Изменение скорости ультразвука в процессе растяжения сплава Fe-Cr-Ni при температурах 180-318 К | Изв. вузов. Физика. 2021. № 3. DOI: 10.17223/00213411/64/3/47

Изменение скорости ультразвука в процессе растяжения сплава Fe-Cr-Ni при температурах 180-318 К

Приведены исследования механических характеристик и изменения скорости распространения ультразвука (волн Рэлея) при пластической деформации сплава Fe-Ni-Cr в интервале температур 180 ≤ T ≤ 318 К. Реализация метода измерения скорости волн Рэлея заключалась в периодической генерации прямоугольных импульсов длительностью 100 нс на входе излучающего пьезопреобразователя и регистрации прошедшей по образцу волны посредством приемного пьезопреобразователя, подключенного к цифровому осциллографу. Установлено, что понижение температуры исследуемого сплава изменяет не только тип деформационной кривой при одноосном растяжении, но и меняет характер зависимости скорости ультразвука от деформации и напряжений, связанных с ростом мартенситной α'-фазы, образованной в результате γ-α'-фазового превращения.

Ultrasonic rate changes bytension of the Fe-Cr-Ni alloy at 180-318 K.pdf Введение Выяснение стадийности процесса пластической деформации [1] и природы каждой из стадий, в особенности для поликристаллов, оказывается сложной задачей, так как часто отсутствуют достаточно информативные и надежные внешние признаки смены механизмов деформации. Во многих случаях полезными для этих целей могут оказаться сведения об интегральных характеристиках материала, таких, как намагниченность, электросопротивление и др. Они оказываются тем более ценными, поскольку, в отличие от микроскопических исследований, могут применяться непосредственно во время механических испытаний и не требуют дополнительных операций по подготовке специальных образцов для анализа. Перспективными с этой точки зрения представляются акустические методики исследования свойств твердых тел. К обычно используемым с этой целью эффектам, таким, как акустическая эмиссия, возникающая при нагружении [2], или амплитудная зависимость внутреннего трения [3], для интерпретации которых существуют в достаточной мере развитые теории, может быть добавлена проще измеряемая характеристика - скорость распространения ультразвука Vs. Вариации скорости распространения ультразвука при изменениях состава, структуры и состояния металлов и сплавов обнаружены и детально описаны в [4]. Позднее большое число исследований было посвящено изучению проблемы связи акустических свойств материалов с их пластической деформацией [5-9]. Как показано в [6], процесс пластически деформируемого материала сопровождается малыми, но вполне измеримыми изменениями скорости распространения Vs, которые можно использовать в качестве информативного параметра. В настоящей работе получены данные о зависимостях Vs от величины общей деформации и действующих напряжений вплоть до разрушения сплава Fe-Ni-Cr в интервале температур 180- 318 К в сравнении с полученными ранее при 300 К [10-12]. Исследование влияния температуры на акустические характеристики сплавов необходимо для повышения точности выявления дефектов при ультразвуковом контроле [5]. Важно также учитывать, что повреждение материала в результате, например, пластического деформирования, может существенно влиять на акустические характеристики и температурную зависимость скорости распространения упругих волн, приводя к погрешности измерений в дефектоскопии. Экспериментальные результаты Эксперименты были выполнены на поликристаллическом ГЦК-сплаве Fe - 18% Cr - 10% Ni с размером зерна ~ 12.5 мкм. Образцы с размерами рабочей части 4052 мм растягивались на испытательной машине «Instron-1185» со скоростью 3.310-4 с-1 при температурах 318, 297, 270, 254, 227, 211 и 180 К. Температура испытания задавалась скоростью продувки рабочей камеры, где находился образец, парами азота из сосуда Дьюара и контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, спай которой контактировал с образцом. Скорость продувки парами азота регулировалась нагревательным элементом, смонтированным внутри сосуда Дьюара. Температурный интервал выбирался с учетом возможности реализации в материале прямого γ→α-мартенситного превращения [13-17]. Одновременно с регистрацией кривых нагружения измерялась скорость ультразвуковых рэлеевских волн с использованием раздельно-совмещенного датчика, состоящего из установленных в одном корпусе излучающего и приемного пьезопреобразователей на основе пьезокерамики ЦТС-19 с резонансной частотой 5 МГц [5]. Процесс измерения акустических параметров среды заключался в периодическом возбуждении излучающего пьезопреобразователя, который формирует поверхностную акустическую волну (волну Рэлея) в объекте контроля. Волна распространялась