Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации металлов с гранецентрированной кубической решеткой

Макаров, Сергей Викторович

Автореферат диссертации на тему "Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации металлов с гранецентрированной кубической решеткой"

На правах рукописи

Макаров Сергей Викторович

АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ С ГРАНЕЦЕНТРИРОВАННОЙ КУБИЧЕСКОЙ РЕШЁТКОЙ

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул 2006

Работа выполнена в Алтайском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Плотников Владимир Александрович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Демьянов Борис Федорович

доктор физико-математических наук, профессор Клопотов Анатолий Анатольевич

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт

при Томском государственном университете

Защита состоится « 5 » июля 2006 г. в 14°° час. на заседании диссертационного совета Д212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Автореферат разослан « 3 » июня 2006 г.

Отзывы на автореферат, заверенный гербовой печатью организаций, просим присылать в 2-х экземплярах на адрес университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал по проблеме пластической деформации, что подчёркивает важность и сложность проблемы, но и констатирует её незавершённость. Существует много неясностей как при объяснении природы разрушения при высокотемпературном нагружении в ходе ползучести металлов и сплавов, так и физики предшествующего разрушению процесса накопления деформации. Работы последних лет указывают на весьма сложную совокупность процессов, протекающих на разных уровнях структурных превращений (микро-, мезо- и макромасштабных уровнях) в условиях термомеханического нагружения, приводящих к сложной иерархии диффузионных, дислокационных и зернограничных процессов.

Проблема накопления деформации при термомеханическом нагружении, остаётся актуальной до настоящего времени, не смотря на многолетнею историю проведения исследований. Решение задачи важно для повышения надёжности конструкций, находящихся в условиях сложного термомеханического нагружения, исключение катастрофического развития ситуаций в ходе эксплуатации таких механизмов.

Теперь уже нет сомнений, что пластические свойства, в рамках дислокационной модели, за исключением ранних стадий пластического течения в монокристаллах, определяются свойствами не отдельных дислокаций, а их коллективным поведением. Высокотемпературная деформация не сводится только к дислокационным процессам. Большая роль в развитии деформации при высоких температурах принадлежит зернограничным процессам. Известно, что в отличие от низких температур, где границы при деформации упрочняют материал, при высоких, наоборот, они способствуют его разупрочнению. Такое изменение роли границ обусловлено изменением действующих на границах деформационных процессов.

Пластическая деформация, в том числе и при высоких температурах, сопровождается диссипацией энергии, запасённой материалом, путём излучения механических колебаний. Это явление получило название акустическая эмиссия. Именно эволюция дефектной структуры определяет продуцирование акустической энергии. Метод, основанный на регистрации акустических сигналов, называется методом акустической эмиссии. Использование метода акустической эмиссии в качестве тонкого инструмента для исследования кинетики развития дефектной структуры материала даёт возможность в реальном времени регистрировать происходящие в материале процессы. Несмотря на то, что этот метод активно используется на практике в качестве метода неразрушающего контроля и в физических исследованиях, до настоящего времени природа явления акустической эмиссии изучена недостаточно полно. Исследование закономерностей акустической эмиссии при пластической деформации, позволяет получить взаимодополняющую информацию о механизмах пластической деформации и о природе акустической эмиссии.

Цель исследования. Изучение закономерностей акустической эмиссии в процессах высокотемпературной деформации металлов с ГЦК - решёткой.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе требовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать накопление деформации и акустическую эмиссию в условиях неизотермического цикла в алюминии и меди.

2. Исследовать накопление деформации и акустическую эмиссию в условиях изотермического цикла в алюминии.

3. Исследовать активационные параметры (энергия активации, активационный объём) при высокотемпературной деформации в условиях термомеханического нагружения алюминия.

4. Установить связь акустической эмиссии со структурными параметрами деформируемого материала на примере высокотемпературной деформации алюминия.

Научная новизна:

1. В работе впервые установлено, что в условиях термомеханического нагружения ГЦК-металлов накопление деформации имеет монотонный и макроскопически скачкообразный характер. Монотонное накопление деформации в термомеханическом цикле сопровождается монотонным ростом среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, а скачкообразное накопление — единичными акустическими импульсами аномально большой амплитуды.

2. Установлено, что на стадии скачкообразного накопления деформации в термомеханическом цикле квадрат амплитуды акустических сигналов линейно зависит от скорости деформации.

3. Впервые показано, что монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии подчиняется соотношению Аррениуса. Рассчитанные активационные параметры свидетельствуют: в термомеханическом цикле активационный объем растет с ростом температуры экспоненциально, что соответствует росту масштаба элементарного деформационного акта; в термомеханическом цикле энергия активации на высокотемпературной стадии свидетельствует о превалировании зернограничных процессов.

