Влияние дислокаций и дислокационной структуры на характеристики распространения продольной акустической волны в твердом теле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Ромашов, Владислав Павлович

• Ромашов, Владислав Павлович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ромашов, Владислав Павлович

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Обзор современных представлений о влиянии дислокаций на характеристики распространения упругих волн в твердом теле.

1.1. Акустодислокационное взаимодействие в образцах с неизменной плотностью дислокаций в ходе эксперимента.

1.2. Акустодислокационное взаимодействие в образцах с изменяющейся плотностью дислокаций в ходе эксперимента.

Глава 2. Описание теоретической модели и ее сравнение с экспериментами с не изменяющейся дислокационной структурой

2.1. Описание предлагаемой модели.

2.2. Масса дислокации, сила трения на единицу длины дислокации и коэффициент акустодислокационного взаимодействия.

2.3. Полученные результаты и сравнение с экспериментальными данными.

Глава 3. Сравнение с экспериментами с изменяющейся плотностью дислокаций (деформируемом или циклически нагружаемом)

3.1. Недостатки струнной мод ел и Гранато-Л юке.

3.2. Расширение предлагаемой модели для описания экспериментов с увеличивающейся плотностью дислокаций.

3.3. Полученные результаты и сравнение с экспериментальными данными.

Глава 4. Влияние дислокаций на параметры нелинейности акустической волны, распространяющейся в твердом теле с дислокациями

4.1. Условия возникновения модуляционной неустойчивости акустической волны.

4.2. Влияние дислокационной структуры на параметры нелинейности и сравнение с экспериментом.

Глава 5. Экспериментальное исследование закономерностей распространения ультразвука в твердом теле с дислокациями

5.1. Экспериментальное исследование закономерностей распространения ультразвука в монокристаллах кремния.

5.2. Экспериментальное исследование закономерностей распространения ультразвука в образцах из конструкционной стали.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние дислокаций и дислокационной структуры на характеристики распространения продольной акустической волны в твердом теле»

Актуальность проблемы. Экспериментальное и теоретическое изучение закономерностей распространения упругих волн в твердом теле с дислокациями представляет большой научный и практический интерес и активно ведется с середины прошлого века. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что между характеристиками распространения упругих волн в материале и параметрами дислокационной микроструктуры существует взаимосвязь. Эта взаимосвязь делает возможным изучение дислокационной микроструктуры неразрушающим способом, что имеет большую практическую ценность, особенно заметную при изучении деформируемых или циклически нагружаемых материалов. В ходе таких нагрузок происходит значительное изменение механических свойств материала, объясняющееся эволюцией микроструктуры материала, которая, в свою очередь, непосредственно вызвана или контролируется изменениями, происходящими с конфигурацией дислокаций и увеличением их плотности. Следовательно, отслеживая при помощи упругих волн изменения, происходящие с дислокационной микроструктурой, мы имели бы возможность оценивать механические свойства материала, а также прогнозировать остаточный ресурс. В связи с этим, развитие теоретических представлений, описывающих распространение упругих волн в твердом теле с дислокациями, представляется весьма актуальной задачей.

Особую актуальность данной диссертации придает тот факт, что существующие теоретические модели, широко применяющиеся для описания экспериментальных работ, были разработаны довольно давно и не учитывают изменения, происходящие с дислокационной структурой деформируемых или подвергающихся циклическому нагружению материалов.

Целью данной работы являлось:

Разработка теоретического описания распространения упругой продольной волны в твердом теле с дислокациями, учитывающее возможное изменение дислокационной структуры.

Получение выражений описывающих дисперсию фазовой скорости, а также уравнения для частотной зависимости затухания упругой волны, распространяющейся в твердом теле с неизменной плотностью дислокаций.

Получение выражения описывающего зависимость фазовой скорости волны и затухания от величины плотности дислокаций в твердом теле.

Определение условий возникновения модуляции волны и получение выражений для зависимостей амплитуды и ширины волнового пакета от плотности дислокаций.

Проведение собственного экспериментального исследования закономерностей распространения продольных волн в твердом теле с дислокациями для проверки полученных теоретических результатов.

Научная новизна. В отличие от существующих теоретических моделей, описывающих взаимодействие упругих волн с дислокациями (струнная модель Гранато-Люке и модель перегибов Зегера), предлагаемый подход не использует такой практически трудно определяемый параметр дислокационной структуры как средняя длина эффективной дислокационной линии, применяя при расчетах только плотность дислокаций в материале. Это позволяет использовать модель для описания практических задач, для которых известно только закономерность t изменения плотности дислокаций. В работе показано, что учет в уравнениях распространения упругой волны в твердом теле наличия в нем дислокаций приводит к появлению пика в зависимости величины затухания от частоты волны. Кроме того, показано, что в зависимости затухания от плотности дислокаций также имеется максимум. В работе сформулированы условия возникновения модуляционной неустойчивости квазигармонической продольной акустической волны и получены зависимости для амплитуды и ширины волнового пакета от плотности дислокаций.

Научное и практическое значение работы заключено в полученных уравнениях, описывающих дисперсию, частотную зависимость затухания. Кроме того, несомненное практическое значение имеют выражения связывающие величину затухания, скорость распространения продольной волны и характеристик модуляционного волнового пакета с плотностью дислокаций в материале. Основываясь на этих зависимостях возможно неразрушающим методом отслеживать изменения, происходящие в микроструктуре деформируемых или подвергающихся циклическому нагружению материалов, что позволяет оценивать степень деградации механических свойств и, как следствие, приблизиться к проблеме определения остаточного ресурса объектов при таких нагрузках.

Достоверность результатов подтверждается хорошим совпадением, полученным при сравнении полученных результатов с известными экспериментальными работами, а также хорошее соответствие с экспериментальными исследованиями проведенными в рамках данной работы.

Основные положения, выносимые на защиту

• Постановка и решение задачи теоретического описания закономерностей распространения упругой волны в твердом теле с дислокациями, с учетом возможного изменения параметров дислокационной структуры.

• Построение теоретической модели позволяющей получить выражения для частотной зависимости фазовой скорости и затухания, а также описывающей влияние на данные зависимости характеристик дислокационной структуры. • Сформулированные критерии возникновения модуляции волны и полученные выражения для зависимостей амплитуды и ширины волнового пакета от характеристик дислокационной структуры.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем составляет 92 стр., включая 56 рисунков, 5 стр. библиографии, содержащей 74 наименован.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Ромашов, Владислав Павлович

Основные результаты диссертации

1. Разработан новый теоретический подход к описанию распространения продольной акустической волны в твердом теле с дислокациями. Проанализировано влияние дислокаций на дисперсию фазовой скорости волны, величину и характер затухания. Показано, что наличие в твердом теле дислокаций приводит к появлению пика в зависимости величины затухания от частоты.

2. В работе было предложено рассматривать коэффициент акустодислокационного взаимодействия Д введенный ранее Бурлаком Г.Н. и Островским И.В. [16], как величину прямо пропорциональную плотности дислокаций в твердом теле. Это позволило описывать распространение продольной акустической волны в твердом теле с изменяющейся дислокационной структурой (деформируемом или циклически нагружаемом). Получено выражения описывающие зависимость фазовой скорости волны и величины затухания от плотности дислокаций в твердом теле. Показано, что в зависимости затухания от плотности дислокаций имеется пик.

3. Сформулированы критерии возникновения модуляционной неустойчивости продольной акустической волны, распространяющейся в твердом теле с дислокациями. Показано, что ширина волнового пакета уменьшается с увеличением плотности 1 дислокации пропорционально —, а высота волнового пакета Р пропорциональна (l-Д2).

