CC BY
55
УДК 53.08:004, 53.087/088
Многомасштабное исследование стадийности локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ с надрезами акустико-эмиссионным и оптико-телевизионным методами
С.В. Панин, А.В. Бяков, В.В. Гренке, И.В. Шакиров, С.А.К. Юссиф1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Проведен анализ стадийности локализованной пластической деформации на различных масштабных уровнях при растяжении образцов с надрезами. Интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени. Показано, что на начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам и разрушению, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии деформации (ведущей роли от микро- к мезомасштабному уровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации. Полученные данные свидетельствуют о том, что анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях.
Ключевые слова: пластическая деформация, оптико-телевизионный метод, акустическая эмиссия, локализация, стадийность, масштабные уровни
Multiscale study of the stage character of localized tensile plastic deformation in notched D16AT alloy specimens by acoustic emission and television-optical methods
S.V. Panin, A.V. Byakov, V.V. Grenke, I.V. Shakirov and S.A.K. Yussif1
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
The paper analyzes the stage character of localized tensile plastic deformation of notched specimens at different scale levels. Integrated analysis of microscale deformation is based on records of acoustic emission; analysis of mesoscale deformation is made through calculations of the normalized integral shear strain from television-optical records; macroscale deformation is estimated by analyzing the time derivative of applied load. It is shown that early in the loading, the acoustic emission method is more sensitive to deformation and fracture thus making possible identification of the deformation transition from the first to second stage (transfer of the leading role from the micro- to mesoscale level). At high strain degrees, the digital image correlation method provides more accurate description of the transfer of the leading role from the meso- to macroscale level of deformation. The obtained results suggest that the analysis of localized plastic deformation in terms of its stage character is a rather efficient way of interpreting the data on the development of deformation at different scale levels.
Keywords: plastic deformation, television-optical technique, acoustic emission, localization, stage pattern, scale levels
1. Введение
На сегодняшний день метод акустической эмиссии является одним из надежных и широко изученных способов неразрушающего контроля. Он основан на физическом явлении, связанном с излучением материалом
механических (упругих) волн, вызванных динамической, локальной перестройкой внутренней структуры твердого тела при его нагружении [1]. Одним из основных преимуществ акустико-эмиссионной диагностики является то, что она не требует доступа ко всем частям
© Панин С.В., Бяков А.В., Гренке В.В., Шакиров И.В., Юссиф С.А.К., 2009
объекта контроля. В результате снижаются затраты на ее проведение, а также упрощается сама процедура контроля. Отметим, что разработка исследовательской акустико-эмиссионной аппаратуры ведется различными авторами [2, 3 и др.].
Современная акустико-эмиссионная аппаратура, построенная с применением методов цифровой обработки сигналов в режиме реального времени, позволяет выделять сигнал акустической эмиссии из шумовой помехи, определять координаты источников, сохранять результат для последующего детального анализа и т.д. Но, как правило, такая аппаратура разрабатывается и адаптируется специально для конкретных промышленных объектов (задач) [4 и др.]. При этом возможно выявлять сформировавшиеся дефекты (трещины), но такого рода приборы недостаточно чувствительны для проведения диагностики на более ранних стадиях деформации и разрушения.
При проведении экспериментальных исследований деформационного поведения конструкционных материалов метод акустической эмиссии является весьма информативным, поскольку позволяет получать сведения со всей рабочей части нагруженного образца в процессе генерации деформационных дефектов микромасштабного уровня (прежде всего, дислокаций и их ансамблей, двойников и др.). Однако при этом возникает сложность в идентификации источников акустической эмиссии [5]. Достаточно хорошо решенной в настоящее время является проблема локации источников акустической эмиссии, что достигается путем одновременного использования нескольких датчиков. Кроме того, важным при анализе процессов пластической деформации и разрушения является учет деформационных процессов на более крупных, по сравнению с микромасштабным, уровнях, что может быть реализовано путем использования in situ методов регистрации (например оптико-телевизионные методы и методы корреляции цифровых изображений [6, 7], спекл-интерферометрия [8], метод фотоупругих покрытий [9], ультразвуковая диагностика [10, 11]).
Актуальность многоуровневого рассмотрения процессов деформации и разрушения обусловлена многообразием деформационных процессов, их взаимодействием и сменой определяющей роли на различных этапах нагружения. При экспериментальных исследованиях многоуровневость рассмотрения может быть достигнута только при использовании различного вида и принципа действия датчиков. Ранее, в работе [12] нами предпринималась попытка комбинирования оптико-телевизионного метода оценки деформации и регистрации данных акустической эмиссии для получения картин деформации и разрушения на различных масштабных уровнях. В рамках развития этих исследований в настоящей работе был разработан новый лабораторный комплекс (стенд) регистрации и обработки данных акусти-
ческой эмиссии, а его тестирование и экспериментальное исследование проводили совместно с оптико-телевизионным измерительным комплексом TOMSC [6].
