие времени изменения параметров нагружения, а энергия, переносимая акустическим импульсом, много меньше характерных энергий активации механизмов пластической деформации.
• С помощью ОА метода получены экспериментальные данные по изменению коэффициента поперечных деформаций, скоростей продольных и поперечных волн в ходе испытаний на растяжения для следующих материалов: медь М1, углепластик T26/22502/I131636, эпоксидная смола и ПММА ТОСП. Для образцов из углепластика, эпоксидной смолы и ПММА не наблюдалось значительного изменения коэффициента ц и скоростей VLи VT.Для меди в пластической области наблюдается рост как ц так и VLи VT, что обусловлено пластическим течением частей микрообъёмов тела.
• Исследовано изменение коэффициента поперечных деформаций для образцов из капролона (полиамид-6 блочный) в серии испытаний на растяжение и ползучесть. Полученные экспериментальные данные показывают, что наблюдается последовательное уменьшение коэффициента поперечных деформаций от этапа к этапу, что объясняется усилением хрупких свойств материала после испытания, вследствие накопления дефектов и образования несплошностей после релаксации напряжений. Увеличение ц в пластической области объясняется пластическим течением части микрообъёмов деформируемого твёрдого тела.
• Проведено исследование энергетического баланса в серии испытаний на растяжение образцов из капролона с учетом разделения работы внешних сил по деформации тела на энергию изменения объема и энергию сдвиговых деформаций.
• Построены графики удельных долей работ, затраченных на объемные
Wa./W и сдвиговые Шт/Ш деформации с использованием теории
В.А. Кузьменко. Удельная энергия сдвиговых деформация ^/ W
преобладает над удельной энергией объемных деформаций Wa/W,как на первом, так и на третьем этапе нагружения. Также удельная доля объемных деформаций на третьем этапе испытаний меньше, чем на первом для обоих образцов. Для обоих образцов в третьем этапе испытаний прослеживается уменьшение Wa./Wв начале деформации, затем постепенный рост и спад в конце, при разрушении.
• Построены графики изменения QG, QT, L„ и LT.На начальном этапе наблюдается снижение величин Q ^ и QT, в дальнейшем наблюдается рост величин вплоть до момента разрушения. Данное поведение говорит о схожести капролона с металлическими материалами. Для величин наблюдается постоянный рост вплоть до момента
разрушения.