Акустомеханические явления в керамических и родственных им материалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГБ ОД

1 6 ВИВ 1Г- ..

ЗТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ' УНИВЕРСИТЕТ

Специчпизироваччый сосет Д 063 5? 09 по физико-математическим, наукам

На правах рукописи

ПРУС Юрий Внтальопич

УДК 53У:6^0.Ь'У.ю

АКУСТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

В КЕРАМИЧЕСКИХ И РОДСТВЕННЫХ ИМ МАТЕРИАЛАХ

О! 04.07 - физика твердого тепа 01 02.04 - механика деформируемого твердого тепа.

V П Т О Р I- Ф К 1' Д Т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ростов-иа-Дону 1994

Работа выполнена на ка^-вдро физики Донского Государственно:

Научный руководитель: доктор фивико-мптештипеоких наук

профессор Никифоров И.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Коалов Э.В.,

кандидат физико-матвматичоокнх нау о.н.о. Буйло С.И.

Ведущая организация! Донецкий физико-технический инотит

1Ш1 Украины (ДонФТИ ШШ)

Защита состоится я 2 7" ЗСМ^а^З. 1995 г. в чаоов на йаовданиа Специализированного оовета Д 063.52.09 по физике шпематическим наукам в Ростовском государственном университет по адресу: 344104, Ростов-на-Дону, пр. Отачки, 194, НИИ Физике

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ростовского государственного университета ул. Пушкинская, 14£

Технического Университета

РТУ.

Ученый секретарь Специализированного оовета кандидат фиэ.-мат. наук

А.Н.Павле

ОБЩАЯ ХА1'АКГ2Р-,!ГГГ.1КА ?мШ

Актуальность проблемы. Создшмв эдкоз кергмаческах и

шственшгх го? композиционных уаорздл.)?, рю-зчгчя возможности их >именения в различных областях наука и юхяик обусловяиааэ? юбходимость разработки эффективных методов исследования струимы и Фиэико-мвханич0ск.гх свойств исиьльзуе;/ых материалов.

В послешше годы значительное внимание удаляется развитию устико-мглссаоншх метит, ов иоъд-"яюьа"ия млторпачов, основанных . регистрации а аначизе акустического' ладу «шн, возникающего ио^^о^ствс::*:" ® т««« внутренней динамической локальной перэст-йки структура т^^ргог" тйпи. ииш-и.,».;:::!! — лучения является динамический характер вызывающих ого э'Мчктов,

0 позволяет использовать явление акустической эмиссии (АЗ) в честно перспективного метода исследования в физике твердого т<з-, механике деформируемого хвзрдого тела, а такте в области не-зрутающего контроля (НК) [1,2]. . ■' _ ,

Успешное применение аяустлко-эшссионных методов-для яссле-ванил структуры я физико-механических свойств материалов новоз-кно без достаточного теоретического и экспериментального ойос-вания, опирающегося на фундаментальные закономерности процессов формирования и повреждаемости твердых тел, рассмотрение которых ктао проводиться с позиций современных кинетических иродстовле-й физики разрушения [з~?]. Изучение физических процессов при формировании и разрушения реальных твердых гея должно базирояа-

на глубоком термодинамическом анализе, в основа которого лег структурно-энергетическая интерпретация физических механизмов >сипациа 'энергии [8,9] , с учетом иерархии ■структурных уровней ¡хеширования и повреждаемости, а тр.кчч изменения их функцяональ-с ролей на различных стадиях разрушения г.гаториачов и]. Та? подход позволяет выработать наиболее йбщио и универсальные меда экспериментальной физики разрушения," предложить новые зкспе-«ентально проверяемые параметры я критерии разрушения.

В свате изложенного, проблема экспериментального исследова-

1 акустико-механических диссипативкых полей в квоамяческих и ютвэнных им материалах представляется весьма актуальной и пер-жтивной, как с позиций чисто академических, сЬугадаменталышх; ¡лвдований в области/физики процессов разрушения, так и с пози-I решения задач прикладного характера, поскольку постановка таг : исследований не гольао развиваем представления о физических

основах акустико-ьмиссионных методов изучения структуры твердых тел, {ю также соалее г экспериментальную базу для разработки конк регных методик оценки структурного, состояния и прогнозирования прочностных свойств керамических'и родственных им материалов в условиях их реальной эксплуатации.

Цель оаботц. Основной целью работы являлось экспериментальное исследование физической природы акустико-механических дисси-пативпых полей в керамических и родственных им композиционных зернистых средах, а также разработка физических основ акустико-змиссионных методов изучения структуры и физико-механических свойств керамических и родственных им материалов. Основными направлениями исследования являяись:

1. Экспериментальное исследование закономерностей пластической деформации, повреждаемости и разрушения квазихрупких материалов на основа изучения термодинамического баланса диссипации энергии в ходе процессов неупругого деформирования и разрушения керамических и родственных им материалов с-использованием метода АЭ для определения скрытой внутренней энергии разрушения Ыр .

?.. Разработка акустико-эмиссионного термодинамического метода прогнозирования прочностных свойств хрупких и квазихрупких материалов, обоснование новых параметров поврездаемостя и критериев разрушения.

3. Экспериментальное исследование процессов деструкции при влагопогдощении в керамических и. родственных ям материалах на основе регистрации амплитудных и временных параметров АЭ.

