Complex analysis of mechanical and acoustical properties of the materials.pdf Введение Исследования пластичности металлов и сплавов, выполненные в предыдущие годы (см., например, [1]), показали, что обязательным и наиболее важным признаком процессов пластического течения является их склонность к протеканию локализованным образом. Установлено, что в материале на любой стадии процесса формоизменения самопроизвольно генерируется специфическая картина распределения очагов локализации - паттерн локализованного пластического течения. Форма паттерна определяется действующим в материале законом деформационного упрочнения. Наблюдаемые паттерны локализации могут быть использованы в качестве информативного признака при прогнозировании запаса пластичности деформируемых материалов. Эта идея становится еще более привлекательной, если принять во внимание, что при пластической деформации меняются многие физические свойства деформируемой среды, в частности, акустические. По этой причине важно одновременно регистрировать показатели механических и акустических свойств, а также паттерн локализованного пластического течения. При этом следует иметь в виду, что изменения акустических характеристик в процессе пластического течения обычно не превышают 10-4-10-3, так что регистрация возникающих изменений является непростой задачей. Вариации скорости распространения ультразвука при изменениях состава, структуры и состояния материалов были обнаружены и детально описаны в работе [2]. Позднее большое число исследований было посвящено анализу природы связи акустических свойств материалов с пластической деформацией. Параллельное изучение соответствующих деформационных закономерностей указало на возможность использовать малые изменения скорости распространения ультразвука в твердых телах в качестве информативного параметра. В пользу этого соображения говорит и развиваемый в наших работах подход, связывающий механические и акустические свойства твердых тел при пластической деформации. Такой подход характеризуется упругопластическим инвариантом деформации [1] и следствиями из него, рассмотренными в [3]. 1. Испытательный стенд и его возможности Для развития и подтверждения таких взглядов на динамику пластического течения необходимо было разработать измерительный стенд для проведения комплексных взаимно дополняющих исследований механических и акустических свойств деформируемых материалов разных классов непосредственно в процессе их формоизменения. Стенд предназначен для оценки показателей прочности и пластичности материалов при квазистатических испытаниях на растяжение, сжатие и изгиб и синхронизированного с записью диаграммы «напряжение - деформация» определения величин скорости распространения ультразвука и коэффициента затухания ультразвуковой волны как функций деформации. Возможны также регистрация и обработка паттерна локализованной пластичности, возникающего при пластической деформации исследуемого материала, автоматический анализ получаемых показателей и их графическое представление в режиме реального времени с записью получаемых результатов в памяти управляющего компьютера. При работе стенда осуществляются синхронизированное измерение характеристик пластичности и прочности деформируемых материалов, наблюдение и анализ паттернов локализации пластического течения на макроскопическом масштабном уровне и измерение малых вариаций акустических свойств деформируемой среды непосредственно в процессе деформирования. Разработанный экспериментальный стенд включает в себя четыре согласованно работающих блока. Механический блок представлен испытательными машинами Instron-1185 и Walter Bai AG LFM-125, предназначенными для записи кривых пластического течения (диаграмм «напряжение - деформация») материалов и определения их механических характеристик. Оптоэлектронный блок представляет собой автоматизированный лазерный измерительный комплекс ALMEC-tv (разработка ИФПМ СО РАН [1]), предназначенный для регистрации паттернов локализации пластического течения, восстановления деформационного поля векторов смещений и вычисления компонент тензора пластической дисторсии. Для освещения поверхности образцов использован полупроводниковый лазер Edmund (635 нм, 3.0 мВт), а для регистрации спекл-структуры исследуемой поверхности применена ПЗС-камера Point Grey FL3-GE-50S5M-C (черно-белая, 5.0 Mпикс, сенсор Sony ICX655, 2/3» с максимальным разрешением 2592×1944). Акустический блок содержит генератор Rigol DG-1022 и цифровой осциллограф Rigol DS-2072A-S и предназначен для измерения скорости распространения и коэффициента затухания рэлеевских, а также продольных и поперечных ультразвуковых волн непосредственно в ходе пластической деформации. Измерение скорости распространения ультразвука сводится