Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Жаропрочность и методы определения длительной прочности
1.1. Основные понятия
1.2. Стандартные методы испытания на длительную прочность
1.3. Жаропрочные аустенитные стали, особенности и фазовый состав 15
1.4. Механизмы ползучести жаропрочных материалов 23
1.5. Выводы 30
Глава 2. Основы акустико-эмиссионных исследований процессов деформации и разрушения 31
2.1. Природа явления акустической эмиссии 31
2.2. Основные источники акустической эмиссии 31
2.3. Акустическая эмиссия при пластической деформации металлов 34
2.4. Использование акустической эмиссии для прогнозировании разрушения 38
2.5. Выводы з
Глава 3. Экспериментальная установка для исследования металлов на длительную прочность 44
3.1. Базовая установка для испытания материалов на длительную прочность 44
3.2. Измерительный комплекс на основе акустико-эмиссионного метода 47
3.2.1. Структурная схема акустико-эмиссионного комплекса 49
3.2.2. Модернизация АЦП для акустико-эмиссионных исследований 52
3.3 Программирование акустико-эмиссионной системы 64
3.3.1. Основные принципы программирования адаптера Д-260, применительно к акустико-змиссионным исследованиям 64
3.3.2. Описание модулей программы 65
3.3.3. Описание программы 67
3.4. Выводы 68
Глава 4. Экспериментальные исследования длительной прочности жаропрочной стали ЭПЗЗ методом акустической эмиссии 70
4.1. Методика проведения экспериментов на длительную прочность 70
4.2. Алгоритм обработки параметров сигналов акустической эмисии 73
4.3. Параметры сигналов акустической эмиссии на раз личных этапах эксперимента
4.4. Связь между параметрами сигналов акустической эмиссии и физическими процессами протекающи ми в материале на этапе предварительного нагрева 90
4.5. Выводы 96
Глава 5. Оценка прогноза длительной прочности по параметрам сигналов акустической эмиссии на различных этапах эксперимента 98
5.1. Прогнозирование длительной прочности на этапе предварительного нагрева 98
5.2. Оценка возможности прогнозирования длительной прочности на этапе нагружения 103
5.3. Проведение контрольной серии экспериментов 108
5.4. Методы экстра и интерполяции как дополнение к прогнозу длительной прочности методом акустической эмиссии 111
5.5. Влияние геометрических размеров испытуемых об разцов на параметры акустической эмиссии 117
5.6. Связь между скоростью ползучести и временем до
разрушения 118
5.7. Испытание стали ЭПЗЗ на термоциклирование 121
5.8. Выводы 128
Основные результаты и выводы по литература
- Жаропрочные аустенитные стали, особенности и фазовый состав
- Акустическая эмиссия при пластической деформации металлов
- Структурная схема акустико-эмиссионного комплекса
- Алгоритм обработки параметров сигналов акустической эмисии
Жаропрочные аустенитные стали, особенности и фазовый состав
Вредное действие а-фаза оказывает на 700 жаропрочные стали. Из-за присутствия а-фазы резко снижается длительная прочность, предпочтительно вдоль границ а-фазы, ко торые служат источниками зарождения и распространения трещин ведущих к хрупкому разрушению.
Интерметаллические соединения состава А2В называют фазами Ла-веса. Эти фазы обычно имеют кубическую или гексагональную структуру. Они могут образовываться компонентами, расположенными в любом месте периодической системы.
Исследование большого числа фаз Лавеса показало, что основным фактором, определяющим их образование, является соотношение атомных размеров компонентов. Несмотря на главную роль размерного фактора при образовании фаз Лавеса, важное значение в их стабильности играет электронная концентрация, которая определяет, какая из возможных структур образуется, а также каковы размеры их областей гомогенности, хотя последние, как правило, незначительны. Их присутствие часто сопровождается охрупчиванием при комнатной температуре, но менее опасно при повышенных температурах.
Более того, во многих теплостойких и жаропрочных сталях удается использовать фазы Лавеса для упрочнения без существенного снижения вязкости и хрупкой прочности.