4. Разработка акустако-эмиссионного метода оценки структурного состояния и прогнозирования прочностных свойств керамических и родственных им материалов, подверженных воздействию водной среды. • _ ■

Научная новизна. Степень новизны определяется следующим:-

1.'Впервые проведен анализ процессов деформирования и разрушения квазихрупких материалов с позиций термодинамической теории прочности и представлений об эволюции структурных уровней деформации и разрушения, преплокэна феноменологическая модель, базирующаяся на структурно-энергетической интерпретации и рассмотрении та рмо п'.шам'лнзско.го баланса диссипации энергии при не упругом деформировании квазпхрулких материалов. . ' '

2. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование закономерностей пластичёйкой деформации, новреадаемости а разрушении- квазхх'рулках материалов, основанное на анализе термо-

инамического баланса диссипации упругой- энергия, с аечсхльзованч-м катода АЭ для изучения кинетики накопления скрыто? рлугеонивй нергии разрушения Цг в деформируемых объемах твердого тела.

3. Впервые предложены акустико-эмлссяошше термодинамческ/п араметры повреждаемости и критерии разрубания, которые могут но-ользсваться для экспериментального определения структурного сос-ояния и прогнозирования прочностных свойств кзазихрупких матери-лов.

4. Впервые проведено экспериментальное исследование «оонои-ов повреждаемости структуры твордых тел при взашодейотви,: с шшоЗ средой '"отолсм дэ. Уетвипвяйи характер взаимосвязи кечду арамвграмя АЭ л закономерное?»!?.® "ротмссон па^трукииь квмамачоо--¡ос и родственных им материалов при влагопоглощении.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально установленная взаимосвязь ме'гду законо-эрностями развития процессов пластической деформации, поврекяае-5сгя й разрушения о одной стороны, и изменением основных Физичэ-■шх механизмов диссипации энергии при иеупругом деформировании заэихрупкях материалов с'другой. При этом утверждается, что:

а) Относительный вклад интенсивности накопления скрытой вну~ эенней энергии разрушения (Л? в суммарную мощность диссипации V/ »зрастает по мере развития процессов повретщаемости;

б) Степень повречщенности деформируемого твердого тела одно-¡ачно определяется величиной впервые введенного в данной работе устико-эмиссионного термодинамического параметра повреждаемости

й (ГЛ9: ¿.Вг' ~ энергия ¿декретной последовательности

¡пульсов АЭ, ¿V/ - суммарная диссипация упругой энергии в тзче-:е некоторого временного интервала At ) , характеризующего отно-тельный вклад интенсивности накопления скрытой внутретлтей энер-и }1зруления (Хр в суммарную мощность диссипации V/ .

2. Экспериментально установленная взаимосвязь между кинетй-Й процессов повре-эдаемости в керамических и родственных им ма-риалах при взаимодействии с водной средой с одной стороны, к плитуднкми, временным;! и энергетическими параметрами акустлчйс-го излучения с другой. При этом утверждается, что:

а) Степень корреляции между отдельными актами разрушения зрастает по мере развития процессов деструшгаи яри алагопогло-или, что приводит к изменению амплитудного и временного спэкт-в сигналов АЭ;

б) Степень ¡¡оврезденкости структуры керамических и родст-

венных им материалов на различных этапах влагопоглощения одиозна чно характеризуется величиной статистических акустико-эмиссионны: параметров: - количественной мерой отклонения амплитудного распределения дискретных импульсов АЭ от экспоненциального вида, $>т- количественной мерой отклонения временного потока событий АЭ от пуассоновского потока независимых событий.

Научная и практическая ценность работы;

1. Экспериментально показана применимость термодинамической концепции прочности й представлений о развитии необратимых проце< сов, связанных с образованием диссипативных структур на различию масштабных уровнях, обеспечивающих трансформацию упругой энергии, поступающей в, деформируемые объемы материала за счет работы внешних сил, в тепловую энергию Я. и скрытую внутреннюю анергию и Различного рода дефектов и • повреждении структуры твердого тела, для описания процессов пластического деформирования, повреждаемости и разрушения различных квазихрупких материалов.

2. Впервые разработан акустико-эмиссиояный термодинамический метод прогнозирования прочностных свойств хрупких и квазихрупких материалов. Предложены качественно новые акустико-эмиссионные термодинамические параметры повреждаемости и критерии разрушения ' твердых тол., использование которых значительно расширяет возможности практического применения акустико-эмиссионных методов исследования материалов. ' .

3. Экспериментально показана, высокая чувствительность статистических амплитудных и временных параметров АЭ и эффективность их использования для изучения кинетики процессов повреадаемости неметаллических материалов в водной среде. Разработана методика, основанная на аначизе амплитудного и временного спектров сигналов АЭ, позволяющая производить оценку состояния повревденности я прогнозирование долговременного поведения прочностных свойств -керамических и родственных им материалов, подвергающихся постоянному или периодическому воздействию водной среды. "

Результаты проведенных автором исследований наши практическое внедрение и использование - при организации научно-исследовательской работы в области исследования свойств различных матераа-лов, а также, при организации учебного процесса в следующих учреждениях: р.ГАЗ, ЯГТУ, РГ11У. РГ'/ПС. (г. Ростов н/Д) , ТАСИ (г. Та«- • квит), КБАИ (г. Нальчик), ИБХ АН Украины (г. Киев).

Результаты.проведении* автором исследований были положена.а • основу конкретных рекомендаций по разработке 'и созданию р&зллчко-

V рода приборов и устройств, нашедших применение в чонкпйтннх отмелях промндленности, строительств;!, уединины» а так?5 ислолк.о-(авиихся при выполнении научно-исследовательской работы в ВУЗах, Ж, КБ, НПО. В ходе работы автором получено 3,1 раилонат.т: :их предложения, а такие 27 производственных ¿л.-«работок, скованных в информационных листках Ростовского !Ш?!'.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы оклалывалясь и: обсуждались на 2® Всесоюзной контренная по аку-тической эмиссии (Кизинев, 1.987), 7м Всесоюзном с-зминаре :ю 0:!'!-злучениям ^Якутск, 1935), региональных а областных научно-т^хни-«ятх «онфвракшых 2 сгкпизрлг, «»»пуядломственнем научно-мото-ичвском семинаре "Совремэняоо состоянии « яктуагыый зро^лгги-яезапннх выбросов угля, пород и газа" ("Ростов к/Д, 199,^.

