Выявление рациональной частоты ступенчатого нагружения образца при его испытании на выносливость на основе синергетически организованной акустической эмиссии

Рассмотрены результаты оценки рациональной частоты воздействия на образец при реализации метода определения усталостных характеристик материалов на основе синергетически организованной эмиссии волн напряжений. Суть этого процесса заключается в том, что при мелкоступенчатом нагружении испытываемого образца на каждой ступени нагружения формируется поток эмиссионного сигнала. Одновременно подготавливается очередная серия дислокаций, способных в следующий момент нагружения выйти на поверхность кристалла и излучить волну напряжений. Величина этого сигнала характеризует процессы, происходящие в материале при той или иной нагрузке, и позволяет зафиксировать силовые параметры, соответствующие такой величине, как предел выносливости. Цель настоящей работы сводится к определению частоты мелкоступенчатого нагружения, обеспечивающей максимальный волновой сигнал при реализации метода определения усталостных характеристик материалов на основе синергетически организованной эмиссии волн напряжений. Проведен анализ процесса движения элементов материала. Опираясь на ранее опубликованные материалы по использованию синергетически организованной акустической эмиссии, проанализирован процесс поведения структурных составляющих металла, выделен и описан процесс поведения его зерна под воздействием дислокационных движений. Сила каждого такого воздействия представлена δ-функцией. Поведение зерна металла описано дифференциальным уравнением второго порядка. Вероятность перемещения зерна от импульсного воздействия со стороны близлежащих кристаллов и от собственных импульсов описана плотностью вероятности движения этого зерна. Рассматривая совместно динамическое и вероятностное описание поведения зерна, было получено уравнение Колмогорова – Фокера – Планка. В силу того, что в настоящей работе интерес представлял прежде всего колебательный характер движения зерна металла, вышеотмеченное уравнение было преобразовано в волномеханическую функцию процесса поведения зерна. Решением волномеханической функции является волновое уравнение. В результате рассмотрения волнового уравнения выявлена собственная частота колебаний зерна материала. Эта частота попадает в диапазон частот, который может быть воспроизведен при ступенчатом нагружении испытываемого образца. Это позволяет применительно к поведению кристаллической структуры металла реализовать резонансный эффект. Таким образом, определена частота, на которой колебания структуры материала на уровне зерна будет резонировать с внешним воздействием на образец. Резонансное взаимодействие структуры материала и внешнего ступенчатого нагружения образца позволит обеспечить более мощный эмиссионный сигнал при одной и той же величине ступенек при мелкоступенчатом нагружении. 

эмиссия волн напряжений, синергетически организованный сигнал акустической эмиссии, частота собственных колебаний зерен металла, резонансная частота, мелкоступенчатое нагружение, предел выносливости материала

1. Савельев А.Н., Савельева Е.А., Локтева Н.А. Оценка прочностных свойств материалов элементов технологических машин на основе синергетически организованных сигналов акустической эмиссии // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 6. С. 443 – 450.

2. Пат. № 2555506 РФ. Способ регистрации сигналов акустической эмиссии / Е.А. Савельева, А.Н. Савельев. Заявл. 26.03.2014. Бюл. № 19.

3. Кандыбо Г.В., Страшников В.М. Материя, движение, техника. – Минск: Наука и техника. 1977. – 200 с.

4. Савельев А.Н. Структурные особенности устойчиво функционирующей сложной технической системы // Изв. вуз. Черная металлургия. 1996. № 12. С. 53 – 58.

5. Савельев А.Н. Виды движений в материалах и невелеровские кривые усталостной их оценки // Изв. вуз. Черная металлургия. 1992. № 2. С. 78 – 81.

6. Charsley P., Bangert U., Appleby L.J. The effect of temperature and amplitude on dislocation structures in cyclically deformed pure aluminum // Mat. Sci. and Eng. 1989. No. 113. Р. 231 – 236.

