CC BY
69
УДК 620.179.17
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-917-921
ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В СПЛАВЕ TiNi
© Ю.Н. Вьюненко1*, Е.В. Черняева2)
1) ООО «Оптимикст Лтд», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
2) Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследовано поведение акустической эмиссии (АЭ) при термоциклировании сплава ТСМ. Показана возможность использования АЭ для оценки состояния рабочих элементов из сплава с памятью формы. Ключевые слова: акустическая эмиссия; мартенситные превращения; сплавы с памятью формы.
Работа силовых элементов из сплава ТМ в установках «ШеР» [1] показала перспективность техники такого типа. Однако перегрузка «металлических мышц» в установках большой мощности может приводить к авариям на производстве. Для недопущения этого одновременно с проектированием агрегатов, работающих на эффекте памяти формы (ЭПФ), необходимо разрабатывать и систему постоянного мониторинга состояния силовых элементов. В работах В.А. Плотникова с соавторами [2-4] показаны возможности акустического контроля материалов во время мартенситных превращений (МП). Однако описанные в этих работах исследования проводили, главным образом, в условиях равномерного нагрева металла. В технологических процессах возможна работа оборудования при больших градиентах физических характеристик как окружающей среды, так и самого материала механизмов. Для физического моделирования подобных ситуаций использовали нагрев пластины пламенем свечи (рис. 1), обеспечивающий неравномерное поле температур в материале.
Из сплава Ть50,6вес.%№ были изготовлены пластины размером 64x10x2,5 мм. Длина рабочей зоны образцов составляла ~ 50 мм. Регистрацию генерируемой акустической эмиссии (АЭ) проводили при помощи датчика MSAE 1300WB-Cи усилителя MSAE-FA010
Рис. 1. Схема установки. 1 - датчик АЭ; 2 - образец. Р - прижимное усилие. 1-Ш - зоны нагрева
с общим усилением 80 дБ. Датчик устанавливали на верхней поверхности пластины с прижимным усилием Р~ 2 Н.
На рис. 2 показана типичная картина развития АЭ при нагреве свободного края пластины.
Нагрев начинали с 20-й секунды после начала записи АЭ. В течение первой минуты сигналы не регистрировались. Первый импульс появлялся в интервале 80120 с. Затем, в зависимости от условий эксперимента, до 240-250 с отмечалось от нескольких десятков до нескольких тысяч сигналов, после чего АЭ прекращалась, несмотря на продолжающийся до 300-й секунды нагрев. После этого образец остывал при комнатной температуре в течение 15 мин. При этом, начиная с 400-450-й секунды, датчик опять начинал регистрировать АЭ.
Было обнаружено, что акустические сигналы, генерируемые обратным МП, отмечаются только в зоне контакта датчика с материалом образца. Приближение нагревателя к датчику сокращает время протекания превращения в материале вблизи датчика (рис. 3).
■ ' ■ ■ ' ' ' I [ ■ 1 г ' ' ' 1 ' ' ' 1 1 ' 1 ' 1 1 1 ' ' 1 1 ' 1 ' ' ! ' 1 1 ' 1 1 1 1 ■ 1 1
12» гад ж ад яю га> «о эк toeo imo
TiMtn
Рис. 2. Типичная картина АЭ в цикле нагрев-охлаждение (нагрев пламенем свечи с 20 до 300 с от начала эксперимента, охлаждение при комнатной температуре)
Зона I (40-50 мм от датчика)
10000 8000 6000 4000 2000 0
конец нагрева
-I '
0 200 400 600 800 1000 Время, с
а)
Зона II (20-30 мм от датчика)
16000
12000
<и
а
и х (Т)
8000
4000
200
400
600
800 1000
Время, с
б)
Зона III (10-20 мм от датчика)
16000
12000
ои
CL 0J X
m
8000
4000
конец нагрева
1IШ
0 200 400 600 800 1000 Время, с
в)
Рис. 3. Акустическая эмиссия при нагреве плоских образцов "ПМ в зонах 1-Ш (см. рис. 1) и охлаждении на воздухе
Как отмечено в [2; 4], существенное влияние на уровень АЭ оказывает термоциклирование материала с переходом интервалов температур фазового превращения.