Публикация. Но материалам диссертации опубликовало всего ЗЭ эчатных работ, из них 8 статей, 4 тезисов докладов, 27 информа-юяных листков.

Личный вклад автора. Зев основные результаты работы получены !Чно автором. Автор под руководством И.Я.Нииифорова непосредст->нно участвовал в постановке задач, выборе объектов исследования, получении, обсуждении и интерпретации результатов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введет«, глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, содержит О страниц, в том числе 77 рисунков и 3 таблицы. Список литера-■ры содержит 243 наименования.отечественных и зарубежных источ-ков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОга

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется ли работы, приводятся' положения, вшосимно на защиту, показана учная'новизна полученных результатов и их практическое значнчо-ь, приведены сведения об объем и,структуре райоты.

В первой главе рассмотрены соарэменные представления о физи-сках основах метода АЭ, а такие проведен анализ возможностей имененяя метода АЭ для исследования структуры и фяэико-т/еханн-зких свойств керамических и родственных им материалов. Х;ана сбег характеристика акустико-эмисетгоничх методов, показаны их пра-/шества перед другими физическими методами исследования струк-оных свойств материалов. Описаны модели основных источников а зические механизмы генерации акустического излучения в кристал-юских материалах, а также инфорг/лтивныа пвраштрн сигналов АЭ,

регистрируемые акустоэмиссионной аппаратурой. С позиций кинетической концепции прочности рассмотрена связь параметров АЭ с особенностями процессов пластической деформации, повреждаемости и разрушения квазихрупких материалов. В главе также проведен анализ литературных данных, посвященных вопросам применения акустико-эмисси-онных методов для исследования различных физико-механических и. физико-химических процессов ,■ сопровождающихся Перестройкой внутренней структуры твердых тел и генерацией акустического излучения.

В заключительной части главы сделаны выводы из анализа литературных источников и определены конкретные задачи, подлежащие экспериментальному исследованию.

Во второй главе рассмотрены вопросы, касающиеся общей методики экспериментального исследования процессов диссипации энергии при неупругом деформировании и кинетики накопления скрытой внутренней энергии в деформируемых объемах квазихрупких материалов на основе одновременной регистрации амплитудных параметров акустической эмиссии и работы неупругого деформирования в условиях квазистатического нагруаения, а также методики экспериментального исследования процессов.повреждаемости керамических и родственных им материалов в водной среде на основе.статистического анализа амплитудных и временных параметров акустической эмиссии.

Проведен феноменологический анализ энергетики процессов пластической деформации, повреждаемости и разрушения квазихрупких материалов, основанный на структурно-энергетической интерпретации элементарных физических механизмов рассматриваемых макроскопических явлений с позиций термодинамической концепции прочности, с использованием представлений об эволюции структурных уровней деформации и разрушения, и их взаимосвязи. Показано, что на различных этапах-развития процессов повреждаемости в квазихрупких материалах формируются и развиваются диссипативные структуры на различных масштабных уровнях, основными из которых являются: 1 -дислокационные структурные уровни, основным каналом диссипации которых является трансформация упругой энергии в тепловую при пластическом деформирования; 2 - мезоскопический.структурный уровень повреждаемости, основным каналом диссипации которого является преобразование-упругой энергии в термодинамическую свободную энергию поверхностей разрушения, образующихся при раскрытии микротрещин; 3 - макроскопический структурный уровень повреждаемости, основным каналом диссипации которого является трансформация упрухчзй энер-, гии в термодинамическую свободную энергию поверхностей разрушения,

образующихся при раскрытии макротрещин..

Рассмотрен энергетический баланс диссипации при неупругом деформирования квазихрупких материалов, показано, что основной вклад в суммарную мощность диссипации вносят составляющие энергетического баланса, связанные с накоплением скрытой внутренней, энергии разрушения Up и тепловым эффектом пластической деформации ¿?л . lía основе рассмотрения характера изменения функциональной роли основных диссипативннх структур на различных этапах деформированы и разрушения, сделан вывод о том, что увеличение степени поврьт-денности структуры квазихрупких материалов сопровождается ростом относительного вкладе интенсивности накопления скрытой внутренней энергия разрушения Ир и соответственно, снижением пклалч интви-сивности теплового эффекта пластической деформации Q^ в оОщув мощность суммарной диссипации w . Отсюда показана возможность использования в качестве параметров повреждаемости и критериев разрушения некоторых экспериментально определяемых величин, характеризующих соотношение между мощностями' основных составляющих энергетического баланса диссипации: Up/\j/ , Q.„ или .

На основе проведенного анализа акустического излучения, возникающего при деформировании квазихрупких материалов, сделан вывод о возможности оценки изменения скрытой внутренней энергии разрушения л Up путе>.' определения суммарной энергии соответствующей дискретной последова'гяьности регистрируемых сигналов АЭ л £t . Разработана методика экспериментального исследования процессов диссипации энергии при неупругом деформировании квазихрупких материалов, основанная на .одновременной регистрации энергии АЭ и определении величины необратимо затраченной при неупругом деформировании энергии aW в условиях одноосного квазистатического на-гружения. Предложен новый экспериментальный, акустико-эмлссионкнй термодинамический параметр повреждаемости К = д £, /а w ( a £t -энергия дискретной последовательности импульсов АЭ, iV - суммарная диссипация упругой энергии в течение'определенного временного интервала л i } , характеризующий относительный вклад интенсивности накопления скрытой внутренней энергии разрушения U.p в суммарную мощность диссипации W .

Б главе также проведен феноменологический анализ физических явлений, происходящих в'керамических и родственных им материалах при влагопоглощении. Описаны физические механизмы, обусловливяю-шие формирование гсолвйвнутрекник механических напряжений, рассмотрена динамика их развития, на различных стадиях процесса алаго-

поглощения для материалов с развитой пористой структурой. Показано, ч'-о на различных этапах нлагопоглощения в твердом теле могут возникать значительные внутренние напряжения, приводящие к развитию процессов деструкции. Рассмотрены физические механизмы понижения прочности керажческих и родственных им материалов при взаимодействии с водой [12-14]. Сделан вывод о том, что процессы повреждаемости при влагопоглощ'ении существенно- облегчаются вевязи со значительным снижением активационных барьеров разрыва межатомных овязеГГ, идущего гфеимуществешо путем механически стимулированного "гидролиза (МОГ), а также значительным понижением термодинамической свободной энергии поверхностей разрушения в результате адсорбции.

Обсуждены возмотлости использования амплитудных и временных параметров акустического излучения, возникающего в ходе процессов деструкции керамических и родственных им материалов при влагопог-лощении, для и:?.учения кинетики повреждаемости и опенки изменения прочностных и структурных свойств материале:., как при однократном, так и при периодическом воздействии водкой среды. Сделан вывод о ■ том, что развитие процессов повреждаемости при вдагопоглощении Сопровождается значительным изменением характера потока событий АЭ-и вина амплитудного распределения соответствующей дискретной последовательности сигналов ЛЭ..Предложено, для оценки степени пов-ревденности керамических и родственных им материалов на различных этапах процесса влагопоглощения,.использование акустико-эмиссиан-ных статистических параметров, являющихся характеристиками амплитудного и временного спектров сигналов АЭ: - количественная мера отклонения амплитудного распределения АЭ от экспоненциального вала, - количественная мера отклонения регистрируемого потока событий АЭ от пуасаоновского потока независимых событий. Разработана методика оценки влагостойкости материалов, основанная нь анализе изменения параметров ^ и при циклическом влагопо-глощешш. '

Третья глава содержит описание методики проведения экспериментальных исследований закономерностей пластической деформации, поврездаемоста и разрушения кзазихрупких материалов на основе изучения термодинамического баланса диссипации энергии при неупругом деформировании в условиях одноосного квазистатического нагруженая, с иапользолаякем метода АЭ для.определения скрытой внутренней энергии разрушения, а также.описание методики проведения экспериментальных иесявссгоияй процессов деструкции керамических и родствен-

ных им материалов при влагопоглощёнии, основанных на изучении амплитудных и временных параметров АЭ к установлении их связи с закономерностями кинетики повреждаемости.

Экспериментальное асследсдг.нио процессов диссипации эч»ргил при неупругом деформировании и разруноши проволюгось на odjtatmax из: 1 - пьезокерамических материалов типа ПКР-1, ПКР-8; IITC-19 ? 2 - различных видов строительной керамики ; 3 - бетонов различных йидов, цементного теста. Для жесткого ступенчатого нагружения образцов использовался механически? пресс 7МЗ-1С7М, скорость деформации составляла 0,5 ¡дл/миц. Нагрузка Р подавалась с увеличениям лР = 0.05 R (R - средний предел прочности образцов), с выдер-чуо9 на кя1п<>'.1 от уцени ь точии^с. ¿t ~ 2CD с» '¿п промя збразпа на L -й ступени нагруяенля, вследствие происходящих в ыа-г9риале релаксационных процессов, обусловленных пластической деформацией и повреюгаемостьп, происходит падение нагрузки а Р£- . Зеличяна суммарной диссипации энергии д WJ- за время л t равна вн-;вобояяенной упругой энергии л Ui и вычисляется в соответствии с шра*ением: = | д ¿t- д ?,' . (1)

где it- - (t -- lt , I, --начальная, - соотвэтетвугдая . L -й :тупени нагружения длина образца). Как показано во второй главе, [зменение величины скрытой внутренней-энергии разрушения tUp он->еделяется, с точностью до постоянного коэффициента, величиной ¡уммарной энергии d££ дискретной последовательности импульсов АЭ. 'вэличение Jr-рытой внутренней днергяи разрушения за время выд-ips-

= ($А])1 (2)

где At - амплитуда импульса АЭ). Лосле определения величин aWi . , для каадой ступени находилась величина экспериментального кустяко-эмиссионного термодинамического параметра попоездаеиости

АЭТ!ПТ-: = = * (з)

кснераментальннй критерий макроскопического разрушила КА опрэ-еляяся для каждой партии образцов при измерении критических значений а и aW* непосредственно перед началом макроскопического азруления: К, = AW (4)

осле нахождения К* , величины К; нормировалась, и при дальней-ем исследования'использовались нормированные А??И1, вычисляете пн различных ступеней нагружения, согласно (3j ч (1) т;ак:

= Vk.= fi-гй"

езульгаты измерений величии ¿W- , аЕ^ , Ki , а также ty , ровставлялась для 'качдого образна в виде таблиц, после чего под-

вергались дальнейшей статистической обработке.