к определению времени прохождения ультразвукового импульса между передающим и приемным преобразователями. Затухание определяется по изменению формы этого импульса. Импульсы возбуждаются пьезоэлектрическим преобразователем на частоте 3 МГц, Управляющий блок включает персональный компьютер, обеспечивающий управление стендом, синхронизацию измерений и накопление полученной информации. Эти операции выполняются с помощью специально разработанного программного обеспечения. Основные характеристики стенда приведены в табл. 1. Таблица 1 Достигнутые технические характеристики испытательного стенда Характеристика Значение Диапазон испытательных нагрузок 102-107 Н Точность измерения скорости ультразвуковых волн 2•10-4 Точность измерения коэффициента затухания ультразвука 10-2 Точность измерения векторов смещения 1 мкм Точность измерения компонент тензора пластической дисторсии 10-3 Быстродействие при регистрации изображений до 50 кадр/с Объем памяти управляющего компьютера 3 Тбайт В соответствии с двухкомпонентной моделью развития локализованного пластического течения в деформируемом материале сосуществуют два волновых процесса: автоволны локализованного пластического течения, ответственные за пластичность, и ультразвуковые волны, перераспределяющие упругие напряжения. Методика комплексного исследования свойств материалов с использованием измерительного стенда позволяет регистрировать их параметры одновременно. В большинстве случаев испытания проводятся на плоских образцах, вырезанных из листов исследуемого сплава. Размер рабочей части образцов 5×80 мм. Плоская поверхность образцов должна диффузно рассеивать свет. Это требование определяется условиями наблюдения паттерна локализованной пластичности при использовании метода спекл-фотографии [1]. Исходные данные о процессе деформирования получаются в форме зависимостей «напряжение течения - время» и «скорость распространения ультразвука - время» с помощью испытательных машин Instron-1185 или Walter Bai AG LFM-125 и генератора Rigol DG-1022 с цифровым осциллографом Rigol DS-2072A-S соответственно. Эти зависимости перестраиваются в графики «напряжение течения - деформация», «относительное измерение скорости распространения ультразвука - деформация», «относительное измерение скорости распространения ультразвука - напряжение течения» и представляются в совмещенной форме. Применимость стенда для проведения испытаний была подтверждена измерениями акустических параметров деформируемой среды (скорость распространения и коэффициент затухания ультразвука) с одновременной регистрацией паттернов локализованной пластичности, возникающих в материалах при пластическом течении. Эти данные были получены в тестовых экспериментах по растяжению плоских образцов, изготовленных из сталей, дюралюминия, меди, титанового сплава (испытания на растяжение). Пример таких зависимостей приведен на рис. 1. Построение графиков осуществлено в автоматическом режиме с использованием специально разработанного программного обеспечения. На графиках могут быть выделены участки с закономерным поведением зависимостей скорости распространения ультразвука от деформации или напряжения, например, соответствующие постоянному значению скорости. Эти участки однозначно свидетельствуют о реализации соответствующего закона деформационного упрочнения. Рис. 1. Диаграмма «напряжение - деформация» (a), относительные изменения скорости рэлеевских акустических волн (б), связь изменения скорости ультразвука с временным сопротивлением (в) и затухание (г) как функция деформации для сплава Fe - 0.08 мас.% С (сталь 08) Таким образом, использование разработанного стенда позволяет существенно дополнить информацию о стандартных характеристиках материала, таких как предел текучести, временное сопротивление, коэффициент деформационного упрочнения, получаемую в процессе механических испытаний. Как известно, эти характеристики являются условными и слабо отражают физическую природу процессов, протекающих в твердых телах при пластической деформации [4]. В то же время комплексные измерения свойств с использованием разработанного и описанного стенда позволяют связать процессы, характерные для структурных уровней разного масштаба, и использовать данные о микроскопических механизмах деформации непосредственно для объяснения макроскопических показателей процесса пластического течения. Формально связь такого рода может проявляться через вхождение одного из параметров процесса в коэффициенты, определяющие процессы, протекающие на других масштабных уровнях. Возможность выявления такой связи будет рассмотрена ниже. 2. Оценка микропараметров пластического течения из результатов макроскопических наблюдений Оценка масштабов явлений, определяющих динамику пластичности, является