Оценка степени деформации материалов и определение параметров их разрушения АМД-методами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14.017:620.181

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1102-1106

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИХ РАЗРУШЕНИЯ АМД-МЕТОДАМИ

© А.И. Кустов1*, И.А Мигель2*

1) Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Российская Федерация,

e-mail: [email protected]

2) Военный учебно-научный центр ВКС ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, e-mail: [email protected]

В работе рассмотрено применение АМД-методов для оценки степени деформации металлических материалов и определения параметров их разрушения.

Ключевые слова: неразрушающий контроль; физические свойства; акустическая микроскопия; методы АМД; оценочные критерии деформации.

Оценка степени деформации материалов и определение параметров их разрушения - актуальные современные проблемы материаловедения. Прежде всего, важность деформации связана с ее влиянием на параметры разрушения. Поэтому в работе рассматривалась проблема анализа деформации именно с точки зрения прогнозирования разрушения или определения значений физических характеристик материалов.

Если материал под влиянием внешних воздействий необратимо изменяет характеристики физико-механических свойств, что происходит за счет активизации некоторого ранее несущественного структурного параметра, говорят о переходе в предельное состояние ПС [1]. Так как высокопрочные конструкционные материалы имеют низкую сопротивляемость хрупкому разрушению, ПС необходимо выявлять на возможно более ранних стадиях возникновения. Критериями наступления ПС могут быть параметры деформационно-напряженного состояния материала в локальных зонах, концентрации внутренних напряжений, которые являются тонкими структурночувствительными характеристиками. Достижение критических значений выбранных критериев в локальных областях предшествует появлению ПС. Причем ведущую роль в разрушении материала играет процесс локального разрушения (ЛР). Поэтому для нас изучение условий начала ЛР, деформационная трансформация структуры, зарождение микротрещин и их развитие представляют первоочередной интерес.

Короткие микротрещины, способные играть роль концентраторов напряжений, практически всегда присутствуют в объеме материала. При этом постоянно действующим фактором, определяющим состояние и поведение материала при различных внешних воздействиях, является формирование предельного состояния в локальных микрообъемах, прилегающих к этим дефектам. Современные методы технической диагностики начальных стадий разрушения не оценивают степень или уровень критичности состояния материала и позволяют обнаруживать дефекты повреждаемости

лишь при определенном масштабе их развитости. При этом прямое и косвенное наблюдение областей ЛР (зарождение и распространение микронесплошностей и микротрещин) чрезвычайно затруднено их субмикроскопическими размерами и вероятностным характером появления. Решить эту задачу, в т. ч. и при деформационных воздействиях, позволяют методы акустомикро-скопической дефектоскопии (АМД) [2]. Предельность состояния материала при внешнем воздействии отражает способность к релаксации внутренних пиковых напряжений посредством микропластической деформации. Контроль параметров подобных релаксационных процессов с помощью сканирующего акустического микроскопа (САМ) дает возможность наблюдать наступление ПС и начало ЛР.

Работоспособность объекта обусловлена моментом появления и механизмом развития повреждений. Такой подход и был использован при формировании микроскопических критериев локального ПС материала. Обычно к формированию опасного (ПС) состояния ведет развитие трещины до опасных размеров. При этом реальной информации из анализа макроскопических критериев предельности извлечь не удается. Кроме того, большинство существующих методов нераз-рушающего контроля не способны выявить микроскопические трещины, возникающие на ранних стадиях разрушения. Методы металлографии требуют развитой поврежденности материалов. Отсюда возникает необходимость поиска и развития новых методик, позволяющих выявлять микродефекты и контролировать их критическую концентрацию.

Целью настоящей работы была оценка степени деформации металлов, установление физико-механических закономерностей формирования предельного состояния и начала локального разрушения на основе изучения структуры материалов с помощью АМД-методов.

