Анализ эволюции дефектной структуры поликристаллических материалов на различных стадиях нагружения методом акустической эмиссии

На правах рукописи

Башков Олег Викторович

АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИИ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ НАГРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Комсомольск - на - Амуре

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ")

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Семашко Николай Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ботвина Людмила Рафаиловна

доктор технических наук,

профессор Никулин Сергей Анатольевич,

Заслуженный работник высшего профессионального образования РФ

доктор технических наук,

профессор Ри Хосен, Заслуженный деятель науки РФ

Ведущая организация: Институт физики прочности и

материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится «23 » декабря 2011г. в 12.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Комсомольском – на - Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск – на - Амуре, ул. Ленина, 27, корп. 3, ауд. 201. Факс:(4217)540887. E-mail: mdsov@knastu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского – на– Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан « » ___________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Структура материалов при нагружении может быть представлена как сложная система, обладающая свойствами нелинейности, неравновесности и необратимости. Главный интерес исследователей в настоящее время направлен на изучение дефектов структуры любого объекта, определяющих его основные эксплуатационные характеристики.

Главная парадигма современного материаловедения «от дефектов структуры материала – к его свойствам» приобрела новое содержание благодаря рассмотрению иерархии структур и созданию моделей пластической деформации и разрушения на микро-, мезо- и макроструктурных уровнях. Экспериментальные и теоретические исследования мезоскопических структурных уровней деформации привели к созданию качественно новой методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой самоорганизующиеся системы. В связи с этим школой под руководством академика Панина В.Е. на протяжении более 20 лет развивается направление в механике твердого деформируемого тела – физическая мезомеханика. В его основу легли разработка и описание иерархии структурных уровней деформации твердых тел.

Исследования многостадийности деформации и накопления повреждений металлических материалов представляют интерес как для решения теоретических, так и прикладных проблем материаловедения. С позиций фундаментального рассмотрения такие исследования дают информацию о механизме деградации структуры на ранних стадиях деформационного процесса, а с позиций решения прикладных проблем позволяют разработать новые подходы к прогнозированию несущей способности, выявлению текущего механического состояния материала конструкций. Первым известным фактором, определяющим деформационное поведение и свойства материала, является его состав и тип кристаллической решетки. Для для чистых ГЦК кристаллов с выраженной площадкой текучести сначала Дж. Беллом в 1955 г. был выявлен трехстадийный, позднее Н.А. Коневой в 1984 г. четырехстадийный характер кривой течения, характерной для гетерогенно-пластического поведения материалов. Вторым немаловажным фактором является первичное структурное состояние материала, предшествующее деформации. Если свойства и поведение идеальных кристаллов достаточно хорошо изучены и теоретически описаны, то поведение поликристаллов в различном структурном состоянии на сегодняшний день требует все более глубокого изучения и переосмысления.

Структурное состояние материала при прочих равных условиях зачастую может оказаться наиболее важным фактором, влияющим на свойства, и долговечность материала. Если деформационное поведение материала на макроуровне можно описать на основе кривых «напряжение-деформация», то эволюцию дефектной структуры на микроуровне наиболее эффективно можно описать по ее изменению. Выбор метода исследования в этом случае является достаточно важным.

Исследованию механизмов и особенностей деформации материалов посвящено много работ и применяется множество методик, основанных на различных физических принципах. В основу каждого метода заложено какое-либо физическое явление или эффект. Современное многообразие методов позволяет сделать выбор того или иного метода исходя из поставленных задач. Несомненно, наиболее простой в интерпретации, наглядный и активно используемый – это метод прямого визуального наблюдения за исследуемым деформируемым материалом. Однако, данный метод позволяет судить о процессах, происходящих в структуре материала, в основном, по результатам исследования поверхности. Метод АЭ является одним из наиболее информативных методов анализа структурных изменений на микроуровне структурно однородных и неоднородных материалов в реальном времени. Данный метод регистрации упругих волн при деформации твердых тел, известен с середины XX века благодаря работам Кайзера, Скофилда, Данегана, Поллока и др. Многие зарубежные страны (США, Япония, Англия, Франция, Германия) в 60-70-х годах ХХ века проявили большую активность в развитии метода АЭ как метода неразрушающего контроля материалов и конструкций. В СССР наибольшая активность исследований в области АЭ применительно к задачам неразрушающего контроля и технической диагностики качества материалов и изделий пришлась на 70-80-е годы ХХ века благодаря работам таких ученых как А.Е. Андрейкив, В.Н. Белов, В.С. Бойко, Л.Р. Ботвина, В.А. Грешников, О.В. Гусев, Ю.Б. Дробот, В.И. Иванов, Н.В. Лысак, Г.Б. Муравин, Н.В. Новиков, Н.А. Семашко, А.Н. Серьезнов, В.М. Финкель и др. Вместе с тем, интерпретация результатов проводимых исследований сдерживалась отставанием в развитии технических средств для регистрации и обработки сигналов АЭ. Метод АЭ является одним из немногих методов, позволяющих в реальном времени проводить исследование кинетики объемной структурной перестройки на различных стадиях деформации материалов.

