CC BY
19
УДК 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1440-1443
ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНОЙ СРЕДЫ НА РАЗВИТИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ АВИАЦИОННОГО СПЛАВА АМг6
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, М.А. Желтов, Д.В. Михлик, С.С. Кочегаров
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, e-mail: Shibkov@tsu.tmb.ru
Экспериментально исследуется влияние агрессивной (корродирующей) среды на прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье авиационного алюминий-магниевого сплава АМг6. Установлено, что молекулярный (химический) процесс травления поверхности деформационного алюминиевого сплава вызывает развитие макроскопического деформационного скачка амплитудой несколько процентов. Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; коррозия.
Многие алюминиевые авиационные сплавы проявляют механическую неустойчивость, которая выражается в явлении прерывистого течения, известного как эффект Портевена-Ле Шателье [1-2]. Одним из важнейших факторов, влияюшдх на долговечность и живучесть авиационных сплавов, является коррозия под напряжением. В настоящей работе впервые исследуется влияние агрессивной среды на эффект Портевена-Ле Шателье в промышленном алюминий-магниевом сплаве АМг6 с помощью комплекса in situ методов исследования прерывистой деформации и полосообразования.
Методика приготовления и термообработки образцов изложена в работе [3].Для регистрации и исследования деформационного и эмиссионных откликов на действие корродирующей (агрессивной) среды удобнее использовать мягкую испытательную машину, описанную в [4]. Данная машина позволяет производить растяжения образцов с заданной скоростью возрастания напряжения ст 0 = const и регистрировать одновременно скачки деформации с помощью триангуляционного лазерного датчика положения фирмы Riftec (чувствительность 1,5 мкм в полосе частот 0-2 кГц), скачки напряжения с помощью датчика усилия фирмы Zemic Р3-С3-100 kg-3B (чувствительность 1,5 мкм в полосе частот 0-2 кГц) синхронно с визуализацией деформационных полос или трещин с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры VS-FAST/G6 НПК «Ви-деоскан» со скоростью до 10 тыс. кадров в секунду и регистрацией и измерением сигналов акустической эмиссии (АЭ) в результате локального воздействия агрессивной среды на плоскую поверхность деформируемого образца алюминиевого сплава.
Для регистрации сигналов АЭ в ходе прерывистой деформации использовали низкочастотный, в полосе частот 1 Гц-20 кГц, акустический датчик (вибропреобразователь) AP 34 (ООО «ГлобалТест»), который укрепляли через стеклянную пластину и слой масла на нижней неподвижной лопатке образца, связанной с базой (станиной испытательной машины). Плоскопараллельная стеклянная пластина необходима для обеспечения акустического контакта и электрической изо-
ляции акустического датчика от образца. Выбор низкочастотного датчика с полосой 1 Гц - 20 кГц определялся характерными временами в эволюции деформационных полос ПЛШ, известными из литературы: длительностью наиболее быстрой начальной фазы развития полос, 0,2-1,0 мс [5-6], и временем распространения полос ~ 0,01-0,1 с [7-10]. В качестве агрессивной среды использовался 30%-ный раствор HCl, наиболее активно реагирующих с алюминием в соответствие с реакцией:
2Al + 6HCl ^ 2AlCl3 + 3H2 (1)
Типичная ступенчатая кривая растяжения с постоянной скоростью возрастания напряжения алюминий-магниевого сплава представлена на рис. 1а. Видно, что с ростом приложенного напряжения растет амплитуда As скачков деформации и плато Дст между скачками (ступенями на деформационной кривой). Зависимость прироста напряжения Дст между скачками (плато на кривой нагружения) от амплитуды As предыдущего скачка деформации (ступени на кривой нагружения) можно приближенно аппроксимировать степенной зависимостью
Дст = AAsn , (2)
где константы А и n зависят от марки сплава и температуры испытания и скорости нагружения. Для сплава АМг6, деформируемого при комнатной температуре со скоростью ст 0 =0,2 МПа/с, A = 44,98, n = 0,2732.