В работе объектами изучения были стали, подвергнутые различным внешним воздействиям, прежде всего деформационным, и содержащие неоднородно-

сти типа включении, локальных упругих неоднородно-стей, микротрещин с коррозионным поражением.

На первом этапе были проведены модельные эксперименты на монокристаллических материалах ^ и Ge) и чистых металлах (Си, №, А1 в отожженном состоянии), которые позволили рассчитать значения скорости ПАВ и оценить степень их совпадения со значениями, полученными др. методами [3-4]. Она составляла не более 1-2 %, что свидетельствует о высокой точности применяемых методов, их надежности. Для проведения экспериментальных измерений использовалась акустическая ячейка, схема которой представлена на рис. 1. Рис. 2 демонстрирует визуализацию особенностей структуры объекта, не выявляемых на оптических изображениях. Характерный размер особенностей (полосчатое строение сфалерита) составлял 12-17 мкм. На следующем этапе изучались стали с коррозионным поражением поверхности (рис. 3). С помощью акустических изображений были определены размеры и глубина питтингов, установлена их форма. Наблюдалась трансформация формы при деформации образцов стали (06Х14Н6МД2Т) от 10 до 22 %. Наличие, количество и распределение питтингов в растре влияло на величину скорости ПАВ, определяемую с помощью К^-кривых. Пример такой зависимости от величины снятого с поверхности слоя приведен на рис. 3в и свидетельствует о том, что максимальная глубина питтингов составляет 35-40 мкм. После снятия слоя с поверхности толщиной более 50 мкм наблюдалась неизменность как вида К(7)-кривой, так и рассчитанных значений ил.

Ранее нами был предложен ряд методов непосредственной оценки деформации образцов [6], прежде всего, металлических по акустическим изображениям. Однако он требует высокой квалификации операторов и достаточно трудоемок. В настоящее время, на наш взгляд, перспективнее для целей контроля деформационных воздействий АМД-метод, основанный на применении К^-кривых. С его помощью рассчитывались значения скоростей ПАВ в локальных областях объекта исследований, со степенью локальности 6-10 Хя, что составляло в абсолютном измерении 25-40 мкм [7].

Таким образом, экспериментами по акустической визуализации питтингов и микротрещин в сталях было установлено, что параметры разрушения образцов с питтингами обусловлены изменением значений локальных механических (и акустических) характеристик, их количеством и динамикой поведения при деформации, конфигурацией.

Рис. 1. Акустическая ячейка сканирующего акустического микроскопа (вертикальная ось Z акустической линзы, перпендикулярна поверхности объекта; 1 - пьезопреобразователь; 2 -линзовый акустический элемент; 3 - иммерсионная жидкость;

4 - плоскость акустической подповерхностной визуализации;

5 - поверхность объекта исследований)

а) акустика

-г."'

н

б) оптика

Рис. 2. Сравнительные акустическое и оптическое изображения участка образца сфалерита (50 мкм/дел., / = 407 МГц, а//"2 = 29-102 дБ/м-ГГц2; оптика - 120х) с неоднородностями полосчатого типа с характерным размером 12-17 мкм

а)

б)

3 , 2 3 , 1 3 2 , 9

Уц103 м/с

И, мкм

50

в)

100

Рис. 3. Пример визуализации питтинговой коррозии поверхности стали (06Х14Н6МД2Т) оптическим (а) 220х) и акусто-микроскопическим (б) 2 = -5 мкм, по горизонтали 120 мкм) методами; в) изменение параметра скорости ПАВ стали с питтингами от толщины снятого слоя

0

Рис. 4. Девиация от среднего значения скорости ПАВ в 18ХНВА при измерениях вдоль оси деформации Y

Рис. 5. Деформация кручением образцов из А1 и зондирование поверхности в режиме К(2)-кривых (фиксация изменений коэффициента поглощения АВ)

Следующий этап был связан с оценкой чувствительности АМД-методов к деформации материалов (прежде всего металлических, модельных - медных, алюминиевых, никелевых, изготовленных в виде проволок различного сечения). После различных типов деформации (изгибной, скручивающей, растягивающей) области наибольшего воздействия изучались в режиме акустической визуализации и К(7)-кривых.

