Рассеянием электронов

Рассеяние ультразвука на- неровной поверхности зависит от параметра Рэлея: P/} = 2feorftCos6, где k — волновое число; ah — сред-неквадратическое отклонение высоты неровностей; б — угол падения на дефект. Анализ реальных трещин сварных соединений показал, что в зависимости от причин, их породивших, они относятся либо к гладким с малым параметром Рэлея, либо имеют большие неровности, тогда параметр Рэлея велик. В первом случае обратное отражение от трещины мало, а во втором дефект довольно хорошо выявляется совмещенным преобразователем при наклонном падении. Иногда вместо ад вводят р&— средний радиус кривизны неровностей. Соответствующий измененный параметр Рэлея лучше характеризует шероховатость дефекта с точки зрения рассеяния ультразвука.

Структурные помехи связаны с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала. Их часто называют структурной реверберацией. Импульсы, образовавшиеся в результате рассеяния ультразвука на различных неоднородностях, которые приходят к приемнику в один и тот же момент времени, складываются. В зависимости от случайного соотношения фаз отдельных импульсов они могут взаимно усилить или ослабить друг друга. В результате на ЭЛТ прибора структурные помехи имеют вид отдельных близко расположенных пиков (их иногда сравнивают с травой), на фоне которых затруднено наблюдение полезного сигнала (см. рис. 2.3). Иногда амплитуда пиков превышает донный сигнал, что исключает возможность применения эхометода. Статические закономерности формирования структурных помех определяются тем, что фазы импульсов, создающих структурные помехи, распределяются случайным образом, поэтому амплитуда структурных помех на преобразователе в некоторый определенный момент времени равновероятно имеет положительное или отрицательное значение, а среднее значение амплитуды равно нулю. Дефектоскоп регистрирует не знак, а абсолютную величину амплитуды, поэтому средний уровень помех определяется среднеквадра-

Структурные помехи связаны с рассеянием ультразвука на структурных йеоднородностях, зернах материала. Их часто называют структурной реверберацией. Импульсы, образовавшиеся в результате рассеяния ультразвука на различных неоднородности х и приходящие к приемнику в один и тот же момент времени, складываются. В зависимости от случайного соотношения фаз отдельных импульсов они могут усилить или ослабить друг друга. В результате на приемнике прибора структурные помехи имеют вид отдельных близко расположенных пиков (их иногда сравнивают с травой), на фоне которых затруднено наблюдение полезного сигнала. Структурные помехи —основной постоянно действующий фактор, ограничивающий чувствительность при контроле методами отражения, а также комбинированными, связанными с наблюдением отраженных сигналов. Довольно часто структурные помехи превышают донный сигнал, исключая тем самым возможность применения эхо- или зеркально-теневого метода.

При контроле теневым методом неоднородных крупнозернистых материалов разная степень рассеяния ультразвука на разных участках влияет на ослабление сквозного сигнала, которое легко спутать с ослаблением, связанным с присутствием дефекта (мультипликативная помеха). Рассеянные на неоднородностях структуры УЗ-волны могут попадать в приемник с запаздыванием относительно основного сигнала. Интерферируя между собой,

снижают частоту УЗ-колебаний для устранения влияния повторного рассеяния ультразвука;

В диапазоне частот, для которых значение 'kid 5= 10, коэффициент рассеяния ультразвука для чистых металлов приближенно подчиняется закону 8 — d3/4, т. е. рассеяние носит релеев-ский характер. Рассеяние ультразвука в металле при Я/d < < 8-^10 перестает быть релеевским и начинает приближенно следовать закону 8 ~ df2. Особенно велико затухание при K/d ^ я=* 3-ь4. В этом случае к рассеянию ультразвуковых колебаний добавляется поглощение, связанное с релаксацией теплопроводности на анизотропных кристаллах. Возникающие на границах отдельных кристаллов в процессе их деформации градиенты температур не успевают выравниваться за период колебаний, что приводит к возрастанию тепловых потерь [41].

Для контроля структуры материалов в большинстве случаев используют влияние структуры и фазового состава на затухание или скорость распространения ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах. Предпосылкой возможности ультразвукового структурного анализа металлов явились теоретические и экспериментальные исследования процессов поглощения и рассеяния ультразвука в поликристаллических материалах, проведенные отечественными и зарубежными учеными [68, 70, 81, 148 и др.. Установленные закономерности влияния структуры и химического состава на затухание ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах позволили разработать методики производственного контроля и создать специальную аппаратуру. Опыт показывает, что для изучения особенностей структуры металла по затуханию УЗК не всегда необходимо определять коэффициент затухания по известной методике, рассмотренной в начале настоящей главы. Например, для оценки общей неоднородности структуры сварного шва достаточно проследить характер изменения амплитуды сигнала по длине шва на некоторой заданной частоте ультразвуковых колебаний без вычисления коэффициента затухания (рис. 40).