Важным моментом при экспериментальной оценке деформаций, основанной на построении полей векторов перемещений, является непрерывное in situ наблюдение за областью локализации деформации. В нашей предыдущей работе локализация деформационных процессов в конкретном сечении образца обеспечивалась путем деформации образцов с надрезом [12]. Также отправной точкой при постановке эксперимента была работа [13], в которой путем варьирования взаимного расположения надрезов на образцах меди меняли характер макролокализации деформации и оценивали соответствующие изменения на мезомасштабном уровне путем расчета интенсивности деформации. Использование образцов меди позволило выявить подобные закономерности на мезоуровне, однако данный материал имеет низкую активность генерации сигналов акустической эмиссии, поэтому в настоящей работе мы использовали алюминиевый сплав Д16АТ. Характер нанесения надрезов на образцы был аналогичен таковому в работе [13]. Другими существенными различиями в проведении исследований были увеличение в несколько раз размеров образцов, ширина рабочей части которых была немного больше ширины датчика акустической эмиссии (18 мм по сравнению с 3 мм в работе [13]), а также способ регистрации изображений поверхности: прямое фотографирование (без использования микроскопа) поверхности растягиваемого образца цифровой зеркальной фотокамерой. Ранее, подобная методика была применена нами в работе [14].
Согласно данным проведенных нами ранее исследований [12] растяжение образца с концентраторами напряжений обусловливает стадийность в развитии деформации на микро-, мезо- и макроуровнях, что связано с локализованным развитием деформации сначала вблизи надреза (стадия 1), затем постепенным формированием двух полос локализованного сдвига вдоль сопряженных направлений максимальных касательных напряжений (переходная стадия 2) и эволюцией двух макрополос, завершающейся формированием шейки и разрушением (стадия 3). Подобная стадийность хорошо проявлялась для прочных материалов как по данным регистрации сигналов акустической эмиссии, так и по интегральной величине интенсивности деформации сдвига у. В настоящей работе варьировали степень локализации деформации и соответствующий стадийный характер ее развития путем растяжения образцов с тремя надрезами, расположенными на различном удалении друг от друга.
2. Материал и методика исследований
Принцип работы аппаратной части измерительного комплекса может быть пояснен по его структурной схе-
I
Модуль отображения и сохранения результатов
Компьютер типа IBM PC
Рис. 1. Структурная схема аппаратной части измерительного комплекса (а) и алгоритма функционирования комплекса (б)
ме (рис. 1). Основными его блоками являются акустико-эмиссионный датчик, широкополосный малошумя-щий усилитель, малошумящий источник питания, плата АЦП, персональный компьютер.
Модуль цифровой предобработки необходим для предобработки сигнала с целью повышения качества работы следующего за ним основного блока обработки, в частности фильтрации шумов и исключения «пустого» сигнала, т.е. сигнала не несущего полезной акустикоэмиссионной информации. Модуль цифровой обработки предназначен для выявления особенностей характеристик сигнала акустической эмиссии, таких как амплитуда, частота, скорость нарастания/затухания, а также вычисления частотно-временных спектров. Модуль отображения и сохранения результатов необходим для визуального отображения результатов лабораторных исследований и сохранения данных.
При создании лабораторного стенда были использованы несколько доступных на рынке устройств и блоков. Ниже приводятся технические характеристики изготовленного стенда:
- акустико-эмиссионный датчик GT-200 с коэффициентом электроакустического преобразования не менее 60 дБ (ООО «ГлобалТест», г. Саров);
- широкополосный малошумящий усилитель с коэффициентом усиления 54 дБ при уровне собственных шумов менее 12 мкВ (разработка авторов работы);
- малошумящий источник питания — автомобильный аккумулятор с амплитудой собственных шумов порядка 1 мВ (УаГа, Германия);
- 14-разрядная плата АЦП ЛА-н150-14РС1 со временем преобразования 143 нс при максимальной частоте дискретизации 7 МГц (ЗАО «Руднев-Шиляев», г. Москва).
Данные тестовых измерений, полученные с помощью комплекса, показывают, что достигнутые технические характеристики позволяют с достаточной чувствительностью регистрировать появление сигналов акустической эмиссии с амплитудой не менее 30 мкВ.
