Закономерности деформационного поведения и акустической эмиссии в сплаве АМг6

УДК 669.017 : 534

Закономерности деформационного поведения и акустической эмиссии в сплаве АМг6

С.В. Макаров1, М.В. Лысиков1, Е.А. Колубаев2-3, В.А. Плотников1,2

1 Алтайский государственный университет

2 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

3 Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Regularities of Deformation and Acoustic Emission in AMg6 Alloy

S.V Makarov1, M.V. Lysikov1, E.A. Kolubaev2-3, V.A. Plotnikov1'2

1 Altai State University

2 Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

3 National Research Tomsk Polytechnic University

Исследованы закономерности деформационного поведения и акустической эмиссии в сплаве АМг6 в условиях термомеханического нагружения методом циклов. Нагружение в цикле осуществляли неизотермическим путем, непрерывным нагревом, начиная от 25 °С и до 500 °С. Механическая нагрузка в цикле оставалась постоянной, а в последующем цикле увеличивалась на 10 МПа. В реальном времени регистрировались значения следующих величин: среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (мкВ); деформации (%); температуры (Т).

Показано, что в условиях сложного термомеханического нагружения особенности деформационного поведения в сплаве АМг6 проявляются в двух температурных интервалах, характеризующихся разной скоростью деформации. В низкотемпературной области накоплению деформации с низкой скоростью соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, что свидетельствует о низкой корреляции элементарных деформационных актов. В высокотемпературной области быстрое накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии, что приводит к формированию глобального макроскачка. Такой характер деформации свидетельствует о высокой корреляции элементарных деформационных актов.

We investigate regularities of deformation behavior and acoustic emission in AMg6 alloy under ther-momechanical loading performed by method of cycles. The loading in a cycle is carried out by non-isothermal, continuous heating from 25°C up to 500°C. Mechanical stress in the cycle remains constant with further 10 MPa increase in a subsequent cycle. We provide a real-time recording of values of the following quantities: Vrms acoustic emission (^v); strain (%); temperature (T).

We demonstrate that under complex thermomechan-ical loading, features of AMg6 alloy deformation behavior manifest themselves in two temperature intervals characterized by different strain rates. In the low-temperature area, the accumulation of low rate strain corresponds to monotonous low-amplitude acoustic emission. It indicates a low correlation of elementary deformation acts. In the high-temperature area, rapid accumulation of strain corresponds to fast monotonous growth of high-amplitude acoustic emission that leads to a global macro-jump. Such deformation behavior indicates a high correlation of elementary deformation acts.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02. G25.31.0063) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 и в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 288).

Ключевые слова: акустическая эмиссия, неизотермические циклы, термомеханическое нагружение, пластическая деформация, высокотемпературная и низкотемпературная деформация, деформационные скачки, импульсы акустической эмиссии.

БОТ 10.14258/юуаш(2015)1.1-04

Keywords: acoustic emission, non-isothermal cycles, thermomechanical loading, plastic deformation, high-temperature and low-temperature deformation, deformation racing, pulses of acoustic emission.

Введение. В физике металлов пластическое течение связывают с локальной потерей сдвиговой устойчивости в зоне действия концентраторов напряжений на различных масштабно-структурных уровнях, начиная с кристаллической решетки в объеме материала [1]. Считается очевидным, что пластическое течение контролируется дислокациями, осуществляющими элементарный сдвиг в плоскости скольжения [2].

Для осуществления элементарного сдвига требуется разрыв атомных связей вдоль линии дислокационного сегмента. Осуществление элементарного акта разрыва связи, в том числе и при пластической деформации, возможно при совместном действии механических напряжений и положительной флуктуации энергии, локализованных в малом коллективе взаимодействующих атомов [3]. Моделирование таких флуктуаций в атомной системе позволило установить, что сильная флуктуация энергии атомов может представлять собой достаточно устойчивое, динамическое состояние, являющееся результатом интерференции фононов [4].

