Курсовая работа: Акустическая эмиссия при катодном наводороживании малоуглеродистых сталей и титановых сплавов

6. Источники акустической эмиссии в металлах.

На современном этапе развития АЭ исследований можно вы­делить следующие основные источники АЭ, действующие на разных структурных уровнях в металлах:

1.                Механизмы, ответственные за пластическое деформирование:

процессы, связанные с движением дислокаций (консерва­тивное скольжение и аннигиляция дислокаций, размножение дислокаций по механизму Франка-Рида; отрыв дислокацион­ных петель от точек закрепления и др.);

зернограничное скольжение;

двойникование.

2.       Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и фазовыми переходами первого и второго рода:

превращения полиморфного типа, в том числе мартенситные;

образование частиц второй фазы при распаде пересыщен­ных твердых растворов;

фазовые переходы в магнетиках и сверхпроводниках;

магнитомеханические эффекты из-за смещения  границ и

Таб.1.1. Параметры сигналов АЭ для некоторых источников

Вид источника АЭ	Амплитуда или энергия импульса АЭ, Па или Дж	Длительность сигнала, мкс	Ширина спектра сигнала, МГц
Дислокационный источник Франка-Рида	(10-8- 10-7)G	5- 5*104	1
Аннигиляция дислокации длиной 10-8- 10-6м	4*(10-18- 10-16)	5*10-5	102
Образование микротрещины	10-12- 10-10	10-3- 10-2	50
Исчезновение двойника размером 10-9м3	10-3- 10-2	104	-
Пластическая деформация объема материала с характерным размером 10-4м	10-4	103	0,5
Энергия тепловых шумов в единичн. полосе частот	4,2*10-21Дж/Гц	-	до 10
Примечание: G- модуль сдвига

переориентации магнитных доменов при изменении величины внешнего намагничивающего поля.

3. Механизмы, связанные с разрушением:

образование и накопление микроповреждений;

образование и развитие трещин;

коррозионное разрушение, включая коррозионное растрес­кивание.

В таблице 1.1, приве­дены сведения, дающие представление о характеристиках не­которых из этих источников АЭ. Дополнительно, приведены данные об уровне акустических шумов, обусловленных тепло­вым движением атомов.

В поликристаллических материалах появление непрерыв­ной АЭ обычно связывают с пластической деформацией от­дельных зерен поликристалла. В поликристаллической струк­туре из-за неравномерного распределения напряжений пласти­ческая деформация отдельных кристаллов возникает при ма­лой общей деформации, когда металл с феноменологической точки зрения находится в области упругости. Поэтому по сиг­налам АЭ можно судить о появлении неоднородностей и микро­дефектов на начальной стадии деформирования и разрушения материалов.

Практическое использование явления АЭ основано на реги­страции упругой энергии, выделяемой в самом материале кон­тролируемого объекта. Зарождение, перемещение и рост дефек­тов сопровождаются изменением микроструктуры и напряжен­но-деформированного состояния материала. При этом происхо­дит перераспределение упругой энергии, что приводит к излу­чению АЭ-сигналов. Дискретная АЭ возникает при развитии дефектов. Поэтому с ее помощью можно выявить развивающи­еся и поэтому потенциально опасные, с точки зрения катастро­фического разрушения конструкций, дефекты. Этим метод АЭ выгодно отличается от традиционных методов ультразвукового контроля. В связи с этим большая часть экспериментальных и теоретических работ в области АЭ посвящена изучению взаи­мосвязи характеристик АЭ-сигналов с параметрами напряжен­ного состояния и разрушения материалов. Многими авторами предприняты попытки определения функциональных или кор­реляционных связей между параметрами трещин и регистри­руемыми при этом сигналами АЭ.

Не останавливаясь подробно на предпосылках, позволяю­щих получить такие зависимости (в ряде случаев их определя­ют по результатам обработки экспериментальных данных), в табл. 1.2 приведем некоторые из них.

Из представленных зависимостей, по мнению большинства исследователей, наиболее надежно установленной и устойчивой является степенная связь между общим счетом импульсов АЭ и коэффициентом интенсивности напряжений в вершине расту­щей трещины. Величину показателя степени m многие авторы связывают с размерами зоны пластической деформации в вер­шине развивающейся трещины. Однако, если придерживаться этой точки зрения, то значение параметра m должно равнять­ся четырем. Эксперименты дают более широкий диапазон из­менения этого параметра. Установлено, что показа­тель степени m является функцией безразмерного комплекса К2Ic\Еn, включающего вязкость разрушения КIc, модуль Юн­га Е и поверхностную энергию n) материала. В зависимости от величины комплекса параметр m для различных материалов может меняться в интервале от 4 до 10,5 , что хорошо согла­суется с экспериментально наблюдаемыми значениями этого показателя.

Следует отметить также работу [19], в которой приведе­ны результаты тщательных экспериментальных исследований и показано, что сумма пиковых значений амплитуд импульсов АЭ связана линейной зависимостью с площадью трещины, при хрупком разрушении стали 38ХНЗМФА.

7. Практическая часть.

