Выработка критериев оценки деформации поверхности твердотельных материалов амд-методами Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669.14.017:620.181

ВЫРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ АМД-МЕТОДАМИ

© А.И. Кустов, И.А. Мигель

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

Рассмотрено применение АМД-методов для оценки степени деформации металлических материалов.

Введение. В настоящее время основы методов аку-стомикроскопической дефектоскопии (АМД-методов) достаточно полно и подробно описаны рядом авторов [1-3]. Методологически они разделяются на 2 основных группы - методы акустической визуализации структуры материалов и методы, связанные с измерением конкретных физических параметров, таких как скорость акустических волн (АВ), акустический импеданс, коэффициент поглощения АВ и пр. Как показывает опыт, при решении практически всех задач материаловедения желательно применять как можно более широкий спектр методов исследования. То есть использовать весь набор дополняющих АМД-методов и режим визуализации, и режим И^-кривых [3]. По мнению ряда исследователей [3, 4], использование АМД-методов при изучении структуры и свойств твердотельных материалов может существенно повысить количество и качество информации об объекте, обеспечить высокий уровень достоверности.

Рис. 1. Акустическое изображение приповерхностных слоев ст. ВНС-2М (Н2О, f = 407 МГц, масштаб: 28 мкм/дел., 2 = -12 мкм)

К областям, где эти преимущества проявляются наиболее заметно, относится и область исследований, связанная с оценкой степени деформации поверхности твердотельных объектов, прежде всего, металлических. Поэтому целью настоящих исследований была разработка методологических основ изучения параметров деформации металлических материалов АМД-мето-дами и выработка критериев этого процесса.

Методика эксперимента. Первые три критерия связаны с анализом акустических изображений. Эти изображения формируются без какой-либо химической обработки образцов и могут быть получены на различной глубине от поверхности. Наличие серии снимков

выбранной области с заданным шагом по глубине позволяет формировать объемное изображение элементов структуры. Пример акустического изображение структурного строения стали ВНС-2М демонстрируется на рис. 1. На изображении имеется калибровочная сетка, позволяющая рассчитывать размеры тех или иных структурных составляющих. Измерив начальные размеры выбранного объекта вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений (а и Ь на рис. 2) и контролируя их в процессе деформации или после нее, определяют степень деформации структуры материала.

Другой оценочный критерий связан с нанесением на поверхность объекта исследований набора калиброванных «меток» (рис. 3). Зная величину периодов с и й до деформационного воздействия и их трансформацию после нее рассчитывают значение степени деформации. На рис. 4 демонстрируется акустическое изображение модельной регулярной структуры (с периодом 5 мкм) и ее изображение в режиме строки. Такая структура в виде «меток» на поверхности образца наблюдается в режиме акустической визуализации.

г

/

Ъ

Рис. 2. Схема определения степени деформации по изменению формы зерен структуры металла

Оценка степени деформации исследуемого образца может быть осуществлена и путем статистической обработки результатов анализа совокупности зерен структуры. Эта усредненная характеристика является третьим критерием оценки степени деформации образцов. Кроме того, режим визуализации приповерхностной структуры образцов позволял наблюдать изменение конфигурации зерен на глубине до нескольких десятков микрометров (рис. 5), а значит, оценивать степень деформации материала.

1875

Рис. 3. Схема расчета степени деформации поверхности материала по нанесенной регулярной структуре

Рис. 4. Акустическое изображение (а) регулярной структуры (с шагом 5 мкм) и режим строки (масштаб 23 мкм/дел.)

Не менее важными критериями оценки деформации являются критерии, основанные на применении методов анализа И2)-кривых [5]. Они позволяют рассчитать значения скорости акустических волн (АВ), прежде всего, поверхностных (ик). При деформации материала меняются как интегральные, так и локальные значения и. По их величинам, а также по степени дисперсии судят о степени деформации материала. На рис. 6 представлена характерная И2)-кривая для одного из сортов стали. Ее анализ позволяет оценить уровень поглощения АВ в материале, а также величину и и модуля упругости Е (см. выражения 1, 2):

1

Рис. 5. Послойная акустическая визуализация деформационной структуры образца

Деформация металла, возникновение упругих неоднородностей или микротрещин проявляется в трансформации характерной зависимости выходного сигнала преобразователя V от расстояния 2 до линзы. Поэтому, если исследовать образец по схеме, представленной на рис. 7, получим как изображения с различной конфигурацией зерен после различной степени деформации (рис. 8 и 9), так и различные значения и. Анализ изображений и расчет и по ^2)-кривым по-

1876

зволил получить для ряда сталей зависимости и и степени деформации от размеров зерна. Примеры полученных зависимостей представлены на рис. 10 и 11. В конечном итоге можно получить зависимость и - є %, анализ которой позволяет простым измерением скорости ПАВ получать величину деформации области исследований. Пример такой зависимости приведен на рис. 12.

