CC BY
23
УДК 620.179.1
С.С. ЮЦКЕВИЧ
Национальный авиационный университет, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ПОВЕРХНОСТИ ПЛАКИРУЮЩЕГО СЛОЯ СПЛАВА Д16АТ
ПРИ УСТАЛОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО ПРОФИЛОМЕТРА
Описана методика количественной оценки деформационного рельефа, возникающего на поверхности плакирующего слоя конструкционного сплава Д16АТ при циклическом нагружении с использованием бесконтактного интерференционного профилометра. В качестве количественного параметра, характеризующего эволюцию деформационного рельефа при усталости, предложено использовать значение пластической деформации поверхности. Методика позволяет разбивать контролируемый участок на ячейки размером 4,9*4,9мкм или 9,8*9,8мкм и оценивать неоднородности пластического деформирования микрообъемов материала рассматриваемого конструкционного сплава.
Ключевые слова: деформационный рельеф, усталость, микропластическая деформация, интерференционная профилометрия.
Введение
Согласно подходам физической мезомехани-ки, описывающим деформируемое твердое тело как многоуровневую систему, поверхностный слой можно считать самостоятельной подсистемой материала или, даже, как особое состояние вещества [1, 2] . При усталости на поверхности металла происходит формирование деформационного рельефа (ДР), вызванное пластическим деформированием из-за потери сдвиговой устойчивости на различных структурно-масштабных уровнях [1, 3, 4]. Пластическая деформация начинается в наиболее слабых местах и носит локальный характер .
В случае конструкционного алюминиевого сплава Д16АТ его характерной особенностью является наличие плакирующего слоя из технически чистого алюминия . Следует отметить, что значения пределов текучести сплава сердцевины Д16 и плакирующего слоя отличаются на порядок: сг^16 =290 МПа и =30 МПа. Из-за этого при упругом растяжении и разгрузке сплава Д16 деформирование плакирующего слоя осуществляется по знакопеременному циклу со значительным размахом циклической пластической деформации . Такой процесс сопровождается формированием ДР на поверхности плакирующего слоя.
В ряде работ [5 - 7] появившийся на поверхности материала при усталости ДР рассматривается как индикатор нагруженности или поврежденности. Поэтому исследование особенностей поведения ДР при усталости
© С.С. Юцкевич, 2013
является актуальной задачей при изучении вопросов, связанных с определением ресурса авиационных конструкций.
1. Экспериментальная часть
Механические испытания проводились на сервогидравлической испытательной установке с цифровым управлением Bi-00-202V. Нагружение образцов осуществлялось по знакопостоянному положительному отнулевому несимметричному циклу.
Количественная характеристика рельефа определялась с использованием оптического интерференционного нанопрофилометра Micron-alpha[8-9], разработанного на кафедре конструкции летательных аппаратов.
Основные функциональные возможности Micron-Alpha позволяют использовать его как эффективное аппаратурное средство для исследования ДР . С помощью данного прибора возможно построить 3D профили поверхности (рис . 1), а также обеспечить проведение количественной оценки размерных характеристик рельефа поверхности.
Рис . 1 . Трехмерное изображение ДР Форма и размеры образцов для усталостных испытаний (рис . 2) выбирались в соответствии с [10], что позволило избежать неравномер-
ного распределения напряжения на образце вблизи захвата. В центральной части образца сверлилось отверстие, которое имитировало конструктивный концентратор напряжений в обшивке Л А под заклепку.
Рис. 2. Образец для усталостных испытаний
Контроль топографии поверхности осуществлялся на 4 площадках, лежащих на удалении 100 мкм от концентратора напряжения - отверстия диаметром 4 мм (по 2 площадки с каждой стороны концентратора). Расположение участков и их размеры приведены на рис.3.
/ Г
Рис. 3. Схема расположения зоны контроля
2. Анализ полученных результатов
Для последующего анализа информации, полученной в ходе сканирования поверхности, используется разработанная в универсальной среде Matrix Laboratory (MatLab) программа.
В соответствии с алгоритмом программы для определения площади поверхности контролируемого участка использовался трехмерный массив данных, который формировался из матрицы размером 320x240 точек (рис.4). Каждой i-точке этого массива соответствует значение высоты рельефа z;.
При соединении этих точек между собой формируется сетка из плоских треугольников, которая является приближением исследуемой поверхности.
Трехмерное представление рельефа поверхности в виде сетки плоских треугольников с учетом измеренных значений рельефа показано на рис. 5.
Рис. 5. Трехмерное представление рельефа поверхности контролируемой площадки в виде сетки плоских треугольников
Теперь площадь поверхности можно определить суммированием площадей треугольников. Площадь каждого треугольника рассчитывалась по значениям высоты рельефа в соседних узлах сетки.
Для оценки деформации локальных участков контролируемая площадка разбивалась на ячейки. При этом количество и размеры ячеек варьировались:
34x44 ячейки размером 4,9 х 4,9 мкм, 17x22 ячейки размером 9,8x9,8 мкм. В результате такого преобразования контролируемая зона была представлена к = 1496 и к = 374 ячейками соответственно, что позволяет оценить неоднородности пластического деформирования микроучастков поверхности.
В данном случае решается задача определения микропластичности, заключающейся в оценке неоднородности пластического деформирования микрообъемов материала.
Для дальнейшего анализа изменения микропластической деформации определялась пластическая деформация для каждой ячейки контролируемого участка (рис.6).
По известной площади ячейки поверхности определяется микропластическая деформация
eaj —
Aji-Aj0 Ajo
(1)
Рис. 4. Схема разбиения поверхности на плоские треугольники
где Aj о — исходное значение площади ячейки поверхности контролируемой зоны перед циклическим нагружением.
А^— значение площади ячейки поверхности контролируемой зоны после циклического нагружения.
Таким образом, в ходе эксперимента для каждой наработки был получен массив данных микропластической деформации размером 34*44 (рис. 7 а, б) и 17*22 (рис.8 а, б).
Такое преобразование контролируемой площадки для анализа особенностей протекания процесса микропластической деформации позволяет использовать математическое ожидание значения микропластической деформации:
Рис. 7. Изменение микропластической деформации для контролируемой площадки 34*44 ячейки: а - после пеовой наоаботки: б - пеоед обоазованием усталостной теошины
0.2
0.15
0 2
11
0 1
ЕЗЙБ
0
0
тщ -0.1
0.1 §№
20
0.15
ЛР
Рис. 8. Изменение микропластической деформации для контролируемой площадки 17*22 ячейки: а - после первой наработки; б - перед образованием усталостной терщины
б
а
б
а
k s • j=l К
и среднеквадратического отклонения:
(2)
(3)
V j=i
Использование этих величин позволяет оценить общую тенденцию развития и степень неоднородности микропластических деформаций при усталости.
Очевидно, что изменение математического ожидания микропластической деформации для случая, когда контролируемая площадка разбивается на к=1496 и к=374 ячеек будет одинаковым (рис. 9).
Р.) 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
- * ш1_2 к2_1 • 2 1
»
- 1 >
/
10
20
30
50 N,
(103иикл.)
Рис . 9 . Изменение математического ожидания микропластической деформации ^ от наработки
Однако в случае среднеквадратического отклонения наблюдается различие в изменение исследуемого параметра (рис.10 а, б) - уменьшается разброс данных с увеличением размера ячейки.
0,06
0,02
- *1_1 ■ 1_2 к2_1
fît
/ • / к t
/\
N,
(М'пикл.)
0,06
- *1_1 ■ 1_2 к 2_1 • 2.2
__ >
/\ s 1
б
50 N, (103пикл.)
Рис. 10. Изменение величины среднеквадратического отклонения микропластической деформации стЕ от наработки для случаев, когда: а - количество ячеек к=1496; б - количество ячеек к=374
а
Заключение
Использование бесконтактного интерференционного профилометра Micron-Alpha открывает широкие возможности при изучении особенностей изменения деформационного рельефа, который образуется при усталости на поверхности конструкционного сплава Д16АТ.
Предложенная в статье методика количественной оценки микропластической деформации позволяет получить дополнительную информацию о процессах, протекающих в поверхностных слоях плакирующего слоя и использовать ее для прогнозирования наступления предельного состояния конструкционного сплава.
Литература
1. Панин В.Е. Физическая мезомехани-ка деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода [Текст]/ В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, А.В. Панин // Физ. мезомех. 2006. Т. 9, № 3. С. 922.
2. Hatherly M. Shear band in deformed metals [Text]/ M. Hatherly, A. S. Malin // Scr. Met.
1984. V. 18. P. 449-454.
3. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах [Te^^/ Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск : СО РАН, 2006.
520 с.
4. Физическая мезомехаиика и компьютерное конструирование материалов [Текст] / под общ. ред. В. Е. Панина. Новосибирск : Наука, 1995. 297 с.
5. А. с. 15802118 СССР. Способ контроля усталостной повреждаемости элементов конструкций. М.В. Карускевич, Е.Е. За-симчук, А.И. Радченко, Ю.А. Лебедев (СССР). - Заявл. 10.04.89; опубл. 30.10.89, Бюл. №26. - 3 с.
6. Патент на корисну модель №29683 Украша, МПК G01N 3/32. Спошб виз-начення залишкового ресурсу елеменпв конструкцш за станом деформацшного рельефу поверхш плакуючого шару / С.Р. 1гнатович, М.В. Карускевич, О.М. Каруске-вич; Власник НАУ. № 200709909; заявл. 04.09.2007; опубл. 25.01.2008, Бюл. №2. -3 с.: ш.
7. Karuskevich M.V. Estimation of the accumulated fatigue damage by saturation and fractal dimension of the deformation relief
[Text]/ M.V. Karuskevich, E.Yu. Korchuk, A.S. Yakushenko, T.P. Maslak, // Strength of Materials, - 2008. - V. 40., - P. 693-697.
8. Игнатович С.Р. Исследование процесса усталости в сплаве Д16АТ при помощи на-нопрофилометр ^кст]/ С.Р. Игнатович, С.С. Юцкевич, В.И. Закиев // Вестник двигателестроения — № 3. Харьков: ХАИ, 2008.- C.99-102.
9. Интерференционный профилометр для контроля топографии поверхности материалов с нанометровым разрешением ^кст]/ С.Р. Игнатович, И.М. Закиев, С.С. Юцке-вич, В.И. Закиев // Пращ М1жнародно! НТК [«Пошкодження матер1ал1в шд час експлуатацп, методи його д1агностування i прогнозування»], (Терношль, 21-24 верес-ня 2009 р.) Тернотль : Терн. держ. техн. ушверситет, 2009. С. 175179.10.
10. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM E8 M-08 (Approved Oct. 10, 2001). West Conshohocken, 2001. - 24 p.
Поступила в редакцию 01.07.2013
С.С. Юцкевич. Дослщження мшропластично! деформацп поверхш плакуючого шару сплаву Д16АТ при втом! з використанням оптичного безконтактного профшометру
Описано методику кыъкюног оцтки деформацшного рельефу, який виникае на поверхш плакуючого шару конструкцшного сплаву Д16АТ при цикличному навантаженш з використанням безконтактного ттерференцшного профыометра. В якост1 кыък1сного параметра, що описуе еволюцЮ деформацшного рельефу при втом1, запропоновано використовувати значення пластичног деформацп поверхш. Методика дозволяе роз-бивати контролъований делянку на чарунки розм^ром 4,9*4,9 мкм або 9,8*9,8 мкм та ощнювати неоднородности пластичного деформування мтрооб'ем^в материалу розгляну-того конструкцшного сплаву.
Ключов1 слова: деформацшний рельеф, втома, мкропластична деформация, ттерференцшна профыометр1я.
S.S. Yutskevych. Study of D16AT aluminum alloy alclad surface microstrain under fatigue using optical noncontact profiler
A methodology for quantifying of deformation relief that is forming on the surface of D16AT structural alloy alclad under cyclic loading with the use of non-contact interfere profiler is described. As a quantitative parameter describing the deformation relief evolution was proposed to use the value of the surface strain. It was also proposed controlled area partition on 4.9*4,9 fm or 9.8*9,8 fm cell size, which allows to estimate the heterogeneity of strain of micro volumes of material under consideration structural alloy.
Key words: deformation relief, fatigue, microstrain, interfere profilometry.
