Peculiarities of heat release and generation of acoustic emission signals in armco iron under cyclic deformation

УДК 539.4, 620.17, 621.384.3

Особенности выделения тепла и генерации сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании армко-железа

О.А. Плехов, И.А. Пантелеев, В.А. Леонтьев

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, 614013, Россия

В работе проведено экспериментальное исследование процессов изменения температуры образца и генерации сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании армко-железа с применением методов акустической эмиссии и инфракрасного сканирования. Для проведения циклических испытаний была разработана оригинальная установка на базе вибростенда ВЭДС-400А, инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M и системы регистрации акустической эмиссии Vallen AMSY5. Анализ полученных результатов позволил установить связь между величиной напряжений, соответствующей пределу усталости материала, и порогом активизации процессов диссипации тепла и генерации сигналов акустической эмиссии, а также показать качественное изменение статистических закономерностей распределения сигналов акустической эмиссии на различных стадиях усталостного деформирования.

Ключевые слова: циклическое деформирование, инфракрасное сканирование, метод акустической эмиссии

Peculiarities of heat release and generation of acoustic emission signals in armco iron under cyclic deformation

O.A. Plekhov, I.A. Panteleev and V.A. Leontiev

Institute of Continuum Mechanics UrB RAS, Perm, 614013, Russia

The paper reports on experimental study of the temperature variation and of the generation of acoustic emission signals in armco iron under cyclic deformation. In the study, an original setup based on a VEDS-400А vibration-testing machine, a CEDIP Silver 450M infrared camera and a Vallen AMSY5 acoustic emission system was used. It is shown that the fatigue strength of the material is related to the activation of heat dissipation and generation of acoustic emission signals, and the statistical distribution of acoustic emission signals is qualitatively different at different stages of fatigue deformation.

Keywords: cyclic deformation, infrared scanning, acoustic emission method

1. Введение

В настоящее время хорошо известно, что формоизменение металлических образцов при пластическом деформировании сопровождается образованием и движением дефектов структуры материала, вызывающих процессы преобразования энергии. Классическое предположение о почти полной диссипации энергии деформации в тепло [ 1 ] оказывается верным только в ограниченном числе случаев. Современные экспериментальные данные [2-4] свидетельствуют о том, что в процессе пластического деформирования в материале может

быть накоплена значительная энергия. Технологический прогресс, наблюдающийся в последние десятилетия, способствовал появлению экспериментальных методов и оборудования, позволяющих в режиме реального времени получать информацию об изменении температуры образца в процессе деформирования (метод инфракрасной термографии), числе и характере образующихся дефектов (метод акустической эмиссии). Эти данные позволяют оценить количество появляющихся дефектов и скорость диссипации энергии в материале в процессе деформирования.

© Плехов O.A., Пантелеев И.А., Леонтьев В.А., 2009

Таблица 1

Химический состав армко-железа

Fe, % С, % Mn, % Si, % S, % P, % Ni, % Cr, % Mo, %

99.788 0.004 0.04 0.05 0.005 0.005 0.06 0.038 0.01

Данная работа посвящена исследованию особенностей диссипации энергии и генерации акустической эмиссии в армко-железе при циклическом деформировании. В основу эксперимента положен экспресс-метод определения предела усталости материала, основанный на использовании данных инфракрасной термографии [5]. Известно, что при циклическом деформировании температура образца определяется балансом процессов генерации тепла вследствие эволюции структуры материала и одновременного отвода тепла в окружающую среду. При амплитуде деформирующего напряжения, соответствующей пределу усталости материала, средняя температура образца начинает расти [5 -7]. Процесс роста температуры обычно описывается в терминах процессов микропластичности, дефектообразования и образования микротрещин [6, 7]. При этом измерение средней температуры образца в зависимости от приложенного напряжения позволяет не только оценить предел усталости материала, но и его статистический разброс [6].

