Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССАХ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ 12
-
Явление акустической эмиссии 12
-
Метод акустической эмиссии 14
13. Эл ементарн ые источ лики акустич в ской эмиссии \ g
1.4. Влияние структурных факторов и условии нагружения на АЭ
при деформационных процессах в металлах и с?тавах 20
-
Влияние размеров и границ зерен 20
-
Влияние типа кристаллической решетки и анизотропии 22
-
Влияние примесей, включений и выделений 24
-
Влияние внешних условий испытаний и состояния поверхности 24
1.5. Модели происхождения А Э при деформационных процессах 26
1 г6. Выводы 32
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
.14 38 40 40 42 44 44
2.1. Материалы и образцы 34
-
Глава 3
-
Глава 4
-
Глава 5
2.1.4 Глава 6
2.1.5. Глава 7
2.2. Методы исследования
2.2А. Методакустическойэмиссии
2.2.2 Метод механических испытании 53
2 2.3. Динамический метод измерения модулей упругости и метод
внутреннего трения - $$
2.2 4. Методы структурных исследований „ 57
3. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И АКУСТИЧЕСКУЮ ЭМИССИЮ В РАЗБАВЛЕННЫХ ТВЕРДЫХ
РАСТВОРАХ МЕДИ 58
З.І. Влияние примесей на физико-механические свойства чистых
металлов
3.1.1. Энергия взаимодействия примесных атомов с дислокациями... 59
3.12. Влияние примесных атомов на модуль упругости 64
3.1.3. Влияние примесей и а мехам ическую диаграмму растяжен ия.„. 75
3.2. влияние примесных атомов на акустическую эмиссию в
процессе пластической деформации разбавленных твердых
растворов меди - .- ,. - 86
Ъ.Ъ. Выводы 94
4. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ
ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ МЕДИ %
4.1. Влияние легирования w физико-механические свойства и
эволюцию дислокационных субструктур „ 96
4 Л. 1. Эффект попижения энергии образования дефекта упаковки... %
4.1 2. Эффект ближнего порядка в твердых растворах 99
4 1.3. Влияние легирования на кинетику развития дислокационной
структуры и механизмы пластической деформации
кон центрированн ых твердых растворов . ... ТОО
4.1 4, Объекты исследования 103
4.2. Твердорастворное упрочнение и акустическая эмиссия в
области предела текучести 105
4.2.1 Эффект твердораствортго упрочнения 109
4.2.2. Влияние легирования на пик акустической эмиссии ' 11
4 2.3. Влияние легирования и структурных факторов на
акуст ич ескую эм иссию и диаграмму растяжения И 7
4.2,4 Влияние на диаграмму растяжения меди 118
4.2.5. Влияние на акустическую эмиссию 123
4.2.6, Связь акустической эмиссии с механизмами пластической
деформации 132
-
Исследование связи спектральных характеристик акустической эмиссии с механизмами пластической деформации медных сплавов ] зб
-
Выводы 147
5. ЮЛЬ ПОВЕРХНОСТИ В ФОРМИРОВАНИИ ПИКА
АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, НАБЛЮДАЕМОГО В ОБЛАСТИ
ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ 149
5 1. Неоднородность пластической деформации по сечению
образца при одноосном растяжении меди 149
5.2 Выход дислокаций на свободную поверхность как основной
источник акустическое эмиссии на начальной стадии
пластической деформации 159
-
Зависимость высоты пика акустической эмиссии от шоіцади поверхности образца т - |5
-
Влияние состояния материала в объеме и поверхностном слое
на высоту пика мощности АЭ — - -...... 171
5.5. . Выводы 180
6 АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В УСЛОВИЯХ МАКРОЛИЗОВАН-
НОЙ ДЕФОРМАЦИИ 182
6.1. Природа макролокализованной деформации - 182
-
Общие закономерности проявления высокотемпературной прерывистой текучести 184
-
Основные модели высокотемпературного прерывистой текучести 186
-
Температури о-скоростной интервал проявления эффекта прерывистой текучести eAI-Mg сплавах , 190
-
Связь параметров акустической эмиссии с механической
диаграммой в условиях проявления прерывистой текучести ] 9%
6.4. Влияние размерного фактора на прерывистую текучесть и
параметры акустической эмиссии 205
6.5. Интерпретация результатов и основные выводы 213
7. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЯХ 217
7.1. Роль структурных факторов в акустической эмиссии старей в
процессе деформации 217