Образец, отожженный при 500 °С в течение 17 мин. и закаленный в воде, был подвергнут нескольким последовательным циклам нагрев-охлаждение с 10-минутной выдержкой при -5 °С. Расстояние между датчиком и зоной нагрева составляло 40 мм. На рис. 4а показано, что количество сигналов АЭ, регистрируемое
при обратном превращении (кривая 2), резко падает во втором термоцикле. При этом в течение четырех последующих циклов число сигналов при нагреве менялось мало. Общее число сигналов (кривая 1) снижалось от цикла к циклу за счет изменения АЭ при прямом переходе, несмотря на ее немонотонный характер (максимум был отмечен во втором цикле (кривая 3).
После 48-часовой выдержки при комнатной температуре была проведена повторная серия из 5 термоциклов (рис. 4б). Максимальная АЭ наблюдалась в 6-м цикле при нагреве. При охлаждении количество сигналов остается на уровне 5-го цикла и практически не меняется в следующих четырех циклах.
g 1000 га
I 800
и
g 600 J 400 200 0
1600
2 3 4
Номер цикла
а)
200 0
5 6 7 8 9 10 11
Номер цикла
б)
Рис. 4. Зависимость общего числа зарегистрированных сигналов АЭ (1) и количества сигналов при нагреве (2) и охлаждении (3) от номера термоцикла в 1-5 (а) и (6-10) (б) циклах
2 3 4
Номер цикла
Рис. 5. Зависимость общего числа зарегистрированных сигналов АЭ (1) и количества сигналов при нагреве (2) и охлаждении (3) от номера термоцикла в 1-5 (а) и (6-10) (б) циклах в образце, охлажденном перед каждым термоциклом
0
1
5
6
0
0
0
Рис. 6. Схема установки для испытания деформированной пластины. 1 - датчик АЭ; 2 - образец
а)
б)
Рис. 7. АЭ при термоциклировании недеформированной (а) и изогнутой (б) пластин
материал не полностью переходит в мартенситное состояние (хотя АЭ в это время уже не регистрируется), а в гетерофазном состоянии не только развиваются релаксационные процессы, но и происходит повышение упругих характеристик материала [5]. Следствием релаксационных явлений может быть изотермическое «допревращение», т. е. увеличение содержания мартенсита. В сочетании с возросшими упругими свойствами металла, повышение концентрации низкотемпературной фазы может восстанавливать уровень АЭ во время очередного нагрева.
Необходимо отметить, что практически во всех термоциклах (за исключением АЭ при первом нагреве) прямое превращение сопровождается большим числом акустических сигналов. По-видимому, это является следствием дилатометрического эффекта [6], повышающего деформацию материала во время прямого фазового перехода. Кроме этого, более высокие упругие характеристики аустенита дают возможность улавливать сигналы, превышающие порог чувствительности датчика, с большего расстояния. То есть датчик фиксирует процессы трансформации кристаллической решетки в большем объеме материала.
Изменения в протекании АЭ при нагреве может вносить и непосредственно эффект памяти формы (ЭПФ), что было отмечено при термоциклировании изогнутой пластины (рис. 6).
а)
Несколько иным становится поведение АЭ при термоциклировании образца после 10-минутной выдержки его при минус 10 °С перед каждым испытанием (рис. 5).
Хотя количественно и качественно изменение общего числа сигналов (кривые 1 на рис. 4а и 5) от цикла к циклу в обоих случаях похоже, АЭ при нагревании (кривые 2) и охлаждении (кривые 3) ведет себя по-разному. Снижение акустической активности во время обратного МП во втором случае происходит медленнее, а при прямом превращении максимум АЭ наблюдался в первом цикле.
