RU171185U1 - Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой - Google Patents
Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU171185U1 RU171185U1 RU2016152642U RU2016152642U RU171185U1 RU 171185 U1 RU171185 U1 RU 171185U1 RU 2016152642 U RU2016152642 U RU 2016152642U RU 2016152642 U RU2016152642 U RU 2016152642U RU 171185 U1 RU171185 U1 RU 171185U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acoustic transducer
- acoustic
- piezoelectric receiver
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для исследования и контроля физико-механических характеристик материалов и элементов конструкций, их внутренней структуры и изменений геометрических размеров при различных нагрузках. Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве, содержащем импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом пьезоприемник расположен между оптико-акустическим преобразователем и контролируемый объектом, дополнительно включен второй пьезоприемник, который размещен с обратной стороны контролируемого объекта и соединен с аналого-цифровым преобразователем, а пьезоприемник, расположенный между оптико-акустическим преобразователем и контролируемым объектом, выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем. Технический результат: повышение информативности оптико-акустического метода исследования и контроля механических и структурных свойств материалов и элементов конструкций как в свободном состоянии, так и под нагрузкой. 3 ил.
Description
Заявляемая полезная модель относится к области методов неразрушающего контроля материалов и может быть использовано для исследования и контроля физико-механических характеристик материалов и элементов конструкций, их внутренней структуры и изменений геометрических размеров при различных нагрузках.
Известно устройство для исследования образцов с помощью ультразвука [1], содержащее импульсный лазер для получения высокочастотного импульса оптического излучения, оптическое волокно для передачи оптического излучения на образец и пьезоприемник для регистрации ультразвука, который передается в пьезоприемник через акустическую среду. Недостаток этого устройства в том, что оптико-акустическое преобразование осуществляется в образце, а значит, генерируемый акустический сигнал различен для различных материалов и не может быть использован для сравнительного анализа. Более того, сигнал поступающий в пьезоприемник несет в себе не только информацию о материале образца, но и зависит от свойств и качества связующей акустической среды.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптическое волокно с оптико-акустический преобразователь, расположенный над поверхностью исследуемого материала, и пьезоприемник, помещенный между исследуемым материалом и оптико-акустическим преобразователем и соединенный через аналого-цифровой преобразователь с компьютером [2].
К недостаткам известного устройства следует отнести необходимость пропускания излучения лазера сквозь приемник акустических волн, что приводит к существенным трудностям при реализации и использовании устройства, а также используемый пьезоприемник позволяет получать информацию только о продольных акустических волнах, отраженных от границ образца или дефектов, что ограничивает возможность контроля упругопластических характеристик материала при нагружении образца.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение информативности оптико-акустического метода исследования и контроля механических и структурных свойств материалов и элементов конструкций как в свободном состоянии, так и под нагрузкой.
Для достижения указанного технического результата в устройстве, содержащем импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом пьезоприемник расположен между оптико-акустическим преобразователем и контролируемый объектом, дополнительно включен второй пьезоприемник, который размещен с обратной стороны контролируемого объекта и соединен с аналого-цифровым преобразователем, а пьезоприемник, расположенный между оптико-акустическим преобразователем и контролируемым объектом, выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1-3.
На Фиг. 1 приведена схема устройства для контроля механических свойств материала под нагрузкой.
На Фиг. 2 представлены сигналы от пьезоприемников, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в плоском образце из стали 12Х18Н10Т. (OS - импульс акустического воздействия на образец оптико-акустическим преобразователем; RW -сигнал с пьезоприемника в виде кольца (4); LW - сигнал с плоского пьезоприемника (5))
На Фиг. 3 приведено зависимость продольной деформации е и коэффициента поперечной деформации vtd от напряжений а при растяжении плоских образцов титана ВТ1.
Устройство содержит (Фиг. 1): 1 - импульсно-модулированный лазер; 2 - оптическое волокно для передачи лазерного излучения в оптико-акустический преобразователь; 3 - оптико-акустический преобразователь для преобразования лазерного импульсного излучения в акустические импульсы и передачи их в исследуемый материал или элемент конструкции; 4 - пьезоприемник в виде пластины для регистрации продольных акустических волн, прошедших через образец; 5 - пьезоприемник в виде плоского кольца для регистрации поверхностных волн; 6 - аналого-цифровой преобразователь для перевода электрического сигнала с пьезоприемников в цифровой сигнал и его передачи в компьютер (7), и контролируемый объект (8).
Работа предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом. Импульс лазерного излучения с лазера (1) через оптоволокно (2) поступает в оптико-акустический преобразователем (3), который излучает акустический импульс в контролируемый объект (8). Возбуждаемые в контролируемый объекте (8) акустические волны распространяются вдоль и ортогонально поверхности (по толщине) контролируемого объекта (8) и попадают на пьезоприемники (4) и (5), а их электрические сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (6) передающий цифровые сигналы в компьютер (7), который их регистрирует.
