Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

:УДК 669.71 + 669.72 : 534-16

Акустические свойства легких сплавов. Р о х л и н Л. Л. М., «Наука», 1974 г., 1— 140.

Интерес к акустическим свойствам легких сплавов, характеризующим распрост­ ранение упругих колебаний, обусловлен возможностью использования их для звукопроводов с низким затуханием ультразвука и в связи с применением ультра­ звуковых методов контроля изделий из сплавов на различных стадиях их произ­ водства. В монографии рассмотрены 'методы испытаний затухания и скорости ультразвука в сплавах на основе алюминия и магния и физическая природа этих характеристик. Значительное место уделено результатам эксперимен­ тальных исследований, выполненных автором, в которых установлены законо­ мерности изменения акустических свойств магниевых и алюминиевых сплавов при легировании твердого раствора, образовании в структуре кристаллов вторых

.фаз, пластической деформации, рекристаллизации, росте зерна и распаде пере­ сыщенного твердого раствора. Приведены сведения о разработанных на основе магния и алюминия сплавах с низким затуханием ультразвука, предназначенных для использования в звукопроводах ультразвуковых линий задержки.

Книга представляет интерес для научных и инженерно-технических работников,

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в ряде областей техники проявляется большой интерес к свойствам металлических материалов, характеризующим распространение в них упругих колебаний и рассматриваемым обычно как акустические свойства. К акустическим свойствам от­ носятся скорость распространения упругих колебаний или ско­ рость звука, а также затухание упругих колебаний и ряд производ­ ных характеристик.

Исследование акустических свойств металлов и сплавов пред­ ставляет интерес со многих точек зрения. Так, знание акустических свойств, в особенности затухания и скорости ультразвука, важно для ультразвуковой дефектоскопии различного рода полуфабрика­ тов [1, 2]. Акустические свойства должны учитываться при борьбе с шумом. По изменению акустических свойств можно судить о ряде процессов, происходящих в структуре металлов и сплавов [3—5]. Наконец, в ряде случаев необходимы материалы, которые должны удовлетворять определенным требованиям в отношении акустиче­ ских свойств. Как материалы с определенными акустическими свой­ ствами металлы и сплавы представляют интерес для использо­ вания в качестве звукопроводов ультразвуковых линий задержки, нашедших широкое применение в современной радиотехнике для задержки или других видов обработки радиосигналов путем преоб­ разования их в ультразвуковые колебания [6—15]. Требующиеся для материалов звукопроводов линий задержки акустические свой­ ства должны сочетаться с приемлемыми технологическими харак­ теристиками.

Легкие сплавы на основе магния и алюминия широко исполь­ зуются в современной промышленности [16—21]. Относительно низ­ кая стоимость легких сплавов, а также сочетание в них ряда цен­ ных свойств, таких, как высокая удельная прочность,коррозион­ ная стойкость, хорошие технологические характеристики и другие, обусловливают целесообразность применения и замены ими других материалов во многих областях.

Первые исследования акустических свойств металлических ма­ териалов [22—24] показали, что в случае магния, алюминия и спла-

5

1

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

В настоящее время предложено и нашло применение большое число различных методов измерения акустических свойств. Многие из этих методов рассмотрены в обзорных статьях и монографиях 125—28]. Вначале акустические свойства — затухание и скорость ультразвука — определяли с использованием непрерывных упругих колебаний. Методы, основанные на распространении непрерывных упругих колебаний, не потеряли своего значения и в настоящее вре­ мя и продолжают совершенствоваться [29—33]. Тем не менее в пос­ ледние годы большее внимание уделяется импульсным методам, при которых ультразвуковые колебания распространяются в исследуе­ мом образце в виде импульсов различной продолжительности и с различной частотой повторения. Измеряя тем или иным способом время прохождения импульса ультразвука в исследуемом образце и его ослабление, определяют скорость ультразвука и коэффициент затухания. В литературе описаны импульсные методы, разли­ чающиеся между собой способами возбуждения ультразвуковых колебаний в образце, размерами образцов и приемами определения времени распространения ультразвуковых импульсов и их ослаб­ ления [34—57].

