Акустико-эмиссионные особенности распространения усталостной трещины в титановом сплаве Вт6 после лазерной ударной проковки

  • Авторы: Изюмова А.Ю1,2, Вшивков А.Н1,2, Мубассарова В.А1,2, Пантелеев И.А1,2, Угольников М.В1,2, Ильиных А.В1,2, Плехов О.А1,2
  • Учреждения:
    1. Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
    2. 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
  • Выпуск: № 5 (2024)
  • Страницы: 27–38
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4430
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.5.03
  • Цитировать

Аннотация


Исследование посвящено установлению характерных особенностей сигналов акустической эмиссии (АЭ) при развитии усталостной трещины в поле остаточных напряжений, предварительно созданном лазерной ударной (ЛУ) обработкой. Этот метод заключается в формировании поля остаточных напряжений путем высокомощного короткоимпульсного лазерного воздействия и генерации в материале упруго-пластической волны. В результате такого воздействия структура материала в поверхностном слое претерпевает изменения, которые влияют не только на возможности зарождения и развития усталостной трещины, но и характеристики АЭ в процессе циклического деформирования. В ходе работы серия образцов из титанового сплава ВТ6 подвергалась ЛУ воздействию в зоне концентратора напряжений с целью замедления зарождения и развития усталостной трещины. Далее обработанные образцы испытывались в условиях циклического деформирования для демонстрации эффективности выбранного режима ЛУ упрочнения. На исследуемых образцах в процессе испытаний регистрировались длина трещины методом падения электрического потенциала и сигналы АЭ. На основе полученных экспериментальных данных был проведен кластерный анализ сигналов АЭ, в результате которого было показано, что сигналы АЭ явно разделяются на два кластера, что может свидетельствовать о наличии двух доминирующих источников, качественно отражающих два преобладающих механизма разрушения. Было показано, что на образцах после ЛУ обработки величина кумулятивной энергии сигналов АЭ в каждом из кластеров значительно выше по сравнению с базовыми образцами до момента начала активного роста усталостной трещины. Таким образом, в результате ЛУ обработки наблюдаются значительные изменения в эволюции сигналов АЭ в процессе циклического деформирования образцов из титанового сплава Вт6 с боковым полукруглым надрезом. Это косвенно свидетельствует о том, что ЛУ обработка оказывает влияние на структурные характеристики материала, создавая поле остаточных напряжений и продлевая усталостный ресурс образцов.

Полный текст

Метод акустической эмиссии (АЭ) широко используется как в качестве одного из методов неразрушающего контроля состояния ответственных деталей и конструкций, так и в качестве метода для исследования процессов, сопровождающих рост и развитие поврежденности материалов [1-4]. Усталостные трещины являются наиболее распространенной причиной отказа деталей, работающих при циклическом нагружении. Существует ряд способов поверхностной обработки материалов, которые улучшают прочностные свойства, повышают усталостную и коррозионную стойкость, к ним можно отнести лазерную обработку [5, 6], ионно-вакуумное азотирование [7, 8], дробеструйную обработку [9], ультразвуковую прокатку [10] и др. Одним из современных способов упрочнения материалов является метод лазерной ударной (ЛУ) обработки [11-13], который создает в поверхностном слое материала на глубину до 1 мм поле остаточных напряжений. Происходит перераспределение опасных напряжений из концентраторов в области с меньшим риском развития трещины. Метод ЛУ обработки заключается в том, что на поверхность материала воздействуют высокомощным короткоимпульсным лазером, длительность импульса составляет порядка 10 нс, энергия в импульсе от 1 до 9 Дж в зависимости от необходимого уровня остаточных напряжений. В результате такого воздействия на поверхности материала образуется плазма, которая, расширяясь, генерирует упруго-пластическую волну. Следствием её распространение в материале является появление поля наведенных остаточных напряжений. При эффективной ЛУ обработке полученное поле остаточных напряжений противодействует зарождению и развитию усталостной трещины, а также повышает коррозионную стойкость материала. Такой способ обработки является оптимальным для упрочнения деталей сложной геометрии и малых размеров, а также при предъявлении высоких требований к шероховатости поверхности и отсутствия объемного нагрева материала во избежание фазовых переходов. Ряд исследователей [14-19] отмечают, что после ЛУ обработки структура в тонком поверхностном слое становится более дефектной – повышается плотность дислокаций [17], структурных двойников [18], происходит измельчение и поворот зерен [19], что является дополнительными источниками генерации сигналов АЭ. Мониторинг состояния такого материала методами неразрушающего контроля, в частности методом АЭ, приобретает актуальность, поскольку для оценки остаточного ресурса детали после ЛУ обработки необходимо понимать не только особенности сигналов АЭ, регистрируемых в обработанном материале, но и связывать их со степенью развития поврежденности и, на дальнейших этапах, усталостной трещины. Таким образом, целью данной работы является определение характерных особенностей сигнала АЭ в процессе циклического деформирования плоского образца с концентратором напряжений из титанового сплава Вт6 после его ЛУ упрочнения. На первом этапе работы серия образцов подвергается ЛУ воздействию в зоне концентратора напряжений с целью замедления зарождения и развития усталостной трещины. Далее обработанные образцы испытываются в условиях циклического деформирования, демонстрируется эффективность режима ЛУ упрочнения. На трех образцах: одном базовом (без ЛУ обработки) и двух после ЛУ обработки, в процессе циклического деформирования регистрируются длина трещины методом падения электрического потенциала и сигналы АЭ. На основе полученных экспериментальных данных проводится кластерный анализ сигналов АЭ, определяется эволюция их кумулятивной энергии в каждом из выявленных кластеров в процессе испытания и проводится сравнительный анализ характеристик АЭ в базовом и обработанных образцах.