Было установлено, что присутствие в структуре чугуна пластинчатого графита приводит к резкому увеличению рассеяния ультразвука лишь при определенных частотах, зависящих от размера сфероидов и пластин графита. Поэтому для разработки методики ультразвукового контроля структуры высокопрочного чугуна необходимо было исследовать ее влияние на скорость и рассеяние ультразвука.

нию амплитуды ультразвукового сигнала вследствие рассеяния ультразвука на участках металла, пораженных МКК. Количественную оценку глубины коррозии производят по градуировоч-ным кривым, построенным при прозвучивании металла определенной толщины искателями с определенным углом наклона пьезо-пластины в координатах глубина коррозии /IK — коэффициент коррозии К-

колебаний. Совокупность процессов поглощения и рассеяния ультразвука называют затуханием звуковой (ультразвуковой) волны.

Обычно УЗ-контроль толстых плит не является проблемой, поскольку материал после механической обработки является однородным, изотропным и имеет мелкокристаллическую структуру. Влияние крупнозернистой структуры, образующейся при затвердевании и остывании сварного шва аустенитной стали, вызывает большие структурные шумы из-за рассеяния ультразвука на границах зерен и искажения УЗ-пучка, связанного с изменением скорости и затухания УЗ. При этом также появляется угловая зависимость коэффициента отражения от любой неоднородности. В силу названных причин амплитуды сигналов оказываются структурно-чувствительными величинами, и применение обычных АРД-диаграмм становится невозможным.

Специфическим источником помех при контроле теневым методом является несоосность искателей. Для ее устранения предусматривают юстировку преобразователей и возможность их жесткого закрепления после юстировки. В процессе контроля неоднородных материалов могут возникать помехи, связанные с изменением поглощения и рассеяния ультразвука, например, вслед-

РФ- сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на фононах. Для сплавов первая составляющая является доминирующей. Следовательно, можно отметить важную роль такой структурно-чувствительной характеристики, как удельное электрическое сопротивление р при анализе процессов, протекающих в металле при его деформации и разрушении. Другая важная структурно-чувствительная характерисгика- магнитная проницаемость Цц- также в значительной степени зависит от дефектов кристаллической решетки. В существенно меньшей степени она определяется химической природой кристаллов и их геометрией [77]. Зависимость магнитной проницаемости щ, от дефектов, во многом, объясняется влиянием последних на доменную структуру металла. При деформирова-

Из того факта, что электрическое сопротивление металла без примесных атомов и дефектов при абсолютном нуле температуры равно нулю, следует, что сопротивление возникает в результате взаимодействия электрона, его столкновениями с тепловыми колебаниями решетки. Наложение электрического поля ускоряет движение коллективизированных электронов. Температурная зависимость электрической проводимости определяется изменением величины длины свободного пробега электрона /. Температурная зависимость длины свободного пробега / обусловлена взаимодействием движущихся под действием внешнего электрического поля электронов с ионным остовом решетки. Движение электронов можно описать как распространение волны. При движении в периодическом потенциальном поле металлического кристалла электромагнитные волны испытывают рассеяния на ионах решетки. Рассеянные волны интерферируют, образуя фронт волны. Непрерывное наложение двух процессов - рассеяния и интерференции — обеспечивает распространение электронной волны в кристалле, т.е. электрический ток. Согласно теории электропроводности для абсолютно чистого металла с идеально периодической (не искаженной) решеткой / —> °о при абсолютном нуле температуры, т. е. при абсолютном нуле электронная волна распространяется в идеально периодическом кристалле беспрепятственно, при этом сопротивление металла равно нулю. Важным результатом теории является то, что электросопротивление обусловлено рассеянием электронов на нарушениях периодичности (статических и динамических искажениях) решетки.

Зона 3 - узкий пик при энергии, равной энергии падающего электрона, обусловливается упругим рассеянием электронов (они составляют всего около 1%). Эти электроны выходят из поверхностного слоя глубиной 200-2000 нм.

