Научная статья на тему 'Исследование склонности к коррозионному растрескиванию образцов из алюминиевых сплавов методом АЭ'

Исследование склонности к коррозионному растрескиванию образцов из алюминиевых сплавов методом АЭ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
294
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Дюдин В. Б., Дюдин Б. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование склонности к коррозионному растрескиванию образцов из алюминиевых сплавов методом АЭ»

V

-0.99945

-0.999455

-0.99946

-0.999465

-0.99947

-0.08 -0.04 0 0.04 0.08 Р, МПа

е

Рис. 2

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукова А.П. Теория волн М.:Наука, 1990.432с.

2. Руденко О.В., Солуян С.И. М. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975.

3. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику М.: Наука, 1984. 400 с.

4. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику М.: Наука, 1966. 520 с.

5. Петухов В.Ю. Влияние нелинейных эффектов на отражение волн давления от границы раздела сред// Акуст. журнал. 1987. Т. 2. № 5. С. 930-932.

6. Пелиновский Е.Н., Фридман В.Е. Прохождение акустической волны через нелинейную границу// Акуст. журнал. 1983. Т. 29. №4. С. 596.

7. Дружинин Г.А. Экспериментальное исследование нелинейных акустических явлений в жидкостях с пузырьками газа: Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. физ.-мат. наук. Л., 1978.

8. Walsh J.M. et. Al. Shock-wave compression of twenty-seven metals. Phys. Rev. 1957. V. 108, no. 2.

В.Б. Дюдин, Б.В. Дюдин

ИССЛЕДОВАНИЕ СКЛОННОСТИ К КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ ОБРАЗЦОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ АЭ

Особенность данного исследования заключается в том, чтобы с помощью сигналов АЭ определить момент образования трещин на металле, которые возникают на его поверхности в результате одновременного воздействия коррозионно-активной среды и статических растягивающих напряжений.

Рассмотрим возможность определения размеров дефектов в конструкции методом АЭ. В работе [1] показано, что распределение напряжений в вершине любой трещины может быть охарактеризовано только одним параметром-коэффициентом интенсивности напряжений К который играет фундаментальную роль в теории ли-

Гра ница раз V(0)h-0 дела ВО, 999; Vm ДА-ВОЗД =-0.999 ¡УХ

нейной механики разрушения. Этот коэффициент зависит от размеров и формы трещины, от геометрии тела и распределения внешней нагрузки. Для бесконечной пластины, подвергнутой одноосному растяжению, он может быть представлен

= лГ“,

где - номинальные действующие напряжения; с - коэффициент, учитывающий конфигурацию дефекта и его ориентацию по отношению к полю напряжений; а -характеристический размер дефекта.

Для случая, когда размеры дефектов малы по сравнению с размерами объекта контроля, а градиенты напряжений незначительны, коэффициент интенсивности можно вычислить по приведенной формуле. С целью получения наиболее достоверной оценки форму дефекта и его ориентацию относительно поля напряжений следует выбирать таким, чтобы коэффициент с был максимальным. Этому условию удовлетворяют полуэллиптические поверхностные дефекты с отношением полуосей 3/2, ориентированные поперек растягивающих напряжений. В этом случае размеры дефектов можно определить по нагрузке появления АЭ и значению коэффициента интенсивности напряжений К1А (пороговое значение К1А, ниже которого излучение АЭ не происходит). Сравнение определенного таким образом размера дефекта с критическим размером позволит оценить степень его опасности.

Применение аппарата линейной механики разрушения для оценки размеров дефектов в различных конструкциях является инвариантностью параметра К1А от формы и размеров образцов с трещинами. Поскольку момент появления сигналов АЭ зависит от многих факторов (материала и его свойств, величины регистрируемых сигналов АЭ и т.д.), правильно было бы ввести количественные критерии оценки К1А, т. е. определять К1А по моменту достижения определенного уровня акустической эмиссии [1]. Оказалось, что определять К1А можно не по моменту появления сигналов АЭ, а по моменту качественного изменения характера излучения АЭ.

На рис.1 представлены акустограммы, на которых изображены экспериментальные зависимости: «нагрузка-смещение» и «интенсивность АЭ - смещение». Анализ диаграмм «амплитуда АЭ - смещение берегов трещины», «интенсивность АЭ -смещение» показал, что практически для всех материалов изменение амплитуды и интенсивности АЭ в процессе деформирования и разрушения образцов с трещинами было однотипным. На диаграммах отмечаются три характерные участка: на первом наблюдалась АЭ непрерывного типа (колебания с относительно малыми амплитудами); на втором - мощное непрерывное излучение с резко возрастающими амплитудой и интенсивностью АЭ; третий участок имеет максимальную акустическую эмиссию по интенсивности и амплитуде.