4. Установлено, что в термомеханическом цикле накопление деформации в высокотемпературной области представляет собой квазипериодическое чередование монотонного и скачкообразного процессов, что соответствует чередованию зернограничного проскальзывания и формированию полос деформации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается физической корректностью постановки и решения задач диссертации, статистической обработкой экспериментальных данных, соответствием основных экспериментальных результатов с результатами других авторов.

Практическая значимость работы. Предложенная в работе методика определения активационных параметров (энергия активации, активационный

объём) по регистрируемому среднеквадратичному напряжению акустической эмиссии, может быть использована в исследованиях процессов структурной перестройки материалов.

Использованный в работе метод термомеханических циклов нагрев-охлаждение от комнатных до предплавильных температур, может применяться в качестве метода упрочнения металлических материалов.

Возникающие на определённой стадии структурного упрочнения материала скачки деформации, коррелирующие с акустическими сигналами, свидетельствуют о катастрофичности развития деформационного процесса в материале. Поэтому этот эффект может быть использован как один из видов контроля структурного состояния металлов в условиях термомеханического нагружения.

Вклад автора. Участие в планировании, разработке и проведение эксперимента. Составление программ по обработке экспериментальных данных, расчёт активационных параметров. Участие в обсуждении экспериментальных, расчётных данных, а также в формулировании основных результатов и выводов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения в процессах пластической деформации ГЦК — металлов в термомеханическом цикле. Влияние энергии дефекта упаковки на параметры акустической эмиссии и процесс деформации.

2. Методика определения активационных параметров пластической деформации путём анализа акустической эмиссии, регистрируемой в ходе термомеханического цикла. Энергия активации и активационный объём в термомеханическом цикле.

3. Структурные факторы акустической эмиссии при высокотемпературной деформации ГЦК - металлов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях: XV международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Тольятти, 2003; III международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", Черноголовка, 2004; I международной школе "Физическое материаловедение", Тольятти, 2004; Одиннадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных, Екатеринбург, 2005; VIII международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 2005;

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 11 таблиц, список литературы состоит из 123 наименований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в отечественных изданиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, выбор метода исследования, формулируются цели диссертационной работы, представлены защищаемые положения. Даётся краткое содержание работы по главам.

Глава 1. Пластическая деформация металлических материалов. Акустическая эмиссия при пластической деформации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены сведения о высокотемпературной и низкотемпературной пластической деформации, в том числе и при ползучести. Рассмотрены основные механизмы пластической деформации, реализующиеся на мезоскопическом уровне и связанные с дислокационными и зернограничными процессами.

Низкотемпературная деформация поликристаллов обусловлена движением дислокаций, их накоплением, взаимодействием между собой и с границами зерен, что приводит к упрочнению материала. Повышение плотности дислокаций в структуре связано с накоплением как внутризеренных, так и захваченных границами решеточных дислокаций. При высоких температурах границы зерен являются фактором разупрочнения. В условиях высоких температур границы могут служить не только источниками, но и активными стоками дефектов решетки, местами ускоренной диффузии, они могут мигрировать и обеспечивать действие специфического механизма деформации - зернограничного проскальзывания. Роль этих процессов весьма многообразна и зависит от исходного состояния поликристалла, условий деформации.

Во второй части обзора приводятся сведения об акустическом эмиссии при пластической деформации. Рассматривается влияние структурных факторов на параметры акустической эмиссии.

Глава 2. Материалы и методика экспериментов.

Для выявления закономерностей акустической эмиссии при пластической деформации в условиях сложного термомеханического нагружения, в качестве объектов исследования были выбраны металлы в поликристаллическом агрегате: алюминий и медь. Они являются типичными представителями ГЦК-металлов, активно используемые в промышленности и хорошо изучены в физике прочности и пластичности. Существенное отличие этих металлов, влияющее на деформационные поведение, заключается в энергии дефекта упаковки.

Как известно скорость пластической деформации в общем случае определяется температурой, напряжением и состоянием структурного упрочнения

£ = £((Г,Т,Р,Х), (1)

где а, Т, Р, - переменные внешнего состояния, описывающие состояние всей системы (напряжение, температура, гидростатическое давление, соответственно); х — переменная внутреннего состояния (характеризуется структурой материала), учитывающая предысторию образца.

нкдопим

Блок-схема

1. 2. 3.

В этой связи для исследования пластических свойств материалов, по аналогии с термодинамическим циклом, в экспериментах был использован метод

термомеханических циклов,

параметрами которого являются температура и напряжение. Данный подход был реализован по двум вариантам: 1- неизотермический цикл, при котором внешняя нагрузка в цикле, прикладываемая к образцу, была постоянна, а температура менялась от комнатной до температуры плавления; 2-изотермический цикл, в котором " ' температура в цикле была 00Разец постоянна, а нагрузка линейно увеличивалась от 0,5 предела текучести до максимальной. Фактически такой подход позволял за один цикл проанализировать весь спектр деформационных харак-еристик материала.