от излучателя к приемнику, где преобразовывалась в электрический сигнал, который поступал на вход цифрового осциллографа Rigol DS2072A. Высокая частота дискретизации осциллографа позволила измерять время распространения акустического сигнала с точностью 104-105. Оцифрованный сигнал с осциллографа передавался на компьютер. В результате обработки получили информацию о скорости распространения рэлеевских волн и нелинейном преобразовании в режиме реального времени. Скорость акустической волны, распространяющейся по поверхности рабочей части образца, определялась как отношение расстояния между излучающим и приемным преобразователями ко времени распространения сигнала в исследуемом объекте. Экспериментальная оценка погрешности, вносимой нестабильностью акустического контакта датчика с объектом контроля, показала, что ошибка определения скорости не превышает ±3 м/с. Обработку полученных данных проводили с использованием стандартных методов статистического анализа. Одновременно с измерениями скорости ультразвуковых волн проводили магнитофазовый анализ образцов (определение объемной доли феррита) с помощью многофункционального вихретокового прибора МВП-2М (ферритометра). Точность определения объемной доли феррита составляла 0.1%. Записанные первоначально в координатах напряжение -деформация  индикаторные кривые преобразовывались в зависимости истинных напряжений s от истинных деформаций e [1]. Диаграммы растяжения s(е) образцов сплава Fe-Ni-Cr охватывают области упругих, пластических деформаций и разрушения (рис. 1, а, кривые 1-7). Как видно, после значительной пластической деформации на кривой нагружения при 300 К отмечены колебания деформирующего напряжения на стадии прерывистой текучести (рис. 1, а, кривая 2). Спады напряжений при увеличении общей деформации достигают 1-2 МПа, природа которых обусловлена γ-α-фазовым превращением [13- 15], наведенным пластической деформацией, и эффектом Портевена - Ле Шателье. С понижением температуры (кривые 3-7 на рис. 1, а) на диаграммах растяжения не заметны колебания деформирующего напряжения, а выявлена площадка текучести и наблюдается снижение пластичности на фоне увеличения прочности и скорости деформационного упрочнения. Согласно [13], это обусловлено низкой энергией дефектов упаковки; в этом случае мартенситное превращение протекает по схеме γ→ε→α с образованием промежуточной ε-фазы. Рис. 1. Диаграммы напряжение - деформация (кр. 1-7) и соответствующие изменения скорости рэлеевских акустических волн (кр. 1-7) в интервале температур 180 ≤ T ≤ 318 K, номер кривой соответствует табл. 1 (а). Зависимости σ(е), Vs(е), Vs(σ) сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni при Т = 180 К (б) Таблица 1 Механические и акустические свойства сплава (временное сопротивление , условный предел текучести , относительное удлинение до разрыва и скорость звука в недеформированной стали Vs0) T, K , MПа , MПа  Vs0, м/с 318 598±3 289±2 0.71±0.02 2689±3 297 786±2 257±3 0.74±0.02 2849±3 270 882±2 211±3 0.5±0.01 3003±3 254 896±3 220±2 0.48±0.01 3033±3 227 954±2 289±3 0.43±0.02 3143±3 211 992±3 353±2 0.38±0.02 3277±3 180 1090±2 362±3 0.35±0.01 3379±3 Из табл. 1 следует, что температурные зависимости пределов текучести σ02 и прочности В исследуемого сплава в интервале температур 180-318 К формально описываются одной и той же эмпирической зависимостью , (1) где i - либо условный предел текучести σ02, либо предел прочности B при температуре Т; -то же при 297 К; β = 125 К для предела текучести и β = 205 К для предела прочности. Коэффициенты корреляции зависимостей σ0.2(T) и σВ(T) составили 0.93 и 0.89 соответственно. На рис. 1, а (кривые 1-7) представлены также зависимости изменения скорости распространения ультразвука от величины общей деформации в исследуемом сплаве, из которых видно, что понижение температуры приводит к увеличению скорости ультразвука. Синхронная запись диаграмм растяжения и измерений скорости рэлеевских акустических волн позволяет получить зависимости скорости распространения ультразвука от величины общей деформации Vs(е) и действующего напряжения Vs(σ) (рис. 1, б). Как показано в [10-12], скорость распространения ультразвука существенно меняется при растяжении металлов и сплавов, а зависимости Vs(е) и Vs(σ) достаточны сложны. Так, представленная на рис. 1, б кривая Vs(е) сплава Fe -18% Cr - 10% Ni при 180 К имеет N-образную форму [10], которая указывает на различие природы связи скорости ультразвука и деформации в соответствующих интервалах пластической деформации. Зависи¬мость Vs(σ), показанная для этого же образца, также имеет три стадии на соответствующем этапе деформации. Обсуждение результатов Анализ изменения скорости распространения ультразвука в зависимости от температуры при