Исследование механических и акустических свойств деформируемых сплавов

Введение

На уровень безопасности ответственных объектов в атомной энергетике, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и других отраслях промышленности огромное влияние оказывает эффект исчерпания ресурса конструктивных элементов оборудования в процессе эксплуатации конструкционных материалов. Поэтому возникает необходимость предсказания критического состояния материала, контроля его физико-механических свойств до появления нарушений сплошности, а также реального технического состояния ответственных конструктивных элементов с применением методов неразрушающего контроля. К перспективным методам оценки характеристик металлов относят метод ультразвукового контроля состояния материалов [1 – 3], подвергающихся пластическому деформированию. