Источники и механизмы акустической эмиссии

Источниками акустических сигналов при деформации металлов являются процессы аннигиляции дислокации, выход дислокаций на свободную поверхность, работа дислокационных источников, образование или захлопывание микроскопических скоплений дислокаций, отрыв дислокаций от примесных атмосфер и прорыв препятствий, торможение быстродвижущихся дислокации, формирование полосы скольжения, зернограничное скольжение. Первенствующее значение в формировании акустических сигналов большой интенсивности имеют механизмы переходного излучения (выход дислокаций на поверхность, аннигиляция дислокаций, образование скоплений дислокаций), связанные с резким изменением скорости процесса.

Так, рассмотрение закономерностей формирования импульсов АЭ и их спектральное разложение позволили утверждать, что формирование волнового пакета АЭ определяется испусканием упругих волн, сопутствующих ускоренному или замедленному движению дислокаций. Для возникновения эффекта АЭ необходимо высвобождение энергии; так, прорыв скопления дислокаций вызывает освобождение упругой энергии их взаимодействия и излучение упругих волн.

Оценка энергии, выделяющейся при действии того или иного источника АЭ, дала следующие результаты: для движения единичной дислокации 10^?23 Дж, для аннигиляции дислокаций у свободной поверхности 4· 10^?18 Дж, для однородного движения группы дислокаций N· 10^?23 Дж, для отрыва дислокаций от стопора N· 10^?19 Дж. Причем значение 10^?23 Дж значительно меньше той величины (10^?16 Дж), которая требуется для фиксации АЭ с учетом возможностей современной аппаратуры, т. е. можно говорить об АЭ только при кооперативном движении дислокации. Комплексное исследование акустических гармоник и внутреннего трения, проведенное на титане и б-латуни, показало, что генерирование акустических гармоник есть результат крупномасштабного движения дислокаций под действием колебаний большой амплитуды и согласуется с упрощенной моделью работы источников Франка-Рида.

Помимо дислокационных источников, источниками АЭ при деформации чистого железа, низкоуглеродистой стали AISI 1019 и сталей AISI 1020, 1045 и ASTM А533 В могут быть перемещения стенок магнитных доменов. Установлена корреляция между магнитомеханическими эффектами и закономерностями выделения АЭ. Косвенным подтверждением этого явилось обнаружение возврата акустико-эмиссионных свойств после термообработки.

АЭ разделяют на два вида: непрерывную и дискретную. Непрерывная эмиссия характеризуется малой амплитудой и большой частотой следования сигналов, а дискретная — большой амплитудой и малой частотой следования сигналов. Так как продолжительность импульсов непрерывной АЭ мала (< 4 мкс), АЭ можно обязать с размножением подвижных дислокации, например, путем активизации источников Франка-Рида (оценка времени срабатывания дает величину < 10^?8 с). Дискретная, или взрывная эмиссия предполагает наличие прерывистости пластического течения (эффект Портевена-Ле-Шателье), скачкообразный рост трещины и т. п. При этом предполагается, что если границы зерен действуют как источники дислокаций, то это должно вызывать сигналы дискретного типа.

Исследование АЭ в процессе прерывистой деформации б-латуни позволило установить два типа сигналов АЭ. Первый тип всплесков среднеквадратичного значения амплитуды АЭ был характерен для начальной стадии прерывистого течения, а второй — для деформаций от 3 до 8%. На основании рассмотрения формы изменения сигналов АЭ и теоретичеcких предположений относительно закономерностей прерывистого течения показано, что на ранних стадиях деформации источниками АЭ являются процессы размножения и отрыва дислокаций от примесей, а на более поздних — только процессы размножения.

Высокий уровень АЭ наблюдали при деформировании в-латуни. Исследования показали, что основными источниками АЭ являются: множественное скольжение и двойникование (при значительных степенях деформации). Высокая интенсивность АЭ связывалась с разупорядочением структуры испытуемого материала.

Для определения истинного частотного спектра АЭ измерили передаточную функцию пьезопреобразователя и образца из низкоуглеродистой стали ХС10. Установлено, что максимум в спектре АЭ, соответствующей концу площадки текучести и началу стадии упрочнения, приходится на частоту 2,8 МГц и отражает процесс, связанный с активацией дислокационных источников Франка-Рида.

Очень часто акустическая эмиссия имеет место и при разгрузке. На образцах из магниевого сплава установили наличие непрерывной АЭ при нагружении и разгружении. Дискретная АЭ обычно уменьшалась с увеличением максимального напряжения цикла, что согласовывалось с данными, полученными при рассмотрении эмпирической модели эффекта Баушингера. Оказалось, что большему значению эмиссии разгрузки отвечает большая деформация Баушингера. Поскольку эффект Баушингера связан с действием обратного напряжения от скоплении дислокаций у границ зерен или других препятствий, АЭ, обусловленная разгрузкой, возникает из-за обратного пластического течения, связанного с обратным движением скоплений.