В работе [7] на основе данных анализа структуры поверхности материала после деформирования показано, что процесс локализации деформации, приводящий к образованию устойчивых полос сдвига, может наблюдаться при напряжениях, значения которых ниже величины, соответствующей началу роста средней температуры образца.

Основной задачей данного исследования является установление взаимосвязи между процессами диссипации тепла и эволюции структуры материала непосредственно в ходе процесса нагружения. При проведении экспериментальных исследований одновременно использовались два метода неразрушающего контроля и сопоставлялись их результаты. В ходе эксперимента процессы, сопровождающие эволюцию структуры материала, контролировались методами инфракрасного сканирования (с использованием инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M) и методом акустической эмиссии (с использованием системы Vallen AMSY5). Скорость образования дефектов оценивалась по скорости генерации сигналов акустической эмиссии.

2. Экспериментальная установка и условия

проведения эксперимента

Эксперимент проводился на образцах армко-железа при изотермических условиях. Химический состав образцов представлен в табл. 1.

Для реализации циклического деформирования образца использовался модифицированный вибростенд ВЭДС-400 А.

Подвижная часть вибростенда была доработана с целью обеспечения возможности «полуподвижного» закрепления образца, допускающего изгибные колебания и препятствующего перемещению образца как единого целого. Захваты были выполнены в виде эластичных колец, закрепленных неподвижно на актуаторе вибростенда.

Приближенную оценку резонансной частоты металлического стержня с одним узлом в центре образца можно сделать, используя следующее соотношение [8]:

(1.875)2

V = -

2п l

EJ PS ’

где I—длина стержня; Е—модуль Юнга; J = пг 4 /4 — момент инерции; р — плотность; 5 = пг 2 — площадь.

Максимальные напряжения в стержне могут быть оценены по формуле [8]

Половина длины стержня, м

Смещение свободного конца стержня, 10-3 м

Рис. 1. Зависимости первой резонансной частоты от длины

Рис. 2. Конечно-элементная модель эксперимента

Р1г

° = —

где Р = 3Е^113, г — смещение свободного конца стержня.

На рис. 1 представлены графические зависимости резонансной частоты от длины стержня и максимального напряжения в центре образца от перемещения его свободного конца.

Оптимизация геометрии образца и захватов проводилась методом математического моделирования. Численное моделирование эксперимента проводилось с использованием пакета ANSYS 8.0. Основными задачами численного эксперимента являлись определение геометрии образца, обеспечивающей создание напряжения в его центре в диапазоне до 200 МПа, определение резонансной частоты и подбор геометрических размеров образца, обеспечивающих попадание резонансной частоты в оптимальные параметры работы вибростенда (70-400 Гц). Конечно-элементная модель эксперимента представлена на рис. 2.

На рис. 3 представлены поля напряжений в образцах различной геометрии. Образец на рис. 3, а разрушается по пазам удерживающего устройства. Образец на рис. 3, б удовлетворяет желаемому распределению напряжений, но имеет высокую резонансную частоту.

В результате численного моделирования была выбрана геометрия образца, аналогичная представленной на рис. 3, б, с дополнительными плоскими выточками в рабочей области, уменьшающими резонансную частоту до 140 Гц при диаметре образца 10 мм (рис. 4). На рис. 3, в представлено распределение напряжений в образце и нагружающем устройстве в ходе эксперимента. Геометрия образца обеспечивает необходимую концентрацию напряжения в центре рабочей области. Дополнительно на концах образцов винтовым соединением крепились пеналы для размещения датчиков акустической эмиссии (рис. 4). Численное моделирование колебаний системы, состоящей из образца и пеналов, показало падение резонансной частоты до 78 Гц.

