Активационный объем и акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 5З9. З
АКТИВАЦИОННЫЙ ОБЪЕМ И АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ АЛЮМИНИЯ
© В. А. Плотников, С.В. Макаров
Алтайский государственный университет, г. Барнаул, Россия, e-mail: plotnikov@phys. asu. ru
Ключевые слова: акустическая эмиссия- высокотемпературная деформация- активационный объем.
При механическом напряжении выше 0,7 предела текучести в алюминии монотонное накопление деформации при высоких температурах сменяется макроскопическими скачкообразными деформационными актами, сопровождающимися трансформированием монотонной акустической эмиссии в единичные акустические сигналы и экспоненциальным ростом активационного объема.
Введение. Эффекты скачкообразной деформации металлических материалов хорошо известны [1, 2]. Так скачкообразная деформация в алюминии при низкой (гелиевой) температуре обусловлена динамикой взаимосвязанного движения дислокационных скоплений и термостимулированным формированием дислокационных лавин [1]. Скачкообразное пластическое течение разбавленных сплавов при комнатных и более высоких температурах связано с эффектом Портевена-Ле Шате-лье [2]. Считается, что термомеханическая неустойчивость пластического течения обусловлена кратковременным когерентным скольжением больших групп дислокаций, формирующих единичный след скольжения, и пространственной корреляцией деформационных процессов в мезоскопическом масштабе [1, 2].
В наших экспериментах в условиях высокотемпературного нагружения поликристаллического алюминия наблюдаются макроскопические скачкообразные деформационные эффекты. Деформационные скачки сопровождаются высокоамплитудными единичными сигналами акустической эмиссии. В результате сопоставления акустического сигнала деформационному скачку (точнее скорости деформации на скачкообразном участке) определялся акустический критерий корреляции элементарных деформационных актов.
Методика экспериментов. В экспериментах объектом исследования был выбран алюминий технической чистоты. Эксперименты представляли собой термомеханическое циклирование образцов путем циклического изменения температуры при постоянном механическом напряжении или механического напряжения при постоянной температуре. Циклическое изменение температуры осуществляли в интервале от комнатной и до температуры плавления алюминия, а циклическое изменение механического напряжения осуществляли до величин, включающих предел текучести. В экспериментах регистрировали температуру, величину накопленной деформации, среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии, механическое напряжение. Экспериментальная установка описана ранее [3].
Экспериментальные результаты. На рис. 1 и 2 приведены результаты циклирования при циклическом
600 О 400
о
¦*-Г
200
0
0,38 m 0,36
CD
° 0,34 -3 0,32 0,3
0
0 200 400 600 800
Время, с
Рис. 1. Монотонный характер акустической эмиссии и деформации при нагреве нагруженного (9,0 МПа) алюминия: а — зависимость температуры от времени процесса, б -зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени в ходе нагрева, в — зависимость деформации от времени в ходе нагрева
изменении температуры (нагрев — охлаждение с умеренной скоростью при постоянной нагрузке). На рис. 1 представлены данные по акустической эмиссии и накоплению деформации в первом цикле нагрев-охлаждение при нагрузке около 9 МПа. Из приведенных данных следует, что при нагреве монотонному характеру накопления деформации до 0,6% соответст-
Рис. 2. Скачкообразные деформационные эффекты и высокоамплитудные сигналы акустической эмиссии при нагреве алюминия в условиях нагружения (24,7 МПа) — а -зависимость температуры от времени процесса, б -зависимость среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии от времени в ходе нагрева, в — зависимость деформации от времени в ходе нагрева
го объема элементарного деформационного акта, воспользовавшись данными изотермических термомеханических циклов. Определение активационного объема проводили путем анализа зависимости энергии акустической эмиссии от механического напряжения и традиционным методом [4], анализируя зависимость скорости деформации от напряжения.
Согласно выражению [4]
йг/ йі = йг0/ йі ¦ ехр[- (ДЯ0 — стЬДБ) /ЯТ]
(1)
для определения активационного объема ЬАБ (здесь Ь -вектор Бюргерса) или активационной площади ДВ необходимо воспользоваться экспериментальными данными по накоплению деформации в изотермических условиях, представив экспериментальные данные в координатах 1п (& lt-Се/<-Сг) — а. Ранее было показано [3], что энергия акустической эмиссии J = ?И,-2 АГ, в термомеханических циклах пропорциональна приращению деформации, а мощность акустической эмиссии М/Л (фактически квадрат амплитуды акустической эмиссии) пропорциональна скорости деформации. Здесь нет противоречий с известными данными, согласно которым акустическая эмиссия приходится на начальную стадию пластического течения. В наших экспериментах силовое воздействие в термомеханическом цикле может быть ниже предела текучести, но в то же время осуществляется термическое воздействие, поэтому за накопление деформации могут быть ответственны как дислокационные, такт и совокупность диффузионных и зернограничных процессов, контролирующих элементарный деформационный акт [4]. Таким образом, выражение (1) можно записать как
М / сН «М0 / сН ¦ ехр (-АН0 /КТ) • ехр (стЬАВ /КТ). (2)
вует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Такой характер накопления деформации и акустической эмиссии сохраняется и в последующих циклах. Следует отметить, что на фоне монотонного накопления деформации наблюдаются небольшие деформационные скачки, которым соответствуют единичные акустические сигналы.
