Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии Текст научной статьи по специальности «Физика»

Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии

Супрапеди и С. Тойоока

Университет Саитама, Саитама, 338, Япония

Динамические процессы пластической деформации и разрушения были исследованы с помощью вновь развитого метода лазерной спекл-интерферометрии, позволяющего осуществлять пространственно-временное наблюдение. Интерференционные картины спеклов последовательно оцифровывались, по мере того как образец подвергался растяжению с постоянной скоростью. Интерференционные полосы корреляции спеклов были последовательно получены путем вычитания пар спеклограмм, записанных через равные промежутки времени. Процессы пластической деформации и разрушения наблюдались визуально на видеомониторе в виде движения картин интерференционных полос по двум составляющим в плоскости деформации. В экспериментах с образцом из А1 на стадиях пластической деформации был обнаружен пилообразный характер нагружения, а также наблюдалось соответствующее движение белой полосы, представляющее собой полосу локализованной деформации. Затем в определенном сечении образца полоса останавливалась, оставаясь неподвижной вплоть до разрушения образца. В экспериментах с образцом из углеродистой стали S45C фронт полосы Людерса, распространяющийся с постоянной скоростью от одного конца образца до другого, наблюдался на площадке текучести кривой нагружения.

1. Введение

Существует несколько методов неразрушающего контроля материалов, таких как рентгеновские или ультразвуковые, которые успешно использовались для выявления положения трещин или дефектов в исследуемом материале. Однако зарождение трещин или дефектов является последней стадией деградации материала. Согласно теории мезомеханики [1] процессы деградации развиваются иерархически на трех уровнях: микро, мезо и макро. На микроуровне движение дислокаций обеспечивает развитие процессов при небольших степенях деформации. На мезоуровне дислокации скапливаются у дефектов или пор, кристаллографическое скольжение вызывает пластическое течение, и, в конечном итоге, они приводят к макроскопической пластической деформации и к разрушению в месте расположения видимых трещин. Анализ деформации на мезоуровне особенно важен при исследовании деградации материала и предсказании разрушения. Одним из методов для проведения такого анализа является лазерная спекл-интерфе-рометрия (ЛСИ) [2], которая позволяет построить карту двумерной деформации с точностью до длины световой волны. В традиционном методе ЛСИ интерференционные полосы корреляции спеклов получаются путем сравнения интерференционной спеклограммы, образованной деформируемым объектом с опорной (эталонной) интерференционной спеклограммой. Поэтому традиционный подход ЛСИ трудно применить к измерению

слишком больших деформаций из-за потери корреляции между двумя спеклограммами.

В наших предыдущих работах [3, 4] мы предложили новую систему для ЛСИ, в которой интерференционные спеклограммы последовательно обновляются по мере деформирования объекта. С помощью этой системы теперь становится возможно пространственно-временное наблюдение полного процесса деформирования. В данной статье рассмотрены некоторые интересные особенности процесса пластической деформации, полученные с помощью нашей новой ЛСИ системы.

2. Методика эксперимента

На рис. 1 показана принципиальная оптическая схема ЛСИ системы. Шероховатая поверхность образца освещается двумя коллимированными лазерными лучами, имеющими симметричные углы а и -а наклона к нормали поверхности. Когерентная суперпозиция света отраженного от поверхности образца формирует интерференционную спеклограмму, каждый спекл которой имеет случайное значение фазы. Если объект деформирован, то случайная интенсивность каждого спекла будет модулирована в зависимости от изменения фазы. Интерференционные спеклограммы снимаются камерой на ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрице и вводятся в микрокомпьютер. При вычитании двух оцифрованных спеклограмм одного образца, полученных до и после деформации, интенсивность спеклов от коррелирующих составляющих, имеющих разность

© Супрапеди, Тойоока С., 1998

луч 2

Рис. 1. Базовая схема цифровой ЛСИ

фаз 2п, гасится, а интенсивность от некоррелирующих составляющих частей остается, образуя соответственно темные и яркие интерференционные полосы. Разность фаз между двумя степенями деформации определяется как

Дф = ^ и(х, у ^та, (1)

Л

где Л — длина волны лазерного луча; и(х, у) — смещения при деформации в освещаемой плоскости образца.

На рис. 2 приведена экспериментальная установка для пространственно-временного наблюдения. Образец помещался в испытательную машину, которая находилась на одном оптическом столе с оптическими компонентами системы. Луч аргонового лазера расщепляется на два посредством разделителя лучей (РЛ). Эти два луча, проходя сквозь РЛ и отражаясь от него, расширяются и падают на образец в плоскостях хг и уг соот-

ветственно. Они освещают образец и зеркало, которое расположено под прямым углом прямо перед образцом. Таким образом, образец освещается двумя парами симметрично наклоненных лучей. Две пары освещающих лучей создают спеклограммы, которые образуют интерференционные полосы корреляции спеклов, чувствительные к х- и у-компонентам деформации в плоскости образца. Эти две спеклограммы попеременно снимались ПЗС-камерой через затворы 1 и 2. Последовательно получаемые изображения спеклограмм записывались и хранились в видеобуфере компьютера, по мере того как образец подвергался растяжению с постоянной скоростью. Величина нагрузки и степень деформации одновременно контролировались с помощью динамометрического датчика и тензометра соответственно. Оба параметра запоминались на другом компьютере через устройство регистрации данных.