Рис. 3. Распределение напряжений в образцах различной геометрии

Для регистрации сигналов акустической эмиссии была использована система Vallen AMSY5, укомплектованная высокочастотными датчиками VS2MP (диапазон регистрируемых частот 350-2 000 кГц) и низкочастотными датчиками AE104A (диапазон регистрируемых частот 50-400 кГц). Система позволяет регистрировать поступление сигналов акустической эмиссии по восьми каналам с частотой более 3 • 105 импульсов в секунду и оцифровывать импульс акустической эмиссии с частотой 10 МГц.

4

Рис. 4. Геометрия образца и пенала для датчика акустической эмиссии: 1 — образец, 2 — датчик акустической эмиссии, 3 — пенал. Размеры даны в мм

При проведении экспериментов для отсечения шума, вызванного работой вибростенда, обрабатывались импульсы с амплитудой более 35 и 55 дБ для высоких и низких частот соответственно. Амплитуда сигнала акустической эмиссии анализировалась непосредственно в милливольтах. Времена дискриминации имели значения 180 (параметр, определяющий минимальную длину каскада импульсов) и 50 мкс (параметр, определяющий минимальное расстояние между импульсами).

Для записи эволюции поля температур использовалась инфракрасная камера CEDIP Silver 450M. Камера позволяет измерять интенсивность излучения тела в диапазоне длин волн 3-5 мкм. Максимальный размер кадра 320 х 240 точек. Чувствительность камеры не менее 25 мК при 300 K.

Для определения напряжения в центре образца была изготовлена оригинальная система, состоящая из двух лазерных датчиков перемещения, установленных на независимом штативе и измеряющих перемещение точек в центральной и крайней частях образца. Датчики обеспечивали точность измерения расстояния до 1 мкм при быстродействии 1 кГц. Величина напряжения в центре

образца определялась по формуле (1) и уточнялась, используя результаты численного моделирования.

Каждый образец нагружался блоками по 50 000 циклов. На каждом последующем шаге среднее напряжение увеличивалось на 10 МПа. Между циклами образец разгружался и выдерживался до состояния термодинамического равновесия с окружающей средой.

3. Результаты эксперимента

На рис. 5 приведены графики зависимости скорости генерации акустической эмиссии и средней температуры образца от времени при различных расчетных напряжениях (на рис. 5, а, поскольку скорость генерации сигналов мало отличается от нуля, показана зависимость числа сигналов акустической эмиссии от времени).

Анализ приведенных данных позволяет выделить три основных сценария эволюции структуры и диссипации энергии. При расчетном напряжении меньше 60 МПа (рис. 5, а) генерация акустической эмиссии не сопровождается существенным разогревом образца. На рисунке сплошной линией показано изменение температуры образца в ходе одного блока нагружения (при

0.06

0.04

0.02

0.00

300

щ

200

и

В ы сокочастотн ы й диапазон ,_____J_

100

200

Время, с

100 о

с, ^

>• S с

-г °

§1

о. О ф >s х О 2 О

л U

о

300

Рис. 5. Зависимости изменения средней температуры образца (сплошная линия), суммарного количества сигналов акустической эмиссии (а) и средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии (б-г) от времени при различных расчетных напряжениях 62 (а); 88 (б); 120 (в); 140 МПа (г).  — количество сигналов акустической эмиссии в низкочастотном диапазоне 50-400 кГц,  — количество сигналов акустической эмиссии в высокочастотном диапазоне 350-2000 кГц

О ю

3000

100 Время, с

200

6000

4000

2000

¡1

51

е-з

JI < ^

Рис. 6. Зависимости изменения средней температуры образца

напряжении 62 МПа), повышение средней температуры не превышает 0.04 °С. Число сигналов акустической эмиссии равно 100 и 150 сигналов в высоко- и низкочастотном диапазоне за весь блок нагружения соответственно.