Геометрически плотноупакованные фазы или соединения типа АзВ представляют собой выделения упорядоченных г.ц.к. (у), о.ц.т. (у") и гексагональных плотноупакованных [3-фаз из аустенитных матриц. Выделение этих фаз представляет собой одно из наиболее благоприятных явлений, так как оно позволяет достигать значительного упрочнения, стабильного при высоких температурах без заметного охрупчивания сплавов. В соединениях типа АзВ более электроотрицательные элементы— такие, как Fe, Со, Ni, соответствуют элементу А, а такие как Al, ТІ, Mo,— элементу В. у -фаза является упорядоченной, причем дальний порядок сохраняется почти до температуры плавления (1385С). Уникальным свойством у-фазы является увеличение прочности с повышением температуры в широком интервале температур: для нелегированной фазы до 800 С, а для легированной—еще выше.
Благоприятное влияние АзВ фаз на свойства сталей и сплавов связывают с их высокой пластичностью, когерентной связью с основным твердым раствором и высокой стабильностью при повышенных температурах.
Многие интерметаллические соединения обладают высокими характеристиками прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности, износостойкости. В последнее время на их основе разрабатываются материалы для новых отраслей техники.
Таким образом, из интерметаллических фаз наиболее благоприятное влияние на упрочнение сплавов оказывают соединения типа А3В, а также некоторые фазы Лавеса. Выделение ст-фазы и ей подобных топологически плотно-упакованных фаз вызывает резкое охрупчивание сплавов [91, 31, 98]. Сопротивление жаропрочных сталей и сплавов ползучести определяется: 1) величиной и степенью использования межатомных сил связи в решетке твердого раствора; 2) структурой, т. е. количеством, дисперсностью и распределением упрочняющих фаз [91, 87], видом и плотностью дислокаций, их подвижностью (закрепленные или незакрепленные), а также величиной зерен и блоков, их степенью разориентировки; 3) термической стойкостью упрочняющих фаз и стабильностью структуры под влиянием длительного воздействия температуры и напряжений [60, 52, 50], параметрами диффузионных процессов, определяющих жаропрочность твердого раствора и упрочняющих фаз; 4) состоянием границ зерен, т. е. степенью их чистоты по вредным и легкоплавким примесям, неметаллическим включениям и присутствием модифицирующих прибавок в виде тугоплавких соединений и различных других фаз, упрочняющих границы [91, 107, 66,101]. Однако этим не полностью исчерпывается работоспособность жаропрочных сплавов в реальных условиях их службы.
Акустическая эмиссия при пластической деформации металлов
Аппаратура акустической эмиссии предназначена для приема, усиления, регистрации и обработки сигналов АЭ. Так как АЭ представляет собой случайный импульсный процесс, основной задачей аппаратуры АЭ является определение параметров этого процесса.
Поскольку АЭ характеризуется большим числом параметров, каждый из которых отражает какую-либо сторону кинетического процесса в твердом теле, то аппаратура, выделяющая и обрабатывающая все параметры, должна быть весьма многофункциональной.
На настоящем этапе развития метода АЭ получены только некоторые корреляционные зависимости параметров сигналов АЭ и процессов образования: и роста дефектов.
Аппаратура АЭ в зависимости от ее функционального назначения и сложности выполнения может быть разделена на несколько условных групп. К основным группам относятся: 1 — приборы производственного применения; 2 — многофункциональные приборы лабораторного и производственного применения; 3 — системы АЭ контроля.
Приборы производственного применения обычно регистрируют один - два параметра АЭ, они имеют относительно несложную конструкцию и просты в эксплуатации. Эти приборы используют, как правило, для контроля однотипных конструкций и процессов.
Многофункциональные приборы АЭ контроля представляют собой блочные конструкции. Каждый блок выполняет определенную функцию по выделению и регистрации того или иного параметра АЭ. Эти приборы позволяют подсчитывать число импульсов, активность и энергию АЭ, координаты источника АЭ на линии распределение амплитуд, длительность импульсов и др. Многофункциональные приборы позволяют не только проводить контроль объектов и процессов, но также исследовать явление АЭ, разрабатывать методики контроля.
Они легко могут быть перестроены для контроля различных объектов, их функциональные возможности легко расширить путем добавления блоков с другими функциональным предназначениями. Однако эти приборы значительно сложней приборов первой группы, поэтому для их обслуживания требуется более квалифицированный персонал.