Действительно, исследованиями методами молекулярной динамики установлено, что особенностью тепловых колебаний атомов являются «динамические коллективные (кооперативные) атомные смещения», представляющие собой упорядоченные смещения групп атомов, появление которых обусловлено максвелловским распределением атомов по скоростям [5].

Экспериментальные результаты по деформированию моно- и поликристаллов алюминия и других металлов свидетельствуют, что в ходе пластической деформации в направлении растяжения распространяются один или несколько очагов деформации в зависимости от стадии пластической деформации, в которых локализовано пластическое течение [6]. Из этих экспериментов следует, что процесс деформации охватывает структурные уровни разного мас-

штаба: от микроскопического до мезоскопического и макроскопического. Локализация неустойчивости кристаллической структуры при пластической деформации кристаллов для классической трехста-дийной зависимости а — е (здесь а — механическое напряжение, е — относительная деформация) связывается с процессом самоорганизации дислокаций [7]. Учет фактора самоорганизации позволяет сформулировать фундаментальный вывод о том, что наблюдаемое в экспериментах многообразие деформационного поведения и дислокационных структур есть результат эволюции дислокационного ансамбля путем развития коллективных и кооперативных явлений и их пространственной упорядоченности, проявляющейся в формировании линий и полос скольжения [7].

Характерным откликом алюминиево-магниевых сплавов на механическое нагружение является эффект прерывистой текучести, проявляющийся в формировании полос деформации, которые представляют собой области локализации пластической деформации [8]. Прерывистая текучесть на зависимости напряжение — деформация представляет собой скачки (зубцы) напряжения, причем полоса деформации, ответственная за акты прерывистой текучести, является макроскопическим объектом и развивается из критического зародыша полосы. При анализе поверхностного рельефа образцов обнаружено два типа полос деформации: пространственно неорганизованные полосы и пространственно организованные. Каждый акт прерывистой текучести связан с появлением одной полосы деформации [9].

Прерывистая текучесть сопровождается импульсами акустической эмиссии, коррелирующими с появлением полос деформации, т. е. каждому скачку напряжений соответствует импульс акустической эмиссии [9]. Проявление закономерностей прерывистой текучести и акустической эмиссии есть следствие волновой при-

Таблица 1

Механические параметры и структурное состояние сплава АМг6

Предел текучести, МПа Структурное состояние сплава

при кручении при растяжении а-фаза Р-фаза

85 170 Твердый раствор Mg в Al Интерметаллическая фаза Mg5Al8

3

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — образец в виде стержня; 2 — неподвижный захват установки; 3 — подвижный захват установки с устройством нагружения и измерения деформации; 4 — нагревательный элемент; 5 — пьезопреобразователь сигналов акустической эмиссии; 6 — аналого-цифровой преобразователь; 7 — компьютер; символы I, II, III — соответственно акустический канал, термопара, канал измерения деформации

роды деформации в алюминиево-магниевых сплавах, волна деформации, распространяясь от концентратора напряжений, стимулирует образование полос деформации и акустическую эмиссию [10].

Целью данной работы является проведение исследования деформации и акустической эмиссии в А1-М£ сплаве при нагружении в широком интервале температур вплоть до температуры плавления.

Методика экспериментов. Объектом исследований был выбран алюминиево-магниевый сплав АМг6. В таблице 1 приведены механические свойства и структурное состояние сплава. Из пластины сплава АМг6 вырезали образцы в виде стержней длиной 300 мм, в которых были сформированы области локализации деформации диаметром 4 мм и длиной 30 мм. Образец предварительно отжигали при температуре 500 °С в течение 1 ч и охлаждали с печью.

Механическое нагружение, измерение деформации, температуры и среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии проводили с помощью установки, схематичное изображение которой приведено на рисунке 1. Как следует из схемы установки, образец нагружали сдвиговым напряжением и измеряли сдвиговую деформацию. Нагружение осуществляли неизотермическим путем, непрерывным нагревом 25-500°С. Следует заметить, что кроме среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии и в экспериментах анализировали и интегральный параметр акустической эмиссии I = ЕИ2 Д1, где Д1 — шаг разбиения временного интервала процесса.