Об авторах

А. Ю Изюмова

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

А. Н Вшивков

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

В. А Мубассарова

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

И. А Пантелеев

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

М. В Угольников

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

А. В Ильиных

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

О. А Плехов

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия; 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Список литературы

  1. Spivak L. V., Shchepina N.E. Fiziko-khimicheskie osnovy protsessov mikro- i nanotekhnologii [Physicochemical foundations of micro- and nanotechnology processes]. Perm', 2018, pt. 1., 202 p.
  2. Butjagin P. Ju. Himicheskaja fizika tverdogo tela [Chemical physics of solids]. Moskva, Izd-vo Mosk. un-ta (MGU), 2006, 269 p
  3. Gorshkov V.S. Fizicheskaja himija silikatov i drugih tugoplavkih soedinenij [Physical chemistry of silicates and other refractory compounds], [Ucheb. dlja vuzov po spec. "Him. tehnologija tugoplavkih nemetal. i silikat. materialov"]. Moskva, Vyssh. shkola, 1988, 399 p
  4. Anciferov V.N., Gilev V.G. O roli ob#emnyh i massovyh jeffektov reakcij v processah reakcionnogo spekanija [On the role of volume and mass effects of reactions in reaction sintering processes]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgija i funkc. Pokrytija, 2015, no. 4, pp. 9–20 doi: 10.17073/1997-308X-2015-4-9-2
  5. Qilong Wu, Weimin Long, Lei Zhang, Hongwei Zhao. A review on ceramic coatings prepared by laser cladding technology. Optics Laser Technology, 2024, vol. 176, 110993. doi: 10.1016/j.optlastec.2024.11099
  6. Zigui Luo, Qi Jin, Rui Wang, Zhenjia Yang, Zhaoyang Wu, Guangqiang Li. Xi’an Fan High-performance FeSiAl/(Al 2 O3 -Ni) soft magnetic composites prepared by in situ synthesis method. Advanced Powder Technology, 2024, vol. 35, no. 10, 104624. doi: 10.1016/j.apt.2024.10462
  7. Shishkovskij I.V., Jadroitcev I.A., Smurov I.Ju. Sozdanie obemnyh izdelij iz nikelida titana metodom poslojnogo lazernogo plavlenija [Creation of volumetric products from titanium nickelide by the method of layer-by-layer laser melting]. Pis'ma v ZhTF, 2013, vol. 39, iss. 24, pp.15-2
  8. Fomin V.M. i dr. In-situ sintez v processe prjamogo lazernogo vyrashhivanija funkcional'nogo gradientnogo materiala na osnove polikristallicheskogo bora i splava Ti64 [In-situ synthesis in the process of direct laser growth of a functional gradient material based on polycrystalline boron and Ti64 alloy]. Fizicheskaja mezomehanika, 2022, vol. 25, no. 4, pp.34-43. doi: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_3
  9. Tretyakov Yu. D. Tverdofaznye reaktsii [Solid phase reactions]. M.: Khimiya Publ., 1978, 360 p
  10. Mehrer H. Diffusion in Solids. Springer Series in Solid-State Sciences, 2007, vol. 155, 654 p. doi: 10.1007/978-3-540-71488-
  11. Braun. M. Reakcii tverdyh tel [Reactions of Solids]. M. : Mir, 1983, 359 p
  12. Rozovskij A. Ja. Kinetika topohimicheskih reakcij [Kinetics of topochemical reactions]. M.: Himija, 1976, 219 p
