CC BY
65
УДК 539.3
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ ПРИ РАЗВИТИИ НЕУСТОИЧИВОИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
© А.А. Шибков, А.В. Шуклинов, М.А. Желтов, В.В. Скворцов, А.Е. Золотов, Д.В. Михлик
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия,
e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Ключевые слова: полосы деформации; прерывистое пластическое течение; сплав Al-Mg; электромагнитная эмиссия.
Выявлены электромагнитные сигналы - предвестники скачков пластической деформации сплавов системы Al-Mg, деформируемых с постоянной скоростью возрастания напряжения.
1. Введение. Динамический подход, развиваемый в настоящее время в физике прочности и пластичности ставит актуальной задачей разработку новых in situ методов исследования динамики мезо- и макроансамблей дислокаций, обладающих достаточным быстродействием и пространственным разрешением. Наиболее привлекательными представляются методы, основанные на исследовании собственных физических полей (теплового, акустического и электромагнитного), генерируемых динамическим ансамблем дефектов. Ранее авторы работ [1, 2] разработали и использовали метод электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) применительно, в основном, к ионным монокристаллам. В отличие от диэлектрических материалов, в которых дислокации электрически заряжены и при своем движении генерируют легко измеряемые электромагнитные сигналы, обнаружить подобные электромагнитные эффекты в металлах затруднительно из-за высокой проводимости и, соответственно, малых времен релаксаций заряда по сравнению с характерной длительностью скачков пластической деформации [3, 4]. В настоящей работе исследовалась скачкообразная пластическая деформация сплавов АМг2 и АМг3 бесконтактным электромагнитным методом, разработанным на базе метода ЭМЭ применительно к изучению нестационарных явлений пластического течения металлов, в сочетании с традиционными оптическими методами исследования кинетики скачков деформации и динамики деформационных полос.
2. Метод. Идея электромагнитного метода состоит в следующем. Металлический образец электрически изолируется от испытательной машины за счет использования стеклотекстолитовых захватов и запитывается постоянным электрическим напряжением U0, составляющим, в зависимости от требуемой чувствительности, от 1 до 100 В. Образец приобретает электрический заряд, распределенный по его поверхности в тонком слое толщиной порядка фермиевского радиуса экранирования rf ~ 10-8 см. При локализации пластической деформации в полосах скольжения на поверхности кристалла образуется ступенька высотой
Ах = ЫЬп >> Гу (где N - количество дислокаций скопления, вышедших на поверхность, Ьп - проекция вектора Бюргерса на нормаль к поверхности) и эволюция полосы скольжения вызовет изменение потенциала электрического поля ф(ґ) вблизи поверхности деформируемого металла. Для его измерения может быть использован плоский емкостный зонд, установленный параллельно поверхности образца и соединенный со входом высокоомного широкополосного вольтметра.
При смещении поверхности кристалла за время Аґ << = Яіп • (Ср + Сіп ) («электрометрический»
режим измерения) по направлению нормали к зонду на величину Дх<<3, на входе вольтметра возникнет сигнал Дф, пропорциональный смещению Дх:
Дф =
Ср •U о
Дх
(Cp + Cin ) d
(1)
где Ср~1 пФ - емкость системы зонд-образец, Спп и Кіп - входная емкость и сопротивление вольтметра, т3 -постоянная времени дифференцирования сигнала.
При выполнении входного каскада на полевом транзисторе (расположенного в непосредственной близости от зонда) с Яіп ~ 1012-1014 Ом и Сіп ~ 10 пФ достигается полоса пропускания электрического канала регистрации от ~10-2-100 Гц до ~3 МГц со среднеквадратичным шумом в области низких частот ~10 мкВ. Легко измеряемые сигналы Дф ~ 30 мкВ при
и0 —100 В и 3 ~1 мм соответствуют, согласно формуле (1), смещению поверхности на расстояние Дх ~ 10 нм, реализуемого при выходе дислокационного скопления из нескольких десятков дислокаций.
3. Методика. На рис. 1. представлена схема регистрации деформационных скачков методом ЭМЭ. На образец (1), электрически изолированный от заземленной деформационной машины с помощью стеклотекстолитовых захватов (2), подавалось постоянное напряжение и0 = 100 В. Канал регистрации электриче-
ского сигнала, возникающего в ходе развития скачка деформации, состоял из плоского емкостного зонда (3) размером 10 х 4 мм, расположенного параллельно боковой поверхности образца на расстоянии d = 1 мм, высокоомного широкополосного предусилителя (4), аналого-цифрового преобразователя (5) и компьютера (6). Постоянная времени дифференцирования Td предусилителя выбиралась меньшей, чем характерная длительность фронта tfr скачка деформации
(Td = RinCin =0,1 с, а типичное значение tfr = 0,3-0,8 с
по данным предварительных измерений оптическим методом), поэтому электрический сигнал был пропорционален нормальной скорости перемещения боковой поверхности образца.
