Анализ эволюции дефектной структуры поликристаллических материалов на различных стадиях нагружения методом акустической эмиссии (24.10.2011)

Автор: Башков Олег Викторович

Первые две стадии одинаковые для всех типов кривых: I – упругости, II – начало пластической деформации. Последующие стадии различны: стадии легкого скольжения и линейного деформационного упрочнения (стадии III и IV соответственно на рис. 1, а) отмечены для кривых с типом поведения I. Деформационное упрочнение, убывающее с малой квазипостоянной скоростью, также присутствует в каждом из типов деформации (стадия V для типа I и стадия III для типов II и III). Стадия П – переходная для типа деформации I. Стадия IV для типа деформационного поведения III, проявляющаяся в локальных пластических сдвигах при деформации, получила название эффекта Портевена–Ле Шателье.

Изучение физических явлений, происходящих в материалах при циклическом воздействии переменных нагрузок, представляет собой трудоемкий процесс. Это связано с необходимостью остановки эксперимента в различные моменты времени без возможности их продолжения для проведения аналитических исследований. В.С. Ивановой и В.Ф. Терентьевым в 1975 г. по результатам многочисленных экспериментальных данных было представлено описание стадийности накопления усталости на основании обобщенной диаграммы усталости, разработанной В.С. Ивановой в 1963 г. Схема диаграммы включает четыре периода усталости, выделенные на основании исследований о накоплении повреждаемости в материалах (рис. 2).

Рис. 2 Схема диаграммы усталости [11]:

Nк – критическое число циклов,

Nw – базовое число циклов,

?к – критическое напряжение усталости,

?и – напряжение текущего испытания,

?w – предел усталости,

?т.ц. – циклический предел текучести

Информация, которая может быть получена из кривых течения и деформационного упрочнения для статического нагружения и кривой усталости для циклического нагружения, дает представление лишь о макропроявлениях различных механизмов деформации и разрушения. Проводимый в процессе исследования и наиболее активно применяемый на сегодняшний день микроструктурный и фрактографический анализ позволяет получить результирующую информацию о структурном состоянии в локальных местах материала уже после испытаний. Однако, кинетика структурных изменений на микроуровне и ее влияние на механические и эксплуатационные свойства материалов в процессе механического воздействия, остается за рамками рассмотрения. Метод АЭ позволяет регистрировать кинетику структурных изменений и эволюцию дефектов и использовать полученную информацию при анализе механизмов деформации и разрушения материалов на различных структурных уровнях.

Исследованием акустической эмиссии при пластической деформации металлов и сплавов занимались многие российские и зарубежные ученые. В.П. Ченцовым, Ю.И. Фадеевым, О.А. Бартеневым были рассмотрены вопросы экспериментального определения основных механических характеристик прочности. Зарубежные исследования механизмов пластического течения наиболее ярко представлены работами Поллока, Харриса из компании Физикал Акустик Корпорейшн (PAC, США), проводимых под руководством Гарольда Данегана. Однако, их работы максимально были сконцентрированы на практическом приложении достижений АЭ для диагностики технического состояния устройств и конструкций. Из зарубежных работ в области использования АЭ для исследования механизмов пластической деформации и кинетики разрушения можно выделить работы японских ученых. Ё. Накамура и К. Вич впервые применили амплитудное распределение сигналов АЭ для разделения источников АЭ на излучаемые при хрупком разрушении и пластической деформации. Канджи Оно (Токийский университет) с группой исследователей изучал особенности проявления АЭ при пластической деформации чистых металлов и сплавов с целью установления механизмов, порождающих АЭ излучение, и выявления их связи со структурой и свойствами материалов. Большие достижения в области разделения типов источников при исследовании пластического течения и развития трещин в конструкционных материалах были достигнуты Г.Б. Муравиным, Л.М. Лезвинской в результате использования частотно-энергетического анализа сигналов АЭ. В результате многолетней работы в области применения АЭ для исследования механизмов деформации и разрушения материалов, было установлено, что метод АЭ может быть активно использован во многих областях структурного анализа материалов, технического состояния конструкций и прогнозирования разрушения технических устройств. Однако, отсутствуют обобщенные данные, позволяющие системно описать механизмы влияния структуры на проявление АЭ для различных материалов в зависимости от типа решетки и структурного состояния. На основании проведенного анализа в конце главы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе обоснован выбор материалов для исследования, описаны используемые в работе оборудование и экспериментальные методики.

Для реализации поставленной в работе цели и сформулированных задач проводились исследования при одновременном комплексном использовании методов тензометрии, оптического метода построения карт деформации поверхности на базе испытательной машины ИМАШ 2078, оптико-телевизионного комплекса TOMSC и метода акустической эмиссии. Тензометрический метод выбран как базовый для получения первичной информации о типе поведения материалов при деформации, выявления стадий и их гарниц. Оптико-телевизионный метод использовался совместно с методом АЭ как корреляционный для выявления связи между количественными характеристиками деформации, рассчитанными на основании корреляции цифровых изображений поверхности деформируемого материала и эволюцией дефектной структуры, выявленной на основании данных АЭ.

В основе выбора сплавов лежала задача оценить влияние структурного состояния и условий деформации на особенности накопления повреждений по регистрируемой АЭ и установить их связь с эволюцией дефектов структуры и механическими свойствами металлических материалов. Выбор позволил охватить группы конструкционных материалов, широко используемых в машиностроении и авиационной промышленности. Для проведения исследований были подобраны сплавы с различными типами кристаллической решетки (ОЦК, ГЦК, ГПУ), образцы подвергнуты различным видам объемной термической и поверхностной химико-термической обработки. Исследования проводились на следующих широко используемых и распространенных конструкционных материалах:

сплавы на основе железа – стали: 20, 45, 12Х18Н10Т, 30ХГСА (ОЦК);

алюминиевые сплавы: Д16АТ, АМГ6АМ (ГЦК);

титановые сплавы: ОТ4, ВТ20 (ГПУ).

Кроме того, для получения отдельных промежуточных результатов и отработки новых методик были проведены исследования накопления повреждений при деформации таких материалов как: олово, свинец, сплавы на их основе, сталь 3сп, армко-железо, медь, цирконий, молибден, вольфрам, никель, титановые сплавы: ВТ1-0, ВТ3-1, алюминиевые сплавы: Д16, В95, неметаллы (тефлон, оргстекло, полиуретан, полиэтилен), композиционные материалы на металлической и неметаллической основах.

С целью установления связи между структурой, механическими свойствами, полученными при термической обработке, и акустической эмиссией при деформации проведены исследования конструкционных материалов с различными видами термической обработки: нормализация (сталь 20, 45, 30ХГСА, 12Х18Н10Т), закалка и естественное старение (Д16АТ), отжиг (сталь 45, АМг6АМ, ОТ4, ВТ20), различная степень отпуска (сталь 45). Проводились исследования материалов с нанесенными различными способами упрочняющими покрытиями: покрытие, полученное путем ионного газового азотирования (12Х18Н10Т), поверхностное упрочнение, полученное путем поверхностной лазерной закалки (сталь 45). Влияние концентрации напряжений исследовалось при испытании на растяжение образцов с поверхностным надрезом. Для исследования влияния структуры поверхности на изменение стадийности деформации и характера АЭ при циклических испытаниях, формировался профиль шероховатой поверхности посредством электроэрозионной обработки с различной энергией электрических импульсов.

В работе проводились следующие виды механических испытаний: испытание на одноосное растяжение, испытание на циклическую выносливость. Испытания на одноосное растяжение проводились на испытательной машине INSTRON-5582 и нагружающих устройствах установок для исследования образцов в вакууме или среде инертного газа АЛАТОО, ИМАШ-2075 и ИМАШ-2078. Испытания на циклическую выносливость проводили на уникальной, разработанной в КнАГТУ, установке с пониженным уровнем акустических шумов, предназначенной для циклических испытаний на изгиб образцов с защемленным концом.

Для испытаний на растяжение изготавливались плоские образцы с размером рабочей части 2*2*42 мм3 с площадками по краям для захватов испытательной машины и установки датчиков АЭ (пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП)). Рабочая часть образцов для циклических испытаний по методике изгиба с защемленным концом имела форму балки равного сопротивления нагрузке: плоские, толщиной рабочей части 2 мм в форме равнобедренного треугольника. Такая форма образцов выбрана с целью создания в равноудаленных от средней плоскости слоях образцов равных напряжений и установления равновероятной возможности разрушения по всей длине рабочей части образца.

В работе использовались следующие инструментальные методы исследования стадийности деформации и разрушения материалов: тензометрический метод построения диаграмм нагружения и графиков деформационного упрочнения, оптический метод регистрации изображений поверхности материалов в процессе деформации, метод металлографического анализа, акустико-эмиссионный метод. Построение диаграммы нагружения и деформационного упрочнения осуществлялось: для испытаний на универсальной машине INSTRON-5582 на основе цифровых данных, поступающих на ЭВМ от испытательной машины; для испытаний на ИМАШ-2075, ИМАШ-2078 на основе оцифрованных данных, изначально полученных при регистрации на самописце. Оптические изображения полированной и деформируемой в процессе механического нагружения поверхности материалов регистрировались с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса «TOMSC». Металлографический анализ и фотографирование микроструктур осуществлялось на микроскопе Микро-200, Neophot-2 с помощью программы регистрации и анализа изображений Image-Pro Plus 5.1. Регистрация и обработка данных АЭ проводились с помощью разработанных в КнАГТУ аппаратно-программных многоканальных акустико-эмиссионных комплексов «AE-Recorder», «AE-Pro 2.0». Измерения твердости проводились на твердомере Роквелла, микротвердости – на микротвердомере ПМТ-3. Для экспериментального моделирования процесса распространения акустических волн в материалах использовалось следующее оборудование: преобразователь формирователь акустического поля (ПФАП), генератор сигналов специальной формы Г6-28, генератор радиочастотный АНР-4080 (КНР), генератор импульсов Г5-60, осциллограф цифровой АСК-2205 (КНР), осциллограф аналоговый С1-83.

