Исследование внутренних механических напряжений методом нейтронной дифракции

  • Автор:
  • Специальность ВАК РФ: 01.04.07
  • Научная степень: Кандидатская
  • Год защиты: 2002
  • Место защиты: Дубна
  • Количество страниц: 102 с.
  • Стоимость: 250 руб.
Титульный лист Исследование внутренних механических напряжений методом нейтронной дифракции
Оглавление Исследование внутренних механических напряжений методом нейтронной дифракции
Содержание Исследование внутренних механических напряжений методом нейтронной дифракции
Глава 1. Внутренние механические напряжения в материалах
1.1. Элементы теории упругости
1.2. Макро-и микронапряжения
1.3. Текстура
1.4. Методы исследования внутренних механических напряжений
Глава 2. Исследование внутренних напряжений методом дифракции
нейтронов
2.1. Особенности нейтронного метода
2.2. Основные принципы RTOF-дифрактометрии
2.3. Сравнение X-const, TOF- и RTOF-дифрактометров
2.4. Оборудование для проведения исследований. Основные параметры ФДВР
Глава 3. Исследование механических свойств аустенитной стали
3.1. Поведение аустенитной стали при внешней одноосной нагрузке
3.2. Свойства аустенитной стали с циклической усталостью
Глава 4. Остаточные внутренние напряжения в композитах и
градиентных материалах
4.1. Анализ остаточных напряжений в композитах с керамической матрицей AI2O3/AI в зависимости от содержания металлической фазы и микроструктуры
4.2. Остаточные напряжения в градиентных материалах W/Cu
Глава 5. Исследование остаточных напряжений в холоднокатаных
стальных дисках
5.1. Образцы и постановка экспериментов
5.2. Результаты экспериментов и их обсуждение
5.3. Сравнение нейтронных данных с результатами ультразвуковых и магнитных
исследований
Заключение
Благодарности
Литература

Исследование внутренних механических напряжений в материалах имеет как фундаментальное научное, так и прикладное значение. К фундаментальным проблемам обычно относят изучение деформаций и микродеформаций в кристаллах, возникающих при структурных фазовых переходах, деформаций, образующихся в многофазных системах, влияния текстуры материала на его механические свойства, а также задачу определения размеров кристаллитов и плотности дислокаций и их связи с внутренними напряжениями. Прикладные исследования направлены на изучение внутренних напряжений в промышленных изделиях для оптимизации соответствующих технологических процессов. К ним, например, относятся экспериментальное определение остаточных напряжений, возникающих после различных технологических операций (сварки, проката, отжига, закалки и т.д.), деформаций, возникающих под воздействием циклических нагрузок (механических и термических), радиационного облучения (например, воздействия нейтронного облучения на мартенситные превращения), гидрогенизации и др. Быстро развивающимся направлением является также исследование механических свойств новых перспективных материалов (композитов, градиентных материалов, армированных систем, металлокерамик, сплавов с памятью формы и т.д.) с целью выявления их пригодности для применения в тех или иных промышленных изделиях. Кроме того, представляет интерес экспериментальная проверка различных теоретических методов расчета напряжений.
Для исследования внутренних напряжений в материалах уже много лет используются различные методики неразрушающего контроля: дифракция рентгеновских лучей,
ультразвуковое сканирование, различные магнитные методики (измерения магнитной индукции, проницаемости, анизотропии, эффекта Баркхаузена, магнитоакустических эффектов). Однако все эти методы имеют определенные ограничения. Например, с помощью рассеяния рентгеновских лучей и магнитных методов можно исследовать напряжения только вблизи поверхности материала вследствие их малой глубины проникновения (~100 мкм); кроме того, применение магнитных методов ограничено ферромагнитными материалами. Также на магнитные и ультразвуковые методы сильное влияние оказывает наличие текстуры в образце.
Среди всех этих методик изучение напряжений при помощи дифракции нейтронов стоит на особом месте, так как этот метод, по сравнению с остальными, практически не имеет ограничений. Данный метод появился около 15 лет назад и получил широкое