Рис. 2. Экспериментальная схема новой ЛСИ-установки для пространственно-временных наблюдений

Рис. 3. Алгоритм последовательного получения картин интерференционных полос

При пространственно-временных наблюдениях пластической деформации полная информация о нагружении, деформации и спеклограммах должна быть получена от самого начала испытаний до разрушения. Эти данные были размещены в хронологическом порядке, после чего было смонтировано движущееся изображение картин корреляции интерференционных полос, полученное путем вычитания пар спеклограмм. Для этого картины интерференционных полос должны последовательно записываться через постоянные промежутки времени, достаточно малые для того, чтобы показать плавные изменения интерференционных полос. На рис. 3 показан алгоритм получения изображений и последовательных интерференционных полос корреляции, где 1^), (. = 1, 2, 3, ...) — интенсивность изображений спеклограмм, а Д1 — разность между двумя интенсивностями, определяемая как

-1(0. (2)

Разность интенсивностей формирует интерференционные полосы корреляции, имеющие в зависимости от разницы фаз в уравнении (1) яркое и темное распределения.

В следующей серии измерений вычисляется разность Д/+1 между кадрами 1^.+1+р) и !(^.+1). Такие серии измерений повторяются от начала до конца испытаний

на растяжение. Приращение времени Дt определяется таким образом, чтобы удовлетворять указанному выше условию, которое также зависит от скорости растяжения. Интервал времени pДt между двумя вычитаемыми изображениями следует выбрать таким образом, чтобы обеспечить оптимальную плотность интерференционных полос.

3. Результаты экспериментов

Образцы были изготовлены из алюминия и углеродистой стали S45С в форме двойной плоской лопатки (гантели) длиной I, шириной и толщиной ^ как показано на рис. 4. Каждый образец растягивался с постоянной скоростью. В табл. 1 представлены размеры образца и экспериментальные значения скорости растяжения и чувствительности к х- и у-компонентам интерференционных полос. Общее динамическое движение интерференционных полос, вызванных деформацией, было визуализировано на мониторе при помощи специальной программы анимации.

3.1. Алюминиевый образец

На рис. 5 показано изменение напряжения нагрузки в испытании на растяжение алюминиевого образца.

Рис. 4. Плоский образец в форме двойной лопатки

Таблица 1

Размеры образца и параметры эксперимента

Образец Размер (мм) Скорость Чувствительность (мкм)

1 № t (мкм/с) х-компонента у-компонента

Алюминий 55 8 2 0,75 0,51 0,43

845С 100 30 5 0,64 7 ,3 0, 7 ,5 0,

Рис. 5. Изменение напряжения нагрузки в эксперименте по растяжению алюминиевого образца

Рис. 6. Картины интерференционных полос корреляции

После перехода в пластическую зону напряжение нагрузки постепенно увеличивалось, и кривая нагружения приобретала пилообразный характер. На рис. 6, а-г показаны серии картин интерференционных полос соответственно в упругом и пластическом состояниях на стадии предразрушения и при разрушении. Указаны времена, прошедшие после начала испытания. На верхних и на нижних рисунках показаны х- и ^-компоненты интерференционных картин соответственно. В упругом состоянии, рис. 6, а, картины интерференционных полос однородны для обеих компонент. Это означает, что деформация в этом состоянии однородна по всей поверхности образца. При пластической деформации картины интерференционных полос становятся более сложными, рис. 6, б, что свидетельствует о том, что распределение деформации в образце явно неоднородно. В образце

наблюдается область, где интерференционные полосы плотно сконцентрированы и образуют наклонную белую полосу, которая обычно обнаруживается на стадии пластической деформации и может рассматриваться как полоса локализованной деформации. При пространственно-временных наблюдениях интерференционных полос подтвердилось движение белой полосы в направлении от верхней части образца к нижней. Направление движения и угол наклона белой полосы иногда меняются на противоположные, что соответствует другим стадиям пластического течения, рис. 6, в. В конечном итоге, на стадии предразрушения, белая полоса останавливается, рис. 6, г. В дальнейшем образец разрушается именно в этом месте. Движение белой полосы от начала до конца испытания графически показано на рис. 7. Движение белой полосы в основном является непрерывным, за

4 0 0

го

5

О

3 0 0

о_

0)

I

О)

*

о

с;

о

с

2 0 0

1 0 О

♦♦ ♦ Л

1 ♦ ♦♦ * Г * ♦ 4 ♦♦ < г ♦

—1. /Ч 9 V ----- - ч. < ^ Ч V ** *чг ? ЧГ'

0 1000 2000 3000

время, с

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

Рис. 7. Движение белой полосы

Рис. 8. Изменение напряжения нагрузки в эксперименте по растяжению образца стали S45C

о 400

о.

Ш зоо

5 200

I

о

5 юо

о

2200

»*

.*** 4?

