Содержание к диссертации
Введение
1. Акустическая эмиссия и механизмы пластической деформации и разрушения неоднородных материалов 9
1.1. Акустическая эмиссия и ее основные информативные характеристики 9
1.2. Физические механизмы акустической эмиссии 16
1.3 Методы обработки акустико-эмиссионных сигналов 22
1.4. Особенности моделирования физико-механических процессов в структурно-неоднородных средах 26
1.5. Постановка задачи 36
2. Исследование спектров акустико-эмиссионных сигналов при разрушении пористого железа 39
2.1 Особенности проведения эксперимента по измерениям сигналов акустической эмиссии пористых металлов 39
2.2 Фурье-спектры сигналов акустической эмиссии 43
2.3. Амплитудные распределения сигналов АЭ 49
3. Модель акустической эмиссии в пористых материалах 63
3.1. Структурная модель пористой среды 63
3.2. Моделирование пластической деформации и разрушения пористого материала 68
3.3. Моделирование акустической эмиссии в пористых материалах 80
4. Методика исследования АЭ в пористых материалах 84
4.1. Параметры акустической эмиссии при разрушении 84
4.2. Сопоставление результатов расчетов с экспериментом 91
4.3. Предложения по методике 97
Заключение 100
Литература 101
- Физические механизмы акустической эмиссии
- Фурье-спектры сигналов акустической эмиссии
- Моделирование пластической деформации и разрушения пористого материала
- Сопоставление результатов расчетов с экспериментом
Введение к работе
Одним из методов исследования процессов, сопровождающих и определяющих особенности деформирования и разрушения материалов, является метод акустической эмиссии, позволяющий вести непосредственное наблюдение за процессом локальной перестройки структуры материала при воздействии внешних механических полей. Метод акустической эмиссии дает возможность исследовать разнообразные динамические процессы, такие, как размножение и движение дефектов, фазовые переходы, зарождение и рост микротрещин. Этот метод достаточно широко применяется при исследовании компактных металлов и сплавов. В то же время закономерности акустической эмиссии, ее физические механизмы и источники в структурно-неоднородных материалах изучены недостаточно. Выявление этих механизмов, построение модели данного явления в пористых материалах представляет значительный интерес как для решения задач изучения материалов с резко неоднородной структурой, так и для задач диагностики и неразрушающего контроля изделий из конструкционных материалов.
Наличие нескольких конкурирующих механизмов пластической деформации и разрушения неоднородных материалов приводит к сложной динамике поведения регистрируемого сигнала. Выделение из него отдельных компонент или каких-либо характеристик, связанных с преобладающим механизмом деформирования, является одним из ключевых моментов при анализе получаемых результатов, построения адекватной модели данного явления и разработки новых методик диагностики механического состояния. Существующие на данный момент методики предварительной и последующей обработки сигналов акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении не позволяют определять доминирующие механизмы, ответственные за излучение акустических волн в деформируемом материале. Данные обстоятельства показывают, что
создание новых экспериментальных методов изучения акустической эмиссии в пористых металлических материалах и построение адекватной модели данного явления является актуальной задачей современной экспериментальной физики.
Метод акустической эмиссии является пассивным, при измерениях не требуется воздействие на материал внешними физическими полями, в отличие от других методов исследования. Для данного метода характерны особенности, обеспечивающие ряд преимуществ перед другими методами экспериментальной физики. Метод акустической эмиссии обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. Например, он позволяет выявить приращение микротрещины при пластической деформации и на стадии предразрушения.С точки зрения практики, при помощи метода удается выявить дефекты по степени их опасности. Кроме того, рассматриваемый метод по сравнению с другими имеет меньше ограничений, связанных с физико-механическими свойствами и структурой, и может быть распространен на широкий круг материалов. Он успешно используется, в частности, для контроля композиционных материалов, для которых в силу сложности их состава применение других методов затруднено. Метод является интегральным, то есть, используя один или несколько преобразователей акустической эмиссии, установленных на поверхности объекта, можно исследовать процессы во всем объекте.
