CC BY
10
УДК 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-993-996
ВЛИЯНИЕ УДАРА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АБРАЗИВНОЙ ЧАСТИЦЫ НА РАЗВИТИЕ МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ДЕФОРМИРУЕМОГО АВИАЦИОННОГО СПЛАВА
© М.А. Желтов, А.Е. Золотов, К.А. Проскуряков, В.И. Иволгин, А.А. Шибков
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Впервые проведены экспериментальные исследования ударных взаимодействий высокоскоростных абразивных частиц с поверхностью авиационного сплава АМг6, деформируемого в условиях эффекта Портевена-Ле Шателье. Установлены условия, при которых такое ударное взаимодействие провоцирует развитие пластических макроскопических неустойчивостей.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация.
Высокие требования, предъявляемые в авиационным материалам, включают в себя, помимо высокой удельной прочности (отношение прочности к плотности), высокую устойчивость к коррозии и ударным воздействиям высокоскоростных абразивных частиц. Последнее особенно важно при полетах в пыльной атмосфере и/или вблизи вулканического облака и т. д. Проблема осложняется тем обстоятельством, что большинство летательных аппаратов изготовлены из алюминиевых сплавов систем Al-Mg, Al-Li и AlCu, которые демонстрируют механическую неустойчивость в виде полосообразования и прерывистой деформации, известной как эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [1].
Цель настоящей работы - экспериментально исследовать влияние удара (ударов) скоростной абразивной частицы о поверхность деформируемого алюминий-магниевого сплава АМг6, применяемого при производстве авиакосмической техники и автомобилей. Этот сплав, как известно, проявляет ярко выраженный эффект ПЛШ при комнатной и повышенной температурах [2-3].
В качестве абразивных частиц использовали раскаленные частицы ^ размером ~ 100 мкм, образующиеся в результате взрыва медной проволочи диаметром 0,2 мм. По данным видеосъемки скоростной цифровой камерой VS-FAST/G6 скорость разлета составила около 100 м/с. Эти частицы фокусировались внутренней поверхностью конического зеркала 1 на поверхность плоского образца 2 (рис. 1), который растягивали с постоянной скоростью возрастания нагрузки в мягкой деформационной машине, описанной в [4].
При определенных условиях, как установлено, ударное воздействие на образец провоцирует развитие макроскопического скачка пластической деформации, образование деформационных полос и генерирование характерного сигнала акустической эмиссии (АЭ), который регистрировали с помощью пьезодатчика 4, широкополосного предусилителя 5, аналого-цифрового
преобразователя 7 и компьютера 8 (рис. 1). Зарождение и динамика деформационных полос контролировались с помощью видеокамеры VS-FAST/G6 со скоростью до 1000 кадр/с. Деформацию образца и силовой отклик системы машина-образец записывали со скоростью 2 кГц триангуляционным датчиком положения фирмы Riftec с точностью 1,5 мкм в полосе частот 0-2 кГц и датчиком усилия Zemic H3-C3-100 kg-3 B с чувствительностью 1,5 мкВ/Н, соответственно. Типичное повреждение поверхности образца в результате удара частицей показано на рис. 2б. Оно представляет остывший плоский фрагмент круговой формы, диаметром около 100 мкм, продуктов взрыва медной проволочки. Если момент взрыва проволочки приходится на
Рис. 1. Схема регистрации полос деформации и сигнала акустической эмиссии от удара о поверхность деформируемого образца абразивных частиц от взрыва проволочки. 1 - коническое зеркало, фокусирующее частицы на поверхность образца; 2 - образец под нагрузкой; 3 - скоростная видеокамера; 4 -пьезодатчик; 5 - предусилитель; 6 - коммутатор; 7 - АЦП; 8 -компьютер; 9 - экранирующий корпус. L - пояс Роговского для синхронизации временных и видеорядов с моментом взрыва проволочки, ИВН - источник высокого напряжения. С - конденсатор, емкостью 5 мкФ, К - ключ, Я3 - зарядное сопротивление
Рис. 2. а) кадр видеофильма разлета продуктов взрыва проволочки. Средняя скорость разлета 50-60 м/с. Скорость видеосъемки 5000 кадр/с; б) типичные картины повреждений поверхности сплава АМг6 в результате ударов абразивных частиц от взрыва медной проволочки диаметром 0,2 мм; в) фрагмент ступенчатой кривой деформации образца сплава Амг6 при условии &0 = const. Стрелкой отмечен момент взрыва проволочки
последнюю треть плато между скачками ступенчатой кривой нагружения (рис. 2в) образца сплава АМг6 в мягкой деформационной машине со скоростью = const, то удары абразивных частиц о поверхность образца вызывают «преждевременное» развитие макроскопического скачка деформации амплитудой несколько (2-4) процента.