решающей при построении любых теорий пластической деформации, в частности дислокационных [5]. Основной сложностью построения таких теорий является трудность согласования дислокационных масштабов, характерных для механизмов деформации и деформационного упрочнения, с макроскопическими параметрами деформационных процессов. На основании развитой в [1] двухкомпонентной модели локализованной пластической деформации и представления об упругопластическом инварианте деформации и его следствиях эта задача сводится к возможности получения микропараметров из результатов макронаблюдений локализованного пластического течения. Скорость распространения ультразвука является информативным параметром, способным характеризовать структуру металла и ее изменения при пластической деформации. Вначале имеет смысл рассмотреть данные об акустических свойствах недеформированного металла, в частности поликристаллического алюминия. В этом случае, как показывает эксперимент [1], скорость звука есть функция размера зерна вида , (1) линеаризующаяся в этом случае в известных холловских координатах - [4]. Возможной причиной снижения скорости звука в поликристаллах по сравнению с монокристаллами может быть проскальзывание по границам зерен в переменном упругом поле ультразвуковой волны, которое, в частности, вызывает появление зернограничных пиков внутреннего трения в поликристаллическом алюминии [4, 5]. Из уравнения (1), переписанного в форме , (2) где введена замена а - скорость поперечной ультразвуковой волны, можно получить структурный параметр 10-8 м, который близок к размеру области когерентного рассеяния в алюминии, определенной рентгеновским методом [1]. Эта величина характеризует кристаллическую решетку недеформированного материала. Анализируя возможности использования акустических характеристик при пластической деформации применим квадратичное уравнение для дисперсии автоволны локализованной пластичности [1, 3, 6]. Эти данные были получены путем регистрации паттернов локализованной пластичности в поликристаллах с разным размером зерен, так что возникла возможность проанализировать характеристики автоволн локализованной пластичности как функцию размера зерна. На этом основании построены графики и на рис. 2. Рис. 2. Зависимости частоты (а) и волнового числа (б) автоволн локализованной пластичности в поликристаллическом алюминии от размера зерна Их линейный характер позволяет считать, что и , и записать из соображений размерности и с учетом важной роли упругопластического инварианта для частоты (3) и для волнового числа . (4) На основании данных, приведенных в [1, 3], коэффициент определяется плотностью подвижных дислокаций и имеет размерность м2/с. Простые расчеты по формулам (3) и (4) приводят к 0.9•10-3 м. Это близко к критическому размеру зерна в алюминии, отвечающему перелому зависимостей ряда свойств от размера зерна [3], и минимуму дисперсионной кривой, т.е., равенству фазовой и групповой скоростей фазовых автоволн пластичности. Как было установлено ранее [2], пластическая деформация материалов сопровождается малыми, но вполне измеримыми изменениями скорости распространения ультразвука. Удобный для этих целей автоциркуляционный метод точного измерения этой величины описан в [2]. Как было установлено, изменения скорости коррелируют со стадийностью процесса пластического течения, что убедительно иллюстрируется зависимостями и , установленными при растяжении образцов Al. Анализ приведенной на рис. 3 обобщенной зависимости для разных стадий процесса пластического течения поликристаллического алюминия показал, что на стадиях линейного деформационного упрочнения , зависимость имеет N-образную трехстадийную форму, а график зависимости Vt(σ) содержит три прямолинейных участка, для которых справедливо соотношение , (5) где константы V0 и ξ различны для разных стадий зависимости. Поскольку коэффициент ξ меняет знак в ходе пластического течения, он должен зависеть от какой-либо характеристики деформационного процесса, ведущей себя в нем аналогичным образом. Набор подобных характеристик в рассматриваемой проблеме пластической деформации ограничен, но, например, известно, что плотность подвижных дислокаций ρmd экстремально зависит от деформации, так что ее производная по времени должна менять знак [1]. Рис. 3. Стадийность деформационной кривой и зависимость скорости рэлеевских волн от деформации Использование в качестве характеристики плотности подвижных дислокаций определяется тем, что описываемые соотношением (5) изменения скорости распространения ультразвука наблюдаются только во время деформирования, а не после него, когда испытательная машина остановлена. Это указывает на прямую связь изменений скорости ультразвука с деформационными процессами, т.