При анализе и интерпретации данных акустической эмиссии в литературе используют различные ее параметры [2, 3, 15, 16]. В Государственном стандарте РФ (ГОСТ 27655 88) рекомендуется применять такие параметры акустической эмиссии, как число импульсов, суммарный счет, активность, скорость счета (производную от числа накопления сигналов акустической эмиссии по времени нагружения), энергию акустической эмиссии [17]. Вся эта информация была использована нами при разработке алгоритмов и последующем анализе сигналов акустической эмиссии при испытании образцов.
Для проведения механических испытаний на растяжение были изготовлены образцы алюминиевого сплава Д16АТ с полукруглыми надрезами, расположенными на различном удалении друг от друга (рис. 2). Материал образцов находился в состоянии поставки. Для локализации деформации в определенном сечении образца наносили три полукруглых надреза глубиной 300 мкм.
Испытания на одноосное растяжение проводили на механической машине Instron 5582 со скоростью перемещения подвижного захвата 0.3 мм/мин. Фотографирование поверхности осуществляли с помощью зеркальной цифровой фотокамеры Canon EOS 350, закрепленной на штативе и находившейся на удалении 1.1м от образца. Фотоаппарат был оснащен телеобъективом CarlZeiss Jenna Sonnar 300/4. Фокусное расстояние подбирали путем использования пяти переходных колец. Размеры области наблюдения на образцах для построения векторов смещений и последующего расчета интенсивности деформации сдвига с помощью оптико-телевизионного метода составляли 18.5x90 мм, разрешение оцифрованного изображения — 750x3450 пикселов.
Для расчета величины средней интенсивности деформации сдвига у n была выбрана область изображения с размерами 328x 1230 пикселов (физические размеры 8x32 мм), находящаяся в центре между концентраторами напряжений (показана рамкой на рис. 2). Размеры данной области выбраны таким образом, чтобы гарантированно наблюдать формирование и развитие в ней макрополос деформации для всех типов испытываемых образцов. Данный подход к анализу экспериментальных данных позволил избежать влияния «выбросов» на распределениях интенсивности деформации сдвига вследствие неправильно построенных векторов смещений вблизи надрезов.
о О я 1 1 1 1 L <
1 rli 1
' 90.5 ч' 65.5 ’
156.0
Рис. 2. Схема нанесения надрезов. Угол между надрезами а = 30°, 45°, 60° и 70°
Таким образом, в работе делается попытка проанализировать деформационные характеристики исследуемых материалов на различных масштабных уровнях в рамках методологии физической мезомеханики материалов [18]. При этом интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. В качестве основного информативного признака рассчитывали производные от накопления сигналов акустической эмиссии по времени. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации согласно методике, описанной в [19]. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени, а также оценивали распределение упругих напряжений с помощью расчетного пакета ANSYS 5.4 [20].
3. Результаты экспериментальных исследований
3.1. Микромасштабный уровень. Данные акустической эмиссии
На рис. 3 приведены зависимости скорости счета событий акустической эмиссии от времени нагружения ЭЛАе/дг, для образцов всех типов, где Лае — это суммарное число сигналов акустической эмиссии. Данный параметр был выбран для анализа, поскольку является наиболее «чувствительным» к смене ведущего масштабного уровня деформации при нагружении. Зависимости
Рис. 3. Зависимости скорости счета сигналов акустической эмиссии
45° (б), 60° (в), 70° (г)
производной от накопления событий акустической эмиссии по времени аппроксимированы полиномом шестой степени (рис. 3). При этом был выбран полином наименьшей степени, обеспечивший удовлетворительное качество аппроксимации приведенных зависимостей, характерные особенности которых рассматриваются ниже.
Анализ аппроксимирующих кривых, а также данных кусочно-линейной аппроксимации для образцов всех типов показывает наличие трех характерных стадий изменения скорости накопления сигналов акустической эмиссии. При этом на первой стадии всегда наблюдается рост данного параметра:
- для образцов с углами между надрезами а = 60 ° и 70° (рис. 3, в, г) в интервале t ~ 100-270 с (стадия 1) наблюдается рост зависимости дЛАЕ /дг, затем следует некоторое снижение при t ~ 270-390 с (стадия 2), после чего перед разрушением вновь фиксируется возрастание;
- при угле между надрезами а = 45° (рис. 3, б) рост значения дЛА^/дг происходит только в начале нагружения, t ~ 100-220 с (стадия 1), после чего происходит резкое снижение его значения ^ = 220-360 с, стадия 2); на заключительной стадии, вплоть до разрушения образца, снижение дЛА^/дг идет менее интенсивно;
- в случае когда надрезы находятся на существенном расстоянии друг от друга (а = 30°), рис. 3, а, значение дМА^/дг либо только возрастает ^ = 120-220 с (стадия 1) и от t ~ 380 с вплоть до разрушения (стадия 3)), либо имеет постоянное значение ^ = 220-380 с (стадия 2)).