Из того факта, что электрическое сопротивление металла без примесных атомов и дефектов при абсолютном нуле температуры равно нулю, следует, что сопротивление возникает в результате взаимодействия электрона, его столкновениями с тепловыми колебаниями решетки. Наложение электрического поля ускоряет движение коллективизированных электронов. Температурная зависимость электрической проводимости определяется изменением величины длины свободного пробега электрона /. Температурная зависимость длины свободного пробега / обусловлена взаимодействием движущихся под действием внешнего электрического поля электронов с ионным остовом решетки. Движение электронов можно описать как распространение волны. При движении в периодическом потенциальном поле металлического кристалла электромагнитные волны испытьгеают рассеяния на ионах решетки. Рассеянные волны интерферируют, образуя фронт волны. Непрерывное наложение двух процессов - рассеяния и интерференции - обеспечивает распространение электронной волны в кристалле, т.е. электрический ток. Согласно теории электропроводности для абсолютно чистого металла с идеально периодической (не искаженной) решеткой / —> QO при абсолютном нуле температуры, т. е. при абсолютном нуле электронная волна распространяется в идеально периодическом кристалле беспрепятственно, при этом сопротивление металла равно нулю. Важным результатом теории является то, что электросопротивление обусловлено рассеянием электронов на нарушениях периодичности (статических и динамических искажениях) решетки.

связанная с рассеянием электронов проводимости атомами с некомпенсированными электронами, характерна для редкоземельных и некоторых переходных металлов. Эта составляющая удельного сопротивления рм увеличивается при изменении температуры вплоть до точки Кюри, а затем остается постоянной.

В области высоких температур (Т >• 0) из всех величин, входящих в (4.46), от температуры зависит практически только Я/,, которая для чистых металлов определяется рассеянием электронов на фононах. Поэтому V ~ 1/«ф ~ 1/7\ так как в области высоких температур пф ~ Т. Подставив это в (4.46), находим

Вблизи абсолютного нуля концентрация фононного газа становится настолько малой, что Яр начинает определяться рассеянием электронов на примесных атомах, всегда содержащихся в металле, сколь бы чистым он ни был. В этом случае AF ~ l/Nn (Nn — концентрация примесных атомов) не зависит от Т и электронная теплопроводность металла согласно (4.46) должна быть пропорциональной Т

Электропроводность чистых металлов. Так как в металлах концентрация электронного газа п практически не зависит от температуры, то зависимость удельной электропроводности а от температуры полностью определяется температурной зависимостью подвижности и электронов вырожденного электронного газа. В достаточно чистом металле концентрация примесей невелика и подвижность вплоть до весьма низких температур определяется рассеянием электронов на колебаниях решетки.

Локальность анализа зависит от диаметра электронного зонда, плотности вещества (или от атомного номера) и предельной чувствительности прибора. При рентгеновском микроанализе объем анализируемой зоны объекта имеет размер несколько больший, чем диаметр электронного зонда. Этот эффект обусловлен рассеянием электронов в объекте, рентгеновской флюоресценцией под воздействием характеристического излучения и флюоресценцией под воздействием излучения с непрерывным спектром. Влияние эффекта расширения анализируемой зоны значительно уменьшается при исследовании тонких фолы.

Известно, что электросопротивление металлических твердых тел определяется в основном рассеянием электронов на фононах, дефектах структуры и примесях. Значительное повышение удельного электросопротивления р с уменьшением размера зерна отмечено для многих металлоподобных наноматериалов (Си, Pd, Fe, Ni, Ni —P, Fe — Си — Si — В, NiAl, нитридов и боридов переходных металлов и др.). На рис. 3.14 показаны температурные зависимости электросопротивления наноструктурных образцов никеля, полученных импульсным электроосаждением (L = 22 - 3 • 105 нм; толщина образца 30—150 мкм). Электросопротивление увеличивается с уменьшением размера зерна, очевидно, в связи с отмеченными ранее дефектами структуры, но изменение фононного спектра и возможное влияние примесей также следует принимать во внимание. В принципе, практически для всех металлоподобных наноматериалов характерно большое остаточное электросопротивление при Т= 1 — ЮКи малое значение температурного коэффициента электросопротивления (ТКЭ).

У металлов, для которых проводящее состояние является основным (а не возбужденным, как у диэлектриков и полупроводников), зависимость у(0) объясняется в основном рассеянием электронов на неод-нородностях кристаллической решетки, вызванных ее тепловыми колебаниями. Почти для всех металлов при © > ®D, где ©о - Дебаевская температура, у ~ 0" , а при 0 « 0д имеем у ~ 0"5. При очень низких 0 (несколько °К) ряд металлов переходит в сверхпроводящее состояние, в котором у = оо.