CC BY
36
УДК 539.37:539.221
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КОНТАКТА ЛЕД - ДЕФОРМИРУЕМЫЙ МЕТАЛЛ
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, Д.В. Михлик, М.А. Желтов,
С.А. Титов, М.Ф. Гасанов, В.В. Ломакин
Ключевые слова: прерывистое течение металлов; деформационная полоса; электромагнитная эмиссия; алюми-ний-магниевые сплавы; эффект Савара-Массона.
Обнаружено, что скачки деформации сплава Д1-3 % Mg, покрытого слоем льда, сопровождаются генерированием характерных сигналов электромагнитной эмиссии. Установлено, что временные нерегулярности на фронте сигнала связаны с динамикой полос деформации, распространяющихся на поверхности деформируемого металла.
Известно, что пластическая деформация, разрушение и рост льда сопровождается генерированием сигнала электромагнитной эмиссии (ЭМЭ). В работах [14] показано, что сигнал ЭМЭ обусловлен нестационарным движением скоплений заряженных дислокаций, распространением трещин и динамикой неустойчивой электрически активной межфазной границы лед-вода. При определенных условиях явление ЭМЭ демонстрируют и металлические сплавы, деформируемые в условиях проявления эффектов Портевена-Ле Шателье [5] и Савара-Массона [6-7]. Изучение этого явления в ходе скачкообразной деформации металлов в условиях оледенения ранее не проводилось. Цель настоящей работы - исследовать собственное электромагнитное излучение контакта лед-металл при развитии неустойчивого пластического течения деформируемой металлической подложки.
МЕТОДИКА
В качестве материала подложки был выбран промышленный алюминий-магниевый сплав АМг3 (3,1 % Mg, 0,4 % Mn), демонстрирующий скачкообразную деформацию и в жесткой, и в мягкой деформационных машинах [8]. Образцы, выполненные в виде двухсторонних лопаток с размером рабочей части 10x3,6x1,2 мм3, предварительно отжигались в печи электросопротивления при температуре 350 °С в течение 1 часа и закаливались на воздухе (средний размер зерна после отжига составил 15 мкм). Затем на поверхность рабочей части образца в морозильной камере наносили пленку воды. После ее замерзания проводили полировку поверхности льда до толщины ледяного слоя d = 0,2 мм.
Для исследования неустойчивой деформации металла использовали режим нагружения с постоянной скоростью роста напряжения ст0 = const, когда измеряемой функцией отклика является собственно скачкообразная деформация s = s(t) [9-11]. Образцы сплава АМг3, покрытые тонким слоем льда, деформировали
одноосным растяжением с постоянной скоростью роста напряжения (ст0 = 0,37 МПа/с) в мягкой деформационной машине, которая представляет собой рычажное устройство, состоящее из подвижного штока, соединенного с помощью гибкой стальной тяги с коромыслом, цилиндрического сосуда, заполняемого водой с постоянным расходом, демпфирующего устройства для гашения низкочастотных колебаний сосуда и опоры, укрепленной на массивном основании. Установка снабжена блоком измерения смещения штока и морозильной камерой, позволяющей проводить эксперименты в температурном интервале от -1 °С до -30 °С.
Рис. 1. Схема регистрации электромагнитной эмиссии: 1 -плоский образец Al-Mg, 2 - слой льда, 3 - плоский емкостный зонд, 4 - высокоомный предусилитель, 5 - АЦП, 6 -компьютер, 7 - видеокамера, 8 - цифровой индикатор ID-C125B фирмы Mitutoyo, 9 - экран толщиной 10 мм из железа армко
Схема регистрации электрического сигнала представлена на рис. 1. Потенциал нестационарного электрического поля (сигнал ЭМЭ) вблизи поверхности образца 1, покрытого слоем льда 2, измеряли с помощью плоского емкостного зонда 3, установленного параллельно поверхности льда. Канал регистрации электрического сигнала состоял из высокоомного широкополосного предусилителя 4 (полоса пропускания 10-106 Гц), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5 и компьютера 6. Противоположная относительно зонда поверхность образца со слоем льда видеофиль-мировалась в ходе нагружения видеокамерой 7 для исследования связи между особенностями временной структуры электрического отклика и распространяющимися полосами деформации на поверхности металла, кинетикой деформации и разрушения льда и его отслаивания от металлической подложки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлена кривая нагружения (1) сплава АМг3 при температуре -15 °С и соответствующий сигнал ЭМЭ (2). При испытании материала, демонстрирующего скачкообразную деформацию, с постоянной скоростью роста напряжения ст0 = const кривая растяжения s(t) содержит ступени (макроскачки деформации) амплитудой —1-10 %. Разрушение образца происходит на фронте скачка максимальной амплитуды [11].