Актуальность применения метода акустической эмиссии для описания стадийности процессов деформации материалов вызвана, в том числе, развитием новой теории структурных уровней деформации твердых тел и необходимостью поиска новых методов ее экспериментального подтверждения для различных материалов и условий нагружения. Проведение данных исследований потребовало разработки новых программных и аппаратных средств, а также алгоритмов и методов регистрации и обработки сигналов АЭ. Новые методики исследования должны основываться на результатах анализа известных и вновь получаемых данных. Комплексное применение известных и разрабатываемых методов, в том числе совмещение метода АЭ и оптико-телевизионного метода оценки деформации, позволяет раскрыть взаимосвязь структурных переходов в объеме материала на микроуровне со структурными переходами на мезо- и макроуровнях, получаемых по изображениям поверхности деформируемого материала, а также данным тензометрии.

Особая актуальность проводимых исследований заключается в описании стадийности АЭ на различных структурных уровнях деформации в целях прогнозирования наступления стадии предразрушения. При этом переход материала при испытании или эксплуатации на стадию предразрушения должен быть рассмотрен в условиях статических и циклических нагрузок. Одним из важных критериев, используемых при прогнозировании, является идентификация дефектов структуры, развивающихся при деформировании. Большие перспективы развития метода АЭ при этом связаны с техническими достижениями и возможностями в области применения ЭВМ для накопления и обработки больших объемов цифровой информации, получаемой при регистрации сигналов АЭ.

Для выявления структурных переходов и описания стадий деформации на основе данных, получаемых от комплексного использования АЭ и оптико-телевизионного метода, необходимо проведение системного исследования широкого спектра материалов (титановые, алюминиевые сплавы, сплавы железа) с различными видами объемной и поверхностной обработки и их общая систематизация.

Целью работы является разработка комбинированного метода исследования, контроля и прогнозирования структурного состояния поликристаллических материалов в условиях различных схем нагружения на основе установления связи между эволюцией дефектной структуры и кинетикой накопления повреждений, регистрируемых методом АЭ на различных стадиях пластической деформации и разрушения.

Актуальность работы подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках единого заказ-наряда, Региональной научно-технической программы решения комплексных проблем Дальнего Востока «Дальний Восток России».

В работе поставлены следующие задачи:

• разработать критерии идентификации источников сигналов АЭ, выявить наиболее информативные параметры АЭ и на их основе установить закономерности развития пластической деформации и разрушения металлических материалов с кристаллическими решетками ОЦК, ГЦК и ГПУ на различных стадиях;
• разработать методику, алгоритм и программное обеспечение для регистрации, обработки, анализа и идентификации сигналов АЭ и методику комбинированного применения акустико-эмиссионного, оптико-телевизионного и тензометрического методов для исследования структурного состояния и эволюции накопления повреждений образцов конструкционных материалов и изделий из них;
• установить связь между стадиями деформации и разрушения при статическом растяжении и циклическом изгибе образцов конструкционных материалов, выявленными на основании данных тензометрии, оптических изображений деформируемой поверхности, металлографии и АЭ, структурным состоянием и механическими свойствами материалов;
• выявить особенности влияния покрытий и концентраторов напряжений в виде надрезов на регистрируемые параметры АЭ при одноосном статическом растяжении конструкционных материалов;
• с применением метода АЭ выявить влияние обработки поверхности на особенности накопления повреждений и развития усталостных трещин при знакопеременном циклическом изгибе образцов конструкционных материалов и разработать критерии прогнозирования долговечности;
• провести исследование образцов конструкционных материалов в состоянии поставки, с термической, химикотермической, поверхностной электроэрозионной обработкой, выявить закономерности и стадии деформации и разрушения в условиях приложения статических и циклических нагрузок с комплексным применением АЭ и оптико-телевизионного методов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработана методика идентификации типов источников на основании нового параметра АЭ (частотного коэффициента Kf) и критерии классификации сигналов АЭ; при этом источники АЭ классифицированы как излучаемые при пластической деформации скольжением, двойникованием, образовании микро- и макротрещин;
• на основании активности АЭ выявлено и теоретически обосновано наличие стадий деформации и разрушения металлических материалов при статическом растяжении:

