Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Деформация и разрушение конструкционных материалов, методы исследования этих процессов 9
1.1. Особенности строения и свойства металлов и сплавов, применяемых в авиационной технике 9
1.2. Особенности деформации и разрушения титановых и алюминиевых сплавов 13
1.2.1. Деформация исследуемых материалов с позиций классической дислокационной теории 13
1.2.2. Подход теории физической мезомеханики к процессам деформации и разрушения 20
1.3. Методы определения свойств и изучения процессов деформации и разрушения материалов 24
1.4. Метод акустической эмиссии как инструмент исследования и контроля материалов 31
1.4.1. Физические основы АЭ метода 31
1.4.2. Анализируемые параметры акустической эмиссии 34
1.4.3. Применение метода акустической эмиссии для решения научных и практических задач 36
1.5. Основные выводы 49
Глава 2. Методика испытаний и анализа экспериментальной информации 53
2.1. Экспериментальное оборудование и методика исследований 53
2.2. Обработка и анализ экспериментальной информации 58
Глава 3. Результаты экспериментов и их анализ 63
3.1. Физические источники импульсов акустической эмиссии 63
3.2. Корреляция комплексных параметров сигналов акустической эмиссии с механическими свойствами металлов 90
3.3. Прогнозирование механических свойств конструкционных материалов на ранних стадиях деформации с помощью АЭ метода 95
3.4. Выводы по разделу 102
Общие выводы 104
Библиографический список 105
Приложения 117
- Деформация исследуемых материалов с позиций классической дислокационной теории
- Применение метода акустической эмиссии для решения научных и практических задач
- Обработка и анализ экспериментальной информации
- Корреляция комплексных параметров сигналов акустической эмиссии с механическими свойствами металлов
Введение к работе
Основной задачей материаловедения является изучение зависимостей между составом, строением и свойствами материалов, а также закономерностей их изменения под воздействием внешних факторов [60]. Решение этого вопроса кроме чисто научного интереса представляет собой ещё и важную народно-хозяйственную проблему, так как понимание закономерностей протекающих в материалах физических процессов позволяет достичь значительного прогресса в области разработки новых материалов с улучшенными потребительскими свойствами, обеспечения эксплуатационной надёжности и безопасности материалов и технического оборудования на их основе и т.д. Процесс достижения этой стратегической цели базируется на решении ряда более мелких задач, одной из которых является изучение кинетики деформации и разрушения конструкционных материалов.
Известно [2], что изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров изделий в процессе их деформации и разрушения, а также кинетики протекания этих процессов является важным этапом для разработки методов неразрушающего контроля, оценки состояния и прогнозирования разрушения этих изделий. Что в свою очередь позволяет избежать отказов различных технических систем, связанных с большими техническими и экономическими потерями, а также определяет направление дальнейшего совершенствования материалов.
На сегодняшний день известно достаточно много методов как разрушающего, так и неразрушающего контроля. Наибольшее распространение получили механические испытания (статические, динамические, усталостные, испытания на твёрдость и др.) [3], которые позволяют с достаточной точностью определять наиболее важные механические характеристики, но дают лишь информацию об интегральном состоянии исследуемого материала и не отражают кинетику физических процессов в микрообъёмах и к тому же носят разрушающий характер. Также известны методы контроля, основанные на визуальном наблюдении с использование видимого света и рентгеновских лучей (кристаллография, фрактография, металлография [24, 62] и т.д.); способы контроля проникающими веществами, оптическими, тепловыми, акустическими, радиоволнами и радиационными методами [72 - 76]. "Однако большинство используемых методов испытаний и исследований разработано достаточно давно, и с течением времени происходит лишь совершенствование оборудования для их проведения, в то время как сами методы уже исчерпали практически все свои потенциальные возможности и не способны в полной мере удовлетворить потребности исследователей при изучении физических процессов на низких масштабных уровнях.
