Акустическая эмиссия при смене механизмов деформации пластичных конструкционных материалов

Акустическая эмиссия при смене механизмов деформации пластичных конструкционных материалов

О.В. Башков, Н.А. Семашко1

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, Комсомольск-на-Амуре, 681013, Россия 1 Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение, Комсомольск-на-Амуре, 681000, Россия

В работе представлены результаты экспериментальных исследований деформации пластичных металлов и сплавов с применением метода акустической эмиссии. Показано, что метод акустической эмиссии позволяет выделять стадии деформации материалов. Каждая из стадий охарактеризована с точки зрения энергетики процесса деформации и представляет собой масштабный уровень с присущим ему механизмом деформации. Особенности проявления акустической эмиссии на каждой из стадий деформации позволяют получить дополнительную информацию о физических процессах, происходящих в структуре материалов.

Acoustic emission with changing deformation mechanisms of plastic structural materials

O.V. Bashkov and N.A. Semashko1

Komsomolsk-on-Amur State Technical University, Komsomolsk-on-Amur, 681013, Russia 1 Komsomolsk-on-Amur Aviation Industrial Association, Komsomolsk-on-Amur, 681000, Russia The paper provides experimental findings of the deformation of plastic metals and alloys studied with the acoustic emission method. It is shown that the acoustic emission method allows us to distinguish the stages of material deformation. Each stage is characterized from the standpoint of deformation energy; it is a scale level with the inherent deformation mechanism. Features of acoustic emission on each stage of deformation allow us to gain additional information about physical processes occurring in the structure of materials.

1. Введение

Возникшее около двух десятков лет назад новое научное направление — физическая мезомеханика — позволило приблизиться к пониманию ряда фундаментальных проблем, связанных с проявлением различных механизмов деформации в деформируемых материалах.

Деформация материалов — процесс стадийный. В физической мезомеханике этот процесс описывается как совокупность масштабных структурных уровней [1, 2]. Большая часть исследований по развитию и накоплению повреждений в материалах, вызванных деформационными процессами, основана на изучении структуры поверхности. Для этой цели успешно применяются современные оптические методы исследования, основанные на последних достижениях в области оптико-телевизионных систем. Такой подход является вполне обоснованным, так как поверхность является «зеркалом» внутреннего состояния структуры деформированного

материала. По состоянию поверхности прямыми или косвенными методами можно оценить степень деформации, моменты и места локализации деформации при макроскопическом рассмотрении. При больших оптических увеличениях становится возможным наблюдение полос скольжения в локальных областях.

С другой стороны, все процессы, происходящие при формировании структуры материала и ее деградации при воздействии нагрузки, являются термодинамическими и непосредственно связаны с поглощением или выделением различных по природе видов энергии. Одним из каналов диссипации энергии является упругая энергия, излучаемая при различных видах перестройки структуры. На регистрации этой энергии основан метод акустической эмиссии. Акустическая эмиссия как метод исследования поврежденности твердых тел [3] позволяет численно оценивать энергетический уровень процесса микродеформации и пластической деформации на различных стадиях.

© Башков О.В., Семашко Н.А., 2004

2. Акустическая эмиссия как метод исследования кинетики пластической деформации

Применение акустической эмиссии для исследования механизмов деформации пластичных материалов находит все более широкое применение в практике современных исследований в области механики деформированного тела. В процессе деформации в материале наряду с «пластическими» механизмами диссипации происходит нарушение сплошности материала в отдельных областях, выражающееся в образовании субмик-ро-, микро- и макротрещин. Каждый акт перестройки структуры сопровождается возникновением упругой волны той или иной энергии и интенсивности. Современная акустическая аппаратура для регистрации сигналов акустической эмиссии позволяет выделить на уровне шумов достаточно малое приращение упругой энергии, соответствующее единичному локальному сдвигу или повороту. Главное преимущество метода заключается в интегральном анализе всего объема деформируемого тела в реальном масштабе времени. Методика экспериментальных исследований с использованием метода акустической эмиссии представлена в работах [4, 5].

Пластическая деформация является процессом многостадийным. Это показано при деформировании титанового сплава ОТ-4. При одноосном квазистатическом нагружении образца сплава ОТ-4 весь процесс деформации вплоть до разрушения разделен авторами на пять стадий: стадию упругой деформации; стадию микро-пластической деформации; стадию предтекучести; стадию совместного действия процессов текучести, деформационного упрочнения с элементами микротрещино-образования; стадию локализации деформации и развития магистральной трещины. Каждая из стадий характеризуется определенным видом акустических параметров, присущих только данной стадии, и их количественным описанием.