Такое деформационное поведение типично для алюминий-магниевых сплавов с содержанием магния 2-6 % [11-13] и обусловлено, как предполагается, механизмом динамического деформационного старения дислокаций [14]. Как видно из рис. 2, каждый скачок
деформации сплава АМг3 сопровождается генерированием характерного сигнала ЭМЭ амплитудой ~0,3-3 мВ. Контрольные эксперименты без ледяной корки на поверхности металла показали, что амплитуда электрического сигнала на фронте скачков деформации находится в пределах от 30 до 100 мкВ (приведенный ко входу шум предусилителя составляет 10 мкВ). Поэтому зарегистрированные импульсы ЭМЭ связаны с процессами разделения зарядов в ледяной корке.
Причиной электризации льда при механическом нагружении может быть движение заряженных дислокаций [2], зарождение и распространение электрически активных трещин [3], перемещение двойного электрического слоя вблизи контакта лед-металл, а также процессы отслаивания и трения в контакте. Интенсивность этих механоэлектрических явлений зависит от уровня и скорости изменения локальных сдвиговых напряжений в контакте, которые определяются полем деформации и скоростей деформации на поверхности образца. Поэтому, если металлический образец деформируется в условиях «мягкого» нагружения, когда задан закон изменения приложенной силы F = F(f), то ледяной слой на поверхности металла деформируется в режиме «жесткого» нагружения, когда задан закон изменения деформации в контакте 8 = 8(Г). С учетом явлений пространственно-временной локализации деформации в полосах, типичной для сплавов системы Al-Mg [12-14], локальная деформация, а следовательно, и сдвиговые напряжения в контакте лед-металл будут определяться пространственно-временным распределением деформации на поверхности металла, т. е. функцией 8 = = 8(х, у, Г).
Рис. 2. Кривая нагружения сплава АМг3 (1) и сигнал электромагнитной эмиссии (2). Скорость нагружения сг0 = 0,37
МПа/с. Температура испытания -15 °С
Рис. 3. Форма фронта типичного скачка пластической деформации сплава АМг3 (1) и соответствующий сигнал ЭМЭ (2)
Рис. 4. (а) Фотография (кадр видеофильма) деформируемого образца сплава АМг3 с полосой деформации в центральной части на фронте скачка деформации амплитудой 1,5 %: 1 - образец, 2 - слой льда, 3 - емкостный зонд. (б) Результат программного вычитания последовательных цифровых изображений видеофильма. Стрелкой отмечено «мгновенное» (с разрешением 40 мс) положение границы полосы деформации
Рис. 5. Растрескивание ледяного слоя на поверхности сплава АМг3 на фронте скачка деформации амплитудой 3,2 %
В работе [11] установлено, что при нагружении алюминий-магниевого сплава с постоянной скоростью г0 = const, в мягкой деформационной машине на фронте макроскопических скачков деформации на поверхности сплава спонтанно зарождаются полосы деформации, которые расширяются на всю рабочую область образца в отличие от солитоноподобных полос деформации Портевена-Ле Шателье, сохраняющих ширину и направление перемещения [12-14]. Видеосъемка показала, что полоса деформации представляет
собой расширяющуюся шейку - локальное утонение образца, фронт которой распространяется со скоростью от ~1 см/с до ~102 см/с в зависимости от уровня приложенного напряжения и содержания магния в сплаве Al-Mg [6, 11]. Поэтому следует ожидать связь механоэлектрических явлений в ледяной корке с динамикой полос деформации на поверхности металла. Действительно, фронт импульса ЭМЭ, генерируемого в ходе скачка деформации, содержит временные нерегулярности в виде ступенек (рис. 3), количество которых совпадает с количеством распространяющихся полос деформации.