Системы АЭ контроля — наиболее сложная аппаратура рассматриваемой области. Принципиальные отличия систем: многоканальность (4— 50 и более каналов); использование ЭВМ для обработки информации. Системы АЭ представляют собой развитие многофункциональных приборов АЭ и так же построены по блочному принципу.
Аппаратура для акустико-эмиссионных исследований (АЭИ) относится ко второй группе аппаратуры АЭ. Такие многофункциональные приборы АЭ могут быть построены как на базе аналоговой электронной техники, так и на основе цифровой техники. Как правило, аналоговые АЭ системы являются не гибкими системами, способными вычислять небольшой, общепринятый набор параметров АЭ. С развитием компьютерной техники появилась возможность использовать мощные вычислительные комплексы для обработки АЭ информации. Использование ПК позволяет кроме вычисления стандартных параметров АЭ вводить новые, производить предварительную фильтрацию выбросов АЭ, строить различные зависимости параметров АЭ и многое другое. Для записи АЭ в память ПК применяются различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и системы на их основе. Эти АЦП отличаются скоростью оцифровки данных, разрядностью и некоторыми другими техническими характеристиками. Существующие акустико эмиссионные системы затруднительно применять в условиях длительных непрерывных испытаний по двум основным причинам: 1 - невозможность проведения непрерывной записи сигналов АЭ в течение нескольких десятков часов и 2 - отсутствие приемлемой системы борьбы с внешними шумами т.к. используемые принципы исключения шумов из полезного сигнала эффективны только для непродолжительных испытаний.
Акустико-эмиссионный комплекс (рис. 3.2) представляет собой АЭ систему, включающую в себя преобразователь сигналов АЭ, дифференциальный усилитель, фильтр верхних частот (ФВЧ), формирователь огибающей сигналов АЭ (детектор), низкочастотный усилитель (НЧ усилитель) огибающей сигналов АЭ с высокостабильным регулируемым уровнем постоянной составляющей на выходе, встраиваемый в ПЭВМ АЦП [96, 106]. Информация с АЦП вводится через шину данных ISA в ПЭВМ типа IBM PC AT.
Преобразователь Дифференциаль- Детектор сигналов АЭ ный усилитель ФВЧ - НЧ усилитель - АЦП =?-Ч \г Рис. 3.2. Структурная схема акустико-эмиссионного комплекса
Преобразователь сигналов АЭ устанавливается на поверхности исследуемого объекта, и предназначен для преобразования механических поверхностных волн в электрический сигнал. Дифференциальный усилитель представляет собой высокочувствительный широкополосный дифференциальный усилитель Я40-1102(1У13) с переключаемым дискретно коэффициентом передачи (от 0,1 до 1000). В качестве АЦП используется адаптер Д-260 представляющий собой одноплатный универсальный программируемый аналого-цифровой преобразователь, встраиваемый в персональный компьютер типа IBM PC AT, и предназначенный для использования в составе автоматизированных измерительных комплексов различного назначения. АЦП имеет один вход для сигналов АЭ и три дополнительных входа для записи медленно меняющихся механических и термических параметров испытаний (нагрузка, деформация, температура и др.). Предельная частота оцифровки сигнала зависит от быстродействия системы и, например, на машине 486 DX2-80 составляет около 300 кГц, а процессор Pentium-s 120 MHz позволяет оцифровывать сигнал с частотой 510 кГц. Сигнал читается в расширенную память, причем промежутки между импульсами не запоминаются. Для адаптера Д-260 создан достаточно мощный программный комплекс. Программа имеет графический интерфейс пользователя, оформленный в стиле операционной системы Windows. Для нормальной работы требуется IBM совместимый компьютер, процессор не ниже 386, ОЗУ объёмом не менее 2 Мбайт, видео адаптер не ниже VGA.
Для измерения деформации образца используется специальный прибор измерения деформации с электромагнитным датчиком. Точность измерения такого прибора составляет ±10 мкм. Датчик деформации устанавливается на рычажной системе установки. Сигнал с данного прибора поступает на один из «медленных каналов» АЦП.