Экспериментальные результаты. Экспериментальные данные по накоплению деформации и акустической эмиссии в образце, полученные в условиях неизотермического цикла при постоянном механиче-

Рис. 2. Среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии (1) и деформация (2) в сплаве АМг6 при нагрузке 120 МПа в ходе неизотермического термомеханического цикла; 3 — температура в ходе нагрева. Области: I — низкотемпературная; II — высокотемпературная

_I_1_._1_._Е_I___1_.__

100 200 300 400 500 600 Время, с

Рис. 3. Среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии (1) и деформация (2) в сплаве АМг6 при нагрузке 200 МПа в ходе неизотермического термомеханического цикла; 3 — температура в ходе нагрева. Области: I — низкотемпературная; II — высокотемпературная

ском напряжении величиной около 120 МПа, представлены на рисунке 2. Из приведенных данных следует, что при нагреве нагруженного образца наблюдается два участка монотонного накопления деформации (область I и II). В низкотемпературной области I в температурном интервале 20-400 °С монотонному накоплению деформации величиной примерно 5% соответствует акустическая эмиссия, характеризуемая монотонным изменением среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии.

В высокотемпературной области II при температуре около 400 °С (Т ) характер накопления деформации и акустической эмиссии меняется: быстрому возрастанию накопления деформации соответствует активный рост амплитуды среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Это может свидетельствовать о том, что в области II после 400 °С активизируется второй механизм накопления деформации,

который становится основным. Интегральный параметр акустической эмиссии I пропорционален энергии акустической эмиссии и характеризует интенсивность элементарных деформационных процессов, ответственных за формирование акустических сигналов (табл. 2).

При увеличении нагрузки в неизотермических циклах до 200 МПа характер деформации изменяется на монотонно-скачкообразный (рис. 3). На фоне монотонно возрастающей нагрузки возникают деформационные скачки. Первый деформационный скачок (0,003 %) формируется при 265 °С, ему соответствует пик акустической эмиссии амплитудой 0,18 мкВ (табл. 2). С ростом температуры процесс накопления деформации имеет периодический характер — монотонные участки чередуются с деформационными скачками, которые, в свою очередь, коррелируют с высокоамплитудными сигналами акустической эмиссии.

Таблица 2

Параметры деформационных скачков и акустической эмиссии при монотонно-скачкообразной деформации в неизотермическом цикле при нагрузке 200 МПа

Деформационный скачок Температура скачка, °С I пика, 10-12 В2-с Величина де формационного скачка, % Амплитуда сигналов акустической эмиссии, мкВ

1 265 0,11 0,003 0,18

2 305 0,90 0,011 1,61

3 320 0,83 0,013 1,45

4 345 4,21 0,623 2,45

5 365 7,41 1,275 2,53

Температурный интервал монотонно-скачкообразной деформации составляет 265-365 °С. Отметим, что монотонно-скачкообразный характер деформационного поведения сплава проявляется при высоких значения механических напряжений — 190-200 МПа. Это может свидетельствовать об особом структурно-упрочненном состоянии материала.

Анализ деформационных скачков и акустической эмиссии при монотонно-скачкообразной деформации в неизотермических циклах показал (табл. 1), что с возрастанием температуры в цикле увеличиваются как деформационные скачки (от 0,003 до 1,275 %), так и амплитуда сигналов акустической эмиссии (от 0,18 до 2,53 мкВ), а интегральный параметр акустической эмиссии I, характеризующий интенсивность элементарных деформационных процессов, изменяется почти на два порядка.

Рост амплитуды единичного сигнала акустической эмиссии свидетельствует о возрастании корреляции в системе элементарных деформационных актов в условиях сложного термомеханического нагружения

(табл. 2) [11]. При этом доля деформационных скачков в общей монотонной деформации за цикл несущественна и составляет 0,06.

Для всех неизотермических циклов при механических нагрузках в интервале от 40 до 200 МПа на деформационной зависимости можно выделить две области: низкотемпературную — область I, высокотемпературную — область II (рис. 2, 3), отличающиеся скоростью накопления деформации, следовательно, скоростью элементарных деформационных процессов.