величине общей пластической деформации e = 0, 0.05, 0.1, 0.015, 0.2, 0.25 и 0.3 показал, что в исследуемом температурном диапазоне зависимости Vs(T ) имеют линейный характер , (2) где  = 4.8 м/(с•K) - константа. Коэффициенты корреляции зависимостей Vs(T ) составили ~ 0.97. Уменьшение температуры испытаний с 297 до 180 К вызывает изменение скоростей на 18% в недеформированном образце и на 16% - в деформированном (e = 0.3), где V0 - скорость звука в недеформированном материале при комнатной температуре. Сплав Fe - 18% Cr - 10% Ni обладает деформационно-нестабильной структурой, и в нем при температурно-силовом воздействии могут протекать фазовые превращения с образованием частиц α-фазы [16, 17]. В деформированных растяжением образцах сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni реализуется наведенное деформацией γ-α-фазовое превращение [13] и выявлена двухфазная структура с различным соотношением α- и γ-фаз. Фактическая объемная доля -мартенсита, определенная по показаниям ферритометра, в процессе растяжения для исследуемого температурного интервала варьировалась от 0 до 0.8 при 318 К и от 0 до 0.67 при 180 К. При Т > 340 К α′-мартенсит не выявляется. Как видно из рис. 1, а, форма кривой напряжение - деформация претерпевает существенное изменение от параболы при 318 и 297 К до S-образной кривой с понижением температуры, что согласуется с [13] и обусловлено наведенным пластической деформацией γ-α-фазовым превращением. Скорость мартенситного превращения увеличивается с понижением температуры. Таким образом, α-фаза оказывает существенное влияние на форму и стадийность диаграмм растяжения в сплаве Fe - 18% Cr - 10% Ni и, как следствие, на скорость распространения ультразвука. Понижение температуры испытаний приводит к снижению величины критической деформации, по достижению которой происходит зарождение и резкое увеличение скорости мартенситного превращения, что согласуется с данными, полученными в [13, 14]. Кинетика мартенситного превращения на основе теории пластической деформации рассмотрена в [16, 17]. При понижении температуры образцам с бóльшим содержанием -мартенсита соответствует бóльшая скорость распространения ультразвука. Корреляция между количеством α'-фазы и скоростью распространения ультразвука для каждой температуры описывается линейной зависимостью , (3) где Аi и Вi - константы участков 1 и 2, которые, в свою, очередь изменяются с ростом температуры (рис. 2). Резкое падение ультразвука происходит на участке 2 при отрицательных температурах. Следовательно, изменение количественного соотношения фаз, характеризующихся различной скоростью распространения в них ультразвука, влечет за собой смену скорости ультразвука в сплаве, содержащем данные фазы. Рис. 2. Зависимость скорости распространения ультразвука от объемной доли α′-мартенсита сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni при Т = 180 К Измерения, проведенные на протяжении всего процесса растяжения образцов сплава Fe-Ni-Cr, привели к обнаружению зависимостей скорости распространения ультразвука Vs и объемной доли -мартенсита (образованного в результате γ-α-фазового превращения) от величины действующего напряжения σ (рис. 3, а). На начальном этапе деформирования до предела текучести изменения скорости ультразвука незначительны, в то время как после перехода к пластической деформации происходит резкое изменение Vs. Спаду деформирующей силы в конце процесса растяжения, связанному, как известно, с образованием макроскопической шейки, соответствует небольшое возрастание Vs (рис. 3, а). Рост скорости распространения в этой области деформации указывает на предкритическое состояние деформируемого материала. Зависимость объемной доли -мартенсита от величины действующего напряжения σ имеет сигмоидальную форму (рис. 3, а). Пересечение зависимостей Vs(σ) и (σ) позволяет определить напряжения σ*, при которых происходит максимальный рост частиц α-фазы и спад скорости ультразвука (рис. 3, а), что соответствует положению экстремумов производных и на рис. 3, б. Из рис. 3, а следует, что зависимость скорости распространения ультразвука Vs от действующего напряжения σ описывается уравнением , (4) где V1, V2, p, σ0 - константы для разных температур, значения которых приведены в табл. 2. Коэффициенты корреляции зависимостей Vs(σ) составили ~ 0.98. Рис. 3. Зависимости скорости распространения ультразвука Vs(σ) и объемной доли α′-мартенсита (σ) от величины действующего напряжения (а) и зависимости производных функций сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni при Т = 180 К (б) Таблица 2 Коэффициенты уравнения (4) для сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni T, К V1, м/с V2, м/с σ0, МПа p 180 3382.62 3309.08 493.33 7.58 211 3280.91 