7.2Г Влияние на акустическую эмиссию режимов термообработки,
содержания углерода, легирующ их эл ементов и примесей 220
-
Влияние термообработки 221
-
Влияние содержания углерода 226
-
Влияниелегирующих элементов и примесей 228
-
Корреляция изменения акустической эмиссии и механических свойств в зависимости от температуры отпуска старей 230
-
Акустическая эмиссия в зависимости от типа испытания и вида отпуска 233
7.5, Анализ результатов экспериментов и выводы - - 245
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ
КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ И ОТРАБОТКИ
гШХНОЛОГИИ ИХ НАНЕСЕННЯ 252
8 1. Физико-механические свойство похрытий и методы их оценки.. 252
8.2, Оценка пластичности покрытий методом АЭ —. 257
8.3. Применение метода АЭ для оценки физико-механических
характеристик покрытий при склерометрических испытаниях
и индентировании ..... 260
8.3.1 Установка для индентирования и склерометрических
испытаний 260
8.3.2. АЭ в процессе едавливаиш иидентора в покрытие... ., ,„ 261
8.3.3, А Э при склерометрии еских исп ытаниях п окрыт ий 265
8 4. Применение метода A3 для оценки качества стеклоэл*алевых
покрытий 267
8.5. Применение метода АЭ для исследования повреждаемости
покрытия TiN под нагрузкой s зависимости от
технологических условий формирования покрытия 276
-
Влияние условии формирования покрытия TiN на энергетические параметры АЭ 277
-
Применение методики спектрального анализа сигналов АЭ для исследования повреждаемости покрытия TiN 280
8 5 3. Сопоставление результатов испытания образов с
покрытиями TiN на одноосное растяжение со
склерометрическими испытаниями ... 285
8.6, Закономерности A3 в материалах с пластифицирующими
тонкопленочными оксидными аморфными покрытиями 288
8.6.1. Влияние тонкопленочных оксидных покрытий на
акустическую эмиссию специальных сталей 289
8 6,2, Исследование пластифицирующего эффекта
тонкопленачного покрытия оксида циркония па титановом
сплаве ВТ-20 295
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 304
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 308
Введение к работе
Актуалытость темы. Одним из путей диссипации энергии, запасенной материалом, является излучеттие механических колебании. Это явление получило Еіазвание акустическая эмиссия (АЭ). Соответственно метод, основанный на регистрации акустических сигналов, испускаемых материалом, называется метод АЭ.
Необходимо отметить, что в настоящее время метод АЭ применяется в двух основных направлениях. Во-первых, в качестве метода неразруїлающего контроля в области диагностики состояния потенциально опасного оборудования, и, во-вторых, в качестве тонкого инструмента для исследования кинетики развития дефектной структуры материала в физике прочности и пластичности. Основная привлекательность метода АЭ состоит в том, что он позволяет получать информацию об объекте исследования in situ, а не post factum, как это происходит в случае применения большинства других исследовательских методов.
Несмотря на очевидные успехи применения метода АЭ как в нервом, іак и во втором направлении, природа самого явления АЭ изучена еще не достаточно полно. Например, одним из наиболее известных проявлений АЭ является наличие пика акустического излучения в области перехода материала ог упругих деформаций к пластическим. Однако о причинах возникновения этого пика до настоящего времени не существует единой точки зрения. Кроме того, несмотря на массу литературы, посвященной явлению АЭ, сведения о связи акустической эмиссии со структурными факторами отрывочны и зачастую носят противоречивый характер. Отсутствие четких представлений о природе и основных источниках АЭ, с одной стороны, затрудняет трактовку получаемой андЬормации, а с другой - не позволяет использовать в полной мере огромные потенциальные возможности метода акустической эмиссии.
ВВЕДЕНИЕ
Актуалытость темы. Одним из путей диссипации энергии, запасенной материалом, является излучеттие механических колебании. Это явление получило Еіазвание акустическая эмиссия (АЭ). Соответственно метод, основанный на регистрации акустических сигналов, испускаемых материалом, называется метод АЭ.
