Электронный журнал «Техническая акустика» ISSN 1819-2408

А. А. Карабутов, Л. И. Кобелева, Н. Б. Подымова, Т. А. Чернышова

Лазерный оптико-акустический метод локального измерения упругих модулей композиционных материалов, упрочненных частицами

язык: русский

получена 28.10.2008, опубликована 28.11.2008

Скачать статью (PDF, 410 кб, ZIP), используйте команду браузера "Сохранить объект как..."
Для чтения и распечатки статьи используйте «Adobe Acrobat© Reader» версии 4.0 или выше. Эта программа является бесплатной, ее можно получить на веб-сайте компании Adobe© (http://www.adobe.com/).

АННОТАЦИЯ

Предложен и экспериментально реализован лазерный оптико-акустический метод локального измерения упругих модулей изотропных композиционных материалов. Метод основан на измерении фазовых скоростей продольных и сдвиговых акустических волн в образцах в спектральном диапазоне 0,2…50 МГц. Получение широкополосных акустических импульсов происходит за счет лазерного термооптического механизма возбуждения ультразвука. Толщина исследуемых образцов может составлять 0,1…70 мм, поперечные размеры - от 10 мм. Локальность измерений в поперечном направлении составляет 1…2 мм, максимальная относительная погрешность определения модуля Юнга - 6%, модуля сдвига - 4%, коэффициента Пуассона - 5%. Измерены локальные значения упругих модулей композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов АК12М2МгН и АК12, упрочненных частицами SiC со средним диаметром 14 мкм и 28 мкм, а также наночастицами Al₂O₃. Разработанный лазерный ультразвуковой метод дает возможность проводить экспериментальный анализ влияния химического состава матрицы, а также состава, размеров и концентрации упрочняющих частиц на упругие свойства композиционных материалов.

Ключевые слова: лазерный оптико-акустический метод, продольные и сдвиговые акустические волны, фазовая скорость, упругие модули композиционных материалов.

15 страниц, 5 иллюстраций

Как сослаться на статью: А. А. Карабутов, Л. И. Кобелева, Н. Б. Подымова, Т. А. Чернышова. Лазерный оптико-акустический метод локального измерения упругих модулей композиционных материалов, упрочненных частицами. Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, 2008, 19.

ЛИТЕРАТУРА

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.

		Александр Алексеевич Карабутов - доктор физико-математических наук, профессор. Лаборатория лазерной оптоакустики Международного учебно-научного лазерного центра МГУ им. М.В.Ломоносова. 119991, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия. Научные интересы: лазерная оптоакустика, лазерный ультразвук, неразрушающий контроль, оптико-акустическая томография. http://ilc.phys.msu.ru aak(at)ilc.edu.ru тел. +7 (495) 939-53-09 begin_of_the_skype_highlighting              +7 (495) 939-53-09      end_of_the_skype_highlighting
		Наталья Борисовна Подымова - кандидат физико-математических наук, старший преподаватель. Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. 119991, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия. Научные интересы: лазерная оптоакустика, лазерный ультразвук, неразрушающий контроль, исследование акустических свойств неоднородных конденсированных сред, широкополосная акустическая спектроскопия. http://www.phys.msu.ru npodymova(at)mail.ru тел. +7 (495) 939-53-09
		Татьяна Александровна Чернышова - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник. Лаборатория прочности и пластичности металлических и композиционных материалов и наноматериалов. Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН. 117334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 49. Научные интересы: физическое металловедение композиционных материалов, трибология, свариваемость, литейные свойства. http://www.imet.ac.ru chern(at)ultra.imet.ac.ru тел. +7 (499) 135-96-52
		Любовь Ивановна Кобелева - кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Лаборатория прочности и пластичности металлических и композиционных материалов и наноматериалов. Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН. 117334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 49. Научные интересы: физическое металловедение композиционных материалов, трибология, литейные свойства. http://www.imet.ac.ru chern(at)ultra.imet.ac.ru тел. +7 (499) 135-87-21