При увеличении нагрузки в цикле примерно до 18,7 МПа и выше характер накопления деформации и акустической эмиссии существенно меняется. Как показано на рис. 2 монотонный характер накопления деформации величиной около 0,7% сменяется макроскопическим скачкообразным деформационным актом величиной около 0,5% (на рис. 2 приведено 2 деформационных скачка, разделенных небольшим монотонным участком). Деформационные скачки развиваются в высокотемпературной области цикла, примерно с 600 °C. Такому деформационному скачку соответствует акустический сигнал аномально большой амплитуды.
При изотермическом нагружении образца накопление деформации представляет собой монотонно возрастающую зависимость величины деформации от времени процесса.
Обсуждение. Для анализа выявленных особенностей накопления деформации в термомеханических циклах, представленных на рис. 1 и 2, проведем анализ активационных параметров, в частности активационно-
Так как температура в наших экспериментах константа, то множитель й] 0 / йі ¦ ехр (-ДЯ0 / ЯТ) в выражении (2) является также константой. Из такого представления можно определить активационный объем ЬАБ для данной температуры процесса.
В табл. 1 представлены данные по активационному объему, полученные из анализа зависимостей мощности (2) акустической эмиссии и скорости деформации (1) от механического напряжения в соответствии с подходом [5].
Из сопоставления активационных объемов следует, что в пределах экспериментальной погрешности они совпадают, свидетельствуя о корректности проведенного анализа. Такое совпадение может свидетельствовать о связи амплитуды акустического сигнала с величиной объема активации элементарного деформационного акта. Разумеется, эта связь опосредована и, по-видимому, определяется размером дислокационного сегмента, выходящего на границу раздела. Такой вывод не противоречит классическим представлениям о генерировании акустических сигналов дислокациями, выходящими на поверхность [6, 7]. Следует лишь учесть, что при высокой температуре в термомеханическом цикле формируется деформационная полоса, представляющая собой выход на поверхность дислокационного ансамбля [4].
Таблица 1
Активационный объем элементарного деформационного акта в алюминии при термомеханическом циклировании
Температура термомеханического цикла, °С
Активационный объем, ЬДВь-нм3
Активационный объем, ЬДВ2, нм3
Коэффициент корреляции г1
Коэффициент корреляции г2
25
0,34±0,01
0,41±0,02
0,985
0,993
100
0,53±0,02
0,57±0,06
0,987
0,996
200
0,57±0,05
0,65±0,08
0,986
0,995
300
0,94±0,11
0,84±0,1
0,9
0,997
400
0,93±0,1
1,5±0,014
0,986
0,994
500
1,36±0,12
1,72±0,16
0,987
0,998
600
2,70±0,23
2,59±0,25
0,994
0,997
Примечание. Активационный объем ЬДВ1 определен по анализу акустической эмиссии, то есть в соответствии с уравнением (2). Активационный объем ЬДВ2 определен по скорости накопления деформации, то есть в соответствии с уравнением (1).
Из этих же данных следует, что активационный объем растет с увеличением температуры эксперимента. Как показано на рис. 3 зависимость объема активации от температуры носит нелинейный характер, с высокой точностью эту зависимость можно аппроксимировать экспоненциальной функцией
у = у0 + А ¦ ехр (Т / Г),
(3)
где у0 = 0,47 ± 0,12, А = 0,0027 ± 0,004, Г = 130 ± 29. Коэффициент корреляции, равный 0,986, близок к единице. Размерность параметров у0, А совпадает с размерностью объема в нм3. Параметр Г имеет размерность температуры, физическая сущность его в данной статье не обсуждается. Величина параметра у0 на порядок превышает величину атомного объема, значение которого для твердых тел согласно [8] близко к 0,01 нм3.
