Фотоакустическая диагностика твердых тел - поли- и монокристаллов (1105142), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Общий объем работы 130страниц, в том числе 35 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемойлитературы включает 171 наименование.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темыдиссертации, сформулированы задачи исследований и дан анализнаучной новизны полученных результатов и их практической ценности.Описывается структура диссертации.В первой главе приводится обзор литературы по теории ФАэффекта в твердых телах и применению фотоакустических методов длянеразрушающей диагностики вещества, в том числе количественной.Произведен их сравнительный анализ.Проанализирована теоретическая зависимость ФА сигнала отоптических свойств, тепловых и упругих свойств вещества.
Описаныимеющиеся в литературе теоретические модели ФА эффекта сгазомикрофонной и пьезоэлектрической системами регистрации.Исследована возможность применения ФА метода для задачдефектоскопии и определения температуропроводности. Проведенобзоримеющихсявлитературеметодикизмерениятемпературопродности твердых тел.Во второй главе описаны разработанные аппаратно-программныекомплексы и развитые методики проведения эксперимента. Внастоящей работе использовалось два способа возбуждения ФА сигнала– непрерывный и импульсный.Непрерывный способ возбуждения6дает возможность накопления и обеспечивает меньший перегревобразца, что важно при исследовании фазовых переходов. В 2.1 описанаавтоматизированная фотоакустическая установка с гармоническимисточником возбуждения тепловых волн. Установка включает источникизлучения, механический прерыватель, фотоакустическую ячейку сисследуемым образцом, механическую систему сканирования сэлектронным управлением, синхронный усилитель для измерениясигнала, компьютер с АЦП.Тепловая волна практически затухает на расстоянии порядкаχдлины тепловой диффузии µ =( χ -температуропроводность),πfкоторая зависит от частоты как f −1 / 2 , т.е.
низкочастотные волныпроникают в образец глубже высокочастотных тепловых волн. Изменяячастоту, мы изменяем длину тепловой диффузии и, таким образом,производим локализацию неоднородности по глубине. Для этогонеобходимо измерить величину ФА сигнала на различных частотахмодуляции. В случае использования импульсного источника споследующей обработкой сигнала в частотной области можно получитьзначения амплитуд и фазового сдвига ФА сигнала во всеминтересующем нас диапазоне частот из одного измерения. В этомслучае изображение исследуемого объекта на различных глубинахформируется за один проход сканирования.В 2.2 описана импульсная автоматизированная экспериментальнаяустановка, реализующая предложенную методику. В качествеисточника электромагнитного излучения использовался импульсныйлазер, длительность импульса которого составляла 25 нс (энергия вимпульсе 6,3 мДж). Импульсу такой длительности соответствуетчастотный спектр шириной δf ≅ 1 / τ ≅ 40 МГц, спектральная мощностькоторого I f на частоте f пропорциональна I 0 sin( 2πfτ ) /( πfτ ) .
При этомможно считать, что до частоты 5 ⋅ 10 5 Гц sin( 2πfτ ) /( πfτ ) ≅ 1 , т. е. в этомдиапазоне частот спектральная мощность источника I f постоянна.Лазерный импульс возбуждал в исследуемом образце импульс тепловыхволн, который регистрировался с помощью датчика, размещенного визмерительной ячейке. Сигнал с регистратора после усиления вусилителеподавалсянацифровойосциллограф,гдеонпреобразовывался в цифровой код, запоминался и затем по каналуобщего пользования (отечественный аналог интерфейса GPIB IEEE-488)поступал в персональный компьютер для обработки и хранения7полученной экспериментальной информации. Синхронизация установкии запуск лазера осуществлялись с помощью управляющего устройства,сопряженного с ЭВМ по параллельному интерфейсу.
Сервисныепрограммы, написанные на языках Assembler и Pascal, обеспечивализапуск установки, автоматическое управление в диалоговом режимеработой программируемого запоминающего осциллографа, вводсигнала в ЭВМ, его математическую обработку и вывод результатов вграфическом виде на терминал и на жесткий диск для хранения ипоследующей обработки.В 2.3 описана фотоакустическая импульсная методиканеразрушающей диагностики твердых тел с обработкой сигнала вчастотной области. Она основана на том факте, что частотнаязависимость амплитуды фотоакустического сигнала различна втермически толстой (толщина образца ls много больше длины тепловойдиффузии µ ) и термически тонкой ( ls << µ ) областях.
Таким образом,зная толщину образца ls , по измеренному значению критическойчастоты перехода из термически толстой в термически тонкую областьf c можно определить температуропроводность образца: χ s = ls2πf c .Достоинство разработанной методики заключается в том, что онаявляется быстрой и не требует предварительной калибровкифотоакустической ячейки. Также в 2.3 описаны использовавшиеся вработе измерительные ячейки. Помимо стандартных конденсаторныхмикрофонов и пьезокерамики ЦТС-19, для регистрации тепловых волнбыла разработана специальная термоэлектрическая ячейка, принципработы которой основан на эффекте Зеебека.
