Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций

Показано, что с помощью качественного и количественного (фрактального) анализа панорам деформационного рельефа монокристального сенсора определенной кристаллографической ориентации, жестко скрепленного с механически нагружаемым объектом, можно обнаружить локализацию пов...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы прочности
Дата:	2006
Автори:	Засимчук, Е.Э., Гордиенко, Ю.Г, Гонтарева, Р.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2006
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47840
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций / Е.Э. Засимчук, Ю.Г. Гордиенко, Р.Г. Гонтарева // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 93-104. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860260765701767168
author	Засимчук, Е.Э. Гордиенко, Ю.Г Гонтарева, Р.Г.
author_facet	Засимчук, Е.Э. Гордиенко, Ю.Г Гонтарева, Р.Г.
citation_txt	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций / Е.Э. Засимчук, Ю.Г. Гордиенко, Р.Г. Гонтарева // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 93-104. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы прочности
description	Показано, что с помощью качественного и количественного (фрактального) анализа панорам деформационного рельефа монокристального сенсора определенной кристаллографической ориентации, жестко скрепленного с механически нагружаемым объектом, можно обнаружить локализацию повреждения как в макроскопически однородных, так и неоднородных (например, сварных) конструкционных элементах. Изучена внутренняя структура рельефных полос на разных масштабных уровнях, что свидетельствует об их определяющей роли в реализации гидродинамического пластического течения кристалла при заторможенности дислокационного скольжения. Рассмотрена возможность практического использования монокристальных сенсоров. Показано, що за допомогою якісного і кількісного (фрактального) аналізу панорам деформаційного рельєфу монокристального сенсора визначеної кристало-графічної орієнтації, жорстко з’єднаного з механічно навантаженим об’єктом, можно виявити локалізацію пошкодження як в макроскопічно однорідних, так і в неоднорідних (наприклад, зварених) конструкційних елементах. Вивчено внутрішню структуру рельєфних смуг на різних масштабних рівнях, що свідчить про їх головну роль в реалізації гідродинамічної пластичної течії кристалу при загальмованості дислокаційного ковзання. Розглянуто можливість практичного використання монокристальних сенсорів. We demonstrate that application of qualitative and quantitative (fractal) analyses of panoramic view of strain relief of a monocrystal sensor with the specific crystallographic orientation, which is rigidly fixed to a mechanically loaded object, allows one to reveal defect localization both in homogenic, and heterogenic (e.g., welded) structural components. Our studies of the internal structure of strain-relief bands of various scale levels confirm their critical role in realization of hydrodynamical plastic yield of crystal in the case of glide dislocation braking. We discuss the possibility of practical application of monocrystal sensors.
first_indexed	2025-12-07T18:54:56Z
format	Article
fulltext	УДК 539.2 Ф изическое обосн овани е возм ож ности и спользования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев, Украина Показано, что с помощью качественного и количественного (фрактального) анализа пано рам деформационного рельефа монокристального сенсора определенной кристаллографи ческой ориентации, жестко скрепленного с механически нагружаемым объектом, можно обнаружить локализацию повреждения как в макроскопически однородных, так и неодно родных (например, сварных) конструкционных элементах. Изучена внутренняя структура рельефных полос на разных масштабных уровнях, что свидетельствует об их определяющей роли в реализации гидродинамического пластического течения кристалла при затормо женности дислокационного скольжения. Рассмотрена возможность практического исполь зования монокристальных сенсоров. К лю ч е в ы е с л о в а : рельеф, фрактальная размерность, сенсор, циклическое растяжение, монокристалл, структура, гидродинамическое пластическое течение. Введение. В последнее время большое внимание исследователей в разных научных сферах привлекают так называемые “смарт-материалы”, т.