  13. Del'mon B. Kinetika geterogennyh reakcij [Kinetics of heterogeneous reactions]. Per. s franc, 1972, 556 p
  14. Tretyakov Yu.D. Solid phase reactions. Soros Educational Journal, 1999, no. 4, pp. 35-3
  15. Wyazovkin S., Wight C.A. Isothermal and non-isothermal kinetics of thermally stimulated reactions of solid. International Reviews in Physical Chemistry, 1998, vol. 17, no. 3, 407- 43
  16. Vyazovkin S., Wight C.A. Isothermal and Nonisothermal Reaction Kinetics in Solid: In Search of Ways toward Consensus. J. Phys. Chem. A, 1997, vol. 101, pp. 8279–8284. doi: 10.1021/jp971889
  17. Roduit B. Computational aspects of kinetic analysis. Part E: The ICTAC Kinetics Project-numerical techniques and kinetics of solid state processes. Thermochim. Acta, 2000, vol. 355, p. 171–180. doi: 10.1016/S0040-6031(00)00447-
  18. Khawam A., Flanagan D.R. Solid-state kinetic models: Basics and mathematical fundamentals. J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, pp. 17315–17328. doi: 10.1021/jp062746a
  19. Khawam A., Flanagan D.R. Basics and Applications of Solid-State Kinetics: A Pharmaceutical Perspective. J. Pharm. Sci., 2006, vol. 95, pp. 472–498. doi: 10.1002/jps.20559 5-
  20. Prigozhin I., Kondepudi D. Sovremennaja termodinamika. Ot teplovyh dvigatelej do dissipativnyh struktur [Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures], 2002, 464 p.
  21. Yannis Vasilopoulos, Eliška Skoˇrepová, Miroslav Šoóš. COMF: Comprehensive Model-Fitting Method for Simulating Isothermal and Single-Step Solid-State Reactions. Crystals, 2020, vol. 10, pp. 139. doi: 10.3390/cryst1002013
  22. Capart R., Khezami L., Burnham A.K. Assessment of various kinetic models for the pyrolysis of a microgranular cellulose. Thermochim. Acta, 2004, vol. 417, pp. 79–89. doi: 10.1016/j.tca.2004.01.02
  23. Zhou D., Grant D.J.W. Model dependence of the activation energy derived from nonisothermal kinetic data. J. Phys. Chem. A, 2004, vol. 108, pp. 4239–4246. doi: 10.1021/jp037917
  24. Vyazovkin S., Chrissafis K., Di Lorenzo M.L., Koga N., Pijolat M., Roduit B., Sbirrazzuoli N., Suñol J.J. ICTAC Kinetics Committee recommendations for collecting experimental thermal analysis data for kinetic computations. Thermochim. Acta, 2014, vol. 590, pp. 1–23. doi: 10.1016/j.tca.2014.05.03
  25. Dickinson C.F., Heal G.R. A review of the ICTAC Kinetics Project, 2000: Part 1. Isothermal results. Thermochim. Acta, 2009, vol. 494, pp. 1–14. doi: 10.1016/j.tca.2009.05.003
  26. Urbanovici E., Segal E. General kinetic equation for solid state reactions. Journal of thermal analysis and Calorimetry, 1999, vol. 55, pp. 919-924
  27. Frank-Kameneckij D.A. Osnovy makrokinetiki. Diffuzija i teploperedacha v himicheskoj kinetike [Fundamentals of Macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Dolgoprudnyj: Intellekt, 2008, 408 p.
  28. Rogachev A.S., Mukasjan A.S. Gorenie dlja sinteza materialov: vvedenie v strukturnuju makrokinetiku [Combustion for the synthesis of materials: introduction to structural macrokinetics]. Moskva, 2013, 400 p