2400

2600 2800 время, с

Рис. 9. Распространение полосы Людерса

3000

исключением некоторого резкого скачка. Характер движения белой полосы соответствует пилообразному характеру кривой нагружения на рис. 5.

3.2. Образец S45C

Углеродистая сталь 845С является широко используемой конструкционной сталью. На рис. 8 показано изменение напряжения нагрузки в эксперименте на растяжение образца стали 845С, которое отличалось от кривой для А1 образца, приведеной на рис. 5. На рисунке виден острый зуб текучести, за которым следует площадка текучести. После этого напряжение нагрузки постепенно увеличивается и затем уменьшается вплоть до разрушения. На рис. 10 показаны результирующие картины интерференционных полос. Очень грубые интерференционные полосы на рис. 10, а были получены на линейном участке кривой нагружения. При дефор-

мации вблизи зуба текучести картины интерференционных полос становятся сложными, как показано на рис. 10, б, изображение на котором было получено непосредственно перед зубом текучести. Структуры из интерференционных полос исчезают вблизи верхнего конца образца. Согласно нашим предыдущим рассуждениям, плотность интерференционных полос в этом месте слишком велика для того, чтобы они были различимыми. Ниже зоны концентрированных интерференционных полос наблюдаются вертикальные интерференционные полосы на картинах х-компонент и горизонтальные полосы на картинах ^-компонент. Это означает, что в области, расположенной ниже этой зоны, образец вращается как целое.

Когда уровень нагрузки превысит предел текучести, концентрированная полоса интерференционных картин модулируется в белую полосу, рис. 10, в. Угол наклона белой полосы относительно продольной оси образца со-

1572 с 2223 с 2346 с 2524 с 2703 с 2882 с 4661 с 33320 с

Рис. 10. Картины интерференционных полос в стали S45C

ставляет примерно 45°. На стадии текучести белая полоса, зародившаяся вблизи верхнего края образца, движется постепенно до достижения нижнего края, как это показано на рис. 10, г-е. Характеристики белой полосы на картинах обеих компонент подобны. Интерференционные полосы являются вертикальными на картинах х-компонент и горизонтальными на картинах ^-ком-понент во всех областях, за исключением области белой полосы. Это означает, что вращение тела происходит только в области белой полосы. Далее мы видим движение белой полосы с почти постоянной скоростью, как показано на рис. 9. Согласно этим данным, белая полоса может быть интерпретирована как передний фронт распространения релаксации сдвиговых напряжений, обусловленных локализованным кристаллографическим скольжением, также известным как полоса Людерса. На рисунке видно, что материал над полосой деградирован, а под полосой — еще нет. Деградация материала происходит при распространении фронта полосы Людерса, которая может быть четко выявлена методом, описанным в данной работе. После площадки текучести нагрузка постепенно увеличивалась, рис. 8. На этой стадии деградировавший образец деформировался однородно, как показано на рис. 10, ж. После достижения максимального напряжения нагрузка постепенно снижалась. На этой стадии образец утончился в том месте, где на рис. 10, з наблюдалась неподвижная х-образная белая полоса. При этом никаких других интерференционных полос кроме х-образной белой полосы не наблюдалось, это означает, что деформация локализована в области этой неподвижной полосы. В конечном итоге образец разрушился в этой области.

4. Заключение

Динамические процессы деформации в экспериментах по растяжению алюминиевого и стального образцов

были визуализированы при помощи нашей новой ЛСИ системы в виде движущихся интерференционных полос корреляции спеклов. В эксперименте с Al образцом наблюдалась полоса локализации деформации в виде характерной белой полосы. По-видимому, характер движения белой полосы соответствует развитию пилообразных участков кривой нагружения. В эксперименте на образце из углеродистой стали S45C белая полоса, соответствующая хорошо изученной на образцах отожженной углеродистой стали полосе Людерса, также наблюдалась на площадке текучести. Процесс деградации материала отчетливо наблюдался при распространении фронта полосы Людерса. Движение полосы может рассматриваться как распространение скопления полос скольжения и соответствует механизму деформации мезоуровня. Исследования динамического поведения белой полосы позволяют изучать волновые характеристики распространения пластической деформации.

Авторы выражают признательность профессору С. Йошиде за плодотворное обсуждение.

Литература

1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.

2. SirohiR.S.//Speckle Metrology, ed. by R.S. Sirohi. - New York: Marcel Dekker, Inc., 1993. - Chapter 3. - P. 99.

3. Suprapedi, Toyooka S. Time-division observation of plastic deformation process using digital speckle pattern interferometry//Optical Review. -1997. - 4-2. - P. 284.

4. Toyooka S., GongX. Digital speckle pattern interferometry for observing the entire process of plastic deformation of a solid object//Jpn. J. Appl. Phys. - 1995. - № 34. - L1666.

5. Yoshida S., Suprapedi, WidiastutiR., HutagalungS., Julinda S.M., Faizal A.M., AnungK. Direct observation of developed plastic deformation and its application to nondestructive testing//Jpn. J. Appl. Phys. - 1996. -№35. - L854.