Рис. 1. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см2; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB.

Рис. 2. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см2; 1- дискриминация 10 dB, 2- дискриминация 12 dB.

Рис. 3. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании титанового сплава ВТ1-0, плотность катодного тока 10 мА/см2 ; 1- дискриминация 16 dB, 2- дискриминация 20 dB.

Рис. 4. Зависимость скорости счета от времени наводороживания стали 20; 1,2 – закаленные образцы, 3,4 – отожженные образцы;при уровне дискриминации 8dB.

Рис. 5. Зависимость скорости счета от времени наводороживания; структура образца соответствует отпуску 2000С, плотность катодного тока 2 мА/см2, дискриминация 10 dB.

Рис. 6. Поведение скорости счета АЭ при наводороживании закаленного образца, плотность катодного тока 10 мА/см2; 1- дискриминация 6 dB, 2- дискриминация 8 dB, 3- дискриминация 10 dB, 4- дискриминация 12 dB.

Рис. 7. Скорость счета акустической эмиссии отожженного образца при разных концентрациях H2SO4; 1- 0,5н H2SO4, 2- 0,1н H2SO4, 3- 0,01н H2SO4; плотность катодного тока 10 мА/см2, дискриминация 8 dB.

Рис. 8. Зависимость скорости счета от времени наводороживания отожженного образца 1 и увеличенные в 10 раз значения на стеклянном датчике 2; плотность катодного тока 10 мА/см2, дискриминация 8 dB.

 

Заключение:

1.                В ходе исследований было обнаружено, что зависимость скорости счета от времени наводороживания для всех исследуемых металлов имела три основные области: стадия роста, стадия насыщения (область максимального значения АЭ) и стадия снижения величины АЭ. В сталях область максимального значения АЭ наступала позже, чем в титане, а спад скорости счета происходил гораздо медленнее. Насыщение в титане происходило за 2 часа, а в сталях за 1,5-3 часа, причем с увеличением содержания углерода в стали стадия насыщения наступала быстрее. В титане падение скорости счета  было более быстрым, чем в сталях.

2.                Исследованы кинетические зависимости скорости счета акустической эмиссии в электролитах при разных концентрациях серной кислоты. Установлено, что АЭ возрастает при повышении концентрации H2SO4.

3.                Чем выше плотность катодного тока, тем больше значения АЭ.

4.                В данной работе проводилось  наводороживание закаленных и отожженных образцов. По зависимостям можно сделать вывод, что закаленные образцы быстрее наводороживаются, чем отожженные, а также значения АЭ у  закаленных образцов больше, чем у отожженных образцов.

5.                Рассмотрены основные факторы, влияющие на значения АЭ : выделение пузырьков (газообразный водород) на поверхности катода и их «схлопывание»;  накопление водорода в порах кристаллической решетки; сегрегация водорода у дислокаций, скоплений вакансий; образование трещин по границам зерен из-за большой концентрации водорода; коррозионное разрушение образца; образование и раскрытие коллекторов заполненных водородом; перемещение дислокаций под действием неоднородных внутренних напряжений, вызванных водородом.

6.  “Схлопывание пузырьков не значительно влияет на значения АЭ.

Выводы:

1)                Механизм возникновения и изменения АЭ в ходе электролитического наводороживания тесно связан с накоплением и перераспределением водорода в образце.

2)    АЭ зависит от плотности катодного тока, концентрации серной кислоты, площади поверхности образца опущенного в электролит.

3)    Коррозия образца, выделяющиеся пузырьки на поверхности образца и их схлопывание вносят несущественный вклад в общую величину АЭ.

4)    Наибольшая интенсивность акустических сигналов наблюдалась в диапазоне частот 200-500 кГц.

5)    Изменение АЭ в процессе наводороживания можно будет связать со степенью диффузии и окклюзии водорода в материале.

Литература:

1) Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедений/

Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин и др./  «Машиностроение-1» 2002 г.

2) Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. / Изд-во Ленинградского университета, 1975 г.

3) Баранов В. М., Кудрявцев Е. М., Сарычев Г. А., Щавелин В. М. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998 – 256 с.

4) Иванов В. И., Белов В. М. Акустико-эмиссионный контроль сварных соединении. М.: Машиностроение, 1981. 184с.

5) Алексеев И. Г., Кудря А. В., Штремель М. А. Параметры акустической эмиссии, несущие информацию об одиночной хрупкой трещине.

6) Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике/В. И. Артюхов, К. Б. Вакар, В. И. Макаров и др./ Под ред. К. В. Вакара. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.

7) Филоненко С. Ф. Акустическая эмиссия. Киев. 1999. 304 с.

8) Хруцкий О. В., Юрас С. Ф. Акустико-эмиссионный метод диагностирования судовых энергетических установок. Учебное пособие. Ленинград. 1985. 47 с.

9) [85] Патон Б. Е. Об основных направлениях работ в области акустической эмиссии. Акустическая эмиссия материалов и конструкции// 1-ая Всесоюзная конференция. Ч. 1. Ростов-на-Дону. Издательство Ростовского университета. 1989. 192 с.