CC BY
32
УДК 669.14.017:620.181
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1097-1101
ИЗМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ КАК ЯВЛЕНИЕ, СОПРОВОЖДАЮЩЕЕ ИХ ПЛАСТИЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ
© А.И. Кустов1*, И.А. Мигель2*
1) Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
2) Военный учебно-научный центр ВКС ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
В работе показано, что изменение состояния и структуры материалов при их пластичности и приближении к разрушению можно контролировать с помощью измерения акустических характеристик АМД-методами. Ключевые слова: методы акустомикроскопической дефектоскопии; параметры пластичности и разрушения материалов; акустические характеристики материалов.
Процесс разрушения представляет значительный интерес, т. к. обеспечивает либо достаточно длительную эксплуатацию материала, либо связан с прогнозированием его предельного состояния (ПС) и с разрушением.
Как при вязком, так и при хрупком разрушении изменяются упруго-механические параметры материала, что в принципе должно приводить к трансформации его физических характеристик (таких, например, как характеристики акустических волн). Было выдвинуто предположение о том, что по результатам измерений таких параметров акустических волн (АВ), как скорость (ирЗ в объекте и уровень поглощения (АУ/У %), можно определять состояние материала, оценивать его работоспособность. При этом для получения более достоверных и обоснованных результатов было предложено применять методы исследований, основанные на одних физических принципах. Сами исследования проводить на взаимосвязанных размерных уровнях (например, мезо-, микро- и нано-). Таким требованиям соответствуют АМД-методы [1-2], обеспечивающие визуализацию и анализ структур, их характеризацию с помощью АВ.
Целью настоящей работы было изучение изменений характеристик АВ (АУ/У % и ил) при изменении пластичности материалов, параметров их деформационного состояния и анализ корреляционных связей характеристик материала и параметров АВ.
В работе объектами изучения были чистые металлы и стали, подвергнутые различным внешним воздействиям, прежде всего деформационным, содержащие неоднородности типа включений, локальных упругих неоднородностей, микротрещин. Предварительные исследования посвящены работе с модельными объектами и позволили оценить чувствительность прибора, его разрешающую способность, определить глубину визуализации.
В работе [3] было продемонстрировано, что режим визуализации с относительным сканированием поверхности образца и акустической линзы позволяет полу-
чить акустическое изображение структуры объекта. При этом, изменяя расстояние (Я) линза-поверхность объекта, можно формировать изображения на различной глубине. Качество акустических изображений в значительной степени определяется коэффициентами отражения и трансформации АВ на границе иммерсионной жидкости и объекта [4]:
(1)
T, =1-^ IPs
2 - ZS - sin 20S
Zr - cos2 26, + Z* - sin 2 20* + Z
(2)
где 2, - импедансы продольных и поперечных
АВ в соответствующих средах. Их значения определяются выражениями:
~= Pi "l .7 _ Ps "l .у _ Ps "s
cos 0,
cos 0r
cos 0C
(3)
где pl и ps - плотности иммерсионной жидкости и материала объекта; 0/, 0S, 0L - углы падения и преломления АВ на поверхности объекта; и/, uS, uL - скорости АВ в ИЖ, поперечная и продольная в образце.
Из (1)-(3) рассчитывали энергетические коэффициенты отражения и трансформации, которыми определяется глубина акустической визуализации и разрешающая способность САМ: RL = 100 - R2;
TL = 100 -Z - tL
ZL T
TS = 100 -
Z Z,
- T2
^ v
Ps
Pi .
Ps_ Pi
(4) 1097
Zr - cos 20 c + Zc - sin 20 c — Z
l
s
s
s
Rl =
ZL - cos 20 S + ZS - sin 2 20 S + Z
2
2
•/4
во 60
20
О
Рис. 1. Энергетические коэффициенты отражения и трансформации для поверхности кремний-вода в зависимости от углов падения АВ
Рис. 2. Визуализация и анализ микроструктуры стали, проявленной за счет градиента акустического контраста (акустика, / = 407 МГц, масштаб 22 мкм/дел., Z = -12 мкм, ст. 80, структура волочения)
В приведенных выражениях Хк - длина поверхностной акустической волны; вк - угол Рэлея; ц - скорость продольной волны в иммерсионной жидкости;
- длина продольной волны в иммерсионной жидкости; /- рабочая частота САМ; N - количество максимумов на кривой У(Я). Величина ц?, а также высота главного максимума У(7)-кривых - информативные характеристики объекта, позволяющие рассчитывать его физико-механические параметры (например, упругие модули Е и О, пористость, плотность, и проч.) [6]. При использовании геометрического подхода были рассчитаны и минимальные размеры площадки dm, позволяющие проводить локальные измерения ц и (АИУ %).