Первое существенное повышение температуры наблюдается при расчетном напряжении 88 МПа. В этом случае скорость генерации сигналов акустической эмиссии и их амплитуда становятся постоянными в пределах одного блока нагружения (рис. 5, б). Изменение средней температуры составляет 0.068 °С (изменение максимальной температуры достигает 0.2 °С) при средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии для низкочастотного диапазона около 150 импульсов в секунду. Для высокочастотного диапазона изменение скорости генерации сигналов акустической эмиссии носит более стохастический характер и не имеет явно выраженного тренда (средняя скорость также составляет 150 импульсов в секунду).

При расчетных напряжениях, существенно превышающих предел усталости материала (величина предела усталости определена на основе данных инфракрасного сканирования, следуя методике, изложенной в [5], и равна 90 МПа), взаимосвязь между изменениями скорости генерации сигналов акустической эмиссии и скоростью выделения тепла наглядно прослеживается на рис. 5, в.

При увеличении амплитуды напряжения скорость генерации и амплитуда сигналов акустической эмиссии увеличиваются скачком и монотонно уменьшаются с течением времени. При этом перемещение крайних точек образца остается постоянным, что гарантирует постоянную амплитуду напряжения в его центре. Для проверки взаимосвязи процессов генерации акустической эмиссии и диссипации тепла после 130 с испытания амплитуда напряжения была увеличена на 5 МПа в ходе блока нагружения (рис. 5, в). Увеличение амплитуды привело

к существенному скачку скорости генерации акустической эмиссии в низкочастотном диапазоне.

Процесс сопровождается резким нагревом образца в начале эксперимента и постепенной релаксации в состояние термодинамического равновесия, в котором тепловыделение уравновешивается увеличивающейся теплоотдачей в окружающую среду и захваты.

Анализ данных акустической эмиссии показывает, что процесс деформирования сопровождается как уменьшением скорости генерации дефектов, так и уменьшением амплитуд сигналов акустической эмиссии (рис. 6, а).

Появление усталостной трещины качественно меняет характер процесса изменения температуры образца и генерации акустической эмиссии импульсов. Средняя температура существенно падает (диссипация тепла локализуется в зоне процесса в вершине трещины) при резком росте скорости (рис. 5, г) и амплитуды сигналов акустической эмиссии (рис. 6, б), что отражает увеличение интенсивности генерации дефектов перед вершиной трещины и скачкообразное ее движение.

Сводный график зависимости изменения температуры и средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии за один блок испытания от амплитуды напряжений представлен на рис. 7. На рисунке приведены доверительные интервалы (с вероятностью 0.95) только для графика изменения температуры. Значения доверительных интервалов для средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии имеют аналогичную тенденцию: хорошую повторяемость результатов при низких значениях напряжения и большой разброс при больших.

Из анализа рисунка видно, что зависимости изменения средней температуры и скорости генерации сигналов акустической эмиссии от амплитуды напряжения имеют пороговый характер. При напряжениях ниже 60 МПа амплитуды сигналов акустической эмиссии не

40 60 80 100 120

Амплитуда напряжения, МПа

Рис. 7. Зависимости изменения температуры образца и средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии за один блок испытания от амплитуды напряжений:  — средняя скорость генерации сигналов акустической эмиссии в диапазоне 50-400 кГц, А — средняя скорость генерации сигналов акустической эмиссии в диапазоне 350-2000 кГц, о — изменение температуры образца

превышают уровень шума в системе, а температура образца не изменяется в ходе одного блока деформирования. Генерация сигналов начинается скачками при напряжении порядка либо выше 62 МПа, а затем, при больших напряжениях, приобретает постоянное значение, зависящее от амплитуды нагрузки.

Необходимо отметить, что стандартная процедура оценки предела усталости материала методом инфракрасного сканирования [5], как пересечение асимптот левой и правой ветвей графика зависимости изменения температуры от амплитуды напряжения, дает значение предела усталости существенно выше данной величины (90 МПа). Это позволяет высказать предположение, что эволюция дефектной структуры материала может начинаться при напряжениях существенно ниже предела усталости и при значительном числе циклов (например в области гигацикловой усталости) может приводить к разрушению материала.