Основной целью диссертационного исследования явилось создание метода математической обработки сигналов акустической эмиссии, регистрируемых при пластической деформации и разрушении структурно-неоднородных материалов, и построение модели процесса акустической эмиссии.
В качестве конкретного объекта исследования было выбрано пористое железо со значениями относительной объемной доли пор (пористости), варьирующейся в широких пределах.
В соответствии со сформулированной целью в работе были поставлены следующие задачи:
Разработка математического метода получения и анализа частотного спектра и амплитудных распределений сигналов акустической эмиссии при экспериментальном исследовании деформационного поведения пористых материалов.
Разработка модели деформирования пористого материала, учитывающей основные механизмы пластической деформации и разрушения. Построение зависимостей прочностных характеристик металлического материала от параметров пористой структуры.
Построение модели влияния пористости на характеристики акустической эмиссии в металлических материалах. Проведение анализа и интерпретации полученных в эксперименте результатов.
Создание экспериментальной методики, позволяющей выделять в деформируемом пористом материале доминирующие механизмы акустического излучения.
Научная новизна. В работе впервые предложен метод обработки результатов акустико-эмиссионных измерений при деформировании пористых металлических материалов, позволяющий выделять вклады от хрупкого разрушения и пластической деформации компактных участков пористого материала. Предложена структурная модель процесса акустической эмиссии в пористых материалах при нагружении, учитывающая влияние структуры на информативные характеристики акустической эмиссии. Впервые экспериментально получены частотные спектры и амплитудные распределения сигналов акустической эмиссии для нагружаемого материала в широком интервале пористостей. Обнаружена смена доминирующих механизмов акустического излучения вблизи порога перколяции для пористого железа, обусловленная изменениями топологических характеристик структуры.
Практическая ценность. Разработанный метод и предложенные методики для обработки сигналов акустической эмиссии могут быть применены при создании новых методов диагностики деформационного поведения неоднородных материалов. Полученные экспериментальные данные и построенная на их основе модель акустической эмиссии могут быть использованы для прогнозирования поведения пористых материалов в условиях механического нагружения.
Достоверность полученных результатов достигается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью, согласием расчетных и экспериментальных характеристик, сопоставлением с результатами других авторов.
На защиту выносятся:
Разработанный метод математической обработки экспериментальных результатов акустико-эмиссионных измерений, основывающийся на анализе частотных спектров и амплитудных распределений сигналов, позволяющий исследовать различные стадии пластической деформации и разрушении пористого металлического материала.
Предложенная структурная модель процесса акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении, дающая возможность рассчитывать информативные параметры акустической эмиссии пористых металлических материалов.
Выявленные специфические особенности процессов деформирования и разрушения пористых металлических материалов, заключающиеся в смене доминирующих механизмов акустической эмиссии при изменении топологических характеристик структуры.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на II Межвузовской научно-технической конференции. «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 2000), II
Международной конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред" (Барнаул, 2001), 7-й Междунар. конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Томск, 2001), Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (Екатеринбург, 2003), XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003), VII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Усть-Каменогорск - Барнаул, 2003), Международной научной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения - 2004» (Волгоград, 2004), XVII Российской научно-технической .конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005), III Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005), XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006), 7-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии их получения: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия». (Минск, 2006), Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (Томск, 2006), V Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2006), Международной конференции «Деформирование материалов и наноматериалов DFMN-2007» (Москва, 2007).
Публикации. Содержание диссертации изложено в 32 научных публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 114 страниц, иллюстрируется 49 рисунками, содержит 4 таблицы. Список цитируемой литературы составляет 117 наименований.