Экспериментальное исследование процессов деструкции'при вда-гопоглодении проводилось на образцах из: 1 - различных видов строительной керамики, 2 - бетонов различных видов, цементное тесто. Образцы погружались в восту, при этом с первых секунд взаимодействия с водной средой к до полного влагонасыщения проводилась непрерывна* регистрация дискретно;: последовательности импульсов АЭ, включавшая ь себя измерение амплитуды А; а времени прихода ^ кап-лого сигнала АЭ. Последующая статистическая обработка результатов включала'в себя разбиение дискретной последовательности импульсов АЭ на выборки, соответствующие различным временным.интервалам ре-г еашш АЭ, .построение нормированных амплитудных распределений икшульсов и>(А) , соответствующих отдельным актам АЗ, и распределений временных интервалов ш(Т) между ними, вычисления величин статистических акустико-эмиссионных параметров и .. Параметр

£а , являющийся количественной мерой- отклонения амплитудного распределения ш(А) от экспоненциального вид;, вычислялся в соответствии с выражением: £ = | / - | (б)

где: Д - средняя амплитуда импульсов АЭ, $А - среднеквадрати-ческое отклонение для- рассматриваемой выборки. Параметр , являющийся количественной мерой отклонения регистрируемого потока событий от пуасеоковского потока независимых событий, вычислялся в соответствии с : - | ^ - х /$г | ^ г, ^

где: Ф средний временной интервал между событиями АЭ, - сре-днеквацратическоэ отклонение для рассматриваемой выборки. Результаты измерений величин А , , , Т , , , представлялись для кавдого образца в вице таблиц. Для установления связи мечсду значенной параметров ^ и с изменением прочностных свойств материалов, проводились разрушающие испытания образцов с различными величина™ параметров ¿^ 1! , достигнутыми в результате деструктивных процессов поп циклическом влагопоглощении.

Для регистрации сигнаюв АЭ .применялась универсальная контрольная акустическая установка АП-12Э разработка ШИШПМ РГУ . Сигкач АЭ с преобразователя через малошумяший широкополосный усилитель (коэффициент усиления 40 дБ), перестраиваемый фильтр (полоса пропускания 100+300 кГц ) и основной усилитель (коэффициент усиления 60 ьБ) рвопплс-т в среднеквадратичный детектор. Срецнеквадра-тическое значение сигнала АЭ регистрировалось самописцем Н338-4П со скоростью протлда.и диаграммной лэнтн I + -10 юл/с.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования процессов диссипации энергии при неупругом деформировании и разрушении различных квазихрудких материалов.

На рис. 1(а,б) представлены экспериментальные зависимости величин &B-Ï и aW{ от нагрузки = /?//? (полученные при церви-начадьном и иоаториои деформирования ооразцов из керамики марки 125) , характеризующие соответственно интенсивность накопления сбытой внутренней энергии разрушения Ùp(О') а суьмарауу мощное гь диссипации упругой энергии W|f<5"). Анализ экспериментальных зависимостей л£г(сг)и ùW(o-) , подученных при однократном ньгруленаи, показывает, что они достаточно полно отражают динамику развития лрскзсссв яг»р9»да<?мооти, а перегибы на кривой л £х(&) соотвотст-вуых ропзрши момента« третинообразоаан^ш [€Г° - начало ootew--го треиинообразовакия, С^ - начало локализации очагов разрушения и развития макротрещин). При повторном де^рцировании в двух-цикловом нагруаении отмечается значительное снижение величин лВ^ и dW; (это явление известно как "эффект Кайзера"), что приводит к искажении динамики зависимостей л Ец(&) и д W(<3~j в сравнении с первоначальной, и невозможности однозначной оценки структурного состояния материала, подвергавшегося предварительному нагружениа.

На рис. 2(а,6} показали зависимости нормированного АУТШ ij , определяемого в соответствии с (5) при первоначальном (а) и повторном (б) нагружении. При иервоначачьном нагруяении д(СТ)пшш-ется монотонно возрастающей зависимостью, а сравнение с рис. i позволяет сделать вывод о соответствии функциональной связи параметров л£г((Т)и динамикой процессов иоь^елдаеиости. при повторном нагружении значение с диапазоне б~< совпадает с величиной АЭТПП для максимальной первоначальной нагрузки что позволяет сделать вывод о сохранении информативных свойств параметра rj при повторном нагрунении. Как показал анализ экспериментальных данных, изменение начала и длительности временного интервала регистрации величин à fcV и й Wi в течение времени ввдерж-ки на i -й ступени нагружения не влияет на величину определяемого АЭТШ1 yiC"). Такое свойство стабильности АЭТПП Ц(<У) выгодно отличает его от энергетического АЭ параметра , при определении которого возникает ряд трудностей, связанных с обоснованным выбором границ временного интервала регистрацил оашадоа A3.

Независимость введенного в данной работе акустнко-эл'исслои-ного термодинамического параметра повреждаемости от предварительного нагружения является его ва-щейшгш свойством, обусловливание

Гио. 1(ч,|1). Экспериментальные зависимости: дЕх^) и палу-

при первоначальном (1) и повторном (2) (максимальная пор-те:"альная нагрузка 6~сп""- 0,85 ) деформировании образцов из

гор-'ликч марки 125 . . - •

ОЛ <Н> ОЛ

а?

I______

О.Ч О.Ь 0.8 <Т

ОЛ 0.6 ОА

о.г

о. г

о. 4 о л а 8 <т

Гпо. 2(а,б). Экепериузнтаяьзяс зависимости нормированного АЭТШ1 у(V;-) , получении? пр^ первоначальном (а) и повторном (б) де-■1 пр"г:РО"г1!ити.