Выбранная схема проведения экспериментов позволяет на каждом образце провести исследование всех основных стадий усталостного разрушения [9]. При этом необходимо принимать во внимание, что в данной схеме эксперимента на каждом образце проводится исследование поведения материала как в области многоцикловой усталости на начальной стадии эксперимента, так и малоцикловой на его заключительной стадии. Использование метода регистрации акустической эмиссии позволяет определить границу области необратимых повреждений, лежащую для исследованных образцов арм-ко-железа на 20 МПа ниже предела усталости материала.

Вопрос о физической природе источников генерации сигналов акустической эмиссии требует дополнительного исследования. Метод акустической эмиссии не является прямым методом исследования эволюции структурных дефектов в материале, однако он позволяет

в режиме реального времени оценивать количество и относительную интенсивность появления дефектов [10, 11].

В работе [10] показано, что кривые распределения амплитуд сигналов акустической эмиссии и кумулятивные кривые плотности микротрещин в малоуглеродистых сталях являются подобными при развитии зоны пластической деформации. При этом на начальной стадии процесса зависимости Щ(Л) (где N — число импульсов акустической эмиссии; Л — амплитуда в дБ) являются экспоненциальными и переходят в степенные при образовании макротрещины. Сопоставление данных акустической эмиссии и структурного анализа позволило в [10] сделать вывод о возможности выявления дефектов с характерными размерами более 10 мкм.

На рис. 8 представлены кумулятивные кривые распределения количества зарегистрированных сигналов акустической эмиссии в зависимости от их магнитуды для различных расчетных напряжений. На рисунке приведены кумулятивные распределения, соответствующие расчетным напряжениям выше предела усталости: 88, 100, 112, 124 и 140 МПа.

За магнитуду одиночного акта акустической эмиссии, следуя стандартному геофизическому определению [12], принимался логарифм амплитуды сигнала акустической эмиссии, отнесенной к его периоду. Период определялся по длительности сигнала и количеству пересечений оси абсцисс. На первых трех блоках нагружения с расчетными напряжениями ниже предела усталости материала магнитуда регистрируемых событий не превышает 2 и распределение является линейным. Характер распределения магнитуд слабых событий (с магнитудой менее 2) сохраняется на всех последующих этапах нагружения. Наклон прямой равен 0.24±0.06.

Характер процесса качественно меняется при переходе через предел усталости материала. При напряжениях, соответствующих пределу усталости, появляются

Накопление дефектов, _ постоянство температуры №. Образование трещины

- 1 140 МПа

" 88 МПа/|

- 100 МПа \\ 24 МПа

- 112 МПа

Накопление дефектов, \ \ ' изменение температуры \

0 1 2 3 4 5

Магнитуда

Рис. 8. Распределение магнитуд акустических сигналов для различных блоков нагружения. Диапазон частот — 350-2000 кГц, расчетные напряжения — 88, 100, 112, 124, 140 МПа

события с магнитудами больше 2, при этом на начальных этапах распределение таких событий (с М > 2) описывается экспоненциальной зависимостью вида:

f (х) = -а ехр(Ьх2) с показателями а = 0.62±0.09, Ь = 0.17±0.03. Переход к формированию усталостной трещины сопровождается линеаризацией кумулятивной кривой (наклон прямой равен 0.41).

Качественное совпадение кумулятивных кривых, полученных в данной работе, и зависимостей в [10] позволяет высказать предположение о регистрации в ходе эксперимента дефектов с размерами более 10 мкм.

4. Заключение

Проведено исследование процессов изменения температуры образца и генерации сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании армко-же-леза. Пошаговое изменение амплитуды нагружения позволило определить порог начала генерации сигналов акустической эмиссии и выделения тепла. В работе показано, что генерация сигналов акустической эмиссии, связанная с образованием дефектов, начинается раньше изменения средней температуры образца. При этом величина предела усталости материала, определяемая по методу [5], оказывается существенно выше и соответствует скоростям генерации акустической эмиссии 300400 импульсов в секунду.

