Явление электромагнитной эмиссии диэлектрических материалов привлекает внимание исследователей возможностями его практического применения в методах неразрушающего контроля дефектности и напряженно-деформированного состояния [2–8]. Электромагнитная эмиссия определяется наличием в материалах источников механоэлектрических преобразований (МЭП) и взаимодействием акустических колебаний с ними.
Суть метода заключается в следующем. В объекте исследования возбуждается акустическая волна, которая, распространяясь по материалу, отражается от границ и претерпевает искажения, связанные с его внутренней дефектностью и неоднородностью, воздействует на источники МЭП. При этом возникает переменное электромагнитное поле, которое можно регистрировать по электрической или магнитной составляющей. Источниками МЭП в диэлектрических материалах могут быть двойные электрические слои на границе раздела разнородных материалов, дефекты разного рода в виде, например, пор, трещин, локальные градиенты плотности материала в условиях напряженно-деформированного состояния, включения с пьезоэлектрическими свойствами.
Целью настоящей работы является определение критерия, закономерно отражающего напряженно-деформированное состояние (НДС) исследуемых материалов.
Материал и методика исследования
Описание методики измерений приведено в работах [2,3,5-8].
Эксперименты проводились на образцах из эпоксидной смолы размером 6х7.8х9.2 см3 с песчаным наполнителем. Измеренная скорость распространения продольных волн в этих образцах составила 1800 м/сек. Пьезоэлектрический источник расположен на грани образца размером 6х9.2 см2. Емкостной датчик установлен параллельно грани образца размером 9.2х7.8 см2 на расстоянии 0.1 см от поверхности.
Образцы подвергались одноосному сжатию со стороны грани образца размером 6х7,8 cm2 на испытательной машине МИС – 500К. Нагрузка увеличивалась от 0 кН вплоть до разрушения ступенчато с шагом 20 кН. В экспериментах при каждом фиксированном значении нагрузки с помощью платы сбора информации NIPCI - 6133 регистрировалась временная реализация откликов от источников МЭП при их активации 140 акустическими импульсами, следующих с периодом 7 mс. Частоты спектра акустического импульса располагаются в диапазоне от 50kH до125kH[4]. При последующем анализе использовались отклики, усредненные по всей временной реализации. Дисперсия в экспериментах не превышала 5%.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты экспериментов и анализа приведены на рисунках 1-4.
Наиболее оптимальным параметром, выбранным в качестве критерия контроля изменений, происходящих в объекте под действием нагрузок, было определено значение амплитуды при частоте равной нулю Ki амплитудно – частотной характеристики функции Ri= Aо*Ai - Ao*Ao. Ао – отклик МЭП при нагрузке, равной нулю. Ai – отклик МЭП для текущей нагрузки i
Рис.1.Зависимость давления, действующего на образец №1, от времени
Рис.2.Зависимость параметра К от давления для образца №1
На рисунке 1 и рисунке 2 приведены нагрузочная зависимость и зависимость параметра К от приложенного давления соответственно для образца №1. Видно, что обе зависимости имеют линейный характер. Исходя из этого сделано заключение, что характер нагружения определяет характер зависимости параметра К от давления. Такое заключение подтверждают результаты экспериментов на образце №2 (рис. 3 и рис. 4). В этом случае давление на образец во времени линейно увеличивалась до 52 МПа. Выше 52 МПа после каждого увеличения давление поддерживалось постоянным какой-то промежуток времени. Зависимость К от давления до 52 МПа также линейна с особенностью на 17 МПа. Затем до 71 МПа наблюдается провал на зависимости и вновь линейность вплоть до разрушения. Таким образом, и в случае нелинейной зависимости нагружения от времени характер нагружения определяет характер зависимости параметра К от давления.
Резкое изменение значения параметра К на 17 МПа может быть объяснена концентрацией напряжений в зоне уже существующих в объёме образца дефектов. Провал на зависимости от 52 МПа до 71 МПа объясняется релаксационными процессами в объеме, связанные с интенсивным движением и размножением дислокаций, образованием микротрещин.
Рис.3.Зависимость давления, действующего на образец №2, от времени
При проведении анализа экспериментальных данных привлекло внимание следующее. Известно [1], что весь процесс деформирования твердых тел сопровождается акустической эмиссией, уровень которой увеличивается с увеличением скорости деформации.
Рис.4.Зависимость параметра К от давления для образца №2
Причем для образцов с дефектом характерно присутствие дополнительного максимума акустической эмиссии при нагрузках, существенно меньших уровня максимальных значений. Напряжение, при котором возникает этот максимум, зависит от формы и размеров дефектов. Второй максимум в дефектных образцах появляется при напряжении, которому соответствует максимум в бездефектных образцах.
Сравнение закономерности изменения параметра К от нагрузки с закономерностью поведения акустической эмиссии от нагрузки позволяет говорить об их общей направленности и зависимости от одних и тех же физических процессов, происходящих в твердых телах под нагрузкой.
Выводы или заключение
Таким образом, характер нагружения определяет характер зависимости параметра К от давления. Полученный результат предполагает использование совокупного параметра К в качестве критерия контроля напряженно-деформированного состояния изделий и конструкций из диэлектрических материалов. Кроме того, общность закономерности изменения параметра К от нагрузки с закономерностью поведения акустической эмиссии от нагрузки, позволяет предположить совокупный вклад в генерацию электромагнитной эмиссии как зондирующего акустического импульса, так и импульса акустической эмиссии.
Рецензенты:
Гынгазов С.А., д.т.н., в.н.с., Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск;
Фурса Т.В., д.т.н,, в.н.с., Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.