Связь аэ с дефектами кристаллической решетки

Вопрос 30. Связь аэ с дефектами кристаллической решетки.

В идеальной решетке атомы расположены в узлах и совершают тепловые колебания, создающие «белый» (не зависящий от частоты) акустический шум. Энергия этого шума в еди­ничном интервале частотного диапазона при комнатной температуре равна Дж/Гц.

Точечные дефекты кристаллической решетки — атомы внедрения и вакансии (лишний атом или отсугствие атома в узле решетки). Они могут возникнуть под действием тепловых колебаний. С ними связана дополнительная потенциальная анергия. Искажения перемещаются по решетке. Если атом внедрения встречает­ся с вакансией, дефект решетки аннигилирует, выделял энергию порядка Дж в виде упругого импульса. Сигналы такого уровня обычно не регистрируются.

Рис. 1

Более крупный линейный дефект кристаллической решетки — дислокация (от позднелат. dislocatio — смешение, перемещение). Это линейное несовершенство кристаллической решетки, которое в двух измерениях имеет размеры порядка атомных, а в третьем гораздо больший. Когда между атомными плоскостями «вставлена» дополнительная неполная плоскость, край ее называют краевой дислокацией. Ее энергия порядка  Дж. Она ослабляет прочность кристалла на 2 … 3 порядка, т.к. участки с разным количеством плоскостей сдвигаются относительно друг друга при значительно меньших напряжениях, чем на других участках, где атомы расположены регулярно в узлах решетки. Это смещение представляют как движение дислокации по кристаллу. Если два участка кристалла с лишними кристаллическими полуплоскостями встретятся, образуется полная плоскость. Дислокация аннигилирует. Существуют другие типы дислокаций, например винтообразные. Дислокации накапливаются у препятствий —других нарушений кристаллической решетки. Преодоление препятст­вий происходит путем совместного движения группы дислокаций и вызывает более интенсивные упругие сигналы.

Плоским дефектом кристаллической решетки является двойникование — по­ворот узлов одной части кристалла в положение, симметричное другой его части. Возникновение таких дефектов связано с изменением энергии на значение поряд­ка  Дж.

Форма импульсов АЭ, возникающих в результате перестройки структуры, зависит от природы процесса и материала изделия. Рассмотренный выше процесс снятия локальных напряжений пу­тем разрушения вызывает импульс с крутым фронтом, как большин­ство импульсов на рис. 1, а. Процесс восстановления первона­чального состояния называют релаксацией. Первоначальное состо­яние — ненагруженное. Разрыв связей соответствует возвращению к ненагруженному состоянию. Он происходит быстро, за время по­рядка с.

Спад импульса соответствует восстановлению внутренних на­пряжений (иногда они не восстанавливаются или восстанавлива­ются не полностью). Здесь первоначальное состояние — напряжен­ное, и под релаксацией понимают возвращение к напряженному со­стоянию. Оно происходит медленнее, чем разрыв, может сопровож­даться быстрозатухающими колебаниями, как показано для пер­вого импульса на рис. 1, а. Импульсы рассматриваемого типа называют релаксационными. Они характерны для процессов возник­новения и движения дислокаций и их групп, возникновения и развития трещин.

Рекомендуемые материалы

Третий из показанных на рис. 1, а импульсов соответствует процессу акселерационного типа. Когда дислокации противополож­ного знака сближаются и аннигилируют или дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает, их энергия преобразуется в упругую. Процессы сближения или выхода на поверхность дисло­каций происходят с ускорением, отсюда название импульса это­го типа. Энергия процесса аннигиляции дислокаций порядка Дж, длительность импульса — с, ширина спект­ра — сотни мегагерц. Другие дислокационные источники имеют большую длительность и энергию (до Дж).

Точечный удаленный от поверхности источник АЭ излучает сфе­рические продольную и поперечную волны. Затухание волн в ме­талле вызывает наиболее сильное ослабление высокочастотной со­ставляющей сигнала, так как коэффициент затухания быстро воз­растает с частотой. При падении на поверхности ОК волны отра­жаются и трансформируются. В результате появляются поверх­ностные волны, амплитуда которых уменьшается с расстоянием значительно медленнее, чем сферических волн, поэтому поверхност­ные волны преимущественно регистрируются приемником. Все это приводит к значительному искажению первоначального сигнала АЭ в зоне приема.

В результате прохождения импульсов через приемный преоб­разователь и усилительный тракт с ограниченной полосой пропус­кания происходит дальнейшее искажение импульсов. Они приобре­тают характер колебаний, длительность их увеличивается, быстро следующие друг за другом импульсы сливаются в один (рис. 1, б).

Эмиссию называют дискретной, когда длительность регистри­руемых импульсов меньше интервала между ними. В противном случае говорят о непрерывной АЭ. Появление импульсов АЭ в значительном объеме материала — процесс во времени статисти­ческий, поэтому можно говорить лишь о средней длительности им­пульсов и интервалов между ними. Кроме того, дискретность или непрерывность зависит от разрешающей способности регистрирую­щей аппаратуры.

Основные параметры АЭ (ГОСТ 27655—88)—это число импульсов за время наблюдения  и активность , равная количеству импульсов за некоторый интервал времени наблюдения (обычно 0,1 или 1 с). Фактически регистрируют не все импульсы АЭ, а лишь превышающие определенный порог  (рис. 1, б). Тогда параметры эмиссии обозначают: суммарный счет  и ско­рость счета.

