Как известно, акустические параметры упругой волны чувствительны к структуре материала. По изменению коэффициента ослабления а и скорости распространения упругого возмущения v могут быть оценены анизотропия материала [1], наличие дефектов [2] и их пространственное расположение [3], величины обратимых деформаций [4] и могут быть получены представления о процессах, предшествующих разрушению материала [5]. В данной работе предпринята попытка определить изменения структуры в высоконаполненном каучуке по параметрам акустической волны, проходящей через образец, при одноосном растяжении.

Исследуемая система состоит из низковязкого дивинильного каучука и соли КС1, имеет плотность 1,8103 кг/м3 и разрывное напряжение ор«7105 Па. Размер частиц наполнителя ~210-4 м, соотношение компонентов 1:3. Мелкие частицы наполнителя, составляющие основную часть материала, произвольно распределены в полимерной матрице (рис. 1, а). При одноосном растяжении в таком материале могут возникнуть ориентационные эффекты и образоваться дефекты.

Наиболее приемлемым для выявления повреждений оказывается метод сопоставления экспериментальных зависимостей ослабления и скорости распространения акустической волны от числа и размеров искусственных дефектов с зависимостями параметров акустической волны от напряжения. Ожидаемые дефекты [6, 7], такие, например, как отслаивание связки от частиц наполнителя, разрыв частиц наполнителя и (или) полимерной связки, первоначально должны иметь характерный размер в десятую долю миллиметра. Из соображений наибольшей чувствительности акустического метода к дефектам такого размера целесообразно работать в мегагерцевом диапазоне частот. Ориентационные эффекты могут быть выявлены по акустической анизотропии.

На рис. 2 представлены зависимости коэффициента ослабления продольной волны и скорости от нормированного сечения рассеяния jn. Искусственные дефекты создавались кратковременным введением иглы с боковой поверхности образца. Условия акустического контакта образца с пьезодатчиками сохранялись постоянными. Как следует из полученных экспериментальных данных, ослабление акустического сигнала возрастает прямо пропорционально Вид зависимости ослабления от частоты a~f (/ — частота) в условиях опыта соответствует области фазового рассеяния, что не противоречит соотношению X/D~l (X — длина волны, D — диаметр частиц наполнителя). Казалось бы, повышая частоту, можно обнаружить минимально возможный дефект. Однако сильное ослабление затрудняет работу на частотах выше 3 МГц. Максимальное уменьшение скорости распространения продольной волны при условиях опыта составляет 60 м/с. При разрывных деформациях эта величина оказывается на порядок больше, что может свидетельствовать о существенно большей величине ^к перед разрушением.

Упругое взаимодействие волны с поверхностями трещин и с поверхностями раздела связки и наполнителя должно приводить к зависимости фазовой скорости от частоты. На рис. 3 представлены экспериментальные результаты частотной зависимости изменения скорости Av—v,—v2 (у, и v2— скорости соответственно на частотах 0,5 и 5 МГц) в ПММА, граните, алюминии и в наполненном полимере.

Рис. 1. Микрорельеф поверхности образца: а - до растяжения, протравлен; б, в - после растяжения (в - протравлен)

Как и следовало ожидать, для однородного ПММА при условиях эксперимента дисперсия не наблюдается. В других эталонных образцах обнаруживается дисперсия, вызванная зернистой структурой материала [8] или дефектами [9]. В образцах высоконаполненного полимера максимальный эффект геометрической дисперсии, вызванной дефектами, достигает —110 м/с (кривая 6), в образцах с ненарушенной структурой 36 м/с (кривая 5). Различны также формы импульсов, прошедших через пластину ПММА и высоконаполненный полимер. В ПММА на частотах 2,28; 1,344 и 0,705 МГц дисперсия отсутствует, в высоконаполненном полимере частота заполнения уменьшается соответственно до 1,15; 1,033 и 0,69 МГц. Дисперсия не обнаруживалась только на частотах ~300 кГц при акустической базе 10 мм.

Ослабление звука и эффект геометрической дисперсии, вызванный обеднением спектра высокочастотными составляющими, являются следствием накопления дефектов. Изменение зондирующего импульса, аналогичное происходящему при деформировании, свидетельствует в пользу обоснованности модельных испытаний. Установление простой количественной связи акустических величин с размерами дефектов позволяет оценить эффективную величину дефектов и определить закон их накопления при одноосном растяжении.

Первоначально образец растягивался до разрушения с постоянной скоростью 4,8-10-5 м/с. При деформировании регистрировалась амплитуда акустического сигнала, проходящего через образец в направлении, перпендикулярном оси растяжения (рис. 4). При достижении деформации ~2% изменяется наклон рассматриваемой зависимости, что связывается с началом появления трещин. В образце можно выявить зону, обладающую повышенным ослаблением сигнала.

Рис. 2. Изменение амплитуды затухающего акустического сигнала (1, 2) и скорости его распространения (3) в зависимости от нормированного сечения рассеяния на частотах 2,5 (1) и 1,25 МГц {2, 3)

Рис. 3. Зависимость скорости продольной волны от частоты для сухого гранита (1); гранита, насыщенного низкомолекулярной жидкостью (2); ПММА; дюралюминия (4); образцов высоконаполненного полимера без искусственных дефектов (5) и с дефектами (6). Форма импульса, прошедшего через высоконаполненный полимер (I) и через ПММА (II)

В следующем эксперименте зондирующий импульс направлялся вдоль оси нагружения, что повышало его чувствительность к образованию трещин. Режим нагружения ступенчатый. Точность измерения удлинений ±0,3-10-8 м, коэффициента ослабления — ±0,2 дБ, скорости распространения акустического возмущения — ±3 м/с. Измерения выполнялись при 20°. Как следует из экспериментальных зависимостей рис. 5, при деформациях до 1% наблюдается слабое (1—2 дБ) уменьшение амплитуды проходящего сигнала. В пределах точности эксперимента ослабление изменяется обратимо. При дальнейшем увеличении деформации от 1,2 до 1,7% изменение амплитуды составляет более 20 дБ. Именно такое резкое изменение зависимости амплитуды акустического импульса от деформации позволяет установить верхнюю условную границу микроразрушения Лт° и граничные значения е и о*. При повторной нагрузке деформационная кривая 4 оказывается смещенной в сторону больших деформаций, что свидетельствует о возникновении необратимых изменений структуры. Зависимость A=f(e) также смещается при повторном нагружении (кривая 2), но при этом изменяется и ее вид. После многократного [10] растяжения до е=1,7°/о в образце появлялась область повышенного ослабления акустического сигнала (аиз6«19 дБ на частоте 2,5 МГц). Таким образом, с помощью акустического метода выявлены области квазиобратимых (I) и необратимых (II) изменений, определена верхняя условная граница микроразрушений.