Electronic Journal Technical Acoustics ISSN 1819-2408

Karabutov A. A., Kobeleva L. I., Podymova N. B., Chernyshova T. A.

Laser optoacoustic method for local elastic moduli measurement of particle reinforced metal matrix

language: Russian

received 28.10.2008, published 28.11.2008

Download article (PDF, 410 kb, ZIP), use browser command "Save Target As..."
To read this document you need Adobe Acrobat © Reader software, which is simple to use and available at no cost. Use version 4.0 or higher. You can download software from Adobe site (http://www.adobe.com/).

ABSTRACT

Laser optoacoustic method for local elastic moduli measurement of isotropic particle reinforced metal matrix composites is proposed and realized experimentally. The method is based on measurements of phase velocities of longitudinal and shear acoustic waves in samples under testing in the frequency range 0,2…50 MHz. Wideband acoustic pulses are produced by laser thermooptical effect. The thickness of samples under testing is 0,1…70 mm, minimal lateral dimensions - 10×10 mm. The lateral locality of measurements is 1…2 mm, the relative error of Young’s modulus measurement doesn’t exceed 6%, the shear modulus - 4%, Poisson’s ratio - 5%. The local values of elastic moduli of metal matrix composites based on aluminum alloys reinforced by particles of SiC with mean size of 14 and 28 micrometers, as well as by nanoparticles of Al₂O₃ are measured. The developed laser optoacoustic method enables one to analyze experimentally the influence of matrix chemical composition, as well as the composition, sizes and the concentration of reinforced particles on elastic properties of composite materials.

Key words: laser optoacoustic method, longitudinal and shear acoustic waves, phase velocity, elastic moduli of composite materials

15 pages, 5 figures

Сitation: Karabutov A. A., Kobeleva L. I., Podymova N. B., Chernyshova T. A.. Laser optoacoustic method for local elastic moduli measurement of particle reinforced metal matrix. Electronic Journal “Technical Acoustics”, http://www.ejta.org, 2008, 19.

