Анизотропии материала

Преобразователи для контроля анизотропии механических и электрофизических свойств металлов. Одной из важнейших характеристик современных металлов и сплавов, во многом определяющей их механические и физические свойства, является степень совершенства кристаллографической текстуры, под которой понимается преимущественная пространственная ориентация зерен в поликристалле. Текстура, обусловливая анизотропию свойств, обеспечивает избирательно в различных направлениях повышение пластичности, прочности, модуля упругости, магнитных свойств, стойкости металлических покрытий против коррозии и т. д. Создание в материалах совершенной кристаллографической текстуры является в ряде случаев одним из путей повышения их эксплуатационных характеристик. Для этого исследователям и специалистам-практикам необходимы методы и средства для получения сведений о типе и степени совершенства кристаллографической текстуры. Другой не менее важный аспект необходимости измерения анизотропии физических, свойств металлов, обусловивший рождение на свет разнообразных конструкций датчиков, вызван необходимостью определения механических остаточных напряжений в деталях машин и механизмов, элементах строительных конструкций и т. д., выполненных из различных марок конструкционных сталей. Для этих целей используется явление магнитоупругого эффекта, под которым в общем случае принято понимать изменение магнитных свойств материала под воздействием механических напряжений. Измерив изменение величины или характера анизотропии магнитных свойств, можно, используя градуи-ровочные кривые зависимости магнитных свойств исследуемого материала от величины механических напряжений, судить об их наличии в металле, а иногда и оценить их величину [50].

Преобразователи с Т-образными стержневыми и сложными магни-топроводами. Для определения анизотропии магнитных свойств металлов разработан преобразователь, который состоит из Т-образного электромагнита с катушкой возбуждения, питаемой переменным током, и двумя измерительными катушками, включенными встречно [50]. При повороте датчиков вокруг оси может быть снята угловая зависимость магнитной индукции для исследуемой стали.

Рисунок 3.3.10 - Схема преобразователя для определения анизотропии магнитных свойств со стержневым магнитопроводом

Рисунок 3.3.11 - Схема преобразователя для определения анизотропии магнитных свойств с четырьмя индикаторными катушками

Диаметрально противоположные катушки (1 - 3, 2 - 4) соединяются последовательно так, чтобы их ЭДС складывалась. Катушки 1 - 3 с катушками 2-4 соединяются с возможностью переключения с последовательного согласного на последовательное встречное. Этим обеспечивается возможность измерения анизотропии магнитных свойств, обусловленной различными кристаллографическими текстурами (например, ребровой или кубической).

50 Корзунин Г.С. Первичные преобразователи для неразрушающего контроля анизотропии магнитных свойств листовых ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. -1999. - № 4. - С. 32-37.

При старении в течение 24 ч в магнитном поле Ка = =4 • 10а дж/м3 (4 • 103 эрг/см3). Следовательно, ориентирую-х щее влияние поля является более эффективным на ранних стадиях старения. Величины Ки и Нс изменяются однотипно. При чрезмерном старении значения Ки и Н„ снижаются, так как образуются многодоменные частицы, менее ориентированные магнитным полем. При старении в магнитном поле возникают вытянутые по полю частицы, которые когерентно связаны с матрицей и имеют близкий к ней параметр решетки. Магнитное поле способствует ориентированному расположению частиц не только на начальной стадии старения, но и при гетерогенной структуре. Приведем следующий пример. В начале в процессе термомагнитной обработки была получена структура с анизотропным расположением частиц второй фазы, затем направление поля изменили на 90° (рис. 150) и через некоторое время выдержки направление частиц второй фазы изменилось в соответствии с направлением поля. Таким образом, термомагнитная обработка способствует образованию в сплаве направленных выделений второй фазы и возникновению резко выраженной анизотропии магнитных свойств.

Преобразователи для контроля анизотропии механических и электрофизических свойств металлов. Одной из важнейших характеристик современных металлов и сплавов, во многом определяющей их механические и физические свойства, является степень совершенства кристаллографической текстуры, под которой понимается преимущественная пространственная ориентация зерен в поликристалле. Текстура, обусловливая анизотропию свойств, обеспечивает избирательно в различных направлениях повышение пластичности, прочности, модуля упругости, магнитных свойств, стойкости металлических покрытий против коррозии и т. д. Создание в материалах совершенной кристаллографической текстуры является в ряде случаев одним из путей повышения их эксплуатационных характеристик. Для этого исследователям и специалистам-практикам необходимы методы и средства для получения сведений о типе и степени совершенства кристаллографической текстуры. Другой не менее важный аспект необходимости измерения анизотропии физических свойств металлов, обусловивший рождение на свет разнообразных конструкций датчиков, вызван необходимостью определения механических остаточных напряжений в деталях машин и механизмов, элементах строительных конструкций и т. д., выполненных из различных марок конструкционных сталей. Для этих целей используется явление магнитоупругого эффекта, под которым в общем случае принято понимать изменение магнитных свойств материала под воздействием механических напряжений. Измерив изменение величины или характера анизотропии магнитных свойств, можно, используя градуи-ровочные кривые зависимости магнитных свойств исследуемого материала от величины механических напряжений, судить об их наличии в металле, а иногда и оценить их величину [50].

Преобразователи с Т-образными стержневыми и сложными магпи-топроводами. Для определения анизотропии магнитных свойств металлов разработан преобразователь, который состоит из Т-образного электромагнита с катушкой возбуждения, питаемой переменным током, и двумя измерительными катушками, включенными встречно [50]. При повороте датчиков вокруг оси может быть снята угловая зависимость магнитной индукции для исследуемой стали.

