Научная статья на тему 'Метод электромагнитной эмиссии для исследования прерывистого течения металлов и сплавов'

Метод электромагнитной эмиссии для исследования прерывистого течения металлов и сплавов Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
209
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРЕРЫВИСТОЕ ТЕЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ / ДЕФОРМАЦИОННАЯ ПОЛОСА / ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МЕТОДЫ / АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ / ЭФФЕКТ САВАРА–МАССОНА / ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ / JERKY FLOW OF METAL / DEFORMATION BAND / HIGH-SPEED METHODS / ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOYS / SAVART-MASSON EFFECT / ELECTROMAGNETIC EMISSION

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Шибков Александр Анатольевич, Желтов Михаил Александрович, Золотов Александр Евгеньевич, Михлик Дмитрий Валерьевич, Титов Семен Александрович

Разработан метод электромагнитной эмиссии для исследования прерывистого течения металлических сплавов. Метод позволяет реконструировать ступенчатую кривую деформирования в широкой полосе частот и выявлять события деформации, связанные с динамикой деформационных полос.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Шибков Александр Анатольевич, Желтов Михаил Александрович, Золотов Александр Евгеньевич, Михлик Дмитрий Валерьевич, Титов Семен Александрович

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

ELECTRO-MAGNETIC EMISSION METHOD FOR STUDY OF JERKY FLOW METALS AND ALLOYS

The electro-magnetic emission method for study of jerky flow metallic alloys is developed. This method allows reconstructing a stepped deformation curve in wide frequency band and revealing deformation events connected with dynamics of deformation bands.

Текст научной работы на тему «Метод электромагнитной эмиссии для исследования прерывистого течения металлов и сплавов»

УДК 620.172.2:539.37

МЕТОД ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕРЫВИСТОГО ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

© А.А. Шибков, М.А. Желтов, А.Е. Золотов, Д.В. Михлик,

С.А. Титов, М.Ф. Гасанов, В.В. Ломакин

Ключевые слова: прерывистое течение металлов; деформационная полоса; высокоскоростные методы; алюми-ний-магниевые сплавы; эффект Савара-Массона; электромагнитная эмиссия.

Разработан метод электромагнитной эмиссии для исследования прерывистого течения металлических сплавов. Метод позволяет реконструировать ступенчатую кривую деформирования в широкой полосе частот и выявлять события деформации, связанные с динамикой деформационных полос.

Типичным проявлением неустойчивости пластического течения металлов и сплавов на макроуровне является скачкообразная пластическая деформация, которая выражается в повторяющихся падениях нагрузки на кривых деформирования в «жесткой» испытательной машине (эффект Портевена-Ле Шателье [1-5], низкотемпературная прерывистая пластическая деформация металлов [6-7]) или в виде скачков деформации при нагружении в «мягкой» деформационной машине (эффект Савара-Массона [8-9]).

Ранее авторы работ [10-13] разработали и использовали метод электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) применительно, в основном, к ионным монокристаллам и ко льду. В отличие от диэлектрических материалов, в которых дислокации электрически заряжены и при своем движении генерируют легко измеряемые электромагнитные сигналы, обнаружить подобные электромагнитные эффекты в металлах затруднительно из-за высокой проводимости и, соответственно, малых времен релаксаций заряда по сравнению с характерной длительностью скачков пластической деформации [14]. В настоящей работе исследовалась скачкообразная пластическая деформация сплавов АМг2 и АМг3 новым бесконтактным электромагнитным методом, разработанным на базе метода ЭМЭ применительно к изучению нестационарных явлений пластического течения металлов, в сочетании с традиционными оптическими методами исследования кинетики скачков деформации и динамики деформационных полос.