К числу относительно новых перспективных методов исследования и контроля относятся акустические методы. Эти методы позволяют получать огромные массивы информации о состоянии материалов и конструкций. Согласно имеющимся данным более половины современных средств неразрушающего контроля являются акустическими. Неоценима роль акустических методов контроля в прогнозировании и предупреждении аварий и катастроф - так если достоверность выявления плоскостных дефектов радиографическим методом не превышает (35... 45)%, то достоверность полученных акустическим методом данных достигает уровня 90 %. Кроме того, акустические методы предоставляют широкие возможности при исследовании свойств материалов, веществ и конструкций [19].
Частным случаем акустических методов исследования и контроля является метод акустической эмиссии (АЭ). Этот относительно молодой метод (систематические исследования явления АЭ начались примерно в 50х годах прошлого столетия) уже получил широкое распространение в области исследования и неразрушающего контроля благодаря своим неоспоримым преимуществам. К отличительным особенностям этого метода относятся: оперативность, высокая разрешающая способность (высокая чувствительность к деформации), способность разделения элементарных актов деформации во времени и хорошая совместимость с другими методами исследований [33]. Вышеописанный метод обычно является неразрушающим и позволяет исследовать происходящие в материале процессы в реальном масштабе времени, дистанционно, в условиях агрессивных сред, радиации и т.д. [27]. Применение этого метода позволяет осуществлять контроль больших и сложных конструкций ограниченным числом датчиков и определять местоположение и степень опасности активных дефектов (источников АЭ) [46].
Таким образом, исследование кинетики деформации и разрушения материалов является важной научно-практической задачей, а применение нового акустико-эмиссионного инструмента исследований открывает широкие возможности для изучения процессов на новых практически неизученных уровнях.
Деформация исследуемых материалов с позиций классической дислокационной теории
В основе диссертационной работы лежат результаты исследований следующих материалов: титановых сплавов ВТ4, ОТ4, ВТ20; алюминиевых сплавов Діб, В95; технически чистых молибдена, титана и меди; и др. Выбор титановых и алюминиевых сплавов обусловлен постоянным расширением области их применения в наиболее ответственных областях народного хозяйства (авиастроении, ракетостроении, судостроении, военной промышленности и т.д.) вследствие их высокой эксплуатационной надёжности, удельной прочности, малого веса, химической стойкости и т.д. А для анализа полученных результатов исследований АЭ методом и их сопоставления с результатами исследований традиционными инструментами в программе исследований присутствуют технически чистые металлы и достаточно хорошо изученные материалы, в которых процессы деформации и разрушения наиболее просты и изучены.
Все исследуемые металлы и сплавы являются кристаллическими телами со следующими типами сложных высокосимметричных кристаллических решёток с плотной упаковкой атомов: кубической объёмно-центрированной, наблюдаемой у Tip, Fea, Mo и др.; кубической гранецентрированной, присущей Си, А1 и др.; и гексагональной - у Tia, Zn и др. Изучаемые технические металлы и сплавы являются поликристаллами (за исключением монокристаллического молибдена), что обуславливает изотропию свойств материалов в целом в «исходном» (отожжённом) состоянии, однако воздействие механических, магнитных и других полей способно переориентировать значительную часть зёрен металла параллельно вектору направленности поля, нарушая изотропию свойств [115].
К особенностям строения точечных дефектов кристаллитов выше упомянутых материалов следует отнести их незначительные размеры, преимущественную принадлежность к классу тепловых вакансий и атомов примесей и небольшое влияние на механические свойства всего материала. Следует отметить, что примеси внедрения оказывают в 10 раз более сильное влияние на механические свойства материалов по сравнению с примесными атомами замещения. Линейные дефекты представляют собой краевые и винтовые дислокации; присутствуют во всех изучаемых материалах и в значительной степени определяют свойства материалов в процессе их деформации. Поверхностные дефекты присутствуют во всех поликристаллических веществах и представляют собой поверхности раздела между зёрнами, имеющих повышенную концентрацию примесных атомов и дислокаций [30, 77].