В серии экспериментов для визуализации полос деформации поверхность образца покрывали льдом частично (на 40-50 %). На рис. 4а показан кадр видеосъемки поверхности деформируемого сплава АМг3 с полосой деформации в центре рабочей части образца.
Для увеличения контраста изображения применяли методику вычитания с помощью компьютерной программы последовательных цифровых «кадров» видеофильма распространяющейся полосы деформации [6], которая позволяет измерять скорость перемещения границы полосы, угол ее наклона относительно оси растяжения и т. д. Результат такого вычитания представлен на рис. 4б.
Для первых скачков пластической деформации сплава АМг3 амплитудой ~1 % типичное значение времени распространения полос деформации в сплаве АМг3 тж = Ьщ/цщ = 70-100 мс (где Ь8В /2 « 5 мм -
полуширина полосы, иж « 7-10 см/с - средняя скорость перемещения одной границы расширяющейся полосы деформации) совпадает с характерными временными нерегулярностями на фронте импульса ЭМЭ (рис. 3, кривая 2). Слой льда не теряет прозрачности, поэтому электрические сигналы не связаны с образованием трещин, а обусловлены скорее движением заря-
женных дислокаций и динамикой двойного электрического слоя вблизи контакта лед-металл.
Для скачков пластической деформации сплава амплитудой 1,5-3 % типично образование в ледяном слое трещин нормального отрыва, распространяющихся перпендикулярно оси растяжения (рис. S), а для скачков деформации амплитудой более З-4 % характерно отслаивание фрагментов ледяного слоя от поверхности деформируемой металлической подложки. Раннее выявление сдвиговых трещин в зоне контакта, приводящих к отслаиванию и трению в контакте, а также установление связи этих процессов с особенностями электрических сигналов, представляет более сложную экспериментальную задачу, которая является предметом дальнейших исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. 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. 200S. Т. S0. № б. C. 107З-1083.
2. 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. S1. № 1. C. 104-111.
3. Шибков А.А., Головин Ю.И., Желтов М.А., Татарко М.А. Исследование взаимосвязи структурных особенностей кристаллизующегося льда с параметрами спектра электромагнитной эмиссии в диапазоне 20-104 Гц // Кристаллография. 1999. Т. 44. № З. C. 924-929.
4. Шибков А.А., Желтов М.А., Королев А.А. ^бственное электромагнитное излучение растущего льда // Природа. 2000. № 9. C. 1220.
5. Schmitter E.D. Electric signals from plastic deformation in metals. Monitoring intermittent plastic flow in metals with an electric sensor // Physics Letters A. 2007. V. Зб8. № З-4. P. 320-323.
6. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 200S. Т. 71. № 7. C. 20-27.
7. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Кольцов Р.Ю., Золотов А.Е., Шуклинов А.В. Электромагнитный метод исследования скачкообразной деформации металлов // Деформация и разрушение материалов. 200S. № б. C. 24-34.
8. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Upотасова С.Г., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Влияние состояния примесей на скачкообразную деформацию сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24-32.
9. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412-417.
10. 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.
11. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Лебед-кин М.А. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372-1376.
12. Лебедкин М.А. Самоорганизация и коллективные эффекты при неустойчивой пластической деформации кристаллов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. Черноголовка: ИФТТ РАН, 2002. 197 с.
13. Криштал М.М. Взаимосвязь неустойчивости и неоднородности пластической деформации: дис. . д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. Тольятти: Тольят. гос. ун-т, 2002. 331 с.
14. Estrin Y., Kubin L.P. Spatial ^upling and propagative plastic instabilities / Continuum models for materials with microstructure / еd. by H.-B. Muhlhaus. N. Y.: Wiley & Sons, 1995. P. 395-450.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0372.
Поступила в редакцию 21 октября 2012 г.
Shibkov A.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Zheltov M.A., Titov S.A., Gasanov M.F., Lomakin V.V. ELECTROMAGNETIC RADIATION OF ICE - DEFORMED METAL CONTACT
It is found that deformation jumps of deformed Al-3 % Mg alloy covered with the ice film are accompanied by generation of characteristic signals of a electromagnetic emission. It is established that the temporal irregularities in front of electromagnetic signal is connected with the dynamics of deformation bands propagated on the surface of deformed metal.
Key words: jerky flow of metal; deformation band; electromagnetic emission; aluminum-magnesium alloys; Savart-Masson effect; ice.
