Delist.ru

Развитие и применение акустико-эмиссионного и рентгенодифрактометрического методов исследования пластической деформации поликристаллов (25.08.2007)

Автор: Корчевский Вячеслав Владимирович

5. Впервые установлено, что при пластической деформации металлов происходит снижение симметрии кристаллической решетки металлов, выражающейся в трансформации кубической решетки в орторомбическую.

6. Установлены основные требования, в рамках которых применим акустико-эмиссионный метод контроля размерной стабильности.

Практическая ценность работы:

1. Разработанные акустико-эмиссионный метод исследования пластической деформации, основанный на статистической модели АЭ при пластическом деформировании поликристаллов, и численно-аналитический метод определения размеров ОКР и искажений решетки по одной дифракционной линии повышают достоверность и воспроизводимость результатов исследований пластической деформации за счет исключения систематических погрешностей, связанных с используемым оборудованием.

2. На основе статистической модели АЭ сформулированы основные положения измерения АЭ при пластической деформации, включающие в себя выбор измеряемой физической величины, принципы построения измерительной аппаратуры, методику обработки результатов измерения.

3. Численно-аналитический метод может быть использован в спектроскопии для определения параметров отдельных синглетов в мультиплетных линиях.

4. Установленные закономерности изменения кристаллической структуры и акустического излучения сталей при пластическом деформировании расширяют представления о физической природе процессов пластической деформации и отпуска сталей и могут быть использованы при развитии теории прочности и пластичности металлов и методик неразрушающего контроля с помощью АЭ.

5. Полученные в работе результаты исследования АЭ при пластической деформации и статистическая модель АЭ легли в основу разработки способа контроля размерной стабильности изделий.

6. Научные результаты, полученные при выполнении работы, использованы в учебных курсах "Методы исследования структуры", "Методы и средства измерений, испытаний и контроля", "Физические основы измерений", читаемые в Тихоокеанском государственном университете, и написании учебных пособий "Физические основы измерений", "Базовые методы и средства измерений и испытаний в технике" и "Методы и приборы измерений, испытаний и контроля: электронное учебное пособие".

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Численно-аналитический метод определения параметров тонкой структуры по одной линии, заключающийся в компьютерном моделировании процесса получения интерференционных линий на рентгеновском дифрактометре и нахождении таких значений плоскостей отражения и углов отражений, при которых вероятность аппроксимации экспериментальной зависимости дифрагированного излучения от угла отражения теоретической будет максимальной.

2. Статистическая модель АЭ при пластическом деформировании путем одноосного растяжения образцов из поликристаллов, согласно которой при одноосном растяжении зависимости плотности потока энергии сигналов (интенсивности ультразвука) непрерывной АЭ от остаточной деформации отображают произведение плотности распределения источников АЭ, излучивших акустические сигналы, по остаточным деформациям на скорость остаточной деформации.

3. Основным источником непрерывной АЭ при пластической деформации поликристалов является процесс образования следов скольжения на поверхности деформируемого металла. Энергия сигналов непрерывной АЭ прямо пропорциональна числу образовавшихся полос скольжения.

4. Особенности пластической деформации сталей, имеющих гранецентрированную и объемноцентрированную кубическую решетку, состоящие в том, что:

- пластическая деформация отожженных сталей при одноосном растяжении носит многостадийный характер, при этом в стали с гранецентрированной кубической решеткой она протекает в четыре стадии, а в стали с объемноцентрированной кубической решеткой – в шесть, причем на последних трех стадиях в обеих сталях происходят схожие процессы;

- с увеличением степени пластической деформации кубическая решетка преобразуется в орторомбическую;

- закалка и последующий отпуск стали 30ХГСНА приводит к уменьшению количества стадий пластической деформации, причем с ростом температуры отпуска увеличивается количество стадий. Уменьшение количества стадий происходит за счет одновременного протекания процессов, которые в отожженной стали 30ХГСНА происходят на разных стадиях.

5. После закалки и отпуска стали 30ХГСНА с повышением температуры отпуска происходит трансформация типа пространственной решетки Браве по цепочке: тетрагональная – орторомбическая – кубическая.

6. Возникновение непрерывной АЭ при пластической деформации углеродистых сталей со значениями плотности потока энергии сигналов 2,5(10-12 Вт/м2 сопровождается появлением остаточных деформаций величиной менее 0,001%, что позволяет использовать акустико-эмиссионный метод для определения нагрузки появления пластических деформаций заданного уровня в изделиях и конструкциях.

Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Акустическая эмиссия материалов и конструкций" (г. Ростов-на-Дону, 1984 г.), на IX Всесоюзной научно-технической конференции по неразрушающим методам контроля (г. Минск, 1981 г.), на двух Всесоюзных научно-технических конференциях "Использование современных методов в неразрушающих исследованиях" (г. Хабаровск, 1981, 1984 гг.), на региональных конференциях (г. Хабаровск, 1980, 1983 гг.), на Международном Китайско-Российском Симпозиуме "Современные материалы и технологии обработки" (г. Харбин, 2006 г.), на международных симпозиумах (Самсоновские чтения, г. Хабаровск, 2002, 2206 гг.), на международной научной конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы механики" (г. Хабаровск, 2003), на IV Азия-Тихоокеанской Международной конференции "Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники" (г. Хабаровск, 2004), на VII съезде литейщиков России (г. Новосибирск, 2005), на IV Международной научно-технической конференции "Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации" (Курск, 2006).