Основным исследовательским методом является метод

акустической эмиссии, используемый совместно с методом термомеханических циклов. Блок-схема экспериментальной установки для механических испытаний и регистрации акустической эмиссии в условиях термомеханического нагружения представлена на рис.1.

Для компоновки акустоэмиссионной системы использовались приборы, серийно выпускаемые промышленностью. Обработку потока сигналов проводили с помощью линейного детектора (селективный усилитель У2-8), на выходе которого измеряли среднеквадратичное напряжение. Методика регистрации - обычная за исключением селективного режима усиления.

Известно, что частотный диапазон акустической эмиссии простирается от единиц герц до десятков мегагерц. Частотный спектр акустических сигналов при пластической деформации металлов ограничивается шириной частотного окна 100 - 600 кГц.. Для уменьшения уровня шума, приводимого ко входу измерительной системы, необходимо снижать рабочий диапазон частот. При этом уменьшается спектральная плотность энергии сигнала

установки, волноводом, неподвижный держатель, подвижный держатель, 4. нагреватель, 5. датчик деформации или датчик нагружения, 6. термопара, 7. пьезодатчик с предварительным усилителем, 8. селективный усилитель У2-8, 9. анапогоцифровой преобразователь, компьютер.

С(/) = дж/д/

(2)

где ЛН'-р2Я/рс- мощность акустического излучения, определяемая давлением р, площадью сечения датчика 5, при известных скорости звука в нём с, плотности материала датчика р, частотного диапазона Л/. Одновременно снижается и спектральная плотность шума. Таким образом, мощность случайного процесса определяется однозначно, если известна его спектральная плотность.

Спектральная плотность акустических сигналов определяется по среднеквадратичному значению напряжения акустической эмиссии

С(Л = и^в/(ЯвхА/)

(3)

среднеквадратичное напряжение можно представить как

(4)

_ 1 /+«■

где = _ Г[/2(г')сй', ир — напряжение на выходе усилителя, -

г Г '

входное сопротивление, т - постоянная времени, которая в нашем случае равна г= 0,1 с. Одним из регистрируемых в экспериментах параметров было среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии, приведённое ко входу усилителя. Регистрация иср.ш. позволяет вычислить энергетическую характеристику процесса

•/-¿х.,,,*'. (5)

Регистратором среднеквадратичного напряжения, сигналов с термопары и датчика деформации служил компьютер с аналогоцифровым преобразователем. Изображение поверхности образца в процессе высокотемпературной деформации, полученное с помощью длиннофокусного микроскопа МВТ-71, преобразовывалось в видеоконтрольном устройстве и также регистрировалось компьютером. В металлографических исследованиях микроструктуры при комнатной температуре использовали короткофокусный микроскоп Р20.

Глава 3. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия и меди в условиях сложного термомеханического нагружения.

Глава посвящена изучению закономерностей акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия и меди в условиях сложного термомеханического нагружения.

В неизотермическом цикле при механическом напряжении ниже 0,5 предела текучести характер накопления деформации монотонный как для алюминия, так и для меди (рис.3.1, б,г). Монотонному накоплению деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (рис.3.1, а,в). Для алюминия начало накопления деформации лежит в низкотемпературной области (О.ЗТ^,), в то время как для меди в высокотемпературном интервале (0,6ГЛ,)- Причем

величина накопления деформации больше для алюминия.

0.38

400 600 800 0 200 400 600

Время, с Время, с

Алюминий Медь

Рис.3.1. Монотонный характер накопления деформации (б,г) и монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (а,в) при механическом напряжении ниже 0,5 предела текучести в неизотермическом термомеханическом цикле для алюминия и меди.

1 — температурная кривая, 2 — зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени.

При возрастании механического напряжения в циклах до значений вблизи предела текучести характер накопления деформации меняется. В высокотемпературной области наблюдаются деформационные скачки, как для алюминия, так и для меди (рис.3.2, б,г).

200 300 400 500 0 200 400 600

Время, с Время, с

Алюминий Медь

Рис. 3.2. Скачкообразный характер накопления деформации (б,г) и высокоамплитудные импульсы акустической эмиссии (а,в) при механическом напряжении вблизи предела текучести в неизотермическом термомеханическом цикле для алюминия и меди.

1 - температурная кривая, 2 — зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени.