Отличительными особенностями титановых сплавов можно считать наибольшую удельную прочность (по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями), высокую коррозийную стойкость, достаточное сопротивление усталости, возможность эксплуатации в условиях повышенных температур и в агрессивных средах.
Сам титан - серебристо-белый металл IV группы периодической системы Д.И.Менделеева с порядковым номером 22; относительной атомной массой - 47,9; температурой плавления - 1665±5С. Титан имеет две аллотропические модификации: до (873,5... 897)С существует а-титан с гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой; и р-титан с объемно-центрированной кубической решёткой при более высоких температурах. Плотность Tia составляет 4505 кг/м3; Tip -4320 кг/м3. На поверхности титана легко образуется защитная оксидная плёнка, обуславливающая высокую сопротивляемость коррозии, но при температурах выше 500С титан и его сплавы легко взаимодействуют с окружающей средой, поглощая кислород, азот, водород и углерод. Эти элементы образуют с Tia и Tip твёрдые растворы внедрения, которые негативно сказываются на эксплуатационных характеристиках материала, вызывая его охрупчивание путём значительного увеличения прочности и снижения пластичности [114].
Для получения титановых сплавов применяют следующие легирующие элементы : А1, Мо, V, Мп, Сг, Sn, Zr, Nb, Si и др. Легирующие элементы оказывают значительное влияние на температуру полиморфного превращения : Al, Ga, In, О, N и С (а-стабилизаторы) повышают её; а Мп, Сг, Fe, Si, Со, Ni, Си, V, Mo, Nb, W (р-стабилизаторы) - понижают. Все исследуемые титановые сплавы имеют а- и псевдо-а состав (рисунок 1.1) [58]; и характеризуются умеренной прочностью при температуре разрушению при повышенных (вплоть до 500С) и криогенных температурах, высокой термической стабильностью свойств, но пониженной пластичностью. Кроме того, псевдо-а-сплавы отличаются повышенной пластичностью и склонностью к водородному охрупчиванию. Основные характеристики исследуемых титановых сплавов представлены в таблице 1.1 [53].
Применение метода акустической эмиссии для решения научных и практических задач
Под акустической эмиссией понимается излучение ультразвуковых волн напряжений материалами, претерпевающими локальную динамическую перестройку внутренней структуры с выделением упругой энергии [15, 1].
Явление излучения упругих волн твёрдыми телами известно с середины XIX века в форме «крика слова», возникающего при деформировании олова и слышимого невооружённым ухом. Однако интерес к этому явлению появился лишь в 50х годах прошлого столетия. Впервые исследования явления АЭ встречаются в работе Кайзера [6], а практическое применение регистрации акустических сигналов началось с 50х годов для прогнозирования внезапных выбросов в шахтах. С этим же периодом связано систематическое изучение АЭ в конструкционных материалах.
В развитие научного направления, основанного на применении АЭ метода для исследований физических процессов деформации и разрушения, а также для его практического использования в режиме неразрушаю-щего контроля и диагностики, внесли существенный вклад такие отечественные и зарубежные учёные, как J.Kaiser, DJaffrey, Баранов В.Н., Иванов В.И., Семашко Н.А., Филоненко С.Ф., Грешников В.А., Дробот Ю.Б. и др.