В рамках данного подхода был проведен анализ зависимости накопления деформации на двух деформационных участках методом наименьших квадратов с помощью двойной экспоненциальной функции вида

е = е0 + % exp(v10 + е02 exp(v2f),

где едр ед2 — начальные деформации; V,, у2 — скорости деформации на двух температурных интервалах (области I, II). Данные аппроксимации зависимости деформации от времени в неизотермических

Напряжение в цикле, МПа Температура,°С Энергетический параметр I, 10-12 В2-с Параметры аппроксимации

область I область II область I область II Область I Область II Я

едГ% V,, с-1 ед2' % ^ с-1

40 210-450 450-560 5,51 12,26 0,028 0,004 0,0004 0,016 0,940

50 190-440 440-560 8,23 18,11 0,031 0,004 0,0004 0,019 0,973

60 220-450 450-540 7,97 16,89 0,017 0,003 0,0001 0,016 0,993

70 190-430 430-540 15,49 35,29 0,017 0,003 0,0001 0,016 0,993

80 190-460 460-540 11,34 30,24 0,059 0,002 0,0005 0,019 0,997

90 200-480 480-520 11,79 19,49 0,003 0,004 0,0002 0,014 0,994

100 210-460 460-520 11,51 26,43 0,01 0,009 0,00006 0,013 0,998

110 120-460 460-510 16,89 43,13 1,12 0,007 0,00003 0,016 0,996

120 120-390 390-500 16,56 29,59 0,37 0,003 0,00081 0,019 0,998

130 130-370 370-470 13,15 36,17 0,15 0,003 0,0004 0,015 0,998

140 80-330 330-430 13,89 43,10 0,02 0,005 0,0024 0,015 0,999

150 200-350 350-470 9,84 37,14 0,08 0,002 0,00163 0,021 0,995

160 180-350 350-440 11,32 29,01 0,04 0,002 0,00006 0,017 0,996

170 170-300 300-420 6,93 40,73 0,06 0,002 0,00002 0,016 0,996

180 150-300 300-420 7,64 40,66 0,05 0,006 0,00005 0,019 0,997

190 170-240 240-410 4,52 58,02 0,24 0,007 0,00038 0,024 0,995

200 190-260 260-380 3,15 51,64 1,45 0,001 0,0010 0,019 0,998

Таблица 2

Значения параметров аппроксимации деформационной зависимости в условиях неизотермического нагружения для двух температурных интервалов

циклах при разных механических нагрузках приведены в таблице 3.

Для двух температурных интервалов (области I, II) найдены скорости деформации и у2.

Для низкотемпературного интервала среднее значение скорости деформации V1 составляет 0,0031 + 0,0017 с-1, в то время как для высокотемпературного v2 = 0,0129 + 0,0021 с-1. То есть средняя скорость деформации в высокотемпературной области приблизительно в четыре раза выше средней скорости деформации в низкотемпературной области. В области II температурный интервал составляет приблизительно 100 °С для всех механических нагрузок (табл. 3). При этом граничная температурная точка (Т ) (рис. 1, 2) между областями I и II смещается в область низких температур с ростом механического напряжения в циклах.

Обсуждение результатов. Процесс накопления деформации в алюминиево-магниевом сплаве протекает на двух температурных интервалах: низкотемпературном — область I, высокотемпературном — область II. Скорость деформации на первом температурном интервале почти в четыре раза меньше скорости в области II.

В области I низкой скорости накопления деформации V = 0,0031 с-1) соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, свидетельствующая о низкой корреляции элементарных деформационных актов [12]. Малоамплитудная акустическая эмиссия соответствует малым степеням деформации образца в пределах [9; 10]. В высокотемпературной области II быстрое = 0,0129 с-1) накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии. Здесь рост акустической эмиссии может свидетельствовать о повышении корреляционных эффектов в системе элементарных деформационных актов. При этом с ростом температуры повышение корреляции в системе элементарных деформационных актов может привести к формированию глобального макроскачка и разрушению материала. Формирование глобального макроскачка свидетельствует о макроскопическом масштабе (в образце) корреляции деформационных актов.