МЕТОД

Сущность электромагнитного метода состоит в следующем. На металлический образец подается постоянное напряжение и0. Образец приобретает заряд, распределенный по его поверхности в тонком слое толщиной, равной длине экранирования 5. В модели свободных электронов 5 и Гу , где ^ - фермиевский

радиус экранирования [15]:

,28^ т

Г 3пе2 ~ 4п1/3 , ( )

где Еу = (й2 /2т)(3п2п)2/3 - энергия Ферми, п - концентрация электронов, е - элементарный заряд, 8о -электрическая постоянная, а0 = 4пб0й2 /(те2) - боровский радиус, й - квант действия, т - масса электрона. Для обычных металлов п и 1022-1023 см-3, поэтому типичное значение радиуса экранирования Ту ~ 10-8 см, т. е. соизмеримо с межатомным расстоянием. В результате выхода на поверхность кристалла дислокационного скопления из N дислокаций образуется ступенька высотой Ах =ЫЪп, где Ьп - проекция вектора Бюргерса на нормаль к поверхности. Поэтому в условиях локализации пластической деформации на мезо- и макроуровне, когда N > 102, Ах >> ту, эволюция дислокационного ансамбля вызовет изменение электрического поля вблизи деформируемого образца, причем временная зависимость потенциала поля ф(Г) в фиксированной точке пространства будет отражать кинетику формоизменения поверхности с временем интегрирования, равным времени релаксации поверхностного заряда т. и (Я + Я). (С + С0), где Я0 и С0 - сопротивление и емкость образца, С - выходная емкость источника постоянного напряжения, Я - сопротивление проводника, соединяющего источник напряжения с образцом.

Для металлического образца сантиметровых размеров сечением ~ 10 мм2 Я0 ~ 10-5 Ом, С0 ~ 1 пФ, тогда как типичное значение Я ~ 10-3 Ом; принимая С ~ 102 мкФ для оценки сверху времени релаксации заряда, получим т, ~ 10-7 с, что значительно меньше характерных времен формоизменения поверхности образца, связанных с коллективными дислокационными процессами на мезо- и макроуровне: типичное время эволюции дислокационного скопления, генерируемого источником Франка-Рида, или источником типа концентратора

Рис. 1. Схема регистрации скачков пластической деформации металлического образца оптическим и электромагнитным методами: 1 - образец, 2 - стеклотекстолитовые захваты, 3 - емкостный зонд, 4 - широкополосный высокоомный предусилитель (Я,п = 1012 Ом, С,п = 20 пФ, полоса пропускания 3 - 3-106 Гц), 5 - АЦП с тактовой частотой 500 кГц, 6 - компьютер, 7 - микроскоп, 8 - видеокамера, 9 - шток «мягкой» деформационной машины, 10 - экран толщиной 10 мм, выполненный из железа армко

напряжений порядка 10-4—10-5 с (мезоуровень), а время распространения полос Людерса или полос Портевена-Ле Шателье ~ 10-1-10-3 с (макроуровень). Поэтому путем измерения потенциала электрического поля вблизи деформируемого заряженного образца в полосе частот 10-105 Гц можно бесконтактно контролировать динамику его поверхности, связанную со скачками пластической деформации на мезо- и макроуровне.

Для измерения потенциала поля может быть использован емкостный зонд в виде расположенной на расстоянии 1 параллельно поверхности образца пластины, соединенной со входом высокоомного широкополосного вольтметра (рис. 1). При смещении поверхности кристалла за время Д/ << тл = • (С + Сш)

(«электрометрический» режим измерения) по направлению нормали к зонду на величину Дх << 1, на входе вольтметра возникнет сигнал Дф, пропорциональный смещению Дх:

Дф =

Ср •и о Дх

(Сп + Сіп ) Л

(2)

где Ср ~ 1 пФ - емкость системы зонд-образец, Спп и Кіп - входная емкость и сопротивление вольтметра, хл -постоянная времени дифференцирования сигнала.

Так как характерные частоты событий пластической деформации на мезо- и макроуровне находятся в интервале 10-105 Гц, то для исследования их кинетики данным методом необходимо использование широкополосных малошумящих вольтметров. При выполнении входного каскада на полевом транзисторе (расположенного в непосредственной близости от зонда) с

Ягп ~ 1012-1014 Ом и Сп ~ 10 пФ достигается полоса ное значение І /г = 0,3-0,8 с по данным предваритель-

пропускания электрического канала регистрации от ~ 10-2-100 Гц до ~ 3 МГц со среднеквадратичным шумом в области низких частот ~10 мкВ. Легко измеряемые сигналы Дф ~ 30 мкВ при ио ~ 100 В и 1 ~ 1 мм

соответствуют, согласно формуле (2), смещению поверхности на расстояние Дх ~ 10 нм, реализуемого при выходе дислокационного скопления из нескольких десятков дислокаций.