Сравнительный анализ данных акустической эмиссии и изменения температуры образца позволяет проследить процесс изменения температуры и генерации импульсов акустической эмиссии в процессе циклического нагружения. При приложении напряжения выше предела усталости материал реагирует множественной генераций дефектов (1000 и более импульсов в секунду) и интенсивным выделением тепла. Термодинамическое равновесие образца с внешней средой достигается за счет повышения скорости теплообмена (за счет увеличения градиента температуры между образцом и окружающей средой), при этом в процессе нагружения наблюдается уменьшение амплитуд сигналов акустической эмиссии.

Момент образования усталостной трещины сопровождается интенсивным тепловыделением в вершине

трещины и существенным ростом как качественных (амплитуда сигнала), так и количественных (скорость генерации) показателей акустической эмиссии. Анализ количественных характеристик акустической эмиссии и кинетики изменения температуры не позволяет выделить устойчивые предвестники макроскопического разрушения. Анализ масштабно-инвариантных закономерностей распределения магнитуд сигналов акустической эмиссии позволяет сделать вывод о качественном изменении (переходу от экспоненциального к линейному) характера распределения магнитуд сигналов акустической эмиссии при переходе от дисперсного накопления повреждений к образованию усталостной трещины.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты №№ 07-08-96001, 05-08-33652, 07-01-96004).

Литература

1. Farren W.S., Taylor G.I. The heat developed during plastic extension of metals // Proc. R. Soc. London A. - 1925. - V. 107. - P. 422-451.

2. Oliferuk W., Maj M., Raniecki B. Experimental analysis of energy storage rate components during tensile deformation of polycrystals // Mater. Sci. Eng. A. - 2004. - V. 374. - P. 77-81.

3. Rosakis P, Rosakis A.J., Ravichandran G., Hodowany J. A thermodynamic internal variable model for the partition of plastic work into heat and stored energy in metals // J. Mech. Phys. Solids. - 2000. -V. 48. - P. 581-607.

4. Плехов О., Santier N., Наймарк О. Экспериментальное исследование процессов накопления и диссипации энергии в железе при упругопластическом переходе // ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - № 9. -С.135-137.

5. Luong M.P. Infrared thermographics scanning of fatigue in metals // Nucl. Eng. Design. - 1995. - V. 158. - P. 363-376.

6. Doudard C., Calloch S., HildF., Cugy P, Galtier A. Identification of the scatter in high cycle fatigue from temperature measurements // C.R. Mécanique. - 2004. - V 322. - P. 795-801.

7. Uvarov S., Mikhailov E., Plekhov O., Palin-Luc T. Surface pattern analysis of 35CrMo4 steel under high cycle fatigue test // Физ. мезо-мех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 1. - С. 401^04.

8. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., МатвеевВ.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 736 с.

9. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости материалов. -М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

10. Ботвина Л.Р Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. - М.: Наука, 2008. - 334 с.

11. АндрейкивА.Е., ЛысакН.В. Метод акустической эмиссии в исследовании процессов разрушения. - Киев: Наукова думка, 1989. -176 с.

12. Gutenberg B., Richter C.F. Frequency of earthquakes in California // Bull. Seismol. Soc. Am. - 1944. - V. 34. - P. 185-195.

Поступила в редакцию 11.06.2008 г., после переработки 23.09.2009 г.

Сведения об авторах

Плехов Олег Анатольевич, к.ф.-м.н., снс ИМСС УрО РАН, poa@icmm.ru Пантелеев Иван Алексеевич, аспирант ИМСС УрО РАН, pia@icmm.ru Леонтьев Владимир Аркадьевич, нс ИМСС УрО РАН, leontiev@icmm.ru