Необходимо отметить, что в настоящее время метод АЭ применяется в двух основных направлениях. Во-первых, в качестве метода неразруїлающего контроля в области диагностики состояния потенциально опасного оборудования, и, во-вторых, в качестве тонкого инструмента для исследования кинетики развития дефектной структуры материала в физике прочности и пластичности. Основная привлекательность метода АЭ состоит в том, что он позволяет получать информацию об объекте исследования in situ, а не post factum, как это происходит в случае применения большинства других исследовательских методов.
Несмотря на очевидные успехи применения метода АЭ как в нервом, іак и во втором направлении, природа самого явления АЭ изучена еще не достаточно полно. Например, одним из наиболее известных проявлений АЭ является наличие пика акустического излучения в области перехода материала ог упругих деформаций к пластическим. Однако о причинах возникновения этого пика до настоящего времени не существует единой точки зрения. Кроме того, несмотря на массу литературы, посвященной явлению АЭ, сведения о связи акустической эмиссии со структурными факторами отрывочны и зачастую носят противоречивый характер. Отсутствие четких представлений о природе и основных источниках АЭ, с одной стороны, затрудняет трактовку получаемой андЬормации, а с другой - не позволяет использовать в полной мере огромные потенциальные возможности метода акустической эмиссии.
Цель работы и основные задачи исследования. Выяснение физической природы основных источников ЛЭ и закономерностей поведения параметров акустического излучения при деформациоштых процессах в металлах и сплавах и выявление на этой основе наиболее перспективных направлений применения метода АЭ
Для достижения указанной: цели іребовалось р&шить следующие задачи. J. Установить связь акустической эмиссии с отрывом дислокаций от точек закрепления, то есть проверить справедливость одной из наиболее широко распространенных моделей АЭ - "модели отрыва".
Исследовать влияние эффектов твердорастворнот упрочнения, понижения энергии образования дефекта упаковки И ближнего порядка на характер АЭ при варьировании концентрация легирующей примеси.
Выяснить роль свободной поверхности в формировании сигналов АЭ и основные закономерности проявления АЭ в зависимости от состояния поверхностного слоя.
Установить связь АЭ с эффектами локализации деформации на основе исследования явления прерывистой текучести в зависимости от режимов нагружения и геометрии образцов.
Выявить закономерности и установить причины проявления пика АЭ в отпущенных сталях.
Определить возможности применения метода АЭ для оценки физико-механических свойств покрытий.
Научная новизна. * Впервые экспериментально установлено и теоретически обосновано, что в зависимости от концентрации примесных атомов в объеме главную роль в закреплении дислокаций могут играть примесные атомы, расположенные либо в ядре, либо в атмосфере дислокации ("эффективные" точки закрепления).
Установлены зависимости мєхзешчєских характеристик и параметров АЭ твердых растворов меди от типа и содержания примесей в диапазоне изменения концентрация примесных атомов, охватывающем пять порядков,
Впервые на основе метода АЭ установлена кинетика расширения зоны пластической деформации от поверхности в глубь металла в зависимости от общей деформации при одноосном растяжении меди.
Экспериментально доказано, что пик непрерывной АЭП проявляющийся в области предела текучести, связан с выходом дислокаций на свободную поверхность, причем вклад в него отрыва дислокаций от примесных точек закрепления незначителен.
Получено аналитическое выражение, устанавливающее связь мощности АЭ на начальной стадии пластической деформации материала с уело вил ми нагружения (скоростью деформации, напряжением течения и др.), которое достаточно хорошо согласуется со всеми наиболее известными экспериментальными закономерностями.
С помощью метода АЭ установлено, что изменение характера проявления прерывистой текучести в Al-Mg сплавах с увеличением скорости деформирования сопроводутаетсл изменением механизма, контролирующего пластическую деформацию на микроуровне. Получен ряд ранее неизвестных закономерностей по влиянию геометрии образца на параметры пр еры ви стой текучести (ширину полос локализации, частоту следования зубцов и др.).
Показано, что основными факторами, отвечающими за формирование пика непрерывной АЭ в квазиупругой области деформации сталей, являются температура отпуска, содержание углерода в стали, а также дислокационная структура, образующаяся в процессе у-а превращения.
Определены возможности применения метода АЭ для оценки пластичности и других механических свойств разных типов покрытий. Впервые установлена связь между импульсами акустической эмиссии и отдельными актами микроразрушений в покрытии TiN и показано, что каждому типу разрушения соответствуют импульсы АЭ определенного спектрального состава
На защиту выносятся;
Описание распределения примесных атомов в области дислокации и эффекта закрепления дислокаций с учетом конфигурационной и колебательной энтропии системы.