3216.65 540.11 7.53 227 3143.69 3101.16 605.44 8.26 254 3050.06 2919.85 975.55 1.76 270 3005.44 2920.22 714.52 5.03 297 2851.96 2788.60 471.16 4.19 318 2691.57 2417.84 879.85 3.09 Сравнительный анализ значений напряжений σ* (рис. 3, а) с пределами прочности и текучести (табл. 1) во всем температурном интервале показал, что при 318 К напряжения максимального роста α-фазы и спада скорости ультразвука оказываются близкими к пределу прочности, в то время как при 180 К - к пределу текучести исследуемого материала. Это хорошо видно на рис. 4, где кривая 1 построена по эксперементальным значениям предела текучести , кривая 2 - по экспериментальным значениям предела прочности и кривая 3 - по значениям напряжений максимального роста α-фазы и спада скорости ультразвука напряжений σ*, определенных из рис. 3. Рис. 4 можно интерпретировать как карту механизмов деформации [18] при растяжении сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni в интервале температур 180-318 К. Так, область, расположенная ниже кривой 1, соответствует напряжениям, меньше предела текучести, и относится к упругой деформации; область, расположенная между кривыми 1 и 2, соответствует напряжениям, от предела текучести и до предела прочности и относится к пластической деформации; область, расположенная выше кривой 2, соответствует напряжениям, больше предела прочности и относится к вязкому разрушению. Кривая 3 разделяет область пластической деформации на два участка, в которых мартенситные превращения происходят с максимальной скоростью и затем выходят на насыщение. На рис. 4 также представлены соответствующие значения объемной доли α′-мартенсита на пределе текучести (кривая 1), на пределe прочности (кривая 2) и для экстремальных напряжений, соответствующих максимальному росту α-фазы и спаду скорости ультразвука (кривая 3). Таким образом, экспериментально наблюдаемый характер изменения скорости распространения ультразвука Vs указывает на изменение состояния напряженных областей в деформируемом образце в ходе пластической деформации сплава. Можно полагать, что смена стадий зависимости Vs(σ) связана с формированием структурных фрагментов различного размера и разным уровнем внутренних напряжений в объеме образца, обусловленных мартенситным превращением. Именно это отражается на форме зависимости скорости ультразвука от напряжений. Такие же изменения механизма деформации отражаются на характере кривой течения и поведения коэффициента деформационного упрочнения. Выяснение конкретных механизмов, влияющих на скорость звука в деформируемых образцах при пониженных температурах, требует дополнительных исследований. Рис. 4. Диаграмма характеристик сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni в интервале температур 180 ≤ T ≤ 318 К: кр. 1 - предел текучести; кр. 2 - предел прочности; кр. 3 - экстремальные напряжения, соответствующие максимальному росту α-фазы и спаду скорости ультразвука; кр. 1 - объемная доля α′-мартенсита fα′ на пределе текучести; кр. 2 - объемная доля α′-мартенсита fα′ на пределe прочности; кр. 3 - объемная доля α′-мар¬тенсита fα′ для экстремальных напряжений, соответствующих максимальному росту α-фазы и спаду скорости ультразвука Заключение Исследования изменения скорости ультразвука в процессе растяжения сплава Fe-Ni-Cr в широком интервале температур 180-318 К показали, что понижение температуры оказывает существенное влияние на скорость распространения ультразвуковых волн в образцах. Повышение скорости распространения ультразвуковых волн в недеформируемых образцах с понижением температуры может быть связано с тем, что скорость ультразвука в металле определяется упругими модулями, которые растут с понижением температур, а также возникновением напряжений сжатия, возникающих в образце на фоне существенного изменения коэффициента линейного расширения в исследуемом температурном интервале. Установлено, что в деформируемых образцах зависимости скорости распространения ультразвука от величины действующего напряжения имеют сигмоидальную форму и коррелируют с изменениями объемной доли α′-мартен¬сита. Определены напряжения, соответствующие максимальному росту α-фазы и спаду скорости ультразвука. При каждой температуре испытаний процесс пластического течения происходит по механизму дислокационного скольжения и мартенситных превращений. Увеличение плотности дислокаций и объема мартенситной фазы, зависящего от понижения температуры, приводит к росту локальных внутренних напряжений (напряжений II рода) и в итоге - к уменьшению скорости ультразвука с повышением деформации и напряжения. По данным механических и акустических характеристик построена карта механизмов деформации при растяжении сплава Fe - 18% Cr - 10% Ni в интервале температур 180-318 К.