е. сенсоры, чувствительные к процессам, происходящим в сложно анализиру емых элементах различных конструкций. Для конструкций, которые испы тывают нестационарные во времени механические нагрузки, создание и использование таких материалов весьма актуально, поскольку ни расчетные методы, ни методы исследования физических свойств нагружаемых объек тов из материалов со сложным химическим и фазовым составом не дают надежных данных о наличии, расположении и динамике участков локали зации повреждения, в то время как они необходимы для прогнозирования долговечности реальных элементов конструкций. Известно, что неоднократно предпринимались попытки использования сенсоров для решения задачи прогнозирования долговечности основного материала, что привело к созданию сенсоров двух типов: для непосредственного определения уровня деформации; для оценки деформации на основе измерения физических свойств: электрических и магнитных, акустических, термических и оптических, ме тоды измерения давления и радиационного рассеяния и т.д. Наилучший вариант первого типа сенсоров описан в ряде работ япон ских авторов [1-3]. Сенсор представляет собой металлическую фольгу тол щиной менее 10 мкм, электролитически нанесенную на поверхность цикли чески нагружаемого образца. Упругие напряжения оценивались с помощью наблюдения выросших зерен или следов скольжения в фольге. Однако, по нашему мнению, этот тип сенсоров имеет существенные недостатки: 1) фольга, полученная электролитическим осаждением, обладает мелко зернистой поликристаллической структурой. Поэтому выбор анализируемо © Е. Э. ЗАСИМЧУК, Ю. Г. ГОРДИЕНКО, Р. Г. ГОНТАРЕВА, 2006 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 93 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева го участка и определение плотности следов скольжения существенно зави сят не только от количества циклов нагружения и амплитуды приложенного напряжения, но и от кристаллографической ориентации анализируемых зерен; 2) в тонкой электролитически осажденной фольге может наблюдаться значительная неоднородность механических свойств из-за вариации толщи ны фольги и ее поликристаллической структуры, что приводит к неодно родности механических свойств по площади фольги; 3) температурные колебания и другие внешние воздействия могут при водить к временным флуктуациями механических свойств тонкой фольги и соответственно к ошибкам при оценке упругих напряжений в основном материале. Наиболее используемыми сенсорами второго типа являются сенсоры, базирующиеся на измерении электросопротивления. Они изготовляются в виде тензорезисторов, которые с помощью клея закрепляются на анализи руемом узле конструкции. Недостаток этих и других сенсоров второго типа заключается в сложности их использования в реальных условиях эксплуа тации (наличие проводов, измерительных приборов) и отсутствии возмож ности получать информацию о накоплении повреждения в течение длитель ного периода эксплуатации. Нами предложен и разработан новый монокристальный сенсор первого типа без изложенных выше недостатков. Методика эксперимента. При работе с монокристальными сенсорами необходимо обратить внимание на такие моменты. Выбор материала и способа выращивания монокристалла. Выбор наиболее чувствительной к деформационным воздействиям ори ентации кристалла. Нахождение параметра деформационного структурообразования, необхо димого для установления количественной взаимосвязи между уровнем меха нического воздействия и поврежденностью основного материала. Методика количественного анализа поврежденности на основе показа ний сенсора. Основную часть экспериментов проводили с использованием алюми ния высокой чистоты в качестве материала сенсора и многофазных сплавов алюминия и титана в качестве анализируемых объектов. Цилиндрические монокристаллы диаметром 15 мм выращивали с помо щью метода Бриджмена в вертикальной печи в тигле из окиси иттрия с использованием затравки требуемой ориентации. Монокристаллы выращи вали из алюминия высокой чистоты (99,995% вес.) и затем электро- эрозионным методом разрезали на пластины толщиной 0,4-0,5 мм, длиной 30 мм и шириной 10 мм. Ориентацию пластин при их изготовлении опре деляли рентгенографически специальным портативным кристаллодержате- лем, который использовался как на рентгеновском дифрактометре, так и на электроэрозионной установке. Это позволяло осуществлять резку пластин, не вынимая кристалл из кристаллодержателя, что задавало необходимую ориентацию пластин с высокой точностью. Вырезанные пластины подвер гали электрополировке для удаления деформированного в процессе резки 94 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Физическое обоснование возможности использования монокристалъных сенсоров слоя, утонения до толщины ~ 200 мкм и получения зеркальной рабочей поверхности. Деформацию осуществляли следующим образом. Монокристальные пластины закрепляли на плоской поверхности образца из сложнолегиро ванного многофазного сплава специальным клеем (в данном случае клей РЛБСОИх). Нагружение образца с закрепленной на нем пластиной (сенсо ром) проводили на гидропульсаторе с рабочей частотой ~ 1 1 Гц. Интервал использованных амплитуд напряжения составлял 100...300 МПа. Форма цикла нагружения - синусоидальная с напряжением минимума, близким к нулю. При всех использованных амплитудах напряжения образец деформи ровался упруго, а связанный с ним монокристалл - пластически. В качестве анализируемого параметра деформационного структурообра- зования использовали поверхностный рельеф сенсора. Это обусловлено тем, что изучение деформационных структурных превращений затрудняется ре лаксационными процессами после снятия внешней нагрузки и в ряде слу чаев разрушением деформационных образцов (например, при использова нии ТЭМ-метода). Чтобы избежать этого, в качестве объекта наблюдения использовали деформационный рельеф, возникающий на поверхности крис талла в процессе пластической деформации. Такой рельеф сохраняется как угодно долго после снятия нагрузки, и при его исследовании можно полу чать информацию о накоплении деформационного повреждения не только в монокристалле, но и в образце. Для выбора наиболее чувствительной к деформационным воздействиям ориентации кристалла провели такой эксперимент. Использовали несколь ко ориентаций оси растяжения монокристальных сенсоров (рис. 1). Было изготовлено четыре типа сенсоров: <001>{100}, <111>{110}, <221>{110}, <335>{110}. 111 001 011 Рис. 1. Кристаллографические ориентации оси растяжения, используемые при нагружении монокристальных сенсоров. Необходимое условие появления рельефа на поверхности сенсора в процессе нагружения основного образца - пластическая деформация сенсо ра, в то время как основной образец деформируется упруго. Хорошо извест но, что начальные стадии пластической деформации кристалла связаны с генерацией, перемещением и взаимодействием дислокаций, которые дви жутся в определенных кристаллографических плоскостях и направлениях. В ГЦК кристаллах (алюминий) плоскостями скольжения служат плоскости {111}, а направлениями скольжения - кристаллографические направления <110> в этих плоскостях. Возможность и интенсивность дислокационного скольжения в каждой из возможных плоскостей скольжения зависят от тангенциальной составляющей приложенного напряжения в этой плоскости ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2006, № 2 95 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева в направлении скольжения. Для оценки интенсивности скольжения в каждой из возможных систем скольжения используют величину фактора Шмида S , которая определяется соотношением S = cos a cos i , где a - угол между осью растяжения и направлением скольжения; i - угол между осью растяжения и нормалью к плоскости скольжения. Максималь ное значение S = 0,5; при S = 0 скольжение в рассматриваемой системе невозможно. В таблице представлены рассчитанные значения факторов Шмида для возможных систем скольжения использованных ориентаций монокристаль- ных сенсоров. Данные таблицы позволяют прогнозировать основные черты поверхностного рельефа сенсора, который может проявляться при его плас тическом растяжении. Значения факторов Шмида для систем скольжения {111}<110> ГЦК кристаллов с различной ориентацией оси растяжения (А) A B S1 N S (1) KS (1) S 2 N S (2) S 3 N S (3) KS (3) <001> {100} 0,408 4 2 <111> {110} 0,270 3 2 <221> {110} 0,408 1 2 0,186 1 2 0,136 1 2 <335> {110} 0,393 2 1 0,186 1 2 Примечание. В - плоскость поверхности сенсора; N s (n) - количество плоскостей {111}; K s (n) - количество направлений <110> в каждой плоскости {111}. Исходя из полученных результатов отметим следующее. В кристаллах кубической ориентации <001>{100} уже во время первого цикла растяжения в процессе увеличения приложенного напряжения одно временно активизируются четыре плоскости скольжения, причем в каждой из них дислокации скользят в двух направлениях. Это приводит к пере сечению скользящих дислокаций в каждой из плоскостей, вследствие чего образуется большое количество препятствий дальнейшему перемещению дислокаций. В таких условиях дислокационное скольжение тормозится, и пластическая деформация может продолжаться лишь при включении альтер нативного дислокационному скольжению механизма деформации. Ранее [4 6 и др.] было показано, что в ряде случаев в качестве такого механизма может использоваться гидродинамическое течение материала по каналам с жидкоподобной (не кристаллической) структурой, в появлении которых основную роль играет самоорганизация вакансионных дефектов в механи ческом поле. Сенсоры ориентации <001>{100} с интенсивным симметричным дисло кационным скольжением наиболее чувствительны к деформации образца. В них уже на самых ранних стадиях нагружения формируется некристалло- 96 