Для увеличения чувствительности к быстропроте-кающим нестационарным процессам пластической деформации, выявления и изучения тонкой временной структуры скачков деформации можно использовать «дифференциальный» режим измерения, устанавливая постоянную времени дифференцирования сигнала меньше характерного времени развития неустойчивости пластического течения, т. е. хй << Дґ. В этом случае электрический сигнал ф(ґ) будет пропорционален производной по времени смещения поверхности относительно зонда, т. е. средней по площади зонда мгновенной скорости движения боковой поверхности, связанного со скачком пластической деформации.

МЕТОДИКА

Образцы поликристаллических сплавов АМг2 ^ - 2,5 %, Fe - 0,15 %, Si - 0,05 %, Zn - 0,05 %) и АМг3 (Mg - 3,1 %, Fe - 0,5 %, Si - 0,05 %, Zn - 0,05 %) вырезались в форме плоских двухсторонних лопаток с размером рабочей части 10x4x2 мм и подвергались предварительному отжигу при температуре 600 К в течение 3 часов и последующей закалкой на воздухе для растворения преципитатов примеси и зон Гинье-Престона и создания максимально однородной исходной структуры. Средний размер зерна после термообработки составил 30 и 25 мкм для сплавов АМг2 и АМг3 соответственно.

Растяжение образцов производили при температуре 300 К в «мягкой» деформационной машине с постоянной скоростью роста нагрузки Р = 1,6 Н/с, что соответствует начальной скорости возрастания приложенного напряжения ст0 = 0,2 МПа/с. Кривую деформирования записывали, используя метод видеофильмирова-ния через микроскоп перемещения среза верхнего захвата машины (рис. 1). Тонкую временную структуру скачков пластической деформации исследовали бесконтактным электромагнитным методом. На образец (1), электрически изолированный от заземленной деформационной машины с помощью стеклотекстолитовых захватов (2), подавалось постоянное напряжение и0 = 100 В.

Канал регистрации электрического сигнала, возникающего в ходе развития скачка деформации, состоял из плоского емкостного зонда (3) размером 10x4 мм, расположенного параллельно боковой поверхности образца на расстоянии Л = 1 мм, высокоомного широкополосного предусилителя (4), аналого-цифрового преобразователя (5) и компьютера (6). Постоянная времени дифференцирования предусилителя выбиралась меньшей, чем характерная длительность фронта І/г скачка деформации ( = ЯіпСіп = 0,1 с, а типич-

ных измерений оптическим методом), поэтому электрический сигнал был пропорционален нормальной скорости перемещения боковой поверхности образца.

Используемая методика позволяет производить синхронно и бесконтактно регистрацию скачков деформации в двух измерениях: деформацию Ah(t) вдоль оси растяжения оптическим методом и деформацию Ax(t) боковой поверхности - емкостным датчиком смещения в электрометрическом режиме измерения (или скорость ии (t) = x(t) в дифференциальном режиме измерения), которые связаны определенным механизмом деформации: наличием волн пластичности, локализованной или делокализованной деформацией и т. д. Точность измерения деформации составляла: а) оптическим методом ~3 мкм с временным разрешением 40 мс, определяемым временным интервалом между видеокадрами; б) электромагнитным методом ~10 нм в полосе частот 10-105 Гц. Кроме того, видео-фильмирование поверхности образца позволяет регистрировать и измерять скорости полос деформации (типа полос Людерса или полос Портевена-Ле Шате-лье). Поэтому предлагаемый оригинальный комплекс методов позволяет получать in situ более многомерную информацию в более широкой полосе частот о кинетике и геометрии пластической деформации образца, чем традиционная методика исследования прерывистых кривых нагружения [2-4].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Кривые нагружения и электрический отклик на скачкообразную деформацию. Типичная кривая растяжения образца сплава АМг2, деформируемого в «мягкой» испытательной машине с постоянной скоростью роста нагрузки, имеет характерный ступенчатый вид (рис. 2, кривая 1). Первые ступени, имеющие амплитуду Ae j ~ 0,3 -1 %, появляются после предварительной

пластической деформации около 3 % ( ст и 120 МПа). С ростом деформирующего напряжения растет высота ступени и длительность «плато», т. е. временной интервал между соседними скачками пластической деформации, а также скорость деформации на фронте скачка. Последние скачки имеют амплитуду ~10 %. Разрушение образца всегда происходит на фронте очень крупного, амплитудой более 10 % (иногда несколько десятков процентов), скачка деформации.