распространение из-за ряда существенных преимуществ по сравнению с традиционными методиками. В отличие от традиционных методов, нейтроны могут проникать в материал на глубину до 2-3 см для сталей и до 10 см для алюминия. Достоинства метода дифракции нейтронов настолько существенны, что в течение последних 15 лет практически во всех современных нейтронных центрах созданы специализированные дифрактометры для изучения внутренних напряжений. Они созданы как на реакторах постоянной мощности -наиболее известные в Chalk River (Канада), ILL (Франция), HMI (Германия), так и на импульсных источниках нейтронов - в Los Alamos (США), RAL (Великобритания).
В ЛНФ ОИЯИ с середины 90-х годов началась систематическая работа по определению внутренних напряжений в объемных изделиях на нейтронном фурье-дифрактометре высокого разрешения (ФДВР), установленном на 5-м канале реактора ИБР-2. Выполненные эксперименты показали эффективность фурье-дифрактометра для решения поставленных задач. За несколько лет работы на дифрактометре ФДВР проведен ряд экспериментов, характеризующих основные направления в этой области исследований: изучение механических свойств материалов при различных режимах нагрузки, различных сварных соединений, структурных компонент различных промышленных изделий, новых перспективных материалов, градиентных структур и композитов. Результаты нейтронных экспериментов используются для оптимизации промышленных технологий.
Основные цели и задачи работы
Целью работы являлась разработка нового метода анализа внутренних механических напряжений в материалах с использованием нейтронной корреляционной фурье-дифрактометрии на импульсном источнике нейтронов ИБР-2, разработка и создание необходимого оборудования, проведение экспериментов по исследованию внутренних механических напряжений в конкретных материалах с целью апробирования разработанной методики и определения потенциального круга задач.
Научная новизна. основные результаты, выносимые на защиту
Создание нейтронного фурье-дифрактометра высокого разрешения (Ad/d » 1x10'3) ФДВР на высокопоточном импульсном реакторе ИБР-2 (ЛНФ ОИЯИ) позволило приступить к реализации программы по исследованию внутренних механических напряжений в материалах и изделиях методом дифракции нейтронов. С этой целью на базе ФДВР была создана установка для измерения внутренних механических напряжений. Данная работа проводилась в ЛНФ ОИЯИ впервые, интерес к этой теме вызван отсутствием в России аналогичных установок и острой потребностью в освоении и внедрении нового неразрушающего метода контроля внутренних напряжений в промышленных изделиях и

где сг - сечение рассеяния, которое для поликристалла представляет собой сумму 5-функций, соответствующих брэгговским дифракционным пикам, - функция разрешения
дифрактометра, В - фоновая интенсивность. Для ТОБ-дифрактометра на импульсном источнике БД/) является сверткой функции, описывающей импульс быстрых нейтронов, с функцией отклика замедлителя. Для импульсного реактора ИБР-2, например, ИД?) представляет собой слегка асимметричный гауссиан с шириной на половине высоты -
мкс. Статистическая ошибка счета (дисперсия) в заданном временном канале определяется

величиной /(Г) и равна / .
Для фурье-дифрактометра на реакторе постоянной мощности соотношение для измеряемой интенсивности выглядит следующим образом:
где первый интеграл, описывающий форму дифракционных пиков, в данном случае определяется функцией разрешения фурье-прерывателя Яс, а второй интеграл представляет собой так называемый корреляционный фон, который является в этом случае суммой отсчетов всех зарегистрированных нейтронов. В БТОБ-методе накопление спектра ведется при непрерывном изменении частоты вращения фурье-прерывателя от нулевой до некоторой максимальной частоты ют. При этом временная компонента функции разрешения определяется функцией разрешения фурье-прерывателя Лс(0, зависящей от конкретного распределения частот £(со), и первом приближении может быть представлена в виде
где #(со) - функция распределения частот вращения прерывателя, £2т=Ыв>т - максимальная частота модуляции интенсивности нейтронного пучка фурье-прерывателем, N - число щелей фурье-прерывателя, сот - максимальная скорость вращения фурье-прерывателя.
Ширина функции разрешения фурье-прерывателя в основном определяется значением От и для частотного распределения по Блакману:
где и = ®/0.т,р= 1.03, q = 0.08, полная ширина ЯД/) на половине высоты -От’
Для фурье-дифрактометра на импульсном источнике соотношение для измеряемой интенсивности является комбинацией двух рассмотренных случаев:
Щ ~ | Ис(І-т)(7(т)<ІТ + с | сг(т)с1т + В(1),

g (и) = 1 + р-со$(т) + q■cos(2nu),

1(1) ~ ± | К^-^Кс^-х)с>(т)йт + с | Я/і-т)сг(т)сіт + В(і),

Рекомендуемые диссертации данного раздела