преимущество использования АЗТШ для оценки структурного состояния материалов, в сравнение с известными а^стако-эшсоионнмш параметрами (интенсивность ¡у АЗ, модность £ АЗ), нрочклялилглл сильную зависимость от прецшествудщего нагружзштя. Яругам ьажньм преимуществом АЭТШ1 является возможность определен.!»] с^пини г л»-ретленности исследуемого материала по результатам измерении. на одной из ступеней нагружения, в отличие от необходимости лруги< АЭ параметров измерений б широком длалазоне нагрузок, а глкк-; 01 • оутствиэ ограничений, связанных е размера»/»: иссл^луемы'. поскольку значение АЭТ1Н1 не зависит от них.

Кроме того, из анализа экспериментальных данных, полученных ляя виспврсно-чрмироваьных .'.¡¿¿¡¡а сдолди г? г"

позначном соответствии, шяду величиной анра^гса ^ л их

поврезденности, в отличие от других АЭ параметров, использование которых становится неэффективным из-за их сального искажения, обусловленного значительными изменениями физических механизмов повреждаемости в исследуемых материалах, содержащих волокна.

Таити образом, результаты проведения:* экспериментальных исследований показывают, что использование предложенных в дачной работе акустико-эмиссионных параметров поврв пгаемости и критериев разрушения позволяет значительно рас.ш'рить возможности акустико-эмиссионного метола при изучен!:« кдьетики процессов поп^е ¡ппемоп-ти .лля различных квазихрунких кагериагов.

Э пятой главе приводятся ¡.•'ч'ультатч экспгаримеитапт и:» го иссле • дования процессов повреждаемости в керамических и росст.чвнннх ли материалах при влагопоглошении.

Анализ временного по веден.ш интенсльносы вщил-тт агу.гии АЭ £(Ц позволяет проследить за динамикой развития пслой внугреп-них механических напряжений, обусловливающих процессы деструкция материалов на различных этапах^ ачагопоглотсчл1.. Пак лилич из рттс. 3(а,б), характер зависимости £(1) для »тот ш*. 'I норде тч чагери-алов различен. В пористых материалах процессы впитывания шаги и ее распространения по объему образца протекает достаточно быстро, что приподит к возникновению внутренних напряжений, локализованных преимущественно вблизи крупных пор и шелеи, нызы.чк'эдих аЗ значительно!! :.юшности на начальном этапе алагопоглои^ыл. (¡оолдау.«цоо водонасадение пространства мокву крупными пор?: л приводит к выравниванию локальных напряжений и сояро&очдаотсл - ¡.хениег/ уровнч АЭ, при этом в ряде случаев правая £(Ь) принимает осциллирующий вид, что связано, по-видимому, с неравномерностью длагснасыаекия

é(t), н*?/с

i,0■

го

/2 Ui<?%

Г6 24 с , . V 8

Рис. 3(а,б). Выделение энергии АЭ Е(Ь) при первоначальном (1) и повторном (2) влагопоглощегаш для образцов из керамики марки 125 (плотной) и керамики марки 75 (пористой).

о. г

0.2

OJ

о. он

ОЛ

0.2

3 <5 9 {2 Ыо,с

L

O.ZH

см

с. о8

о: :^:niri3ZEZZi

é t*{Ó?c

г 1 Г

ЗПГХИ

Рис. 4(я,б). Изменение параметров к <СГ при циклическом вла-гопоглощзнии ел я образцов из керамик« марки 125. (а) и марки 75 (6).

и расширения относительно больших структурных объемов материала. В более плотных материалах процессы впитывания влаги и ее распространения по объему по системе микропор и микрощчлей iutyi ;<íi;j4u í<3-льно медленней, что приводит к относительно равномерного <Корш1ро-ванию полей внутренних напряжений и их релаксации, эаилйашй: длительный период времени, tía начальном этапе алагопогло1це(ын >л-мечаатся практически полное отсутствие АЭ, что свидетели с ntyt: з достаточно медленном развитии полей внутренних напряжений. Лай,-нейшее влагопоглощение сопровождается неравномерным пьдг;лс;Г!::л*-«йргяя АЗ, связанной по-видимому с развитием процессов емостя, об условленных различной "типенью влагонасыщенноста о-т дельных структурных объемов материала, .ткешграгпггн*кыш зачтчлпегь

имеет вид затухающей осциллирующей кривой, чго вует о постепенном выравнивании поля напряжений. Следует отметить при этом, что на заключительном этапе влагопоглошшшя É(í ) принимает вид плавно спадающей кривой, свидетельствующей об остаточном пола градиентных напряжений, обусловленных различным влагонасыщенном внешних и внутренних слоев образца. iíaK видно из рис. 3(а,б), при повторном влагопоглощении наблюдается сохранение общего вида экспериментальных зависимостей E(í}, однако отмечается значительное уменьшение интенсивности выделения энергии АЭ, чгс но'льотег говорить о эффекте невосироизводимости АЭ при повторном anaivuior-лощении, аналогичном эффекту Кайзера при повторном де^оши^ш-гнии.

Как показь ает анализ амплитудного и временного спектра АЭ, по мере развития процессов деструкции при вшчшоглоцмши ¡иарао-тает степень корреляции между отдельными актами разрушении, что приводит к значительным изменениям характера шштуднык распределений w(A) импульсов АЭ и функции распределения временных >шгерва-лов между ними. На рис. 4(а,б) представлены экспериментальное зависимости, характеризующие изменение статлстичьокил АО нчрчмвт-

керамических материалов. Из анализа экспериментальных данных, мокни спелатъ заключение о том, что для плотных керамических материалов (рис. 4,а ) основные деструктивные процессы развиваются в ходе первоначального влагопоглощения и последующие алии не .жа:»к"Гйот существенного влияния на структурное состояние материал. Н к> же время, для пористых керамических материалов (¡¡.к. 4,6 ) отмечается тенденция к развитию процессов повреждаемости при иерводачес-ком воздействии водной среды на них при циклическом влаиноглоы-з-нии. Проведенные разрушающие испытания позволяют сделать вывод о

соответствии мэтду изменением прочностных свойств исследуемых образцов и величиной параметров дА и , достигнутой в результате пшллчвского влагопэглояенкя.