• установлено, что при увеличении скорости истинной деформации активность АЭ увеличивается;
• установлено, что повышение активности АЭ дислокационного типа на стадии упрочнения материалов с наличием объемно распределенных упрочняющих фаз связано с генерацией дислокаций при образовании дислокационных петель на частицах дисперсной фазы и повышении плотности дислокаций, приводящих к упрочнению материала;
• установлена связь между скоростью деформации и активностью развития дефектов и генерируемых ими сигналов АЭ;
• выявлено повышение активности сигналов АЭ, вызванное повышением активности дислокаций при проявлении эффекта прерывистой текучести Портевена-Ле Шателье, возникшее за счет повышения деформирующего напряжения и последующего нарушения сдвиговой устойчивости деформируемого сплава АМг6АМ;
• выявлено влияние температуры отпуска закаленной стали 45 на изменение суммарной АЭ и энергии АЭ, вызванное изменением тетрагональности решетки мартенсита и образованием карбидных частиц;
• установлена связь между степенью чувствительности к концентрации напряжений, удельной энергией сигналов АЭ и характером интегрального накопления АЭ.
• выявлена и качественно описана связь между стадиями деформации материалов с упрочняющими покрытиями различной толщины и активностью различных типов источников АЭ на различных стадия, установлено выявлено влияние толщины упрочняющих покрытий на интегральные параметры АЭ;
• показана связь между шероховатостью поверхности, образованной в результате электроэрозионного воздействия, стадиями накопления повреждений и усталостного разрушения образцов при знакопеременном циклическом изгибе и параметрами регистрируемых сигналов АЭ.

Практическая значимость работы:

• разработан и изготовлен четырехканальный лабораторный комплекс для регистрации сигналов АЭ; разработана методика борьбы с шумами при исследовании материалов с применением АЭ в условиях одноосного статического растяжения и циклических знакопеременных нагрузок;
• разработаны алгоритмы и программное обеспечение для регистрации, обработки и проведения комплексного анализа на основе методов цифровой обработки сигналов АЭ, классификации сигналов АЭ по типам источников излучения;
• разработана, изготовлена и экспериментально протестирована уникальная установка с низким уровнем акустических шумов, передаваемых в приемник АЭ сигналов, для исследования материалов с применением АЭ в условиях циклических знакопеременных изгибающих нагрузок;
• получены и систематизированы результаты экспериментальных исследований стадий деформации и разрушения широкого круга конструкционных материалов (стали, титановые, алюминиевые сплавы) при различных схемах нагружения;
• сформулированные критерии идентификации источников сигналов АЭ и прогнозирования долговечности могут быть использованы при неразрушающем контроле материалов, изделий и конструкций;
• разработана методика определения местоположения источников АЭ с использованием одного приемника.
• разработаны алгоритмы выявления полезных сигналов АЭ, излучаемых развивающимися дефектами при деформации материалов, на фоне шумов и помех не акустического происхождения;

Реализация работы

Исследования проводились в рамках Госбюджетной тематики по единому заказ-наряду и Региональной научно-технической программы решения комплексных проблем развития Дальнего Востока «Дальний Восток России». Результаты работы были использованы при идентификации разрушения в процессе испытания валков раздачи слябов на ОАО «Амурметалл», аппаратно-программный комплекс использовался при проведении совместных научных исследований с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), в диагностической организации ООО «РЦДИС» для проведения пневматических испытаний при проведении технического диагностирования сосудов, работающих под давлением. Автор диссертации выражает глубокую признательность и благодарность доктору технических наук С.В. Панину за помощь, оказанную при постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов. Разработанное в процессе исследований оборудование, методики и результаты исследования внедрены и активно используются в научно-исследовательской работе и учебном процессе для преподавания специальных дисциплин студентам специальности «Материаловедение в машиностроении» и для подготовки аспирантов специальности «Материаловедение (машиностроение)».

Апробация работы