Были получены следующие результаты - наблюдались изменения AVIV и uR, прежде всего, псевдопериодические (рис. 4) (вдоль оси деформации), и относительно слабые (в направлении, перпендикулярном оси деформации). Кроме того, в режиме измерения коэффициента поглощения АВ по изменению высоты главного максимума ^7)-кривой выявляются области с микротрещинами, диагонально направленные относительно оси деформации (рис. 5).

На следующем этапе проводились эксперименты на реальных объектах - сталях (60Г, 33ХН3МА, 20ХГСА и др.). Они деформировались до определенной степени (до 20-25 %) с контролем размера зерна (в режиме акустической визуализации) и измерением значений скорости ПАВ. Результаты для одного из сортов стали представлены на рис. 6. Полученные зависимости позволяют утверждать, что между размером зерна (d3) и величиной имеется корреляционная связь, которая в результате дополнительных экспериментов и была обнаружена (рис. 7а). Для образцов испытуемой стали были определены значения ст02 в зависимости от размера d3, которые фактически обнаружили зависимость Холла-Петча (рис. 7б). Следовательно, измеряя величину uR можно определить значение ст02 объекта.

а)

б)

Рис. 6. а) корреляционная зависимость размера зерна от степени деформации (ст. 20ХГСА); б) зависимость скорости ПАВ в образце от степени деформации (ст. 20ХГСА)

3200

3100 3000 2900 2800 2700

v„, м/с v=3331 .бх«04

9409

[d IjuM Ш

10

15

а)

б)

Рис. 7. а) зависимость скорости ПАВ в образце от размера зерна (ст. 33ХН3МА); б) связь значений предела текучести и размера зерна образца (ст. 33ХН3МА)

Для оценки возможности различать поверхности материала с различной степенью деформации были проведены эксперименты с образцами с текстурой. Для них рассматривалось 3 состояния - бездеформационное, после деформации волочением и с дополнительным патентированием. При этом в режиме визуализа-

Е.108 Па 200

195

190

185

180

196 195

189

1

2

3

состояния

Рис. 8. Анизотропия эффективного модуля упругости Яэфф после ТМО различного вида для образцов стали 60 Г: 1 - деформация волочением до 57 %; 2 - патентирование; 3 - эталон (без деформации); (левые и средние столбцы -измерения в направлении, вдоль прокатки, правые - поперек, = 13,74 мкм, о* = 2,98-103 м/с; ст. 60 Г)

а)

б)

Рис. 9. а) зависимость модуля упругости инварного сплава (38 % М, 5 % Со, 57 % Fe) от температур отпуска; б) связь значений скорости ПАВ в образцах из инварного сплава (лента 0,35x4 мм из проволоки 1,8 мм в диаметре, протянутая с обжатием 72 %, с предварительной закалкой 1100 °С, с отпуском от 300 до 900 °С) с температурами отпуска

Д V/V,% 0,25 0,2 0,15 0, 1 0 05 0

0

ции и У(2)-кривых исследовали поверхности, лежащие в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Расчеты показали, что определенный акустически модуль упругости повышается почти на 4 % для плоскостей вдоль оси прокатки и слабо повышается при патенти-ровании. При этом он практически не меняется в направлении, перпендикулярном оси прокатки (рис. 8). То есть АМД-методы позволяют оценивать степень анизотропии даже такого мало меняющегося параметра, как Е.