Были проведены модельные эксперименты на чистых металлах (медь, алюминий, никель), для которых получены соответствующие У(7)-кривые и рассчитаны значения скоростей ПАВ, их упругие модули (табл. 1). Измеряя значения между впадинами А7ЛГ, для У(Я)-кри-вых рассчитывали значения (цл). Пример полученной У(7)-кривой для одного из сортов стали представлен на рис. 3. При изменении степени деформации материала наблюдали изменение формы характерной кривой (рис. 4), что позволило разработать метод оценки степени деформации металлических материалов по величине и коэффициенту затухания АВ. После деформации объектов исследований по различным схемам (растяжение, кручение, изгиб) изучали их поверхность в режимах и визуализации, и измерения значений
Таблица 1
В частности, при деформации тел различные по степени деформации и кристаллографической ориентации зерна (рис. 2) проявляются как отдельные образования за счет акустического контраста [5].
Создавались структуры с поперечными размерами в десятые доли микрометра, с последующим покрытием поверхности объектов металлическими слоями (А1, N1, Сг) толщиной от долей микрометра до нескольких единиц. Экспериментально было показано, что САМ чувствителен к такого рода дефектам и позволяет гарантированно их визуализировать до глубин в 15-20 мкм.
Следующий этап исследований был связан с харак-теризацией областей, образовавшихся при деформационных воздействиях и выявлением зарождающихся при этом дефектов в материалах в конденсированном состоянии с помощью метода У(7)-кривых [2].
AZ,r =
X (l + cos0 | X,(l + co
s6J =
N sin 0
Jj_
R
l
2 • f l - cos0
R
"l 2 • f
2 • sin2 0 T
l
l-, ll - (—)2 VR
I-2
Fbö
(5)
(6)
Металл Е* 10-5, МПа G* 10-5, МПа uR* 103, м/с Y
Железо 2,17 0,83 3,15 0,28
Алюминий 0,72 0,26 3,03 0,31
Медь 1,25 0,44 2,22 0,37
Титан 1,08 0,43 3,02 0,31
Рис. 3. Изменение скорости при деформации структуры образца (расчет по полученной У(2)-кривой для ст. 33ХН3МА, ^ = 13,22 мкм и Цк = 2930 м/с)
Рис. 4. Трансформация У(2)-кривой в стали 30ХГСМЛ (цк = 3,18103 м/с, ^ = 14,68 мкм, (АУ/У %)т„ = 37 %, масштаб по вертикали 1 дел. = 0,25 В, по горизонтали - 1 дел. = = 12,2 мкм) с различной степенью деформации (е = 0 и е = 17 %)
2
При этом возникновение упругих неоднородностей или микротрещин в материалах, формирование их систем проявлялось в трансформации формы У(Я)-кривых. Сканируя поверхность образца при ее перемещении в х-у-плоскости в режиме У(Я)-кривых, получали профили зависимостей высоты главного максимума У(Я) от координат, т. е. определяли координаты и оценивали размеры зарождающихся неоднородностей в пространственно-ограниченных областях. На основе разработанной Д.Ж. Ирвиным [7] механики разрушения оценивали влияние трещин и подобных дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Например, для трещины длиной I и радиусом г напряжение в вершине:
= &ср • 2
■ш,
(7)
т. е. концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Методы АМД позволяют непосредственно наблюдать на акустических изображениях дефекты типа микротрещин (рис. 5).
Выявление таких дефектов в материале, находящемся в предпредельном состоянии, осуществлялось и на ряде модельных материалов (рис. 7).
15 -, У/ДУ%
10 5 0
0 10 20 30 X, МКМ 40
Рис. 7. Медь (М1) с трещиной после деформационного воздействия (изменение коэффициента затухания АВ)
Рис. 8. Зависимости скорости ПАВ от степени деформации материала (№ марки Н0) и размера зерна и степени деформации материала (№ марки Н0)
сг
шах
Рис. 5. а) акустическое изображение образца стали с усталостной трещиной (масштаб 20 мкм/дел., частота = 406 МГц, а) Я = -24 мкм; б) оптика (350х)
а)
Рис. 9. Изменение коэффициента поглощения АВ Fe-прово-локи от времени после деформации со скоростью 6,8 %/мин.) и зависимость суммарной деформации при разрыве от времени ^е - проволока; 0 = 0,8 мм, I = 70 мм; с 0,015% А1, 0,018% Сг, 0,077% М; закалка от 350 °С до -60 °С, скорость деформации 6,8 %/мин.)
б)
Рис. 6. Изменение уровня поглощения АВ в образцах из 18ХНВА после деформационного воздействия (а) при зондировании поверхности вдоль оси градиента деформации (Т), б) перпендикулярно оси градиента деформации (Т))
После специфической изгибной деформации (в 6000 циклов) были проведены эксперименты по измерению АУ/У % в двух взаимно-перпендикулярных направлениях относительно оси градиента деформации. Представленные на рис. 6 результаты демонстрируют
периодическое изменение прочностных характеристик материала (до 15 %) вдоль оси деформации. При этом в перпендикулярном направлении девиация не превышает 2-2,5 %.
Разработанные АМД-методы позволили получить корреляционные зависимости и размера зерна никеля от степени деформации образцов (рис. 8).
При деформации объектов (из Fe-проволоки) с высокими скоростями наблюдалась зависимость величины суммарной деформации от времени. Такое же время (~15 ч) изменялась и величина коэффициента поглощения АВ в образцах (рис. 9).
Таким образом, проведенными экспериментами установлено, что АМД-методы, благодаря высокому акустическому контрасту, позволяют визуализировать дефектные структуры материалов, выявлять возникающие в процессе деформации неоднородности и дефекты, различать состояния с различной степенью деформации. Получены корреляционные зависимости ряда характеристик образцов и параметров АВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kustov A.I. Proceedings of 8 International Conference "Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials". Science Series 2. Physics and Chemistry. 2004. V. 72. P. 203-215.
2. Кустов А.И., Мигель И.А. Выявление и характеризация дефектов твердотельных материалов с помощью акустических волн // Материаловедение. 2011. № 8. С. 31-42.
3. Мигель И.А., Кустов А.И. Разработка акустомикроскопических методов оценки влияния внешних воздействий на состояние поверхности материалов и их физические свойства // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. Ч. 1. С. 1062-1063.
4. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М., 1957. 372 с.
5. Кустов А.И., Мигель И.А., Суходолов Б.Г. Изучение влияния различных видов термомеханической обработки на структуру и свойства сталей и сплавов // Металловедение и термообработка металлов. 1998. № 4. С. 29-32.
6. Агапов Б.Л., Кустов А.И. Использование акустического микроскопа в дефектоскопии конденсированных материалов // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 17. С. 51-55.
7. Ирвин Д.Ж., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушения // Разрушение / под ред. Г. Либовиц. М.: Мир, 1976. Т. 3. С. 17-66.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 669.14.017:620.181
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1097-1101
THE CHANGE OF ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF MATERIALS AS A PHENOMENON THAT ACCOMPANIES THEIR DUCTILITY AND FRACTURE
© A.I. Kustov1), I.A. Migel2)
1)1 Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
2) Military Educational and Scientific Center named after Professor N.E. Zhukovsky and U.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
It is shown that the change in the status and structure of the materials plasticity and approaching destruction can be monitored by measuring the acoustic characteristics of the AMD-methods.
Key words: acoustomicroscopy methods in defectoscopy; the parameters of plasticity and fracture of materials; acoustic characteristics of the materials.
REFERENCES
1. Kustov A.I. Proceedings of 8 International Conference "Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials". Science Series 2. Physics and Chemistry, 2004, vol. 72, pp. 203-215.
2. Kustov A.I., Migel' I.A. Vyyavlenie i kharakterizatsiya defektov tverdotel'nykh materialov s pomoshch'yu akusticheskikh voln. Materia-lovedenie - Material science, 2011, no. 8, pp. 31-42.
3. Migel' I.A., Kustov A.I. Razrabotka akustomikroskopicheskikh metodov otsenki vliyaniya vneshnikh vozdeyst-viy na sostoyanie poverkhnosti materialov i ikh fizicheskie svoystva. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2010, vol. 15, no. 3, pt. 1, pp. 1062-1063.
4. Brekhovskikh L.M. Volny v sloistykh sredakh. Moscow, 1957. 372 p.
5. Kustov A.I., Migel' I.A., Sukhodolov B.G. Izuchenie vliyaniya razlichnykh vidov termomekhanicheskoy obrabotki na strukturu i svoystva staley i splavov. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov — Metal Science and Heat Treatment, 1998, no. 4, pp. 2932.
6. Agapov B.L., Kustov A.I. Ispol'zovanie akusticheskogo mikroskopa v defektoskopii kondensirovannykh materialov. Pis'ma v Zhurnal tehnicheskoj fiziki - JETPLetters, 1994, vol. 20, no. 17, pp. 51-55.
7. Irvin D.Zh., Paris P. Osnovy teorii rosta treshchin i razrusheniya. In: G. Libovits (ed.). Razrushenie. Moscow, Mir Publ., 1976, vol. 3, pp. 17-66.
Received 10 April 2016
Кустов Александр Игоревич, Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологических и естественнонаучных дисциплин, e-mail: [email protected]
Kustov Aleksander Igorevich, Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Technological and Scientific Disciplines Department, e-mail: [email protected]
Мигель Ирина Анатольевна, Военный учебно-научный центр ВКС ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики и химии, e-mail: [email protected]
Migel Irina Anatolievna, Military Educational and Scientific Center named after Professor N.E. Zhukovsky and U.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Physics and Chemistry Department, e-mail: [email protected]