дЛАв/ дг от времени нагружения. Угол между надрезами а = 30° (а),
Таблица 1
Продолжительность стадий по результатам расчета д^Е/ді
Стадия Продолжительность стадии, с
Я 1 1 3 о о Я 1 1 4 о Я 1 1 6 О о Я 1 1 7 О о
1 120-220 100-220 100-270 100-270
2 220-380 220-360 270-390 270-390
3 380-550 360-440 390-420 390-420
Информация о длительности стадий по данным регистрации акустической эмиссии приведена в табл. 1.
Таким образом, по интегральным данным регистрации акустической эмиссии при нагружении образцов с различной конфигурацией надрезов были выявлены характерные стадии, их продолжительность и характер изменения параметра д^Е/дt. Целью последующих исследований является установление взаимосвязи выявленных стадий с процессами деформации, регистрируемыми на других масштабных уровнях.
3.2. Мезомасштабный уровень
3.2.1. Интенсивность деформации сдвига. Интегральный метод расчета
Анализ распределений деформаций на мезомасш-табном уровне проводили путем обработки изображений интегральным и дифференциальным методами (более подробно эта методика описана в работе [14]). В первом случае векторы перемещений строили путем сопоставления первого (начального) изображения с каждым последующим, в то время как при дифференциальном способе расчета сравнивали текущее и последующее изображения поверхности деформируемого образца. На рис. 4 приведены зависимости среднего нормированного значения интенсивности деформации сдвига у п 1п4, полученные при анализе изображений интегральным методом. Отметим, что столь малые величины рассчитанных деформаций связаны с использованием процедуры сглаживания (фильтрации) векторов (постобработка) для уменьшения влияния некорректно построенных векторов на локальные значения деформаций.
у, ю-5,,
О 200 400 I, с
Рис. 4. Зависимости интенсивности деформации сдвига от времени нагружения образцов сплава Д16АТ, рассчитанные интегральным методом: а = 30° (1), 45° (2), 60° (3), 70° (4)
Таблица 2
Продолжительность стадий по результатам расчета у п іпї
Стадия Продолжительность стадии, с
Я 1 1 3 о о а 1 1 4 иі о а і і 6 о о а 1 1 7 О о
1 0-160 0-160 0-160 0-160
2 160-310 160-300 160-290 160-290
3 310-550 300-440 290-410 290-410
На представленных графиках видно, что характер кривых для образцов с различной конфигурацией надрезов подобен: до времени нагружения t ~ 160 с значение у п убывает от =3 -10-5 до ~ 2 -10-5. После этого указанная величина начинает возрастать, причем в неодинаковой степени для образцов различных типов. Минимальная скорость роста соответствует образцу с углом между надрезами а = 30° (кривая 1): дуп = = 0.043 •Ю-6 с-1. Ее величина увеличивается более чем в два раза в образце с углом а = 45° (кривая 2): дуп ы/дг = 0.1 • 10-6 с-1. Максимальная скорость роста интенсивности деформации сдвига наблюдается в образцах, углы между надрезами в которых составляют а = 60° (кривая 3) и 70° (кривая 4): дуп дг = 0.127 X X10-6 с-1. Следует отметить, что линейная аппроксимация, относительно которой определяли скорость изменения интенсивности деформации сдвига, содержит два фрагмента, поскольку по мере увеличения степени деформации (времени нагружения) наклон кривой уменьшался (рис. 4). Однако для цели качественного сравнения скорость изменения данного параметра была оценена в среднем для возрастающей ветви зависимостей каждого из образцов.
Информация о продолжительности стадий для параметра уп 1п4 приведена в табл. 2.