Появление ступеней на кривых деформирования алюминиево-магниевых сплавов, латуни и некоторых других металлов хорошо известно из литературы и носит название эффекта Савара-Массона [8]. В настоящей работе установлено, что каждый макроскопический скачок пластической деформации заряженного образца АМг2 и АМг3 сопровождается генерированием импульса электромагнитной эмиссии вблизи поверхности образца (рис. 2, кривая 2). Форма фронта импульсов ЭМЭ и их полярность оказалась зависящей от формы фронта скачков пластической деформации и связана с их тонкой временной структурой.

Связь прерывистого течения в мягкой машине с распространением полос деформации. Видеофильми-рование полированной поверхности деформируемого образца показывает, что скачки деформации II и III ти-

Рис. 2. Типичная кривая нагружения е(?) сплава АМг2 в «мягкой» деформационной машине с постоянной скоростью

возрастания нагрузки Р = 1,6 Н/с (кривая 1) и сигнал электромагнитной эмиссии ф(?) (кривая 2). На вставках представлены записи фронта ступени и соответствующего электрического сигнала

пов обусловлены зарождением и распространением вдоль образца нескольких макроскопических полос деформации. Первые полосы зарождаются, как правило, в центральной части, реже у галтелей образца вблизи концентраторов напряжения (ступенек или царапин на ребрах кристалла). Первоначально, по данным ви-деофильмирования, они имеют ширину около 1 мм. Затем полосы расширяются за счет движения их границ вдоль образца. Когда ширина полосы в направлении растяжения достигает высоты рабочей части образца, последний продолжает деформироваться макроскопически однородно. Типичные средние скорости перемещения границ полос находятся в пределах от 1 до 10 см/с в зависимости от уровня действующего напряжения.

Синхронное видеофильмирование распространения деформационных полос и измерение сигнала ЭМЭ показывает, что начальная стадия развития крупного (амплитудой более ~5 %) скачка деформации, характеризуемая эволюцией нескольких локализованных полос деформации шириной до 2-3 мм, сопровождается генерированием пачки «высокочастотных», в полосе ~0,1-1 кГц, импульсов ЭМЭ, отвечающих начальным фазам развития деформационных полос. Средняя амплитуда сигналов ЭМЭ на этой стадии в случае деформирования сплава АМг3 почти на порядок превышает амплитуду сигналов при деформировании сплава

АМг2, что обусловлено, вероятно, большей начальной концентрацией напряжений и поэтому большей скоростью зарождения локализованной полосы в сплаве АМг3. На последующей стадии, связанной с эволюцией преимущественно широких, шириной от 3 до 10 мм, полос деформации, сигнал ЭМЭ приобретает монотонный характер и содержит, соответственно, более низкие частоты (—1-10 Гц) (рис. 3). Таким образом, на фронте скачков II и III типов происходит переход от локализованной нестационарной деформации, связанной с зарождением и начальной фазой развития локализованных полос к макроскопически делокализован-ной и поэтому однородной и квазистационарной деформации, которая реализует до 80 % деформации в скачке.

Описанное выше деформационное поведение сплавов АМг2 и АМг3 (полученное на основе использования оригинального комплекса оптического и электрического методов исследования) при нагружении в мягкой испытательной машине существенно отличается от прерывистого течения и характера корреляции скачков с динамикой полос при деформировании в жесткой машине. В последнем случае принято различать скачки разгрузки (зубцы на кривой деформирования) трех основных типов: C, B и А [4, 5]. Переход между ними осуществляется последовательно с ростом скорости деформирования e , причем появление каждого зубца типов С и В связано с образованием одной (реже нескольких) макроскопически локализованной полосы деформации, а скачки типа А связаны с распространением полос. Важно отметить, что в условиях деформирования в жесткой машине (e0 = const) ширина локализованной полосы (обычно около 2 мм) в среднем не меняется по мере ее распространения [5]. Амплитуду зубца, вызванного развитием полосы деформации, можно оценить с помощью выражения [16]:

A = Ms,

H

(3)

где eb - степень деформации в полосе, М - эффективный модуль упругости системы машина-образец, h -длина образца, Н - ширина полосы в направлении растяжения.

