Нейтронные исследования остаточно-напряженного состояния конструкционных материалов и изделий

• Автор: Тамонов, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 131 с. : ил.

1. Остаточные напряжения

1.1. Теория остаточно-напряженного состояния материалов

1.1.1. Тензор деформации

1.1.2. Тензор напряжений

1.1.3. Закон Гука

1.1.4. Упругие модули поликристаллических материалов

1.2. Виды остаточных напряжений

1.3. Методы определения остаточных напряжений

1.3.1. Разрушающие методы

1.3.2. Неразрушающие методы

1.4. Способы формирования остаточных напряжений

1.4.1. Теория термических процессов обработки материалов
1.4.2. Методы формирования остаточно-напряженного состояния материалов

2. Метод дифракции нейтронов
2.1. Дифракция нейтронов
2.2. Источники нейтронов
2.2.1. Реакторы постоянного действия
2.2.2. Импульсные реакторы
2.2.3. Источники нейтронов на основе ускорителей
2.3. Экспериментальные методы определения остаточных
напряжений
2.3.1. Метод постоянной длины волны
• 2.3.2. ТОБ метод
2.3.3. ШОР метод

2.4. Постановка эксперимента
2.4.1. Фурье дифрактометр высокого разрешения. Фурье стресс дифрактометр. Дополнительное оборудование
2.4.2. Схема стандартного эксперимента
2.4.3. Анализ данных
3. Анализ остаточно-напряженного состояния материалов с помощью метода дифранции нейтронов
3.1. Модельные эксперименты
3.2. Конструкционные стали
3.2.1. Образцы. Постановка экспериментов
3.2.2. Результаты экспериментов
3.2.3. Обсуждение результатов
3.2.4. Выводы
3.3. Многокомпонентные системы
3.3.1. Образцы. Постановка экспериментов
3.3.2. Результаты экспериментов
3.3.3. Обсуждение результатов
3.3.4. Выводы
3.4. Композиционные материалы
3.4.1. Введение
3.4.2. Образцы
3.4.3. Постановка экспериментов
3.4.4. Результаты экспериментов. Обсуждение результатов
3.4.5. Выводы
Результаты, выносимые на защиту
Благодарности
Список литературы

Взаимодействие тепловых нейтронов с веществом относительно слабо: нейтроны не нарушают структуру и не изменяют химические свойства вещества. Слабое взаимодействие обусловливает и большую глубину проникновения нейтронов в образец (в отличие от рентгеновских лучей и электронов), что позволяет исследовать объемные структурные и динамические эффекты.
Перечисленные свойства дополняются тем, что длина волны тепловых и холодных нейтронов (Я - 1 - 10 А) и их энергия (Е„ = 1 -- 100 мэВ) соответствуют типичным межатомным расстояниям в твердых телах и характерным энергиям возбуждений. Таким образом, один и тот же источник нейтронов дает возможность исследовать и структуру, и динамику вещества.
В 1936 г. вскоре после открытия нейтрона была продемонстрирована дифракция нейтронов, причем, как было выяснено впоследствии, положения дифракционных пиков строго соответствуют закону Вульфа-Брэгга. Таким образом, появилась возможность использовать нейтроны в качестве прецизионного инструмента для измерения микроскопических деформаций кристаллической решетки по смещению дифракционных пиков, и затем, используя закон Гука, определять остаточные напряжения в исследуемом образце.
Остаточными напряжениями принято называть такие напряжения (сжатие или растяжение), которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин вызвавших их появление. К внутренним напряжениям относятся также напряжения, которые возникают в материале эксплуатируемой детали или конструкции под действием внешних полей и определяют сопротивляемость материала внешним воздействиям - его прочность. Остаточные напряжения возникают в материалах и конструкциях вследствие механического и температурного воздействия на материал в процессе его изготовления, вследствие пластической деформации такого материала, фазовых переходов и как следствие имеют место практически во всех деталях и конструкциях. Практически все процессы, используемые при производстве материалов и конструкций, создают те или иные остаточные напряжения.
Остаточные напряжения играют значительную роль в природе и технике, причем она может быть как положительной, так и отрицательной. Грамотное использование внутреннего остаточного состояния различных конструкций и изделий позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики и это можно целенаправленно

рассеивающий объем (gauge volume). В результате проведения нейтронного дифракционного эксперимента определяют деформации кристаллической решетки только внутри выделенного объема. Таким образом, определение внутренних напряжений происходит в локальной области, размер и положение которой легко варьируется. Перемещая рассеивающий объем внутри образца можно определить распределение внутренних напряжений внутри образца. Особенностью метода постоянной длины волны является измерение обычно только одного дифракционного отражения (hkl), для которого и определяются остаточные деформации и напряжения, что в случае исследования сильно текстурированных образцов приводит к существенным погрешностям. Такой типичный дифракционный пик показан на Рис.2.3.3.
20 (dee.)
Рис. 2.3.3. Типичный дифракционный пик получаемый в результате нейтронного дифракционного эксперимента с постоянной длиной волны [2.3.1]
2.3.2. Time-Of-Flight (TOF) метод
Причинами, позволяющими организовать нейтронный дифракционный эксперимент существенно иначе, чем рентгеновский, является то, что энергетический спектр тепловых нейтронов из реактора имеет непрерывный (максвелловский) характер, скорость тепловых нейтронов невелика и есть возможность осуществить анализ энергии (или длины волны) нейтрона по времени пролета.
Действительно, зная время пролета нейтроном определенного расстояния, можно определить его длину волны, используя соотношение де Бройля. В нейтронной дифрактометрии метод времени пролета наиболее эффективно удается использовать на импульсных источниках нейтронов.
На Рис.2.3.4 показана схема работа дифрактометра по времени пролета.