CC BY
40
УДК 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1004-1007
ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ АВИАЦИОННОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
© А.Е. Золотов, М.А. Желтов, К.А. Проскуряков, О.В. Гребеньков
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Методом высокоскоростной видеосъемки исследовали динамику и морфологию деформационных полос и прерывистую деформацию в условиях локального воздействия импульсного волоконного ИК-лазера на поверхность деформируемого алюминий-магниевого сплава АМг6. Экспериментально выявлены условия, при которых лазерное воздействие вызывает образование полос макролокализованной деформации и деформационные скачки амплитудой несколько процентов на диаграмме растяжения. Обсуждается возможный механизм этого явления.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; лазерное ИК-излучение.
В настоящей работе впервые исследуется влияние локального воздействия ИК-лазера на полосообразова-ние и прерывистую деформацию авиационного алюминиевого сплава. Исследования в данном направлении позволят определить условия формирования деформационных полос и их влияние на прочность алюминиевого сплава в процессе лазерной сварки под напряжением. Цель данной работы - исследование динамики зарождения и распространения деформационных полос в результате локального импульсного воздействия волоконного ИК-лазера на поверхность деформируемого авиационного алюминий-магниевого сплава АМг6.
Поликристаллические образцы сплава АМг6 (А1 -6,03 мас.% Mg - 0,5 мас.% Mn) в форме двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6x3x0,5 мм вырезали из листового проката после холодной прокатки (степень обжатия 0,3). Образцы предварительно отжигали в течение часа при температуре 450 °С и закаливали на воздухе. После термообработки размер зерна составил 10 мкм. Растяжение образцов проводили с постоянной скоростью возрастания напряжения при комнатной температуре в мягкой деформационной машине, описанной в [1]. Деформацию образца измеряли с помощью триангуляционного датчика положения фирмы Riftec с точностью 1,5 мкм в полосе частот 0-2 кГц, а силовой отклик механической системы машина-образец измеряли c помощью датчика усилия Zemic H3-C3-100 kg-3 B с чувствительностью 1,5 мкВ/Н. Скорость регистрации данных этих датчиков устанавливали равной 2 кГц. Измерения датчиков синхронизировали с высокоскоростной цифровой видеокамерой VS-FAST/G6 (НПК «Видеоскан»). Скорость видеосъемки поверхности составляла 500 кадр/с. Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма [2-3].
Источником излучения служил волоконный иттер-биевый импульсный ИК-лазер YLP-1-100-50-50-HC-RG
с длиной волны X =1,06 мкм со средней мощностью до 50 Вт. Излучение лазера собиралось линзой с фокусным расстоянием 80 мм на поверхность деформируемого образца в пятно с гауссовым радиусом г0 « 70 мкм. Видеосъемку противоположной стороны поверхности образца вели с помощью высокоскоростной видеокамеры через защитное стекло, которое предохраняло матрицу камеры от возможного попадания ИК-излучения. Использовали режим «свободной» генерации в течение 20 мс импульсов излучения длительностью 120 нс с частотой модуляции 70 кГц (время генерации задавалось прямоугольным импульсом тока длительностью 20 мс в режиме внешнего управления лазера). Данный режим в дальнейшем будет называть режимом одиночного «импульса» длительностью 20 мс. Такой режим воздействия является оптимальным для сквозного локального проплавления алюминиевого листа толщиной 0,5 мм и поэтому близок к условиям лазерной сварки.
В процессе растяжения образцов с заданной скоростью нагружения 0,2 ЫПа/с их поверхность подвергали локальному импульсному лазерному воздействию на различных стадиях ступенчатой деформации, как на гладких участках, так и во время развития деформационных скачков. Обнаружено, что на гладком участке диаграммы растяжения сквозное проплавление образца провоцирует зарождение и распространение полосы макролокализованной деформации, которая в свою очередь вызывает развитие макроскопического, амплитудой несколько процентов, скачка деформации на кривой нагружения. В то же время, если момент импульсного лазерного воздействия приходится на фронт деформационного скачка, то сквозное проплавление не оказывает заметного влияния на форму скачка, структуру силового отклика и пространственно-временное распределение деформационных полос.
На рис. 1 лазерный импульс вызвал образование сквозного канала проплавления в момент времени
Рис. 1. Результаты компьютерной обработки фрагмента видеофильма, демонстрирующего локальное сквозное проплав-ление и последующее зарождение и распространение деформационных полос в деформируемом плоском образце сплава АМг6 в результате воздействия на поверхность лазерного импульса. Скорость видеосъемки 500 кадр/с. Числа - номера кадров. Длительность лазерного импульса 20 мс. Плотность потока 1,3-105 Вт/см2. Момент начала лазерного воздействия соответствует кадру 47. Скорость нагружения О0 = 0,2 МПа/с
(кадр 47), соответствующий гладкому (без скачков) участку кривой растяжения. Спустя приблизительно 60 мс после сквозного локального проплавления на расстоянии от него около 1,8 мм через сечение образца начинает распространяться полоса макролокализован-ной деформации (кадры 80-83). Как видно из рисунка, полоса зарождается не в окрестности зоны оплавления, а на боковой поверхности образца (кадры 80, 81) и в ходе распространения «отражается» от оплавленной зоны (кадры 81-83). В ходе дальнейшего развития деформационного скачка полосы не подходят к зоне действия лазерного луча на расстояние меньше диаметра зоны оплавления. Это означает, что в кольцевой области размером порядка диаметра зоны оплавления материал упрочняется.