Экспоненциальный рост активационного объема при увеличении температуры свидетельствует о существенном увеличении масштаба кооперативных атомных перемещений, контролирующих единичный деформационный акт. Сопоставление экспоненциального роста активационного объема, представленного на рис. 3 и скачкообразного характера накопления деформации, приведенного на рис. 2, свидетельствуют о росте корреляции элементарных деформационных актов в мезоскопическом масштабе. Элементарным деформационным актом при высокой температуре является формирование полос деформации, представляющих
Рис. 3. Зависимость активационного объема элементарного деформационного акта в алюминии от температуры термомеханического цикла
собой выход на поверхность большого количества дислокаций [4, 9]. Более того, согласно данным работы [2] каждый скачек может быть связан с формированием локализованной полосы шириной около 1 мм, а дислокационный ансамбль, формирующий деформационную полосу, может быть представлен как динамическая система, коллективное поведение которой связано с когерентным скольжением больших групп дислокаций.
Таким образом, формирование деформационной полосы осуществляется выходом на поверхность когерентного дислокационного ансамбля, представляющего собой систему элементарных излучателей, формирующих акустический сигнал аномально большой амплитуды. При увеличении температуры деформации происходит укрупнение полос деформации [9], что коррелирует с анализируемым (рис. 3) увеличением активационного объема. Однако макроскопическая величина деформационного скачка в наших экспериментах свидетельствует, что в этом акте участвует более чем одна деформационная полоса. То есть эффект корреляции в процессе макроскопического скачка должен охватывать систему деформационных полос, а амплитуда акустического сигнала будет выступать в качестве меры корреляции.
Действительно, как показано на рис. 4 квадрат амплитуды акустического сигнала пропорционален скорости деформации на скачкообразном участке. С достаточной точностью (коэффициент корреляции около 0,9) зависимость квадрата амплитуды акустического
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
! ! • ! 4 > !
• ф & lt- > «

• ч Г
^ • к i «
• * / 1^#
• •
• >
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Рис. 4. Зависимость квадрата амплитуды акустического сигнала от скорости деформации на скачкообразном участке
сигнала от скорости деформации может быть аппроксимирована линейной функцией.
Таким образом, экспериментальные результаты свидетельствуют, что при высоких температурах накопление деформации может осуществляться немонотонно и представлять собой разномасштабные (вплоть до макроскопических) деформационные скачки, сопровождаемые акустическими сигналами, амплитуда которых коррелирует со скоростью прироста деформации на немонотонном участке. Существенно, что размер активационного объема экспоненциально растет при увеличении температуры, свидетельствуя тем самым об увеличении масштаба коррелированных атомных смещений, контролирующих элементарный деформационный акт. Из приведенных экспериментальных данных следует, что эффект корреляции может охватывать дислокационный ансамбль в масштабе более, чем одна деформационная полоса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бобров В. С., Лебедкин М. А. Роль динамических процессов при низкотемпературной скачкообразной деформации алюминия // ФТТ. 1993. Т. 35. № 7. С. 1881−1889.
2. Лебедкин М. А., Дунин-Барковский Л. Р. Критическое поведение и механизм корреляции деформационных процессов в условиях неустойчивости пластического течения // ЖЭТФ. 1998. Т. 113. № 5. С. 1816−1829.
3. Плотников В. А., Макаров С. В. Акустическая эмиссия и деформационные процессы в алюминии при высоких температурах // Изв. вузов. Физика. 2005. № 11. С. 33−38.
4. Пуарье Ж. -П. Ползучесть кристаллов. Механизмы деформации металлов, керамики и минералов при высоких температурах. М.: Мир, 1988. 287 с.
5. Малыгин Г. А. Исследование ползучести алюминия и меди дифференциальным методом изменения температуры с постоянной скоростью // ФММ. 1972. Т. 34. № 1. С. 191−199.
6. Нацик В. Д., Чишко К. А. Акустическая эмиссия дислокаций, выходящих на поверхность кристалла // Акустический журнал. 1982. Т. 20. № 3. С. 381−389.
7. Бойко В. С., Кривенко Л. Ф. Исследование пространственного распределения звукового излучения при пересечении поверхности скоплением дислокаций // ЖЭТФ. 1981. Т. 80. № 1. С. 255−261.
8. Слуцкер А. И. Атомный уровень флуктуационного механизма разрушения твердых тел (модельно-компьютерные эксперименты) // ФТТ. 2005. Т. 47. № 5. С. 777−787.
9. РозенбергВ.М. Ползучесть металлов. М.: Металлургия, 1967. 276 с.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Plotnikov V.A., Makarov S.V. Activation volume and acoustic emission at high-temperature deformation of aluminum
At a mechanical stress higher than 0.7 yield point in aluminium monotonous accumulation of deformation at high temperatures is replaced by the macroscopical deformation jumps accompanying with transformation of monotonous acoustic emission in individual acoustic signals and exponential growth activation of volume.
Key words: acoustic emission- high-temperature deformation- activation volume.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой