Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микрои мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности Текст научной статьи по специальности «Физика»

Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микро- и мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности

С.В. Панин, О.В. Башков1, Н.А. Семашко1, В.Е. Панин, С.В. Золотарева1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, Комсомольск-на-Амуре, 681013, Россия

В работе представлены результаты совместных исследований особенностей развития деформации конструкционных материалов, проведенных с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC и программно-аппаратного комплекса для регистрации акустической эмиссии. Показано, что комбинированное использование методов исследования структурных изменений, происходящих на поверхности и в объеме материала позволяет на основе выявляемой стадийности изменения информативных сигналов устанавливать соответствие между процессами деформации на микро- и мезомасштабном уровнях.

Combined study of deformation peculiarities of flat and notched specimens at the micro-and mesolevels by means of acoustic emission method and surface strain mapping

S.V. Panin, O.V. Bashkov, N.A. Semashko, V.E. Panin, S.V. Zolotareva

The results of combined investigations of deformation peculiarities of structural materials obtained by means of the TV-optical measuring complex TOMSC and firmware for recording acoustic emission are presented. It is shown that the use of methods for studing structure changes on the surface and in the bulk of specimens allows us to correlate deformation processes at the micro- and mesoscale levels on the basis of the revealed stages in recording data.

1. Введение

Комплексное использование оптико-телевизионного комплекса и методов неразрушающего контроля позволяет одновременно решить несколько задач [1]. Прежде всего, данные о распределении деформации на поверхности получаются т^йи, т.е. исследователь непосредственно фиксирует область и характер локализованного развития деформации, соответствующие различным стадиям пластического течения. Эти результаты характеризуют мезомасштаб-ный уровень деформации, однако их связь с процессами в объеме нагруженного твердого тела остается не совсем очевидной. С другой стороны, использование методов неразрушающего контроля позволяет получать интегральную информацию о развитии процессов в объеме нагруженного материала (на микроуровне — при использовании акустической эмиссии [2]; на мезоуровне — при применении ультразвука; на макроуровне — при использовании свободных колебаний). Однако это не позволяет напрямую связать изменения анализируемого сигнала и соответствующие им процессы деформации (нарушения сплошности). Таким образом, только в результате комбинированного использования оптико-телевизионного измерительного комплекса и приборов неразрушающего контроля можно получить пол-

ную информацию о локализованном развитии деформации на поверхности и в объеме нагруженного твердого тела, а также провести тарировку приборов неразрушающего контроля для последующего практического использования [3].

В работе представлены результаты совместных исследований особенностей развития деформации конструкционных материалов, проведенные с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC (мезомасштабный уровень) и программно-аппаратного комплекса для регистрации акустической эмиссии (микромасштабный уровень).

2. Материалы и методика исследований

В качестве материала исследований использовали плоские образцы и образцы с надрезом стали 20, стали 45, титанового сплава ВТ-20, алюминиевого сплава Д16. Для проведения исследований использовались плоские образцы сечением 2x2 мм2 и образцы с острым односторонним V-образным надрезом глубиной 0.3 мм. Анализ эволюции напряженного состояния проводили путем регистрации и последующей обработки оптических изображений с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC. В качестве основного анализируемого параметра исполь-

© Панин С.В., Башков О.В., СемашкоН.А., Панин В.Е., Золотарева С.В., 2004

зовали распределение главного пластического сдвига, а также его суммарное значение в наблюдаемой области (550 х 370 мкм) [4].

Использующийся в исследованиях акустико-эмиссионный комплекс содержит канал низкочастотной обработки, позволяющий регистрировать стандартные параметры акустической эмиссии: суммарный счет, скорость счета, амплитуду, энергию сигнала и т.п.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

3.1.Алюминиевый сплав Д16АТ. Деформация образцов Д16АТ без надреза сопровождается активным накоплением импульсов акустической эмиссии (рис. 1, в) на стадии начала пластической деформации, чему на кривой течения соответствует участок с максимальным значением коэффициента деформационного упрочнения (рис. 1, а). Последующая деформация не сопровождается появлением импульсов акустической эмиссии (при фиксированной величине порога регистрации сигналов). Суммарное число событий акустической эмиссии в образце без надреза составило 304 (рис. 1, в). Для образца Д16АТ с надрезом наблюдаются три характерные стадии кривой накопления импульсов акустической эмиссии: в конце второй стадии число событий акустической эмиссии не превышает 400, на третьей стадии интенсивность акустической эмиссии возрастает и суммарная акустическая эмиссия на момент разрушения образца составляет примерно 1 400 (рис. 1, г). Таким образом, суммарное число импульсов акустической эмиссии, зарегистрированных в образце с надрезом, примерно в 4.5 раза превышает таковое для образца без надреза.