Экспериментальное описание кинетики расширения зоны пластической деформации от поверхности в глубь материала в зависимости от общей деформации при одноосном растяжении меди,
Роль примесных атомов в формировании акустических сигналов в процессе деформации твердых растворов на основе меди.
Экспериментальное и теоретическое обоснование процесса выхода дислокаций на свободную поверхность материала в качестве основного источника непрерывной АЭ на начальной стадии пластической деформации.
Связь температурно-скоростного интервала деформирования и размерного фактора с особенностями проявления прерывистой текучести и акустической эмиссии при деформировании промышленных AJ-Mg сплавов.
Закономерности проявления акустической эмиссии в отпущенных сталях.
7 Акустико-эмиссионная методика исследования неоднородности развития пластической деформации по глубине образца и определения толщины поверхностного слоя с измененной структурой.
8. Методика представления данных спектрального анализа импульсов АЭ, позволяющая исследовать кинетику разрушения покрытия и идентифицировать элементарные акты разрушения по природе их происхождения.
Достоверность научных положений подтверждена различными структурными методами исследования и экспериментальными данными других авторов.
Практическая ценность и реализация результатов работы, определены механические характеристики широкого набора твердых растворов меди в диапазоне изменения концентрации второго элемента в пределах пяти порядков. для набора промышленных сплавов Al-Mg установлены температурно-скоростные области проявления прерывистой текучести. для углеродистых сталей обнаружена корреляция между температурными областями проявления необратимой отпускной хрупкости и энергетическим максимумом акустической эмиссии, что позволяет по данным АЗ-коніроля прогнозировать интервалы охрупчнваиия. на базе метода АЭ разработана методика исследования неоднородности развития пластической деформации по глубине образца и определения толщины поверхностного слоя с измененной структурой. разработана методика представления результатов спектрального анализа отдельных импульсов АЭ применительно к исследованию повреждаемости покрытий, которая может быть использована практически дія любых схем нагружения, в том числе для особо ответственных случаев в режиме мониторинга. определены возможности метода АЭ для оценки фязико-механическях свойств покрытий по результатам испытаний на одноосное растяжение, вдавливание индентора и склерометрических испытаний с изменяющейся нагрузкой.
Апробация. Результаты работы докладывались на семинарах и конференциях по физике прочности и пластичности, по методам и средствам контроля, по проблемам металловедения и, в частности, на: X, XI. XII
Всесоюзных конференциях по физике прочности я пластичности металлов и сплавов (1983, 1986, 1989 г.Куйбышев); XIV Международной конференции "'Физика прочности и пластичности материалов" (1995, г.Самара); Всероссийской конференции "Роль дефектов в физико-механическтгх свойствах твердых тел11 (1985, г.Барнаул); постоянном семинаре "Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов" (1985, г.Томск); IV Всесоюзном совещании по взаимодействию между диелскациялш и атомами примесей и свойствам сплавов (1985, г.Тула); Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционным материалам, 1987 (г.Пермь); Всесоюзном совещании "Получение^ структура^ физические свойства и применение высокочястых и мозтокристаллмческих тугоплавких и редких металлов41 (19&7, г Суздаль); II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (1987, г.Кишинев); VIII Всесоюзной конференции "Технологическая теплофизика" (1988, г.Тольятти), Всесоюзном семинаре "Акустическая эмиссия и разрушение композиционных материалов" (1989, г.Душанбе); III Всесоюзной научно-практической конференции по акустической эмиссии (1992, г.Обнинск); Российской тнаучно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения" (1993, 1994, г.Москва); 1 Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (1994, г.Новгород); 13 Международном симпозиуме по акустической эмиссии Progress in Acoustic Emission" (1996, Япония, г.Нара); XTVt XV Уральской школе металловедов-термистов (1998, г.Ижевск, 2000, г.Екатеринбург); XXXV семинаре "Актуальные проблемы прочности" (1999, г.Псков), 15 Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (1999, г.Москва); XI, XII Петербургских чтениях по проблемам прочности (2000, 2001 С-Петербург); II Международной конференции Мякромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (2(КТО, г.Тамбов); V Международной школе-ссминар "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (2000, г.Барнаул).
