CC BY
41
УДК 620.172.2:539.37
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов, С.А. Титов
Ключевые слова: прерывистое течение металлов; деформационная полоса; высокоскоростные методы; электромагнитная эмиссия; алюминий-магниевые сплавы; дислокация.
Экспериментально обнаружено, что в условиях прерывистой деформации сплава А1 -Mg каждый макроскопический деформационный скачок сопровождается генерированием характерного сигнала электромагнитной эмиссии. Обсуждаются возможные причины этого явления.
Известно, что нестационарные процессы пластической деформации и разрушения диэлектриков и полупроводников сопровождаются генерированием электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) [1-5]. В работе [6] зарегистрированы сигналы ЭМЭ при растяжении алюми-ний-магниевого сплава АМг3 в условиях оледенения. Установлено, что электромагнитные сигналы возникают одновременно с распространением полос макроло-кализованной деформации вдоль поверхности контакта лед-металл и обусловлены движением заряженных дислокаций во льде, образованием трещин и процессами отслаивания льда от металлической подложки. В настоящей работе обнаружена импульсная электромагнитная эмиссия при прерывистом течении алюминий-магниевого сплава при комнатной температуре.
Материалом исследования служили промышленные сплавы АМг2 и АМг6, демонстрирующие прерывистое течение при комнатной температуре. Отожженные плоские образцы с размером рабочей части 0,3*3*6 мм растягивали при комнатной температуре с постоянной скоростью возрастания напряжения ст0 = const в мягкой деформационной машине, описанной в [7]. Методика измерения сигнала ЭМЭ - потенциала нестационарного электрического поля ф(7) вблизи поверхности металла описана в работе [6]. Потенциал электрического поля измеряли с помощью плоского емкостного зонда, который устанавливали на расстоянии около 1 мм от поверхности деформируемого металлического образца. Сигнал емкостного зонда усиливали широкополосным высокоомным предусилителем (полоса пропускания 1—106 Гц). Ступенчатую кривую деформации g(f) записывали с помощью лазерного экстенсометра на базе триангуляционного датчика положения фирмы Riftec с точностью 1,5 мкм в полосе частот 0—3 кГц. Аналоговые сигналы ЭМЭ и экстенсометра оцифровывались с помощью АЦП и подавались на компьютер.
Синхронная запись ступенчатой деформационной кривой g(f) сплава АМг6 и сигнала ЭМЭ ф(/) представлена на рис. 1. Как видно из рис. 1, на фронте каждой деформационной ступени образец генерирует характерные сигналы ЭМЭ, амплитуда которых растет с ростом высоты ступеней на деформационной кривой.
8, % 40
30
20
10
200 400 600 800 1000 1200 t с
Рис. 1. Ступенчатая кривая нагружения со скоростью а = = 0,2 МПа/с сплава АМг6 (1) и сигнал ЭМЭ (2)
Сравнение формы фронта деформационной ступени Де(Г) с электромагнитным сигналом ф(г) представлено на рис. 2. Типичная деформационная ступень высотой около 4 % и длительностью фронта около 400 мс сопровождается сигналом ЭМЭ, осредненный тренд которого (кривая 4) хорошо коррелирует с временным профилем скорости деформации на фронте деформационной ступени в (Г) (кривая 2 на рис. 2).
Сигнал электромагнитной эмиссии, как видно из рис. 2, содержит 5-6 колоколообразных импульсов длительностью 30-50 мс и амплитудой 0,5-0,7 мВ. Первый такой импульс ЭМЭ возникает у «подножия»
1543
деформационной ступени, и поэтому его можно рассматривать как ее предвестник. Ранее в работах [8, 9] экспериментально установлено, что развитие деформационной ступени начинается с зарождения и распространения поперек образца первичной полосы деформации, боковые границы которой затем генерируют полосы второго и третьего поколения и т. д. Можно полагать поэтому, что колоколообразные импульсы в структуре электромагнитного сигнала обусловлены наиболее быстрыми фазами эволюции деформационных полос на фронте деформационного скачка. Для проверки этого предположения необходимы дальнейшие in situ исследования с использованием скоростной видеосъемки поверхности деформируемого металла.