Синхронные записи лазерного триангуляционного датчика положения (кривая 1) и датчика усилия (кривая 2), который регистрирует силовой отклик на развитие деформационного скачка, представлены на рис. 2. Стрелкой отмечен начальный момент лазерного импульсного воздействия. Типичный скачок деформации имеет сигмовидную форму, а силовой отклик состоит из последовательности скачков разгрузки амплитудой 3-10 МПа, вызванных, по данным видеосъемки, зарождением и распространением полос деформации.
Как следует из анализа данных, представленных на рис. 1 и 2, импульс лазерного излучения, воздействующий на гладкий (без скачков) участок диаграммы растяжения, вызывает зарождение и распространение деформационной полосы, которая является в свою очередь триггером развития деформационного скачка -
ступени амплитудой Двт и 2 % на диаграмме растяжения (кривая 1 на рис. 2).
Полоса всегда зарождается от источника на боковой поверхности поликристаллического плоского образца и первоначально распространяется в плоскости максимальных касательных напряжений. Поверхностный дислокационный источник срабатывает, видимо, в результате действия термоупругих напряжений, обусловленных достижением боковой поверхности тепловой «волны» от очага лазерного воздействия. Действительно, время /0 между началом лазерного воздействия на поверхность металла и срабатыванием источника деформационной полосы по данным видеосъемки составляет ^ и 66 мс. За это время фронт тепловой
«волны» проходит дистанцию Ь и ^и 1,68 мм,
сравнимую с расстоянием между тепловым «пятном» и источником полосы, около 1,8 мм (см. кадр 80 на рис. 1). Далее полоса движется под углом около 60° к оси растяжения по направлению к очагу воздействия и «отражается» от области сжатия размером около 150200 мкм. Развитие первичной полосы деформации сопровождается развитием первого скачка разгрузки амплитудой Дст ~ 10 МПа в структуре силового отклика на развитие скачка деформации на кривой растяжения (рис. 2, кривая 2). Отметим, что размер зоны вокруг кратера, от которой отражается деформационная полоса, сопоставима с размером области упрочненного материала г и (2 — 3)г0 по данным измерения микротвердости и структурных исследований [4] в различных металлах и сплавах. Отметим, что при плотности потока В < 105 Вт/см2 сквозного проплавления не происходит; на внешней поверхности образуется кратер со
Рис. 2. Временная зависимость деформации Ае (1) и напряжения о (2) в ходе развития скачка деформации, инициированного лазерным импульсом. Серой полосой обозначен временной интервал воздействия лазерного импульса длительностью 20 мс. Числами 47-132 отмечены номера кадров видеофильма, представленного на рис. 1
следами оплавления, который однако также провоцирует образование полос в деформируемом образце. И наконец, при И < 104 Вт/см2 лазерный импульс не оказывает заметного влияния на полосообразование и прерывистую деформацию сплава АМг6.
Таким образом, локальное воздействие лазерного импульса ИК излучения длительностью 20 мс и плотностью потока > 105 Вт/см2, вызывающее сквозное проплавление плоского образца, провоцирует зарождение полосы деформации и последующее развитие макроскопического, амплитудой несколько процентов скачка деформации продолжительностью около 500 мс. Следовательно, нагрев локальной области образца импульсным лазерным излучением является лишь триггером деформационного скачка, который затем развивается за счет релаксации внутренних напряжений, накопленных в материале на гладком участке кривой растяжения. Необходимы дальнейшие исследования обнаруженного в настоящей работе влияния локального лазерного ИК-излучения на пластическую неустойчи-
вость алюминиевых сплавов, демонстрирующих прерывистую деформацию, для учета этого явления в технологиях лазерной сварки, прецизионной резки металла, пробивания отверстий, маркировки поверхности и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтое М.А. и др. // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20.
2. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтое М.А. // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97.
3. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтое М.А., Шукли-нов А.В. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22.
4. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера. М.: МГУ, 1975. 384 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 15-32-20200).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1004-1007
INFLUENCE OF LASER DAMAGE OF THE SURFACE ON MECHANICAL STABILITY OF AVIATION ALUMINIUM ALLOY
© A. E. Zolotov, M.A. Zheltov, K.A. Proskuryakov, O.V. Grebenkov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The dynamics and morphology of deformation bands and the discontinuous deformation under local action of pulsed infrared fiber laser radiation on the surface of aluminum-magnesium AlMg6 alloy have been studied by high-speed video recording techniques. Conditions under which laser action leads to the formation of ma-crolocalized deformation bands and deformation jumps of several percent on the stress-strain diagram are experimentally established. A possible mechanism of this phenomenon is discussed. Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; laser IK-radiation.
REFERENCES
1. Shibkov A.A., Lebedkin M.A., Zheltov M.A. et al. Zavodskaya laboratoriya — Industrial Laboratory, 2005, vol. 71, no. 7, p. 20.
2. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2012, vol. 76, no. 1, p. 97.
3. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Zheltov M.A., Shuklinov A.V. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2009, no. 9, p. 22.
4. Mirkin L.I. Fizicheskie osnovy obrabotki materialov luchami lazera. Moscow, Moscow State University Publ., 1975. 384 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 15-32-20200).
Received 10 April 2016
Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Zolotov Aleksander Evgenevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Желтов Михаил Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Zheltov Mikhail Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Проскуряков Кирилл Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Proskuryakov Kirill Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Гребеньков Олег Викторович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Grebenkov Oleg Viktorovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