7. Crinberg N.M. etc. Cyclic hardening and substructure of Al-Mg alloys // Mat. Sci. and Eng. 1991. A 138. P. 49 – 61.

8. Коттрелл А.Х. Прерывистая текучесть. – В кн.: Структура и механические свойства материалов. – М.: Металлургия, 1967. С. 210 – 224.

9. Конрад Г. Модель деформированного упрочнения для объяснения влияния величины зерна для напряжения течения металла. – В кн.: Сверхмелкое зерно в металлах. – М.: Металлургия, 1973. С. 206 – 219.

10. Glasov M., Llanes L.M., Laird C. Self-organized dislocation structures (SODS) in fatigue metals // Phys. Stat. Sol. (a). 1995. Vol. 149. Р. 297.

11. Pangborn R.N., Weissmann S., Kramer I. R. Dislocation distribution and prediction of fatigue damage // Metallurgical Transactions A. 1981. Vol. 12 (1). P. 109 – 120.

12. Кульбашний П.Ф. Влияние частоты нагружения и направленности анизотропии на усталостную прочность листового алюминиевого сплава АМг65М // Проблемы прочности. 1972. № 6. С. 38 – 41.

13. Кузьменко В.А., Матохнюк Л.Е., Писаренко Г.Г. и др. Влияние частоты нагружения на усталостную прочность металлов. – В сб. докл. Усталостная прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения. – Киев: Наукова думка, 1976. С. 23 – 32.

14. Писаренко Г.Г. Влияние частоты циклического растяжения- сжатия на выносливость сплава Д16Т // Проблемы прочности. 1972. № 12. С. 2 – 23.

15. Савельев А.Н., Громов В.Е. Влияние частоты нагружения на характер распределения движений в материалах // Изв. вуз. Черная металлургия. 1999. № 6. С. 62 – 66.

16. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформаций / В.А. Лихачев, В.Е. Панин, Е.Э. Засимчук и др. – Киев: Наукова думка, 1989. – 320 с.

17. Mecke K., Blochwitz G., Kremling U. The development of the dislocation structures during the fatigue process of F.C.C. single crystals // Cryst. Res. And Technol. 1982. Vol. 17. No. 12. Р. 1557 – 1570.

18. Ackermann F. etc. The dependence of dislocation microstructure on plastic strain amplitude in cyclically strained copper single crystals // Acta. met. 1984. Vol. 32. No. 5. P. 715 – 725.

19. Структурные уровни пластической деформации и разрушение / В.Е. Панин, Ю.В. Гриняев, В.И. Данилов и др. – Новосибирск: Наука, 1990. – 255 с.

20. Gillis P.P. Dislocation motions and acoustic emission. – In.: Acoustic emission, ASTM STP-505. 1972. P. 20 – 29.

21. Хакен Г. Синергетика / Пер. с англ. – М.: Мир, 1980. – 404 с.

22. Кузьменко Г.И. Значение теории простых марковских процессов в физической химии // Журнал физической химии. 1977. № 10. С. 2607 – 2610.

23. Носкова Н.И. Прямое наблюдение расщепления дислокаций в твердых растворах с ОЦК решеткой // Физика металлов и металловедение. 1985. Т. 60. Вып. 2. С. 387 – 394.

24. Jon M.C., Mason W.P., Besuers D.N. Observation of acoustic harmonics generated by long-range motion of dislocations // J. Аppl. Phys. 1978. Vol. 49. No. 12. P. 5871 – 5879.

25. Koneva N.A. Self-organization and phase transition in dislocation structure. – In.: Proc. of 9th ICSMA, Israel, Haifa 1991, Fruid Publ. – Company LTD. London, 1991. P. 157 – 164.

26. James D.R., Carpenter S.H. Relation between acoustic emission and dislocation kinetics in crystalline solids // J. Appl. Phys. 1971. Vol. 42. No. 12. Р. 4685 – 4697.