CC BY
17
УДК 539.37:534
Накопление деформации в алюминиево-магниевом сплаве в условиях высокотемпературного нагружения и спектральная плотность сигналов акустической эмиссии
С.В. Макаров1, В.А. Плотников1,2, М.В. Лысиков1
'Алтайский государственный университет (Барнаул, Россия) 2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия)
Spectral Density of Acoustic Emission Signals and Accumulation of Deformation in an Aluminum-Magnesium Alloy at High-Temperature Loading
S.VMakarov1, V.A. Plotnikov1-2, M.V. Lysikov1 'Altai State University (Barnaul, Russia)
institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS (Tomsk, Russia)
Приведены результаты исследования процессов накопления деформации в алюминиево-магниевом сплаве в условиях высокотемпературного нагружения от комнатных температур до 500 0С. Проведен анализ спектров сигналов акустической эмиссии в условиях активного накопления деформации: монотонного — в области низких температур (до температуры деформационного структурного перехода), квазискачкообразного — в высокотемпературной области. Анализ спектральной плотности сигналов акустической эмиссии свидетельствует о перераспределении колебательной энергии первичного акустического сигнала по резонансным колебаниям стоячих сдвиговых и продольных волн резонатора, геометрия которого соответствует области локализации деформации (проточки образца). Показано, что в спектре сигналов при монотонном накоплении деформации в области низких температур фактически не сформированы резонансы в выделенных резонансных частотах. В области высоких температур при квазискачкообразном накоплении деформации в резонаторе накапливается заметная энергия колебаний стоячих волн (как для сдвиговых, так и продольных волн). В кристаллической среде колебания стоячей волны активируют элементарные деформационные сдвиги в некотором объеме, который связан с длиной стоячей волны, определяющей макроскопический масштаб корреляции.
Ключевые слова акустическая эмиссия, высокотемпературная деформация, монотонная и скачкообразная деформация, спектральная плотность.
БОТ 10.14258Лгуа8и(2017)4-07
This paper presents results of the study of strain accumulation processes in an aluminum-magnesium alloy at high-temperature loading conditions from room temperature to 500 0C. The analysis of acoustic emission signals spectra is conducted for the conditions of active deformation accumulation: monotone - in the area of low temperatures (up to a temperature of deformation structural transition), stepwise — in the high temperature area.
Analysis of spectral density of acoustic emission signals indicates redistribution of vibrational energy of the primary acoustic signal on the resonance vibrations of standing shear and longitudinal waves of the resonator, which geometry corresponds to deformation localization area.
It is shown that resonances at selected resonance frequencies are not formed in the spectrum of the signal with a monotonic accumulation of deformation in the area of low temperatures. During stepwise deformation accumulation in the area of high temperatures, the resonator accumulates noticeable vibration energy of standing waves (shear and longitudinal waves). In the crystalline environment, oscillations of standing waves activate elementary deformation shifts which are related to the length of the standing wave that defines the macroscopic scale of correlation.
Key words: acoustic emission, high temperature deformation, monotonic and abrupt deformation, the spectral density.
Введение. Результаты экспериментальных исследований по деформированию алюминиево-магниевых сплавов в условиях высоких температур свидетельствуют о том, что в ходе нагружения накопление деформации осуществляется двояким образом: монотонным путем, когда на зависимости деформации от времени (температуры) процесса отсутствуют события, нарушающие монотонность; немонотонным путем, когда на этой зависимости наблюдаются макроскопические деформационные скачки [1]. Эти особенности деформационного поведения коррелируют с акустической эмиссией, сопровождающей процесс накопления деформации при высоких температурах: монотонное накопление деформации сопровождается низкоамплитудной акустической эмиссией; скачкообразное накопление деформации характеризуется высокоамплитудными единичными сигналами акустической эмиссии.
Известно, что эффект прерывистой текучести в алюминиево-магниевых сплавах при механическом нагружении представляет собой процесс формирования полос деформации, являющихся областями локализации пластической деформации [2]. Прерывистая текучесть на зависимости напряжение — деформация проявляется в скачках (зубцах) напряжения, причем полоса деформации, ответственная за акты прерывистой текучести, является макроскопическим объектом и развивается из критического зародыша полосы. Наблюдаются два типа полос деформации: пространственно неорганизованные полосы и пространственно организованные. Каждый акт прерывистой текучести связан с появлением одной полосы деформации [3]. Прерывистая текучесть сопровождается импульсами акустической эмиссии, коррелирующими с появлением полос деформации, т.е. каждому скачку напряжений соответствует импульс акустической эмиссии [3, 4].