Зависимость величины главного пластического сдвига Ух от степени деформации имеет трехстадийный характер (рис. 1, б): первая стадия связана с локализацией в области вершины надреза, а третья стадия соответствует выходу деформации на макромасштабный уровень, что сопровождается вовлечением в пластическое течение всего поперечного сечения образца в зоне надреза. Сопоставление кривых, характеризующих количество импульсов акустической эмиссии и Ух, показывает, что начало третьей стадии на кривой накопления сигналов акустической эмиссии примерно соответствует началу третьей стадии на кривой главного пластического сдвига.

3.2. Титановый сплав ВТ20. Титановый сплав псевдо-а класса ВТ20 при комнатной температуре имеет ГПУ кристаллическую структуру. Пластическая деформация титана и его сплавов протекает преимущественно двойнико-ванием, что сопровождается значительной активностью акустической эмиссии с большой амплитудой и энергией сигналов. На рис. 2, в приведен график накопления сигналов акустической эмиссии при испытании образца сплава ВТ20 без надреза. Начало активного роста энергии сигналов акустической эмиссии (рис. 2, в) соответствует пределу пропорциональности материалов (рис. 2, а), что связано с началом активной генерации дислокаций. Стадия деформирования, сопровождающаяся максимальной интенсивностью акустической эмиссии, происходит при наиболее

интенсивной деформации материала и может быть определена как физический предел текучести материала. Дальнейшая пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением и характеризуется спадом активности акустической эмиссии. Общее количество импульсов акустической эмиссии, зарегистрированных за время растяжения образца без надреза, составило 337.

На кривой накопления сигналов акустической эмиссии при испытании образцов с надрезом также можно выделить три стадии. Первая стадия сопровождается регистрацией отдельных импульсов акустической эмиссии с небольшой амплитудой. Основная часть сигналов акустической эмиссии на этой стадии находится ниже порога дискриминации. Вторая стадия имеет небольшую протяженность и сопровождается небольшим повышением активности акустической эмиссии. Третья стадия сопровождается накоплением акустической эмиссии с повышенной интенсивностью, и совместно со второй стадией они имеют форму подобную параболической, что в терминологии акустикоэмиссионной диагностики является катастрофическим раз-

Деформация, %

о.оооз-^ -

0 .

т 0.00023 ■

| 0.0001:

1 о.оооо 1

й 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

£ Относительное удлинение 8, %

Ю

Рис. 1. Диаграмма нагружения образца Д16АТ без надреза (а), зависимость интегрального значения главного пластического сдвига от степени деформации образца Д16АТ с надрезом (б), параметры акустической эмиссии в образце без надреза (в) и с надрезом (г)

0.0000

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16

Относительное удлинение 8, %

337

ф 137

о.

ь

л

(О

ф

*

СЕ

о.

С

ГО

X

0.0003 -

0.0002

ц 0.0001 -

0.0000

Деформация, 1

0.5 1.0 1.5 2.0

Относительное удлинение 8, %

Рис. 2. Диаграмма нагружения образца ВТ20 без надреза (а), зависимость интегрального значения главного пластического сдвига от степени деформации образца ВТ20 с надрезом (б), параметры акустической эмиссии в образце без надреза (в) и с надрезом (г)

Рис.3. Диаграмма нагружения образца стали 45 без надреза (а), зависимость интегральной величины главного пластического сдвига от степени деформации образца стали 45 с надрезом (б), параметры акустической эмиссии в образце без надреза (в) и с надрезом (г)

витием разрушения. Общее количество импульсов за время испытания составило 553, что примерно в 1.5 раза выше, чем в образце без надреза.

Кривую Ух можно рассматривать как трехстадийную, однако стадии II и III могут трактоваться как одна параболическая стадия. В данном случае имеет смысл говорить о том, что форма кривой количества импульсов акустической эмиссии (рис. 2, г) подобна форме кривой у2 (рис. 2, б).

3.3. Сталь 45. В работе проведены исследования особенностей деформации для сталей с различным содержанием углерода. Образцы исследуемых материалов были изготовлены одинаковым способом: лазерной вырезкой по контуру. У термически упрочняемых образцов образовалась закаленная кромка вдоль всей поверхности реза. Большая твердость и толщина закаленной кромки наблюдались для образцов стали 45 в сравнении с образцами стали 20.