Контролируемый объект (8) может находиться как в свободном от напряжений и деформации состоянии, так и под действием нагрузки. Например, он может быть зафиксирован в захватах испытательной машины или являться элементом конструкции несущей нагрузку. Синхронизация компьютера (7) осуществляется по сигналу импульса излучения лазера (1) или от первого импульса с аналого-цифрового преобразователя (6). Определение и контроль механических свойств материала осуществляется с помощью известных уравнений механики деформируемого твердого тела [3], связывающие упругопластические параметра материала со скоростью распространения акустических волн в материале. Скорость поверхностных и продольных акустических волн в контролируемом объекте (8) определяют по времени прихода волны в соответствующий пьезоприемник (4 и 5) и расстоянию до него от места приложения оптико-акустического преобразователя (3).
Заявленное устройство было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение информативности результатов исследований.
В качестве примера конкретной реализации представленного устройства были проведены механические испытания плоских образцах из стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1 с размерами рабочей части 50×5×2 мм на стандартной испытательной машине SHIMADZU AG-X. Образцы подвергались растяжению со скоростью деформации 1⋅10-3 с-1.
К образцу с помощью миниатюрной пружинной струбцины прижимались два пьезокерамических датчика. С одной стороны образца размещался датчик в виде диска (∅10×0.3 мм) для измерений параметров продольной волны. С противоположной стороны располагался пьезодатчик в виде диска (∅10×0.5 мм) с центральным отверстием диаметром 4 мм для регистрации волн Рэлея.
Лазерное излучение по оптическому волокну (∅0.8 мм) с помощью оптического разъема подводилось к образцу по центру отверстия пьезодатчика, регистрирующего поверхностную волну Рэлея. При такой методике термоупругий точечный источник позволял эффективно возбуждать как поверхностные, так и продольные акустические импульсы. Период следования лазерных импульсов выбирался в зависимости от скорости деформирования в интревале 1÷5 с. Регистрация сигналов с датчика осуществлялось осциллографом Lecroy Wave Surfer 64MXs-B. Методика позволяла измерять скорости акустических волн с погрешностью не хуже 0.1%.
На Фиг. 2 представлена типичная осциллограмма сигналов от пьезодатчиков, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в стальном образце. Зная расстояние L и время прохода Т волны от точки излучения до места регистрации и можно определить скорость распространения волны С:
Таким образом, устройство позволяло одновременно измерять скорости продольных волн и поверхностных волн Рэлея в стандартных испытаниях на растяжение образцов в виде лопаток. Так для стальных образцов они составили Спр=5814 м/с для продольной волны и CR=2830 м/с для волны Рэлея.
Более того, определение скоростей акустических и поверхностных волн в материале позволяет определять упругопластические характеристики материала, например модуль упругости и коэффициента поперечной деформации (коэффициент Пуассона).
Коэффициент поперечной деформации, как известно из механики деформируемого твердого тела [3], в упругой области определяется соотношением скоростей продольных Спр и поперечных Споп волн, при этом скорость волн Рэлея CR отличается от Споп на множитель, значение которого в зависимости от материала лежит в интервале δ=0,874÷0,955. В этой связи выражение для коэффициента Пуассона может быть записано в следующем виде:
Это соотношение строго выполняется в области упругости, но и при пластическом деформировании его применение при известных зависимостях скоростей звука от напряжений достаточно обосновано [4].
На Фиг. 3 приведены зависимости коэффициента поперечной деформации vtd при растяжении образцов титана ВТ1. Отметим при этом, что начальные значения vtd были получены из значений скоростей упругих волн в исходных образцах и совпадали с табличными.
Как видно из рисунка, изменение коэффициента поперечной деформации имеет немонотонный характер. Наблюдается его небольшое снижение в области упругости, которое сменяется существенным уменьшением в области упрочнения и дальнейшее значительное возрастание в области развитого пластического течения. Подобное поведение коэффициента поперечной деформации наблюдалось для всех исследованных металлов и для разных скоростей деформации. Существенное уменьшение коэффициента поперечной деформации наблюдается на стадии упрочнения, характеризуемой интенсивными процессами структурных преобразований, формированием и эволюцией пространственных распределений дислокационных субструктур (дислокационных клубков и ячеек и т.д.).
Таким образом, устройство позволяет определять не только скорости акустических и поперечных волн, но и определять степень напряжений и деформаций в материале, а также косвенную информацию об структурных перестройках в материале при воздействии на него нагрузок.
Результаты испытаний показали, что заявленное устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой позволяет получать профиль волн в одном эксперименте, что существенно повышает его информативность и делает процесс определения физико-механических параметров материалов и элементов конструкция более мобильным.
Представленная полезная модель может быть применена в материаловедении или инженерной практике для исследования и неразрушающего контроля физико-механических параметров материалов и элементов конструкций при квазистатической и циклической нагрузке.
Список используемой литературы
1. Патент США №5381695, кл. 73/643
2. Патент РФ 2232983, G01N 29/011 (прототип)
3. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 712 с.
4. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. К.: Наукова думка, 1987. 236 с.
Claims (1)
- Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом пьезоприемник расположен между оптико-акустическим преобразователем и контролируемый объектом, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй пьезоприемник, который размещен с обратной стороны контролируемого объекта и соединен с аналого-цифровым преобразователем, а пьезоприемник, расположенный между оптико-акустическим преобразователем и контролируемым объектом, выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152642U RU171185U1 (ru) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152642U RU171185U1 (ru) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU171185U1 true RU171185U1 (ru) | 2017-05-23 |
Family
ID=58877996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016152642U RU171185U1 (ru) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU171185U1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6128092A (en) * | 1999-07-13 | 2000-10-03 | National Research Council Of Canada | Method and system for high resolution ultrasonic imaging of small defects or anomalies. |
| RU2232983C2 (ru) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления |
| RU2381496C1 (ru) * | 2008-05-29 | 2010-02-10 | Александр Алексеевич Карабутов | Лазерно-ультразвуковой дефектоскоп |
| JP2011257163A (ja) * | 2010-06-07 | 2011-12-22 | Panasonic Corp | レーザ超音波検査方法およびレーザ超音波検査装置 |
| RU2486501C2 (ru) * | 2011-02-28 | 2013-06-27 | Александр Алексеевич Карабутов | Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его реализации (варианты) |
| RU2545348C2 (ru) * | 2013-02-04 | 2015-03-27 | Владимир Евгеньевич Прохорович | Способ лазерно-ультразвукового контроля качества паяных соединений |
-
2016
- 2016-12-29 RU RU2016152642U patent/RU171185U1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6128092A (en) * | 1999-07-13 | 2000-10-03 | National Research Council Of Canada | Method and system for high resolution ultrasonic imaging of small defects or anomalies. |
| RU2232983C2 (ru) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления |
| RU2381496C1 (ru) * | 2008-05-29 | 2010-02-10 | Александр Алексеевич Карабутов | Лазерно-ультразвуковой дефектоскоп |
| JP2011257163A (ja) * | 2010-06-07 | 2011-12-22 | Panasonic Corp | レーザ超音波検査方法およびレーザ超音波検査装置 |
| RU2486501C2 (ru) * | 2011-02-28 | 2013-06-27 | Александр Алексеевич Карабутов | Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его реализации (варианты) |
| RU2545348C2 (ru) * | 2013-02-04 | 2015-03-27 | Владимир Евгеньевич Прохорович | Способ лазерно-ультразвукового контроля качества паяных соединений |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kundu et al. | Fundamentals of nonlinear acoustical techniques and sideband peak count | |
| Michaels et al. | Impact of applied loads on guided wave structural health monitoring | |
| Brigante et al. | Acoustic methods for the nondestructive testing of concrete: A review of foreign publications in the experimental field | |
| Payan et al. | Applying diffuse ultrasound under dynamic loading to improve closed crack characterization in concrete | |
| 阎红娟 et al. | Research on nonlinear ultrasonic properties of tension stress in metal materials | |
| RU171185U1 (ru) | Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой | |
| RU2652520C1 (ru) | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках | |
| Kurashkin et al. | Variation of acoustic characteristics of an aluminum alloy during plastic deformation at room and subzero temperatures | |
| RU2319957C2 (ru) | Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров | |
| RU2461820C1 (ru) | Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов | |
| KR101720150B1 (ko) | 상호 상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법 | |
| RU187411U1 (ru) | Устройство для определения упругих констант твердых тел | |
| Simonetti et al. | Ultrasonic interferometry for the measurement of shear velocity and attenuation in viscoelastic solids | |
| McLaskey et al. | Integrating broadband high-fidelity acoustic emission sensors and array processing to study drying shrinkage cracking in concrete | |
| Carbol et al. | Influence of transducer coupling in ultrasonic testing | |
| RU2224249C2 (ru) | Способ измерения физико-механических характеристик материала листового проката | |
| RU2688877C1 (ru) | Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов | |
| Matikas et al. | New Trends in Materials Nondestructive Characterization Using Surface Acoustic Wave Methodologies | |
| Mesbah et al. | Studying the early age of the mortar using ultrasonic control to assess attenuation and velocity | |
| Larose et al. | Ultrasonic slow dynamics to probe concrete aging and damage | |
| Lu | Non-destructive evaluation on concrete materials and structures using cement-based piezoelectric sensor | |
| WANG et al. | Dynamic Young's modulus measurement by incident wave extracting for viscoelastic materials under variable water pressure | |
| Lee et al. | A new point contact surface acoustic wave transducer for measurement of acoustoelastic effect of polymethylmethacrylate | |
| Tzelepi | Sample Size Effects on Ultrasonic Measurements of Elastic Moduli—Experimental and Theoretical Investigations | |
| RU2732470C2 (ru) | Устройство для лазерно-акустического контроля твердых и жидких сред |