4. Получено хорошее соответствие полученных результатов как опубликованным экспериментальными работам, так и результатам экспериментальных исследований, проведенными в рамках данной диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ромашов, Владислав Павлович, 2004 год

1. Bordoni P.G. И Ricerca Scicnt -1949.-, 19, P. 851-862.

2. Ван Бюрен X. Г. Дефекты в кристаллах. Москва: ИЛ, 1962. -584 с.

3. Niblett D.H., Wilks J. II Phil. Mag. 1957.- 2, P. 1427-1444.

4. Зегер А., Шиллер П. В кн.: Физическая акустика, т.З, ч.А -Москва: Мир, 1969. - 428 с.

5. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. -Москва: Атомиздат, 1975. -472с.

6. Niblett D.H., Zein М. The Bordoni peak in copper single crystals at megahertz frequencies // J.Phys. F: Metal Phys. -1980.-, 10, P.773-780.

7. Moreno-Gobbi A., Ghilarducci A., Eiras J.A. Comparison between the ultrasonic and the low frequency Bordoni peaks in copper // Journal of Alloy and Compounds. -2000.- 310, P. 115-118.

8. Seeger A. On the Theory of the Low-Temperature Internal Friction Peak Observed in Metals // Phil. Mag. 1956.-, 1, P.651-662.

9. Read T.A. The internal friction of single metal crystals It Phys. Rev. -1940.-,58,P.371-380

10. Внутреннее трение и дефекты в металлах. Сб.статей-:Москва:Металлургия,1965. -293 с.

11. Lebedev А.В. Ratio of decrement to modulus change for amplitude-dependent internal friction // Philos.Mag. 1996.-, B74, P.545-561.

12. Голяндин C.H., Кустов С.Б. и др. Влияние температуры и деформации на амплитудно-зависимое внутреннее трение высокочистого алюминия // ФТТ. -1998.-t.40, №10, С. 1839-1844.

13. Kustov S., Golyandin S., Sapoghnikov К., Robinson W.H. Amplitude-Dependent Internal Friction in Lead at Ambient Temperature// Mat.Sci.Eng. -1997.-, A237,№2,P.191-195.

14. Sapoghnikov K., Golyandin S., Kustov S., Van Humbeeck J., De Batist R. Motion of dislocations and interfaces during deformation of martensitic Cu-Al-Ni crystals //Acta mater. -2000.- 48, P. 1141-1151.

15. Granato A., Lucke K. Theory of Mechanical Damping Due to Dislocations // J. appl. Phys.,-1956.-, 27,№6, P.583-593.

16. Бурлак Г.Н., Островский KB. Гистерезисные акустические явления, связанные с дислокационной нелинейностью в кристаллах // Письма в ЖТФ. -1997.-,23,№18,С.69-74.

17. Лебедев А.Б. Амплитудно-зависимый дефект модуля упругости в основных моделях дислокационного гистерезиса // ФТТ. -1999.-,41 ,№7,С. 1214-1221.

18. Малыгин Г.А. Амплитудно-зависимое внутренне трение и""4 подобие температурных зависимостей напряжений микро- и макротекучести кристаллов // ФТТ. -2000.-,42,№4,С.688-693.

19. Люке К. Внутреннее трение, обусловленное дефектами (обзор)- В кн.: Внутреннее трение и дефекты в металлах. Москва: Металлургия, 1965. -С.370.

20. Внутреннее трение металлов. Москва:Металлургиздат,1963.-С 77.

21. Hikata A., Johnson R.A, Elbaum С. Interaction of Dislocations with electrons and with phonon // Phys.Rev.Lett. 1970.-,V24, P.215-221.

22. Granato A., Truell R. II J.Appl.Phys. -1956.-,V27, P.1219

23. Waterman P.C. II J.Appl.Phys. -1958.-,V29, P.1219

24. Granato A., De Klerk J., Truell R. // Phys.Rev. -1957.- 108, P.895

25. Alers G., Tompson D.O. II J.Appl.Phys. -1961.-,V32, P.283

26. Штерн P.M., Гранато A.B. Задемпфированный дислокационный резонанс в меди В кн.: Внутреннее трение и дефекты в металлах. Москва: Металлургия, 1965. -С. 149.