Физические механизмы акустической эмиссии
Во многих исследованиях указывается на связь акустического излучения внутренней структуры материала с различными видами локализованной пластической деформации, то есть с некоторыми дислокационными механизмами. Дислокации вызывают появление деформаций и могут взаимодействовать как друг с другом, так и с прочими дефектами. Движение с высокой скоростью при наличии локальных полей напряжений вокруг них должно сопровождаться генерацией упругих волн. Можно выделить целый круг процессов, имеющих дислокационный механизм и, тем самым, являющихся возможными причинами возникновения импульсов АЭ:
Скольжение. Оно является одним из основных механизмов необратимого формоизменения металлов. Коттрелл [15] объясняет процесс возникновения механических волн при движении дислокаций в структурах с плотной упаковкой атомов нарушением правильности их расположения, что создает у центра дислокации менее плотную упаковку, то есть происходит увеличение удельного объема в этой части тела. Размеры и форма этой зоны расширения при движении дислокации со скоростью и меняется с частотой, обратно пропорциональной параметр решетки в направлении движения дислокации: v = —. Описание движения дислокации в рамках теории Ъ упругости показывает, что в случае изменения формы или скорости дислокации она излучает в окружающую среду упругую волну. Точный анализ этих волн затруднителен и не целесообразен, поскольку, как показал Гиллис [11], они обладают низкой энергией и сильно затухают в реальном материале из-за высокой частоты.
Более высокую энергию упругих волн обеспечивает движение скопления дислокации. При движении дислокации происходит их местная задержка у различных препятствий. Преодоление их приводит к быстрым местным сдвигам. Для некоторых материалов лавина сдвигов вызывает увеличение абсолютной деформации на 10"2—10"4 мм за КГ1—10"2 с. С феноменологической точки зрения это выражается в скачкообразности диаграммы упрочнения (эффект Портевена—Ле-Шателье). Накопленная при этом энергия освобождается в виде волн (происходит динамическое перераспределение напряжений, что и порождает волны) [8,10].
В. Д. Нациком с сотрудниками [7,16-17] была показана возможность излучения звука движущейся дислокацией при ее переходе через плоскость разрыва модулей упругости. Установлено, что в момент перехода через границу происходит резкая перестройка упругого поля дислокации, в результате чего поле как бы отрывается от нее (имеется аналогия с излучением Вавилова-Черенкова) и распространяется через кристалл в виде одиночного звукового импульса.
Эта теория нашла свое подтверждение в работах Д.Л. Мерсона [18-23], посвященных анализу причин появления пика мощности и других параметров АЭ на начальной стадии пластической деформации. Им было выдвинуто предположение, что основным источником акустической эмиссии на начальной стадии пластической деформации скольжением служит выход дислокаций на поверхность кристалла, аналогичный рассмотренному Нациком. Согласно [17,18], при выходе дислокации на поверхность виде упругих колебаний выделяется энергия, прямо пропорциональная квадрату скорости движения дислокации в момент ее выхода из кристалла. Последняя может значительно отличаться от скорости движения дислокации в объеме, поскольку у поверхности на дислокацию дополнительно действует сила отображения. Как и предполагалось высота пика мощности акустической эмиссии оказалось обратно пропорциональной а20,2 и сделан вывод, что возрастание мощности акустической эмиссии при малых деформациях связано с увеличением плотности подвижных дислокаций, а спад - с быстрым упрочнением поверхностного слоя, то есть с уменьшением роли силы отображения, действующей на дислокации.
Двойникование. В процессе двойникования также наблюдается акустическое излучение достаточно высокого уровня, что является вполне объяснимым. Он представляет собой поворот узлов решетки одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Двойникование сопровождается локальным формоизменением и происходит с большой (околозвуковой) скоростью, тем самым выполняются основные условия возбуждения механических волн. В частности, В. С. Бойко и Р. Гарбер с сотрудниками [23-26] экспериментально подтвердили существование переходного излучения аналогичного предсказанному Нациком. Ими была установлена однозначная связь между входом и выходом дислокационных скоплений на поверхность кристалла кальцита при обратимом двойниковании и появлением акустических волн.
Фазовые превращения. Фазовые превращения мартенситного типа, представляющие собой сдвиговые коллективные перемещения атомов и, как правило, сопровождающиеся изменением формы. При превращении образуются (исчезают) частицы новой фазы за времена порядка десятых долей микросекунд. При возникновении (исчезновении) таких частиц в них и окружающей среде развиваются дилатационные и сдвиговые компоненты смещения, что вызывает появление механических волн. Акустическая эмиссия при мартенситных превращениях описана в работе [9].