Таким образом, приведенные зависимости подтверждают факт того, что в образце с а = 30°, где надрезы расположены на значительном расстоянии друг от друга, они не оказывают существенного взаимного влияния на характер макролокализации деформации. В результате интенсивность деформации сдвига, рассчитанная в области центрального надреза, для образцов с углом между ними а = 30° возрастает в наименьшей степени для всех исследованных образцов. Промежуточное положение занимает образец с а = 45°, в котором ориентация макрополос локализованной деформации совпадает с направлением максимальных касательных напряжений. Максимальная скорость изменения у п 1п4 характерна для образцов с углами между надрезами а = = 60° и 70°. Причиной этого, по всей видимости, является формирование значительной по размеру зоны локализации деформации, соединяющей каждую пару надрезов и включающей две макрополосы локализованного сдвига (это заключение подтвердится в дальнейшем при проведении численного моделирования с использованием пакета ANSYS, см. п. 3.3). Более детально наблю-
Рис. 5. Зависимости интенсивности деформации сдвига, рассчитаннь Угол между надрезами а = 30° (а), 45° (б), 60° (в), 70° (г)
даемый эффект исследовали при использовании дифференциального метода построения векторов перемещений.
3.2.2. Интенсивность деформации сдвига. Дифференциальный метод расчета
На рис. 5 приведены зависимости интенсивности деформации сдвига, рассчитанные по дифференциальному методу обработки изображений, который является более чувствительным к локальным изменениям деформации, что подтверждается и большим разбросом значений указанного параметра. Последнее явилось причиной необходимости его кусочно-линейной аппроксимации.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что:
1) на всех приведенных зависимостях можно четко вы-
делить три характерные стадии изменения параметра уп причем для всех типов образцов первая стадия
(связанная с локализованным развитием деформации в окрестности каждого из надрезов) завершается через t ~ 150 с после начала нагружения (время 150 с после начала нагружения является точкой перегиба и для интегрального способа расчета, что свидетельствует о смене лидирующего масштабного уровня деформации);
2) продолжительность стадии 2, соответствующей переходу от локальной деформации вблизи каждого из надрезов к устойчивой картине макролокализации вследствие формирования макрополос деформации различается более чем в 2 раза в образце с углом а = 30°
120 с) и во всех остальных типах образцов ^ = 6070 с). Информация о длительности стадий приведена в табл. 3.
•ференциальным методом уп как функции времени нагружения.
В целом, качественно зависимости, приведенные на рис. 5, можно разделить на две группы: 1)с длительной переходной стадией 2 и постоянным значением, либо с некоторым снижением величины у п ^ на стадии макролокализации деформации (для образца с углом а = = 30°); 2) с короткой переходной стадией и постоянным либо слегка возрастающим значением уп ^ на стадии макролокализации. Таким образом, в отличие от графика для интегрального метода расчета уп да, приведенного на рис. 4, при дифференциальном способе расчета у п совпадение ориентации макрополос с направлением максимальных касательных напряжений (а = 45°) привело на стадии макролокализации (стадии 3) к возрастанию нормированного значения интенсивности деформации сдвига, в то время как при интегральном способе расчета максимальная скорость роста наблюдалась для образцов с углом между надрезами а = 60° и 70°.
Поля векторов перемещений и соответствующие картины распределения у п да, полученные при использовании дифференциальной методики расчета, представлены на рис. 6. Приведенные картины распределения уп ^ (рис. 6, б, г, е, з) свидетельствуют о том,
Таблица 3
Продолжительность стадий по результатам расчета уп ^
Стадия Продолжительность стадии, с
Я 1 1 3 о о а 1 1 4 о а = 60° а = 7 О О
1 0-150 0-140 0-150 0-150
2 150-270 140-210 150-210 160-220
3 270-550 210-440 210-410 220-410
Рис. 6. Картины векторов перемещений, построенные по дифференциальной методике расчета, и соответствующие им распределения интенсивности деформации сдвига уп в образцах с различным расположением надрезов. Угол между надрезами а = 30° (а, б), 45° (в, г), 60° (д, е), 70° (ж, з)
что в образце с углом между надрезами а = 30° наглядно прослеживается формирование трех очагов локализации деформации, не взаимодействующих друг с другом (рис. 6, б). В случае когда этот угол составляет а = 45°, область локализации имеет максимальный размер (рис. 6, г). Последующее увеличение угла между надрезами постепенно уменьшает размер области локализации деформации (рис. 6, е, з).
3.3. Макромасштабный уровень. Расчет с помощью пакета ANSYS
Обсуждаемая в работе гипотеза о влиянии расположения надреза на изменение характера локализации деформации была также проверена путем проведения численного эксперимента в расчетном пакете ANSYS 5.4. Результаты расчета значения интенсивности напряжений (расчет упругих деформаций) для образцов всех типов представлены на рис. 7. Полученные результаты численных расчетов показывают, что при угле между надрезами а = 30° взаимодействия между надрезами практически не происходит. Увеличение угла а до 45° обусловливает формирование двух макрополос деформации, соединяющих соседние надрезы. При а = 60° и 70° формируется протяженная область макролокализации, содержащая две встречных макрополосы, распространяющиеся от каждого из смежных надрезов.