Ключевые слова

пластичность, деформация, прочность, скорость ультразвука

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Баранникова Светлана АлександровнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНд.ф.-м.н., доцент, ведущ. науч. сотр. ИФПМ СО РАНbsa@ispms.tsc.ru
Колосов Сергей ВасильевичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр. ИФПМ СО РАНsvk@ispms.tsc.ru
Никонова Альбина МуратовнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНмл. науч. сотр. ИФПМ СО РАНzharmukhambetova@gmail.com
Всего: 3

Ссылки

Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. - Dordrecht: Springer, 2013. - 634 p.
Бойко В.С., Гарбер Р.И., Косевич А.М. Обратимая пластичность кристаллов. - М.: Наука, 1991. - 279 с.
Лебедев А.Б. // ФТТ. - 1993. - Т. 35. - № 9. - С. 2305-2341.
Блантер М.С., Головин И.С., Головин С.А. и др. Механическая спектроскопия металлических материалов. - М.: Изд-во МИА, 1994. - 255 с.
Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. - Новосибирск: Наука, 1996. - 184 с.
Kobayashi M. // Int. J. Plast. - 2010. - V. 26. - No. 1. - P. 107-125.
Ding X., Wu X., and Wang Y. // Ultrasonics. - 2014. - V. 54. - No. 3. - P. 914-920.
Torello D., Thiele S., Matlack K.H., et al. // Ultrasonics. - 2015. - V. 56. - P. 417-426.
Marcantonio V., Monarca D., Colantoni A., and Cecchini M. // Mech. Syst. Sig. Proc. - 2019. - V. 120. - P. 32-42.
Barannikova S.A., Bochkareva A.V., Lunev A.G., et al. // Steel Trans. - 2016. - V. 46. - No. 8. - P. 552-557.
Lunev A.G., Nadezhkin M.V., Barannikova S.A., and Zuev L.B. // Acta Phys. Pol. A. - 2018. - V. 134. - No. 1. - P. 342-345.
Баранникова С.А., Лунёв А.Г., Бочкарева А.В., Зуев Л.Б. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 6/2.- С. 20-24.
Talonen J., Nenonen P., Pape G., and Hanninen H. // Metall. Mater. Trans. A. - 2005. - V. 36. - No. 2. - P. 421-32.
Spencer K., Embury J.D., Conlon K.T., et al. // Mat. Sci. Eng. A. - 2004. - V. 387. - P. 873-881.
Hahnenberger F., Skorupski R., Smaga M., and Eifler D. // Mater. Sci. Forum. - 2013. - V. 738-739. - P. 217-221.
Mallick P., Tewary N.K., Ghosh S.K., and Chattopadhyay P.P. // Mater. Charact. - 2017. - V. 133. - P. 77-86.
Zheng C. and Yu W. // Mater. Sci. Eng. A. - 2018. - V. 710. - P. 359-365.
Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации. - Челябинск: Металлургия, 1989. - 328 с.
 Изменение скорости ультразвука в процессе растяжения сплава Fe-Cr-Ni при температурах 180-318 К | Изв. вузов. Физика. 2021. № 3. DOI: 10.17223/00213411/64/3/47

Изменение скорости ультразвука в процессе растяжения сплава Fe-Cr-Ni при температурах 180-318 К | Изв. вузов. Физика. 2021. № 3. DOI: 10.17223/00213411/64/3/47