Такж образом, результаты проведенных экспериментальных исследований показывают, что применение разработанной автором мето— ппкч, основанной на статистическом анализе амплитудных и времен-них спектров сигналов АЭ, для изучения процессов повреждаемости кэра'шческпх и родственных им материалов в водной среде позволяет получать ценную информация о физических механизмах разрушения твердых тел с участием воды, а также производить оценку структурного состояния и прогнозировать изменение прочностных свойств материалов, подвергающихся воздействию водной среды.

ОСНОВШВ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненных в диссертационной работе исслэдова-няй акус.токеханических явлений в керамических- и родственных им уатеркапах при неупругом деформировании и влагопоглощении открыт глт. закономерностей, позволяющих расширить представления о физических основах акуотико-эшссиашшх методов исследования структуру к фрзяко-мзханических свойств материалов, а такяе создать экс-няри.гентадьную базу для разработки и практической реализации конкретных методик опенки структурного состояния и прогнозирования чтючностних свойств херашчвеких и родственных им материалов в гслошчх их рзапьной эксплуатации.

Основные результаты работы можно сформулировать следующий образом:

1, Проведен феноменологически* анализ закономерностей пластической деформации, повревдаеютстй к разрушения квазакрупкях мата- . риалов с позиций термодинамической концепция проччэотк и прэдстав--•¡екай об эволюции структурных уровней деформации и разрушения, в результате чего:

а) показано, что развитие процессов повреждаемости в деформируемы* квазихрунких материалах сопровождается изменением функциональных ролей основных составляющих термодинамического баланса диссипация, связанных с яакос-гкжигем скрытой внутренней энергии разруган«« и тепловым эффектом пластической деформации Сп ;

б) сделан вывод о возможности использования в'качестве пара-метроо повреждаемости и критериев разр/иэния твердого тяла некоторых -жспврпмэитально-опреяелч&мы*. величин, характаризуюадх соэтно-. ьение мед.ду мощностями основных составляющих термодинамического баланса диссипации анергии, при неупругом деформировании .

предложен новый акустико-эмаосионннй термодинамический параметр поврачсдаомости ^ , характеризующий относительна пклад интенсивности накопления скрытой внутренней энергии разрушения йр (оцениваемой по интенсивности вцц-зленич энергии ЛЭ £х] и ■

марную мощность диссипации энергии V/ при неупругом двд.ормиро-вании твердого тела;

г^ разработана методика экспериментального исолвдсшиши процессов диссипации энергии при неупругом деформировании квааа-хрупких материалов, основанная {¡а одновременной регистрации пне--^.»»гоплш параметров АЭ и определении величины необратида -ча-тратвяной анерпш А у/ в уедиазях «уяолпвого квазистатичоского нагруаення; . '

2. Проведено экспериментальное исследование процессов д«с<>й-пации энергии при неупругом деформировании различных квазихрупких материалов, с использованием метода АЭ для изучения кинетики накопления скрытой внутренней энергии разрушения IIе , в результата чего: ' ',

а) экспериментально установлен характер'взаимосвязи между закономерностями пластической деформации, повреждаемости и разрушения и динамикой основных составляющих термодинамического бапаи-са диссипации энергии при неупругом деформировании и разрушении различных квазихрупких материалов;

б) экспериментально подтверчутоно предположение о том, что развитие процессов повреждаемости структуры деформируемых кьазн-хрупких материалов сопровождается возрастанием относительного вклада интенсивности накопления скрытой. чнугренноЯ энергии разрушения и~Р в суммарную мощность дисснпаяии \д/ ;

в) экспериментально показано существование однозначной Функциональной связи мо-«ду величиной акустико-ямиссионного термодинамического параметра повреждаемости у и структурным состоянием деформируемых квазихруиких материалов}

г) сделан вывод о том,' что предложенный акустико-эмиссионный термодинамический' параметр повреждаемости у является достаточно стабильной и универсальной акустико-змиосаонпой характеристикой степени поврелденности квагахрупких матариалов, яозволчмиой опрепелить их структурное состояние независимо от предшествующего деформирования и условий регистрация скгнало» А).

3. Проведен феноменологический анализ физико-мехшичаеких

и физико-химических явлений, протекающих в керамических и родственник им материалов при влагопоглощении, в результате чего:

а) показано, что на различных этапах алагопоглощения в керамических и родственных им материалах формируются поля внутренних механических напряжений, приводящие к развитию процессов повреждаемости;

б) сделан вывод о том, что процессы разрушения структуры керамических и родственных им материалов при влагопоглощении существенно облегчаются всвязи со значительным снижением активаиионных барьеров разрыва межатомных связей У{&), идущего преимущественно путем механически стимулированного гидролиза, а также значительным понижением термодинамической свободной энергии поверхностей разрушения $> Г? в результате адсорбции;

в) предложено использование для оценки степени поврежденнос-ти структуры керамических и родственных им материалов на различных этапах процесса влагопоглощения статистических акустико-эмис-сионкых параметров: - количественной меры отклонения амплитудного. распределения импульсов АЭ ш{А) от экспоненциального вида, и - количественной меры отклонения регистрируемого потока событий АЭ от пуассоновского потока независимых событий;

г) разработана методика экспериментального исследования процессов повреждаемости керамических и родственных им материалов в водной среде, основанная на статистическом анализе амплитудного и временного спектров сигналов АЭ.