Из формулы (3) следует, что разгрузка жесткой машины обусловлена деформацией, локализованной в полосе. При нагружении в мягкой испытательной машине (ст0 = const) система машина-образец не может разгружаться при потере устойчивости ансамблем дислокаций (например, вследствие коллективного открепления дислокаций от примесных атмосфер или согласованного срабатывания новых дислокационных источников), поэтому А = 0 и полоса деформации будет расширятся до тех пор, пока ее ширина не достигнет высоты образца, а степень локализации деформации h/H , соответственно, упадет до единицы; тогда

eb = e , т. е. скорость деформации образца будет равна скорости деформации в полностью делокализованной «полосе».

Рис. 3. Скачок II типа Дє (1) и соответствующий сигнал

ЭМЭ (2) в сплаве АМг3. Всплеск высокочастотных импульсов ЭМЭ у подножия скачка обусловлен зарождением и распространением первых полос деформации

Таким образом, характер и, возможно, механизм прерывистого пластического течения при испытании в жесткой и мягкой деформационных машинах существенно различен и классификация типов зубцов на кривых деформации, полученные при деформировании в жесткой машине (скачки типов С, В и А), не совпадает с предложенной классификацией форм скачков деформации при нагружении в мягкой машине. Это связано, прежде всего, с невозможностью релаксации приложенного напряжения в образце, деформируемого в мягкой машине, и поэтому - с другим характером распространения фронта локализованной деформации.

Восстановление ступенчатой кривой пластической деформации по электромагнитному сигналу. Ступенчатую кривую растяжения в(Г) образца можно представить в виде суммы двух составляющих деформации: непрерывной вс и скачкообразной в . , т. е.

в(/) = вс (/) + в у (/) . С ростом деформирующего напряжения доля скачкообразной составляющей растет от ~3 до ~70 %, а доля непрерывной соответственно падает (рис. 4, кривые 1, 2, 3). Как отмечалось, если время дифференцирования сигнала тd меньше характерного времени развития скачка, то электрический сигнал ф(/) пропорционален мгновенной скорости смещения боковой поверхности, обусловленного скачком пластической деформации. Поэтому первообразная

h

£

0.3

0.2

0.0 0.5 1 t, 103С

Рис. 4. Сравнение кривой нагружения образца АМг2 с первообразной сигнала ЭМЭ: 1 - ступенчатая кривая нагружения s(t), 2 - непрерывная составляющая пластической деформации sc(t), 3 - скачкообразная составляющая s/t), 4 -первообразная ф^) абсолютной величины сигнала ЭМЭ

t

электрического сигнала у(t) = J|ф(0| dt’ должна быть

0

пропорциональна абсолютной величине смещения поверхности в момент времени t и, следовательно, коррелировать с кривой растяжения образца. Из рис. 4 видно, что функция y(t) (кривая 4) коррелирует с временной зависимостью скачкообразной составляющей пластической деформации ej (t) (кривая 3).

Установленное соответствие временных зависимостей Sj (t) и y(t) позволяет бесконтактно строить

ступенчатую кривую деформации в широкой полосе частот и выявлять более тонкую временную структуру скачков по сравнению с записью кривых растяжения. Таким образом, предлагаемая методика комплексного исследования поверхности деформируемого металла оптическими и электромагнитным методами позволяет получать информацию in situ о тонкой временной структуре макроскопических скачков пластической деформации и устанавливать связи между скачками на мезо- и макроуровне.

Возможности метода. Рассмотрим факторы, определяющие чувствительность метода. Запишем формулу (2) в виде Аф = kAx , где к = kinEc - коэффициент чувствительности метода к нормальным смещениям поверхности, kin = Cp /(Cp + Cnn) - коэффициент ослабления сигнала на входном емкостном делителе, а Ec = U0/ d - напряженность электрического поля в зазоре между зондом и образцом. Коэффициент kin

является характеристикой входной цепи предусилителя и емкостной связи зонда с образцом; типичное значение кш ~ 0,03-0,05. При использовании в первом каскаде электронного компенсатора входной емкости (выполненного, например, в виде эмитерного повторителя с отрицательной обратной связью), последняя может быть уменьшена до ~ 0,1-1 пФ, что позволит повысить коэффициент ослабления входного сигнала до кп ~ 1.