Подобный вид временной зависимости параметров акустической эмиссии от нагрузки наблюдается не у всех материалов. В работе [6] проведена систематизация видов зависимостей параметров акустической эмиссии при деформации и получено четыре типа зависимостей скорости счета и амплитуды акустической эмиссии. Вид зависимостей определяется составом сплава, типом кристаллической решетки, механизмом деформации (скольжением или двойникованием) и другими факторами. Анализ приведенных в литературе данных показал, что основными параметрами акустической эмиссии, измеряемыми большинством авторов, являются скорость счета и суммарный счет акустической эмиссии, что обусловлено возможностями аппаратуры.

3. Материалы и методика экспериментов

В настоящей работе проведен анализ параметров акустической эмиссии при деформировании плоских

образцов сечением 2x3 мм2 из пластичных конструкционных материалов: отожженного алюминиевого сплава Д16, армко-железа, отожженной стали 45. Испытания на растяжение с одновременной регистрацией акустической эмиссии проводились на стандартной установке ИМАШ 20-75. Для регистрации акустической эмиссии применялся оригинальный программно-аппаратный комплекс АКЕМ на базе ЭВМ с использованием аналого-цифрового преобразователя с динамическим диапазоном 66 дБ. Скорость деформирования (движения активных захватов) составляла 0.8 мм/мин.

4. Эксперименты и их обсуждение

На рис. 1 приведена диаграмма нагружения, сопоставленная во времени с акустическим образом при деформации отожженного образца из алюминиевого сплава Д16. На временной зависимости суммарного счета SN наблюдается достаточно равномерный набор числа импульсов на протяжении всего диапазона пластической деформации вплоть до момента локализации деформационного объема (образования шейки). Энергетический параметр акустической эмиссии 2Е (суммарная энергия акустической эмиссии) позволяет выделить четыре стадии, что выражено в трех сменах механизмов деформации сплава Д16. На каждой из стадий в процессе пластической деформации происходит накопление энергии структурой, сопровождающееся ее периодическим сбросом с излучением импульсов акустической эмиссии с численным значением энергии 0.2-1 мВ2с

Рис. 1. Характер изменения параметров акустической эмиссии при растяжении сплава Д16

Рис. 2. Характер изменения фрактальной размерности при растяжении дюралюмина Д16 [1]

(при общей суммарной энергии 2Е = 15 мВ2с), которые связаны с небольшими трансляционными сдвигами, перестройкой решетки по кристаллографическим плоскостям. При достижении моментов смены механизмов деформации микро - мезо - макро происходит релаксация накопленной энергии, выражающаяся в большем по величине (3-5 мВ2с) приращении энергии за короткие промежутки времени. Подобный характер акустической эмиссии, по мнению авторов, вызван следующим. Размножение дефектов и их скопление при деформации вызывает увеличение сопротивляемости материала, что связано с ограничением возможности движения дефектов того типа, который имеет место при действии данного уровня механических напряжений. Когда исчерпаны возможности деформации по данному механизму, можно предположить, что при этом достигается некоторый пороговый уровень напряжений, характерный для данного материала. Дальнейшее развитие деформации происходит в случае локального сдвига или смещения сопряженных объемов материала, которые можно рассматривать как части вновь образовавшейся деформационной структуры. Деформация материала при этом происходит при движении структурных элементов образовавшейся структуры. Переход от одного вида деформационной структуры к другому или, можно сказать, от одного механизма деформации к другому сопровождается высвобождением упругой энергии и акустической эмиссией с большим по величие уровнем энергии. Именно они и характеризуют смену одного механизма деформации другим. Это качественно совпадает с результатами, представленными в работах [1, 7]. В этих работах приведены сопоставления кривых напряжения а и изменения фрактальной размерности ^, характеризующей шероховатость поверхности, от деформации 8 для листового дюралюмина Д16 (рис. 2, 3). Стадия пластической деформации, названная в работе [1] стадией IV, характеризуется дискретным набором площадок В{(8). На данной стадии их три. Подобный характер ступенчатого изменения фрактальной размерности шероховатости поверхности был отмечен и авторами в работе [7]. Несовпадение во времени переходов

Рис. 3. Характер изменения фрактальной размерности при растяжении сплава Д16АТ [3]

от стадии к стадии для двух полученных различными методами образов структурного состояния (рис. 1-3) объясняется индивидуальностью материала и образцов, используемых в различных экспериментах.