Следует признать, что полученные в данном разделе решения соответствуют распределению напряжений лишь в упругой области и не являются прямой анало-
гией процесса локализации пластической деформации. Тем не менее, на качественном уровне подобный расчет позволяет наглядно проследить характер взаимодействия надрезов между собой и их взаимное влияние на распределение в образце напряжений.
3.4. Макромасштабный уровень. Диаграммы нагружения
На рис. 8 приведены зависимости производной величины внешнего деформирующего напряжения по времени дo/дt от времени нагружения и кривые нагружения для всех исследованных образцов. Следует отметить, что представленные графики достаточно похожи друг на друга. В частности, на приведенной на рис. 8, а зависимости для образца с углом между надрезами а = = 30° можно выделить три характерных стадии изменения величины дo/дt, две последние из которых удовлетворительно аппроксимируются прямыми линиями. По данным кусочно-линейной аппроксимации, а также по аналогии с приведенными выше результатами нами были выделены несколько характерных стадий изменения зависимости дo/дt. Следует отметить, что характерные времена, соответствующие двум «переломам» на зависимости на рис. 8, а, ^ ~ 140 с и t2 ~ 240 с примерно соответствуют таковым на рис. 4, а (кривая 1), что еще раз подтверждает чувствительность метода измерения интенсивности деформации сдвига к изменению ведущего масштабного уровня развития деформации. Так-
е
4
Рис. 7. Пример расчета интенсивности напряжений с использованием пакета ANSYS (расчет в упругой области) для образцов с различным углом между надрезами: а = 30° (а), 45° (б), 60° (в), 70° (г)
же указанная аналогия может быть связана с тем, что в том и другом случае использовался интегральный метод регистрации анализируемого параметра.
Информация о длительности стадий приведена в табл. 4.
Таким образом, анализ наблюдаемых процессов в терминах стадийности позволяет устанавливать корреляции между характеристиками, описывающими развитие деформации на различных масштабных уровнях.
4. Обсуждение результатов
В отличие от результатов работы [13], где в образцах пластичной меди изменение конфигурации образцов из-
о.о
0.5
е
1.0
1.5
2.0
до/д1
меняло характер макроразрушения (путь распространения магистральной трещины), в настоящей работе изменение угла между надрезами не сопровождалось подобным эффектом — магистральная трещина распространялась от центрального надреза (преимущественно) под углом 90° к оси нагружения (т.е. по механизму нормального отрыва). Таким образом, результаты, полученные в данной работе на стадии предразрушения, качественно отличны от таковых в [13]. Кроме того, в отличие от результатов указанной работы, по стадийности анализируемых процессов мы делим образцы на три класса: с далеко разнесенными между собой надрезами (а = = 30° — практически аналог образца с одним надрезом
о.о
0.5
1.0
1.5
300
- 200
100
Рис. 8. Зависимость производной внешнего деформирующего напряжения по времени д<5/дt от времени испытаний и кривые нагружения. Угол между надрезами а = 30° (а), 45° (б), 60° (в), 70° (г)
Таблица 4
Продолжительность стадий по результатам расчета да/д?
Стадия Продолжительность стадии, с
а = 30° а = 4 О а = 60° а = 7 О о
1 0-140 0-150 0-150 0-150
2 140-240 150-220 150-210 150-220
3 240-550 220-440 210-420 220-430
в [13]); с углом между надрезами, совпадающим с направлением максимальных касательных напряжений (а = 45°); с углами между надрезами, обеспечивающими перекрытие макрополос деформации (а = 60° и 70°). Повышение напряжения течения и снижение пластичности в [13] для кривых ст-е были максимальны для углов 45° и 60°. Меньшие значения предела прочности и пластичности наблюдались для образцов с одним надрезом, минимальные величины этих параметров — для образцов с углом между надрезами 75°. Отметим, что полученные результаты в работе [13] интерпретируются с позиций жесткости напряженно-деформированного состояния.
Вернемся к анализу стадийности анализируемых процессов с позиции различных масштабных уровней их проявления. При наблюдении на мезо- и макромасштабных уровнях (корреляция цифровых изображений и кривые ст-е) переход от первой ко второй стадии соответствует времени нагружения t ~ 140-160 с и практически не зависит от конфигурации нанесения надрезов в образце. Это свидетельствует о том, что определяющая роль макромасштабного уровня деформации, характерная для этих времен нагружения, по масштабу рассмотрения значительно меньше чувствительности используемых средств регистрации и, несмотря на то, что смена лидирующего масштабного уровня на анализируемых зависимостях очевидна, различия для образцов с разным углом между надрезами выявить практически невозможно. В то же время на зависимостях дИАЕ/дt в методе акустической эмиссии, крайне чувствительного к механизмам деформации макромасштабного уровня, переход от первой ко второй стадии данной зависимости отличается как по времени, так и по характеру изменения указанного параметра. Таким образом, именно метод акустической эмиссии показал наибольшую чувствительность для анализа деформационных процессов на данном этапе нагружения.