Разработке и совершенствованию методов измерения акустиче­ ских свойств посвящено большое число работ. В значительной сте­ пени это связано с теми большими возможностями, которые откры­ ваются при использовании этих методов для исследования строения твердых тел, а также жидкостей и газов. Можно отметить лишь некоторые из вопросов, касающихся строения твердых тел, которые могут быть изучены с использованием акустических измерений. Это исследования дислокаций и взаимодействия их с атомами примесей и электронами [58—60], радиационных дефектов в твердых телах {61—63], магнитоупругих эффектов в твердых телах [64], спинфононного взаимодействия в кристаллической решетке и т. д. [3, 65 —67].

Измерение скорости ультразвука широко используется для весь­ ма точных измерений модулей упругости твердых тел, в том числе модулей упругости третьего порядка [26, 52, 68]. Измерение аку­ стических свойств может быть использовано для контроля структуры металлов и сплавов при усталостных испытаниях [69, 70], при кор-

7

розии [71], для определения внутренних напряжений первого рода [72, 73] и в других случаях. <

В этой главе мы остановимся лишь на типичных, наиболее ши­ роко используемых методах измерения акустических свойств.

Измерение затухания ультразвука

Блок-схема установки, которая используется обычно для прове­ дения измерений затухания ультразвука импульсным методом, пред­ ставлена на рис. 1. Принцип действия установки состоит в следую­ щем. В генераторе импульсов ГИ формируются электрические им­ пульсы, имеющие прямоугольную или колоколообразную форму. Эти импульсы через модулятор М модулируют высокочастотные коле­ бания, поступающие с генератора высокой частоты ГВЧ. Таким об­ разом формируются высокочастотные импульсы электрических ко­ лебаний, которые усиливаются в усилителе У и поступают на пре­ образователь электрических колебаний в ультразвуковые К. По­ сылаемые пьезопреобразователем К в образец Об. импульсы ультра­ звука многократно отражаются от его торцов и с помощью другого иьезопреобразователя преобразовываются в электрические коле­ бания, которые проходят через калиброванный аттенюатор А, уси­ ливаются, детектируются (Д — детектор) и поступают на электрон­ ный осциллограф со ждущей разверткой ИО. Запуск развертки электронного осциллографа осуществляется от генератора импуль­ сов ГИ и синхронизован с импульсами ультразвука, посылаемыми в образец. На экране осциллографа наблюдается серия убывающих по величине импульсов, соответствующих многократно отражен­ ным импульсам ультразвука, распространяющимся в образце.

А

Рис. 1. Блок-схема установки для измерения затухания ультра­ звука импульсным методом

8

Типичная картина, наблюдаемая на экране осциллографа, при­ ведена на рис. 2. В некоторых случаях сигналы, поступающие на экран осциллографа, не детектируются. Тогда на экране наблюдает­ ся серия убывающих по величине импульсов высокочастотных ко­ лебаний.

В большинстве случаев образцы имеют вид цилиндров длиной 25—150 мм и диаметром 10—20 мм. В случае использования более коротких образцов (иногда это обусловлено высоким затуханием ультразвука) используется буфер-стержень длиной около 100 мм с малым затуханием ультразвука, который устанавливается между

Рис. 2. Серия детектированных сигналов, наблюдаемых на эк­ ране электронного осциллографа лри измерениизатухания ультра­ звука импульсным методом

образцом и одним из пьезопреобразователей. Для лучшего акусти­ ческого контакта между образцом, буфером и пьезопреобразовате­ лями используется связывающий материал. Для возбуждения по­ перечных волн необходимо использовать твердые связывающие ма­ териалы: парафин, салол, эпоксидную смолу, индиевую фольгу. Для возбуждения продольных волн могут быть использованы так­ же и жидкости: вода, трансформаторное масло, глицерин и т. д.

Для характеристики затухания ультразвука используется ве­ личина, называемая коэффициентом затухания. Введение понятия коэффициента затухания предполагает экспоненциальный закон ос­ лабления интенсивности ультразвука с расстоянием, при распростра­ нении его в материале, что довольно хорошо подтверждается экспе­ риментально.

Интенсивность ультразвука, прошедшего расстояние х, можно представить в виде

где / 0 — интенсивность ультразвука в начальной точке; а — коэф­ фициент затухания. Коэффициент затухания ультразвука а связан с другими характеристиками затухания упругих колебаний сле­ дующими соотношениями [3]:

где Q 1 — величина, обратная добротности, которую называют внутренним трением; <р — угол сдвига фаз между напряжением и

9