Макроскопические источники (трещины) Многие современные конструкционные материалы склонны к разрушению по хрупкому механизму, то есть к разрушению путем образования дефектов типа трещин. В первую очередь именно эта особенность привела к пониманию необходимости нахождения некоторых корреляций между параметрами развивающихся трещин и акустической эмиссией.
С феноменологических позиций излучение механических волн быстро развивающейся трещиной можно объяснить динамической разгрузкой части материала, примыкающего к берегам образующейся трещины и приводящей к возбуждению в толще материала колебательных процессов. Упругие волны релаксации по своему характеру аналогичны волнам, излучаемым трещиной при ударном нагружении. Именно поэтому в большинстве работ по данному направлению используется математический аппарат механики сплошной среды, а точнее, решается нестационарная динамическая задача о мгновенном приложении напряжений на берегах трещины.
В работе [27] представлены различные модели излучения сигналов АЭ при мгновенном разрыве сплошности среды для антиплоской деформации. Предполагается, что разрыв происходит вдоль полубесконечной полосы, совпадающей с плоскостью максимальных касательных напряжений, берега которого взаимодействуют по закону вязкого трения
Появление акустических волн возможно и при росте уже существующих в теле трещин. В частности, в работе [28] представлены аналитические решения задач об излучении волн напряжений в момент начала движения трещины и при дальнейшем ее распространении с постоянной скоростью в изотропном упругом теле. В. М. Финкель с сотр. [29-31] отмечает, что причиной излучения механических волн развивающейся трещиной могут являться и пульсации ее скорости из-за появления на пути трещины стопоров (частиц другой фазы), вызывающих изменение направления распространения, то есть ветвление трещины.
С точки зрения физики твердого тела образование и развитие трещин обусловлены движением дислокации, и поэтому растущие трещины должна рождать акустическую эмиссию. Коттрелл выдвинул предположение [15], что зародышевая трещина может возникнуть при пересечении двух полос скольжения в результате слияния скользящих дислокаций, приводящего к возникновению малоподвижных дислокаций. В дальнейшем скользящие дислокации вливаются в эти дислокации и создают трещину в плоскости скола. В работе В.А. Соловьева [32] теоретически показано, что образование трещин из дислокационных скоплений должно быть значительно облегчено, если их движение сопровождается высокочастотной акустической эмиссией.
Фурье-спектры сигналов акустической эмиссии
Полученные в результате экспериментов результирующие сигналы подвергались дальнейшей обработке. Был проведен частотный анализ зарегистрированного АЭ-сигнала при деформации пористого железа. Анализ отдельных импульсов позволил выделить три их типа, описанные в работе [5], а именно - непрерывную эмиссию, высокочастотную и низкочастотную вспышки. Частота заполнения высокочастотной вспышки составила 600 кГц и практически не зависела от пористости. Следует отметить, что и на низкочастотных вспышках наблюдались колебания с данной частотой, обусловленной резонансными характеристиками системы «образец-датчик».
В работах [53,54] проводилось выделение отдельных акустико-эмиссионных импульсов с дальнейшим их разделением и классификацией на отдельные группы. Но, помимо этого, интерес представляло построение временных разверток для спектральных характеристик, позволяющих сопоставить изменения во внешнем виде спектров с механизмами деформирования, что существенно расширяет возможности метода акустической эмиссии. Сигнал АЭ разделялся на равные по длительности интервалы, для каждого из которых строился спектр сигнала.
Рассмотренный в предыдущем параграфе спектральный анализ позволил выделить существенный для рассмотрения диапазон частот, где, как видно из рис. 2.3-2.11 наблюдалось наиболее сильное изменение характерного вида частотных спектров. Это диапазон, соответствующий высоким частотам - от 400 до 800 кГц. По всей видимости, эта полоса частот подвергается наибольшим трансформациям при смене доминирующих механизмов деформирования и разрушения материала. Зачастую более прозрачную информацию о видах тех процессов (хрупкое или вязкое разрушение, интенсивная пластическая деформация материала) несет не фурье-, а амплитудное распределение импульсов. Поэтому была разработана методика построения амплитудных распределений для АЭ-сигналов, развернутых, аналогично частотным спектрам, описанным ранее, во времени.
