CC BY
28
УДК 539.3
РАЗРАБОТКА АКУСТОМИКРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© А.И. Кустов1*, И.А. Мигель2
1) Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Россия 2) Военный авиационный инженерный университет, г. Воронеж, Россия, е-шай: akvor@yandex.ru
Ключевые слова: разработка акустомикроскопических методов, оценка влияния, внешние воздействия на поверхность материала, физические свойства.
В статье приведены результаты разработки методов оценки влияния внешних воздействий на свойства твердотельных объектов, прежде всего металлических. Используются методы акустомикроскопической дефектоскопии.
Дефекты, их физическая природа, размеры, распределение в объеме или на поверхности являются одним из определяющих факторов по отношению к свойствам материала и объекта исследований в целом. Настоящая работа посвящена изучению упруго-механических характеристик твердотельных материалов с помощью САМ. Главной задачей работы было доказать, что аку-стомикроскопические методы исследований обеспечивают визуализацию и характеризацию как структуры самого материала, так и системы дефектов в нем. Оценка параметров материала, его свойств проводится как по акустомикроскопическим изображениям, так и по значениям скорости ПАВ в образце или уровню их затухания (АУ/У%). Полученные или рассчитанные характеристики дополняют друг друга, обеспечивая достоверность результатов исследований.
На рис. 1 представлены результаты анализа с помощью САМ размеров зерна стали от времени цементации. Чем дольше воздействие, тем сильнее меняется размер зерна. Начиная с некоторого момента (~30 ч) наступает стабилизация выбранного параметра. Рис. 2 демонстрирует зависимость скорости ПАВ от времени цементации. В данном случае не требуется визуализации структуры материала, а можно непосредственно из графической зависимости рассчитывать по величине
ид. Аналогичные зависимости были получены и для ряда других сортов сталей.
Рис. 3 демонстрирует возможность изучения с помощью САМ зависимости пористости материала (в данном случае пьезокерамики ЦТС-22) от температур отжига. Послойная визуализация строения керамики до глубин в несколько десятков микрометров позволяет определять пористость и связанную с ней плотность образцов. Найденная таким образом суммарная пористость образцов в зависимости от температур синтеза и отжига лежала в пределах от 5-12 до 35-40 %, что в целом соответствует приводимым в литературе значениям. Оценка размера зерна керамики по акустическому снимку дает величины 5-12 мкм, что соответствует средним размерам зерна, определенным другими методами (например, оптическим методом при дополнительном травлении границ зерен 5 % HCl с несколькими каплями HF и увеличении 2000х).
Как сама экспериментальная кривая, так и ее анализ с помощью тренда позволяют выбирать оптимальные для достижения характерных значений 0 % температуры отжига. Для представленной на рис. 3 зависимости эти температуры составляют 1550-1570 К. При этом одновременно проводились измерения различных физико-механических характеристик пьезокерамики - uR, AVIV % и др. Результаты измерений для ЦТС-22 пред-
Рис. 1. Зависимости размера зерна (В, мкм) от времени цементации (20ХГНМАЮ)
Рис. 2. Зависимость скорости ПАВ в ст. 30ХГТ от времени цементации
0,%
30
25
20
15
10
у = 8Е-07Х3 - 0,0034х2 + 4,6498х -
0
R2 = 0,8983
1200 1300 1400 1500 1600 1700
т к
1 отж‘> л
Рис. 3. Зависимость пористости образцов ЦТС-22 от температур отжига для ЦТС-22
Рис. 4. Зависимость uR от температур отжига (Готж, К)
ставлены на рис. 4. Они показывают наличие похожей зависимости с экстремальными значениями в той же области температур (1520-1560 К).
Измерения ия проводились на пластинах из ЦТС-35 с размерами (6x6x1) мм3 и ЦТС-22 диаметром 10 мм и толщиной до 2 мм. Образцы для исследований изготав-
ливались из керамической шихты с использованием в качестве связующего 5%-го раствора поливинилового спирта в воде. Прессование производилось при значении давления ~ 108 Па. По результатам измерения
плотность 9п составляла 25-30 % (0О
i 9„; 9„
2-
3 %). Для удаления связывающего вещества применялся отжиг при температурах ~n 103 К. При этом полная пористость - 9п - повышалась на 2-3 %.
Однако для всесторонней и полной оценки дефектных структур в материале недостаточно уметь рассчитывать ряд, пусть важных, характеристик. Влияние дефектов на физико-механические свойства объективно оценивается по величине дисперсии свойств. При работе в режиме сигнала строки или при сканировании линзы вдоль выбранного направления получаются наборы параметров, наглядно характеризующих однородность материала [1]. Выбор шага для измерений обусловлен размерами зерна (определенными по акустическим изображениям) и размерами минимального пятна (~ 6XR) акустического пучка. Расчетное значение дисперсии в этом случае составило D = 9,89 и может служить параметром однородности материала после той или иной его обработки.
Приведенные результаты, на наш взгляд, убедительно показывают возможность анализа дефектных структур и их влияния на физико-механические свойства твердотельных материалов с помощью методов АМД. При этом состояние поверхности оценивается и по акустическим изображениям, и по значениям упруго-механических параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kustov A.I., Migel I.A. // Strength and fracture of materials and constructions: Materials of the V International scientific conference. Orenburg, 2008. V. 1. P. 200-206.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Kustov A.I., Migel I.A. Elaboration of acoustomicroscopy methods for estimation of ascendancy from external influences on surface material state and physical properties
The article gives the results of elaboration of estimation methods for external influences on solid state materials. The methods of acoustomicroscopy fault detection.
Key words: elaboration of acoustomicroscopy methods; estimation of ascendancy; external influences on surface material state; physical properties.
