ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1075-1079
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.295:539.89
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ ТИТАНЕ ПОСЛЕ БАРОКРИОДЕФОРМИРОВАНИЯ
© 2014 г. Е. В. Черняева*, П. А. Хаймович**, Н. А. Шульгин**
*Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28 **ННЦ "Харьковский физико-технический институт", 61108Харьков, ул. Академическая, 1
e-mail: lena@smel.math.spbu.ru Поступила в редакцию 03.12.2013 г.; в окончательном варианте — 16.04.2014 г.
Проведены измерения механических характеристик и параметров акустической эмиссии при ин-дентировании сплава ВТ1-0, подвергнутого барокриодеформированию при 77 К. Выявлены корреляции акустических параметров с микротвердостью.
Ключевые слова: барокриодеформирование, акустическая эмиссия, спектральный анализ. DOI: 10.7868/S0015323014100040
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей задачей материаловедения является повышение физико-механических свойств металлов и сплавов. Одним из перспективных методов для решения этой задачи является барокриодеформирование путем квазигидроэкстру-дирования при криогенных температурах. Пластическое деформирование материала при этом осуществляется путем продавливания заготовки через матрицу посредством промежуточной твердой среды, пластичной при температуре деформирования [1—3]. Наблюдаемое при этом максимальное диспергирование структуры приводит к улучшению прочностных свойств материала [4—7].
Целью работы являлось выяснение, имеет ли место корреляция механических характеристик, в частности, микротвердости, и параметров акустической эмиссии в случае барокриодеформирова-ния титанового сплава.
Титан и сплавы на его основе являются весьма перспективными материалами, имеющими два основных преимущества по сравнению с другими материалами: высокую удельную прочность (т.е. прочность, отнесенную к плотности) вплоть до температур 450—500°С и отличную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах [8]. Непрерывно расширяются области применения титана и титановых сплавов в химическом машиностроении, авиапромышленности и других отраслях производства. Поэтому разработка новых методов обработки и оценки качества титановых материалов является весьма важной задачей.
1. БАРОКРИОДЕФОРМИРОВАНИЕ
Барокриодеформирование (БКД) — это способ воздействия на материалы, которые подвергают пластическому деформированию при криогенных температурах в условиях всестороннего сжатия. Естественно, условий гидростатического сжатия при этих температурах создать нельзя, так как не существует сред, способных оставаться жидкими под высоким давлением при низких температурах. Но квазигидростатические условия можно обеспечить, применяя либо устройства специальной конструкции, либо твердые среды. Примером применения первых можно назвать эксперименты по сжатию в обойме [9] или кручение под давлением ("наковальня Бриджмена") [10], выполняемые при 77 К.
Настоящие исследования проводили путем БКД — низкотемпературной квазигидроэкстру-зии, отличающейся от традиционной, жидкостной гидроэкструзии тем, что в качестве передающей давление среды использовалось твердое тело, пластичность которого намного выше пластичности деформируемого материала. В качестве такой среды применяли индий.
Осуществление пластического деформирования в условиях всестороннего сжатия при криогенных температурах, что имеет место при БКД, позволяет добиваться рекордных уровней упрочнения сталей, достигать существенного роста прочности высокотемпературных сплавов и получать высокодисперсную термоустойчивую структуру во многих конструкционных материалах [11].
1075
5*
Рис. 1. Схемы БКД (квазигидроэкструдирование при криогенных температурах):
а — частный случай БКД (без противодавления); б — общий случай БКД (с противодавлением).
На рис. 1 приведены две схемы барокриоде-формирования: а — частный случай БКД, пригодный, однако, для большинства применяющихся на практике металлов и сплавов; б — общий случай, когда продавливание заготовки через матрицу осуществляется за счет разницы давлений и в верхнем (рабочем) и нижнем (обеспечивающем противодавление) контейнерах. Схема с противодавлением позволяет избежать нарушения сплошности материала заготовки при прохождении ее через матрицу, даже если этот материал является в обычных условиях низкопластичным или хрупким. Для реализации БКД на серийных прессах [12] рабочие узлы, выполненные по обеим схемам, размещаются в сосудах Дьюара специальной конструкции, заполняемых хладагентом (сжиженным газом).
2. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Метод акустической эмиссии (АЭ) — это метод, основанный на анализе параметров упругих волн АЭ [13], таких как число импульсов, скорость счета, энергия и др. Метод давно и успешно применяется в практике неразрушающего контроля потенциально опасного оборудования [14]. Возможности этого метода могут быть существенно расширены путем дополнения существующих методик спектральным анализом АЭ, осно-
ванном на преобразовании Фурье (или подобных ему преобразованиях). Для анализа спектральных характеристик оказалось удобным использовать кривые спектральной плотности мощности, медианные частоты (частоты, делящие площадь под кривой спектральной плотности пополам) и энергию сигналов [15—17]. Эти параметры весьма чувствительны к структурным изменениям в металлах и могут служить средством изучения деформационных процессов [18, 19]. Кроме того, как было показано в [20], для инициирования АЭ возможно деформировать небольшую область материала путем внедрения индентора.