На сегодняшний день установлено, что эмиссия ультразвука сопровождает широкий спектр физико-химических процессов и является откликом на приложение механического напряжения, термического удара, фазового превращения, химической коррозии и других воздействий. Однако наиболее интенсивные исследования АЭ проводились в области разрушения материалов (в связи с необходимостью обеспечения эксплуатационной надёжности изделий и разработки методов диагностики их состояния на ранних стадиях развития дефектов структуры), что обуславливает наибольший прогресс именно в этой области. Считается, что АЭ при деформации главным образом обусловлена дислокационной активностью, заключающейся в их генерации, движении, закреплении и аннигиляции [15, 108]. Авторы [3, 4] приводят следующие механизмы источников АЭ сигналов, вызванных движением дислокаций : движение одиночной дислокации; аннигиляция дислокаций на свободной поверхности; парная аннигиляция; разрушение дислокационной петли; равномерное движение группы дислокаций; работа источников Франка-Рида; работа границ зерен как источников дислокаций; процесс «распад - захват» краевых диполей; образование линий скольжения; скольжение границ зёрен; отрыв дислокаций. Авторы [35] высказывают предположение, что АЭ может генерироваться в результате ускорения или замедления движения дислокаций. Теоретические и экспериментальные исследования [21, 47] приводят к выводу, что определяющее значение в возникновении акустических сигналов имеют механизмы переходного излучения - выход дислокаций на поверхность, их аннигиляция, образование скоплений дислокаций. Авторы [68] считают что всплески интенсивности АЭ также связаны с генерацией дислокаций на границах зёрен. Источниками АЭ могут быть и скопления дислокаций, преодолевающие препятствия с выделением запасённой энергии. Кроме того, генерировать АЭ сигналы могут процессы соединения дислокационных скоплений с образованием микротрещин и многократное поперечное скольжение большого числа дислокаций [69].
В [70] отмечается, что все происходящие в веществах физические процессы дискретны, дискретна генерируемая ими энергия (в том числе и в виде акустических волн). Однако сигналы АЭ воспринимаются двояко : в виде слабого непрерывного низкоамплитудного высокочастотного шума (если число элементарных событий велико, а высвобождаемая при этом энергия мала) и в виде дискретных высокоамплитудных кратковременных импульсов (в случае выделения значительной энергии во время каждого элементарного процесса). Это разделение является условным и зависит от ряда факторов, таких как динамический диапазон приёмного тракта, степени демпфирования преобразователя и объекта исследования и т.д. Некоторые авторы высказывают предположение о связи непрерывной АЭ с процессами микроскопического взаимодействия внутри материала (со всеми физическими процессами пластической деформации за исключением диффузии атомов, а также с образованием и развитием трещин, коррозией и т.д.), проявляясь в виде однородного непрерывного движения дислокаций. В этом случае дискретная АЭ связывается с эволюцией макроскопических дефектов (с процессами гетерофазной деформации - двойникованием, возникновением и ростом полос скольжения, пор, с механизмами трещинообразования), вызывающих пространственную и временную неоднородность деформации.
Теоретические исследования и некоторые экспериментальные результаты позволяют сделать заключение о возможности существования сигналов двух типов. Первый характеризуется релаксационным типом АЭ и ассоциируется авторами [15] с физическими процессами отрыва дислокаций от точек закрепления и им подобным. Второй тип АЭ -акселерационный - авторами сопоставляется с выходом дислокаций на поверхность, процессами их аннигиляции и т.д.
Существует ещё ряд гипотез о взаимосвязи сигналов АЭ с реальными физическими процессами в металле, но, несмотря на значительное количество экспериментальных результатов и теоретических исследований, однозначной систематизации АЭ импульсов и единой теории об их связи с генерирующими физическими процессами на сегодняшний день не существует.
Обработка и анализ экспериментальной информации
В некоторых же случаях метод АЭ оказывается, пожалуй, единственным методом, способным оценить вязкость разрушения. Так при испытаниях сварных образцов из титанового сплава ВТ20 один из них более хрупко разрушился по сварному шву, а второй - более вязко в зоне термического влияния. Результаты фрактографического анализа обоих образцов друг от друга практически не отличаются. А анализ характера кривой суммарной энергии АЭ сигналов позволяет однозначно установить вид разрушения.
Многие авторы исследуют материалы с активным применением амплитудного распределения АЭ импульсов. По мнению [77], с помощью амплитудного распределения возможно разделение сигналов АЭ, излучаемых процессами скольжения (импульсы малой амплитуды) и двойникования (импульсы большой амплитуды). Авторы [78] отмечают, что при испытании на растяжение литого чугуна в течение эксперимента наблюдается постепенное смещение максимума амплитудного распределения в сторону увеличения амплитуды; а при испытании алюминиевых образцов наблюдается уменьшение средней амплитуды импульсов при переходе в область пластической деформации и резкое её возрастание перед разрушением. Эти закономерности могут использоваться не только для определения стадий деформации, но и для разработки методики контроля состояния изделий из этого материала.