Азотирование поверхности образцов осуществлялось в печи с ионным азотированием в аммиачной среде. Термическая закалка поверхностного слоя образцов стали 45 производилась в процессе их автоматизированной вырезки по контуру на лазерной установке Bistronic.

В третьей главе представлены результаты работ по разработке методов, а также аппаратных и программных средств для регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ.

Для проведения исследований был специально разработан универсальный программно-аппаратный акустико-эмиссионный комплекс, который включает: ЭВМ с установленной в нее платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) PCI-9812 фирмы AdLink, комплекта усилителей и ПЭП, источника питания усилителей, программное обеспечение (ПО) Acoustic Emission Pro v2.0. Программные продукты зарегистрированы в реестре программ для ЭВМ (№№ 2000611310, 2003610509, 2007610113, 2011611696).

Основными функциями комплекса являются: регистрация и визуализация основных параметров АЭ (интегральное накопление суммарной АЭ N, активность АЭ dN/dt, амплитуда U, энергия Е, амплитудное и энергетическое распределения сигналов АЭ) в реальном времени в течение всего времени эксперимента. В работе комплекса реализована функция локации сигналов АЭ, основными функциями которой являются: фактическое определение местоположения источников АЭ, селекция ложных срабатываний или излучений сигналов АЭ не с зоны рабочей части образца.

В работе отработана методика анализа совокупности параметров сигналов АЭ непосредственно в процессе проведения эксперимента. Разработано программное обеспечение в среде Matlab для первичной и постобработки сигналов АЭ. Проведено экспериментальное моделирование распространения акустических волн с характеристиками регистрируемых сигналов АЭ. Для этого с помощью генератора импульсов расчетным и экспериментальным путем подбирались параметры возбуждающих электрических сигналов, инициирующих соответствующие различным типам сигналов АЭ механические колебания. Установлено, что на формирование сигнала АЭ оказывают влияние такие параметры источника деформации как энергия, выделяющаяся при деформации, и величина локальной деформации объема материала. Величина и скорость деформации косвенно связаны с энергией и частотой упругой акустической волны, возникающей в процессе деформации: энергия акустической волны Eак.=A·?·S·L·V2, частота f=B·V2/(cl,t·L) [3], где A и B – коэффициенты пропорциональности, ? – плотность материала среды, S – площадь образующейся поверхности дефекта, L – его характерный размер или перемещение, V – скорость движения дефекта, cl,t – групповая скорость акустической волны в материале. С другой стороны энергия электрического сигнала равна

где u(t) – мгновенное текущее значение электрического сигнала на выходе АЭ аппаратуры, действующего на протяжении времени tc, Z – электрический импеданс цепи АЭ аппаратуры.

Если принять для упрощения расчетов Z=1 при постоянных электрических параметрах АЭ аппаратуры в рамках серии экспериментальных исследований, то энергия оцифрованного электрического сигнала будет равна

где fд – частота дискретизации АЦП, n = tс·fд – число дискретных отсчетов измерения мгновенного значения ui сигнала АЭ.

Численная характеристика частоты сигналов АЭ была получена с использованием вейвлет преобразования, так как сигналы АЭ априори являются стохастическими. Локализованный во времени вейвлет-спектр более точно описывает трансформацию спектра в процессе распространения сигнала АЭ в материале в сравнении со спектром Фурье. Для дальнейшего анализа был разработан количественный параметр, названный частотным коэффициентом Kf, рассчитываемый по формулам:

 - среднее значение ряда из n отсчетов j-го вейвлет-коэффициента.