Особенностью даннойячейки является то, что одним из электродов является сам исследуемыйметаллический образец, что позволило упростить ее конструкцию.Другое упрощение конструкции связано с тем, что, поскольку развитаяметодика определения температуропроводности не требует абсолютнойкалибровки, второй спай не должен поддерживаться прификсированной температуре и может иметь температуру окружающейсреды.В третьей главе фотоакустический эффект был использован длянеразрушающей диагностики металлических пластин (исследованиядефектныхструктурразличноговидаиопределениятемпературопроводности ряда металлов).Исследование дефектов в виде подповерхностных воздушныхканалов в металлических образцах показало, что развитые методики8позволяют производить их обнаружение и локализацию.
На рис.1приведены зависимости амплитуды и фазового сдвига ФА сигнала длядюралюминиевого образца (параллельно поверхности на глубине 0,8 ммбыло просверлено отверстие диаметром 1 мм) для трех частотмодуляции: 95 Гц (длина тепловой диффузии в образце µ = 0 ,5 мм); 190Гц ( µ = 0 ,35 мм); 380 Гц ( µ = 0 ,25 мм). Видно, что на меньших частотахотверстие хорошо различимо, а на большей частоте, когда длинатепловой диффузии становится меньше, чем расстояние до отверстия,оно уже не просматривается.
Оценка поперечных размеров дефекта изамплитудных данных на частоте 95 Гц - 1,2 мм, фазовых - 1,8 мм. Придлине тепловой диффузии 0,5 мм размеры получаются достаточноблизкими к 1 мм.18001.8A, отн.ед.16001.614001.412001.210001.08000.86000.6123x, мм4∆φ, рад.1523x, мм45Рис.1. Зависимость амплитуды A и фазового сдвига ∆ϕ ФАсигнала от положения сканирующего луча при трех различныхчастотах прерывания для дюралюминиевого образца с дефектом в видеподповерхностного воздушного канала.Такжебылиисследованыобразцысосмешаннымиповерхностными и подповерхностными дефектами.
Подповерхностныйдефект представлял собой воздушный цилиндрический канал, аповерхностный – не устраненные полировкой неровности шлифовки.Амплитуда ФА сигнала зависит как от коэффициента поглощения света,так и от тепловых свойств, фазовый же сдвиг же зависит только оттепловых свойств. Применительно к сильно поглощающим свет9материалам это означает возможность разделения поверхностных иподповерхностных дефектов: амплитудный контраст показывает обавида дефектов, а фазовый – только подповерхностный дефект (рис.2).(а)(б)Рис.2. Зависимость амплитуды (а) и фазового сдвига (б)фотоакустического сигнала от положения сканирующего луча дляобразца с поверхностными и подповерхностными дефектами(сканировалась область 7×3 мм, шаг сканирования по осям x и yсоставляет 0,25 мм).В 3.2 приведены результаты исследования неоднороднодеформированныхметаллическихпластинприимпульсномвозбуждении ФА сигнала с обработкой в частотной области.Деформации были двух видов: полученные путем перегибаметаллических пластин и путем их деформирования посредствомлокального давления с помощью специального устройства.
Последеформирования образцов их поверхность шлифовалась до устранениявидимых дефектов. На рис.3 приведена зависимость амплитуды ФАсигнала для образцов №2 и №3 с различным числом перегибов. Образец№2 перегибался на 90 градусов и обратно 7 раз, а образец №3 - 5 раз(оба образца изготовлены из одного листа латуни). На графикахдостаточно четко наблюдается различие в величине максимумовамплитуды: дефект, полученный путем большего числа перегибов,проявляется сильнее.
Ширина максимумов также различна, что говорито том, что дефектная область в образце №2 (7 перегибов) получиласьшире.10Рис.3. Зависимость амплитуды ФА сигнала от координатысканирования x для образцов №2 и 3 с разным числом перегибов (f=250Гц).Дефектные области образца №4 (материал-медь) создавалисьдавлением стальной призмы величиной 440 МПа и 550 МПа (чтосоответствует области пластических деформаций), с последующейшлифовкой поверхности образца до устранения видимых дефектов.Ширина областей давления составляла 0,3 мм, расстояние между ними 6 мм, толщина образца d=0,85 мм. На рис.4 показана зависимостьамплитуды ФА сигнала от координаты сканирования x для этогообразца.Из графика видно, что минимумы амплитуды расположены вместах, соответствующих дефектам, причем минимум, относящийся кобласти большего давления, выражен сильнее.
Ширина области междуминимумами ∆x = 6 мм. Также из рис.4 видно, что дефект, созданныйпутем большего давления, шире (область б). На этом же рисункеприведена зависимость амплитуды от координаты сканирования длянедеформированного образца, выполненного из того же материала.Видно, что амплитуда ФА сигнала почти не зависит от координаты(некоторое непостоянство амплитуды ФА связано с неоднородностьюповерхности образца, вызванной ее шлифовкой).111600контрольныйобразецА, отн.
ед.1200440 МПа550 МПа800400деформированныйобразец004 x, мм 81216Рис.4. Зависимость амплитуды ФА сигнала от координатысканирования x для деформированного образца (№4) и для контрольногообразца (без дефектов) (f=250 Гц).В параграфе 3.3 импульсная фотоакустическая методика собработкой сигнала во временной и частотной областях применена дляопределения температуропроводности ряда металлов. Для исследованияиспользовались металлические пластинки площадью в единицыквадратных сантиметров и толщиной от одной десятой миллиметра до 1миллиметра, выполненные как из химически чистых металлов (99,9%) –Cu, Ta, Sn, Zn, Mg, так и из конструкционного материала –дюралюминия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