REFERENCES

1. Крюков И. И., Агузумцян В. Г. Ультразвуковой теневой дефектоскоп для контроля структурно-неоднородных материалов. Заводская лаборатория, № 1, с. 28–31, 1998.
2. Баранов В. М., Карасевич В. А., Сарычев Г. А. Усталостные испытания материалов в экстремальных условиях с применением акустического метода. Заводская лаборатория, № 9, с. 55–59, 2003.
3. Fitting D. W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. New York, Plenum Press, 1981.
4. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Москва, Мир, 1972.
5. Nicoletti D., Anderson A. Determination of grain size distribution from ultrasonic attenuation. Transformation and inversion. J. Acoust. Soc. Am., v. 101, № 3, p. 686–689, 1997.
6. Zang X.-G., Simpson W. A., Vitek J. M., et. al. Ultrasonic attenuation due to grain boundary scattering in copper and copper-aluminum. J. Acoust. Soc. Am., v. 116, № 1, p. 109–116, 2004.
7. Layman C., Murthy N. S., Yang R.-B., et. al. The interaction of ultrasound with particulate composites. J. Acoust. Soc. Am., v. 119, № 3, p. 1449–1456, 2006.
8. Дятлова Е. Н., Кольцова И. С., Майсун М. Экспериментальное исследование скорости ультразвуковых волн в дисперсных средах. Акустич. журн., т. 48, № 1, с. 52–59, 2002.
9. Кольцова И. С., Зиновьева Е. Н., Михалев А. Ю. Скорость ультразвуковых волн в феррокомпозитах. Акустич. журн., т. 51, № 5, с. 658–662, 2005.
10. Алымов В.Т., Буров А.Е., Кокшаров И.И., Москвичев В.В. Применение методов неразрушающего контроля для обнаружения макроскопических дефектов в волокнистом композиционном материале. Заводская лаборатория, № 10, с. 26–29, 2001.
11. Велев Г. Ст., Латковски В. В. Метод исследования материалов ультразвуком. Электронный журнал «Техническая акустика», http://ejta.org, 2003, 11.
12. Карабутов А. А., Керштейн И. М., Пеливанов И. М., Подымова Н. Б. Исследование упругих свойств однонаправленных графитоэпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. Механика композитных материалов, т. 34, № 6, с. 811–822, 1998.
13. Карабутов А. А., Керштейн И. М., Пеливанов И. М., Подымова Н. Б. Распространение продольных и сдвиговых акустических видеоимпульсов в графито-эпоксидных композитах. Акустич. журн., т. 45, № 1, с. 86–91, 1999.
14. Pritz T. Measurement methods of complex Poisson’s ratio of viscoelastic materials. Appl. Acoustics, v. 60, № 3, p. 279–292. 2000.
15. Plesek J., Kolman R., Landa M. Using finite element method for the determination of elastic moduli by resonant ultrasound spectroscopy. J. Acoust. Soc. Am., v. 116, № 1, p. 282–287, 2004.
16. Norris A. N. Elastic moduli approximation of higher symmetry for the acoustical properties of an anisotropic material. J. Acoust. Soc. Am., v. 119, № 4, p. 2114–2121, 2006.
17. Меркулов Л. Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах. ЖТФ, т. 26, № 1, c. 64–75, 1956.
18. Beecham D. Ultrasonic scatter in metals: its properties and its application to grain size determination. Ultrasonics, v. 4, № 1, p. 67–76, 1966.
19. Stanke F. E., Kino G. S. A unified theory for elastic wave propagation in polycrystalline materials. J. Acoust. Soc. Am., v. 75, № 3, p. 665–681, 1984.
20. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. Москва, Наука, 1991.
21. Aindow A. M., Dewhurst R. J., Hutchins D. A., Palmer S. B. Laser-generated ultrasonic pulses at free metal surfaces. J. Acoust. Soc. Am., v. 69, № 2, p. 449–455, 1981.
22. Bescond C., Audoin B., Deschamps M., Qian M. Measurement by laser generated ultrasound of the stiffness tensor of an anisotropic material. Acta Acustica, v. 88, № 1, p. 50–59, 2002.
23. Arias I., Achenbach J. D. Thermoelastic generation of ultrasound by line-focused laser irradiation. Int. J. of Solids and Structures, v. 40, p. 6917–6935, 2003.
24. Hurley D. H. Laser-generated thermoelastic acoustic sources in anisotropic materials. J. Acoust. Soc. Am., v. 115, № 5, p. 2054–2058, 2004.
25. Zhang F., Krishnaswamy S., Lilley C. M. Bulk-wave and guided-wave photoacoustic evaluation of the mechanical properties of aluminum/silicon nitride double-layer thin films. Ultrasonics, v. 45, № 1–4, p. 66–76, 2006.
26. Чернышова Т. А., Курганова Ю. А., Кобелева Л. И., Болотова Л. К., и др. Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упрочненных частицами, для пар трения скольжения. Конструкции из композиционных материалов, вып. 3, с. 38–48, 2007.
27. Sachse W., Kim K. Y. Quantitative acoustic emission and failure mechanics of composite materials. Ultrasonics, v. 25, № 7, p. 195–203, 1987.
28. Физические величины. Справочник. (ред. Григорьев И. С., Мейлихов Е. З.). Москва, Энергоатомиздат, 1991.
29. Жаркий С. М., Карабутов А. А., Пеливанов И. М., Подымова Н. Б., и др. Исследование слоев пористого кремния лазерным ультразвуковым методом. Физика и техника полупроводников, т. 32, № 10, с. 485–489, 2003.
30. Белов М. А., Карабутов А. А., Пеливанов И. М., Подымова Н. Б. Диагностика пористости графитоэпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. Контроль. Диагностика, № 2, с. 48–54, 2003.
31. Поляков В. В., Головин В. А. Влияние пористости на скорость ультразвуковых волн в металлах. Письма в ЖТФ, т. 20, № 11, с. 54–57, 1994.

		Alexander Karabutov - Doctor of Science, Professor. Laser optoacoustics lababoratory at International Laser Center of M.V. Lomonosov Moscow State University. Leninskie Gory, МSU, Moscow 119991, Russia. Scientific interests: laser optoacoustics, laser ultrasound, nondestructive testing, optoacoustic tomography. http://ilc.phys.msu.ru aak(at)ilc.edu.ru +7 (495) 939-53-09
		Natalia Podymova - Ph. D., Assistant Professor. Physics Faculty of M.V. Lomonosov Moscow State University. Leninskie Gory, МSU, Moscow 119991, Russia. Scientific interests: laser optoacoustics, laser ultrasound, nondestructive testing, investigation of acoustic properties of condensed inhomogeneous materials, wideband acoustic spectroscopy. http://www.phys.msu.ru npodymova(at)mail.ru +7 (495) 939-53-09
		Tatiana Chernyshova - Doctor of Science, Professor, Principal Researcher. Strength and plasticity of metal and composite materials and nanomaterials lab. A.A.Baikov Institute of Metallurgy and Material Science RAS. Leninsky Prospect 49, Moscow 117334, Russia. Scientific interests: physical metallurgy of composite materials, tribology, bondability, castability. http://www.imet.ac.ru chern(at)ultra.imet.ac.ru +7 (499) 135-96-52
		Lyubov’ Kobeleva - Ph.D., Senior Researcher. Strength and plasticity of metal and composite materials and nanomaterials lab. A.A.Baikov Institute of Metallurgy and Material Science RAS. Leninsky Prospect 49, Moscow 117334, Russia. Scientific interests: physical metallurgy of composite materials, tribology, castability. http://www.imet.ac.ru chern(at)ultra.imet.ac.ru +7 (499) 135-87-21