Скачкам деформации соответствуют высокоамплитудные импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (рис.3.2, а,в ). Температурные интервалы начала накопления деформации совпадают с температурами в циклах при напряжениях равных 0,5 предела текучести. Общее накопление деформации за цикл (алюминий ~ 1,8 %, медь ~ 1,3 %), а также величина деформационных скачков (алюминий ~ 0,5 %, медь — 0,2 %) для алюминия выше. Однако амплитуды импульсов среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии значительно больше у меди. В данном интервале нагрузок величина скачков увеличивается с ростом напряжения, а сами скачки смещаются в область высоких температур. Таким образом, накопление деформации в этом интервале напряжений является квазипериодическим (монотонно - скачкообразным) процессом.

По мере повышения напряжения (до значений вблизи 1,5 предела текучести) накопление деформации смещается в область высоких температур и имеет монотонный характер (рис. 3.3, б,г). Накоплению деформации в высокотемпературной области соответствует формирование высокоамплитудного пика среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (рис. 3.3, а,в). Такое деформационное поведение соответствует как алюминию, так и меди. Величина накопленной деформации в алюминии за цикл почти в два раза больше, чем в меди.

Время, с Время, с

Алюминий Медь

Рис.3.3. Монотонный характер накопления деформации (б,г) и монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (а,в) при механическом напряжении выше 1,5 предела текучести в неизотермическом термомеханическом цикле для алюминия и меди.

1 — температурная кривая, 2 — зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени.

Таким образом, из анализа экспериментальных данных для алюминия и меди в условиях неизотермического цикла следует, что величина накопления деформации в алюминии выше, а начало накопления лежит в интервале более низких температур. Такое деформационное поведение непосредственно

связано с энергией дефекта упаковки. Именно энергия дефекта упаковки во многом определяет склонность материала к термически активируемому процессу поперечного скольжения. Чем больше энергия дефекта упаковки, тем меньше ширина расщепления винтовой дислокации и тем меньше напряжение, необходимое для того, для того чтобы сжать расщепленную дислокацию и перевести ее из плоскости скольжения в другую. При температурах выше 0,5 температуры плавления становится заметным вклад диффузионного переползания дислокаций.

Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия в условиях изотермического термомеханического цикла.

Следующая серия экспериментов была проведена в условиях изотермического термомеханического нагружения, при постоянной температуре в цикле и линейно возрастающей нагрузке, от значений равных половине предела текучести до максимальной. Температура начала циклирования для каждого образца была 25, 100, 200, 300, .400, 500, 600 °С. В последующих циклах температура увеличивалась на 100 °С.

Эксперименты показали, что при температуре до половины температуры плавления для первых циклов характер накопления деформации макроскопически-монотонный (рис.3.4, б). Однако, накопление деформации осуществляется маломасштабными деформационными скачками. Такому деформационному поведению соответствует импульсный характер среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (рис.3.4, а). Для вторых циклов при тех же температурах начало накопления деформации смещается в область высоких напряжений (рис.3.4, г). Интервал накопления

Время, с Время, с

Алюминий (первый цикл) Алюминий (второй цикл)

Рис. 3.4. Импульсный характер акустической эмиссии (а,в) в условиях макроскопически-монотонного накопления деформации (б,г) в изотермическом термомеханическом цикле. Температура в циклах 100 °С. 1 — кривая нагружения, 2 — зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени.

Макроскопически-монотонному накоплению деформации соответствуют импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (рис.3.4, в). В условиях изотермического цикла при температурах выше половины температуры плавления для первых циклов характер накопления деформации монотонный (Рис. 3.5, б). Монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии с отдельными импульсами (Рис. 3.5, а).

В последующих циклах при температурах выше половины температуры плавления монотонному накоплению деформации вблизи напряжений равных значению двух пределов текучести соответствует формирование пика среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (Рис. 3.6, а,б).

200 300 400 Время, с

Алюминий (Цикл № 1) Рис. 3.5. Монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, соответствующий монотонному характеру накопления деформации в изотермическом цикле.

О 50 100 150 200 250 300 350 400 Время, с

Алюминий (Цикл № 7) Рис. 3.6. Формирование высокоамплитудного пика акустической эмиссии в условиях монотонного характера накопления деформации в изотермическом цикле

1 — кривая нагружения, 2 — зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени. Температура в циклах 600 °С. Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

В неизотермических циклах монотонному накоплению деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Скачкообразному накоплению деформации соответствуют высокоамплитудные импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии.

В изотермических циклах макроскопически-монотонной деформации, соответствуют импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Это может свидетельствовать, по аналогии со скачкообразными эффектами в неизотермических циклах, что накопление деформации представляет собой маломасштабные деформационные скачки.

Глава 4. Активационные параметры в процессах высокотемпературной деформации.

Глава посвящена анализу активационных параметров в процессах высокотемпературной деформации.

