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.
Библиографическая ссылка
Макаров С.В., Колубаев Е.А., Лысиков М.Ю., Колубаев Е.А. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВОМ СПЛАВЕ С СОДЕРЖАНИЕМ МАГНИЯ 6% // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16110 (дата обращения: 20.01.2025).