СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
А.А.Рассоха, В.Ю.Полонский
В
данной работе использована комплексная методика исследования
пластических деформаций, заключающаяся в записи голограмм
по схеме во встречных пучках с накладным интерферометрическим
датчиком [1], их расшифровке и регистрации кинетики пластических:
деформаций в реальном масштабе времени [2].
Пластически деформированные области
характеризуются незначительной подвижностью интерференционных полос при изменении
угла наблюдения. В связи с этим определение планарных перемещений по известной
методике [3]
связано с большими погрешностями. Свойства голограмм, записанных по схеме во
встречных пучках с наложением на поверхность объекта, позволяют определить нормальные
перемещения по голографическим интерферограммам и планарные перемещения - путем
сканирования неразведенным лучом лазера и при помощи пространственной фильтрации.
Рассмотрим пластическое деформирование тонких пластин, подверженных
растягивающему усилию. Образцы имели размеры 400х30х2мм и были изготовлены из
сплава Д16Т. Схема записи голограмм изображена на рис.1. Луч лазера 1 расширяется
микрообъективом 2, коллимизуется линзой 3 и, отражаясь от полупрозрачного зеркала
4, направляется на голограмму 5, закрепленную с помощью податливых держателей
на исследуемом объекте 6. В верхнем держателе 7 вмонтирован разбрызгиватель
8 с форсунками. Нижний держатель 9 выполнен в виде ванночки. Химический раствор
подается в разбрызгиватель и после смывания голограммы собирается в ванночке,
откуда он отбирается и подается вновь на вход разбрызгивателя. Полупрозрачное
зеркало служит для обеспечения возможности совмещения векторов освещения, что
снижает
- 51 -
погрешность при количественной расшифровке голографических
интерферограмм.
При нагружении объекта на проявленной на месте голограмме отображается
картина, которая фиксируется кинокамерой 10 и характеризует нормальные к плоскости
объекта перемещения.
На рис.2 представлены кадры из кинофильма, зафиксировавшего
нагружение образца от 98 до 98,1% от разрушающего усилия при скорости перемещения
захватов 0,001мм/с. Пластическое деформирование протекало в двух близко расположенных
узких областях, которые в процессе нагружения распространялись от нижней боковой
границы образца в направлении верхней под углом 60° к направлению растяжения.
Зная скорость киносъемки, можно определить скорость развития областей пластических
деформаций. В длину они распространялись со скоростью 7,2мм/с, а в ширину -
со скоростью 1,2 мм/с. После того, как область пластических деформаций охватила
всю ширину образца, ее дальнейшее развитие протекало с увеличением ширины и
смещения точки максимальных нормальных перемещений внутри образовавшейся области
в середину. Приведенные интерференционные картины характеризуют поле нормальных
к плоскости образца перемещений, которые определяются по формуле:
(1)
где λ - длина волны лазера;
n
- порядок интерференционной полосы.
Для определения вектора перемещения в плоскости исследуемого
образца дважды экспонированную фотографическую пластину устанавливают в подвижный
держатель 4 (рис. 3) и просвечивают неразведенным лучом лазера 1. В результате
интерференции образованных при прохождении луча лазера через спекл-структуру
голограммы дифракционных конусов на экране 3 формируются полосы Юнга. Густота
их обратно пропорциональна величине перемещения точки образца, соответствующей
высвечиваемой точке на голограмме, а перпендикуляр, восстановленный к ним, указывает
направления вектора перемещения. При регистрации голограмм во встречных
- 52 -
пучках величина перемещения в плоскости образна определяется
по формуле:
(2)
где l
- расстояние от голограммы до экрана (рис. 3);
s - расстояние между полосами Юнга.
На рис.4.а приведена голографическая
интерферограмма пластически деформированной пластины, характеризующая нормальные
перемещения. Область пластических деформаций шириной 4-6мм наклонена под углом
60° к направлению растяжения и представляет собой, согласно схеме нумерации
полос (цена полосы - 0,3 мкм) (рис.4.б), уточнение образца. На рис.4.в приведены
результаты расшифровки планарных перемещений. Как следует из этого рисунка,
вектор перемещения вдоль области пластических
деформаций меняет направление: по одну сторону от нее от 55° до 15° и по другую
- от 0° до 42° к направлению приложения растягивающего усилия. Это говорит о
том, что, кроме сдвига и удаления частей образца по разные стороны от области
пластических деформаций, происходит и вращение их друг относительно друга. Отметим
только, что этот эффект не был зафиксирован при определении перемещений по методике
[3].
