Ученые Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН работают над отечественной методикой, которая позволяет прямо на работающем изделии за секунду провести точечную диагностику состояния конструкции неразрушающим способом.

Знание упругих свойств материалов является фундаментальным требованием для успешной разработки конструкций. Измерение модулей упругости используемого в конструкции материала является необходимой, хорошо отработанной и стандартизованной процедурой. При этом определяются средние по объему образца характеристики.

В то же время снижение весогабаритных параметров изделия приводит к существенно неоднородным условиям нагружения составляющих его частей на масштабах порядка нескольких миллиметров. Вследствие этого проблема неразрушающего измерения упругих свойств материала в конкретных точках изделий становится весьма актуальной. Для этого могут быть использованы ультразвуковые методы измерения с использованием лазерных источников субмикросекундных ультразвуковых импульсов, позволяющие проводить измерения с локальностью порядка миллиметра.

В этом случае ультразвук генерируется вследствие термооптического эффекта — очень быстрого теплового расширения слоя твердого тела с помощью короткого импульса лазерного луча. Благодаря этому в слое твердого тела начинает распространяться импульс упругих волн. Эта информация дает возможности для определения скорости звука в них. Зная скорости продольных и поперечных волн и используя формулы, связывающие их с модулями упругости и плотностью материала, нетрудно получить значения каждого модуля: E — модуль Юнга, σ — коэффициент Пуассона, K — объемный модуль упругости и μ — модуль сдвига.

 

Рис. 1. Упрощенная схема лазерно-ультразвукового измерения скорости ультразвука.

Экспериментальная установка, созданная российскими учеными, включала твердотельный лазер (1) как источник короткого светового импульса. Этот импульс попадал не на измеряемый образец (4) непосредственно, а на приповерхностной слой специальной среды, называемой оптико-акустическим генератором (ОАГ, 2) для преобразования светового излучения в ультразвуковой импульс. За счет поглощения электромагнитной энергии происходит кратковременное локальное нагревание вещества ОАГ, что приводит к генерации ультразвуковых волн, которые затем распространяются по материалу образца (4). Звукопровод (3) служит для передачи звука в широкополосный приемник-пьезопреобразователь (5). Прошедший в образец (4) и отраженный от его границ ультразвуковой импульс возвращался обратно через звукопровод на пьезопреобразователь, напряжение с которого переводилось в цифровую форму и обрабатывалось на персональном компьютере. Для лучшего акустического сопряжения примыкающих поверхностей звукопровода и образца на них наносился тонкий слой контактной жидкости (дистиллированная вода) (6). Диаметр ультразвукового пучка определялся диаметром лазерного пятна на поверхности ОАГ и составлял ~4 мм.

Измерения модулей проводились на металлических образцах (пластинки из алюминиевого сплава Д16Т и стали 12Х18Н10Т) и на образце оптического стекла марки К8. Все образцы имели плоскопараллельные поверхности, перпендикулярно которым ультразвук вводился в образец. Образцы металлов имели форму параллелепипедов, стекла — цилиндрическую форму. Каждый образец располагался на поверхности ОАГ таким

Полученные результаты показали применимость исследуемого лазерно-ультразвукового метода для измерения локальных значений модулей упругости материалов, в том числе и микронеоднородных. Метод позволяет измерять свойства конструкционных материалов при одностороннем доступе к объекту контроля, в том числе и на работающем изделии, с локальным разрешением от 1 мм и оперативностью менее 1 с. Это позволяет проводить диагностику состояния конструкций по фактическому состоянию неразрушающим способом.

Подробнее см. статью «Измерение локальных модулей упругости конструкционных материалов с использованием лазерных источников ультразвука», Д. И. Макалкин, А. А. Карабутов, Е. В. Саватеева, В. А. Симонова, «Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки», 2022, T. 502, № 1, стр. 63-66.

Редакция сайта РАН