дф, мВ
'0,5 --1-------1------1-------1------1-------1------
577,4 577,5 577,6 577,7 577,8 577,9 (, С
Рис. 2. Временные зависимости приращения деформации Де (1) и скорости деформирования В (2) на фронте деформационной ступени сплава АМг2 при растяжении со скоростью роста напряжения а0 = 0,2 МПа/с при комнатной температуре
и соответствующий сигнал ЭМЭ Дф (3). Для сравнения с зависимостью В (Г) представлен тренд сигнала ЭМЭ (4) -сглаженный сигнал ф(г) с временем усреднения (интегрирования) 50 мс
Исследование возможных механизмов генерирования собственного электромагнитного излучения в ходе спонтанного развития макроскопической механической неустойчивости алюминий-магниевых сплавов должно включать в себя анализ поверхностных электрически активных процессов, сопровождающих прерывистую деформацию и полосообразование, а именно: а) пластическую деформацию и разрушение диэлектрической окисной пленки Л1203 (более хрупкой, чем алюминиевая матрица) и связанную с этим процессом динамику заряженных дефектов в пленке; б) экзоэмиссию электронов со свежей ступеньки на металлической поверхности (после разрыва окисной пленки), образованной выходом дислокационного скопления; в) релаксацией
избыточной плотности поверхностного заряда вблизи ядер вышедших на поверхность дислокаций; г) термо-эдс вследствие локального тепловыделения в распространяющейся полосе макролокализованной деформации и шейке перед разрушением; д) «контактной» разностью потенциалов между упруго и пластически деформируемой областью металла (на границе полосы макролокализованной деформации), обусловленной зависимостью концентрации электронов проводимости, а следовательно, уровня Ферми, от концентрации дислокаций и других дефектов в полосе; е) всплеском поверхностного потенциала вследствие возможного эффекта увлечения электронов проводимости быстро движущимися дислокациями в дислокационной лавине [10] и т. д.
Изучение этих механизмов является предметом дальнейшего исследования этого явления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И., Шибков А.А. Быстропротекающие электрические процессы и динамика дислокаций в пластически деформируемых щелочно-галоидных кристаллах // ФТТ. 1986. Т. 28. № 11. С. 34923499.
2. Головин Ю.И., Шибков А.А. Коллективное поведение дислокаций и быстропротекающие электрические процессы при деформировании монокристаллов ZnSe // Кристаллография. 1987. Т. 32. № 2. С. 413-416.
3. Головин Ю.И., Шибков А.А. Динамика дислокационной поляризации ионного кристалла на уровне отдельных полос скольжения // Кристаллография. 1990. Т. 35. № 2. С. 440-445.
4. Шибков А.А, Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шукли-нов А.В. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. I. Идентификация нестационарных процессов структурной релаксации по электромагнитному сигналу // Кристаллография. 2005. Т. 50. № 6. С. 1073-1083.
5. Шибков А.А, Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. Электромагнитная эмиссия при одноосном сжатии льда. II. Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций // Кристаллография. 2006. Т. 51. № 1. С. 104-111.
6. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д. В., Желтов М.А., Назаров С.В. Электромагнитное излучение при деформировании алю-миний-магниевого сплава в условиях оледенения // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 10. С. 16-19.
7. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М. А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследован6ия скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20-27.
8. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Аверков В.А., Денисов А.А. Кинетика и морфология полос деформации на начальной стадии потери устойчивости пластического течения сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 8. С. 23-30.
9. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. Механизмы зарождения полос макролокализованной деформации // Изв. РАН. Серия Физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
10. Лебедкин М.А. Эффект увлечения электронов и изменение электронного состояния при низкотемпературной деформации: авто-реф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка: ИФТТ РАН, 1989.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено
при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.В37.21.0735).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Shibkov A.A., Zolotov A.E., Denisov A.A., Gasanov M.F., Titov S.A. ELECTROMAGNETIC EMISSION DURING JERKY FLOW OF METAL
It is experimentally revealed, that in conditions of jerky flow of Al-Mg alloy each macroscopic deformation jump is accompanied by generation of a characteristic signal of electromagnetic emission. Possible reasons of the phenomena are discussed.
Key words: jerky flow; deformation band; high-speed methods; electromagnetic emission; aluminum-magnesium alloys; dislocation.
1544
