Введение к работе
Актуальность работы. Все процессы, в которых происходит локальная перестройка структуры, сопровождаются излучением упругих волн. Поэтому изучение явления акустической эмиссии относится к фундаментальным задачам физики. Активная работа в этом направлении с 40-х годов 20 века способствовала развитию техники неразрушающего контроля на основе существующего в то время подхода в атомной физике измерения интенсивности потока событий. Разработанная техника неразрушающего контроля, в том числе на основе метода акустической эмиссии, получила широкое практическое применение. Исследование самого явления акустической эмиссии на основе анализа электрического отклика регистрирующей системы затруднено влиянием многих факторов на различных этапах: зарождения упругой волны, распространения, преобразования упругих колебаний в электрические, работы с электрическим сигналом. Все перечисленное ограничило возможности экспериментальных исследований, поэтому вопросы о природе акустической эмиссии при структурных превращениях актуальны до настоящего времени.
Тем не менее, излучение упругих волн представляет собой один из каналов диссипации энергии в ходе структурной перестройки материалов и является некоторой характеристикой процесса. Применение метода акустической эмиссии позволяет дать количественные характеристики, используемые для контролирования процесса. Эту информацию можно использовать и для изучения природы акустической эмиссии.
Природа акустической эмиссии до конца не изучена для мартенситных превращений в материалах с эффектом памяти формы. К мартенситным превращениям относят большую группу структурных фазовых переходов бездифузион-ного, кооперативного типа, реализующихся во многих металлах, сплавах и соединениях. В сплавах интерметаллического соединения на основе никелида титана реализуются мартенситные превращения. Термоупругие мартенситные превращения, являющиеся универсальным способом реализации структурных фазовых переходов в кристаллической среде, позволяют сформировать необходимые физико-механические свойства материалов для широкого круга практических задач. Применение метода акустической эмиссии при постановке таких задач предполагает работу в режиме реального времени (in-situ), а также возможность управления мартенситным превращением.
Механическое напряжение является одним из параметров управления мартенситным превращением (так же как и температура). Цикл мартенситного превращения под внешней механической нагрузкой как любой термодинамический цикл сопровождается так же накоплением и диссипацией энергии, в основном упругой. В условиях фиксированной деформации проведение цикла мартенситных превращений сопровождается генерацией и релаксацией напряжений, которые принято называть реактивными.
Условия фиксированной деформации являются наиболее распространенными при использовании материалов с эффектом памяти формы в качестве механических преобразователей энергии. Поэтому анализ реактивных напряжений важен с практической точки зрения. Так циклирование мартенситных превраще-
4 ний может привести к уменьшению реактивных напряжений вследствие структурной перестройки материала.
Акустическая эмиссия, сопровождающая мартенситные превращения, должна отражать эти изменения.
Целью настоящей работы является разработка комплексного метода измерения и анализа реактивных напряжений при термоупругих мартенситных превращениях сплава никелида титана на основе регистрации акустической эмиссии и деформации.
Для достижения данной цели требовалось решить следующие задачи:
Разработать методику регистрации акустической эмиссии и деформации в цикле мартенситных превращений в условиях действия реактивных напряжений.
Создать экспериментальную установку для исследования акустической эмиссии в условиях фиксированной деформации, совместно с программно-аппаратным комплексом для регистрации и обработки данных в реальном масштабе времени, позволяющим автоматизировать эксперимент.
Исследовать деформационные свойства и акустическую эмиссию при термоупругих мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
Научная новизна:
Разработан комплексный метод анализа реактивных напряжений включающий измерение среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии и деформации в цикле термоупругих мартенситных превращений.
Разработан программный комплекс, позволяющий осуществлять регистрацию и обработку данных, как высокочастотного сигнала, так и среднеквадратичных напряжений с различных аналого-цифровых преобразователей в режиме реального времени.
Впервые были получены данные по акустической эмиссии при термоупругих мартенситных превращениях в сплавах на основе никелида титана в условиях действия реактивных напряжений.
Обнаружен аномальный акустический эффект, заключающийся в существенном росте энергии акустической эмиссии в первом цикле мартенситных превращений, осуществляемого в условиях фиксированной деформации.
Установлен эффект стабилизации мартенситной фазы при термоупругих мартенситных превращениях никелида титана в условиях генерации и релаксации реактивных напряжений.
Показано, что экспоненциальное снижение акустической эмиссии при цикли-ровании мартенситных превращений существенно зависит от фиксированной деформации. Скорость снижения энергии акустической эмиссии до уровня насыщения (в сплавах склонных к фазовому наклепу), характеризуемая коэффициентом в показателе экспоненты, зависит от величины фиксированной деформации как функция с минимумом.
Практическая значимость работы. Разработанный программно-аппаратный комплекс является универсальным средством автоматизации эксперимента. Режим работы в реальном времени дает возможности его широкого
5 применения в различных областях, как экспериментальных исследований, так и практического использования в качестве средств контроля.
Аномальный акустический эффект, обнаруженный в экспериментах с фиксированной деформацией позволяет определять склонность сплава к фазовому наклепу. А накопление пластической деформации необходимо учитывать при разработке изделий из материалов с эффектом памяти формы.
Эффект стабилизации мартенситной фазы при циклировании мартенсит-ных превращений в условиях фиксированной деформации увеличивает интервал обратимого восстановления формы, что следует учитывать при разработке изделий из материалов с эффектом памяти формы.
Вклад автора. Участие в планировании, разработке и проведении эксперимента. Разработка автоматизированного программного комплекса. Участие в обсуждении экспериментальных данных, а также в формулировании основных результатов и выводов.
Положения, выносимые на защиту.
Методика анализа реактивных напряжений по результатам измерения акустической эмиссии и деформации.
Программно-аппаратный комплекс для регистрации и обработки данных в реальном масштабе времени, как средство автоматизации физического эксперимента.
Аномальный акустический эффект при мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
Стабилизация мартенситной фазы, как один из факторов, оказывающий влияние на акустическую эмиссию, а так же обратимую и необратимую деформации и при мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях: IV международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка 2006 г.); XVI международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара. 2006 г.); XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Н.-Новгород 2008 г.); X международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул 2008).
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 108 источников. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 66 рисунков.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 7 печатных работ в отечественных изданиях, из них 1 статья в журнале перечня ВАК.