е., с движением дислокаций. Размерность коэффициента ξ в уравнении (5), очевидно, м2•с•кг-1. Учитывая дополнительно, что скорость распространения упругих волн в веществе связана с его плотностью можно с помощью анализа размерностей записать . (6) Величина имеет смысл пространственного масштаба механизма пластической деформации (характерный размер области неоднородности деформации), а соотношение (6) связывает дискретное изменение коэффициента ξ с переходом процесса на другой масштабный уровень, причем транспортный коэффициент определяет смену знака ξ при пластической деформации, а постоянство наклона участков зависимости достигается при условии . Изменения скорости распространения ультразвука на рис. 1 и 3, описываемые уравнением (5), интересны дискретной вариацией коэффициента ξ вдоль кривой пластического течения. В соответствии с изложенными выше соображениями можно полагать, что за это ответственны изменения величины при пластической деформации. Если то, оценивая с точностью до знака коэффициенты наклона для трех участков зависимости для Al, получим для трех стадий этой зависимости: 0.3∙10-3 м, 0.9∙10-3 м и 1.1∙10-3 м, т.е., 10-3 м. Это близко к оценке, полученной выше из дисперсионной зависимости, и, по-видимому, указывает на заметный вклад зернограничных процессов в деформацию. Вводя волновое сопротивление среды , можно преобразовать уравнение (5) к виду . (7) Отсюда следует, что волновое сопротивление материала в границах каждой стадии процесса меняется пропорционально напряжению течения, но темп изменения на разных стадиях определяется внутренними масштабами , т.е., параметрами внутренней структуры материала, формирующейся на каждой стадии деформационного процесса [6, 7]. 3. Прогностические возможности анализа локализованной деформации Соотношение (5), описывающее связь скорости ультразвука и приложенных напряжений, может быть использовано для оценки прочностных характеристик материала неразрушающим методом. В самом деле, введя переменные и , где - скорость звука в недеформированном материале, а - временное сопротивление, придадим уравнению (5) вид , (8) где i = 1, 2, 3 - номер стадии, а константы и зависят от сорта материала и определяются экспериментально. Из уравнения (8) следует (9) Очевидно, это соотношение пригодно для оценки временного сопротивления с помощью измерения величины , т.е., изменения скорости звука при приросте напряжения течения на . Значения , рассчитанные по уравнению (9), и значения , полученные при стандартных механических испытаниях, линейно коррелированы, причем коэффициент корреляции достигает ~ 0.94, так что можно считать, что (10) с точностью, достаточной для практических целей. Возможности соотношения (9) были исследованы на ряде промышленных сплавов, находящихся в разных структурных состояниях. Эти данные приведены на рис. 4. Они наводят на мысль о том, что обнаруженная корреляция может послужить основой методики определения такой характеристики материала, как временное сопротивление, без разрушения образцов. Очевидно, что в соответствии с формулой (9) для этого достаточно определить изменение скорости распространения ультразвука при небольшой пластической деформации (эксперименты показали, что достаточная для этих целей деформация 10-2) и произвести расчет временного сопротивления по формуле (9). Экспериментальная проверка подтвердила достаточную точность такого метода. Рис. 4. Корреляция величин и Развитые представления об автоволновом характере локализованной пластической деформации ориентированы на слежение за эволюцией паттерна локализованной пластичности. С этой точки зрения особый интерес представляет стадия предразрушения, где очаги деформации снова становятся подвижными. Кинетика движения очагов локализованной пластичности на этом этапе оказывается более сложной по сравнению с наблюдаемой на стадии линейного деформационного упрочнения, когда все очаги движутся с одинаковой скоростью, образуя фазовую автоволну. Сложный характер движения на стадии предразрушения подчеркнут данными [1], из которых следует, что на этой стадии наблюдается коллапс автоволны локализованной пластичности. На стадии предразрушения зависимости положений очагов локализованной деформации от времени прямолинейны и при экстраполяции сходятся в точке с координатами и , образуя пучок прямых. Скорости движения отдельных очагов остаются постоянными. Очевидно, это возможно, если эти скорости с самого начала стадии предразрушения взаимосогласованы. Из всех очагов с течением времени сохраняется только один, положение которого уже при рождении соответствует месту образования в будущем макроскопической шейки. Обычно, появившись еще на стадии параболического деформационного упрочнения, такой очаг остается почти неподвижным вплоть до разрушения, но деформация в нем постепенно растет по мере затухания активности процесса течения в других очагах. Для формирования пучков прямых необходимо, чтобы скорости движения очагов линейно зависели от координат места их зарождения ξ, т.