В развитой области пластических
деформаций, например, такой, как на рис.5.а. можно выделить три области, в которых
характер перемещения точек образца отличен. В ее двух боковых областях происходят
сдвиг и растяжение образца. Полосы Юнга не наблюдаются из-за высокой степени
локализации планарных и нормальных пластических деформаций. В центральной
части этой области перемещения в плоскости
примерно в 4-7 раз меньше, чем перемещения образца вблизи внешних границ области
пластических деформаций. В свою очередь, на центральную часть приходятся (рис.5.б)
максимальные значения нормальных смещений. Деформация
в
ней равна нулю.
Метод поточечного сканирования спекл-фотографий является весьма
эффективным при определении смещений в плоскости сложным образом пластически
деформированных тел. Так. Например, на
- 53 -
рис.5 приведена голографическая интерферограмма, характеризующая
нормальные перемещения пластины с отверстием (растягивающее усилие приложено
по горизонтали). Из рисунка следует, что узкие области пластических деформаций
являются границами упругих клиньев, перемещающихся в разных направлениях.
С помощью метода пространственной
фильтрации можно определить проекции вектора перемещения пластически деформированных
тел этот метод может быть использован как дополняющий к определению планарных
перемещений метод поточного сканирования, так как в указанных боковых границах
области пластических деформаций полосы Юнга не наблюдаются. Голограмму двойной
экспозиции устанавливают в положении 3 схемы рис.6. Фотокамера 5 располагается
так, чтобы диафрагма находилась в фокусе линзы 4. Отклоняя фотокамеру от этого
положения вдоль оси х на расстояние lx(Рис.6),
фиксируем картину, интерференционные полосы которой являются линиями равных
проекций вектора перемещения:
(3)
где ¦ - фокусное расстояние линзы.
Для растягиваемой пластины (рис.
4,а) на рис.7 приведены интерференционные картины, зафиксированные в положениях
фотокамеры 1-4, и соответствующие схемы нумерации интерференционных полос. Расстояния
lx
и lу
в данном случае были одинаковы и равнялись 45 мм, а линза 2 имела фокусное расстояние
280 мм. При этом цена интерференционных полос на интерферограммах, соответствующих
положениям фотокамеры 1 и 2, составила 3,9 мкм, а в положениях - 2, 8 мкм.
На рис. 8 графически изображены результаты расшифровки планарных
перемещений границ пластической области растягиваемой Пластины (рис.4,а) методом
поточечного сканирования и методом оптической фильтрации. Следует отметить хорошее
соответствие результатов.
Таким образом, с помощью метода голографической интерферометрии,
методов сканирования неразведенным лучом и пространственной фильтрации спекл-фотографий
можно достаточно эффективно
- 54 -
анализировать поля пластических деформаций. В результате проведенных
исследований установлено, что пластическое деформирование плоских образцов из
сплава Д16Т происходит в узких областях и развивающемся в длину со скоростью
7,2 мм/с, а в ширину - со скоростью 1,2 мм/с при скорости перемещения захватов
образца с размерами 400х30х3 мм 0,001 мм/с.
В боковых частях развитой области
пластических деформаций (рис.4,а) происходит удаление и сдвиг, сопровождающийся
вращением частей образца друг относительно друга, а также утонение образца,
характеризуемое большими деформациями. В центральной части смещения в плоскости
значительно ниже, нормальные перемещения максимальны, но деформацияравна
нулю.
Перемещения uх границ
развитой области пластических деформаций примерно в два раза превышает соответствующие
перемещения uy и
максимальные значения uz.
- 55 -
Рис.1.
Схема проведения эксперимента.
Рис.2. Развитие областей пластических деформаций в растягиваемой
пластине.
- 56 -
Рис. 3. Схема определения перемещений в плоскости образца.
1 - луч лазера, 2 - голограмма, 3 - экран, 4 - вертикально
подвижный держатель голограммы, 5 - горизонтально подвижный элемент, 6 - направляющая
Рис.4. Перемещение растягиваемой пластины вблизи области пластических
деформаций (мкм)
- 57 -
в)
- 58 -
Рис.5. Планарные перемещения образца с отверстием при растяжении (мкм).
- 59 -
Рис. 6. Оптическая схема определения смещений в плоскости пластически
деформированных тел:
1 - микрообъектив, 2 - коллимирующая линза, 3 - голограмма,
4 - линза, 5 - фотокамера.
- 60 -
pиc.7. Голографические интерферограммы и схемы нумерации полос,
соответствующие отдельным проекциям вектора перемещения.
- 61 -
Рис. 8. Нормальные перемещения uz
планарные uХ
и uУ,
определенные с помощью метода поточечного сканирования (кривая 1) и метода пространственной
фильтрации (кривая 2) по длине пластической области.