Зависимость Act(As) позволяет в ходе деформирования предсказывать момент появления очередного макроскачка деформации и его амплитуду. Экспериментально установлено, что последняя треть плато наиболее уязвима по отношению к внешним воздействиям, в частности, действию агрессивной среды на поверхность деформируемого образца, например, нанесение капли 30 % раствора HCl на поверхность плоско-
го образца в данном интервале плато (измеренного в отсутствие внешних воздействий) провоцирует генерирование сложной пространственно-временной структуры полос макролокализованной деформации, развитие деформационной ступени и генерирование характерных сигналов АЭ, которые могут служить эмиссионными предвестниками и индикаторами развития макроскопических неустойчивостей, вызванных локальным действием агрессивной среды на поверхности нагруженного образца.
Рис. 1. Ступенчатая кривая растяжения (а) и зависимость амплитуды ступени As от предыдущего плато - прироста напряжения A<d (б) для образцов сплава АМг6. d0 = 0,2 МПа/с. Т = 300 К
На первом этапе исследовали сигнал АЭ, генерируемый после нанесения капли 30%-го раствора соляной кислоты на поверхность недеформируемого образца АМг6 («холостой» опыт). Каплю раствора HCl наносили с помощью шприца. Типичный сигнал акустической эмиссии, показанный на рис. 2, имеет два последовательных колоколообразных скачка: маленький, амплитудой около 5 мВ и длительностью около 3 с и последующий за ним сигнал амплитудой до ~ 100 мВ с длительностью переднего фронта 5-6 с и временем спада около 30 с. Процесс растворения алюминиевого сплава сопровождался заметным шипением, связанным с выделением пузырьков водорода в соответствии с уравнением химической реакции (1). Поэтому регистрируемый сигал АЭ представляет собой низкочастотную огибающую более высокочастотных акустических событий, связанных с выделением водорода в ходе химической реакции растворения.
На втором этапе плоские оттоженные образцы сплава АМг6 размерами рабочей части 6 X 3 X 0,5 мм растягивали в горизонтальной мягкой деформационной машине со скоростью возрастания напряжения ст 0 = 0,2 МПа/с до ступенчатого участка кривой деформации.
Рис. 2. Сигнал АЭ Uаэ (а) после нанесения капли 30%-го раствора HCl на поверхность сплава АМг6
Рис. 3. Синхронная запись деформации 8 (1), силового отклика О (2) и акустического сигнала и (3) при нанесении на поверхность деформируемого образца сплава АМг6 капли травителя - 30%-го раствора соляной кислоты. Моменты нанесения двух капель отмечены стрелками
Рис. 4. Скачок деформации As (1), вызванный нанесением капли 30%-го раствора HCl на поверхность деформируемого образца сплава АМг6 и соответствующий этому скачку силовой отклик СТ (2) и акустический сигнал UA3 (3)
По формуле Д = Дст / ст 0 , где величина плато Дст
связана с амплитудой ступени As формулой (2), оценивали длительность очередного плато между ступенями At. Спустя временной интервал 2/3At после очередного скачка на поверхность образца в центральную область рабочей части образца с помощью шприца наносили каплю 30%-го раствора HCl. Спустя 7-8 с деформируемый образец теряет механическую устойчивость и на поверхности по данным видеосъемки зарождаются и расширяются полосы макролокализован-ной деформации.
Формирование деформационных полос сопровождается макроскопическим скачком пластической деформации, регистрируемым в виде ступени на кривой нагружения с длительностью переднего фронта около 0,3 с и амплитудой 2-6 %. Сигнал АЭ также состоит из двух последовательных колоколообразных сигналов, но в отличие от «холостого опыта» первый сигнал всегда отрицательный и поэтому его можно рассматривать как предвестник макроскачка пластической деформации, после которого через 4-5 с на фронте последующего более крупного положительного сигнала накладывается более высокочастотный акустический сигнал
одновременно с началом скачка деформации и сигнала тензодатчика, регистрирующего вариации усилия в системе испытательная машина-образец (рис. 3).
На рис. 4 показаны более детальные, с временами разрешения ~ 1 мс, синхронные записи скачка деформации Де(/) , спровоцированного действием агрессивной среды (30 %-го раствора HCl) на поверхность деформируемого образца, силового отклика CT(t) и сигнала АЭ UАЭ (t) для случая неразрушающего скачка деформации. Как видно, основные особенности сигнала АЭ совпадают с особенностями силового отклика (скачкообразные падения механического напряжения), связанные по данным высокоскоростной видеосъемки с динамикой деформационных полос.