Физический смысл частотного коэффициента Kf можно определить как вклад частотных компонент спектра в сигнал АЭ в целом. Для выделения полезных сигналов, регистрируемых при деформации образца, и их селекции от шумовых источников и источников, находящихся за пределами рабочей части образца разработаны алгоритмы и программное обеспечение по локации источников АЭ с учетом удлинения образца и трансформации акустических волн в материале в процессе испытаний. Алгоритмы используют вейвлет разложение сигналов АЭ и основаны на анализе задержки распространения отдельных частотных компонент относительно других. С использованием вейвлет анализа также разработана методика определения местоположения источников АЭ с использованием одного приемника, которая позволяет проводить локацию источников АЭ в местах, где отсутствует возможность установки ПЭП, в частности при циклических испытаниях с жестко закрепленным одним из концов образца (патент № 2425362, зарегистрирован 27.06.2011).

В четвертой главе представлены результаты исследований, полученные на основе разработанных методик, по классификации и идентификации типов источников АЭ.

Классификация типов источников АЭ проводилась с целью получения и использования параметров АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов, преобладающих на различных стадиях деформации и разрушения материалов. На основании литературного анализа и ранее проведенных исследований была выдвинута гипотеза по разделению источников АЭ три основных типа: 1) образование и развитие трещин (хрупкое разрушение), 2) генерация и движение дислокаций (пластическая деформация), 3) образование двойников (пластическая деформация). Дополнительно предложено разделить хрупкое разрушение на два вида: 1) образование и развитие микротрещин (соизмеримых с размерами зерен и их границ), 2) образование и развитие макротрещин с линейным приращением > 10(20 мкм.

Для регистрации образования и развития трещин были поставлены два типа экспериментов. В первом испытанию подвергали образцы с твердыми упрочняющими покрытиями (углеродистая сталь с поверхностной закалкой, легированная сталь и титановые сплавы с азотированным поверхностным слоем). На предварительно отполированной поверхности фиксировали моменты образования трещин и регистрировали АЭ (рис. 3, а). Во втором регистрировалось подрастание предварительно выращенных усталостных трещин в различных конструкционных материалах: сталь, титановые и алюминиевые сплавы. Установлено, что макротрещины излучают сигналы АЭ акселерационного типа (рис. 3, б). После достижения максимума следует снижение амплитуды осцилляций по релаксационному типу (затухающая во времени амплитуда осцилляций). Спектр имеет максимум в области низких частот (до 200 кГц) (рис. 3, в). Амплитуда и энергия сигналов АЭ зависят от величины приращения трещины, вызвавшей акустический сигнал. Сигналу от трещины могут предшествовать сигналы от дислокаций, излучаемых пластически деформируемой зоной в ее вершине. В случае регистрации трещины, приведенной на рис. 3, – это пластическая деформация зоны материала подложки, прилегающей к поверхностно-упрочненному слою.

Рис. 3. Образовавшаяся при растрескивании упрочненного слоя образца стали 12Х18Н10Т трещина а), сигнал АЭ, зарегистрированный при ее образовании б), Фурье- в) и вейвлет г) спектры сигнала АЭ.

АЭ при генерации и движении дислокаций регистрировалась на стадиях легкого скольжения и деформационного упрочнения сталей (рис. 4, а) и других материалов. Регистрируемые во время легкого скольжения сигналы АЭ всегда имеют высокочастотный передний фронт и достаточно быстро затухают (рис. 4, б). Амплитуда и энергия излучаемых сигналов минимальны. Часто сигналы, излучаемые дислокациями, предшествуют сигналам другого процесса или, суммируясь, могут протекать одновременно с ним. Выделить часть сигнала из общего события оказалось возможным при помощи вейвлет анализа, который позволяет разделять сигнал и по частоте, и по времени (рис. 3, г). Сигналы АЭ, качественно характеризуемые как сигналы дислокационного типа, регистрировались также при проявлении чисто дислокационных эффектов в процессе деформации сплавов: эффекта прерывистой текучести Портевена-Ле Шателье.

Образование двойников регистрировалось при статических испытаниях растяжением преимущественно в материалах с ГПУ решеткой (титановые, циркониевые сплавы, цинк). Двойники излучают сигналы с большой амплитудой и энергией, с резким передним фронтом малой длительности. В титановых сплавах двойники начинают излучать сигналы большой энергии уже с самого начала пластической деформации (рис. 5). Максимальная амплитуда сигналов достигается с первых осцилляций и поддерживается в большинстве случаев квазипостоянной или модулирована низкочастотной составляющей. Также, сигнал может иметь сравнительно короткий высокочастотный передний фронт, что может быть связано с предварительным срывом двойникующей дислокации с места ее закрепления. Спектр Фурье достаточно широк с пиком в низкочастотной области, выраженным менее ярко, чем в сигналах, излучаемых макротрещинами.

Рис. 4. Диаграмма нагружения и активность АЭ а), зарегистрированный на стадии легкого скольжения сигнал АЭ б), его Фурье- в) и вейвлет г) спектры, характерные для деформации образца стали ст3сп.


загрузка...