CC BY
40
УДК 669.017:534
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1131-1135
НАКОПЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВЫХ СПЛАВАХ В УСЛОВИЯХ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТРУКТУРНОГО ПЕРЕХОДА
© С.В. Макаров, В.А. Плотников, М.В. Лысиков
Алтайский государственный университет, г. Барнаул, Российская Федерация, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Проведены исследования накопления деформации и акустической эмиссии в алюминиево-магниевом сплаве при нагружении в интервале температур от комнатной до 500 °С. Процесс накопления деформации в алюми-ниево-магниевом образце представлен как двухстадийный: низкотемпературный, контролируемый термически активируемым переползанием дислокаций и высокотемпературный, контролируемый зернограничным процессом производства полных решеточных дислокаций на тройных зернограничных стыках. Переход от низкоте м-пературной области накопления деформации к высокотемпературной можно трактовать как деформационный структурный переход.
Ключевые слова: акустическая эмиссия; алюминиево-магниевый сплав; сварной шов; сварка трением с перемешиванием; пластическая деформация.
ВВЕДЕНИЕ
Эксперименты по деформированию поликристаллов алюминия и других металлов и сплавов в широком интервале температур свидетельствуют, что в ходе нагружения накопление деформации осуществляется двояким образом: монотонным путем, когда на зависимости деформации от времени (температуры) процесса отсутствуют события, нарушающие монотонность; немонотонным путем, когда на этой зависимости наблюдаются макроскопические деформационные скачки [1-2]. Эти особенности деформационного поведения металлов коррелируют с акустической эмиссией, сопровождающей процесс накопления деформации при высоких температурах: монотонное накопление деформации сопровождается низкоамплитудной акустической эмиссией; скачкообразное накопление деформации характеризуется высокоамплитудными единичными сигналами акустической эмиссии [3-4].
Деформирование алюминиево-магниевых сплавов в широком интервале температур также представляет собой двоякий процесс накопления деформации, сопровождаемый акустической эмиссией [5-6]. Известно, что эффект прерывистой текучести в алюминиево-магниевых сплавах при механическом нагружении представляет собой процесс формирования полос деформации, являющиеся областями локализации пластической деформации [7]. Прерывистая текучесть на зависимости напряжение - деформация проявляется в скачках (зубцах) напряжения, причем полоса деформации, ответственная за акты прерывистой текучести, является макроскопическим объектом и развивается из критического зародыша полосы. Наблюдаются два типа полос деформации: пространственно неорганизованные полосы и пространственно организованные. Каждый акт прерывистой текучести связан с появлением одной полосы деформации [8]. Прерывистая теку-
честь сопровождается импульсами акустической эмиссии, коррелирующие с появлением полос деформации, т. е. каждому скачку напряжений соответствует импульс акустической эмиссии [5; 6; 8; 9].
Целью данной работы является проведение исследований 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. Образцы предварительно отжигали при температуре 500 °С в течение 1 часа и охлаждали с печью.
Механическое нагружение, измерение деформации, температуры и среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии проводили с помощью установки, схематичное описание которой приведено в публикации [6]. Образец нагружали сдвиговым напряжением и измеряли сдвиговую деформацию. Нагружение осуществляли неизотермически непрерывным нагревом начиная от 25 и до 500 °С или изотермически в этом же интервале температур. Кроме среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии и, в экспериментах анализировали и интегральный параметр акустической эмиссии 7 = Еи-2ДГ,-, где Дг,- - шаг разбиения временного интервала процесса.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлены результаты по накоплению деформации и акустической эмиссии в образце алюми-ниево-магниевого сплава, полученные при постоянном
механическом напряжении величиной около 120 МПа и нагреве до 500 °С. Из приведенных данных следует, что при нагреве нагруженного образца наблюдаются два участка накопления деформации (на рис. 1 область I, область II). В низкотемпературной области I в температурном интервале 20-400 °С монотонному накоплению деформации величиной примерно 5 % соответствует акустическая эмиссия, характеризуемая монотонным нарастанием среднеквадратического напряжения акустической эмиссии при нагреве.