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2 Физическое обоснование возможности использования монокристалъных сенсоров графичный деформационный рельеф, который существенно изменяется при последующих циклах нагружения. Сенсоры такой ориентации наиболее пригодны для прогнозирования деформационного повреждения. Сенсоры ориентации <111>{110} могут использоваться лить для качест венного контроля перегрузок, спонтанного повышения амплитуды напря жения, действующего на образец или элемент конструкции. Сенсоры ориентации <221>{110} могут быть полезными при изучении количественных параметров корреляции между характеристиками поверх ностного рельефа и деформационным повреждением образцов, находящихся под нагрузкой, как это следует из работ [4-6]. Однако для практических целей ориентация <100>{001} более предпочтительна из-за большей чувст вительности к деформационному повреждению образца и простоты изго товления монокристальных пластин такой ориентации. Сенсоры ориентации <335>{110} нецелесообразно использовать на практике. Однако эта ориентация симметрична ориентации <221> относи тельно оси <111> в плоскости {110}. Поэтому при производстве сенсоров ориентации <221>{110} необходимо тщательно контролировать ориентацию оси растяжения в плоскости {110} (с точностью до долей градуса) рент геновскими методами, что приводит к замедлению и удорожанию их про изводства. Этот факт свидетельствует о предпочтительности использования сенсоров ранее рассмотренной кубической ориентации. Качественную и количественную информацию о поверхностном релье фе сенсора получали с помощью автоматизированного оптического метода. Использовали стереомикроскоп с ССБ-камерой, скрепленной с ПК посред ством видеоадаптера, при этом автоматически получали панорамы рельефа. Основной объем информации был получен при использовании источника освещения, наклоненного к поверхности кристалла под углом ~ 35°. Качественный анализ поврежденности анализируемых объектов по структурным признакам рельефа сенсора. Предложена следующая клас сификация структурных элементов, появление и эволюция которых наблю даются с помощью оптического микроскопа (рис. 2): плоский горизонтальный полосатый узор высокого контраста (плоские полосы или линии); теневой узор, созданный эллиптическими экструзиями низкого конт раста (“холмы”), слияние и укрупнение которых приводит к образованию “гребней”, наклоненных к оси нагружения под углом 34...38°; создание решетки гребней (“горы”). На основании введенных элементарных структурных признаков создана база данных (атлас) стандартных рисунков с указанием соответствующих параметров: количество циклов, амплитуда напряжения, материал образцов. После тщательной обработки изображений обнаружена устойчивая преемст венность признаков эволюции поверхностного рельефа (рис. 3), т.е. момен тов их появления в зависимости от количества циклов и амплитуды при ложенного напряжения. Построены нормированные по кривой усталостной прочности сплава зависимости появления некоторых признаков поверхностного рельефа (гребни и горы), по которым можно качественно оценить условную степень ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 2 91 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева исчерпания ресурса долговечности (рис. 4). Истинной степени исчерпания ресурса долговечности будут соответствовать не первые признаки появления поверхностного рельефа, а их дальнейшее развитие, отражающееся в опре деляемой количественно фрактальной размерности (см. ниже). Рис. 2. Типичный вид стабильных признаков поверхностного рельефа, наблюдаемых в диапазоне амплитуд напряжений 146...250 МПа (снимки получены при амплитуде 146 МПа): а - плоские полосы, 56000 цикл; б - гребни, 270000 цикл; в - горы, 970000 цикл. 340 - 320 - 300 - сЗ С - ■■■■ 2 К 240 8Л 'и * 200 -1 130 - 160 - 140 10 Усталостная прочность Линии Холмы Г ребни 100 1000 чЗКоличество циклов, 10 Рис. 3. Устойчивая последовательность появления признаков поверхностного рельефа. в Таким образом, использование монокристального сенсора, деформиру ющегося пластически даже в процессе упругой деформации основного образца, позволяет качественно оценить первые признаки возможного при дальнейшем нагружении исчерпания ресурса долговечности данного образ ца по появлению характерных признаков поверхностного рельефа. Это мо жет быть использовано, например, при качественной оценке работоспособ ности некоторых авиационных конструкций. Количественный анализ поврежденности конструкционных элемен тов по структурным проявлениям рельефа монокристальных сенсоров. Анализируя рис. 2, отметим следующие особенности рельефа сенсора куби ческой ориентации. 98 НЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Физическое обоснование возможности использования монокристалъных сенсоров 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 Степень исчерпания ресурса, % Рис. 4. Зависимость условной степени исчерпания ресурса долговечности от амплитуды напряжения: ■ - гребни; □ - горы. Рельефные полосы в плоскости наблюдения (поверхности кристалла) не регулярны и не прямолинейны. Преимущественная ориентация рельефных полос совпадает с направле нием растяжения. Эти особенности рельефа свидетельствуют о невозможности трактовки их появления и развития с позиций дислокационной физики [7]. Кроме того, обращает на себя внимание значительная (до 30%) экструзия материала в рельефных образованиях, причем плотность экструдированного материала существенно ниже плотности недеформированного кристалла. Все это под тверждает высказанное ранее предположение, что деформационный рельеф, формирующийся на поверхности кристалла в условиях заторможенности дислокационного скольжения, представляет собой остаточный след аморфо- подобных каналов гидродинамического пластического течения кристалла. Образование таких каналов является следствием самоорганизации дефектов в механическом поле [4-6, 8]. Для получения количественной характеристики эволюции деформаци онного рельефа в исследуемых кристаллах использовали аппарат фракталь ной геометрии, применяемый для описания и анализа нерегулярных струк тур [9]. Основной количественный параметр фрактала - фрактальная размер ность. После нескольких проверок на объектах с хорошо известными фрак тальными размерностями обнаружено, что информационная размерность является наиболее точным методом исследования по сравнению с Ьох- методами, получившими в настоящее время широкое распространение. Идея вычисления информационной размерности, расчетная формула, а также метод оптимизации широко известны [10]. Авторы создали программный код и использовали его в дальнейших вычислениях. Основная расчетная формула имеет следующий вид: В = Иш !§[ N ( е)] >о М1/е] ! ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 2 99 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева где N (е) - количество ячеек размера е, требуемое для покрытия рас сматриваемой плоской фигуры; В - фрактальная размерность. Для получения качественной и количественной информации о деформа ционном рельефе использовали автоматизированный оптический метод на базе стереомикроскопа с ССБ-камерой, скрепленной с ПК посредством видеоадаптера. С помощью специальных программ получали панорамы рельефа, которые обрабатывались автоматически для определения необхо димых фрактальных параметров. Использовали два типа освещения: направ ленное и рассеянное (диффузное). После заданного числа циклов нагружения образцы подвергали скани рованию на столике микроскопа для получения большого количества еди ничных (ограниченных площадью освещаемой поверхности) изображений поверхности сенсора. Для получения изображения рельефа всей поверх ности сенсора необходимо осуществить 200...300 операций сдвига образца и фокусировки единичного изображения для диффузного освещения и 100... ...200 - для направленного. Минимальное перекрытие изображений сосед них участков составляло 15%, однако для лучшего выполнения следующей стадии (создание панорам) использовали перекрытие единичных изображе ний до 30%. Панорамы поверхностного рельефа создавались с помощью специаль ных программ для автоматического соединения локальных поверхностных картин (с определенным их перекрытием). Полученные данные обрабаты вали на основе описанных выше алгоритмов. Для использования аппарата фрактальной геометрии необходимо было убедиться в наличии самоподобия анализируемого свойства. Эта задача существенно зависит от физических размеров системы, поскольку математическое проявление самоподобия в отношении физических объектов связано с определенными размерными ограничениями. Использовали три измерения: вдоль оси X (направление растяжения), вдоль оси У (перпендикулярно направлению растяжения) и вдоль оси Z (ось цветов). Минимальный масштабный уровень для цифровых изображений теоре тически ограничивается наименьшим значением оптического разрешения ССБ-камеры. В данном случае оно равно одному пикселю. С учетом ошиб ки увеличителя это значение выбирали в интервале 2-3 пикселя. Максималь ный масштабный уровень в плоскости X — У ограничен размером цифровых изображений, который равен 500-600 пикселей для единичных изображений и 1024-2048 пикселей для панорам. В настоящей работе все изображения рассматривали в серой цветовой гамме от нуля (черный цвет) до 255 (белый цвет), поэтому наибольший масштабный уровень по оси Z ограничивался 256 цветовыми уровнями, т.