Возможно несколько подходов к построению подобных распределений. Основная проблема - это выделение единичного импульса акустической эмиссии в случае их частичного перекрытия, а также наличие многократных переотражений исходного сигнала от многочисленных границ раздела в системе «образец-датчик». Каждому коллективному акту повреждения материала (срыв лавины дислокаций; слияние микротрещин между собой, с макротрещиной и т. д.) соответствует первичный упругий импульс. Однако регистрируемые импульсы на выходе датчика акустической эмиссии имеют вид радиоимпульсов с затухающей по экспоненте амплитудой колебаний. В случае подсчета осцилляции, одному акту акустической эмиссии соответствует несколько импульсов. Их число определяется амплитудой входного сигнала, уровнем дискриминации, резонансными свойствами приемного датчика и т. п., что является недостатком данного метода. В методе детектирования перед дискриминатором вводят дополнительное устройство, которое выделяет огибающую сигналов акустической эмиссии. Однако в этом случае интенсивность потока определяется с большой погрешностью, так как близко расположенные импульсы перекрываются и регистрируются как один. Для решения проблемы многократного учета одного сигнала АЭ могут применяться методы, основанные на применении некоторых статистических закономерностей в распределении сигналов эмиссии во времени и некоторых соотношениях статистической радиофизики [84-86].
Возможен иной подход к данной задаче, основанный на моделировании формы огибающей отдельного импульса в виде затухающего по экспоненте с некоторой определяемой из эксперимента постоянной времени. Он и был использован в настоящей работе.
Последовательность этапов построения амплитудного распределения сигнала АЭ являлась программным аналогом описанного в [5] подхода: 1. Предварительно производилась частотная фильтрация сигнала. Использование полосовой фильтрации было связано с тем, что зачастую, как уже говорилось выше, интерес представляет не весь сигнал, а лишь отдельная полоса частот, где сосредоточены наиболее существенные изменения. 2. При превышении некоторого заданного порога дискриминации UducKP производилась фиксация уровня амплитуды регистрируемого сигнала UQ. ЭТО значение использовалось как значение амплитуды при построении спектра, так и как амплитуда огибающей в (2.1); 3. На последующих шагах по временной шкале модуль каждого нового значения измеряемого сигнала сравнивается с U(t) и при превышении значением сигнала вычисляемого уровня напряжения производится сброс значения Uo, фиксируется новое значение начальной амплитуды, и отслеживание входного сигнала продолжается; 4. При уменьшении U(t) до значения порога UduCKp следующий фиксируемый сигнал определяется аналогично п.2, то есть по превышению значением напряжения порога.
Моделирование пластической деформации и разрушения пористого материала
Первым механизмом, учитывающимся в предлагаемой модели, является геометрическое разупрочнение компактных участков пористого тела. Для описания деформационного поведения пористого тела использовались уже известные данные для материала в компактном состоянии.
Как уже говорилось выше, расчеты в методе элементарной ячейки основываются на положениях теории обобщенной проводимости [68], где в качестве «потока» в среде может выступать, в зависимости от процесса, электрический ток, тепловой поток, волна упругих напряжений и т.д. Ячейка может быть разбита на отдельные структурные элементы двумя способами: плоскостями параллельными потоку или, напротив, перпендикулярными ему. Разбиение, осуществляемое параллельными потоку плоскостями, моделирует процесс, при котором силовые линии обрываются на поре и поток не заходит в пространство за порой. В случае переноса тепла, поток не переносится через них - поэтому эти плоскости можно назвать «адиабатическими». Разбиение, осуществляемое перпендикулярными потоку плоскостями, моделирует процесс, при котором силовые линии огибают пору и поток заходит за нее. Для теплового потока такие плоскости можно назвать «изотермическими».
Под действием напряжения а, приложенного к элементарной ячейки, второй структурный элемент не испытывал сопротивления со стороны поры и поэтому двигался как целое. Его вклад в общее значение потока был равен нулю (по электроакустической аналогии это означает, что по цепи «второй структурный элемент - пора» ток не идет, т.к. сопротивление поры стремится к бесконечности).