В высокотемпературной области II при температуре около 400 °С (Тр) характер накопления деформации и акустической эмиссии меняется: быстрому накоплению деформации соответствует активный рост амплитуды среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Это может свидетельствовать, что в области II после 400 °С активизируется новый механизм накопления деформации, который становится основным.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Введя две области: низкотемпературную - область I и высокотемпературную - область II, отличающиеся скоростью накопления деформации, для всех изотермических и неизотермических циклов на деформационной зависимости можно определить температуру перехода от одной области в другую. Для этого проведем анализ зависимости накопления деформации, например, в неизотермических циклах при механических нагрузках в интервале от 40 до 200 МПа на двух деформационных участках с помощью двойной экспоненциальной функции вида:
е = е0 + e01 expO^) + е02 exp(v2f).
(1)
Здесь 801, в02 - начальные деформации; V!, у2 - скорости деформации на двух температурных интервалах (области I, II). Точка пересечения экспонент 1 и 2 позволяет определить момент времени и граничную температуру перехода. Данные такого анализа зависимости деформации от времени в неизотермических циклах при разных механических нагрузках приведены на рис. 2.
Рис. 1. 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
Как следует из данных табл. 1 и рис. 2, значение граничной температурной точки (Тр) между областями I и II изменяется в зависимости от величины нагрузки в циклах от 40 до 200 МПа не монотонным образом. Максимальное значение граничной температуры соответствует механическому напряжению около 90 МПа. В интервале нагрузок 40-90 МПа значение температуры Тгр незначительно возрастает по линейному закону (зависимость 1, табл. 1), в то время как в циклах с нагрузкой от 90 до 200 МПа наблюдается значительное линейное снижение температуры Тгр (зависимость 2, табл. 1). Значение максимальной температуры при 90 МПа составляет около 470 °С.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ ПЕРЕХОД
Температурная точка перехода от низкотемпературной области I к высокотемпературной области II на рис. 2 определяет переход от низкоскоростного накопления деформации к высокоскоростному. Скорость накопления деформации в первом температурном интервале (в области 1) почти в четыре раза меньше скорости накопления в области II. Переход из области I в область II можно трактовать как деформационный структурный переход.
В области I низкая скорость накопления деформации ^ = 0,0031 с-1) соответствует низкоамплитудной монотонной акустической эмиссии, свидетельствующей о низкой корреляции элементарных деформационных актов [2] и низкой колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом объеме. В высокотемпературной области II быстрое (у2 = 0,0129 с-1) накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, следовательно, увеличению колебательной энергии акустической эмиссии в объеме образца.
Таблица 1
Значения параметров аппроксимирующей функции У = А + ЬХ для двух интервалов напряжений (рис. 2)
а, МПа А b r
40-90 428 + 16 0,35 + 0,21 0,562
90-200 662 + 28 -2,1 + 0,2 0,964
40 60 80 1 СЮ 120 1*0 1в0 1 ВО 200 220 Напряжение МП*
Рис. 2. Зависимость граничной температуры от механического напряжения в циклах
Деформационный структурный переход от области I к области II представляет собой смену накопления деформации, контролируемый термически активируемым переползанием дислокаций, на процесс накопления, контролируемый процессом производства дислокаций на тройных зернограничных стыках в ходе зер-нограничного проскальзывания [10-11] и происходит тогда, когда температурно-силовые параметры и колебательная энергия акустической эмиссии в деформируемом объеме достигают критических значений. Таким образом, деформационный структурный переход есть результат совместного действия термических флуктуаций, механических напряжений, определяющих величину статических смещений атомов, и колебательной энергии акустической эмиссии, определяющей величину динамических смещений атомов в элементарном деформационном акте. Очевидно, производство полных дислокаций при активации зерногра-ничного проскальзывания позволяет обеспечить значительное увеличение скорости накопления деформации в области II.
Колебательная энергия акустической эмиссии (как отмечено выше) должна накапливаться в объеме деформируемого образца. Единственным процессом, который может обеспечить накопление колебательной энергии, является процесс формирования стоячих акустических волн на естественных резонаторах в системе образец-волновод [12]. Разумеется, бегущая волна (точнее волновой пакет) также характеризуется некоторой колебательной энергией, однако, эта энергия быстро затухает при распространении волнового пакета. При формировании стоячей волны энергия первичных сигналов акустической эмиссии перераспределяется по всем резонаторам системы, однако отметим, что для нас важен резонатор в области локализации деформации. Именно колебательная энергия стоячей волны этого резонатора совместно со статическими смещениями и тепловыми флуктуациями обеспечивает активацию элементарных сдвигов и их корреляцию в области локализации деформации.