е. немного более двух декад. Для определения количественной характеристики поверхностного рель ефа сенсора необходимо его трехмерное представление. В нашем случае имеется несколько проекций трехмерного рельефа при направленном и диффузном освещении. Эти проекции проявляются в виде различных цветов (ось Z). Основной вывод, полученный из теоретических результатов, состоит в том, что проекции самоподобных объектов наследуют самоподобие ориги нальных объектов. 100 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Физическое обоснование возможности использования монокристальныгх сенсоров Рассчитывали информационную фрактальную размерность для образ цов, в которых отсутствовали видимые участки локализации деформации. Нагружение образцов проводили в различных условиях. Расчет показал, что во всех случаях зависимости фрактальной размерности от числа циклов для различных амплитуд напряжения имеют максимум, что свидетельствует о критическом состоянии основного материала, т.е. об исчерпании ресурса долговечности при выбранных условиях испытания. При наличии макроскопически неоднородной по фазовому составу и механическим свойствам структуры получено распределение информацион ной размерности по поверхности сенсора в форме контурных линий, соеди няющих одинаковые значения, так называемые контурные эквиразмерные карты. Кроме того, проанализирована анизотропия деформации на поздних стадиях усталостного нагружения, когда наблюдались система пересека ющихся гребней рельефа и эффект “размытия” пика. С этой целью рассчи тывали информационную размерность для всех продольных сечений и стро или ее угловую зависимость в полярных координатах - так называемые полярные размерные фигуры. Примеры конкретных картин рельефа и полу ченных распределений фрактальной размерности по поверхности сенсора для материалов с различной степенью макроскопической однородности при ведены ранее [1-4]. Внутренняя структура рельефных полос. Структуру внутри полос рельефа исследовали с помощью методов сканирующей (СЭМ) (рис. 5) и трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Это обусловлено тем, что аппарат фрактальной геометрии применим лишь к тем нерегулярным структурам, которые обладают свойствами самоподобия на разных масштаб ных уровнях. Экспериментально доказать наличие самоподобия структур можно при использовании методов с разной прецизионной способностью. В данном случае такими методами являются оптическая и электронная микроскопия. Сравнение картин рельефа, полученных с помощью оптической микроско пии (рис. 2 и 5,а) и СЭМ (рис. 5,б-г), указывает на наличие эквивалентной (сетчатой) структуры рельефных образований на разных масштабных уров нях. Сетчатая структура рельефа формируется на поверхности монокристал ла на ранних стадиях циклического нагружения и сохраняется вплоть до разрушения кристалла. Это подтверждает не только фрактальную природу рельефа, но и целесообразность использования деформационного рельефа как объекта изучения структурообразования в процессе механического на гружения: раз возникший рельеф не исчезает ни после снятия нагрузки, ни в процессе деформации. Интересно отметить также регулярное (в виде сетки) расположение полостей округлой формы и разных размеров. Наличие таких полостей, по нашему мнению, связано с самоорганизацией вакансионных дефектов в процессе деформации. Предполагалось, что, как и при других видах деформации монокристаллов [6], наблюдаемые рельефные образова ния являются следами гидродинамического пластического течения. Поверх ностный рельеф (макроэкструзии) обусловлен локализацией течения в этих структурах, а пониженная плотность макроэкструзий - с определяющей ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 2 101 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева ролью вакансионных дефектов в их образовании и невозможностью стока вакансий на поверхность из-за наличия окисной пленки на поверхности алюминиевого кристалла. Справедливость такого предположения подтверж дается эквивалентностью картин рельефа на двух противоположных поверх ностях кристалла [6]. в г Рис. 5. Поверхностный рельеф сенсора (600000 цикл при 145 МПа): а - оптическая микро скопия; б-г - СЭМ. Использование метода локальной ТЭМ при исследовании образцов, вырезанных из кристаллов алюминия после циклического растяжения раз ной продолжительности, позволило наблюдать структурный след локали зации деформации в макроэкструзиях в виде микрополосовой структуры. Вне макроэкструзий сохраняется структура исходного монокристалла. Таким образом, структура материала между рельефными выступами (экструзиями) сохраняется практически в исходном состоянии. Это свиде тельствует о локальном характере пластического течения монокристалла. Локализация любого физического процесса связана с его нелинейным харак тером, что еще раз подтверждает синергетический характер рассматриваемо го деформационного структурообразования [4]. 