е., выполнялось соотношение , (11) в котором и - эмпирические константы, а координата отсчитывается от неподвижного очага локализации . Сходство форм диаграмм для всех исследованных материалов на стадии предразрушения позволяет считать, что события развиваются по единому сценарию, который обеспечивается автоматическим установлением в деформируемом образце соотношения (11) для скоростей движения очагов как функции координат их мест зарождения в образце на стадии коллапса автоволны локализованной пластичности, соответствующей стадии предразрушения. Константы и , определенные для исследованных сплавов, представлены в табл. 2. В ней также приведены вычисленные по формулам и (12) значения координат центров пучков ( - момент начала стадии предразрушения), которые определяют место и время вязкого разрушения образцов. Это означает, что формулы (12) позволяют прогнозировать эти параметры с приемлемой степенью точности. Процедура прогнозирования сводится к следующим операциям. Необходимо получить несколько начальных точек на X-t-диаграммах, соответствующих коллапсу автоволновой картины. Таблица 2 Коэффициенты уравнений (12) и расчетные координаты места и времени разрушения образцов Сплав → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 •103, c 1.07 2.7 3.83 1.32 4.89 0.83 7.23 4.63 1.95 0•103, мм/с 6.39 -4.78 8.14 -1.27 9.66 -1.07 -0.60 -17.33 -13.84 , мм 6.0 -1.8 2.1 -1.0 2.0 -1.3 -0.1 -3.7 -7.1 , c 1134 4370 1981 2408 624 2007 938 866 1433 Затем с учетом линейности зависимостей следует осуществить их графическую экстраполяцию до точки пересечения, координаты которой дадут искомые значения места и времени разрушения. Эта методика была успешно использована при контроле формоизменения заготовок из сплавов циркония при холодной прокатке тонкостенных труб для тепловыделяющих элементов атомных реакторов [8] и позволила предотвратить разрушение трубных заготовок на финишных стадиях технологического процесса прокатки. Результаты сравнения расчетных и экспериментально зафиксированных значений и для некоторых сплавов приведены в табл. 3. Из этих данных следует, что предложенный способ прогнозирования места и момента разрушения позволяет получить приемлемые оценки основных характеристик разрушения. Что же касается временнóй глубины прогноза разрушения, то удается предсказать его локализацию и момент наступления за 5-6 мин до события, что вполне приемлемо для многих режимов обработки металлов давлением [8]. Таблица 3 Сравнение расчетных и экспериментально определенных координат и моментов разрушения образцов Сплав Основа сплава Алюминий Титан Ванадий Магний Цирконий Х*exp/Х*calc 28/26 39/40 39/40 7.5/7 15/15 t*exp/t*calc 4380/4370 2520/2408 630/624 2150/2007 980/938 Заключение Представленные экспериментальные данные показывают, что наблюдение паттернов локализованной пластичности макроскопического масштаба позволяет получать дополнительную информацию о микроскопических механизмах пластического течения. Это реализуется через возможную оценку макроскопических масштабов соответствующих явлений. Теория дислокаций смогла разработать достаточное число моделей деформационных явлений, но чаще всего трудно увязать их с макроскопическими закономерностями реального формоизменения. В этой ситуации наблюдение паттернов локализованной пластичности, выполняемое с помощью сравнительно простых наблюдательных методик, может оказаться незаменимым для построения такого рода объединенных моделей и теорий, учитывающих многомасштабность деформируемой среды. Использование автоволновых представлений о природе пластического течения позволяет сформулировать критерии пластичности, в которых нуждается прикладная ветвь механики пластичности. По-видимому, наиболее наглядной и информативной характеристикой способности материала деформироваться без разрушения является форма паттерна локализованной пластичности. Его наблюдение in situ возможно при использовании адаптированного оптико-электронного оборудования и больших вычислительных ресурсов. В то же время измерение скорости распространения ультразвука в процессе пластической деформации является значительно более простой операцией и может быть использовано в условиях реального производства. К тому же существование практически однозначной связи между формами паттернов локализованной пластичности и зависимостью скорости распространения ультразвука от деформации или напряжения течения существенно облегчает задачу выбора наиболее благоприятного режима деформирования.

Скачать электронную версию публикации