Реферат: Исследование метода акустической эмиссии для определения прочности конструкционных керамических материалов
Вопрос использования метода акустической эмиссии(АЭ) для неразрушающего контроля и прогнозирования прочности конструкционных керамическихматериалов в настоящее время весьма актуален.
С целью выявления взаимосвязи между параметрам акустическихсигналов, возникающих в керамических образцах под воздействием ударной,монотонно возрастающей механической и термической нагрузки, и предельнойпрочностью выполнялись исследования при помощи комплекса аппаратурных средствдля регистрации сигналов АЭ (рис. I).
<img src="/cache/referats/17559/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1065"><img src="/cache/referats/17559/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1061"><img src="/cache/referats/17559/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1058"><img src="/cache/referats/17559/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1073"><div v:shape="_x0000_s1028">
9
квнешним<img src="/cache/referats/17559/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1066"><img src="/cache/referats/17559/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1062"><img src="/cache/referats/17559/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1059"><img src="/cache/referats/17559/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1074"> устройствам
<div v:shape="_x0000_s1038">
3
<div v:shape="_x0000_s1031">4
5
6
7
8
2
<img src="/cache/referats/17559/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1052"> <img src="/cache/referats/17559/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1032"> <img src="/cache/referats/17559/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1053"> <img src="/cache/referats/17559/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1041 _x0000_s1057 _x0000_s1060 _x0000_s1085 _x0000_s1087 _x0000_s1088"> <img src="/cache/referats/17559/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1033"> <img src="/cache/referats/17559/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1054"> <img src="/cache/referats/17559/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1034"> <img src="/cache/referats/17559/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1055"> <img src="/cache/referats/17559/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1035"> <img src="/cache/referats/17559/image015.gif" v:shapes="_x0000_s1056"> <img src="/cache/referats/17559/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082"><div v:shape="_x0000_s1044">
10
<img src="/cache/referats/17559/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1086"> 1<img src="/cache/referats/17559/image018.gif" v:shapes="_x0000_s1068 _x0000_s1069"> <img src="/cache/referats/17559/image019.gif" v:shapes="_x0000_s1067 _x0000_s1070">
Рис:№1: Комплексаппаратурных средств для регистрации сигналов АЭ: 1-датчик АЭ, 2-усилитель, 3-аналоговая часть,4-8-счетчики,9-блок управления внешними устройствами, 10-ЭВМ «МЕРА-1300»
В состав комплекса входит: датчик АЭ I,предварительный усилитель 2, аналоговая часть 3, счетчики 4-8, блок управлениявнешний вспомогательными устройствами 9, ЭВМ «МЕРА-1300» 10.Аналоговая часть, счетчики и блок управления внешним, устройствами изготовленыв стандарте аппаратуры для научных исследований «КАМАК». Комплексимеет возможность производить сбор иобработку информации по пяти амплитудным уровням дискриминации в режиме«реального времени», а также осуществляет управление режимами ударного итермического нагружения керамических образцов. Разрушенные образцы подвергалисьвизуальному контролю под оптическим микроскопом и просматривались на растровомэлектронном микроскопе BS-301.
В качестве объекта исследований служили образцыиз керамики Si3N4 и образцы из керамикина основе полиалюминатов натрия.
Возрастающий интерес к керамике Si3N4 как к конструкционному материалу остропоставил вопрос о возможности неразрушающего контроля прочности изделий изэтого материала. В работе [I] показано, что параметрыАЭ в процессе испытаний на изгиб оказываются не связанными с предельными характеристикамиобразцов из нитрида кремния.
Нами были проведены следующие исследования:
- регистрация сигналов АЭ при ударном воздействии на образец падающегостального шарика;
- регистрация сигналов АЭ при испытаниях на изгиб до нагрузки, равной0,1...0,3% от разрушающей;
- регистрация сигналов АЭ при нагреве и резком охлаждении образца.
На основе экспериментальных данных проводился корреляционныйанализ
на наличие линейной связи между параметрамисигналов АЗ и прочностью керамических образцов. Результаты анализа указывают наналичие линейной связи (коэффициент корреляции 0,8) между предельнымизгибающим моментом и суммарным счетом АЭ, возникающей при неразрушающих механическихвоздействиях. Установленная зависимость может служить предпосылкой для разработкиэкспресс-метода неразрушающего контроля керамических изделий.
Надежность работы изделий из керамики на основеполиалюминатов натрия во многом зависит от однородности свойств по всему объемуобразца (2)… Появление локальных неоднородностей зачастую связано с отсутствиемметодов контроля качества как внутри технологического процесса изготовлениякерамических изделий, так и на выходе последнего.
