Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

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.

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.

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.