В качестве исходной использовалась модель Гриффитса абсолютно хрупкого разрушения. В рамках данной модели, в качестве основного параметра использовался коэффициент интенсивности напряжений К{. Предполагалось, что напряженное состояние у края растущей трещины (рис 3.6) можно приближенно описывать как напряженное состояние у края трещины нормального отрыва.
Для проверки разработанного подхода было проведено моделирование деформационного поведения пористых металлов. Аналогично вышеизложенному, пористый металл разбивался на элементарные ячейки, состоящие из структурных элементов двух типов, одни из которых обладают свойствами компактного металла, другие — порового пространства. При малых пористостях, меньших порога перколяции, применялась структурная модель закрытой пористости, а при больших — открытой пористости. Под действием внешнего механического напряжения происходила деформация элементарной ячейки, которая рассчитывалась с учетом двух основных вкладов. Полная деформация определялась как сумма деформаций, обусловленных действием как первого, так и второго механизмов: є = єх+є2. (3-15)
Первый вклад єх определялся по деформациям отдельных структурных элементов. Фиксировалось внешнее напряжение, прилагаемое к образцу с поперечным сечением S. Напряжения а распределялись в нем только по компактному каркасу с эффективным сечением SK. Это позволяло записать приложенную к образцу силу в виде о S= ак SK.
Второй вклад был обусловлен наличием микротрещин, которые являются мощными концентраторами напряжений в структурно-неоднородных материалах. Величина деформации є2 рассчитывалась по соотношениям, полученным в рамках механики сплошной среды. На основе предложенного подхода были рассчитаны кривые деформационного упрочнения для пористого железа в широком интервале изменения пористости (рис. 3.7). В качестве значения порога перколяции принималось Р0 = ОД. При расчетах использовалась кривая деформационного упрочнения для компактного железа (экспериментальные точки [87,101] и соответствующая кривая 1 нарис. 3.7), которая считалась известной.
Как видно из рис.3.7 увеличение пористости приводило к значительному снижению наклона кривой деформационного упрочнения на всем ее протяжении. Видно, что переход через порог перколяции сопровождается резким, скачкообразным изменением механических характеристик материала. Как будет показано ниже, аналогичные немонотонные зависимости от пористости характерны и для других величин.
Сопоставление результатов расчетов с экспериментом
Рассмотрим результаты экспериментов по построению спектральных характеристик акустической эмиссии. В главе 2 было отмечено, что существенное влияние на их поведение оказывает изменение пористости. При этом происходят качественные изменения в характере спектральных распределений. В свете предложенной выше модельной интерпретации возможна попытка истолкования качественных изменений спектров акустической эмиссии перестройкой геометрии материала, связанной с перколяционным переходом. Как было отмечено выше, наличие геометрического фазового перехода способствует переключению между двумя доминирующими для пористых материалов механизмами -пластической деформации и хрупком разрушении. При пористостях ниже порога перколяции основным механизмом, определяющим поведение материала и, соответственно, характеристик акустико-эмиссионного сигнала является пластическое деформирование компактных участков пористого тела, влияние роста трещин лишь постепенно нарастает вплоть до Р0. При пористостях выше порога перколяции влияние второго механизма также сначала при пористости порядка Ро невелико, но постепенно становится доминирующим при высоких значениях Р. Фурье-спектры
Как следует из сопоставления рис. 2.3-2.11, частотное распределение сигнала при повышении пористости Р качественно менялось. Для высокочастотного участка сигнала при малых пористостях (рис.2.3, 2.4) величина U увеличивалась с ростом а и достигала своего максимального значения на стадии разрушения. При этом наблюдался неявно выраженный пик в области напряжений, соответствующих пределу текучести, характерный для компактного железа. При увеличении Р (рис.2.5-2.10) указанный пик практически исчезает и зависимость U(o) принимает вид, характерный для хрупкого разрушения с интенсивным трещинообразованием. Это обусловлено тем, что поры выступают в качестве мощных концентраторов упругих напряжений, релаксация которых осуществляется за счет развития трещин на ранних стадиях деформирования. Рис. 2. соответствует материалу со связным поровым кластером, в котором наблюдается меньший уровень упругих напряжений, что приводит к снижению амплитуды сигналов.