Исследования керамики на основе полиалюминатовнатрия методом АЗ проводились по следующим направлениям:
- временные исследования (т.к. часть изделий разрушалась по истечениивремени без видимых причин);
- исследования на механическую прочность;
- исследования на термостойкость.
Временные исследования проводились спериодичностью десять дней. В качестве возмущающей нагрузки был использованудар стального шарика. В результате исследований замечено, что для болеепрочных изделий наблюдается более высокий суммарный счет АЭ.
Аналогичный результат был получен и висследованиях на механическую прочность, в ходе которых образцы подвергалисьодноосновному сжатию по наиболее длинному геометрическому размеру до давления12 МПа и воздействию ударом стального шарика.
Исследования термостойкости керамикипроизводились методом термоциклирования и показали, что для более прочныхизделий наблюдается волнообразное снижение скорости счета АЭ с увеличениемчисла термоциклов. В случае менее прочных образцов скорость счета А2 возрастаетпри тех же условиях, что, видимо, связано с ростом процессов трещинообразования.
После разрушения керамические образцыисследовались с помощью оптического и растрового электронного микроскопов.Наиболее тщательно изучалась область разрушения, при атом ставилась задачаопределить наиболее вероятное положение дефекта, являющегося причиной началаразрушения.
Было обнаружено, что образовавшиеся разломысвязаны с дефектами, которые при просмотре под оптическим микроскопомпредставлялись коричневыми пятнышками размером до 0,5 мм. При исследовании на растровом электронноммикроскопе выявлено, что дефекты представляют собой скопление крупныхкристаллов, создавших вокруг себя зону напряжений (рис. 2), расположенных разупорядоченно:все скопление выглядит в виде цветка со множеством лепестков, растущих отодного центра – «розочки».
<img src=»/cache/referats/17559/image021.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">
Рис. 2.дефект поверхности керамики (РЭМ200-301, х270)
Каждый отдельный кристалл представляет собойгексагональную призму высотой около 50 мкм и длинойграни около 150 мкм. Сами «розочки» встречаются вблизивнутренней или внешней поверхности изделия. Нежно предположить, чтовозникновение дефектов связано с включенном железа. В работах, проведенныхдругими исследователями (3),, было замечено, что такие же дефектыобусловлены обилием в них железа. Загрязнениеможет быть связано стехнологическим процессом, в ходе которого мелкие частицы железа попадают всырье при перемешивании, при формовке или по другим причинам.
В ходе исследований возникло предположение овозможной неравномерности распределения натрия по толщине образца.Кристаллическая решетка исследуемой керамики построена из ионов несколькихвидов, тогда как другие ионы статистически распределены по большому числу мести образуют подобие «ионной жидкости». Установлено, что некоторые особенностикерамики связаны с наличием такой «ионной жидкости», образованнойионами натрия. Мы пытались подучить информацию о распределении натриякаким-либо косвенным методом. При слабом ионном травлении поверхности керамикинаблюдалось выделение вещества, дающего при гидратации щелочную реакцию (NaOH). Распределениевыделившегося вещества связано с распре делением микротрещин на поверхностикерамики.
Интересно, что выделение натрия в менеевыраженном виде было замечено ранее при облучении таких материалов пучкамиэлектронов с энергией до 200 кэВ [4]. Видимо, миграция натрия в керамике приионном травлении связана с электрической зарядкой ее, причем, существенную рольздесь играет распределение микротрещин на поверхности образца. Можно полагать,что механизм разрушения керамики связан с миграцией Na2Oиз проводящих плоскостейполиалюмината натрия с последующим разрушением структуры и формированиемутолщенных штинельных слоев.
Приведенные выше результаты позволяют сделатьвывод о возможности применения акустико-эмиссиионного метода неразрушающегоконтроля в технологическом процессе производства изделий из керамики на основеполиалюминатов натрия.
Список литературы
1. Гогоци Г.А., Неговский А.Н. Эффективность методаакустической эмиссии для оценки прочностных свойств керамики м огнеупоров взависимости от особенностей их деформирования// Огнеупоры. — 1983. — 6. — С.13-18.
2. Алимова И.А., Люцарева Л.А., Пивник - Е.Д., Яковлева Н.А. Методы выявления: дефектов керамики наоснове полиалюминатов натрия// Стекло и керамика. — 1987. — № 5, — С.22-23.