Спектральный и динамический анализы прерывистой текучести обнаруживает наличие дальнодейству-ющих долговременных корреляций в деформируемом материале [5]. Природа пространственной и временной корреляции согласно [6] связана с каскадным механизмом размножения деформационных полос. Однако фактором корреляции выступает локализованное на фронте границы деформационной полосы напряжение, а также дальнодействующие напряжения изгиба. На основе спектрального и динамического анализов утверждается, что фликкер-шумовая структура и монофрактальность силового отклика свидетельствуют о состоянии самоорганизующейся критичности деформируемого материала. Однако роль акустической эмиссии в процессах пространственной и временной корреляции элементарных деформационных актов не обсуждается.
Целью данной работы является исследование акустической эмиссии при высокотемпературной деформации алюминиево-магниевого сплава как фактора корреляции элементарных деформационных актов, проведение спектрального анализа и изучение эволю-
ции спектральной плотности в цикле нагрева от температуры и скорости деформации.
1. Методика экспериментов. Образцы в виде стержней длиной 300 мм с квадратным сечением 5x5 мм, изготовленные из листового проката сплава АМг6, представляли собой волноводы, на которых были сформированы области локализации деформации диаметром 4 мм и длиной 30 мм. Для исследования пластических свойств в экспериментах была использована так называемая мягкая схема нагружения, в которой фиксировалась деформация как функция параметров силового воздействия.
Нагрев образца осуществляли именно в области локализации деформации. Остальную часть стержня не нагревали, она выполняла роль волновода. В реальном режиме времени одновременно регистрировались механическое нагружение, накопление деформации, температура и среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии. Измерения проводили с помощью оригинальной установки, схематичное изображение которой приведено на рисунке 1. Как следует из схемы установки, образец нагружали сдвиговым напряжением и измеряли сдвиговую деформацию. Нагружение постоянной нагрузкой в термомеханическом цикле осуществляли в ходе непрерывного нагрева образцов со скоростью около 1 град/с сплава начиная от 25 0С и до 500 0С и последующего охлаждения до комнатной температуры.
2. Методика спектрального анализа сигналов акустической эмиссии. Регистрация акустической эмиссии осуществляли с помощью широкополосного пьезопреобразователя GT205 (полоса пропускания до 40-100 кГц). В экспериментах пьзопреобразова-тель был акустически связан с волноводом образца.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 — образец, 2 — волновод, 3 — неподвижный держатель, 4 — подвижный держатель, 5 — пьезодатчик с предварительным усилителем, 6 — усилитель, 7 — нагреватель, 8 — термопара, 9 — датчик деформации, 10 — датчик нагружения, 11 — аналого-цифровой преобразователь, компьютер
Усиленный сигнал акустической эмиссии поступает на вход широкополосного аналого-цифрового преобразователя АЦП ЛА-н150-14РС1 (ширина полосы пропускания — 500 кГц, частота дискретизации — 7 МГц), его дальнейшая обработка осуществлялось с помощью универсальной программы «Регистратор данных АЦП», которая регистрировала высокочастотный сигнал акустической эмиссии. Одновременно рассчитывался уровень среднеквадратического напряжения сигнала, по которому впоследствии можно было выбрать участки для быстрого преобразования Фурье. Для быстрого преобразования Фурье использовался стандартный алгоритм [7].
3. Экспериментальные результаты. Экспериментальные данные по регистрации акустической эмиссии в широком диапазоне частот, накоплению деформации в алюминиево-магниевом сплаве в температурном интервале нагрева от комнатной до 550 0С при нагрузке 120 МПа приведены на ри-
сунке 1. Накопление деформации до температуры 450 0С осуществляется монотонно (область 1, рис. 1), чему соответствует монотонная акустическая эмиссия, и квазискачкообразно в высокотемпературной области 2 (в интервале 450-550 0С), в которой наблюдается значительный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Согласно нашим работам при температуре 450 0С осуществляется смена механизма накопления деформации [8]. Квазискачкообразный характер накопления деформации представляет собой последовательность макроскопических деформационных актов, перемежающихся участками с монотонным накоплением деформации.