Другой путь увеличения чувствительности состоит в повышении напряженности электрического поля в зазоре Ес. Значение Ес ограничено электрической прочностью среды (пробойная напряженность воздуха EЪт = 30 кВ/см), а при измерениях в условиях высокого вакуума - напряженностью поля, при которой начинается автоэлектронная эмиссия Ee ~ 107-108 В/см. Следует однако иметь в виду, что потенциал и0 >1 кВ оказывает влияние на кинетику пластической деформации металлов [17]. Несмотря на то, что механизм этого эффекта до сих пор остается не ясным, следует наложить ограничения на величину постоянного напряжения П0 и воздушного зазора d: и0 < 300 В и d > 0,2 мм.

С учетом приведенных соображений и оценок чувствительность метода к нормальным смещениям поверхности может быть увеличена на 2-3 порядка. Максимальную чувствительность метода можно получить, принимая, для оценки сверху, максимально допустимое поле в зазоре К = 0,5ЕЪт = 1500 В/мм, что соответ-

^шах

ствует, например, и0 = 300 В и d = 0,2 мм. Тогда при наличии «идеального» компенсатора входной емкости, когда к,п = 1, получим оценку максимального коэффициента чувствительности ктах = 0,5EЪт. При этом минимальный входной сигнал Аф = 30 мкВ (на полпорядка превышающий уровень шума) будет соответствовать минимальному регистрируемому смещению поверхности Ахш1п = 0,02 нм.

Столь высокую чувствительность метода можно отнести и к его недостаткам, так как если АхтЫ окажется меньше амплитуды выходящей на поверхность акустической волны, то емкостный зонд будет чувствовать АЭ заряженной поверхности металла. В этих условиях предлагаемый метод столкнется с трудностями интерпретации сигнала, как и метод АЭ. Однако наиболее существенное отличие методов АЭ и ЭМЭ состоит в том, что они основаны на измерении сигналов в различных системах отсчета (с.о.): первый - в с.о., связанной с образцом, а второй - в лабораторной с.о. Поэтому метод ЭМЭ в режиме, например, использования двух зондов, установленных параллельно противоположным поверхностям образца, позволяет бесконтактно получать информацию о характере деформации (локальный сдвиг или делокализованная деформация), которая недоступна методу АЭ. В то же время оба метода точно фиксируют начало развития скачка деформации еще на стадии зарождения первой деформационной полосы.

Следует отметить, что большой диапазон измеряемых смещений и частот позволяет производить «настройку» метода ЭМЭ на определенный иерархический уровень процесса (в основном, мезо- и/или макро), подбирая для этого соответствующую чувствительность (варьированием потенциала С/0 ) и ограничивая полосу пропускания вольтметра, особенно со

стороны верхних частот для фильтрации собственных колебаний образца сантиметровых размеров (т. е. f < 0,5 МГц).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе обнаружено, что прерывистое пластическое течение образцов сплавов АМг2 и АМг3, запитанных постоянным электрическим напряжением и деформируемых в «мягкой» испытательной машине с постоянной скоростью возрастания нагрузки, сопровождается генерированием последовательности импульсов электромагнитной эмиссии - всплесков потенциала нестационарного электрического поля ф^) вблизи поверхности образца, отвечающих скачкам пластической деформации. Установлено, что первообразная y(t) абсолютной величины электрического сигнала пропорциональна скачкообразной составляющей кривой деформирования e j (t).

Анализ форм электрических сигналов позволил выявить тонкие (мезоскопические) скачки перемещения поверхности кристалла, обусловленные динамикой расширяющихся полос деформации на фронте макроскопических скачков пластической деформации. Показано, что измерение и анализ электрического сигнала позволяет in situ идентифицировать нестационарные процессы пластического течения металла на мезо- и макроуровне и, таким образом, позволяет производить отображение сложного процесса формирования структуры мезо- и макродефектов кристалла на временной ряд - сигнал ЭМЭ.