При дальнейшем росте пористости (рис. 2.11) величина U вновь увеличивается. Это можно связать с развитием магистральных трещин, происходящем при малой пластической деформации внутризеренных областей.
Таким образом, вышеописанные изменения можно связать со сменой доминирующих источников акустического излучения. Именно, при малых пористостях основным источником акустической эмиссии является, как и в компактных металлах, выход дислокаций на поверхность. Отметим, что в случае пористого материала к внешней поверхности образца добавляется поверхность порового пространства, что приводит к росту мощности сигналов акустической эмиссии. В области порога перколяции (Р 10%) вклад в акустическую эмиссию дают несколько различных видов источников, в частности, распространяющиеся от пор микротрещины. При высоких пористостях доминирующим источником акустической эмиссии являются скачки ограниченного числа магистральных трещин. Таким образом, топологические изменения в структуре материала качественно изменяют вид спектра сигналов.
Амплитудные спектры Анализ амплитудных спектров позволил провести более прозрачные аналогии между экспериментальными результатами и модельным подходом. В первую очередь, это связано с большей простотой интерпретации подобных распределений. Для анализа были выбраны результаты, соответствующие узкому частотному диапазону 400-800 кГц. Именно в данном случае наиболее ярко проявились качественные изменения в виде амплитудных распределений. Как было показано в обзоре, гл. 1, низко- и высокоамплитудные сигналы как правило соответствуют различным преимущественным механизмам деформирования и разрушения. Для образцов с малой пористостью, как видно из рис. 2.15-2.17 , распределения амплитуд говорят о работе как таких источников акустической эмиссии, как хрупкие трещины (относительно высокое количество высокоамплитудных сигналов), так и о существенной роли пластической деформации в процессе разрушения материала. Образцы с пористостями вблизи порога перколяции при деформировании и разрушении производили акустико-эмиссионный сигнал с явным преобладанием низкоамплитудных импульсов, что свидетельствует о значительном влиянии процессов пластического деформирования (рис. 2.18-2.22). Высокопористое состояние характеризуется относительным повышением числа высокоамплитудных АЭ-импульсов, то есть опять начинают играть роль процессы, связанные с ростом хрупких трещин. В целом амплитудные спектры АЭ-сигналов дают более прозрачную информацию о процессах происходящих в пористом материале.
Еще одной существенной особенностью полученных спектральных характеристик, и это касалось как фурье-, так и амплитудных спектров было наличие очень существенных различий в поведении материалов с фактически одинаковыми геометрическими характеристиками. Так образцы с пористостями 10% и 11% в пределах погрешности определения значения пористости (±2% ) обладали принципиально разными спектральными характеристиками. Модельный подход, развитый в гл.З позволил объяснить данный разброс в результатах наличием переколяционного перехода. При перестройке структуры, как уже неоднократно подчеркивалось выше, существенно меняются механические характеристики материала, что естественным образом приводит к значительному их разбросу в конкретных экспериментальных данных. Для сравнения, на рис. 4.8-4.11 приведены в сопоставлении кривые деформационного упрочнения и частотные спектры для двух образцов с пористостью Р-10%. В случае первого образца кривая упрочнения носит фактически одностадийный характер, что свидетельствует о переходе через перколяционный порог и преобладании только лишь одного механизма пластического деформирования. Второй обраец, напротив, проявляет свойства, характерные для пористой структуры с закрытыми порами, где существенную роль играют процессы роста хрупких трещин и кривая носит существенно более сложный характер.
Таким образом, результаты анализа спектральных характеристик АЭ дали хорошее качественное согласие с модельным подходом, что позволило говорить о наличии двух существенных механизмов, оказывающих наиболее существенное влияние как в узком плане на процесс излучения акустических колебаний, так и в широком - на деформирование и разрушение пористых металлических материалов.
