Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

FEATURES OF DEFORMATION AND ACOUSTIC EMISSION BEHAVIOR IN ALUMINIUM-MAGNESIUM ALLOYS CONTAINING MG 6%

Makarov S.V. 1 Kolubaev E.A. 2, 3 Lysikov M.Yu. 1
1 Altai State University
2 Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
3 National Research Tomsk Polytechnic University
Проведены исследования деформации и акустической эмиссии в Al-Mg сплаве при нагружении в широком интервале температур вплоть до температуры плавления. Получены экспериментальные данные по накоплению деформации и акустической эмиссии в образце АМг6 в условиях неизотермического цикла при постоянном механическом напряжении. Обнаружено, что при нагреве нагруженного образца наблюдаются участки монотонного накопления деформации в двух температурных интервалах, характеризующиеся разной скоростью деформации. В низкотемпературной области накоплению деформации с низкой скоростью соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, что свидетельствует о низкой корреляции элементарных деформационных актов. В высокотемпературной области быстрое накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии, что приводит к формированию глобального макроскачка. Такой характер деформации свидетельствует о высокой корреляции элементарных деформационных актов.
Researches of deformation and acoustic emission in Al-Mg alloy under load over a broad temperature range up to melting temperature were occured. Experimental data on the accumulation of deformation and acoustic emission in the sample AMg6 in conditions of nonisothermal cycle under constant mechanical tension were obtained. It was found that on heating of loaded sample plots monotonic accumulation of deformation in two temperature ranges are observed which are characterized by different rates of deformation. Low amplitude monotone acoustic emission corresponds to deformation accumulation with low speed in low temperature region that indicates on low correlations of element deformation acts. In the high-temperature area the rapid accumulation of deformation corresponds to the rapid monotonic growth of high-amplitude acoustic emission, which leads to the formation of a global macrojump.. This type of deformation shows a high correlation of elementary deformation acts.
acoustic emission
thermomechanical loading
mechanical activation

Характерным откликом алюминиево-магниевых сплавов на механическое нагружение является эффект прерывистой текучести, проявляющийся в формировании полос деформации, которые представляют собой области локализации пластической деформации [1]. Прерывистая текучесть на зависимости напряжение – деформация представляет собой скачки (зубцы) напряжения, причем полоса деформации, ответственная за акты прерывистой текучести, является макроскопическим объектом и развивается из критического зародыша полосы. При анализе поверхностного рельефа образцов обнаружено два типа полос деформации: пространственно неорганизованные полосы и пространственно организованные. Каждый акт прерывистой текучести связан с появлением одной полосы деформации [2].

Прерывистая текучесть сопровождается импульсами акустической эмиссии, коррелирующими с появлением полос деформации, то есть каждому скачку напряжений соответствует импульс акустической эмиссии [2]. Проявление закономерностей прерывистой текучести и акустической эмиссии есть следствие волновой природы деформации в алюминиево-магниевых сплавах: волна деформации, распространяясь от концентратора напряжений, стимулирует образование полос деформации и акустическую эмиссию [3].

Целью данной работы является проведение исследования деформации и акустической эмиссии в Al-Mg сплаве при нагружении в широком интервале температур вплоть до температуры плавления.

Методика экспериментов

Объектом исследований был выбран алюминиево–магниевый сплав АМг6. Из пластины сплава АМг6 вырезали образцы в виде стержней длиной 300 мм, в которых были сформированы области локализации деформации диаметром 4 мм и длиной 30 мм. Образец предварительно отжигали при температуре 500 0С в течение 1 часа и охлаждали с печью. Механическое нагружение, измерение деформации, температуры и среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии проводили с помощью установки, схематичное изображение которой приведено на рис. 1. Как следует из схемы установки, образец нагружали сдвиговым напряжением и измеряли сдвиговую деформацию. Нагружение осуществляли неизотермическим путем, непрерывным нагревом начиная от 25 0С и до
5000С. Следует заметить, что кроме среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии U, в экспериментах анализировали и интегральный параметр акустической эмиссии J=ΣU2 Δti , где Δti – шаг разбиения временного интервала процесса.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – образец в виде стержня; 2 – неподвижный захват установки; 3 – подвижный захват установки с устройством нагружения и измерения деформации; 4 – нагревательный элемент; 5 – пьезопреоразователь сигналов акустической эмиссии; 6 – аналогоцифровой преобразователь; 7 – компьютер; символы I, II, III обозначают соответственно акустический канал, термопару, канал измерения деформации.

Экспериментальные результаты

Экспериментальные данные по накоплению деформации и акустической эмиссии в образце, полученные в условиях неизотермического цикла при постоянном механическом напряжении величиной около 120 MПa, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии (1) и деформация (2) в сплава АМг6 при нагрузке 120 МПа в ходе неизотермического термомеханического цикла: 3 – температура в ходе нагрева. Области: I – низкотемпературная, II - высокотемпературная

Из приведенных данных следует, что при нагреве нагруженного образца наблюдается два участка монотонного накопление деформации (область I, область II). В низкотемпературной области I в температурном интервале 20 - 400 0С монотонному накоплению деформации величиной примерно 5 % соответствует акустическая эмиссия, характеризуемая монотонным изменением среднеквадратического напряжения акустической эмиссии.