Используемая методика позволяет производить синхронно и бесконтактно регистрацию скачков деформации в двух измерениях: деформацию Ah(t) вдоль оси растяжения оптическим методом и деформацию Ax(t) боковой поверхности - емкостным датчиком смещения в электрометрическом режиме измерения (или скорость un (t) = X(t) в дифференциальном режиме измерения), которые связаны определенным механизмом деформации: наличием волн пластичности, локализованной или делокализованной деформацией и т. д. Точность измерения деформации электромагнитным методом составляла ~10 нм в полосе частот 10-105 Гц.
Кроме того, видеофильмирование поверхности образца позволяет регистрировать и измерять скорости полос деформации (типа полос Людерса или полос Савара-Массона) [4-7]. Поэтому предлагаемый оригинальный комплекс методов позволяет получать in situ
Рис. 1. Схема регистрации скачков пластической деформации металлического образца оптическим и электромагнитным методами: 1 - образец, 2 - стеклотекстолитовые захваты, 3 -емкостный зонд, 4 - широкополосный высокоомный предусилитель (Я1г1 = 1012 Ом, С1г1 = 20 пФ, полоса пропускания 33-106 Гц), 5 - АЦП с тактовой частотой 500 кГц, 6 - компьютер, 7 - микроскоп, 8 - видеокамера, 9 - шток «мягкой» деформационной машины, 10 - экран толщиной 10 мм, выполненный из железа армко
более многомерную информацию в более широкой полосе частот о кинетике и геометрии пластической деформации образца, чем традиционная методика исследования прерывистых кривых нагружения.
4. Результаты и обсуждение. На образец сплава АМг2, электрически изолированного от испытательной машины с помощью стеклотекстолитовых захватов, подавалось постоянное напряжение 100 В. При развитии неустойчивой деформации электрически активный (заряженный) образец генерировал сигнал электромагнитной эмиссии (ЭМЭ), который измерялся с помощью плоского емкостного зонда, установленного параллельно поверхности образца. Установлено, что каждая ступень на кривой нагружения сплава Al-Mg, деформируемого с постоянной скоростью роста напряжения ст0 =0,2 МПа/с в мягкой деформационной машине, сопровождается генерированием импульса ЭМЭ вблизи поверхности образца. Форма фронта импульсов ЭМЭ и их полярность оказалась зависящей от формы фронта скачков пластической деформации и связана с их тонкой временной структурой. В серии экспериментов сравнивались сигналы двух зондов, установленных параллельно противоположным боковым поверхностям заряженного образца. Основные результаты анализа соответствия оптического и электрических сигналов для скачков деформации состоят в следующем.
Для первых ступеней, амплитудой до ~ 1 %, характерно распространение полосы (полос) локализованного сдвига в плоскости максимальных касательных напряжений. Первые ступени на кривой нагружения заряженного образца сопровождаются генерированием разнополярных электрических сигналов на противоположных зондах (рис. 2а). Схема пластического течения, отвечающая такой ситуации, представлена на рис. 2 б. Разнополярные сигналы могут возникнуть только в том случае, когда одна поверхность движется по направлению к зонду, а противоположная поверхность - от другого зонда, что соответствует сдвигу одной части образца по отношению к другой (верхний захват машины - свободный, а нижний захват жестко связан со станиной). Начальные фазы электрических сигналов противоположных зондов всегда сдвинуты на время Ats и 10-40 мс, что позволяет оценить среднюю абсолютную скорость сдвига в скачке, как
~ d / At ■ cos(l, n) , где d - толщина образца, l и n -единичные векторы вдоль оси растяжения и направления максимальных касательных напряжений.
Обычно угол между l и n равен и 55°, поэтому cos (l, n) и 0 ,57. Учитывая, что d = 1,2 мм, получим
оценку us ~ 5-20 см/с, что на 2-2,5 порядка выше, чем средняя абсолютная скорость растяжения образца, развиваемая на фронте скачка.
Скачкообразная деформация сплава Al-Mg осуществляется, в основном, за счет распространения полос Савара-Массона - расширяющихся шеек, причем их конечная ширина может достигать длины рабочей части образца (~10 мм) [5]. Такие скачки сопровождаются генерированием однополярных положительных электрических сигналов на противоположных зондах (рис. 3), что соответствует движению противоположных поверхностей по направлению от зондов. Поэтому
Рис. 2. а) Форма первого скачка деформации ДА (1) и сигналы ЭМЭ на противоположных относительно плоского образца зондах Фі (2) и ф2 (3); б) схема деформирования образца (и0 = 100 В). Сплав АМг2. <&о = 0,2 МПа/с
Рис. 3. а) Форма крупного скачка (амплитулой 8 %) ДА (1) и электрические сигналы ф1 (2) и ф2 (3); б) схема деформирования образца, серыми стрелками показано направление движения границ широкой полосы деформации
на фронте скачков амплитудой —1-10 % толщина образца уменьшается в любом сечении в рабочей части образца, что связано с развитием макроскопически делокализованной деформации. Соответствующая схе-
ма пластического течения образца представлена на рис. 3 б.
