CC BY
75
УДК 539.3
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПОЛОСЫ ЛЮДЕРСА В СПЛАВЕ АМг6
© А. А. Шибков, М. А. Желтов, А.Е. Золотов, А.А. Денисов
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: дислокации; полосы деформации; полоса Людерса; акустическая эмиссия; алюминий-магниевые сплавы.
Установлено, что первый импульс акустической эмиссии сигнализирует о зарождении первой полосы локализованной деформации, с которой начинается формирование сложной структуры фронта Людерса, и в этом аспекте является акустическим предвестником потери деформационной устойчивости сплава АМг6.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, источниками сигналов акустической эмиссии (АЭ) в кристаллах, деформируемых скольжением, являются нестационарные дислокационные процессы и образование трещин. Необходимым условием дислокационной АЭ является кооперативный характер движения дислокаций, а уровень активности АЭ может рассматриваться как количественная мера для характеризации коллективных аспектов дислокационной динамики [1]. В последнее время в акустических исследованиях неустойчивой деформации наметились два сравнительно новых направления: 1) изучение по сигналу АЭ статистики дислокационных лавин в твердых телах, в основном на мезоскопическом структурном уровне [2-4], и 2) исследование методом АЭ прерывистой деформации металлов [5-10].
При деформировании в жесткой машине в условиях эффекта Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) в сплавах Al-Mg обнаружено, что каждый тип неустойчивости А, В и С сопровождается характерным сигналом АЭ, причем отдельному скачку разгрузки системы «машина-образец» соответствует всплеск сигнала АЭ, который по визуальным наблюдениям связывается с динамикой полос деформации [7]. В работе [8] с помощью метода АЭ зафиксировано зарождение полосы деформации по повышению энергии сигнала и смещению спектра АЭ в сторону низких частот. В [9] выполнены комбинированные эксперименты, сочетающие АЭ и лазерную экстенсометрию для исследования полосы Людерса и полос ПЛШ в сплаве Al-1,5%Mg, деформируемом с постоянной скоростью е о = const, а в [10] эти эксперименты были продолжены на сплаве Al-3,5%Mg, деформируемом с постоянной скоростью 6о = const и с
постоянной скоростью нагружения Сто = const. Обе
работы отмечают большую скорость счета малоамплитудных сигналов АЭ при распространении полосы Людерса в отожженных сплавах Al-Mg, в то же время эволюция последующих полос деформации сопровож-
дается более редкими и высокоамплитудными сигналами.
Следует отметить, что лазерная экстенсометрия регистрирует смещение наклеенных (или нанесенных лаком) полосок шириной 1-2 мм в центральной области рабочей части образца, и поэтому имеет ряд очевидных недостатков. Во-первых, отсутствует возможность получения информации со всей поверхности образца, что важно для исследования пространственной корреляции деформационных полос, во-вторых, этот метод «не видит» самих полос и не позволяет исследовать их форму, характерные углы наклона и т. д., т. е. по существу является косвенным методом. Отличительной особенностью настоящей работы является использование синхронно с измерением акустических сигналов методики прямого наблюдения деформационных полос с помощью скоростной видеосъемки всей рабочей поверхности плоского образца.
Цель работы состояла в исследовании in situ различных стадий эволюции полосы Людерса в промышленном алюминий-магниевом сплаве АМг6 методами акустической эмиссии, видеосъемки со скоростью 500 кадр/с синхронно с регистрацией скачков деформации.
МЕТОДИКА
Поликристаллические образцы сплава АМг6 (Al-5,92 вес. % Mg-0,61 вес. % Mn) размерами
6*3*1,2 мм вырезали из листового проката и деформировали одноосным растяжением при температуре 20 °С в условиях проявления эффекта Савара-Массона [11-15], т. е. с постоянной скоростью роста напряжения (ст 0 =0,2 МПа/с). Предварительно образцы подвергались часовому отжигу при температуре 450 °С и закалке для получения рекристаллизованной зеренной структуры со средним размером зерна 10 мкм [16]. Ступенчатые кривые деформации s(t) (см. рис. 1 в работе [15]) регистрировали с помощью контактного цифрового индикатора смещения 1D-C125 фирмы
Mitutoyo с точностью 1 мкм. Для in situ исследования динамики полос макролокализованной деформации на оптически полированной поверхности образца использовали скоростную цифровую видеокамеру VS-FAST/G6 научно-производственной компании «Видеоскан». Обработка изображений состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени изображений, например изображения n-го кадра из изображения (п+1)-го кадра. При такой методике обработки изображений выделяются контуры только движущихся объектов - распространяющихся полос деформации. Видеосъемку вели со стороны грани 3x6 мм2.