Для характеристики процесса АЭ важно не только количество импульсов, но также их амплитуда. Параметром, учитывающим обе величины, является эффективное значение АЭ , пропорциональ­ное произведению активности (или скорости счета) АЭ на среднее значение амплитуды сигналов АЭ за единицу времени. Ее обычно выражают в вольтах (точнее — в микровольтах).

Акустическую эмиссию при деформации материалов вначале рассмотрим на примере механических испытаний гладких об­разцов. Каждому типу диаграммы напряжение — деформация (), получаемой при испытании на растяжение различных ма­териалов, соответствует своеобразное изменение процесса АЭ (рис. 2). Из кривых видно, что даже в области упругости (от 0 до ) наблюдается АЭ. Она возникает от того, что материал неоднороден, нагружен неравномерно и в отдельных областях происходит плас­тическая деформация, хотя в целом процесс упругий.

Как видно из кривых рис. 2, а—в, АЭ резко возрастает при переходе к пластической деформации ( не пропорционально ) в большом объеме образца. Эта деформация связана с массовым образованием и перемещением дефектов кристаллической решетки. Происходит образование, движение дислокаций и их групп, двоиникование. Все эти процессы связаны.с появлением сигналов АЭ. Пластическая деформация объема мм³ вызывает импульсы АЭ с энергией порядка Дж и шириной спектра порядка 0,5 МГц.

Рис.2

Максимум эффективного значения и активности АЭ достигается вблизи предела текучести . Это напряжение соответствует усло­вию, что пластическая деформация составляет 0,2% от длины об­разца. Затем значения и  уменьшаются из-за того, что движение вновь образующихся дислокаций ограничивается уже существу­ющими (дислокации не могут пересекаться). В результате сигналы АЭ с достаточной для регистрации амплитудой появляются все реже.

Дополнительные максимумы АЭ для некоторых материалов (см. рис. 2, а) наблюдаются в конце площадки текучести или вбли­зи максимума напряжения . Они связаны с разрушением цементитовых пластинок в стали (см. рис. 2, а, кривая 2) и двойникованием (см. рис. 2, в). Перед разрушением образца обычно на­блюдают импульсы большой амплитуды.

Важный параметр АЭ при пластической деформации — ампли­тудное распределение. Металлы с решеткой типа гранецентрированный куб (алюминий, -железо) имеют небольшую среднюю энер­гию импульса (меньше Дж), сигналы большой амплитуды в них наблюдают редко. Для них характерна деформация скольже­нием. Металлы с решеткой типа объемно центрированный куб (в том числе -железо) имеют несколько большее среднее значение энергии импульсов. Деформация металлов с гексагональной плот­но упакованной решеткой (например, цинка, титана) вызывает им­пульсы АЭ с амплитудой в тысячи раз большей (порядка  Дж), так как они деформируются двойникованисм.

Отмечают следующие факторы, повышающие амплитуду сигналов АЭ: высокая прочность, анизотропия, неоднородность, крупнозернистость (литая структура), большая общая толщина мате­риала, большая скорость деформации, низкая температура, нали­чие надрезов.

В образцах с дефектами, как искусственными (надре­зами), так и естественными трещинами, происходит концентрация напряжений вблизи острого края дефекта. В этом месте образует­ся локальная зона пластической деформации, объем которой про­порционален коэффициенту интенсивности напряжений  — вели­чине, характеризующей сложное напряженное состояние. Напри­мер, для тонкой пластины с трещиной длиной , От этой зоны появляются импульсы АЭ, число которых также связано с . Когда локальное напряжение превосходит предел прочности, про­исходит микроразрыв — скачкообразное увеличение дефекта; он проходит через эту зону, в результате чего также появляются сиг­налы АЭ. При дальнейшем нагружении процесс повторяется. Та­ким образом, число импульсов  АЭ должно расти с ростом  . Связь эту определяет формула

,                                                                                           (1)

где акт зависят от материала и условий испытаний, причем т может меняться от 1 до 20.

Лекция "46 Критерий Коши" также может быть Вам полезна.

Рис.3

Эмиссия при многократном нагружении. При повторном нагружении АЭ резко уменьшается и вновь начинает регистрироваться после достижения максимальной нагрузки первого цикла. Это яв­ление называют эффектом Кайзера. Он особенно хорошо прояв­ляется на гладких образцах и хуже — на образцах с надрезом. По­следнее свидетельствует о накоплении повреждений при повторных нагрузках.

На рис. 3 показан рост числа N импульсов АЭ в зависимо­сти от числа циклов нагружения п при малоцикловых испытаниях образца с надрезом. Участок АВ соответствует первому циклу, сум­марный счет импульсов здесь быстро растет. В окрестностях точки В рост замедляется в 10... 100 раз, а на участке ВС суммар­ный счет остается практически постоянным. В этом проявляется эффект Кайзера. В процессе циклических нагрузок происходит мед­ленное накопление повреждений в металле образца, после этого эффект Кайзера перестает действовать и перед моментом появле­ния видимой трещины происходит ускоренный рост N (участок CD) и далее медленное увеличение N с ростом трещины (DE). При достижении ею определенного раз­мера происходит разрушение, со­провождающееся ростом N (EF).

Изображение на рис. 3 не­сколько условно. В действитель­ности трещина растет скачками и соответственно линия имеет ряд ступеней, которые на рисунке сглажены.

Для неметаллических матери­алов существуют особенности в поведении АЭ. Для стеклопласти­ков, например, установлен эф­фект послезвучания, т. е. при неизменной нагрузке и при разгрузке АЭ продолжается. Отсутствует эффект Кайзера: при повторном нагружении каждый раз возника­ют сигналы АЭ, активность которой несколько уменьшается при повторных циклах.