На базе полученных результатов предложен оригинальный комплекс методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов, включающий в себя новый электромагнитный метод, основанный на измерении и анализе нестационарного электрического поля вблизи поверхности заряженного образца при его пластическом течении. Метод позволяет путем интегрирования электрического сигнала бесконтактно строить ступенчатую кривую пластической деформации в широкой полосе частот, выявлять тонкую временную структуру скачков деформации, устанавливать корреляционные связи между ними, фиксировать моменты зарождения полос деформации и т. д. Данный метод может быть использован также и для исследования динамики рельефа поверхности металла, связанной с другими быстропротекающими нестационарными процессами в кристалле, например, с деформационным двойникованием и мартенситными превращениями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Portevin A., Le Chatelier F. Heat Treatment of Aluminum-Copper

Alloys // Transactions of American Society for Steels Treating. 1924.

V. 5. P. 457-478.

2. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. М.: Наука, 1984. 432 с.

3. Brindley B.J. and Worthington P.J. Yield-point phenomena in substitutional alloys // Metallurgical Reviews. 1970. V. 15. P. 101-114.

4. Sokolskii S.V., Lavrentev F.F., Salita O.P. Jump-like deformation and stability of the hardened and structural states of zinc single crystals with forest dislocation in the temperature range 293 to 4.2 K // Phys. stat. sol. (a). 1984. V. 86. № 1. P. 177-181.

5. Shabadi R., Kumar S., Roven H.J., Dwarakadasa E.S. // Materials Science and Engineering 2004. A364. P. 140-150.

6. Startsev V.I // Dislocation in Solids / cd. by F.R.N. Nabarro. North-Holland Publishing Company, 1983. P. 143-233.

7. Клявин О.В. Физика пластичности кристаллов при гелиевых температурах. М.: Наука, 1987. 255 с.

8. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412-417.

9. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Влияние состояния примесей на скачкообразную деформацию сплава АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24-32.

10. Головин Ю.И., Шибков А.А. Быстропротекающие электрические процессы и динамика дислокаций в пластически деформируемых щелочно-галоидных кристаллах // ФТТ. 1986. Т. 28. № 11. С. 34923499.

11. Головин Ю.И., Горбунов А.В., Шибков А.А. Динамика и электрическое поле дефектов при лазерном повреждении поверхности ионных кристаллов // ФТТ. 1988. Т. 30. № 7. С. 1931-1937.

12. Головин Ю.И., Шибков А.А. Динамика дислокационной поляризации ионного кристалла на уровне отдельных полос скольжения // Кристаллография. 1990. Т. 35. № 2. С. 440-445.

13. Шибков А.А., Головин Ю.И., Желтов М.А., Татарко М.А. Исследование взаимосвязи структурных особенностей кристаллизующегося льда с параметрами спектра электромагнитной эмиссии в диапазоне 20-104 Гц // Кристаллография. 1999. Т. 44. № 3. С. 924-929.

14. Lebyodkin М.А., Kravchenko V.Ya., Bobrov V.S. Effect of electron entrainment at low temperature deformation of metals: kinetics and statistics of dynamical processes // Physica B. 1990. V. 165-166. P. 267268.

15. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука, 1967. 572 с.

16. Криштал М.М. Взаимосвязь неустойчивости и неоднородности пластической деформации: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. Тольятти: Тольяттин. гос. ун-т, 2002. 331 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

17. Клыпин А.А. Пути повышения долговечности и надежности жаропрочных сплавов деталей двигателей летательных аппаратов в условиях температурно-силового и электрического воздействий: дис. ... д-ра тех. наук. М.: МАИ, 1986. 412 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0735

Поступила в редакцию 21 октября 2012 г.

Shibkov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Titov S.A., Gasanov M.F., Lomakin V.V. ELECTRO-MAGNETIC EMISSION METHOD FOR STUDY OF JERKY FLOW METALS AND ALLOYS

The electro-magnetic emission method for study of jerky flow metallic alloys is developed. This method allows reconstructing a stepped deformation curve in wide frequency band and revealing deformation events connected with dynamics of deformation bands.

Key words: jerky flow of metal; deformation band; high-speed methods; aluminum-magnesium alloys; Savart-Masson effect; electromagnetic emission.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.