102 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Физическое обоснование возможности использования монокристалъных сенсоров Монокристаллические сенсоры деформационного повреждения могут широко применяться в различных областях техники, причем на практике можно использовать простые методы анализа рельефа. Заключение. Предложены “умные” монокристаллические сенсоры де формационного повреждения элементов конструкций, пригодные для мгно венной оценки степени исчерпания рабочего ресурса конструкции. В основе работы сенсора лежит качественный и количественный анализ панорамы поверхностного рельефа сенсора, жестко скрепленного с анализируемым элементом, который подвержен продолжительному действию механических нагрузок. В макроскопически неоднородных материалах (например, свар ных) с помощью предложенных сенсоров можно определить не только наличие, но и местонахождение участков локализации повреждения. Про ведение лабораторного анализа скейлинговых характеристик самоподобия рельефных образований посредством стационарного ПК позволило соста вить атлас структур, соответствующих разным стадиям деформационного повреждения, и рекомендовать его для использования на практике. Подробно исследована физическая природа деформационного рельефа, формирующегося на поверхности монокристаллического сенсора кубической ориентации, и показано, что рельефные образования самоподобны на раз ных масштабных уровнях. Это позволяет использовать методы фрактальной геометрии для получения количественной характеристики деформационного рельефа. Анализ структурных данных свидетельствует, что рельеф пред ставляет собой поверхностный след локализованного гидродинамического течения кристалла, а образование каналов такого течения обусловлено само организацией в механическом поле вакансий и их кластеров. Полученные результаты дают основание рекомендовать простые мето ды анализа рельефа с помощью переносных карманных персональных ком пьютеров, соединенных с дешевыми видеокамерами, и получивших широ кое распространение мобильных телефонов с дешевыми видеокамерами с достаточно высокой разрешающей способностью (около 1 мегапикселя). Сенсор имеет широкую область применения. Р е з ю м е Показано, що за допомогою якісного і кількісного (фрактального) аналізу панорам деформаційного рельєфу монокристального сенсора визначеної кристало-графічної орієнтації, жорстко з’єднаного з механічно навантаже ним об’єктом, можно виявити локалізацію пошкодження як в макроскопічно однорідних, так і в неоднорідних (наприклад, зварених) конструкційних еле ментах. Вивчено внутрішню структуру рельєфних смуг на різних масштаб них рівнях, що свідчить про їх головну роль в реалізації гідродинамічної пластичної течії кристалу при загальмованості дислокаційного ковзання. Роз глянуто можливість практичного використання монокристальних сенсорів. 1. S e i k a M . a n d H o s o n o K . A basic study of a strain gauge made of nickel foil // Exper. Mech. - 1989. - No. 12. - P. 388 - 391. ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2006, № 2 103 Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, Р. Г. Гонтарева 2. Seika M . a n d K itaoka S. A study on the improvement in sensitivity of strain gauges made of copper electrodeposited foil // Bul. JSME. - 1984. - 27 (234). - P. 2664 - 2669. 3. K itaoka S. a n d O hshim a K. On the stress measurement method using slip-lines in copper foil with grown grain structure // JSME Int. J. - 1987. - 30 (269). - P. 1724 - 1731. 4. Л ихачев В. А ., П анин В. Е ., Засим чук Е. Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. - Киев: Наук. думка, 1989. - 320 с. 5. G ordienko Yu. G. a n d Z asim chuk E. E. Synergetic model of structure formation during plastic deformation of crystals // Phil. Mag. A. - 1994. - 70, No. 1. - P. 99 - 107. 6. Засим чук Е. Э ., Г ордиенко Ю . Г ., Засим чук В. И . К вопросу о возмож ности пластического формоизменения кристалла путем гидродинамичес кого течения по каналам с жидкоподобной структурой // Металло физика. Новейшие технологии. - 2002. - 24, № 9. - С. 1161 - 1176. 7. Х ирт Д ж ., Л от е И . Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. - 599 с. 8. Гордиенко Ю . Г ., Гонт арева Р. Г ., Засим чук Е. Э., Засим чук И. К. Фрактальные свойства поверхностного рельефа монокристаллов алю миния при их совместном нагружении с образцами из сложнолегиро ванных сплавов // Металлофизика. Новейшие технологии. - 2002. - 24, № 11. - С. 1561 - 1571. 9. Ф едер Е . Фракталы. - М.: Мир, 1991. - 260 с. 10. И ванова В. С., Закирничная М . М ., К узеев И. Р. Синергетика и фрак талы. Универсальность механического поведения материалов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. - 363 с. Поступила 04. 03. 2004 104 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47840