Спектральная плотность сигналов акустической эмиссии при высокотемпературной активной деформации алюминиево-магниевого сплава перераспределена в область низких частот (ниже 100 кГц). Поэтому анализ спектральной плотности сигналов акустической эмиссии будет проведен в низкочастотном диапазоне.
Рис. 2. Акустическая эмиссия (1), накопление деформации (2), температура (3) в неизотермическом цикле при нагрузке 120 МПа
Спектральный анализ сигналов акустической эмиссии проведен для выделенных римскими буквами на рисунке 2 интервалов экспериментальных данных, критерием выбора которых является скорость накопления деформации.
На рисунке 3 представлены характерные спектры сигналов акустической эмиссии, полученные в одном неизотермическом цикле на деформационных участках с разными температурно-скоростными параметрами (интервалы 1-УП, рис. 1). Мощность спектральной плотности, приведенной на рисунке 3а, характерна для монотонного накопления деформации и монотонной акустической эмиссии,
а на рисунке 3б — для участков квазискачкообразного накопления деформации и высокоамплитудной акустической эмиссии.
При деформировании алюминиево-магниево-го сплава в области 1 (низких температур, интервал II) с низкой скоростью накопления деформации (V = 0,03% с-1) мощность спектральной плотности сигналов акустической эмиссии в диапазонах 40-50 и 8095 кГц близка к уровню шума (рис. 3а). Очевидно, что спектральная линия с амплитудой 20000 усл. ед. на частоте 35,4 кГц соответствует резонансному колебанию, не связанному с деформационными процессами, а представляет собой шум измерительного тракта.
О 20 40 60 80 100
б
Рис. 3. Мощность спектральной плотности акустической эмиссии для двух участков накопления деформации в области 2, различающихся скоростью накопления деформации V: а - V = 0,03 с-1 , б V = 0,203 с-1
На рисунке 3б приведен спектр сигналов акустической эмиссии, полученный на высокотемпературном квазискачкообразном участке накопления деформации (интервал VII, рис. 2) с высокой скоростью около V = 0,2 % с-1, характерной особенностью которого является наличие высокоамплитудных спектральных линий в частотных диапазонах около 40-50 (1) и 8595 (2)кГц, амплитуды которых на порядки величины превосходят амплитуды спектральных линий при монотонном накоплении деформации.
Дискретный характер мощности спектральной плотности сигналов акустической эмиссии свидетельствует, что система образец — волновод представляет собой резонансную систему, состоящую из резонаторов, распределяющих колебательную энергию акустической эмиссии по выделенным спектральным диапазонам (рис. 3 а, 3б). Колебательная энергия акустической эмиссии может накапливаться на резонаторах (резонансных объемов) системы образец-волновод путем формирования стоячих акустических волн.
Резонаторы определяют набор длин волн исходя т
из условия стоячей волны ь = — к ,
где Ь — геометрический размер резонатора; 1 — длина волны; к — номер резонанса. Рассчитаны геометрические параметры резонаторов для случая распространения сигналов акустической эмиссии в виде сдвигового (табл. 1) и продольного (табл. 2) волновых пакетов.
Как следует из спектральных данных, резонансы для сдвиговых волн (скорость сдвиговой волны в алюминии равна 3040 м/с) в диапазоне 1 (40 50 кГц, линии 1, 2) (табл. 1), а также для продольных волн (скорость продольной волны в алюминии равна 6420 м/с) в диапазоне 2 (85-95 кГц, линии 1,2) (см. табл. 2) соответствуют геометрии концентратора деформации длиной около 40 мм, который является областью локализации сдвиговой деформации. Расчет геометрии резонансов, проведенный по спектральным линиям 1, 2 — частотного диапазона 1 и линиям 3, 4 — частотного диапазона 2 для разных тем-пературно-скоростных параметров процесса накопления деформации, представлен в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Стоячие сдвиговые волны в системе волновод — образец для области локализации деформации.
Геометрия резонансной области
а
№ ДТ, 0С Т,аС к,с 1 V, Гц* Ь, м ^ усл. ед. 1, усл. Ед. S, усл. Ед.