Акустический датчик, выполненный на основе ти-таната бария, укреплялся через слой масла на нижней лопатке образца, связанной с базой (станиной испытательной машины). Сигнал датчика АЭ усиливался широкополосным высокоомным предусилителем (полоса пропускания 1-106 Гц), оцифровывался с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и подавался на компьютер. Для синхронизации сигналов АЭ с данными видеофильмирования использовали следующую схему. Изображение экрана осциллографа с помощью собирающей линзы проецировалось через небольшое отверстие в стальном экране (необходимом для защиты измерительной ячейки от помех) на объектив видеокамеры. Такое устройство позволяло наблюдать в поле зрения видеокамеры поверхность деформируемого образца и одновременно перемещение луча осциллографа для последующей синхронизации видеофильма с акустическими сигналами, записанными с помощью компьютера.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Первым проявлением неоднородной деформации в сплаве АМг6 с рекристаллизованной зеренной структурой является распространение полосы Людерса. Эволюция полосы Людерса состоит из двух физически различных стадий: докритической стадии, на которой сравнительно медленно, со средними скоростями фронта —10-100 мкм/с, растут от источников на ребре кристалла незавершенные полосы (не пересекающие сечение) в форме, близкой к треугольной и закритиче-ской, активной фазе роста, которая стартует от внезапного распространения по границе одной из полос узкой (шириной около 40 мкм) деформационной полосы со скоростью вершины — 0,3-1 м/с, после чего начинается распространение вдоль образца ветвящегося фронта Людерса.
Медленная стадия докритического роста полосы Людерса не сопровождается акустическими сигналами и скачками деформации (по крайней мере их величина не превышает чувствительность соответствующих каналов измерения: 50 мкВ для канала АЭ и — 1 мкм для датчика смещения). В то же время началу закритиче-ской стадии роста соответствует всплеск сигнала АЭ, причем момент генерации акустического сигнала и длительность его переднего фронта в точности соответствует моменту зарождения и времени распространения через все сечение кристалла узкой гетерогенной полосы деформации, отвечающей границе предшествующей полосы (образованной на докритической стадии).
Начало деформационного скачка сопровождается всплеском акустического сигнала самой высокой амплитуды, более 1 В (рис. 1), по сравнению с сигналами
AЭ на фронте последующих более крупных деформационных ступеней на кривой нагружения, за исключением сигнала AЭ, вызванного разрывом образца. Этому скачку сигнала AЭ соответствует весьма сложный и скоррелированный во времени и пространстве процесс развития локализованной деформации. В первые 4 мс от источника на ребре образца распространяется узкая полоса деформации со скоростью вершины около 0,5 м/с, до контактного взаимодействия с устьем материнской ветки, отмеченной стрелкой на рис. 2 (кадры 51, 52 на рис. 2), затем за время меньше 2 мс по левой границе материнской полосы все сечение образца «пробивает» узкая полоса (кадр 52). По оценке снизу скорость ее вершины - не менее 1,5 м/с. После этого начинается перемещение левой границы как целое влево вдоль оси образца со скоростью около З см/с и одновременно происходят пространственно сложные деформационные процессы внутри полосы Людерса, включающие активизацию структуры полос скольжения (мезополос).
Начальная стадия зарождения структуры мезополос внутри полосы Людерса отмечена на записи сигнала AЭ пачкой из десятка более высокочастотных мелких сигналов с характерными частотами в интервале ~ 1-10 кГц (см. вставку на рис. 1). Отметим, что и в пространственной структуре наблюдается около десятка мезополос (рис. 2, кадры 54-5б). После кадров 5б и 57, соответствующих максимальному значению сигнала AЭ, скорость перемещения полос резко падает и активность полосы Людерса затухает.
Как видно, наиболее быстрые события на фронте полосы Людерса, связанные с зарождением и распространением со скоростью ~ 1 м/с первых полос локализованной деформации через сечение образца, сопровождаются соответствующими особенностями (скачками) в структуре акустического сигнала. Передний фронт сигнала AЭ длительностью 1б мс в точности соответствует представленному на рис. 2 фрагменту видеофильма на временном отрезке между кадрами 50 и 57, который занимает 1б мс. Как видно из рис. 1 и 2, начальная, наиболее активная стадия эволюции полосы Людерса вызывает раскачку добротной системы машина-образец, что затрудняет исследование методом AЭ последующих стадий распространения полосы Людер-са, обеспечивающих основной вклад в деформационный скачок. Поэтому передний фронт сигнала AЭ (см. вставку на рис. 1) по времени появления соответствует «подножию» второго деформационного скачка (см. кривые 1 и 2 на рис. 1) и может рассматриваться как его акустический предвестник.