Полученные результаты, в значительной степени, можно объяснить фазовым наклепом, как это уже было отмечено авторами в работе [2]. Однако резкий подъем АЭ после двухдневной выдержки при комнатной температуре не является результатом генерации внутренних напряжений при термоциклировании. Сравнивая рисунки 4а, 4б и 5, можно предположить, что в условиях остановки охлаждения при комнатной температуре
1414111
б )
Рис. 8. Общий счет АЭ при термоциклировании недеформированной (а) и изогнутой (б) пластин (см. рис. 7а и 7б). N -количество сигналов АЭ, г - время, с
1 2
1
3 1
0 100 200 300 400 500 600
Частота, кГц
а)
б)
Рис. 9. Спектральные портреты (а) основных типов сигналов АЭ при термоциклировании образцов из сплава ТСМ и расположение этих сигналов в пространстве признаков «энергия -медианная частота» (б). 1, 2 - основные группы сигналов при прямом и обратном мартенситных превращениях, 3 - сигналы, генерируемые при ЭПФ
Расстояние от центра датчика до края образца составляло 35 мм. Зона изгиба пластины была удалена на 15 мм от свободного края. При нагреве недеформиро-ванного образца регистрация АЭ начиналась с 90-й секунды (рис. 7а). К 200-й секунде переход «мартен-сит-аустенит» заканчивается, и сигналы перестают поступать на датчик. С этого момента начинается охлаждение образца. АЭ, сопровождающая прямой переход, начинается через 70 с и заканчивается к 700-й секунде, когда завершается трансформация кристаллической решетки металла. При нагреве изогнутого образца была отмечена группа сигналов, предшествующая обычной АЭ обратного МП (рис. 7б), во время восстановления формы пластины (50-60 с от начала нагрева).
Основная масса сигналов обратного МП начала поступать примерно через 50 с после разгибания образца. АЭ в этом случае продолжалась несколько дольше, чем в случае (а), поэтому нагрев производили до 300-й секунды, пока МП не закончилось. Через 70 с после окончания нагрева начали поступать сигналы от прямого превращения при охлаждении. На рис. 8а, 8б приведена зависимость общего счета АЭ от времени для опытов, представленных на рис. 7а и 7б, соответствен-
но. При нагреве прямой пластины наблюдали двухступенчатый рост N (рис. 8а), в случае изогнутого образца появляется еще одна «ступенька» на кривой N(t), соответствующая сигналам при формовосстановлении. Дополнительные эксперименты показали, что при удалении зоны деформации от датчика эти сигналы «услышать» не удается.
Сигналы, обусловленные эффектом памяти формы (кривая 3 на рис. 9а), отличаются от остальных (кривые 1, 2) своими спектральными характеристиками. Если медианные частоты1 основных типов сигналов при МП очень близки между собой и находятся в области низких частот (рис. 10), то сигналы, генерируемые при ЭПФ, являются более высокочастотными, с большим разбросом медианных частот.
Полученные результаты показывают возможность использования АЭ для определения зон фазового превращения в режиме реального времени. В некоторых конструкциях это может потребовать применения нескольких датчиков в наиболее важных зонах механизма.
Особенности спектральных характеристик акустических сигналов, сопровождающих деформационные процессы эффекта памяти формы, могут представлять дополнительные возможности в оценке рабочего состояния материала силовых элементов и приводов из сплавов с памятью формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вьюненко Ю.Н. Применение ЭПФ в производстве слоистых материалов // Перспективные материалы и технологии: сборник статей Междунар. науч. симпозиума. Витебск: УО «ВГТУ», 2011. С. 182184.
2. Потекаев А.И., Плотников В.А. Акустическая диссипация энергии при термоупругих мартенситных превращениях. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. 196 с.
3. Плотников В.А., Грязнов А.С., Харламов И.В. Спектральная плотность сигналов акустической эмиссии при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана // ФПСМ. 2014. Т. 11. № 4/2. С. 633-637.
4. Плотников В.А., Грязнов А.С. Акустическая эмиссия при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана в условиях фиксированной деформации // Актуальные проблемы прочности: материалы 47 Междунар. конф. Н. Новгород, 2008. Ч. 1. С. 199201.