Из данных рисунков 2, 3 и таблицы 3 следует, что вблизи переходной температуры (между областями I и II) около Т стопоры (частицы фазы AlMg) рас-

творяются и концентраторы напряжений исчезают. По-видимому, при более однородном упругом поле напряжений работает система элементарных деформационных актов, слабокоррелированная в объеме деформации. Рост механического напряжения в циклах приводит к уменьшению потенциального барьера концентраторов напряжений и, как следствие, к смещению Тр в область низких температур.

Кроме того, в условиях высоких механических нагрузок (190-200 МПа) в областях I, II формируются единичные деформационные скачки различной амплитуды в температурном интервале 265-365 °С, которые соответствуют высокоамплитудным сигналам акустической эмиссии (рис. 3, табл. 2). Это свидетельствует о локальном увеличении концентраторов напряжений, срыв которых приводит к возникновению деформационного скачка как минимум в пределах одного зерна.

Элементарным деформационным актом при на-гружении образцов является формирование деформационной полосы [8-10]. Очевидно, монотонное накопление деформации обусловлено слабой корреляцией в формирующейся системе деформационных полос. В то же время деформационные скачки свидетельствуют о высокой корреляции и локализации деформационных полос в макроскопическом масштабе, а импульсы акустической эмиссии характеризуют высокую когерентность элементарных акустических сигналов от системы деформационных полос, интерференция которых формирует единичный акустический сигнал.

Заключение. Особенности деформационного поведения алюминиево-магниевого сплава проявляются в двух температурных интервалах, характеризующихся разной скоростью деформации. В низкотемпературной области накоплению деформации с низкой скоростью соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, что свидетельствует о низкой корреляции элементарных деформационных актов.

В высокотемпературной области быстрое накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии, что приводит к формированию глобального макроскачка. Такой характер деформации позволяет сделать вывод о высокой корреляции элементарных деформационных актов.

Библиографический список

1. Панин В. Е., Егорушкин В. Е., Панин А. В., Моисеен-ко Д. Д. Природа локализации пластической деформации твердых тел // ЖТФ. — 2007. — Т. 77, № 8.

2. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М., 1986.

3. Регель В. Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. — М., 1974.

4. Слуцкер А. И., Михайлин А.И., Слуцкер И.А. Ми-кроскопика флуктуаций энергии атомов в твердых телах // УФН. — 1994. — Т. 164, № 4.

5. Полетаев Г. М, Старостенков М. Д. Динамические коллективные смещения атомов в металлах и их роль в вакансионном механизме диффузии // ФТТ. — 2009. — Т. 51, № 4.

6. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Горбатенко В.В. Автоволны локализованной пластической деформации // ЖТФ. — 1995. — Т. 65, № 5.

7. Малыгин Г. А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН. — 1999. — Т. 169, № 9.

8. Криштал М. М. Особенности образования полос деформации при прерывистой текучести // ФММ. — 1993. — Т. 75, № 5.

9. Криштал М. М., Мерсон Д. Л. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особен-

ностей акустической эмиссии при деформировании алю-миниево-магниевых сплавов // ФММ. — 1996. — Т. 81, № 1.

10. Криштал М. М., Мерсон Д. Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и акустическую эмиссию при прерывистой текучести в Л1-М§ сплавах // ФММ. — 1991. — № 10.

11. Макаров С. В., Плотников В. А., Потекаев А. И. Акустическая эмиссия и проявление неустойчивости кристаллической решетки алюминия при высокотемпературной деформации // Изв. вузов. — Физика. — 2011. — № 3.

12. Макаров С.В., Плотников В. А., Потекаев А. И. Высокотемпературная пластическая деформация и акустическая эмиссия алюминия в слабоустойчивом состоянии // Известия вузов. — Физика. — 2013. — Т. 56, № 6.