Структурная схема акустико-эмиссионного комплекса
Основные возможности при использовании адаптера в его исходном варианте: 1. Оцифровка сигнала во внутреннюю память адаптера с тактовой частотой от 2 МГц до 10 МГц. 2. Скорость оцифровки сигналов АЭ в память ПК большого объёма (в зависимости от ОЗУ ПК, в общем случае 8-32 Мбайта) с одного канала при максимальной скорости записи данных составляет 150 кБайт/сек. 3. Возможность внешнего запуска начала преобразования входного сигнала, причём сигнал внешнего запуска должен иметь импульсный характер. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что адаптер имеет достаточно высокое быстродействие для регистрации даже исходного сигнала акустической эмиссии (АЭ), а не его огибающей. Однако практика и эксперименты проводимые ранее другими исследователями [51, 48] показывают, что информацию о материале и процессах происходящих в нём несёт форма сигнала, т.е. его огибающая, а высокочастотное заполнение не является информативным параметром. Кроме этого регистрация и исследование исходного сигнала требует большого объёма ОЗУ и большого машинного времени для математической обработки сигналов АЭ, что не целесообразно. Поэтому в АЭИ наибольшее распространение получило исследование огибающей сигналов.
Сигналы АЭ имеют вид радиоимпульсов. Длительность импульсов в общем случае лежит в диапазоне от единиц мкс до десятков мс. Это значит, что для регистрации коротких импульсов требуется тактовая частота АЦП около 1 МГц. Практика показала, что оптимальное значение тактовой частоты составляет 500 кГц. Завышение этого значение отражается на размерах требуемого ОЗУ и времени обработки данных. К сожалению, адаптер Д-260 при работе с оперативной памятью ПК не справляется с поставленной задачей. Как отмечалось выше, скорость передачи данных в ОЗУ ПК составляет всего 150 кБайт/с.
В АЭИ производится, кроме регистрации сигналов АЭ, измерение таких параметров эксперимента, как температура, механическая нагрузка, деформация образца и некоторые другие медленно меняющиеся величины.
Алгоритм записи сигналов АЭ должна быть такой, чтобы наиболее полно использовать ОЗУ ПК. Т.к. сигналы АЭ имеют импульсный характер, то целесообразно заполнять память ПК именно самими импульсами АЭ. В то время как, импульсов АЭ нет (пустоты) заполнение ОЗУ ПК необходимо прервать, т.е. обеспечить ожидание следующих импульсов АЭ.
В связи с этим, для возможности использования адаптера Д-260 в АЭИ, необходимо решить следующие задачи: 1. Расширить диапазон частоты выборок АЦП; 2. Увеличить скорость передачи данных из АЦП в ОЗУ ПК; 3. Реализовать принцип экономичного использования ОЗУ ПК. Первая задача актуальна при использовании внутреннего ОЗУ адаптера (128 кБайт). В исходном варианте возможно программное изменение времени одной выборки от 1 мкс до 0,1 мкс. Для увеличения времени одной выборки нами применена микросхема двоичного счетчика 1533ИЕ5, используемой в роли делителя частоты. Стало возможным подобрать коэффициенты деления тактовой частоты равные I, 4, 8, 16. Таким образом, максимальное время одной выборки составило 16 мкс, что соответствует тактовой частоте АЦП 62,5 кГц. Такое простое решение позволило расширить диапазон тактовой частоты АЦП (от 62,5 кГц до 10 МГц) и делает адаптер Д-260 белее универсальным.
Для решения второй задачи необходимо изменить протокол считывания данных с АЦП в память ПК. Для формирования одного байта данных на выходе АЦП, необходимо программным путём сформировать тактовый импульс, т.е. один из битов внутреннего порта ввода/вывода адаптера перевести в состояние высокого уровня из состояния низкого уровня, а затем вернуть его в состояние низкого уровня. Далее этот байт считывает-ся в ОЗУ ПК. Таким образом, делается три обращения к адаптеру. При этом тактовый генератор адаптера должен находится в режиме «останов», т.е. не работать. Таким способом обеспечивается и синхронизация адаптера и ПК. Очевидно, что если считывать данные с АЦП без формирования тактового импульса, скорость их передачи в ОЗУ ПК увеличится в три раза. В этом случае, тактовый импульс должен формироваться другим способом. Простым, является формирование тактовых импульсов самим генератором, ранее используемым только при работе с внутренним ОЗУ адаптера. Например, при приходе очередного импульса АЭ, с внешнего устройства должен формироваться сигнал «признак наличия сигнала АЭ» цифрового характера, который разрешает работу тактового генератора.