Для сплава инварного типа (лента 0,35x4 мм из проволоки 38 % N1, 5 % Со, 57 % Fe ) была обнаружена зависимость Е от температур отпуска, на которой экстремум свойств наблюдался в определенном интервале значений Т. Этот интервал, как показали эксперименты по определению ^ , может быть установлен и по измерениям в режиме У(2)-кривых (рис. 9). И, наконец, в результате АМД-измерений было установлено влияние числа циклов нагрузки на размер зерна материала и его акустические характеристики (рис. 10). Измеряя коэффициент затухания АВ, выбирали обработку материала, при которой его свойства экстремальны (~3 тыс. циклов для 08Х18Н10Т).

Таким образом, проведенное нами статистически значимое количество экспериментов доказывает, что методы АМД позволяют оценивать степень деформации металлических материалов по величине параметров АВ. Они обеспечивают выявление признаков ПС и прогнозирование наступления процесса разрушения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Kustov A.I. // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials Proceedings of 8 International Conference: Science Series 2. Physics and Chemistry. 2004. V. 72. P. 203-215. Kustov A.I., Migel I.A. // Strength and fracture of materials and constructions: Materials of the 5 International scientifical Conference. Orenburg, 2008. V. 1. P. 200-206.

Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981. 287 с.

Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1980. 280 с.

Кустов А.И. Мигель И.А. Выработка критериев оценки деформации поверхности твердотельных материалов АМД-методами // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. Ч. 2. С. 18751877.

Кустов А.И., Мигель И.А. Выявление и характеризация дефектов твердотельных материалов с помощью акустических волн // Материаловедение. 2011. № 8. С. 31-42.

Рис. 10. Зависимость относительного затухания АУ/У У(2)-кривой для стали 08Х18Н10Т от числа циклов (#ц) нагрузки

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

199

N..■103

2

4

6

8

UDC 669.14.017:620.181

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1102-1106

ASSESSMENT OF THE DEGREE OF DEFORMATION OF MATERIALS AND DETERMINATION OF PARAMETERS OF THEIR DESTRUCTION AMD-METHODS

© A.I. Kustov1), I.A. Migel2)

Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]

2) Military Educational and Scientific Center named after Professor N.E. Zhukovsky and U.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]

The paper considers the application of AMD-methods for evaluating the degree of deformation of metallic materials and determine the parameters of their destruction.

Key words: nondestructive testing; physical properties; acoustic microscopy; methods AMD; evaluation criteria deformation.

REFERENCES

1. Kustov A.I. Proceedings of 8 International Conference "Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials". Science Series 2. Physics and Chemistry, 2004, vol. 72, pp. 203-215.

2. Kustov A.I., Migel I.A. Materials of the 5 International scientifical Conference "Strength and fracture of materials and constructions". Orenburg, 2008, vol. 1, pp. 200-206.

3. Viktorov I.A. Zvukovyepoverkhnostnye volny v tverdykh telakh. Moscow, Nauka Publ., 1981. 287 p.

4. Shutilov V.A. Osnovy fiziki ul'trazvuka. Leningrad, Leningrad University Publ., 1980. 280 p.

5. Kustov A.I. Migel' I.A. Vyrabotka kriteriev otsenki deformatsii poverkhnosti tverdotel'nykh materialov AMD-metodami. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2013, vol. 18, no. 4, pt. 2, pp. 1875-1877.

6. Kustov A.I., Migel' I.A. Vyyavlenie i kharakterizatsiya defektov tverdotel'nykh materialov s pomoshch'yu akusticheskikh voln. Materia-lovedenie - Material science, 2011, no. 8, pp. 31-42.

Received 10 April 2016

Кустов Александр Игоревич, Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологических и естественнонаучных дисциплин, e-mail: [email protected]

Kustov Aleksander Igorevich, Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Technological and Scientific Disciplines Department, e-mail: [email protected]

Мигель Ирина Анатольевна, Военный учебно-научный центр ВКС ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики и химии, e-mail: [email protected]

Migel Irina Anatolevna, Military Educational and Scientific Center named after Professor N.E. Zhukovsky and U.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Physics and Chemistry Department, e-mail: [email protected]