4. Проведено экспериментальное исследование процессов деструкции керамических и родственных им материалов при влагопоглощении, основанное на изучении амплитудного и временного спектров регистрируемых' сигналов АЭ, в результате чего:

а) экспериментально установлен характер взаимосвязи ме:аду кинетикой процессов повреждаемости в керамических и родственных им материатах при влагопоглощении с одной стороны, я энергетичес-к:ши, а-тллятудннш и временными параметрами АЭ с другой;

й) экспериментально подтверждено предположение о возрастании степени корреляции между отдельными актами разрушения с развитием процессов повреждаемости структуры керамических и родственных им материалов при их взаимодействии с водной средой;

в) экспериментально показана однозначная функциональная связь между величиной статистических акустяко-эмиесионных параметров и с одной стороны, и степенью повречдекности структуры керамических к родственных им материалов на различных ,этапа< влагопоглошения, с другой;

г] сделан вывод о возможности использования статистических

акустико-эмиссионных параметров и для оценки влагостойкости и прогнозирования прочностных свойств керамических и родственных им материалов, подвергающихся воздействию водной сроды.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИМЫ ДИССЗРТАЦИЙ С'НУй'ЛШАНи В РАБОТАХ

1. Еемлянкин Г.И., Хривогазев И.В., Прус а).В., Трлпалин A.C. Акустическая эмиссия в бетонах при влагопоглощении // Тез. дом. 2-й Всесзюз. конф. по акустической эмиссии. - Кишинев, 1937. ~ С. 79-80.

?. пру« ю.В. Экспериментальное исследование A3 цементного теста, аркяро?*шного шдашроааленовнм вс «окном // уупп-йя

и сист. автоматики в строит. произв. л ic«u.-ком. хоз-во, -Ростов н/Д: Рост. инж.-строит. ин-т, 1989. - G. 29-34.

3. Прус Ю.В. Акустико-эмиссионннй термодинамический метод определения состояния поврежденности и прогнозирования прочностных свойств хрупких и квазихрупких материалов, - 1991. - 43 с. -Деп. в ВИНИТИ Л 4039-В91.

4. Прус ¡0.3. Динамическая тепловая томография изделий яз диэлектрических материалов. - 1991. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ Л 1372-В91.

5. Прус Ю.В. Современные физические методы неразрушодого контроля изделий из диэлектрических керамических материалов (обзор). -1991. - 79 с. - Деп. в ВИНИТ!! № 4147-В91.

6. Прус Ю.В, Температурные поля электрической диссипации и их использование для теплового неразрущаягего контроля изделий из диэлектрически керамических материалов, - 1991. - 46 с. - Деп. в ВИНИТИ Л 4041-В91.

7. Прус Ю.В. Акустическая эмиссия в керамических материалах и бетонах при влагопоглощении. - 1992. - 42 о. - Деп. в ВИНИТИ 647-В92.

8. Прус Ю.В. 0 стабильной акустоэмиссионной <арактеристкке степени поврежденности хрупких материалов // Известия ВУЗов. Физика.

- 1994. - J» 4. - С. 62-67.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЗРА17РА

1. Андрейкив А.Е., Лысах И,В. Метод акустической эмиссии в исследовании процессов разрушения. - Киев: Наук. Ду:/'<я, i.9B9. - 176 с.

2. Трипалин A.C., Буйло С.И. Акустическая эмиссия, ьизнко-механл-ческие аспекты, - Ростов н/Д: Изд-во Ростовского ун-та, 1SB6. -160 с.

3. Петров В.А. Термодинамический подход к микромеханико'разрушения тпзрлых тел // i>TT. - 1933. - ¿5, вял. 10. - С. 3110-3112.

4. Веттэгмкь В.'Д., Лазарев С.О., Петров В.А. Физические основы кинетики разрушения материалов. - Л.; ЛЭТИ, 1939. - 247 с.

5. Степанов В.Д., Яесчанская H.H., Е!пэйзман В.В. Прочность и релаксационные нмения в твердых телах. -Д.: Наука, 1934. - 246 с. ö. Tovooa Р. Физика разрушения // Атомистика разрушения (сб. ста-те>!) . - !.!.: Мир, 1987. - С. 104-145.

7. Таранов З.М., Кудрявцев З.М, Использование кинетической теории разрушения для определения параметров акустико-эмиссионных сигналов при докриткчаском роста трещин в твердых телах // Акустическая эмиссия гетерогенных материалов (сб. н. тр.). - Л.: ЛИИ,

1986. - С. 22-28. .

3. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тал. - Ташкент: Фан, 1979. - 224 с.

9. Гепоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. - Тапкент: Фан, 1585. - 168 с . : .•

10. Панин В.К., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни де-(Тормштип твердых тел. - Новосибирск: Наука, ,1985. - 230 с.

11. Панин В."2., Гриняев Ю.В. . Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения.—. Новосибирск: Наука, 1Э90. - 255 с. ' \ ' с....;. .. <';

12. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах, ; ✓пзико-химичэская механика. -VI.:' Наука, 1979. - 384 'с.

13. Карпенко Г.В. Физико-химическая механика конструкционных ка-гориалов. - Киев:' Наук. Думка, .19851;- ТЛ,.- 228 с.

14. Бернтатейн В.А. Мехаяогидрол яти чебкие процессы и прочность гнерлкх тел. - Л'.: Наука, 1S87, - 318 с. V ' - '