Рост энергии акустической эмиссии при переходе в область II может свидетельствовать о повышении корреляционных эффектов в системе элементарных деформационных актов [2]. Фактически процесс накопления деформации в области II контролируется акустической эмиссией (точнее акустическими стоячими волнами), в то время как в области I эта корреляция отсутствует. 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 корреляции деформационных актов в образце. Известно, что элементарным деформационным актом при нагружении образцов алюминиево-магниевого сплава является формирование деформационной полосы [7-9]. 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 дискретные импульсы акустической эмиссии характеризуют высокую когерентность элементарных акустических сигналов (волновых пакетов) от системы деформационных
полос, интерференция которых (волновых пакетов) формирует единичный акустический сигнал.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Особенности деформационного поведения алюми-ниево-магниевого сплава проявляются в двух температурных интервалах, характеризующихся 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 свидетельствует о высокой корреляции элементарных деформационных актов.
Граничная температура является критической температурой деформационного структурного перехода между накоплением деформации, контролируемой термически активируемым переползанием дислокаций, и накоплением деформации, контролируемой зерно-граничным процессом производства полных решеточных дислокаций на тройных зернограничных стыках.
Переход к скачкообразной или квазискачкообразной деформации является результатом совместного действия тепловых флуктуаций, статических смещений и динамических колебательных смещений стоячих звуковых волн, сформированных на естественных резонаторах в области локализации деформации образца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плотников В.А., Макаров С.В. Деформационные эффекты и акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. № 6. С. 65-72.
2. Плотников В.А., Макаров С.В., Потекаев А.И. Высокотемпературная пластическая деформация и акустическая эмиссия алюминия в слабоустойчивом состоянии // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 6. С. 23-30.
3. Плотников В.А., Макаров С.В. Структурный фактор акустической эмиссии при высокотемпературной деформации алюминия // ФММ. 2008. Т. 105. № 4. С. 424-430.
4. Плотников В.А., Макаров С.В. Акустическая эмиссия и активаци-онные параметры при высокотемпературной деформации алюминия // ФММ. 2008. Т. 105. № 5. С. 206-215.
5. Макаров С.В., Плотников В.А., Колубаев Е.А. Закономерности акустической эмиссии в условиях пластической деформации алю-миниево-магниевого сплава при неизотермическом нагружении // Известия АлтГУ. 2014. № 1. С. 252-256.
6. Макаров С.В., Плотников В.А., Колубаев Е.А. Скачкообразная деформация и импульсная акустическая эмиссия при нагружении алюминиево-магниевых сплавов // Известия АлтГУ. 2014. № 2. С. 207-210.
7. Криштал М.М. Особенности образования полос деформации при прерывистой текучести // ФММ. 1993. Т. 75. № 5. С. 31-35.
8. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии при деформировании алюминиево-магниевых сплавов // ФММ. 1996. Т. 81. № 1. С. 156-162.
9. Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и акустическую эмиссию при прерывистой текучести в Al-Mg сплавах // ФММ. 1991. № 10. С. 187-193.
10. Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. 214 с.
11. Жиляев А.П., Пшеничнюк А.И. Сверхпластичность и границы зерен в ультрамелкозернистых материалах. М.: Физматлит, 2008. 320 с.
12. Макаров С.В., Плотников В.А., Потекаев А.И. Спектральная плотность сигналов акустической эмиссии и макроскопическая корреляция деформационных актов в слабоустойчивом состоянии
кристаллическом решетки при высокотемпературном нагружении алюминия // Известия вузов. Физика. 2014. № 7. С. 81-86.
тромагнитные и акустические методы исследования деформационного поведения металлов и сплавов».
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации № 218 «Новые элек-
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 669.017:534
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1131-1135
ACCUMULATED DEFORMATION AND ACOUSTIC EMISSION IN ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOYS IN THE DEFORMATION OF THE STRUCTURAL TRANSITION
© S.V. Makarov, V.A. Plotnikov, M.V. Lysikov
Altai State University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Investigations of strain accumulation and acoustic emission in aluminum-magnesium alloys under load at temperatures ranging from room temperature to 500 °C are carried out. The accumulation of strain in the aluminum-magnesium sample is represented as a two-step: the low-temperature-controlled heat-activated climb of dislocations and high temperature-controlled grain boundary process to the full lattice dislocations at the grain boundary triple junctions. The transition from the low-temperature region to the high-temperature strain accumulation can be interpreted as a deformation structural transition.