I 40-180 110 0 41809 (1) 0,035776 1556 1000 526200
45776 (2) 0,032143 4000 1000
II 180-355 270 0,030 41809 (1) 0,035776 1253 1000 5053000
46081 (2) 0,032143 3800 1000
III 355-455 405 0,082 41809 (1) 0,036283 6900 500 4971500
45481 (2) 0,033421 3043 500
IV 455-510 480 0,141 41503(1) 0,036463 30752 1000 34555500
45481 (2) 0,033421 7607 500
V 510-530 520 0,172 41503 (1) 0,036644 35669 1000 110158400
45166 (2) 0,032231 41383 1800
VI 530-570 550 0,197 41503 (1) 0,036599 201306 2300 534103800
44860 (2) 0,033611 47400 1500
VII 570-580 575 0,203 41503 (1) 0,036599 369324 2500 1828417500
45471 (2) 0,031951 335225 2700
* В скобках обозначены спектральные линии, приведенные на рисунке 3а,б.
Таблица 2
Стоячие продольные волны в системе волновод-образец для области локализации деформации.
Геометрия резонансной области
№ ДТ, 0С Т,аС ¿,%-с"1 V, Гц* L, м ^ усл. ед. 1, усл. ед. S
I 40-180 110 0 86092 (3) 0,037286 1725 900 4663500
93287 (4) 0,03441 1830 1700
II 180-355 270 0,030 86290 (3) 0,0372 100 400 440000
92960 (4) 0,034531 400 1000
III 355-455 405 0,082 85593 (3) 0,037503 2324 1000 1562400
93089 (4) 0,034483 1200 1950
IV 455-510 480 0,141 85963 (3) 0,037342 1152 700 4664000
92760 (4) 0,034605 840 900
V 510-530 520 0,172 86161 (3) 0,037256 4642 1900 16707800
92710 (4) 0,034624 4640 1700
VI 530-570 550 0,197 86620 (3) 0,037058 65000 2050 162830000
92600 (4) 0,034665 19720 1500
VII 570-580 575 0,203 87822 (3) 0,036551 72306 2100 391842600
92760 (4) 0,034605 96000 2500
* В скобках обозначены спектральные линии, приведенный на рис. 2а,б.
Как показано в таблицах, ширина и высота спектральных линий изменяются в процессе высокотемпературного деформирования. Как следует из сопоставления спектральных данных на рисунках 3а, 3б, амплитуда спектральных линий возрастает более чем на два
порядка при переходе в область высокотемпературной деформации с высокой скоростью (например, V = 0,203 % с-1 для интервала VII), а площадь под спектральными максимумами изменяется не монотонным образом, как показано на рисунке 4.
Рис. 4. Изменение площади под кривой спектральной плотности с ростом температуры в цикле при нагрузке 120 МПа: а — для продольных волн в диапазоне 85 - 95 кГц, б — для сдвиговых волн
в диапазоне 40 - 50 кГц
4. Обсуждение экспериментов. Накопление деформации в алюминиево-магниевом сплав при нагреве до 550 0С и действии постоянной нагрузки 120 МПа осуществляется двояким образом: до критической температуры монотонным путем, а в области высоких температур — квазискачкообразным. Монотонному накоплению деформации с низкой скоростью (около 0,03 % с-1) соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, квазискачкообразному (с высокой скоростью около 0,2 % с-1) — единичные сигналы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, формирующие высокоамплитудный пик в области высоких темпе-
ратур. В области низких температур монотонное накопление деформации контролируется преимущественно термически активируемым переползанием дислокаций, в высокотемпературной области накопление деформации контролируется преимущественно зернограничными процессами генерации полных решеточных дислокаций границами зерен [9].
Анализ спектральной плотности сигналов акустической эмиссии, полученной в области активного накопления деформации в алюминиево-магниевом сплаве, свидетельствует о перераспределении колебательной энергии первичного акустического сигнала по резонансным колебаниям стоячих сдвиговых (ди-
апазон 1, рис. 3б) и продольных (диапазон 2, рис. 3б) волн резонатора, геометрия которого соответствует области локализации деформации (проточки образца).
В спектре сигналов при монотонном накоплении деформации в области низких температур (интервал II, рис. 2) фактически не сформированы резонансы в выделенных частотных диапазонах 1,2 (рис. 3а). В то же время в области высоких температур (интервал VII, рис. 2) при квазискачкообразном накоплении деформации в резонаторе накапливается заметная энергия колебаний стоячих волн, как для сдвиговых, так и для продольных волн (диапазоны1,2, рис. 3б).