Как утверждают многие исследователи, появление мощного непрерывного излучения АЭ большой интенсивности и амплитуды (второй участок рис.1) вызвано образованием и ростом микротрещины. Это свидетельствует о том, что основным источником АЭ при росте трещины является непластическая деформация в ее вершине, а динамическая разгрузка материала, примыкающего к берегам образовавшейся трещины, и скачкообразное продвижение трещины.

Определение коэффициента интенсивности напряжений К1А не по моменту появления сигналов АЭ, а по началу второго участка на диаграмме «амплитуда АЭ -смещение» дало возможность установить, что К1А практически не зависит от формы и размеров образца и от температуры испытаний [1].

Это дает основание использовать параметр К1А для оценки размеров дефектов в конструкциях различных форм и размеров, а также позволяет определить К1А на малогабаритных образцах.

Из сказанного можно сделать следующий вывод: момент появления трещин для обнаружения начала растрескивающейся коррозии в наших исследованиях опре-

деляем по началу второго участка на акустограмме «амплитуда АЭ—смещение», построенной для данного образца.

Рис.1. Типовые совмещённые диаграммы нагрузки Р - смещение Д и интенсивность АЭ N1

б

Рассмотрим более подробно постановку эксперимента. Коррозионное растрескивание - это образование трещин на металле в результате одновременного воздействия коррозионно-активной среды и статических растягивающих напряжений (приложенных и остаточных). Оценка металлов к коррозионному растрескиванию проводится по времени до начала растрескивания при заданном уровне напряжения, не вызывающего растрескивания при данном виде испытаний. Ускоренные методы испытаний делятся на три группы [2]:

- ускоренные испытания, вызывающие резкое повышение склонности металла к коррозионному растрескиванию, которые должны проводиться при разработке и оценке новых высокопрочных металлов;

- ускоренные испытания, имитирующие условия эксплуатации. Они могут применяться для сравнительной оценки эффективности покрытий, а также герметиков для защиты от коррозийного растрескивания; испытания в технологических средах, выявляющие воздействие коррозионно-активной среды при проведении технологического процесса. Результаты по этому стандарту являются сравнительными и позволяют выбрать высокопрочный материал с высоким сопротивлением к коррозионному растрескиванию при соответствии прочим требованиям;

- установить оптимальный режим термической обработки, выбрать вид и режим механической обработки, создающий на поверхности напряжение сжатия; оценить влияние других технологических факторов.

Испытания проводятся по следующей схеме: монтаж образцов в приспособления; нагружение образцов; проведение испытаний; осмотр и съем образцов; анализ полученных данных. При испытании необходимо знать следующие параметры материала образцов: марку материала и химический состав; вид и состояние полуфабриката; термическую обработку; механические свойства. Для определения влияния технологических факторов на материал достаточно знать модуль упругости Е, предел текучести материала с02 и твердость НБ, Щ.

В нашем случае образцы для испытаний были изготовлены из алюминиевых сплавов марок Д16чТ, 1441Т, вырезанные из листового материала размером

25

110х20х2 мм с чистотой обработки поверхности у по ГОСТ 9.901.1 - 89 после

термической обработки. Вырубка образцов из листа соответствует направлению деформации полуфабриката. На каждое испытание ставятся не менее трех образцов. Вообще, рекомендуется испытывать пять образцов [2].

Для создания растягивающих напряжений шлифованные образцы изгибаются в специальном приспособлении, изготовленном из текстолита. Применяют шесть способов нагружения образцов по схемам 2-, 3- и 4- точечного нагружения [3]. На рис.2 представлены два способа нагружения образцов постоянной деформации. Изгиб образцов в приспособлении производится с помощью стального винта М8х1 с точностью до 0,05 мм.

Расчет растягивающих напряжений для образца, нагруженного в трех точках (рис.2) производится по формуле

где а - приложенное напряжение, Н/м2; Е - модуль упругости, Н/м2; 1 - толщина образца, м; у - максимальный прогиб, м, Н - расстояние между внешними опорами в приспособлении, м.

Напряжение в образцах задается в долях от предела текучести (а02). Рекомендуют растягивающее напряжение задавать в следующих пределах: максимальное

0,8 а02; минимальное - 0,3 ст02. Для ускоренных испытаний достаточно задать следующие значения напряжения 0,8;0,5; 0,3 а02.

Четырехточечное нагружение обеспечивает постоянное продольное растягивающее напряжение на выпуклой поверхности образца между внутренними опорами (рис.2б). Образец закрепляют вблизи концов и изгибают двумя внутренними опорами, которые располагают между внешней и симметрично средней линиями.

Упругое максимальное напряжение (а) в Н/м2 на выпуклой поверхности образца между внутренними опорами вычисляют по формуле

12Е•1•у ,

3Н2 - 4А2

где Е - модуль упругости, 1 - толщина образца, у - максимальный прогиб между внешними опорами, Н - расстояние между внешними опорами, А - расстояние между внешними и внутренними опорами (рекомендуется применять соотношение размеров А=Н/4).