После реализации данного принципа на практике оказалось, что отдельные байты, считанные с АЦП ошибочные. Это выражается появлением острого пика на фоне сигнала АЭ. Появление ошибочных битов носит случайный характер. Причиной их появления, как выяснилось, стало нарушение синхронизации между адаптером и ПК. Во время считывания данных в регистр процессора, на выходе АЦП данные меняются по приходу тактового импульса. Причём не все биты успевают изменится
Алгоритм обработки параметров сигналов акустической эмисии
Если считать, что при достаточно низких температурах возврат не происходит, модель логарифмической стадии ползучести может быть построена следующим образом. Предположим, что материал состоит из элементов, каждый из которых может один раз вызвать приращение деформации. Если все эти элементы одинаковы, то для активизации каждого из них требуется одинаковая величина напряжения. Как только приложенное напряжение достигнет этой критической величины или превзойдет ее, весь материал сразу же начнет деформироваться. Однако если величины напряжений, приводящих в действие отдельные элементы, подчиняются не которой функции распределения, наподобие показанной на рис. 4.17, тогда приложение напряжения величины зЕ приведет в действие лишь те элементы, для которых величина критического напряжения меньше этой величины. Точно так действует обычный процесс термической активации. Энергия активации, необходимая для приведения в действие элементов, тем выше, чем больше величина критического напряжения аЕ (активирующее напряжение). Поэтому можно считать, что энергия активации есть некоторая (неизвестная) функция от аЕ. Функцию распределения элементов п по аЕ можно записать в виде n=N(aE) (см. рис. 4.17).
На основе сказанного можно считать, что наблюдаемый процесс ползучести возникает в результате действия цепочки элементов, которые по величине критического напряжения распределяются согласно n=N(aE) и по энергиям активации согласно f(aE); задачей является определение формы кривой ползучести при действии на цепочку элементов постоянного напряжения сто Приложение напряжения с о приводит в действие все элементы с критическим напряжением меньшей величины. Так происходит мгновенное удлинение. Элементы с величинами критических напряжений ст0 начнут работать только при наличии термической активации. Кроме того, исследования Дорна [57] подтверждают правильность данных механизмов ползучести, протекание которых несомненно должно было бы вызвать увеличение активности АЭ (первые всплеск).
Если температура изменяется, скажем, от ТІ до Т2 и скорость ползучести через несколько минут после изменения температуры (т. е. когда равновесие считается восстановленным) сравнима со скоростью ползучести непосредственно перед изменением температуры, тогда полученное значение энергии активации ДН соответствует среднему значению энергии активации в интервале температур от ТІ до Т2.
Результаты, полученные таким методом для чистого алюминия, представлены на рис. 4.18. Энергия активации, как видно из кривых, существенно меняется в интервале температур от 100 до 200 К, а при температурах выше указанных имеется два района относительного постоянства ДН: один от 240 до 380 К, а другой от 500 К до точки плавления. Энергия активации не зависела от напряжения, при котором производилась резкая смена температур; постоянство ДН для каждой данной температуры было показано Шерби, Луттоном и Дорном [57]. Таким образом, предположение о том, что существуют два самостоятельных процесса, из которых один преобладает на ранней стадии ползучести (неустановившаяся ползучесть), а другой—на поздней стадии (установившаяся ползучесть), которое описано, например, уравнениями Андраде, не подтверждается. Это предположение было бы справедливо, если бы энергия активации этих различных процессов была одинаковой. Поэтому возникает иное предположение, а именно, что наблюдаемые значения энергии активации представляют собой среднее ее значение для нескольких процессов, но что, по крайней мере, на протяжении двух интервалов температур, преобладает один из процессов. В промежутках между этими двумя интервалами энергия активации меняется, что связано с одновременным действием двух процессов.
Второй всплеск АЭ на этапе предварительного нагрева объясняется процессами деформационного старения, протекающими в материале в это время. В процессе деформационного старения участвуют приместные атомы и избыточная фаза, присутствующая в жаропрочных материалах.
