Экспериментальные исследования акустической нелинейности в поликристаллических металлах в области упругопластических деформаций

Распространение акустических волн (АВ) в твердых телах сопровождается разнообразными эффектами их взаимодействия с физическими полями и элементарными возбуждениями (квазичастицами), существующими в твердых телах. Совершенствование техники эксперимента, расширение диапазона частот АВ наряду с развитием теоретических представлений о механизмах их взаимодействий с этими полями и квазичастицами привели к тому, что современные акустические методы стали одними из наиболее информативных и универсальных в физике твердого тела. Акустические методы позволяют исследовать как макроскопические, так микроскопические свойства твердых тел [1−3]. При этом наряду с импульсными ультразвуковыми методами для исследований упругих волн свойств твердых тел широко используются непрерывные методы [4−6] Существенно расширяются возможности этих методов при использовании АВ конечной амплитуды, распространение которых сопровождается рядом нелинейных явлений [7−13]. Особый интерес вызывает исследование акустическими методами физических свойств твердых тел подвергнутых внешним воздействиям: давлению, термической обработке. Измерение акустических свойств твердых тел при этом позволяет определить ряд параметров характеризующих линейные и нелинейные свойства исследуемых объектов.

В последнее время методы нелинейной акустики широко используются для исследования структурно-неоднородных сред. В таких средах наряду с нелинейностью сил межмолекулярного взаимодействия (физическая нелинейность), приводящей к нелинейной связи между напряжением, а и деформацией е, проявляется структурная нелинейность. Эта нелинейность определяется надмолекулярной внутренней структурой твердого тела (дислокациями, микротрещинами, локальными внутренними напряжениями и т. д.) и может на 2−4 порядка превышать физическую нелинейность. Помимо гигантской нелинейности, обуславливающей высокую чувствительность нелинейных методов, структурно-неоднородные среды интересны также вследствие необычности некоторых наблюдавшихся в них нелинейных явлений [14−26]. Однако физические механизмы структурной нелинейности полностью не изучены.

При приложении больших нагрузок, превышающих величину механического напряжения any, называемого пределом пропорциональности, в материалах нарушается однозначная связь между деформацией s и механическим напряжением айв исследуемом материале возникают пластические деформации. В случае статических нагрузок механические свойства материалов характеризуются нагрузочной кривой механическим напряжением a — деформация 6. В случае динамических нагрузок на кривую напряжение — деформация существенную влияние оказывает скорость деформации. В последнее время большое внимание уделяется распространению упругих однополярных импульсов сжатия или разрежения в различных средах. Поэтому представляет интерес исследование распространения импульсов сжатия, амплитуда напряжения в которых превышает предел пропорциональности а^ в исследуемом материале. При своем распространении импульс в области своего распространения переводит исследуемый материал в пластическую область. Такие импульсы называют упругопластическими. Исследование распространения таких импульсов в металлах представляет большой интерес.

Целью настоящей диссертационной работы являются экспериментальные исследования линейных и нелинейных упругих свойств поликристаллических металлов при изменении их дефектной структуры, вызванной приложением к ним (металлам) статических и динамических нагрузок, превышающих предел пропорциональности апу.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Создание экспериментальной методики для возбуждения и приема крутильных волн в тонких металлических стержнях (проволоках), подвергнутых большим статическим нагрузкам.

2. Измерение полного набора упругих констант поликристаллической меди при приложении к ней внешних статических деформаций (включая пластические деформации).

3. Проведения экспериментальных исследований влияния изменения внутренней структуры в поликристаллической меди, вызванной приложением к ней реверсивных больших внешних статических деформаций (включая пластические деформации) на динамические нелинейные акустические параметры для продольных и крутильных волн.

4. Проведение анализа экспериментальных результатов исследования динамических нелинейных акустических параметров для продольных и крутильных волн на основе хлопающей и гистерезисной структурных нелинейностей.

5. Разработка и создание автоматизированной экспериментальной установки для возбуждения и регистрации упругопластических импульсов сжатия в тонких металлических стержнях (проволоках).

6. Экспериментальные исследования влияния амплитуды упругопластического импульса на его поглощение и скорость распространения в поликристаллической меди.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка цитируемой литературы.

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана и реализована экспериментальная методики для возбуждения и приема крутильных волн в тонких металлических стержнях (проволоках) в условиях больших статических нагрузок.

2. Проведено измерение полного набора упругих констант в поликристаллической меди в зависимости от внешних статических деформаций (включая пластические деформации). Обнаружено, что в области статических деформаций 0−0,06 происходит монотонное уменьшение модулей Юнга и сдвига, приблизительно на 10%, с одновременным увеличением коэффициента Пуассона приблизительно на 10%.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния изменения внутренней структуры в поликристаллической меди, вызванной приложением к ней реверсивных больших внешних статических деформаций (включая пластические деформации) на динамические нелинейные акустические параметры для продольных и крутильных волн.

4. В области пластических деформаций обнаружено аномальное поведение динамических нелинейных акустических параметров при циклах нагрузки-разгрузки.

5. Анализ экспериментальных результатов исследования динамических нелинейных акустических параметров для продольных и крутильных волн показал, что аномальное поведение этих параметров при циклах нагрузки-разгрузки качественно описывается моделями хлопающей и гистерезисной структурных нелинейностей.

Разработка и создание автоматизированной экспериментальной установки для возбуждения и регистрации упругопластических импульсов сжатия в тонких металлических стержнях (проволоках).

Проведены экспериментальные исследования влияния амплитуды упругопластического импульса на его поглощение и скорость распространения в поликристаллической меди. Обнаружено, что увеличение амплитуды импульса сжатия сопровождается увеличением его амплитуды и уменьшением скорости импульса. Дается качественное объяснение результатов экспериментов.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю Александру Ивановичу Коробову за предоставление интересной темы, постоянное внимание и огромную помощь в работе. А также хочу выразить благодарность моему второму научному руководителю Юрию Александровичу Бражкину за руководство в экспериментальной работе.

Отдельно хочу поблагодарить Олега Владимировича Руденко за введение меня в акустику и дальнейшую поддержку.

Также хочу поблагодарить весь наш коллектив, Ольгу Юрьевну Сердобольскую, Наталью Ивановну Одину и всех аспирантов и студентов за терпение и помощь в течение последних 4 лет.

Я также благодарна сотрудникам кафедры акустики, коллегам за оказанное внимание к проведенным исследованиям, консультации по ряду возникавших вопросов и обсуждение полученных результатов.

Заключение

.