Второй временной точкой, характеризующей переход от мезоскопического масштаба локализации деформации к макромасштабу, является время t ~ 250-270 с от начала нагружения для образца с а = 30° и t ~ 200220 с для всех остальных типов образцов. Границы данной стадии наиболее четко проявляются на зависимостях дст/д^ а также уп ^ (0. Как уже отмечалось выше,
данная «точка бифуркации» связана в нагруженном образце с формированием и взаимодействием между собой макрополос локализации деформации. Отличие во времени начала данной стадии в образце с далеко отстоящими надрезами связано с формированием трех пар практически невзаимодействующих макрополос, в то время как в образцах других типов макрополосы либо объединяются, либо формируют протяженные зоны локализации деформации.
Отдельного упоминания заслуживает и следующий экспериментальный результат. На первой стадии зависимости от времени нагружения наблюдается снижение параметра Уп ^. На первый взгляд, данный результат кажется не вполне корректным, поскольку по мере нагружения локальная деформация не должна уменьшаться. Однако этот эффект имеет вполне разумное объяснение, связанное с методом расчета. На этом этапе нагружения деформации имеют малые величины и концентрируются лишь вблизи надрезов, в то же время при расчете данного параметра при приращении времени нагружения производится нормировка на его значение. В результате и наблюдается снижение параметра У п ^.
Говоря о сравнении стадийности при интегральном и дифференциальном способе расчета уп, следует отметить, что переход от первой ко второй стадии достаточно хорошо совпадает для обоих параметров у п ^ и У п Однако в случае интегрального метода расчета
накопление деформации в области наблюдения постепенно нивелирует различие для образцов различных типов, и несмотря на то, что по величине угла наклона кривые уп ;п( различаются, отличие во времени начала третьей стадии в них выявить практически невозможно (рис. 4).
В заключение следует отметить, что предлагаемая в работе в качестве рабочей феноменологическая модель стадийности процессов на различных масштабных уровнях является дискуссионной, несмотря на то, что получила в работе ряд экспериментальных подтверждений. Для ее дальнейшего развития планируется существенно расширить круг как исследуемых материалов, так и способов локализации деформации. Безусловно, в случае четкого совпадения времени начала стадий процессов, соответствующих различным масштабным уровням деформации, можно было бы более строго подтвердить предложенную концепцию. Однако даже на основании полученных результатов, а также многочисленных данных о стадийности процессов пластической деформации, опубликованных в научной литературе (в том числе в рамках концепции физической мезомеханики материалов), мы позволили себе предложить читателям подобный взгляд на многоуровне-вость рассмотрения процессов пластической деформации с позиции использования различного типа датчиков их регистрации.
5. Заключение
Показано, что комбинированное использование оптико-телевизионной измерительной системы и акустико-эмиссионного комплекса позволяет четко проследить стадийность развития процессов на различных масштабных уровнях, а также синхронизировать процессы локализации при их непосредственной оптико-телевизионной визуализации и интегральном накоплении сигналов от деформационных дефектов от всего образца.
На начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии (от микро-к мезоуровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации.
Точного соответствия между протяженностью стадий при регистрации сигналов акустической эмиссии, при оптико-телевизионном методе измерения деформации и зависимости ст-е не получилось (с точностью до секунд). Однако, по всей видимости, такого соответствия и не следует ожидать, коль скоро переход ведущей роли от одного масштабного уровня к другому происходит не скачкообразно, а постепенно.
Анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях. Представленные в работе данные являются результатом первого тестирования акустико-эмиссионного комплекса. В ближайшее время планируется проведение более масштабных исследований с применением широкого круга материалов, а также с более глубокой обработкой и анализом данных акустической эмиссии.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке проекта госбюджетных исследований СО РАН (комплексный проект 3.6.1.1), а также гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (№ НШ-394.2006.1). Авторы выражают глубокую благодарность О.В. Башкову (г. Комсомольск-на-Амуре) за ряд полезных замечаний по созданию стенда регистрации акустической эмиссии и интерпретации экспериментальных результатов.
Литература
1. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и
сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.
2. Акустико-эмиссионное оборудование ЗАО «Специальные диагнос-
тические системы». http://www.sds.ru/device.html.
3. Семашко H.A., Башков O.B., Марьин Б.Н. и др. Исследование процессов деформации и прогнозирование предельных характеристик материалов с использованием метода акустической эмиссии // Сб. трудов Межрегион. конф. - Хабаровск: КнААПО, 2001. -С. 110-116.
4. Никитин Е.С., Шубин Б.В., Лунев А.Г. Прибор акустико-эмиссионной диагностики // Научная сессия ТУСУР-2007. - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 4. - С. 20-23.
5. Bashkov O., Panin S., Semashko N., Shpak D. A method for locating acoustic emission signal sources by a single sensor // Proc. 19th Int. Acoustic Emission Symposium (IAES-19), Fukui Institute of Fundamental Chemistry, Kyoto University, Japan, 9-12 December, 2008. - Kyoto: Kyoto University Press. - P. 12-18.
6. Пат. 2126523 РФ. Дерюгин E.E., Панин В.Е., Панин С.В., Сырям-кин В.И. Способ неразрушающего контроля механического состояния объектов и устройство для его осуществления // Бюллетень изобретений. - 1999. - № 5.
7. Sutton M.A., Helm J.D., Boone M.L. Experimental study of crack growth
in thin sheet 2024-T3 aluminum under tension-torsion loading // Int. J. Fract. - 2001. - V. 109. - P. 285-301.
8. Джоунс P., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. -
М.: Мир, 1986. - 328 с.
9. Атлури С., Кобаяси А., Дэлли Д. и др. Экспериментальная механика:
в 2-х кн. Книга 1 / Под ред. А. Кобаяси. - М.: Мир, 1990. - 616 с.
10. Зуев Л.Б., Муравьев В.В., Данилова Ю.С. О признаке усталостного разрушения сталей // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25. - № 9. - С. 3134.
11. Зуев Л.Б., Целлермаер В.Я., Громов В.Е., Муравьев В.В. Ультразвуковой контроль накопления усталостных повреждений и восстановление ресурса деталей // ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - № 9. - С. 123-125.
12. Панин С.В., Башков О.В., Семашко Н.А., Панин В.Е., Золотарева С.В. Комбинированное исследование особенностей деформации плоских образцов и образцов с надрезом на микро- и мезоуровнях методами акустической эмиссии и построения карт деформации поверхности // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 2. -C. 303-306.
13. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л., Мирхайдарова А.И. Самоорганизация зон повышенной пластичности в области геометрических концентраторов напряжений и характер разрушения меди при растяжении // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 5. - C. 47-52.
14. Панин С.В., ЛюбутинП.С., Буякова С.П., Кульков С.Н. Исследование поведения пористой керамики при одноосном сжатии путем расчета мезоскопических деформационных характеристик // Физ. ме-зомех. - 2008. - Т. 11. - № 6. - С. 77-86.
15. Параметры акустической эмиссии. http://www.sds.ru/articles/ ae_review/ar01s02.html.
16. ЗАО «НПФ «Диатон». http://www.diatontest.ru.
17. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. Кн. 2. Акустические методы контроля / Под ред. В.В. Сухору-кова. - М.: Высшая школа, 1991. - 283 с.
18. ПанинВ.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
19. Панин С.В., Любутин П.С. Верификация метода оценки деформации на мезоуровне, основанного на построении полей векторов перемещений участков поверхности // Физ. мезомех. - 2005. - Т.8. -№ 2. - С. 69-80.
20. КаплунА.Б., МорозовЕ.М., ОрефьеваМ.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. - М.: Едиториал УРСС, 2004. -
272 с.
21. Пенкин А.Г., Терентьев В.Ф. Оценка степени повреждаемости конструкционной стали 19Г при статическом и циклическом деформировании с использованием метода акустической эмиссии // Металлы. -
Поступила в редакцию 23.03.2009 г.
2004. - С. 78-85.
Сведения об авторах
Панин Сергей Викторович, д.т.н., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, проф. ТПУ, svp@ispms.tsc.ru Бяков Антон Викторович, асп. ИФПМ СО РАН, bjakov@ispms.tsc.ru Гренке Виктор Валерьевич, мнс ИФПМ СО РАН, victor.grenke@gmail.com Шакиров Игорь Вазиярянович, к.т.н., снс ИФПМ СО РАН, igor.shakirov@gmail.com Юссиф Салах, асп. ТПУ, salah.aleasha@hotmail.com