Необходимо отметить обнаруженную авторами достаточно важную закономерность. Каждый последующий всплеск энергии, характеризующий по предположению смену механизма деформации, численно больше предыдущего. Проведенные исследования показали, что для большинства пластичных поликристаллических сплавов метод акустической эмиссии позволяет выделить ряд стадий, характеризующихся как смена механизмов пластической деформации. На рис. 4 приведены

а, МПа 600

ZN, имп. 150

ЕЕ, мВ2с 11000

I /Т i / 1 1 1 1 1 / II | III I IV /1 1 1 /I 1 | 1 1 | ! \ \ | V

1 1 1 | 1 L— L/i JT 1 1

1 1 1 1 1 I ! '

t, с

425

Рис. 4. Характер изменения параметров акустической эмиссии при растяжении армко-железа

I с 268

Рис. 5. Характер изменения параметров акустической эмиссии при растяжении стали 45

параметры акустической эмиссии при тех же условиях деформации образца из армко-железа. Характер изменения энергии при деформации образца также позволяет выделить пять стадий. Особенностью данного материала явилось наличие пятой стадии. Завершающая стадия сопровождается гораздо большим по величине всплеском энергии. Это объясняется тем, что последняя стадия возникла в результате смены механизма пластической деформации механизмом образования трещин. В этот момент произошло нарушение сплошности материала в некоторой локальной области. Именно на этой стадии произошла и локализация места будущего разрушения.

По мнению авторов, количество стадий, определяющих смену механизмов деформации, не является константой. Например, для твердых малопластичных сплавов или сплавов, упрочненных термической обработкой, вклад каждого механизма пластической деформации в общий процесс деформации материала до его разрушения может быть достаточно мал по сравнению с механизмом трещинообразования. Наоборот, для пластичных материалов, где степень пластической деформации достаточно велика, по энергетическому параметру акустической эмиссии можно выделить три и более стадий. Количество стадий также может зависеть от скорости деформации.

Авторами были проведены эксперименты по исследованию акустической эмиссии при деформации образцов из отожженной стали 45. При этом было выделено 6 стадий деформации материала по основным параметрам акустической эмиссии (рис. 5). Две последние ста-

дии уже не являются чисто пластическими стадиями, а связаны с потерей несущей способности материала в результате нарушения его сплошности в локальной области, что было подтверждено при оптическом исследовании. Все оптические методы позволяют судить об общем состоянии структуры по достаточно малой области деформируемого материала. Это является правомерным, если считать, что деформация материала, включая пластическую деформацию и трещинообразо-вание, протекает равномерно по всему объему. В действительности, это относится в большей степени к трещи-нообразованию, часть деформационных процессов происходит в локальных объемах и не всегда на поверхности образца видны их результаты.

5. Заключение

Представленные в статье экспериментальные данные иллюстрируют прямую связь физики и механики процессов, происходящих при деформации. Акустическая эмиссия, являясь физическим методом исследования, позволяет количественно определять степень накопления повреждений и механизм структурных преобразований в материалах. Используя данный метод, существует возможность выделения стадий, соответствующих масштабным уровням деформации. В заключение хотелось бы подчеркнуть, что сочетание оптических методов как методов исследования поверхности материалов и физических методов интроскопии как методов исследования структурных изменений внутри материала в реальном времени открывает широкие перспективы в исследовании механизмов деформации и разрушения материалов.

Литература

1. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -

1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.

2. Макаров П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию

процессов деформации и разрушения // Физ. мезомех. - 1998. -Т. 1. - № 1. - С. 61-81.

3. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. - М.: Издательство стандартов, 1976. - 272 с.

4. Semashko N.A., Bashkov O. V., Frolov D.N., Filonenko S.F. Research of a sequence of the dislocation gear plastic deformations of an alloy OT-4 by a method of acoustic emission // Abstract of V Int. Symp. AMP’99, Baikalsk. - Tomsk: ISPMS SB RAS, 1999. - P. 190.

5. Семашко H.A., Башков О.В., Башкова Т.И. Изменение структуры Ti-Al сплава при деформации // Перспективные материалы. -2000.- № 1. - С. 24-29.

6. Иванов В.И., Белов В.М. Акустикоэмиссионный контроль сварки и сварных сооружений. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

7. Семашко H.A., Башков О.В., Готчальк А.Г. Мультифрактальный анализ поверхности дюралюминия в процессе деформации // Физика и химия обработки материалов. - 2003. - № 1. - С. 53-55.