Как отмечалось в работах [17, 18], независимо от жесткости испытательной машины первый деформационный скачок, соответствующий первой критической деформации рекристаллизованного сплава Al-Mg, обусловлен распространением полосы Людерса, связанной с лавинообразным размножением дислокаций, а последующие скачки - полосами Портевена-Ле Шателье (жесткий режим деформирования Є0 = const) или полосами Савара-Массона (мягкий режим <30 = const).
Из результатов настоящей работы следует, что полоса Людерса имеет сложную пространственно-временную структуру, а начальная наиболее быстрая стадия ее эволюции продолжительностью порядка 10 мс сопровождается всплеском акустического сигнала амплитудой
Рис. 1. Скачок деформации (1) и акустический сигнал (2), связанный с динамикой полосы Людерса, представленной на рис. 2: цифрами отмечены кадры видеофильма на рис. 2
Рис. 2. Распространения полосы Людерса на фронте скачка в сплаве АМг6: стрелкой отмечена позиция ветвления в структуре «материнской» полосы
—0,3—1 В. Как показывает детальное сопоставление данных оптических и акустических измерений, основные особенности развития локализованной деформации на этой стадии, выявленные с помощью видеосъемки поверхности, отраженны в структуре акустического сигнала, т. е. чувствительности оптического и акустического каналов регистрации к потере деформационной устойчивости сплава приблизительно одинаковы.
Таким образом, на основе исследования взаимосвязи сигналов акустической эмиссии с особенностями кинетики деформационных полос, контролируемой с помощью скоростной видеосъемки со скоростью 500 кадр/с установлено, что первый импульс АЭ длительностью — 10 мс сигнализирует о зарождении первой полосы локализованной деформации в структуре фронта Людерса у «подножия» первого деформационного скачка и в этом аспекте является акустическим предвестником потери устойчивого деформационного поведения сплава, что может быть использовано для прецизионного измерения первой критической деформации. Механизмом генерирования акустического сигнала, по-видимому, является лавинообразное распространение фронта размножения дислокаций в поликри-сталлическом сплаве.
ЛИТЕРАТУРА
1. James D.R., Carpenter S.H. // J. App. Phys. 1971. V. 42. № 12.
P. 4685-4697.
2. Weiss J., Grasso J.-R. // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 32.
P. 6113.
3. Weiss J., Lahaie F. Grasso J.-R. // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 433.
4. Miguel M.C., Vespignani A., Zapperi S. et al. // Nature. 2001. V. 410. №. 4. P. 667.
5. Chmelik F., Trojanova Z., Prevorovsky Z. et al. // Acta Univ. Carol. Math, et Phys.V. 32. № 1. 1991. P. 61. "
6. Криштал ММ., Мерсон Д.Л. // ФММ. 1991. № 10. С. 187.
7. Криштал ММ., Мерсон Д.Л. // ФММ. 1996. Т. 81. № 1. С. 156.
8. Криштал ММ., Хрусталев А.К., Разуваев А.А., Демин И.С. // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 1. C. 28
9. Chmelik F., Ziegenbein A., Neuhauser H., Lukac P. // Mat. Sci. Eng. 2002. V. A324. P. 200.
10. Chmelik F., Klose F.B., Dierke H., et al // Mat. Sci. Eng. 2007. V. A462. P. 53.
11. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А. и др. // Завод. лаборатория. 2005. № 7. Т. 71. С. 20.
12. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. и др. // Известия РАН. Серия Физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372.
13. Шибков А. А., Золотов А. Е., Михлик Д. В. и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 8. С. 23.
14. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В. и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22.
15. Шибков А.А., Золотов А.Е. // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412.
16. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С Г. и др. // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24.
17. Neuhauser H., Klose F. B., Hagemann F. et al. // J. of Alloys and Comp. 2004. V. 378. № 1-2. P. 13.
18. Klose F.B., HagemannF., Hahner P., Neuhauser H. // Mat. Sci. and Eng. 2004. V. A387-389. P. 93.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», рег. номер проекта 2.1.1/2747.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Shibkov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Denisov A.A. Acoustic emission during propagation of Luders band in AMg6 alloy. It is established that the first pulse of acoustic emission signals about nucleation of the first band of localized deformation in the complex structure of Luders front and in this aspect is the acoustic precursor of lack of deformation stability of AMg6 alloy.
Key words: dislocation; deformation bands; Luders band; acoustic emission; aluminum-magnesium alloy.