Отметим, что в результате травления поверхность образца становится матовой, но локальные химические прожоги отсутствуют. Измерения толщины образца post factum показали, что толщина образца в результате травления уменьшается не более чем на ~1 мкм. Таким образом, экспериментально впервые установлено, что молекулярный (химический) процесс травления поверхности деформируемого алюминиевого сплава вызывает развитие в нем макроскопической дислокационной лавины, создающей скачок пластической деформации амплитудой несколько процентов. Предположительно причина заключается в образовании в ходе травления оптически шероховатой поверхности с разрушенным оксидным слоем и, соответственно, в возникновении огромного количества хаотично расположенных на поверхности геометрических концентраторов напряжения от нано до оптического уровня и, соответственно, в существенном увеличении количества активных поверхностных дислокационных источников. Полученные результаты подтверждают ключевую роль состояния поверхности в развитии макроскописческих механических неустойчивостей материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Portevin A., Le ChatelierF. // Seances Acad. Sci. 1923. V. 176. P. 507510.
2. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. М.: Наука, 1984. 432 с.
3. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтое М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. // ФТТ. 2014. Т. 84. Вып. 4. С. 40-46.
4. Шибков А. А., Желтов М.А., Лебедкин М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. Вып. 7. С. 20-27.
5. Xiang G.F., Zhang Q.C., Lin H.W., Wu X.P., Ju X.Y. // Scr. Mater. 2007. V. 56. P. 721-724.
6. Tong W., Tao H., Zhang N., Hector Jr. L.G. // Scr. Mater. 2005. V. 53. P. 87-92.
7. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // ФТТ. 2010. V. 52. № 11. P. 2223-2231.
8. Шибков А.А., Золотов А.Е. // Кристаллография. 2011. V. 56. № 1. P. 147-154.
9. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
10. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шуклинов А.В. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22-29.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-08-00773).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1440-1443
INFLUENCE OF CORROSIVE MEDIUM ON MECHANICAL INSTABILITY OF THE AIRCRAFT AlMg6 ALLOY
© A.A. Shibkov, A.E. Zolotov, M.A. Zheltov, D.V. Mikhlik, S.S. Kochegarov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: Shibkov@tsu.tmb.ru
Influence of aggressive (corrosive) medium on the Portevin-Le Chatelier jerky flow in the aircraft aluminum-magnesium AlMg6 alloy is experimentally investigated. It was established that molecular (chemical) process of etching of surface of the straining aluminum alloy causes development of macroscopical strain burst with amplitude of several percent.
Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; corrosion.
REFERENCES
1. Portevin A., Le Chatelier F. Seances Acad. Sci., 1923, vol. 176, pp. 507-510.
2. Bell Dzh.F. Eksperimental'nye osnovy mekhaniki deformiruemykh tverdykh tel. Moscow, Nauka Publ., 1984. Pt. 2. 432 p.
3. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Gasanov M.F. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2014, vol. 84, no. 4, pp. 40-46.
4. Shibkov A. A., Zheltov M.A., Lebedkin M.A., Skvortsov V.V., Kol'tsov P.Yu., Shuklinov A.V. Zavodskaya laboratoriya - Industrial Laboratory, 2005, vol. 71, no. 7, pp. 20-27.
5. Xiang G.F., Zhang Q.C., Lin H.W., Wu X.P., Ju X.Y. Scr. Mater., 2007, V. 56, pp. 721-724.
6. Tong W., Tao H., Zhang N., Hector Jr. L.G. Scr. Mater., 2005, vol. 53, pp. 87-92.
7. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 11, pp. 2223-2231.
8. Shibkov A.A., Zolotov A.E. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2011, vol. 56, no. 1, pp. 147-154.
9. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya - Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2012, vol. 76, no. 1, pp. 97-107.
10. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Zheltov M.A., Shuklinov A.V. // Deformatsiya i razrushenie materialov - Russian metallurgy (Metally), 2009, no. 9, pp. 22-29.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 16-08-00773).
Received 10 April 2016
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Shibkov Aleksander Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Zolotov Aleksander Evgenevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Желтов Михаил Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Zheltov Mikhail Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Михлик Дмитрий Валерьевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Mikhlik Dmitriy Valerevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Кочегаров Сергей Сергеевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студент, e-mail: sergey.kochegarov94@gmail.com
Kochegarov Sergey Sergeevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, e-mail: sergey.kochegarov94@gmail.com