Во многих случаях максимум интенсивности АЭ приходится на предел текучести материала, что позволяет достаточно точно определять стадию лёгкого скольжения и физического предела текучести даже при отсутствии площадки текучести на механической диаграмме нагружения [61]. В [101, 88] показано, что с помощью метода АЭ также возможно и более точное определение пределов упругости и прочности по сравнению классическими методами.
Так как АЭ при образовании трещины вызывается не только деформацией в вершине материала, формированием микродефектов в её окрестности и скачкообразным продвижением трещины, но и трением боковых поверхностей трещины [34, 63], то имеющаяся в изделии трещина может быть обнаружена даже в области упругой деформации, что позволяет использовать метод АЭ для диагностики дефектов в материалах, а также, используя концепции механики разрушения, определять размеры этих дефектов.
Наличие концентраторов напряжений снижает количество сигналов АЭ с увеличением их длительности и амплитуды, а также смещает тип регистрируемой акустической эмиссии от «непрерывной» в сторону импульсной [102], что также используется для диагностики материалов.
В [18, 20] показана возможность использования АЭ метода для определения момента стрзгивания и площади раскрытия трещины при росте нагрузки по величине максимума интенсивности АЭ сигналов и величине их первого амплитудного максимума. В [22, 26] исследована зависимость энергии АЭ сигналов от стадии развития трещины - на стадии медленного роста средняя энергия постоянна, а на стадиях критического роста она резко возрастает и зависит от длины трещины.
Во время коррозийных испытаний при постоянной нагрузке наблюдаются значительные всплески интенсивности АЭ в моменты наиболее вероятного появления микротрещин. Авторы [89] приводят корреляционную зависимость между временем регистрации этих всплесков и временем до разрушения образца.
По данным [112, 11] метод АЭ позволяет регистрировать появление усталостных трещин и прогнозировать число циклов, оставшихся до разрушения. Так для сталей и алюминиевых сплавов характерно резкое повышение интенсивности АЭ за несколько десятков циклов до разрушения. В [92] отмечается, что на ранних стадиях циклирования акустические сигналы затухают; при росте трещины наблюдается резкое возрастание интенсивности АЭ, а по мере развития усталостной трещины происходит изменение формы волны и пиков интенсивности [69]. Авторы [94] определили корреляционную зависимость шума Баракгаузена в низкоуглеродистых сталях с числом циклов нагружения, на основании которой предложили новый метод неразрушающих усталостных испытаний.
В работе [70] отмечается, что интенсивность АЭ при деформации углеродистых сталей зависит от объёмного соотношения феррита и перлита и достигает своего максимального значения при их одинаковом соотношении.
В 1954 году в СССР впервые метод АЭ был применён для исследования фазовых превращений мартенситного типа. Параметры АЭ показали хорошую корреляцию с кинетическими кривыми изотермического мартенситного превращения и с данными рентгенографического и металлографического анализов. В [96, 91] показывается высокая чувствительность сигналов АЭ к состоянию твёрдого раствора, условиям охлаждения аустенита и их хорошая воспроизводимость для каждого режима термической обработки. Особенности структурного механизма мартенситного превращения выражаются в амплитуде АЭ [98, 66]. Наибольшая амплитуда наблюдается при образовании пластичного и термоупругого мартенсита. При образовании реечного и изотермического мартенсита и при обратном мартенситном превращении сигналы слабее. Очень слабая АЭ регистрируется при образовании s-мартенсита в сталях и при переходах типа «ГЦК -» ГПУ» в кобальте.
Корреляция комплексных параметров сигналов акустической эмиссии с механическими свойствами металлов
В условиях наметившихся тенденций технического прогресса титановые и алюминиевые сплавы благодаря их уникальным свойствам являются одними из наиболее перспективных материалов. В связи с чем задача разностороннего изучения протекающих в данных материалах физических процессов при различных условиях представляется весьма актуальной. 2. Область применения существующих классических теорий деформации и разрушения материалов жёстко ограничена масштабными уровнями протекающих процессов, что обуславливает невозможность их применения для комплексного моделирования процессов на разных структурных уровнях. Данное обстоятельство является причиной необходимости разработки новых гипотез, объединяющих в себе основные изученные принципы протекающих в материале физических процессов на разных уровнях и описывающих эти процессы как единое целое. Одной из таких теорий является теория физической мезомеханики, которая рассматривает нагруженное тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему, деформация и разрушение которой представляются результатом последовательной самосогласованной эволюции потери сдвиговой устойчивости на разных масштабных уровнях. 3. В областях научных исследований и практического применения используется широкий спектр методов исследований и контроля. Однако большинство практических методов ориентировано лишь на выявление поверхностных дефектов, главным образом макроскопического характера. А большинство научных инструментов исследования кинетики деформации и разрушения материалов характеризуются сложностью, трудоёмкостью, преимущественным характером исследования поверхностных слоев и невозможностью одновременного исследования материала на разных масштабных уровнях и т.д. В связи с чем эффективность использования рассмотренных методов исследований для решения поставленных задач невысока. Метод же акустической эмиссии свободен от перечисленных недостатков, вследствие чего может быть наилучшим образом применён для исследования процессов деформации и разрушения конструкционных материалов и решения ряда других научно практических задач. 4. Метод акустической эмиссии благодаря его характерным особенностям (высокой чувствительности, оперативности, способности обнаружения и классификации развивающихся дефектов по степени их опасности в реальном масштабе времени, дистанционно, по всему объёму сложных конструкций с помощью ограниченного числа датчиков) является перспективным и интенсивно развивающимся инструментом исследования происходящих в материалах физических процессов. 5. Область применения метода акустической эмиссии охватывает широкий круг научно-практических задач от фундаментальных исследований физических процессов в материалах до прикладного использования в качестве метода оценки качества промышленных конструкций. В этих направлениях уже достигнуты значительные результаты, но вопросы связи параметров АЭ с наиболее важными механическими характеристиками материалов и применения АЭ метода для решения задач диагностики и неразрушающего контроля на сегодня недостаточно проработаны, открыты и актуальны. 6. Несмотря на очевидные преимущества АЭ метода его конкуренция среди других методов исследований затруднена. Одной из причин такого положения является отсутствие единой систематизации АЭ сигналов и их интерпретации с позиций генерирующих физических источников. Считается, что эмиссия волн напряжений генерируется в процессе локальной динамической перестройки внутренней структуры материала и дислокационной активности. Однако, несмотря на многообразие различных гипотез о связи конкретных параметров АЭ сигналов с определёнными физическими процессами, большого объёма теоретической и экспериментальной информации, единого мнения среди исследователей по вопросу систематизации и интерпретации АЭ импульсов на сегодняшний день не существует. 7. Проблема систематизации АЭ сигналов напрямую связана с анализируемыми параметрами акустической эмиссии. Существующий ряд регламентируемых ГОСТом параметров АЭ в той или иной степени применяется практически во всех исследованиях эффектов акустической эмиссии. Но общепринятые параметры уже не обеспечивают исследователей исчерпывающей информацией, в связи с чем исследователи постоянно предпринимают попытки расширения номенклатуры характеристик АЭ сигналов путём как комбинации уже известных параметров, так и введением новых с целью повышения их информативности.
В связи с вышеизложенным в диссертационной работе ставятся следующие задачи исследований : определение наиболее информативных параметров АЭ сигналов для установления корреляционных зависимостей между акустическими сигналами и инициирующими их физическими процессами; определение взаимосвязи между комплексными АЭ параметрами и физико-механическими свойствами материалов с целью использования полученных зависимостей для разработки методик диагностики и контроля состояния материалов и исследования происходящих в них процессов на более «тонком» уровне.