В связи с явно выраженной зависимостью процесса деформации и акустической эмиссии от температуры и механического напряжения для анализа активационных параметров (энергии активации, активационного объема) была разработана методика определения их значений по анализу акустической эмиссии. Здесь исходили из того что, процесс пластической деформации в условиях термомеханического нагружения подчиняется соотношению Аррениуса

г = г°еЧ--ят )'

(6)

где - АНо-оЪАВ — энтальпия активации, тождественная «кажущейся энергии активации», ЛН0 — энтальпия активации (при нулевом приложенном напряжении), аЪЛВ — работа, которую совершает приложенное напряжение а, помогая элементу дислокации преодолеть барьер, Ь - вектор Бюргерса, АВ -площадь в плоскости скольжения, которую заметает элемент дислокации (площадь активации).

Предэкспоненциальный множитель г:0, в теории термоактивируемых процессов, непосредственно связан с числом структурных элементов, вовлекаемых в элементарный акт пластической деформации

ё = пАеу . (7)

Здесь и-число энергетических барьеров АНи , атакуемых с частотой V (частота тепловых колебаний атомов), Ас - прирост деформации за элементарный деформационный акт.

При определении активационных параметров использовали формулу, которая связывает мощность акустической эмиссии со скоростью деформации при формировании деформационной полосы

рЬ_ 16 л-

где а = 1 для винтовых дислокаций и а = у4+1 для краевых дислокаций (у — отношение продольной и поперечной скоростей распространения волн в кристалле), р- плотность материала, Ь - вектор Бюргерса, V - скорость перемещения дислокаций, / - размер кристалла, 5 — площадь поверхности деформированной части образца, которую можно связать с площадью деформационной полосы, £ - скорость деформации.

Пологая, что на скачкообразном участке накопление деформации осуществляется за счёт формирования коррелированной системы полос в масштабе хотя бы одного зерна, был проведен анализ связи амплитуды акустического сигнала и деформационных характеристик процесса. На рис.

ЦГАЭ=а^г5£\п{ПЬ), (8)

4.1, показано что, квадрат амплитуды акустической эмиссии линейно зависит от скорости скачкообразной деформации.

0.05 0,10 0,15 0,20 0,25 Скорость деформации. % с"1

Медь

0.2 0.3 0,4 0.5 0,6 Скорость деформации, % с

Алюминий

Рис. 4.1 Зависимость квадрата амплитуды акустической эмиссии от скорости деформации на скачкообразном участке деформации для алюминия и меди.

Таким образом, квадрат амплитуды акустической эмиссии на скачкообразном участке линейно зависит от скорости деформации

тг, с1е

и2~ — . (9)

Для монотонных участков это соотношение запишется в виде

сИ с1е

Ж

(10)

Л

где J ~ 2Г Ц2 Лг — интегральный параметр, определяющий энергетику процесса, Л1 — временной интервал.

Тогда уравнение Аррениуса для расчёта активационных параметров может быть записано в виде

j = jQ ехр

ЛЯ0 - аЬАВ ЯТ

(П)

где J0 — постоянная.

Из представленных экспериментальных данных по акустической эмиссии в системе координат 1п(«ШсЙ) - 103/Т (рис.4.2) и 1п(<и/с11) — с (рис.4.3.), видно, что экспериментальные точки ложатся на прямые зависимости, что позволяет определить энергию активации и активационный объём соответственно.

В ходе термомеханических циклов при последовательном возрастании механического напряжения наблюдаются два процесса ответственные за накопление деформации и формирование акустического излучения. В низкотемпературной области (до 400 - 500 °С) превалируют процессы с низким порогом активации, величина которого близка к энергии активации диффузионных процессов. Полученные данные свидетельствуют, что в

-10,3 •10,4 -10,5

-10,7 -10,8

1,2 1,4 1.6 1,8 2,0 2.2 5 10 15 20 25 30

Т"'«10'. К"1 СТ. МПа

Рис.4.2. Линейное представление Рис.4.3. Экспериментальные данные экспериментальных данных по по акустической эмиссии для акустической эмиссии для монотонного участка акустической определения энергии активации. Два кривой в условиях изменяющейся температурных интервала. нагрузки.

низкотемпературной области процесс накопления деформации обеспечивается переползанием дислокаций, контролируемый диффузионными процессами. В высокотемпературной области (до 640 °С) процессы, обеспечивающие деформационный акт и акустическую эмиссию имеют высокую энергию активации. Её величина соответствует энергии активации миграции границ зёрен, которая может меняться в широких пределах примерно от 40 кДж/моль и до 250 кДж/моль в зависимости от типа границ (границы наклона, границы кручения) и величины угла наклона и кручения, от кристаллографической ориентации границ, от концентрации примесных атомов.

