Исследование металлических сплавов акустическим методом при статическом и усталостном нагружении Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.222:620.179.16

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И УСТАЛОСТНОМ НАГРУЖЕНИИ

© 2010 г. А.В. Гончар\ В.В. Мишакин1, 2

1 Нижегородский филиал института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

imndt31 @mts-nn.ru

Поступила в редакцию 17.05.2010

Приведены результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений в сталях 09Г2С и 15ЮТА, подверженных статическому и усталостному нагружению. Предложен алгоритм оценки поврежденности сталей с использованием результатов акустических измерений и металлографических исследований.

Ключевые слова: пластическое деформирование, усталостное нагружение, повреждённость, акустические параметры, ультразвук, металлография.

При пластическом деформировании и усталостном нагружении на скорости упругих волн (УВ) могут влиять, по крайней мере, два фактора - формирование кристаллографической текстуры, которая приводит к анизотропии упругих свойств материала [1-3], и накопление микроповреждений, в том числе микропор, микротрещин.

Согласно [1] скорость объемных УВ в металлах с кубической симметрией решетки зависит от коэффициентов функции распределения

ориентировок (ФРО) Ж^00 и ж/0. На величину скорости также влияет поврежденность

(Р0 _Р)/Р0 , где у = п(а)3, п - концентрация

микронесплошностей, а - средний размер мик-

ронесплошностей, ро и р - плотности материала до и после нагружения соответственно.

В работе [1] показано, что для ортотропного поликристаллического материала с кубической кристаллической решеткой, сумма квадратов скоростей не зависит от характеристик его текстуры:

(1)

где р - плотность; К и ^ - модуль всестороннего сжатия и модуль сдвига для изотропного материала соответственно; У22 - скорость продольных волн, распространяющихся перпенди-

кулярно поверхности листового материала,

vr

и Угу - скорости поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно.

Связь упругих модулей с поврежденностью можно записать в виде [4]:

К = к0 + к]Ц , ц = ц0 + к2у, (2)

где к] и к2 - параметры, к0 и ц0 - начальные значения модуля всестороннего сжатия и модуля сдвига соответственно.

Учитывая влияние разрыхления на упругие модули, выражение (1) с учётом зависимости р = Ро (1 + V) можно записать в виде:

ЕУ2 =( ко+к„+|0(цо3+ к2У>^/ро(1 -V). (3) Нормированное значение поврежденности Vп относительно ее максимального значения запишем в виде:

V п = а(х у 2 )/д(х У2 ¡и- (4)

где 0 <у n < 1, А

fev2)

V—t т

изменение суммы

квадратов скоростей при разрушении материала.

Изменение кристаллографической текстуры при деформировании отражается на изменении параметра акустической анизотропии, который согласно [1] можно выразить через коэффициент ФРО ЖЛ

20

A = 2(vzx vzy ) = 2(тzy тzx ) = kw і0 , (5)

v + v

r zx 1 r zy

T zy + T zx

где г2Х и Тгу - времена распространения продольной и поперечных УВ, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно.

Два из шести коэффициентов Пуассона V 2х , V 2у для ортотропного материала определяются

из соотношения скоростей объемных УВ, распространяющихся перпендикулярно плоскости катонного листового материала.

С учетом выражения (2) и уравнений, связывающих скорости УВ с коэффициентами ФРО

^420 , Ж4°° [1], можно получить:

V у1 - 2уХ =л2х-2г!=

2Х 2у1 -УХ) 2(т2х-4)

1 К(у) - 2ц(у) /3 + (32/35)л2с(у)(2У2 ^л/5^420)

2 К(у) + ц(у)/3 + (16/35)п2с(у)(3л/ж4Ю -л/5Щ20) ,

у2 - 2У2 т2 - 2Т2

_ У гг гу _ 1гу 2_

Угу_ 2(уг-ууГ2(т2у-т2г) “

1 К(у) - 2ц(у) /3 + (32/35)л2с(у)(2л/Ж40°+л/5Щ20)

2 К(у) + ц(у)/3 + (16/35)п2с(у)(3л/ж4Ю ^л/5^420) ,

(6)

где тгг - время распространения продольной УВ, Ж420- коэффициент ФРО, с = сп - с12 - 2с44 , су - модули упругости монокристаллов в поли-кристаллическом материале.

Как видно из уравнений (5) и (6), параметр акустической анизотропии зависит от кристаллографической текстуры. Коэффициенты Пуассона зависят как от кристаллографической текстуры, так и от поврежденности.

На рис. 1 а приведена связь поврежденности, рассчитанной по формулам (3)-(4), с величиной пластической деформации для плоского образца

из листовой стали 09Г2С с толщиной 10 мм, вырезанного вдоль направления проката. Длина рабочей части образца составила 200 мм. Образец разбивался на зоны шириной 10 мм, в каждой зоне устанавливались пьезоэлектрические датчики с центральной частотой 4,6 МГ ц. Относительная точность измерения времени распространения УВ была не хуже 10-4, скорости УВ -около 2 м/с. Образец был доведен до разрушения при одноосном нагружении. На рис. 1 б дана зависимость акустической анизотропии от величины пластической деформации.