Рисунок 3.3.10 - Схема преобразователя для определения анизотропии магнитных свойств со стержневым магнитопроводом

Рисунок 3.3.11 - Схема преобразователя для определения анизотропии магнитных свойств с четырьмя индикаторными катушками

Ноли при упругой анизотропии материала зерна расположены хаотически, то при прохождении через границы зерен с различными упругими свойствами ультразвуковая волна рассеивается. Степень рассеяния увеличивается, когда размеры зерна в упруго-анизотропном материале становятся соизмеримыми с длиной ультразвуковой волны и УЗ К таких материалов затрудняется. При применении термообработки и измельчении зерен стали становятся пригодными для УЗ-контроля.

где i, — орт оси х,. Условие (10.14) применимо для трещин, расположенных в плоскости изотропии материала. В общем случае анизотропии материала величина 2^ зависит от положения точки О и от ориентации плоскости трещины в этой точке. Для трещины, которая отклоняется на угол 0 от своего первоначального положения, величина энергостока равна проекции вектора Г на направление роста трещины, и тогда критерий, определяющий начало развития трещины, имеет вид

При уменьшении размера ферромагнитной частицы ниже критического (величина критического размера зависит от температуры, константы магнитной анизотропии материала и величины приложенного поля) в результате тепловых флуктуации векторов намагничивания спинов частица 1 5 '0 го s ведет себя парамагнитно.

Свойства композиционных материалов формируются не только арматурой (ее свойствами), но и в большей степени ее укладкой. Варьируя угол укладки арматуры (слоя), можно получить заданную степень анизотропии свойств, а изменяя порядок укладки слоев и угол укладки их по толщине, можно эффективно управлять изгиб-ными и крутильными жесткостями композиционного материала. Для достижения этой цели, а .также для установления типа анизотропии материала, а следовательно, и-'числа определяемых характеристик, систему координат слоя обозначают индексами 1, 2, 3, а композиционного материала х, у, 2. Угол укладки слоев в плоскости ху обозначают ос. Все это способствует выявлению наиболее общих закономерностей создания композиционных материалов, которые обусловлены главным требованием к классификации с точки зрения механики материалов — установления закона деформирования и зависимости свойств от угловой координаты. Поэтому подробную классификацию целесообразно проводить на основе конструктивных принципов. Исходя из них, все структуры можно разделить на две группы — слоистые и пространственно-армированные.

В общем случае анизотропии материала слоев или при косоугольном армировании; когда главные оси упругой симметрии слоя 1 2 3 не совпадают с выбранными осями расчетной модели 1 2 3, тензор жесткости имеет 21 независимую компоненту. С учетом

в пределах шестиугольной ячейки со стороной 4а в плоскости 23, независимо от высоты сечения по оси 1. Из рис. 3.13 видно, что при плотной упаковке волокон в область повторяющейся ячейки сечения материала плоскостью 23 попадает шесть сечений волокон: три сечения волокон из наклоненных к оси 1 семейств и три сечения волокон, параллельных ей. Два сечения из последних составлены по одной трети от шести сечений волокон, разделенных смежными ячейками. Величина ц =3/4. Таким образом, при диаметре волокна 1 мм плотность волокон, проходящих через площадку 1 см2 в плоскости 23, составляет примерно 42 волокна/см3. В работе [107] эта величина для различных наклонов плоскости сечения материала 4D к оси 1 составила, при визуальном обследовании макрошлифов материала, 35—50 волокон/см2. Суждение при этом о степени анизотропии упругих свойств материала 4D, соответствующей примерно 1,4, согласно работе [107] не вполне правомерно. Следует учитывать, что степень анизотропии жесткости композиционного материала зависит не только от плотности волокон, но и их направленности и свойств матрицы. По данным эксперимента и согласующемуся с ним расчетом по принятой модели [21] степень анизотропии материала 4D достигала пяти (для отношения Етт1Ет\п).

Все перечисленные теории применяются или могут быть применены к расчету оболочек из композиционных материалов. Однако из-за дополнительных трудностей, связанных с учетом анизотропии материала и наличием смешанных коэффициентов жесткости, предпочтение, как правило, отдается более простым теориям. Например, для сосудов давления, изготовленных из волокнистых материалов методом намотки, был разработан упрощенный вариант безмоментной теории, названный сетчатым анализом. Эта теория основана на упрощенной модели композиционного материала, согласно которой считается, что нагрузка воспринимается только волокнами, а жесткость связующего не учитывается [315].

Соотношения (93) — (95) устанавливают связь между модулями и податливостями через s, и и t для любой степени анизотропии материала.

В обычно используемых модификациях данного критерия для анизотропных материалов предполагается, что имеет место ортотропия, а оси координат выбираются по главным направлениям анизотропии материала, как показано на рис. 3. Такой выбор системы координат позволяет избежать дополнительных преобразований, исключающих деформации сдвига. Критерий

Значения функции /р (т) помещены в табл. I для ряда показателей т. В табл. II даны вычисленные значения коэффициентов перенапряжений для некоторых значений т и г. Поскольку протяженность пластической области зависит от напряжения и анизотропии материала, то и коэффициенты перенапряжений в случае упругопластической матрицы зависят от податливости

ским путем. Существенное значение имеет выбор в качестве ответственных узлов судовых конструкций материала с высокой сопротивляемостью слоистому растрескиванию с целью исключения усталостных трещин, возникающих не только в силу высокой концентрации напряжений, но и в связи с низкой сопротивляемостью разрушению материала, нагруженного перпендикулярно к плоскости прокатки. Материал ответственных узлов конструкции должен быть исследован на сопротивляемость развитию усталостных трещин под действием нагрузок, направленных по толщине листа для оценки степени анизотропии материала и прогнозирования усталостного поведения конструкции.