Рис. 6. Пример И2)-кривой для стали 10Х12Н2ВМФ (Н2О, масштаб по горизонтали: 14 мкм/дел., по вертикали:

0,25 В/дел., А2лт = 17,4 мкм)

2

X

Рис. 7. Схема определения значений и и коэффициента поглощения АВ на образце после его деформации

Рис. 8, 9. Акустомикроскопическая визуализация структуры стали с одинаковой степенью деформации и различной ориентацией относительно плоскости прокатки (50 % деформация; шлиф параллелен плоскости прокатки; шлиф перпендикулярен плоскости прокатки; 2 = -10 мкм, масштаб 50 мкм/дел.)

. -1/2 -1/2 Ьэ мм

Рис. 10. Изменение скорости от размера зерна ст. 18ХГТ

d3 мкм

Рис. 11. Зависимость размера зерна dЗ стального образца (ст. 70) от степени деформации

* Л' 1М

Рис. 12. Изменение скорости ПАВ в приповерхностных слоях стального образца в зависимости от степени деформации

Таким образом, применение АМД-методов позволяет непосредственно рассчитывать степень деформации по акустическим снимкам или определять эту характеристику по значениям скорости ПАВ в образцах.

Выводы. Предложены критерии оценки степени деформации металлических материалов с использованием. Получены экспериментальные зависимости 8 % от uR, d3. Для ряда сталей проведен расчет степени деформации с помощью АМД-методов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wilson R.F., Weglein R.D. Acoustic microscopy of material and surface layers // J. Appl. Phys. 1984. V. 55. № 9. P. 3261-3275.

2. Кустов А.И., Мигель И.А., Суходолов Б. Г. Изучение влияния различных видов термомеханической обработки на структуру и свойства сталей и сплавов // МиТОМ. 1998. № 4. С. 29-32.

3. Кустов А.И., Буданов А.В., Кустов А.И. Исследование с помощью методов акустической микроскопии неоднородностей в поверхностных слоях твердотельных материалов и их роли в процессах разрушения // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2000. Т. 5. Вып. 2-3. С. 320322.

4. Кустов А.И. Дефектоскопия стеклянных материалов и методы акустической микроскопии // Физика и химия стекла. 1998. Т. 24. № 6. С. 817-824.

5. Кустов А.И., Мигель И.А. Оценка уровня свойств межзеренных границ и изучение структуры поверхностей раздела в металлических материалах методами акустомикроскопической // Материаловедение. 2010. Т. 2 (155). С. 9-14.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kustov A.I., Migel I.А. ESTIMATE CRITERIA CREATION OF SURFACE DEFORMATION IN SOLID MATERIALS BY ACOUSTIC MICROSCOPY DEFECTOSCOPY (AMD) METHODS In this paper the application of AMD-methods for assessing the degree of deformation of metallic materials is considered.

Key words: nondestructive evaluation; physical properties; acoustical microscopy; AMD-methods; estimate criteria of deformation.

УДК 539.4

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ МАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

© В.С. Глущенков, В.Б. Епифанов, Н.А. Архипова

Ключевые слова: композиционные материалы; модуль упругости.

Приведены расчетные значения модулей упругости матричного композиционного материала с матрицей из меди и включениями частиц железа в сравнении с экспериментальными данными.

Для прогнозирования эффективных (макроскопических) модулей упругости воспользуемся соотношениями для матричных композиционных материалов с шаровыми включениями, полученными в [1, 2]:

nn

+ 2 (Ц s — Ц m Ж а s (Ф m + 2 ф*а s );

1=1 ' s=1

nn

K’ = Km + 2 (Ks - Km )Фs Y s (Фm + 2 Фs Ys );

1=1 ' s=1

а s = 1 + ^1-^ (Цs -Цm ) 15(1 -V m ) Цш

(1)

Y s =| 1 +

1 + V m (Ks - Km ) 3(1 -Vm ) Km

Здесь | ,|т ,| ^, К •, Кт, К ,ут - сдвиговые и объемные модули упругости (эффективные, материала матрицы и материала включений соответственно) и коэффициент Пуассона материала матрицы; фт, ф ^ - объемные концентрации материала матрицы и включений,

^ = 1, 2,..., п.

На рис. 1 приведены значения эффективного модуля упругости сдвига, на рис. 2 - объемного модуля упругости композиции медь-железо в зависимости

1877