Если момент взрыва приходится на первую треть плато, то такое воздействие не оказывает влияния (на макроуровне) на кривую нагружения, и, наконец, если момент взрыва приходится на вторую треть плато, то
вероятность появления макроскачка (ступени на деформационной кривой) возрастает от нуля до около единицы.
Скоростная видеосъемка показывает, что в течение не более 1 мс после удара абразивной частицы на поверхности зарождается полоса деформации. Дальнейшая ее динамика и морфология не отличается от описанной в работах [5-7] по исследованию полособразо-вания в условиях нагружения в мягкой машине, когда задается силовой закон возрастания нагрузки. Развитие деформационных полос вызывает развитие деформационного скачка и сложного силового отклика системы машина-образец (см. кривые 2 и 3 на рис. 3).
По данным видеосъемки, каждый скачок разгрузки в структуре силового отклика сопровождается зарождением и расширением очередной полосы деформации, которая зарождается на границе предыдущей полосы и т. д. Кроме того, момент удара и зарождение первой полосы сопровождается генерированием сигнала АЭ с очень малым временем переднего фронта, около 0,1 мс. Такой сигнал АЭ является предвестником последующего развития пластической неустойчивости в течение ~ 0,5 с и может быть использован в системах с обратной связью для запуска силовых устройств подавления пластических неустойчивостей, основанных, например, на пропускании через образец токов большой плотности [2].
Таким образом, экспериментально установлено, что ударное взаимодействие мелких (~ 100 мкм) абразивных частиц с поверхностью авиационного сплава АМг6
Рис. 3. Синхронная запись сигнала АЭ (1) скачка деформации (2) и силового отклика (3), спровоцированных ударом абразивной частицы от взрыва проволочки о поверхность деформируемого образца сплава АМг6
даже при сравнительно невысоких скоростях соударения, около 100 м/с, способно спровоцировать при определенных ситуациях развитие макроскопической пластической неустойчивости вблизи, например, нагруженного участка конструкции. В реальных условиях полета скорость ударного воздействия с внешними абразивными частицами может достигать ~ 103 м/с, поэтому полученные результаты должны учитываться в разработке технологии авиационных материалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях, включающих ударные взаимодействия с абразивными частицами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука, 1984. Ч. 2. 432 с.
2. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. // Materials Science & Engineering A 610. 2014. P. 338-343.
3. Шибков А.А., Золотое А.Е., Желтое М.А. // ФТТ. 2010. Т. 52. № 11. С. 2223-2231.
4. Шибков А.А., Желтое М.А., Лебедкин М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20-27.
5. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А. // Кристаллография. 2012. Т. 57. № 1. С. 111-118.
6. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. // Известия РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
7. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шуклинов А.В. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22-29.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 15-32-20200).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-993-996
INFLUENCE OF IMPACT OF THE HIGH-SPEED ABRASIVE PARTICLE ON DEVELOPMENT OF THE MAСROSCOPIC INSTABILITY OF DEFORMABLE AVIATION ALLOY
© M.A. Zheltov, A.E. Zolotov, K.A. Proskuryakov, V.I. Ivolgin, A.A. Shibkov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Impact interplays between high-speed abrasive particles and surface of the aircraft AlMg6 alloy, straining in conditions of the Portevin-Le Chatelier effect is carried out for the first time. Conditions in which this impact actions initiates development of the macroscopic plastic instabilities are found. Key words: aluminum-magnesium alloy; jerky flow.
REFERENCES
1. Bell Dzh.F. Eksperimental'nye osnovy mekhaniki deformiruemykh tverdykh tel. Moscow, Nauka Publ., 1984, pt. 2. 432 p.
2. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. Materials Science & Engineering A 610, 2014, pp. 338-343.
3. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. // Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 11, pp. 2223-2231.
4. Shibkov A.A., Zheltov M.A., Lebedkin M.A., Skvortsov V.V., Kol'tsov P.Yu., Shuklinov A.V. Zavodskaya laboratoriya - Industrial Laboratory, 2005, vol. 71, no. 7, pp. 20-27.
5. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2012, vol. 57, no. 1, pp. 111-118.
6. 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, pp. 97-107.
7. 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, pp. 22-29.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental research (project no. 15-32-20200).
Received 10 April 2016
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]
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]
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]
Иволгин Владимир Иванович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, лаборант кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Ivolgin Vladimir Ivanovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Laboratory Assistant of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Shibkov Aleksander Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