Публикации. Основные материалы по теме диссертации отражены в 25 научных работах, опубликованных в рецензируемых отечественных журналах и материалах международных конференций и симпозиумов. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 257 листах, иллюстрируется 60 рисунками и 13 таблицами, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 257 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указаны цели исследования, научная новизна полученных результатов и практическое значение работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится аналитический обзор современных представлений о пластической деформации и методов ее исследования. Отмечено, что пластическая деформация поликристаллических тел представляет собой сложный многостадийный и многоуровневый процесс, в котором задействованы различные механизмы. Показано, что существуют различные методы изучения пластической деформации, которые можно разделить на четыре основных группы: механические, оптические, дифракционные и физические. Приведены общие сведения об акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля. Рассмотрены основные механизмы АЭ при пластической деформации кристаллических тел. Выявлены основные закономерности АЭ при пластическом деформировании металлов. Проанализированы основные методы определения параметров тонкой структуры металлов по ширине дифракционной линии.

Во второй главе описаны исследуемые материалы, методика изготовления образцов, методика проведения механических испытаний, методика структурных исследований, используемое оборудование и аппаратура для измерения АЭ.

Исследования проводили на плоских образцах, изготовленных из аустенитной стали 12Х18Н10Т, среднеуглеродистой легированной стали 30ХГСНА и технического титана ВТ1-0. Образцы из стали 30ХГСНА закаливали с 8800С в масло и отпускали при разных температурах. Растяжение осуществляли на испытательных машинах, реализующих нагружение с постоянной скоростью перемещения подвижной траверсы. Для измерения деформации использовали фотоэлектрический преобразователь перемещения, имеющий минимальную относительную погрешность измерения удлинения 4(10-6.

Акустическую эмиссию регистрировали прибором ИМ-1, в котором реализованы основные требования к средствам измерения непрерывной АЭ при пластической деформации металлов. Ширина полосы пропускания прибора – 10 кГц, центральная частота – 150 кГц. Показания прибора отградуированы в значениях плотности потока энергии упругих колебаний частотой 150 кГц по формуле

где Z – акустический импеданс; А – амплитуда колебаний поверхности.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-1 и ДРОН-3. Изучение структуры поверхности деформированных образцов осуществляли с помощью оптического и электронного микроскопов.

Третья глава посвящена акустико-эмиссионному методу изучения пластической деформации поликристаллов. Изложена статистическая модель АЭ при пластической деформации поликристаллов, которая лежит в основе акустико-эмиссионного метода. В основу этой модели положено представление о том, что процесс генерации сигналов АЭ можно рассматривать как задачу об изменении количества одинаковых и независимых частиц в статистическом ансамбле при внешнем воздействии, в результате которого происходит их уничтожение. Из решения этой задачи следует, что распределение числа источников сигналов АЭ, излучивших акустические сигналы, по удлинению описывается распределением Вейбулла:

где N0 – полное число источников АЭ; ? – показатель степени; L0 – начальная расчетная длина образца; Lэ – акустико-эмиссионная длина.

В результате действия источников АЭ в деформируемом теле возникает поток энергии упругих колебаний, который описывается выражением

где Е(f) – энергетический спектр сигнала АЭ; G(?) – передаточная функция среды распространения; dL/dt – скорость остаточного удлинения рабочей части образца.

Этот поток оказывает силовое воздействие на пьезопреобразователь площадью Fn. Зависимость электрического напряжения U(f), регистрируемого на выходе пьезопреобразователя в результате действия источников АЭ, от величины остаточного удлинения можно найти из следующего выражения

– скорость распространения волны в среде; ?(f) – амплитудно-частотная характеристика пьезопреобразователя.

Из этого уравнения следует, что зависимость интенсивности гармонического акустического излучения некоторой частоты f0 или плотности потока энергии (ППЭ) сигналов АЭ J, возникающей при излучении акустических сигналов N0 источниками АЭ, от остаточной деформации определяется следующим выражением

где (ост – остаточная деформация; E( – энергия излучаемых источником АЭ упругих гармонических колебаний с частотой f0; d(ост/dt – скорость остаточной деформации; G0 – коэффициент затухания акустических волн частотой f0.

Теоретически исследовано влияние частотных характеристик акустико-эмиссионной аппаратуры на минимальное число источников АЭ, после действия которых возникает минимально регистрируемый используемой аппаратурой сигнал АЭ. На основании этих исследований сформулированы принципы измерения непрерывной АЭ, согласно которых измеряемой величиной должна быть интенсивность гармонического акустического излучения частотой менее 500 кГц, выраженной в единицах "Вт/м2". Для измерения данной величины необходимо использовать электронную аппаратуру с полосой пропускания не более 10кГц и резонансные пьезопреобразователи, положение максимума резонансного пика которого должно находится в этой полосе пропускания.

Показано, что при растяжении образцов, изготовленных из металлов с параболическим законом упрочнения, на испытательной машине, реализующей нагружение с постоянной скоростью подвижной траверсы Vтр, и измерения сигналов АЭ с помощью узкополосной аппаратуры выражение (4) примет вид:

загрузка...