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0556-171X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:54:56Z
publishDate	2006
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format	dspace
spelling	Засимчук, Е.Э. Гордиенко, Ю.Г Гонтарева, Р.Г. 2013-08-02T18:43:59Z 2013-08-02T18:43:59Z 2006 Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций / Е.Э. Засимчук, Ю.Г. Гордиенко, Р.Г. Гонтарева // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 93-104. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47840 539.2 Показано, что с помощью качественного и количественного (фрактального) анализа панорам деформационного рельефа монокристального сенсора определенной кристаллографической ориентации, жестко скрепленного с механически нагружаемым объектом, можно обнаружить локализацию повреждения как в макроскопически однородных, так и неоднородных (например, сварных) конструкционных элементах. Изучена внутренняя структура рельефных полос на разных масштабных уровнях, что свидетельствует об их определяющей роли в реализации гидродинамического пластического течения кристалла при заторможенности дислокационного скольжения. Рассмотрена возможность практического использования монокристальных сенсоров. Показано, що за допомогою якісного і кількісного (фрактального) аналізу панорам деформаційного рельєфу монокристального сенсора визначеної кристало-графічної орієнтації, жорстко з’єднаного з механічно навантаженим об’єктом, можно виявити локалізацію пошкодження як в макроскопічно однорідних, так і в неоднорідних (наприклад, зварених) конструкційних елементах. Вивчено внутрішню структуру рельєфних смуг на різних масштабних рівнях, що свідчить про їх головну роль в реалізації гідродинамічної пластичної течії кристалу при загальмованості дислокаційного ковзання. Розглянуто можливість практичного використання монокристальних сенсорів. We demonstrate that application of qualitative and quantitative (fractal) analyses of panoramic view of strain relief of a monocrystal sensor with the specific crystallographic orientation, which is rigidly fixed to a mechanically loaded object, allows one to reveal defect localization both in homogenic, and heterogenic (e.g., welded) structural components. Our studies of the internal structure of strain-relief bands of various scale levels confirm their critical role in realization of hydrodynamical plastic yield of crystal in the case of glide dislocation braking. We discuss the possibility of practical application of monocrystal sensors. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций Physical substantiation of a possibility of monocrystal sensor application for the analysis of strain damage of structural component Article published earlier
spellingShingle	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций Засимчук, Е.Э. Гордиенко, Ю.Г Гонтарева, Р.Г. Научно-технический раздел
title	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
title_alt	Physical substantiation of a possibility of monocrystal sensor application for the analysis of strain damage of structural component
title_full	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
title_fullStr	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
title_full_unstemmed	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
title_short	Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
title_sort	физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47840
work_keys_str_mv	AT zasimčukeé fizičeskoeobosnovanievozmožnostiispolʹzovaniâmonokristalʹnyhsensorovdlâanalizadeformacionnoipovreždennostiélementovkonstrukcii AT gordienkoûg fizičeskoeobosnovanievozmožnostiispolʹzovaniâmonokristalʹnyhsensorovdlâanalizadeformacionnoipovreždennostiélementovkonstrukcii AT gontarevarg fizičeskoeobosnovanievozmožnostiispolʹzovaniâmonokristalʹnyhsensorovdlâanalizadeformacionnoipovreždennostiélementovkonstrukcii AT zasimčukeé physicalsubstantiationofapossibilityofmonocrystalsensorapplicationfortheanalysisofstraindamageofstructuralcomponent AT gordienkoûg physicalsubstantiationofapossibilityofmonocrystalsensorapplicationfortheanalysisofstraindamageofstructuralcomponent AT gontarevarg physicalsubstantiationofapossibilityofmonocrystalsensorapplicationfortheanalysisofstraindamageofstructuralcomponent

Физическое обоснование возможности использования монокристальных сенсоров для анализа деформационной поврежденности элементов конструкций

Репозитарії

Схожі ресурси