Синхронное видеофильмирование распространения деформационных полос и измерение сигнала ЭМЭ
Авр %
Рис. 4. Скачок деформации Дє у (1) и соответствующий
сигнал ЭМЭ (2) в сплаве АМг3. Всплеск высокочастотных импульсов ЭМЭ у подножия скачка обусловлен зарождением и распространением первых полос деформации
показывает, что начальная стадия развития крупного (амплитудой более ~5 %) скачка деформации, характеризуемая эволюцией нескольких локализованных полос деформации, сопровождается генерированием пачки «высокочастотных», в полосе —0,1—1 кГц, импульсов ЭМЭ, отвечающих начальным фазам развития деформационных полос.
Средняя амплитуда сигналов ЭМЭ на этой стадии в случае деформирования сплава АМг3 почти на порядок превышает амплитуду сигналов при деформировании сплава АМг2, что обусловлено, вероятно, большей начальной концентрацией напряжений и поэтому большей скоростью зарождения локализованной полосы в сплаве АМг3.
На последующей стадии, связанной с эволюцией преимущественно широких, шириной от 3 до 10 мм, полос деформации, сигнал ЭМЭ приобретает монотонный характер и содержит, соответственно, более низкие частоты (—1-10 Гц) (рис. 4). Таким образом, на фронте крупных скачков, амплитудой 5-10 %, происходит переход от локализованной нестационарной деформации, связанной с зарождением и начальной фазой развития локализованных полос, к макроскопически делокализованной деформации, которая реализует основную долю деформации в скачке.
Пачка высокочастотных импульсов ЭМЭ (см. вставку на рис. 5) у подножия крупного скачка может служить его электромагнитным предвестником. Такие
ЭМЭ-предвестники характерны для последних скачков с разрывом всех исследованных сплавов Al-Mg, даже для сплава АМг2.
5. Заключение. В настоящей работе обнаружено, что прерывистое пластическое течение образцов сплавов АМг2 и АМг3, запитанных постоянным электрическим напряжением и деформируемых в «мягкой» испытательной машине с постоянной скоростью возрастания нагрузки, сопровождается генерированием последовательности импульсов электромагнитной эмиссии -всплесков потенциала нестационарного электрического поля ф(/) вблизи поверхности образца, отвечающих скачкам пластической деформации. Анализ форм электрических сигналов позволил выявить тонкие (мезоскопические) скачки перемещения поверхности кристалла, обусловленные динамикой расширяющихся полос деформации на фронте макроскопических скачков пластической деформации. Показано, что измерение и анализ электрического сигнала позволяет in situ идентифицировать нестационарные процессы пластического течения металла на мезо- и макроуровне и, таким образом, позволяет производить отображение сложного процесса формирования структуры мезо- и макродефектов кристалла на временной ряд - сигнал ЭМЭ.
Данный метод может быть использован также и для исследования динамики рельефа поверхности металла, связанной с другими быстропротекающими нестационарными процессами в кристалле, например, с деформационным двойникованием и мартенситными превращениями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И., Шибкое А. А. // ФТТ. 1986. Т. 28. № 11. С. 3492.
2. Головин Ю.И., Горбунов А.В., Шибкое А.А. // ФТТ. 1988. Т. 30. № 7. C. 1931.
3. Лебедкин М.А. Самоорганизация и коллективные эффекты при неустойчивой пластической деформации кристаллов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 / ИФТТ РАН. Черноголовка, 2002. 197 с.
4. Шибкое А.А., Лебедкин М.А., Желтое М.А. и др. // Заводская лаборатория. 2005. № 7. Т. 71. С. 20.
5. Шибкое А.А., Кольцов Р.Ю., Желтое М.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372.
6. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Михлик Д.В. и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 8. С. 23.
7. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Михлик Д.В. и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)», рег. номер проекта 2.1.1/2747.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Shibkov A.A., Shuklinov A.V., Zheltov M.A., Skvortsov V.V., Zolotov A.E., Mihlik D.V. Electromagnetic emission during development of unstable plastic deformation of metals.
Electromagnetic signals - precursors of jumps of plastic deformation of Al-Mg alloys deformed with the constant velocity growth of stress are revealed.
Key words: deformation bands; jerky plastic flow; Al-Mg alloy; electromagnetic emission.
