УДК 620.179.16
ОСОБЕННОСТИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ЗАРОЖДЕНИИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ В СВАРНОМ СОЕДИНЕНИИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ А1—Си—Мп
В.Р. Скальский, И.М. Лясота
Рассмотрены особенности генерирования акустической эмиссии при зарождении усталостного разрушения в различных зонах сварного соединения термически упрочненного алюминиевого сплава марки 2219-Т6, выполненного электронно-лучевой сваркой. Металлографически установлено, что сварное соединение сплава структурно и механически неоднородное, а это главным образом влияет на кинетику зарождения и развития в нем усталостных трещин и излучения при этом акустической эмиссии. Показано, что площадь образованного дефекта пропорциональна сумме амплитуд зарегистрированных сигналов, переход от зарождения до стабильного распространения разрушения сопровождается резким увеличением акустико-эмиссионной активности.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, сварные соединения, акустическая эмиссия, микроструктура, усталостная трещина.
Высокопрочные алюминиевые сплавы (АС) благодаря комплексу физико-механических, коррозионных и технологических свойств успешно используют практически во всех областях науки и техники, в том числе и в авиакосмическом строительстве. Ответственные алюминиевые элементы летательных аппаратов (топливные баки ракет, элементы модуля кабины корабля и т. д.) соединяют с помощью электронно-лучевой сварки, поскольку эта технология обеспечивает высокое качество толстостенных сварных соединений (СС). При длительной эксплуатации под воздействием различных факторов, в том числе и переменной нагрузки, в элементах конструкций с АС и их СС часто зарождаются микро- и макроразрушения. Из статистических исследований установлено, что развитие усталостных трещин является самой распространенной причиной разрушения космических летательных аппаратов [1], что стимулирует совершенствование методик их диагностирования. Благодаря высокой точности и возможности контроля развития дефекта в реальном времени эффективно распространение разрушения обнаруживает метод акустической эмиссии (АЭ) [1—14, 20]. Однако для определения усталостной прочности сварных соединений АС его применяли мало. Поэтому для качественной АЭ-диагностики состояния алюминиевых элементов конструкций важно знать активность и особенности сигналов АЭ при зарождении и развитии в материале процессов усталостного разрушения.
Целью работы является исследование особенностей генерирования АЭ во время распространения усталостных трещин в различных зонах СС сплава системы А1—Си—Мп, выполненных электронно-лучевой сваркой.
Обзоры литературных источников, посвященных АЭ-диагностированию усталостного разрушения металлических сплавов, опубликованы в [2, 3]. Одним из первых такие исследования проводил Д.А. Гарис со своими коллегами еще в 1974 г. [4]. Суть экспериментов заключалась в наблюдении за генерированием АЭ во время распространения усталостных трещин в алюминиевом сплаве марки 7075-Т6 (система легирования А1—2п—Mg). Ими установлено соотношение между подрастанием трещины, коэффициентом интенсивности напряжений и параметрами сигналов АЭ. Показано, что метод позволяет выявить зарождение трещины уже при скоростях ее распро-
Валентин Романович Скальский, доктор техн. наук, профессор, заведующий отделом акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций Физико-механического института им. Г.В. Карпенко НАН Украины. Тел. 38(032) 263-12-64. E-mail: skal@imp.lviv.ua Игорь Николаевич Лясота, младший научный сотрудник отдела акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций Физико-механического института им. Г.В. Карпенко НАН Украины. Тел. 380995223740. E-mail: lyasota_igor@yahoo.com
странения меньше 10-6 м/цикл, а суммарный счет АЭ тесно связан с энергией, выделяющейся во время распространения трещины за один цикл нагрузки. Аналогичные результаты получены также авторами [5], которые исследовали АЭ при усталостном разрушении стальных компактных образцов. Здесь АЭ регистрировали при достижении максимальной нагрузки цикла, воспринимая только те сигналы, которые были сгенерированы подрастанием трещины, а не трением ее берегов.
В [6, 7] с помощью локации источников АЭ исследована кинетика распространения коротких и длинных усталостных трещин в стальных сварных швах [6] и алюминиевом сплаве марки ЬУ12С2 системы легирования А1—Си—Mg—Мп [7]. По полученным данным построили кинетические диаграммы усталостного разрушения для различных значений асимметрии цикла в диапазоне Я = 0,1—0,7. Установлено, что при одинаковых значениях нагрузки скорость роста короткой трещины значительно выше скорости роста длинной. Также показаны типичные волновые отображения сигналов АЭ и их спектральные распределения, полученные при распространении трещин обоих типов. По форме сигналы весьма похожи, однако амплитуды от тех, что генерированы распространением длинных трещин, были более чем в два раза выше.
Авторами [1] изучены особенности АЭ, излучаемой при усталостном разрушении пластин размером 750*300*2 мм из авиационного алюминиевого сплава. АЭ регистрировали четырьмя резонансными преобразователями с рабочей частотой 150 кГц. Зависимости изменения суммарного счета АЭ от количества циклов нагружения показали, что переход от зарождения к стабильному распространению усталостной трещины сопровождается резким увеличением АЭ-активности.
Похожие исследования проводили авторы [8], наблюдая за особенностями АЭ при усталостном разрушении компактных образцов из алюминиевого сплава марки 7075. Для оценки распространения разрушения применяли критерий ЯА, равный отношению времени нарастания переднего фронта сигнала АЭ к его амплитуде. Установлено, что параметр ЯА резко возрастает при переходе к закритической стадии развития трещины, а это около 1000 циклов до полного разрушения образца. Изменение коэффициента ЯА во времени хорошо коррелирует с кривой подрастания трещины.
В [9] описаны особенности АЭ при усталостном разрушении алюминиевого сплава марки 6082-Т6 (система легирования А1—Mg—81). Как и в предыдущих исследованиях, во избежание отражения упругих волн АЭ от поверхностей тела использовали габаритные образцы размерами 1200*1000* *3 мм. Частота нагружения составляла всего 1 Гц, что позволило эффективно регистрировать сигналы АЭ от каждого скачкообразного подрастания трещины. По экспериментальным данным построена конечно-элементная 3Б-модель генерирования упругих волн АЭ во время распространения усталостной трещины.
Исследуя кинетику поведения АЭ при распространении усталостной трещины в сплаве тсо1оу 901, авторами [10] установлено, что зависимость изменения суммарного счета АЭ от количества циклов нагружения содержит три стадии развития разрушения: зарождения, стабильного распространения и закритическую стадию (долом образца). При переходе к каждому следующему этапу происходит резкий скачок активности АЭ. Похожую картину в предыдущих исследованиях наблюдали авторы [11] при циклической нагрузке растяжением цилиндрических образцов из сплава иШше1. Построенная ими зависимость изменения суммарного счета АЭ от количества циклов нагружения имеет ступенчатый характер. Авторы утверждают, что периодическое резкое повышение АЭ-активности свидетельствует о скачкообразном подрастании макротрещины, а между ними во время так называе-
мого "инкубационного" периода (образование пластической зоны у вершины трещины) генерируются сигналы АЭ малых амплитуд.
Известные исследования посвящены идентификации источников АЭ при усталости алюминиевого сплава [12—14]. С помощью спектральных характеристик сигналов АЭ и фрактографических исследований установлено, что основным источником генерирования АЭ является разрушение хрупких ин-терметаллидных включений, расположенных у вершины трещины [12]. Эти сигналы АЭ составляют 80 % от всех зарегистрированных, а их амплитуда и интенсивность зависят от формы, размера и пространственного размещения включений [13].
Таким образом, из анализа литературных источников видим, что проблема исследования влияния структурной и механической неоднородности толстостенных СС из алюминиевого сплава на генерирование акустической эмиссии при распространении в них усталостных трещин изучена недостаточно.
Особенности микроструктуры СС сплава 2219-Т6. Для эффективной АЭ-диагностики усталостного разрушения важно знать особенности микроструктуры основного металла и характерных участков СС. Для этого использовали сканирующий электронный микроскоп ЕУО-40ХУР. При проведении химического поэлементного анализа напряжение ускорения пучка электронов составляло 20 кэВ.
Термически упрочненный алюминиевый сплав 2219-Т6 (известный как сплав марки 1201-Т6) относится к системе легирования А1—Си—Мп. Химический состав сплава приведен в табл. 1. При комнатной температуре его ми-
Таблица 1
Химический состав сплава 2219-Т6 (%) [15]
А1 Си Мп гг Т1 V Бе Mg гп Другие примеси
не более
Основа 5,8—6,8 0,2—0,4 0,1—0,25 0,02—0,1 0,05—0,15 0,2 0,3 0,02 0,1 0,15
кроструктура состоит из зерен, тело которых составляет а-твердьш раствор меди и марганца в алюминии и вторичных фаз 0 (А12Си) и Т (А112Мп2Си), равномерно распределенных по зерну в виде мелких игольчатых включений, а также вдоль их границ в форме крупных хлопьев (рис. 1).
Для АС этой марки характерен значительный распад а-твердого раствора во время сварки, поэтому в зоне термического влияния (ЗТВ) уже при температуре 673 К и выше происходят структурные преобразования, приводящие к сильному рекристаллизационному росту зерен и коагуляции упроч-
б
А1
Элемент Вес. % Ат. %
А1К 94,04 97,36
МпК 0,22 0,11
СиК 5,73 2,52
Сумма 100
4
МпМп
6
Си
Си
8
10
Е, кэВ
0 2
200 мкм
Рис. 1. Микроструктура (а) и ЕББ-спектр распределения элементов (б) в основном металле
сплава 2219-Т6.
6 Дефектоскопия, № 2, 2014
а
няющих фаз на их границах (рис. 2а), что приводит к снижению твердости металла [16]. За счет высокой скорости охлаждения металла при электроннолучевой сварке шов имеет мелкодисперсную структуру (рис. 26), микротвердость которой почти вдвое ниже твердости основного металла и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.