Key words: acoustic emission; aluminum-magnesium alloy; a weld; friction stir welding; plastic deformation.
1. Plotnikov V.A., Makarov S.V. Deformatsionnye effekty i akusticheskaya emissiya pri vysokotemperaturnoy deformatsii alyuminiya.
Pis'ma v Zhurnal tehnicheskoj fiziki - JETP Letters, 2008, vol. 34, no. 6, pp. 65-72.
2. Plotnikov V.A., Makarov S.V., Potekaev A.I. Vysokotemperaturnaya plasticheskaya deformatsiya i akusticheskaya emissiya alyuminiya v slaboustoychivom sostoyanii. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 2013, vol. 56, no. 6, pp. 23-
3. Plotnikov V.A., Makarov S.V. Strukturnyy faktor akusticheskoy emissii pri vysokotemperaturnoy deformatsii alyuminiya. Fizika metal-lov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2008, vol. 105, no. 4, pp. 424-430.
4. Plotnikov V.A., Makarov S.V. Akusticheskaya emissiya i aktivatsionnye parametry pri vysokotemperaturnoy deformatsii alyuminiya. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2008, vol. 105, no. 5, pp. 206-215.
5. Makarov S.V., Plotnikov V.A., Kolubaev E.A. Zakonomernosti akusticheskoy emissii v usloviyakh plasticheskoy deformatsii alyumi-nievo-magnievogo splava pri neizotermicheskom nagruzhenii. Izvestiya AltGU, 2014, no. 1, pp. 252-256.
6. Makarov S.V., Plotnikov V.A., Kolubaev E.A. Skachkoobraznaya deformatsiya i impul'snaya akusticheskaya emissiya pri nagruzhenii alyuminievo-magnievykh splavov. Izvestiya AltGU, 2014, no. 2, pp. 207-210.
7. Krishtal M.M. Osobennosti obrazovaniya polos deformatsii pri preryvistoy tekuchesti. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1993, vol. 75, no. 5, pp. 31-35.
8. Krishtal M.M., Merson D.L. Vzaimosvyaz' makrolokalizatsii deformatsii, preryvistoy tekuchesti i osobennostey akusticheskoy emissii pri deformirovanii alyuminievo-magnievykh splavov. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1996, vol. 81, no. 1, pp. 156-162.
9. Krishtal M.M., Merson D.L. Vliyanie geometricheskikh parametrov obraztsa na mekhanicheskie svoystva i akusticheskuyu emissiyu pri preryvistoy tekuchesti v Al-Mg splavakh. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1991, no. 10, pp. 187-193.
10. Kaybyshev O.A., Valiev R.Z. Granitsy zeren i svoystva metallov. Moscow, Metallurgy Publ., 1987. 214 p.
11. Zhilyaev A.P., Pshenichnyuk A.I. Sverkhplastichnost' i granitsy zeren v ul'tramelkozernistykh materialakh. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008. 320 p.
12. Makarov S.V., Plotnikov V.A., Potekaev A.I. Spektral'naya plotnost' signalov akusticheskoy emissii i makroskopicheskaya korrelyatsiya deformatsionnykh aktov v slaboustoychivom sostoyanii kristallicheskoy reshetki pri vysokotemperaturnom nagruzhenii alyuminiya. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 2014, no. 7, pp. 81-86.
GRATITUDE: The work is fulfilled under support of Ministry of Education and Science of Russian Federation within the
framework of realization no. 218 "New electromagnetic and acoustic methods of deformation behaviour of alloys and metals
research".
REFERENCES
30.
Received 10 April 2016 1134
Макаров Сергей Викторович, Алтайский государственный университет, г. Барнаул, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Makarov Sergey Viktorovich, Altai State University, Barnaul, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of General and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Плотников Владимир Александрович, Алтайский государственный университет, г. Барнаул, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой общей и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Plotnikov Vladimir Aleksandrovich, Altai State University, Barnaul, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of General and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Лысиков Михаил Валерьевич, Алтайский государственный университет, г. Барнаул, Российская Федерация, аспирант, кафедра общей и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Lysikov Mikhail Valerevich, Altai State University, Barnaul, Russian Federation, Post-graduate Student, General and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