5. Вьюненко Ю.Н., Лихачев В.А. Временная зависимость внутреннего трения в никелиде титана вблизи температур фазового превращения // Металлофизика. 1980. Т. 2. № 6. С. 52-56.
6. Корнилов И.М., Качур Е.В., Белоусов О.К. Дилатометрическое исследование превращения в соединении TiNi // ФММ. 1971. Т. 32. № 2. С. 420-421.
7. Мерсон Д.Л., Разуваев А.А., Виноградов А.Ю. Применение методики анализа спектральных образов сигналов акустической эмиссии для исследования повреждаемости покрытий TiNi на стальной подложке // Дефектоскопия. 2002. № 7. С. 37-46.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
1 Медианная частота - это частота, делящая площадь под кривой спектральной плотности пополам [7].
0
UDC 620.179.17
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-917-921
FEATURES OF ACOUSTIC EMISSION DURING MARTENSITIC TRANSFORMATIONS IN THE TiNi ALLOY
© Y.N. Vyunenko1), E.V. Chernyaeva2)
1) LLC "Optimikst Ltd", Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) St. Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The behaviour of acoustic emission (AE) during thermo cycling of the TiNi alloy is studied. The possibility of application of AE to evaluate the state of force shape memory alloy elements is shown. Key words: acoustic emission; martensitic transformations; shape memory alloys.
REFERENCES
1. V'yunenko Yu.N. Primenenie EPF v proizvodstve sloistykh materialov. Sbornik statey Mezhdunarodnogo nauchnogo simpoziuma "Perspektivnye materialy i tekhnologii". Vitebsk, Educational Institution "Vitebsk State Technological University", 2011, pp. 182-184.
2. Potekaev A.I., Plotnikov V.A. Akusticheskaya dissipatsiya energii pri termouprugikh martensitnykh prevrashcheniyakh. Tomsk, Nauch-no-tekhnicheskoy literatury Publ., 2004. 196 p.
3. Plotnikov V.A., Gryaznov A.S., Kharlamov I.V. Spektral'naya plotnost' signalov akusticheskoy emissii pri termoup-rugikh martensitnykh prevrashcheniyakh v nikelide titana. Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya — Basic Problems of Material Science, 2014, vol. 11, no. 4/2, pp. 633-637.
4. Plotnikov V.A., Gryaznov A.S. Akusticheskaya emissiya pri termouprugikh martensitnykh prevrashcheniyakh v nikelide titana v uslo-viyakh fiksirovannoy deformatsii. Materialy 47 Mezhdunarodnoy konferentsii "Aktual'nye problemy prochnosti". Nizhny Novgorod, 2008, pt. 1, pp. 199-201.
5. V'yunenko Yu.N., Likhachev V.A. Vremennaya zavisimost' vnutrennego treniya v nikelide titana vblizi temperatur fazovogo prevrash-cheniya. Metallofizika - Metallofizika, 1980, vol. 2, no. 6, pp. 52-56.
6. Kornilov I.M., Kachur E.V., Belousov O.K. Dilatometricheskoe issledovanie prevrashcheniya v soedinenii TiNi. Fizika metallov i me-tallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1971, vol. 32, no. 2, pp. 420-421.
7. Merson D.L., Razuvaev A.A., Vinogradov A.Yu. Primenenie metodiki analiza spektral'nykh obrazov signalov akusti-cheskoy emissii dlya issledovaniya povrezhdaemosti pokrytiy TiNi na stal'noy podlozhke. Defektoskopiya - Russian Journal of Nondestructive Testing, 2002, vol. 7, pp. 37-46.
Received 10 April 2016
Вьюненко Юрий Николаевич, ООО «Оптимикст ЛТД», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected]
Vyunenko Yuriy Nikolaevich, LLC "Optimikst Ltd", Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, e-mail: [email protected]
Черняева Елена Васильевна, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, кандидат технических наук, e-mail: [email protected]
Chernyaeva Elena Vasilevna, St. Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate of Technics, e-mail: [email protected]