27. Ромашов В.П. Влияние дислокаций на дисперсию и затухание ультразвука в твердом теле В кн.: Испытание материалов и конструкций. Нижний Новгород: Интелсервис, 2002. С.28-41.

28. Труэлл Р., Эльбаум Ч, Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Москва: Мир, 1972.-308 с.

29. Hikata A., Chick В.В., Elbaum С. Effect of Dislocations on Finite Amplitude Ultrasonic Waves in Aluminum // Appl.Phys.Letters. -1963.-,13,P. 195-197

30. Hikata A., Chick B.B., Elbaum C. Dislocation Contribution to the Second Harmonic Generation of Ultrasonic Waves// Journ.Appl.Phys.- 1965.-,V36,P.229-236.

31. Hikata A., Elbaum С. И Phys.Rev. 1966.-,V.144,P.469.

32. Островский JI.A., Папилова И.А., Сутин A.M. Параметрическая генерация и усиление акустических волн в кольцевом резонаторе на твердом теле. // ЖТФ -1973.-,43 ,№ 10,С .2213-2215.

33. Соустова НА., Сутин A.M. Автомодуляция акустических волн в нелинейном резонаторе // Акуст.журнал -1975.-,№5,С.953-954.

34. Криштал М.А., Никитин К.Е. Экспериментальное исследование дислокационного ангармонизма плстически деформированных металлов с помощью волн Рэлея // ФММ -1980.-,49,№ 1,С. 181 -189.

35. Johnson W. Ultrasonic damping in pure aluminum at elevated temperatures //J.Appl.Phys. -1998.-,V.83,P.2462-2468.

36. Hirao M., Ogi H. Electromagnetic Acoustic Resonance and Materials Characterization // Ultrasonics -1997.-,V35,P.413-421.

37. Ogi H., Hirao M., Honda T. Ultrasonic attenuation and grain-size evaluation using electromagnetic acoustic resonance // J.Acoust.Soc.Am. -1995.-, V98,P.458-464.

38. ХикатаА., Чик., Елбаум С., Труэлл Р. Зависимость затухания и скорости ультразвуковых волн в монокристалле алюминия от деформации и ориентировки. В кн.: Внутреннее трение и дефекты в металлах. Москва: Металлургия, 1965. -С.262.

39. Труэлл Р., Элбаум Ч, Хиката А. Ультразвуковые методы исследования пластической деформации. В кн.: Физическая акустика. Том 4.,ч.А.-Москва:Мир,1969, С.245.

40. Братина В., Миллс Д. Влияние дислокаций на затухание ультразвуковых волн в деформированных углеродистых сталях. В кн.: Внутреннее трение и дефекты в металлах. Москва: Металлургия, 1965. -С.256.

41. Eiras J.A. Influence of plastic deformation on the velocity and ultrasonic attenuation of copper single crystals // Journal of Alloy and Compounds. -2000.- 310, P. 68-71.

42. Братина У. Внутренне трение и основные механизмы усталости в ОЦК металлах, железе и в углеродистых сталях В кн.: Физическая акустика. Том 4.,ч.А.-Москва:Мир,1969, С.293.

43. Hirao М., Ogi Н., Suzuki N., Ohtani Т. Ultrasonic attenuation peak during fatigue of polycrystalline copper // Acta mater. -2000.-,V48,P.517-524

44. Wang J., Fang Q.F., Zhu Z.G. Sensitivity of ultrasonic attenuation and velocity change to cyclic deformation in pure aluminum // Phys.stat.sol.(a),169,P.43-48.

45. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Изменение скорости ультразвука при пластической деформации А1 // ЖТФ -2000.-,70,№1,С.52-56.