Связь пластической деформации с акустической анизотропией хорошо описывается зависимостью е = -12.4 + 356А + 272 х103 ^2. Используя это выражение, по данным акустических измерений можно определить величину пластической деформации для стали 09Г2С.

Для усталостных испытаний были выбраны 3 образца, вырезанные вдоль направления проката из листовой стали 15ЮТА. Химический состав стали 15ЮТА: С 0,09-0,15 %; 0,5-

0,8%; Мп 0,8-1,2 %; Сг, N1, Си не более 0,3%; А1 и Т не более 1,5%. При деформировании стали 15ЮТА существенных фазовых изменений не происходит. Геометрические размеры двух образцов - 120х20х4 мм и одного - 120х20х3 мм. Исследуемые образцы подвергались усталостному симметричному нагружению по схеме консольного изгиба. Нагрузка составила 250 МПа, 275 МПа и 373 МПа. Каждая серия испытаний

включала 10-15 тысяч циклов. Испытания проводились до появления первой макротрещины. После каждой серии испытаний проводились ультразвуковые и металлографические исследования.

На рис. 1 в приведена зависимость усредненного коэффициента Пуассона ^1уег=(у?у+Угх)/2

от количества циклов нагружения. На всех образцах на начальной стадии нагружения наблюдается уменьшение коэффициента Пуассона до некоторого значения количества циклов

нагружения, которое обозначим N . Можно

предположить, что эта стадия соответствует инкубационной стадии накопления повреждений. Изменение коэффициентов Пуассона на заключительной стадии разрушения можно объяснить активным образованием микротрещин в полосах скольжения и на границе зерен, и, как следствие, изменением условий формирования кристаллографической текстуры. На рис. 2 приведены фотографии микрошлифов стали 15ЮТА до нагружения (а) и после 136 000 циклов (б) с амплитудой 250 МПа. Как видно из сравнения рис. 2а и б, растет площадь темных участков, которая связана с увеличением видимой ширины границ зерен и появлением полос скольжения. Появление тёмных участков (рис. 2) можно объяснить высоким уровнем градиента пластических деформаций вблизи границ зерен на поздних стадиях разрушения. Пунктиром на рис. 1в обозначена стадия, на которой ширина границ зерен существенно увеличивается. Зависимость параметра

Р = Бь / , который определяется как соотно-

шение суммарной площади темных участков Зь к площади светлых , приведена на

рис. 1г. Площадь измерялась с помощью переносного металлографического комплекса «Спектр Мет».

Развитие поврежденности на начальной стадии разрушения приводит к монотонным изменениям коэффициента vaver и параметра Р.

Исследования показали, что отношение количества произведенных циклов к количеству циклов, при котором заканчивается инкубационный период, можно выразить как:

Д = 0,189 + 51,385(-^ атег) - 0,003Р. (7)

N

Выражение (7) позволяет оценить время до окончания инкубационного периода и начала активного накопления микроповреждений.

Выводы

Экспериментальное исследование влияния пластического деформирования и усталостного нагружения показало чувствительность акустических характеристик к структурным изменениям при разрушении материалов. Получено, что при пластическом деформировании стали 09Г2С происходит монотонное изменение параметра акустической анизотропии, отражающее формирование текстуры деформации. Это позволяет по данным акустических измерений оценить величину пластической деформации. Получена неоднозначная зависимость коэффициента Пуассона от количества циклов нагружения для стали 15ЮТА в области многоцикловой усталости. Такое поведение коэффициента Пуассона можно объяснить тем, что по окончании инкубационного периода накопления микроповреждений происходит активный рост плотности микропор и микро-

трещин, изменение условий формирования кристаллографической текстуры в результате появления свободных поверхностей при разрыхлении материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 09-08-00892 и 09-08-00827).

Список литературы

1. Allen D.R., and Sayers C.M. The Measurement of residual stress in textured steel using an ultrasonic

velocity combinations technique // Ultrasonics. 1984. V. 22. №. 4. P. 179-188.

2. Thompson R.B., Lee S.S., Smith J.F. Angular dependence of ultrasonic wave propagation in stressed orthorhombic continuum: theory and application to the measurement of stress and texture // J. Acoust. Soc. Am. 1988. № 80. P. 921-930.

3. Hirao M., Aoki K. et al. Texture of potycrystal-lyne metals characterized by ultrasonic velocity measurements // J. Acoust. Soc. Am. 1987. № 81 (5). P. 1434-1440.

4. Салганик Р.Л. Механика тел с большим числом трещин // Механика твердого тела. 1973. № 4. C. 149-158.

INVESTIGATION OF METAL ALLOYS BY THE ACOUSTIC METHOD AT STATIC

AND FATIGUE LOADING

A. V. Gonchar, V. V. Mishakin

The results are presented of experimental studies of the damage accumulation process in 09G2S and 15UTA steels subjected to static and fatigue loading. An algorithm has been proposed to estimate the damage of the steels at static and fatigue loading using the results of acoustic measurements and metallographic investigations.

Keywords: plastic deformation, fatigue loading, damage, acoustic parameters, ultrasound, metallography.