Следует отметить, что как показано Таблица 1. Энергия активации в первых в табл. 1, (в таблице 1 приведены термомеханических циклах для разных значения энергии активации для первых термомеханических

циклов, но разных значений напряжений) величина

активационного барьера в высокотемпературной области близка к энергии активации диффузионных процессов. Тогда зависимость энергии активации высокотемпературного процесса от механического напряжения, представляющая собой функцию с максимумом (рис.4.4), свидетельствует о смене механизмов, контролирующих зернограничный процесс с преимущественно диффузионного (возрастающая часть зависимости) на преимущественно дислокационный. Действительно,

значении напряжении в алюминии.

сг, МПа ДТ, °С ДН, кДж/моль А г

5,0 400-600 26,3±0,1 2,6±0,05х10"3 0,993

6,0 400-650 28,1±0,2 7,5±0,1 х 10° 0,995

7,0 400-630 34,6±0,1 2,0±0,02х10'2 0,997

8,0 400-620 30,0±0,12 7,5±0,08х10'3 0,994

9,0 400-600 24,6+0,14 5,7±0,09х10"3 0,995

10 400-630 35,9+0,17 1,4±0,03х10"2 0,994

ниспадающая рис.4.4)

160 140

I 120

s

§ 100

х- 60

<1

60 40 20

10

часть зависимости соответствует классической (вставка на

Такое поведение может быть обусловлено своеобразием

протекания температурно-

зависимого процесса

и ¿а &ь оч

иогряжвн»« «-• деформации. В зависимости от соотношения между параметрами ДНо, сгЬЛВ и ИТ экспоненциального множителя ехр[-(ДНо - аЬДВ)Л1Т] в соотношении (1) Аррениуса кинетика деформации

контролируется термоактивиру-емыми и атермическими процессами. Если механическая энергия аЬДВ соизмерима с активационным барьером ДНо, то

15

20

25

30

Напряжение, МПа

Рис. 4.4. Зависимость энергии активации высокотемпературного деформационного процесса в алюминии от механического напряжения.

деформация развивается преимущественно как атермический процесс.

В таблице 2 представлены значения активационного объёма, полученные в условиях изотермического термомеханического нагружения, для первых циклов.

Как показано на рис. 4.5 зависимость объема активации от температуры носит нелинейный характер, с высокой точностью эту зависимость можно аппроксимировать экспоненциальной функцией

у = у о + А exp (T/t),

где у о = 0,47 ± 0,12, А = 0,0027 ± 0,004, t = 130 ± 29. Коэффициент корреляции, равный 0,986, близок к единице. Размерность параметров у0, А совпадает с размерностью объема в нм3. Величина параметра у0 на порядок превышает величину атомного объема, значение которого для твердых тел близко к 0,01 нм3.

Экспоненциальный рост активационного объема свидетельствует о существенном увеличении масштаба кооперативных атомных перемещений, контролирующих единичный деформационный акт.

Сопоставление экспоненциального роста активационного объема, представленного на рис. 4.5 и скачкообразного характера накопления деформации, приведенного на рис. 3.2, свидетельствуют о росте корреляции элементарных деформационных актов в мезоскопическом масштабе. Как известно для обеспечения деформационного процесса убыль дислокаций должна быть скомпенсирована дислокационными источниками, однако существующая дислокационная структура без привлечения зернограничных источников не может обеспечить деформацию на скачкообразной стадии.

Таблица 2. Активационный объём в процессах накопления деформации в алюминии при термомеханическом

т, °с V, нм3 г

25 0,34±0,01 0,985

100 0,53±0,02 0,987

200 0,57±0,05 0,986

300 0,94±0,11 0,988

400 0,93±0,1 0,986

500 1,36±0,12 0,987

600 2,70±0,23 0,994

Т - температура, V — активационный объем, г — коэффициент корреляции.

з,о

I 2.5

£ 2,0

1,5

1,0

0,5

300 400 500 600 700 800 900 Температура, К

Рис. 4.5. Зависимость активационного объёма от температуры для первых изотермических циклов

Глава 5. Структурный фактор акустической эмиссии.

Глава посвящена анализу взаимосвязи продуцирования акустических сигналов и формированию структуры алюминия в ходе высокотемпературной деформации.

Характерным структурным параметром, свидетельствующим о пластической деформации, является плотность полос деформации (Рис. 5.1)

________20 мкм

Алюминий Медь

Рис. 5.1 Полосы деформации, сформированные в условиях сложного термомеханического нагружения при высокотемпературной деформации алюминия (600 °С) и меди (900 °С).

На рисунке видно, что формирование полос деформаций осуществляется как первичной системой скольжения, так и вторичной. В результате возникает блочная структура, являющаяся результатом пересечения полос деформации первичной и вторичной систем скольжения. В зависимости от температуры и механического напряжения полосы деформации могут наблюдаться как в отдельных зернах, так и во многих.

Рассмотрим структуру алюминия на разных этапах накопления деформации. На рис. 5.2 приведена структура деформационных полос,

соответствующая скачкообразной стадии накопления деформации при напряжении 30 МПа. Структура полос синхронизирована с температурой 600, 620, 630 и 650 °С. А на рис. 5.3 приведена структура полос деформации при напряжении 40 МПа и температурах 600, 620, 640 и 650 °С, соответствующая монотонному характеру накопления деформации.

Р

200 300

Время, с НЬи Ч ■ВТ*.........'\\10f4 4

Рис. 5.2 Структура деформационных полос алюминия, соответствующая скачкообразной стадии накопления деформации при напряжении 30 МПа.

200 300

время, с НИИНВк11 о мкм

Рис. 5.3 Структура полос деформации алюминия при напряжении чО МПа и температурах 600, 620, 640, и 650 °С (точки 1,2,3,4 соответственно), соответствующая монотонному накоплению деформации.

Температурные точки формирования структуры соответствуют выделенным точкам на рис. 5.2 и 5.3. Приведенные данные свидетельствуют о существенном повышении плотности полос деформации при переходе от скачкообразного к монотонному накоплению деформации. Измеренная плотность полос деформации для области скачков на порядок ниже, чем плотность полос деформации для этой же температуре, но для монотонного накопления деформации.

Сопоставив плотность полос деформации механическому напряжению и температуре деформации, построили поверхность плотности деформационных полос от температуры и механического напряжения (рис.5.4). Полученная поверхность имеет вид, характеризующийся явно выраженной периодичностью плотности полос деформации от температуры.

Рис. 5.4 Поверхность плотности полос Рис. 5.5. Скачкообразно-монотонный деформации алюминия, построенная процесс накопления деформации при от температуры и механического механическом напряжении 25 МПа. напряжения. Скачкам деформации соответствуют

импульсы акустической эмиссии.

Такому характеру распределения плотности полос деформации более всего соответствует, очевидно, приведенная на рис. 5.5 последовательность скачкообразного и монотонного накопления деформации при возрастающей температуре.

Сделав срез поверхности для механических напряжений, проанализировали эту зависимость, характерную для конкретной экспериментальной ситуации. На рис. 5.6 показано, что температуры скачков деформации хорошо совпадают с минимумами плотности полос для реальной экспериментальной ситуации (рис. 5.7).

Результаты структурных исследований свидетельствуют, что высокотемпературная деформация осуществляется как за счёт зернограничного проскальзывания, так и дислокационного скольжения. Причем зернограничному проскальзыванию соответствует минимум плотности полос деформации, а дислокационному скольжению - максимум. При этом зернограничное проскальзывание и решёточное скольжение приобретают своеобразный периодический характер.

Этот вывод соответствует современным моделям пластической деформации материалов при высоких температурах.

1. Граница является активной структурной составляющей деформационного процесса, причём доминирующей при высоких температурах. Тройной стык является источником решёточных дислокаций с вектором Бюргерса, лежащим в одной из плоскостей скольжения. В поле

и

570 n-

390 i;

210 | 4>

301-

100

400 500

Рис.

200 300 Время, с

Рис. 5.7. Скачки деформации, соответствующие температурным точкам 1 (620 °С), 2 (650 °С) минимумов плотности полос деформации

520 560 Температура, °С

5.6. Сечение поверхности плотности полос при механическом напряжении 30 МПа. Температурные точки 1 (620 °С), 2 (650 °С) соответствуют минимуму плотности полос деформации.

напряжений эти дислокации скользят и поглощаются противоположной границей. Деформационный акт представляет собой как зернограничное проскальзывание, так и дислокационное скольжение.

2. При упрочнении приграничной области упругое поле препятствует поглощению дислокаций границей, они накапливаются в плоскости скольжения, формируя деформационную полосу.

На первом и на втором этапах мы наблюдаем акустическую эмиссию. При больших степенях деформации дислокационный ансамбль есть сильно коррелированная система дислокаций, которая определяет деформационные свойства материала на этой стадии. Такой ансамбль представляет систему элементарных излучателей акустических сигналов, формирующих акустические импульсы аномально большой амплитуды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в неизотермическом термомеханическом цикле при механическом напряжении ниже 0,5 предела текучести для ГЦК-металлов наблюдается монотонное накопление деформации. Монотонному накоплению деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии.

2. Установлено, что в неизотермическом термомеханическом цикле при напряжении вблизи предела текучести в ГЦК-металлах наблюдается макроскопически скачкообразный эффект накопления деформации. Скачкообразные деформационные акты сопровождаются аномально высокоамплитудными импульсами акустической эмиссии.

3. Показано, что в неизотермическом термомеханическом цикле при механическом напряжении вблизи предела текучести ГЦК-металлов скачкообразный характер накопления деформации может представлять

квазипериодический процесс, заключающийся в чередовании монотонного и скачкообразного характера накопления деформации. При увеличении нагрузки в цикле выше напряжения 1,5 предела текучести характер накопления деформации становится монотонным, а скорость деформации возрастает.

4. Показано, что в изотермическом термомеханическом цикле макроскопически монотонной деформации соответствуют импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, что может свидетельствовать о маломасштабных деформационных эффектах накопления деформации.

5. Установлено, что квадрат амплитуды акустических сигналов линейно связан со скоростью деформации на скачкообразном участке.

6. Разработана методика определения активационных параметров. Показав, что на скачкообразных участках квадрат амплитуды среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии пропорционален

скорости деформации U2 ~ S, обобщили полученные результаты для монотонного роста среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии пологая, что мощность акустической эмиссии пропорциональна скорости

деформации J ~ è .

7. Показано, что в неизотермических термомеханических циклах эффективная энергия активации зависит от напряжения как функция с максимумом, что может свидетельствовать о смене механизмов зернограничных процессов от преимущественно диффузионно контролируемых к преимущественно дислокационно контролируемым. Рассчитанный активационный объем экспоненциально зависит от температуры, что свидетельствует о существенном увеличении масштаба элементарного акта пластической деформации.

8. Установлена квазипериодичность плотности полос деформации в зависимости от механического напряжения и температуры. Показано, что максимум плотности полос деформации соответствует монотонному накоплению деформации, а минимум плотности - скачкообразному.

9. Установлено, что при термомеханическом циклировании наблюдается существенное упрочнение ГЦК-металлов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия при отжиге деформированных металлов // Тезисы докладов XV международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов".-Тольятти.-2003.-С.(2-10).

2. Макаров C.B., Плотников В.А. Акустическая эмиссия в процессах ползучести алюминия // Тезисы докладов I международной школы "Физическое материаловедение".-Тольятти.-2004.-С.16.

3. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия и немонотонный деформационный процесс в алюминии при высоких

температурах // Тезисы докладов III международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов".-Черноголовка.-2004.-С.165-166.

4. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия // Вестник ТГУ. Бюллетень оперативной научной информации.-2004.-№25.-87-93.

5. Макаров C.B. Термоактивируемые процессы, протекающие в ходе ползучести алюминия // Физика, радиофизика — новое поколение в науке.-2004.

6. Макаров C.B. Макроскопические деформационные скачки и акустическая эмиссия в ходе ползучести меди // Тезисы докладов XI "Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных".-Екатеринбург.-2005.

7. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия и деформационные процессы в алюминии при высоких температурах И Изв. вузов. Физика.-2005.-№П.-С.33-38.

8. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустические эффекты при высокотемпературной деформации алюминия // Фундаментальные проблемы современного материаловедения.-2005.-№2.-С.85-89.

9. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия // Деформация и разрушение материалов.-2005.-№3.-С.27-31.

Ю.Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации меди // Вестник ТГУ. Бюллетень оперативной научной информации.-2005.-№44.-58-64.

Подписано в печать 30.05.06. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ -£31 Типография Алтайского государственного университета 656049, Барнаул, ул. Димитрова, 66.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Макаров, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Пластическая деформация металлических материалов. Акустическая эмиссия при пластической деформации.

1.1. Пластическая деформация металлических материалов.

1.1.1. Пластическая деформация при ползучести.

1.1.2. Низкотемпературная деформация.

1.1.3. Высокотемпературная деформация.

1.1.4. Границы зерен в процессах пластической деформации.

1.2. Акустическая эмиссия при пластической деформации.

1.2.1. Введение.

1.2.2. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии.

1.2.3. Физическая природа и модели источников акустической эмиссии.

1.2.4. Выводы.

Глава 2. Материалы и методика экспериментов.

2.1. Материалы и образцы.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Метод акустической эмиссии.

2.2.2. Метод циклов в термомеханических испытаниях.

2.2.3. Метод структурных исследований.

Глава 3. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия и меди в условиях сложного термомеханического нагружения.

3.1. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия.

3.1.1. Неизотермические циклы.

3.1.2. Изотермические циклы.

3.2. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения меди.

3.2.1. Неизотермические циклы.

Введение диссертация по физике, на тему "Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации металлов с гранецентрированной кубической решеткой"

5.2. Акустическая эмиссия и накопление деформации в термомеханическом цикле.108

5.3. Структура деформированного алюминия.109

5.4. Формирование акустических сигналов при высокотемпературной деформации алюминия.113

5.5. Заключение к главе 5.115

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.117

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.119

ВВЕДЕНИЕ