46. Зуев Л.Б., Семухин Б.С. Акустические свойства металлов и сплавов при деформации // Физика и химия обработки материалов -2002.-,№5,С.62-68.

47. Гилман Д. Микропластичность. Москва:Металлургия, 1972.С. 18-37.

48. Зуев Л.Б., Муравьев В.В., Данилова Ю.С. О признаке усталостного разрушения сталей // Письма в ЖТФ -1999.-,25,№9,С.31-34.

49. Mason W.P. Influence of Lattice Parameters on the Properties of Crystal Resonators // J. Acoustic Soc. Amer.- 1960.-,V32,P.458-463.

50. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние дислокаций на дисперсию и затухание ультразвука в твердом теле // Письма в ЖТФ.-2002.-,Том32,вып.6, С.6-11.

51. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. Москва: Интермет Инжиниринг, 2002. 288 с.

52. Ivanovo V.S., Terentjev V.F., Poida V.G. The relation between the yielding and fatigue at the low carbon steel // Int. J. of Fracture Mech.- 1972.-,V8, P. 237-248

53. Труэлл P., Элъбаум Ч, Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Москва.: Мир, 1972, 307 с.

54. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. Москва: Наука, 1984.

55. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукое А.П. Теория волн. -Москва: Наука. 1990.

56. Уизен Дж. Линейные и нелинейные волны. Москва.: Мир. 1977.

57. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. -Москва.: Наука. 1988.

58. Моисеев Н.Н. Асимптотические методы нелинейной механики.- Москва.: Наука. 1981.

59. Янке Е„ Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Москва.: Наука, 1977.

60. Зарембо JI.K., Красилъников В.А. Нелинейные явления при распространении упругих волн в твердых телах // УФН. 1970 -, 102, №4. - С.549-586.

61. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Москва: Наука, 1987.

62. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др.; под ред. Григорьева КС. и Мейлихова Е.З. Физические величины. Справочник. Москва: Энергоатомиздат, 1991. -1232.

63. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние циклического нагружения и деформации материала на характеристики распространения в нем продольной акустической волны // Дефектоскопия. -2004 -, №1. С.59-64.

64. Ромашов В.П. Спектрально-акустический метод диагностики: опыт внедрения и перспективы // Трубопроводный транспорт нефти. -2002.- №6.- С. 3-6.

65. Гумеров А.Г., Ямалеев К.М., Гумеров Р.С., Азметов Х.А. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. Москва: Недра-Бизнесцентр, 1998. - 252 с.

66. Schreider Е., Chu S.L., Salama К. Nondestructive determination of mechanical properties.- Rev. Progr. Quant. Nondestruct. Eval, San

67. Diego, Calif, 8-13, July, 1984, Vol 4B, New York, London, 1985, p.867-873.

68. Углов А.Л., Попцов B.M., Углова O.B. Современные акустические методы контроля качества материалов элементов машин и конструкций. М.: ВНИИКИ, 1989, в.З, 36 с.

69. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Распространение продольной акустической волны в твердом теле с дислокациями. Теория и эксперимент // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. Москва. Изд-во ГЕОС. 2003.С.242-245.

70. Erofeyev V.I., Romashov V.P. Effect of dislocations on the dispersion, damping and nonlinearity of ultrasound in solids. -5th EUROMECH Solid Mechanics Conference. Book of abstracts. August 17-22,2003, AUT, Thessaloniki, Hellas. P.99.

71. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Дисперсия и затухание ультразвука в твердых телах с дислокациями. // Тез. док. 2 Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике», Москва, 2003, с.203.

72. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Метод ультразвуковой диагностики дефектной структуры монокристаллов. // Тез. док. 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений», Москва, 2002, с.21.

73. Romashov V.P. Effect of dislocations on the propagation of ultrasound in solids. // 5 International PhD Symposium in Civil Engineering, June 16-19, Delft, the Netherlands. P.320-329.