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Сплав ВТ1-0 подвергали БКД при 77 К (по схеме рис. 1а) до степеней деформации 8 = 9, 21, 34 и 43%. Из полученных экструдатов диаметром 8— 9.5 мм были изготовлены образцы в виде таблет, вырезанных в поперечном направлении, толщиной 0.8—1 мм, и прямоугольных пластинок такой же толщины, вырезанных в диаметральном сечении в продольном направлении. Поверхность всех образцов механически шлифовали до зеркального блеска.
На полученных образцах измеряли микротвердость и исследовали параметры акустической эмиссии.
Общая схема акустико-эмиссионной аппаратуры показана на рис. 2. Инициирование акустической эмиссии (АЭ) осуществляли путем внедрения твердосплавного конического индентора. Из-за малых размеров образцов индентирование проводили непосредственно на датчике АЭ. В качестве силового привода была использована испытательная машина ИМ-4А Предварительная нагрузка Р на индентор составляла 100 Н, максимальная — 1000 Н.
Для регистрации и преобразования АЭ-сигна-лов в электрические применяли датчик MSAE-L2 и усилитель MSAE-FA010 с общим усилением 80 дБ. В ходе экспериментов измеряли дискретную АЭ (АЕ) и среднеквадратическое напряжение АЭ (RMS) на выходе усилителя (рис. 2) и оцифровывали мгновенные значения сигналов АЭ, превышающих заданный порог, для вычисления их спектра. Две платы аналого-цифрового преобразователя производства ЗАО "Руднев-Шиляев", выполнены в конструктиве PCI и устанавливаются внутрь компьютера. Плата "медленного" АЦП (6) марки ЛА-1.5РС1-14 (одноканальный АЦП с мультиплексором на входе) в ходе эксперимента ведет непрерывный сбор медленно меняющихся параметров (RMS) и сохраняет их на диске. Плата "быстрого" АЦП (5) марки ЛА-н20-12РС1 имеет буферную память и работает в "пакетном" режи-
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ ТИТАНЕ
1077
Рис. 2. Общая схема акустико-эмиссионной установки:
Р — нагрузка; 1 — образец; 2 — индентор; 3 — датчик АЭ; 4 — усилитель М8АЕ^А010; 5, 6 — платы АЦП.
ме, с большой скоростью записывая во внутреннюю память фрагмент сигнала (по превышению порога или сигналу от таймера). Затем этот фрагмент (фрейм) записывается в файл на диске.
Все зарегистрированные сигналы по методике [17] разбивали на группы по форме кривой спектральной плотности, и анализировали спектральные портреты (усредненная форма кривой спектральной плотности мощности), медианную частоту и энергию сигналов в каждой группе.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерения микротвердости при комнатной температуре приведены на рис. 3. Как видно, с увеличением степени деформации 8 имеет место устойчивый рост микротвердости во всей исследованной области деформаций, ограниченной только возможностями прессового оборудования. Причем наблюдаемая ощутимая разница в уровне микротвердости для пластин, вырезанных в поперечном и продольном сечениях практически исчезает лишь при наибольшей (43%) степени деформации при БКД. Необходимо отметить, что полученные значения характерны для всего объема экструдата. Многократные измерения показали, что имеет место высокая однородность упрочнения как в поперечном, так и в продольном сечениях получаемого прутка.
Изучение акустической эмиссии при инденти-ровании образцов сплава ВТ1-0 показало, что во всех изученных случаях с ростом степени деформирования 8 наблюдалось ослабление АЭ: общее количество зарегистрированных сигналов и их энергия уменьшались (рис. 4а, 4б).
АЭ была практически однородной, т.е. состояла из сигналов только одного вида. Спектральные портреты (кривые спектральной плотности мощности) для продольных и поперечных образцов были похожими (рис. 5), однако в поперечных образцах для всех степеней деформации низкочастотные пики были ниже, чем в продольных. С увеличением степени деформации наблюдалось перераспределение энергии в спектрах в сторону высоких частот (снижение высоты низкочастотных пиков и увеличение высоты высокочастотных). Это хорошо видно из графиков зависимости медианных частот (рис. 4в) от степени деформации 8. Характер изменения медианных частот для всех образцов одинаков, хотя сами частоты и
5, %
Рис. 3. Микротвердость сплава ВТ1-0 после БКД при 77 К:
1 — измерения на пластинах, вырезанных в поперечном сечении; 2 — в продольном сечении; Тизм — комнатная.
<
<ч о ч
св Я
1-1
и
о
250
230
210
(а)
190
и ¡^
и
ч о
а
170 |-
150
2500
2000
и
1-С
р
о Я
т
я
1-ч
м
оТ н о н о
а
^ «
а
я я
а
и
д
1500 |-
1000
500 |-
0 160
150 |-140 130 120
10 20 30 40 50 5, %
70
110
150 190 230 Частота,
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.