Относительно низкое значение эмиссии разгрузки для алюминия и его сплавов объясняется тем, что в этих сплавах из-за низкой энергии дефектов упаковки относительно легко протекает поперечное скольжение, в результате чего в первоначальных системах скольжения после приложения нагрузки возникает малое количество дислокационных конфигураций и, следовательно, малое количество их способно двигаться в обратном направлении и обеспечивать обратную пластическую деформацию.

Изучение максимума АЭ, связанной с эффектом Баушингера при испытании поликристаллического алюминия чистотой 99,9% позволило установить, что максимум АЭ связан с аннигиляцией значительной части дислокаций в результате действия обратных напряжений. Приводятся данные исследования АЭ при растяжении гладких образцов из алюминиевого сплава 7075-Т6.

Для записи АЭ использовали датчики с частотой 100?150 кГц. Совмещенные кривые зависимостей напряжения у и скорости счета суммарной АЭ N от деформации е для алюминиевого сплава даны на рис. 1.

Рисунок 1 — Зависимости скорости счета АЭ N и напряжения у от деформации е при растяжении образцов из алюминиевого сплава 7075-Т6.

Математическое выражение, отвечающее огибающей для зависимостей типа, по форме совпадает с известной формулой Гилмана, предложенной для описания плотности подвижных дислокаций в зависимости от величины пластической деформации .

Подобные закономерности получены еще для восьми типов алюминиевых сплавов. Указанное совпадение позволяет предположить, что N коррелирует с изменением дислокационной плотности в процессе деформации.

Данные полуколичественного анализа энергии спектра АЭ, проведенного при растяжении монокристаллов алюминия, позволили вычислить скорость движения дислокаций в процессе скольжения и среднюю величину пробега дислокации, согласующиеся с данными электронно-микроскопических исследований.

Эксперименты, проведенные на алюминиевых сплавах 2024, 5086, 6061, также показали, что источниками АЭ при наличии площадки текучести являются размножение и увеличение плотности подвижных дислокации, а на стадии прерывистого течения — отрыв дислокаций от точек закрепления в областях с высокой концентрацией напряжений.

Параллельные исследования механической деформации методами АЭ и затухания ультразвука проводили на алюминиевых сплавах (1100Н, 6061-Т6, 2024;ТЗ, 7075-Т651). Установили, что при растяжении образцов из всех четырех алюминиевых сплавов АЭ приходится в основном на область, предшествующую микротекучести. Наблюдали, что затухание ультразвука практически одинаково на стадии деформирования до начала текучести, а затем затухание в одних случаях увеличивается, в других уменьшается. Результаты работы показали, что для исследованных сплавов механизмы деформации, вызывающие АЭ и изменение затухания ультразвука, различны.

В широком интервале частот (100 кГц? 4 МГц) исследовали мощность и спектр АЭ при растяжении цилиндрических образцов из алюминиевых сплавов 1100, 2024 и 5056 и чистого алюминия. Образцы имели переменную длину рабочей части. Скорость деформации изменяли в интервале 0,01· 10^?2? 1,11· 10^?2 с^?1. Мощность АЭ оказалась прямо пропорциональной скорости пластической деформации, умноженной на длину рабочей части образца, а нормализованный спектр мощности АЭ при данной степени деформации практически не менялся со скоростью деформации. Обнаруженная в сплаве 5056 микроскопическая негомогенность деформации коррелировала со всплесками сигналов АЭ, частота появления которых уменьшалась, а амплитуда увеличивалась при увеличении скорости деформации.

На основе данных об источниках АЭ в алюминиевых сплавах можно назвать два основных вида источников: в результате пластической деформации (размножение дислокаций, отрыв дислокационных сегментов от точек закрепления) и в результате разрушения интерметаллидов, распределенных в матрице.

Изучали АЭ при изменении коэффициентов параболического деформационного упрочнения при нагружении цилиндрических образцов бескислородной меди. На кривой напряжение — деформация в параболических координатах установлено наличие трех участков с последовательно возрастающей интенсивностью деформационного упрочнения. В зоне перехода от одного участка к другому наблюдалось четкое увеличение АЭ. Наблюдаемая закономерность в выделении сигналов АЭ при переходе от одного участка параболического деформационного упрочнения к другому отражает различный вклад в АЭ процессов пластической деформации и разрушения.

Следует заметить, что с помощью АЭ удалось подтвердить барьерный эффект поверхности для движения дислокаций. На латуни и алюминии проведены опыты на растяжение с постоянной скоростью возрастания нагрузки. АЭ наблюдали при нагружении, разгрузке и повторном нагруженин. Перед повторным нагруженном часть образцов подвергали электрополировке для удаления поверхностного слоя толщиной ~ 0,2 мм. После удаления поверхностного слоя АЭ восстанавливалась, таким образом подтверждена роль поверхностного слоя как барьера для движения дислокации, что приводит к увеличению плотности дислокаций у поверхности при пластической деформации. Удаление поверхностного слоя ведет к возврату механических свойств и АЭ.