В кристаллической среде колебания стоячей волны активируют элементарные деформационные сдвиги в некотором объеме, связанном с длиной стоячей волны, определяющей макроскопический масштаб корреляции. В то же время коррелированные деформационные сдвиги генерируют акустические сигналы, отвечающие условию когерентности, в результате интерференции которых формируется единичный акустический сигнал аномально высокой амплитуды. Эти сигналы компенсируют потери колебательной энергии стоячих волн в резонаторе, связанном с областью локализации деформации, что поддерживает корреляцию элементарных деформационных актов [10].
Заключение. Проведенный спектральный анализ сигналов акустической эмиссии показал, что в высокочастотном диапазоне (100-700 кГц) спектральная плотность мала, в то время как в низкочастотном (40-95 кГц) существенно выше. Это свидетельствует о том, что в системе образец — волновод происходит перераспределение энергии первичного высокочастотного акустического сигнала по низкочастотным резонаторам. Спектральная плотность акустической эмиссии представляет собой
острые резонансные линии, свидетельствующие о существовании резонансных объемов в пластически деформируемом материале.
Особенностью низкочастотных дискретных спектров сигналов акустической эмиссии для высокотемпературного квазискачкообразного накопления деформации является наличие двух частотных областей: область 1 — 40-50 кГц, область 2 — 85-95 кГц, в которых спектральная плотность существенна выше спектральной плотности шума. Геометрические параметры резонаторов были рассчитаны исходя из условия формирования стоячей волны Ь = к1/2, Ь — геометрический размер резонатора.
Резонансы для продольных длин волн в области 2 (85-95 кГц) и поперечных в области 1 (40-50 кГц) соответствуют геометрии деформируемой части образца длиной 30 мм, которая является областью локализации деформации. С ростом температуры в цикле экспоненциально увеличивается средняя мощность спектральной плотности для медианных частот двух спектральных областей 1, 2, что свидетельствует об увеличении колебательной энергии стоячих волн в объеме деформируемого материала. Однако форма (высота, ширина) спектральных линий выделенных областей (область 1: 40-50 кГц, область 2: 85-95 кГц) меняется не монотонным образом при высокотемпературном накоплении деформации.
Такой характер изменения формы спектральных линий может свидетельствовать об изменении геометрии резонансных деформируемых объемов материала (локализации пластического течения) в процессе высокотемпературного нагружения сплава А1 — Mg. Локализация деформации в масштабе образца может свидетельствовать о макроскопической корреляции пластического течения деформируемого кристалла.
Библиографический список
1. Макаров С.В., Лысиков М.В. Накопление деформации в алюминиево-магниевом сплаве в условиях деформационного структурного перехода // Известия Алтайского гос. ун-та. — 2017. — №1. DOI: 10.14258/izvasu(2017)1-03.
2. Криштал М.М. Особенности образования полос деформации при прерывистой текучести // ФММ. — 1993. — Т. 75, №5.
3. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии при деформировании алю-миниево-магниевых сплавов // ФММ. — 1996. — Т. 81, № 1.
4. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и аку-
стическую эмиссию при прерывистой текучести в Al-Mg сплавах // ФММ. — 1991. — № 10.
5. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. Спектральный и динамический анализ пластических неустойчивостей при прерывистой ползучести алюминий-магниевого сплава // ФТТ. — 2014. — Т. 58, №5.
6. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Денисов А.А. Макролокализация пластической деформации при прерывистой ползучести алюминиево-маг-ниевого сплава АМг6 // ЖТФ. — 2014. — Т.84, №4.
7. Марпл.-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения : пер. с англ. — М., 1990. — 584 с.
8. Макаров С.В., Плотников В.А., Лысиков М.В., Колу-баев Е.А. Накопление деформации и акустическая эмиссия в условиях термомеханического нагружения алюминиевого-магниевого сплава // Известия Алтайского гос. ун-та. — 2015. — № 1/2. DOI: 10.14258/izvasu(2015)1.2-06.
9. Гудкин М.Ю., Овидько И.А., Скиба Н.В. Зерногра-ничное скольжение и эмиссия решеточных дислокаций
в нанокристаллических материалах при сверхпластической деформации // ФТТ. — 2005. — Т. 47, № 9.
10. Макаров С.В., Плотников В.А., Потекаев А.И. Макроскопическая корреляция элементарных деформационных актов в слабоустойчивом состоянии кристаллической решетки ГЦК металлов // Известия вузов. Физика. — 2014. — Т. 57, № 4.