В высокотемпературной области II при температуре около 400 0С (Тгр) характер накопления деформации и акустической эмиссии меняется: быстрому возрастанию накопления деформации соответствует активный рост амплитуды среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Это может свидетельствовать, что в области II после 400 0С активизируется второй механизм накопления деформации, который становится основным. Интегральный параметр акустической эмиссии J пропорционален энергии акустической эмиссии и характеризует интенсивность элементарных деформационных процессов, ответственных за формирование акустических сигналов (таблица 1).

При увеличении нагрузки в неизотермических циклах до 200 МПа характер деформации изменяется на монотонно-скачкообразный (рис.3).

Рис. 3. Среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии (1) и деформация (2) в сплава АМг6 при нагрузке 200 МПа в ходе неизотермического термомеханического цикла: 3 – температура в ходе нагрева. Области: I – низкотемпературная, II – высокотемпературная.

На фоне монотонно возрастающей нагрузки возникают деформационные скачки. Первый деформационный скачок (0,003 %) формируется при 265 0С, которому соответствует пик акустической эмиссии амплитудой 0,18 мкВ (Таблица 1). С ростом температуры процесс накопления деформации имеет периодический характер - монотонные участки чередуются с деформационными скачками, которые, в свою очередь, коррелируют с высокоамплитудными сигналами акустической эмиссии. Температурный интервал монотонно-скачкообразной деформации составляет 265 – 365 0С. Отметим, что монотонно-скачкообразный характер деформационного поведения сплава проявляется при высоких значения механических напряжений около 190-200 МПа. Что может свидетельствовать об особом, структурно-упрочненном состоянии материала. Анализ деформационных скачков и акустической эмиссии при монотонно-скачкообразной деформации в неизотермических циклах показал (Таблица 1), что с возрастанием температуры в цикле увеличиваются как деформационные скачки (от 0,003 до 1,275 %), так и амплитуда сигналов акустической эмиссии (от 0,18 до 2,53 мкВ), а интегральный параметр акустической эмиссии J, характеризующий интенсивность элементарных деформационных процессов изменяется почти на два порядка.

Таблица 1

Параметры деформационных скачков и акустической эмиссии при монотонно-скачкообразной деформации в неизотермическом цикле при нагрузке 200 МПа.

Деформационный скачок

Температура скачка, 0С

Jпика,

10-12 В2∙с

Величина деформационного скачка, %

Амплитуда сигналов акустической эмиссии, мкВ

1

265

0,11 ± 0,29

0,003

0,18

2

305

0,90 ± 0,28

0,011

1,61

3

320

0,83 ± 0,21

0,013

1,45

4

345

4,21 ± 0,32

0,623

2,45

5

365

7,41 ± 0,30

1,275

2,53

Рост амплитуды единичного сигнала акустической эмиссии свидетельствует о возрастании корреляции в системе элементарных деформационных актов в условиях сложного термомеханического нагружения (табл. 1) [4]. При этом доля деформационных скачков в общей монотонной деформации за цикл не существенна и составляет 0,06.

Для всех неизотермических циклов при механических нагрузках в интервале от 40 до 200 МПа на деформационной зависимости можно выделить две области: низкотемпературную – область I, высокотемпературную – область II (рис. 2, рис. 3), отличающиеся скоростью накопления деформации, следовательно, скоростью элементарных деформационных процессов.

В рамках данного подхода был проведён анализ зависимости накопления деформации на двух деформационных участках методом наименьших квадратов с помощью двойной экспоненциальной функции вида:

,

где e01, e02 – начальные деформации, v1, v2 –скорости деформации на двух температурных интервалах (области I, II). Данные аппроксимации зависимости деформации от времени в неизотермических циклах при разных механических нагрузках приведены в таблице 2.

Для двух температурных интервалов (области I, II) найдены скорости деформации v1 и v2

Для низкотемпературного интервала среднее значение скорости деформации v1 составляет 0,0031±0,0017 с-1 , тогда как для высокотемпературного v2 = 0,0129±0,0021 с-1.
Т.е. средняя скорость деформации в высокотемпературной области приблизительно в четыре раза выше средней скорости деформации в низкотемпературной области. В области II температурный интервал составляет приблизительно 100 0С для всех механических нагрузок (Таблица 2). При этом граничная температурная точка (Тгр) (рис. 1, рис. 2) между областями I и II смещается в область низких температур с ростом механического напряжения в циклах.

Таблица 2

Значения параметров аппроксимации деформационной зависимости в условиях неизотермического нагружения для двух температурных интервалов.