При испытании образцов стали 45 активная генерация сигналов акустической эмиссии начиналась в момент начала образования трещин, что наглядно представлено на рис. 3, в. Растрескиванию упрочненной кромки соответствует участок с немонотонно изменяющимся значением напряжения течения (рис. 3, а). Суммарный уровень накопленной за эксперимент энергии акустической эмиссии сигналов более чем на порядок превышает уровень энергии (рис. 3, в) для титановых сплавов, что вызвано интенсивным трещинообразованием. Количество сигналов акустической эмиссии, зарегистрированное за время растяжения образца без надреза, превысило 5 170 (рис. 3, в).

При растяжении образцов стали 45 с надрезом (в связи с введением концентратора напряжений и исключением основного объема материала из общей деформации) видимого образования трещин не происходило, в результате количество зарегистрированных импульсов акустической эмиссии не превысило 209. При этом более половины вре-

Относительное удлинение s, %

Рис. 4. Диаграмма нагружения образца стали 20 без надреза (а), зависимость нормированного значения главного пластического сдвига от степени деформации образца стали 20 с надрезом (б), параметры акустической эмиссии в образце без надреза (в) и с надрезом (г)

мени нагружения уровень сигналов акустической эмиссии находился ниже порога дискриминации и сигналы зарегистрированы не были. Затем наблюдалось резкое возрастание интенсивности генерации сигналов акустической эмиссии. Кривая главного пластического сдвига у2 имеет три стадии и напоминает по форме кривую для сплава Д16АТ.

3.4. Сталь 20. Образование закаленной кромки для образцов стали 20 практически не происходило, а относительное удлинение при растяжении стали 20 составило 5 = = 25.5 % (рис. 4, а). Высокая пластичность стали 20 отражается и на особенностях акустического излучения. При установленной чувствительности аппаратуры зарегистрировано всего 23 события (рис. 4, в) при суммарной энергии событий менее 2 мВ2- с. Все сигналы акустической эмиссии идентифицированы как излучаемые при пластической деформации без хрупкого разрушения.

Картина выглядит иначе в образце Ст 20 с надрезом. Во-первых, количество зарегистрированных импульсов акустической эмиссии примерно в 8 раз более такового для образца без надреза. Во-вторых, начало третьей стадии кривой количества импульсов акустической эмиссии примерно совпадает с началом второй стадии кривой у2 (рис. 4, б, г).

5. Заключение

1. У высокопрочных материалов с надрезом (типа ВТ20) характер стадийности кривой накопления сигналов акустической эмиссии подобен таковому для кривой изменения интегрального значения главного пластического сдвига у2.

2. Для основного состава исследованных сплавов количество импульсов акустической эмиссии, эмитируемых в образцах с надрезом выше, чем в образцах того же материала без надреза. Исключение составила сталь 45, при деформации которой данный параметр определяется фактором растрескивания упрочненной кромки в образцах без надреза и отсутствием такого эффекта в образце с надрезом.

3. График накопления сигналов акустической эмиссии как функции степени деформации практически для всех материалов с надрезом имеет двух или трехстадийный характер, при котором интенсивность накопления на второй (третьей) стадии увеличивается. По всей видимости, первая (вторая) стадия связана с локализованным развитием деформации в области вершины надреза, в то время как вторая (третья) стадия свидетельствует о выходе деформации на макромасштабный уровень и вовлечении в пластическое течение всего сечения образца в зоне надреза.

4. Комбинированное использование методов исследования структурных изменений, происходящих на поверхности и в объеме материала, позволяет на основе выявляемой стадийности изменения информативных сигналов устанавливать соответствие между процессами деформации на микро- и мезомасштабном уровнях без проведения сложных электронно-микроскопических исследований.

Литература

1. Сырямкин В.И., Куликов А.В., Плешанов В.С. и др. Комплексная диагностика газового оборудования и трубопроводов на основе оптико-телевизионного и акустического методов контроля // Газовая промышленность. Диагностика оборудования и трубопроводов. - М.: ИРЦ «Газпром». - 1999. - № 5-6. - С. 121-131.

2. Semashko N.A., Bashkov O.V., Merkulov V.I. et al. Acoustic emission under change of the mechanisms of plastic deformation in structural materials / Abstr. of International Workshop «Mesomechnics: Foundations and Applications», Tomsk, 2001. - P. 119-120.

3. Быдзан А.Ю., Панин С.В. Исследование усталостного разрушения

конструкционной стали 20X13 и ее композиций с наплавленными покрытиями методом свободных колебаний // Дефектоскопия. -2004. - № 6. - (в печати).

4. БыдзанА.Ю. Закономерности усталостного разрушения дюралю-мина Д16АТ, стали 20X13 и ее композиций с Ni-Cr-B-Si-покры-тиями на мезоуровне. - Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2004. - 20 c.