  29. Materialoobrazujushhie vysokojekzotermicheskie processy: metallotermija i gorenie sistem termitnogo tipa [Material-forming highly exothermic processes: metallothermy and combustion of thermite-type systems]. Alymov M.I., Juhvid V.I., Levinskij Ju.V. – red. Moskva, 2021, 376 p
  30. A. M. Stolin and P. M. Bazhin. SHS Extrusion: An Overview. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2014, vol. 23, no. 2, pp. 65–73. doi: 10.3103/S106138621402011
  31. A.P. Aldushin, A.G. Merzhanov, B.I. Khaikin. Some features of combustion of condensed systems with high melting-point reaction products. Dokl. Akad. Nauk SSSR, vol. 204, pp. 1139-1142
  32. A.P. Aldushin [i dr.] Propagation of the front of an exothermic reaction in condensed mixtures with the interaction of the components through a layer of high-melting product. Comb. Explos. Shock Waves, vol. 8 , pp. 202-212
  33. Semiohin I.A., Strakhov B.V. and Osipov A.I. Kinetics of Chemical Reactions. M, Publishing house of Moscow State University, 1995, 351 p
  34. Knjazeva A.G., Sorokova S.N. Modelirovanie formirovanija fazovoj struktury pokrytija v processe jelektronno–luchevoj obrabotki s ispol'zovaniem sinteza v tverdoj faze. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologij. [Simulation of coating phase structure formation in solid phase synthesis assisted by electron-beam treatment. Theoretical Foundations of Chemical Engineering], 2008, vol. 42, no. 4, pp. 457– 465
  35. Sorokova S.N., Knjazeva A.G. Matematicheskoe modelirovanie ob’emnyh izmenenij v processe spekanija poroshkov sistemy T-Al. Fizicheskaja mezomehanika [Mathematical modeling of volumetric changes in the process of sintering powders of the T-Al system. Physical mesomechanics], 2008, vol. 11, no. 6. pp. 95-101
  36. Knjazeva A.G. Two-Level Models of Composite Synthesis: History and Potential. Combustion Explosion and Shock Waves, 2024, vol. 60, no. 1, pp.48-62. doi: 10.15372/FGV2023.933
  37. Knyazeva A.G., Anisimova M.A. Two-level model of composite synthesis on a substrate from a powder mixture of TiO2 and Al. 1. Model description and simple examples. Nanoscience and Technology: An International Journal, 2023, vol. 14, no. 3, p. 73-102. doi: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.202304704
  38. Knjazeva A.G. Termomehanicheskaja svjazannaja model' sinteza pokrytija na podlozhke [Thermomechanical coupled model of coating synthesis on a substrate]. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Mehanika, 2024, no. 1, pp. 58–74. doi: 10.15593/perm.mech/2024.1.0
  39. Fan R., Liu B., Zhang J., Bi J., Y. Yin. Kinetic evaluation of combustion synthesis 3TiO2 + 7Al → 3TiAl + 2Al2O3 using non-isothermal DSC method. Materials Chemistry and Physics, 15 May 2005, vol. 91, iss. 1, p. 140-145. doi: 10.1016/j.matchemphys.2004.11.00
  40. Zhu H. G., Min J., Ai Y. L., Wu Q. Reaction Mechanism of an Al-TiO2 System. Advanced Materials Research, 2010, vol. 97–101, p. 1624–1627. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.97-101.16

Статистика

Просмотры

Аннотация - 6

PDF (Russian) - 6

Cited-By


PlumX


© Изюмова А.Ю., Вшивков А.Н., Мубассарова В.А., Пантелеев И.А., Угольников М.В., Ильиных А.В., Плехов О.А., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах