Максимов А.Б.

Керченский Государственный Морской Технологический Университет

 

Влияние границ раздела в композитной стали на

распространение упругих волн напряжений

 

Композитные материалы обладают более высокими служебными свойствами, чем однородные. Разработан новый естественно армированный материал - термически армированный лист [ТАЛ] из стали [1]. Известные теории прочности, пластичности, хладноломкости и других механических свойств разработаны, в основном, для однородных материалов и недостаточно для композитных материалов[2].

В данной работе определены возможности целенаправленного изменения движения трещины в композитном материале с целью повышения трещиностойкости.

В однородном, или почти однородном материале, например, в листе из низколегированной стали, состоящем из зерен нескольких структурных составляющих распространению трещины не препятствуют границы этих структурных составляющих. В композитном материале, имеющем протяженную границу раздела различных структурных составляющих механизм передвижения трещины изменяется. Изменение направления распространения трещины в этом случае обусловлено изменением направления движения фронта упругой волны, распространяющейся впереди растущей трещины. То есть упругая волна создает условия для передвижения трещины. Главным условием передвижения трещины является то, что в локальных областях металла возникают напряжения достаточные для разрыва межатомных связей [3]. Поэтому направление движения трещины совпадает с направлением распространения фронта упругой волны. Показано [4], что в композитном материале, когда имеется протяженная граница раздела двух структурных составляющих, отличающихся различными акустическими характеристиками, происходит преломление фронта распространения упругой волны.

В таблице 1 [4] представлены скорости распространения упругих волн для стали 10ХСНД в различном структурном состоянии.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе раздела сред в композитном материале. Пусть плоская упругая волна падает на границу раздела сред, отличающихся скоростью распространения волн (рис.1). В общем случае наблюдается отражение волны от границы раздела и преломления. Известно [5], что потеря интенсивности упругой волны при отражении составляет порядка 4-6% от интенсивности падающей. Подробно процесс отражения упругих волн от границы раздела двух структурных составляющих изложен в работе [4]

Таблица 1

Скорость упругих волн и плотность стали 10ХСНД для различных структур*

Характеристики

Вид волны

Обозначение

Состояние

Закаленное

Отожженное

Скорость упругой волны, м/с

Продольная

5660

-

-

5000

Поперечная

3177

-

-

3000

 

* где:

- скорость продольных волн;

- скорость поперечных волн.

 

Для преломленной волны можно записать соотношение [4]:

,                                               (1)

где:     - угол падения волны;

- скорость упругой волны в I среде;

r  - угол преломления волны;

- скорость упругой волны во II среде.

Из формулы (1) следует:

,                                         (2)

Наибольший практический интерес представляет случай явления полного внутреннего отражения, так как в этом случае происходит наибольшее отклонение фронта упругой волны от первоначального направления. Происходит это при переходе волны из среды с меньшей скоростью распространения в среду с большей скоростью распространения. Предельный угол падения  () соответствует тому, что угол преломления  , тогда формула (1) будет иметь вид:

, или ,            (3)

При углах падения, заключенных в интервале от  до  упругая волна проникает во вторую среду на расстояние порядка длины волны, а затем возвращается в первую среду.

Считаем, что выполняются следующие условия:

1. при падении плоской волны на границу раздела двух сред, отраженная и преломленная волны тоже плоские;

2. плоская волна является суперпозицией продольной и поперечной волн;

3. энергия упругой волны распределяется равномерно между продольной и поперечной составляющими.

Тогда с учетом данных, представленных в таблице 1 возможны следующие предельные углы полного внутреннего отражения:

1. Падающая волна продольная.

Для преломленной продольной составляющей , отсюда

.

Для преломленной поперечной составляющей: , подставляя численные значения получим, что , т.е. в этом случае не происходит полного внутреннего отражения.

 

 

2. Падающая волна поперечная.

Для преломленной поперечной составляющей : , отсюда

.

Для преломленной продольной составляющей: ,отсюда

Анализ значений предельных углов внутреннего отражения показывает, что  при угле падения  более 710 три вида преломленных волн испытывают полное внутреннее отражение. Это означает, что во вторую среду попадает порядка 25% энергии падающей волны, а с учетом обычного отражения – не более 20 %.

Таким образом, для распространения трещины остается не более 20 % от первоначальной  энергии. Это позволяет предположить, что распространение трещины может остановиться, либо, вследствие уменьшения ее скорости, длина распространения трещины уменьшится. Первое и второе означает, что трещиностойкость материала повысилась.

Во вторую среду проходит преломленная поперечная  составляющая  продольной падающей волны. Определим угол () преломления ее при угле  падения , т.е при .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                           Рис.1                                                                                   Рис.2

 

 

Рис.1. Схема прохождения упругой волны через границу раздела двух

сред ( I – отожженная структура; II – закаленная структура)

1 – падающая волна;

2 – отраженная волна;

3 – преломленная волна.

 

Рис.2  Схема прохождения упругой волны при полном внутреннем

отражении ( I – отожженная структура; II – закаленная структура)

1 – падающая волна;

2 – преломленная волна;

                     3 – отраженная волна

 

Запишем соотношение:

, отсюда   ,            (4)

Подставив численные значения из таблицы 1, получим, что . На рис.2 представлена схема распространения волны в этом случае.

Полученные   данные   позволили  разработать   способ  упрочнения   листового

проката [6].

 

Выводы

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

1.     Разработан механизм прохождения упругой волны в композитной стали.

2.     Установлено, что наиболее эффективное снижение упругой энергии волны возникает при полном внутреннем отражении.

Аннотация

В работе представлены данные о характере распространения упругих продольных и поперечных волн для стали 10ХСНД с различным набором микроструктур.

Анотація

У роботі представлені дані про характер розповсюдження пружних подовжніх та поперечних хвиль для сталі 10ХСНД з різним набором мікроструктур.

Summary

In work the distributions of elastic longitudinal  and cross-section waves given about character for steel 10ХСНД with a various set of microstructures are submitted.

 

 

Список литературы

1.     А.С. 1452846 СССР, МКИ3 С21Д1/02. Способ упрочнения листового проката /Ф.Е. Долженков, М.С. Подгайский, А.Б. Максимов. – опубл. 23.01.89. Бюл. №3

2.     Кольский Г. Волны напряжения в твердых тела. – М.: Ин. лит., 1955. – 192с.

3.     Финкель В.М. Физика разрушения. – М.: Металлургия, 1968. – 350с.

4.     Максимов А.Б. Распространение упругих волн в композитных сталях. // Механизация производственных процессов  рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий. Сборник научных трудов Керченского морского технологического института. Выпуск 6. – Керчь: КМТИ. – 2005. -с.141-149

5.     Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. – М: Наука, 1968. – 220с.

6.     Патент 75518 Украина, МПК (2006/ С21Д1/02). Спосіб зміцнення листового прокату/ А. Б. Максимов. – опубл. 17.04.2006. Бюл. №4