Наличие о исследуемом объекте анизотропии структуры, а следовательно и характеристик упругости, позволяет использовать акустические методы для ее оценки. Измерения анизотропии могут быть основаны на использовании зависимостей резонансной частоты образца от его ориентации относительно возбудителя колебаний и изменения резонансной частоты пробного стержня от ориентации плоскости его нагибных колебаний относительно образца при их упругом контакте.
Рис. 5.13. Зависимость резонансной частоты образца из урана от его ориентации относительно возбуждающего элемента
В случае образца в форме диска наличие у него анизотропии упругих свойств приводит к растеплению резонансных частот образцов на две. При изменении ориентации образца относительно возбуждающего звукопровода установки изменение резонансных частот характеризуется гармонической зависимостью от угла φ, причем число периодов определяется числом узловых диаметров моды колебаний.
Отклонения резонансных частот от собственных частот вычисленных в предположении изотропности материала, зависят от степени анизотропии модуля упругости ΔЕ/Е к могут служит ее мерой. Кроме того, амплитуда осцилляций частот также зависит от степени анизотропии материала.
Расчетные формулы для изгибных колебаний образцов в форме диска получены в (45). Несмотря на их сложность, они позволяют сделать вывод, что в первом приближении относительная разность средних частот связана с анизотропией модуля упругости.
На рис. 5.13 приведены зависимости резонансных частот образца из урана в виде диска диаметром 14 и толщиной 5 мм от его ориентации в установке. Измерения проведены для колебаний, характеризующихся наличием одного узлового диаметра. Количество максимумов и минимумов находится в соответствии с количеством узловых диаметров моды колебаний, возбужденной в образце. Среднее изменение частоты колебаний образца составляет 0,15%, т. е. для взаимно перпендикулярных ориентацией изменение модуля составляет 0,3%. Полученные оценки согласуются с известными данными об анизотропии урановых образцов.
При использовании пробного стержня в его конец запрессовывается стальной шарик, а прикладываемая к стержню нагрузка выбирается небольшой, с тем чтобы в зоне контакта преобладали упругие деформации, приводящие к изменению резонансных частот нагибных колебаний, На этой основе предложены и разработаны способы определения анизотропии свойств и степени однородности материалов и изделий [15]. Для этого в стержне возбуждают резонансные изгибные колебания с заданным направлением колебательных смещений и регистрируют приращения резонансной частоты, возникающие в результате контакта стержня с изделием (образцом).
Изменяя ориентацию колебаний, например поворачивая стержень вокруг собственной оси, измеряют изменения резонансной частоты, обусловленные изменением ориентации, и используют их в качестве меры анизотропии материала. Изменение ориентации стержня не обязательно, можно возбуждать его колебания в разных плоскостях. Повторение измерении на различных участках поверхности изделия или образца позволяет выявить неоднородность свойств материала. Существенно, что выбором формы и материала наконечника стержня, а также величины нагрузки на него можно обеспечить упругий характер контакта стержня с изделием, т. е. метод измерений является не только неразрушающим, но и неповреждающим. Возможен, напротив, режим нагружения, при котором создастся пластическое течение материала под индентором, и кроме характеристик упругих свойств образца можно определить микротвердость его материала, что увеличивает объем информации, получаемой в процессе единичного нагружения.
Рис. 5.14. Конструкция пьезоизлучателя и схема его закрепления на измерительном стержне при измерении анизотропии свойств образца:
1 — измерительный стержень; 2 — оправка; 3 —корпус; 4 — пружина; 5 —шайба; 6 — жила кабеля; 7 — втулка; 8 — пьезоэлемент: 9 — винт
Тщательное экспериментальное исследование погрешностей измерений в соответствии с изложенным принципом позволило сделать следующие выводы:
кривизна исследуемой поверхности практически не увеличивает случайной погрешности результатов измерений в пределах отношения диаметра площадки контакта к радиусу кривизны, по крайней мере от 0 до 0,01;
для устранения погрешностей, связанных с резонансными явлениями в образцах, необходимо демпфировать и жестко закреплять образцы или выбирать режим работы, при котором резонансу стержня соответствует антирезонанс образца;
влиянием отклонения угла между осью стержня и поверхностью образца в зоне контакта от 90° можно пренебречь, если это отклонение не превышает 1,5°;
способ закрепления пьезопреобразователя и конструкция, обеспечивающая закрепление, должны быть тщательно продуманы и испытаны. В частности, по крайней мере один преобразователь может быть закреплен на массивном элементе, в который заделан пробный стержень.
Конструкция пьезонзлучателя и схема закрепления его на измерительном стержне, при которой к минимуму сводится влияние массы излучателя на резонансные частоты стержня, приведены на рис. 5.14. Получаемые при таком закреплении результаты в пределах случайных погрешностей совпадают с полученными при бесконтактном электромагнитном возбуждении, т. е. систематическая погрешность практически отсутствует. Кроме того, при закреплении излучателя на ребре стержня эффективно возбуждаются изгибные колебания последнего в обеих возможных плоскостях. Практически полное исключение систематической погрешности измерения резонансных частот достигается также при градуировке измерительной системы.
Возможный источник случайных погрешностей —шероховатость поверхности, которая может быть существенной при контроле реальных изделий. При использовании наконечника-индектора в виде сферы диаметром 3 мм и нагрузке на пего 2—9 Н под индентором сминаются неровности высотой около 1,5 мкм.
Следовательно, неровности такого и меньшего размеров не влияют на результаты, что позволяет проводить измерения на оболочках твэлов. При контроле грубо обработанных поверхностей, когда параметр шероховатости сравним с диаметром зоны контакта (80—100 мкм) или превышает его, погрешность может резко возрасти. Для изделий с R=20:40 мкм погрешность измерения приращения частоты, может достигать десятков процентов. Например, наличие микрополости диаметром 40 мкм приводит к уменьшению приращения частоты на 20%. Однако установлено, что шероховатость с R2≤40 мкм не влияет на отношение приращений частот для различных плоскостей колебаний и соответственно на результаты измерения характеристик анизотропии. Таким образом, однородность свойств материала может контролироваться при шероховатости с ~1,5 мкм, а анизотропия — на образцах (изделиях) с более грубой (до ≤40 мкм) поверхностью. К изменению площади зоны контакта стержня с образцом при наличии пластического течения может приводить и вибрация установки. В этом случае следует монтировать измерительный узел на массивной плите.
Градуировку измерительной системы, основанной на применении рассмотренного метода, целесообразно проводить при помощи образцов с разными значениями характеристик упругости как из изотропных, так и неизотропных материалов. Для этого скачала резонансным методом были измерены характеристики упругости материалов стержня и наконечника. Затем, задавая различные нагрузки, определяли приращения частот, соответствующих колебаниям стержня в плоскостях, нормали к которым соответствовали максимальным и минимальным значениям приращений (в случае трубы—в ее осевом и тангенциальном направлениях). Используя значения площади пластических отпечатков, измеренных твердомером, строили зависимости
В качестве меры анизотропии можно принять величину Кк— 1, выраженную в процентах. Экспериментально проверка совпадения этой величины со степенью анизотропии модуля ∆Е/Е min производилась на образцах из проката дюралюминия 16 и меди, монокристаллах циркония и молибдена, образцах древесины. В качестве контрольных использовали резонансный метод (см. гл. 5) и импульсный УЗ-метод, при котором определяли время прохождения УЗ-импульсов через образец в различных направлениях. Максимальное различие между полученными значениями Κε—1 и вычисленными по результатам резонансных и импульсных измерений значениями анизотропии модуля упругости не превышало 15% при среднем различии 10% в диапазоне изменения анизотропии модуля упругости от 2 до 600%.
Для оценки влияния механических напряжении в стенке оболочки измеряли приращения частот стержня-резонатора при контакте его с оболочкой при различных давлениях газа в последней. Установлено, что изменение тангенциальных напряжений от (3,3-3,5) -10 Н/м (оболочка, заполненная газом) до пуля (разгерметизированная оболочка) уменьшает приращение резонансной частоты в параметра β на 12—15% (рис 5.16). Последнее может быть источником погрешностей измерения, но в то же время позволяет контролировать механические напряжения в материале. Например, при сканировании поверхности дюралюминиевого образца стержнем-резонатором установлено, что в состоянии поставки приращения частоты для разных точек поверхности достигают 20%. Посте отжига в течение 1 ч при температуре 610 К внутренние напряжения снимались и частоты не различались в пределах погрешности измерений.
Рассматриваемый метод оказался перспективным также для определения анизотропии предела текучести σ.
Рис. 5.16. Влияние тангенциальных напряжений иа приращение резонансных частот различных форм колебаний
Физической основой такого подхода является связь анизотропии как характеристик упругости, так и предела текучести с особенностями структуры материала. Экспериментальная проверка проведена на оболочках твэлов из сплава Zr+l%Nb, которые сначала исследовали акустическим методом, после чего из них
вырезали образцы для механических испытании в виде колец и отрезков труб, подвергавшиеся деформации со скоростью 1 мм/мин. Установлена линейная корреляция между Κε и коэффициентом анизотропии предела текучести
— пределы текучести в тангенциальном и осевом направлениях трубы соответственно). Уравнение регрессии с хорошей степенью точности соответствует уравнению
т. е. с точностью до постоянного множителя величина Κε— 1 характеризует степень анизотропии предела текучести. Коэффициент корреляции между этими двумя величинами составляет 0,88, что позволяет достаточно надежно контролировать анизотропию предела текучести, являющуюся характеристикой качества материала оболочки твэла, посредством акустических измерений.
Установка для лабораторных исследований анизотропии и степени однородности образцов материалов состоит из узла крепления образца, стержня-резонатора с системой его перемещения и систем возбуждения и регистрации колебаний. Узел крепления образцов выполнен в двух вариантах, один из которых предназначен для исследования плоских образцов, второй— цилиндрических. Первый вариант показан на рис. 5.17. Образец 9 размещают на поворотном столике 10 свободно или прикрепляют к его поверхности винтами. Поворотный столик находится в стакане 11, выполненном совместно с валом 12 (оси вала и стакана не совпадают). Вал 12 закреплен в обойме. На конце вала имеется маховик 13, поворотом которого меняют положение оси вращения столика относительно оси стержня-резонатора, задавая область контроля в виде окружности соответствующего диаметра.
Измерительный узел содержит стержень-резонатор 1 сечением 2,9x3,2 мм и длиной 80 мм с заделанным в его нижний конец стольным шариком дна метром 3,2 мм. Верхний конец стержня запаян в металлический цилиндр 4, запрессованный в текстолитовую оправку 3, акустически изолирующую стержень-резонатор от корпуса установки. При освобождении стопорного стержня 8 оправку перемещают с помощью рукоятки 7 по направляющим 2 до приведения резонатора в контакт с образцом 9. Паз 6 исключает вращение оправки.
Рис. 5.17. Узел крепления установки дли измерения анизотропии плоских образцов:
Усилие, прикладываемое к индентору, определяется массой оправки, а также связанных с ней конструкционных элементов и может быть увеличено с помощью дополнительных грузов. Установка обеспечивает измерение коэффициента упругой анизотропии ΔΕ/Ε с погрешностью не более 1% при нагрузках на индентор 2—20 Н на плоских образцах толщиной до 10 мм и цилиндрических образцах диаметром до 15 мм.