Напряжение в цикле, МПа

Температура,0С

Энергетический параметр J, 10-12 В2∙с

Параметры аппроксимации

Область 1

Область 2

Область 1

Область 2

Область 1

Область 2

R

e1, %

v1, с-1

e2, %

v2, с-1

40

210-450

450-560

5,51

12,26

0,028

0,004

0,0004

0,016

0,940

50

190-440

440-560

8,23

18,11

0,031

0,004

0,0004

0,019

0,973

60

220-450

450-540

7,97

16,89

0,017

0,003

0,0001

0,016

0,993

70

190-430

430-540

15,49

35,29

0,017

0,003

0,0001

0,016

0,993

80

190-460

460-540

11,34

30,24

0,059

0,002

0,0005

0,019

0,997

90

200-480

480-520

11,79

19,49

0,003

0,004

0,0002

0,014

0,994

100

210-460

460-520

11,51

26,43

0,01

0,009

0,00006

0,013

0,998

110

120-460

460-510

16,89

43,13

1,12

0,007

0,00003

0,016

0,996

120

120-390

390-500

16,56

29,59

0,37

0,003

0,00081

0,019

0,998

130

130-370

370-470

13,15

36,17

0,15

0,003

0,0004

0,015

0,998

140

80-330

330-430

13,89

43,10

0,02

0,005

0,0024

0,015

0,999

150

200-350

350-470

9,84

37,14

0,08

0,002

0,00163

0,021

0,995

160

180-350

350-440

11,32

29,01

0,04

0,002

0,00006

0,017

0,996

170

170-300

300-420

6,93

40,73

0,06

0,002

0,00002

0,016

0,996

180

150-300

300-420

7,64

40,66

0,05

0,006

0,00005

0,019

0,997

190

170-240

240-410

4,52

58,02

0,24

0,007

0,00038

0,024

0,995

200

190-260

260-380

3,15

51,64

1,45

0,001

0,0010

0,019

0,998

Обсуждение результатов

Процесс накопления деформации в алюминиево-магниевом сплаве, протекает на двух температурных интервалах: низкотемпературном – область I, высокотемпературном – область II. Скорость деформации на первом температурном интервале почти в четыре раза меньше скорости в области II.

В области I низкой скорости накопления деформации (v1=0,0031 с-1) соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, свидетельствующая о низкой корреляции элементарных деформационных актов [5]. Малоамплитудная акустическая эмиссия соответствует малым степеням деформации образца в пределах [2, 3]. В высокотемпературной области II быстрое (v2=0,0129 с-1) накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии. Здесь рост акустической эмиссии может свидетельствовать о повышении корреляционных эффектов в системе элементарных деформационных актов. При этом с ростом температуры повышение корреляции в системе элементарных деформационных актов может привести к формированию глобального макроскачка и разрушению материала. Формирование глобального макроскачка свидетельствует о макроскопическом масштабе (в образце) корреляции деформационных актов.

Из данных рис. 2, 3 и таблицы 2 следует, что вблизи переходной температуры (между областями I и II) около Тгр стопоры (частицы фазы AlMg) растворяются и концентраторы напряжений исчезают. По-видимому, при более однородном упругом поле напряжений работает система элементарных деформационных актов, слабо коррелированная в объеме деформации. Рост механического напряжения в циклах приводит к уменьшению потенциального барьера концентраторов напряжений, и как следствие к смещению Тгр в область низкий температур.

Кроме того, в условиях высоких механических нагрузок (190-200 МПа) в областях I, II формируются единичные деформационные скачки различной амплитуды в температурном интервале 265-365 0С, которые соответствуют высокоамплитудным сигналам акустической эмиссии (рис.3, таблица 1). Что свидетельствует о локальном увеличении концентраторов напряжений, срыв которых приводит к возникновению деформационного скачка как минимум в пределах одного зерна.

Элементарным деформационным актом при нагружении образцов является формирование деформационной полосы [1-3]. Очевидно, монотонное накопление деформации обусловлено слабой корреляцией в формирующейся системе деформационных полос. В то же время деформационные скачки свидетельствуют о высокой корреляции и локализации деформационных полос в макроскопическом масштабе, а импульсы акустической эмиссии характеризуют высокую когерентность элементарных акустических сигналов от системы деформационных полос, интерференция которых формирует единичный акустический сигнал.

Заключение

Особенности деформационного поведения алюминиево-магниевого сплава проявляется в двух температурных интервалах, характеризующиеся разной скоростью деформации. В низкотемпературной области накоплению деформации с низкой скоростью соответствует низкоамплитудная монотонная акустическая эмиссия, что свидетельствует о низкой корреляции элементарных деформационных актов.

В высокотемпературной области быстрое накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту высокоамплитудной акустической эмиссии, что приводит к формированию глобального макроскачка. Такой характер деформации свидетельствуют о высокой корреляции элементарных деформационных актов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0063) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации проекта № 288.

Рецензенты:

Тарасов С.Ю., д.т.н., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, г. Томск;

Сизова О.В., .д.т.н., главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН, г. Томск.