При проведении испытаний образец нагружают, затем погружают в коррозионную среду как можно быстрее. В качестве испытательной среды для алюминиевых сплавов рекомендуют водный 3% раствор №С1. Температуру следует поддерживать с точностью ± 20С. В испытательной емкости должно быть не менее 10 см3 испытательной среды на 1см2 поверхности образца. Наличие трещин выявляют при визуальном осмотре с помощью лупы от 5- до 10-кратного увеличения. Если же образовались объемные продукты коррозии, которые могут скрыть трещину, образцы необходимо подвергнуть металлографическому исследованию при больших увеличениях с целью выявления наличия возможных трещин.

При испытаниях в условиях постоянного напряжения трещины распространяются быстро, в качестве критерия оценки рекомендуется принимать время до разрушения [4]. ГОСТ [2] рекомендует с целью лучшего обнаружения трещин испытания проводить в прозрачной химической посуде из стекла или органического стекла.

Рис.2. Методы нагружения образцов при постоянной деформации: а - образец, нагруженный в трех точках; б - образец, нагруженный в четырех точках

Продолжительность испытания равна времени до появления первой трещины, видимой невооруженным глазом (но не более 24 часов). Для стальных образцов при напряжении от 145 до 100 кгс/мм2 осмотр образцов в первый час проводится через каждые 5-10 минут. При напряжениях от 80 до 50 кгс/мм2 осмотр образцов проводят в первые два часа через каждые 20-30 минут, затем - через каждый час. Рассчитаем параметры растягивающих напряжений для исследуемых образцов. Рекомендуемые напряжения выбираем из условий (табл. 1).

Таблица 1

Рекомендуемые напряжения____________________________

Марка материала а 02 П107 (Па) 0,8 а 02 (Па) 0,5 а 02 (Па) 0,3 а 02 (Па)

1441Т 36 28 18 10,8

Д16чТ 28 22,4 14 8,4

Для алюминиевых сплавов выберем следующие значения испытуемых образцов: модуль Юнга Е=7 х 1010 Н/м2; Н=90 х 10-3 м; А=30 х 10-3 м, 1=2 х 10-3 м.

Рассчитаем величины прогиба образцов в приспособлении для рекомендуемых напряжений и выбранных значений Е, Н, А, 1. Данные расчёта сведём в табл.2, пользуясь которой,, устанавливаем растягивающие напряжения по прогибу образца между внешними опорами. Установку того или иного растягивающего усилия производим по величине прогиба образца, который измеряем с помощью индикатора часового типа.

Таблица 2

Максимальный прогиб образца при 3- и 4-точечном нагружении__________

Марка материала а 02 П107 (Па) 0,8 а 02 (Па) 0,5 а 02 (Па) 0,3 а 02 (Па)

1441Т 36 28 18 10,8

УэП10-4 208 162 104 62

У4П10-4 44,28 34,44 22,14 13,2

Д16чТ 28 22,4 14 8,4

УэП10-4 162 129 80 62

У4П10-4 34,44 27,55 17,22 10,33

На рис.3 представлена структурная схема установки для испытания образцов на коррозионное растрескивание. Устройство с исследуемым образцом и закрепленным на образце приемником акустической эмиссии помещают в стеклянную кювету, в которой находится 3% раствор №С1 .В качестве обнаружителя трещин используются сигналы акустической эмиссии. Регистрация сигналов АЭ осуществляется посредством “Акустоэмиссионного анализатора”, установки АФ-15 и визуально с помощью лупы с 3-кратным увеличением

Визуальный осмотр проводится через каждые 10 минут после погружения образца в раствор. Для обработки сигналов с помощью ЭВМ специально разработан и изготовлен блок АЦП с программным обеспечением. Частота дискретизации заложена до 10 МГ ц.

Рис.3. Схема исследования коррозионного растрескивания металлов методом

акустической эмиссии

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Смирнов В.И. Об оценке размеров дефектов методом АЭ с позиции линейной механики разрушения // Дефектоскопия. 1979№2.С. 45-50.

2. ОСТ 1 90211-76. Стали высокопрочные. Метод ускоренного испытания на прочность к коррозионному растрескиванию. М.: ВИАМ, 1976.

3. ГОСТ 9.901.1-89. Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание. М.: Стандартов, 1993. С.121-136.

4. ГОСТ 9.901.2-89. Металлы и сплавы. Испытание на коррозионное растрескивание образцов. М.: Стандарты,1993.

Ю.А. Забелина, С.С. Коновалова

ВЛИЯНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОКЕАНА НА НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН В ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЕ

Приповерхностный слой океана обладает рядом особенностей, влияющих на распространение и рассеяние акустических волн. В пределах единиц - десятков метров в приповерхностных слоях океана присутствуют воздушные пузырьки. Они возникают непосредственно у поверхности моря при разрушении волн и переносятся вглубь турбулентными движениями воды. Пузырьки возникают также в кильватер-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.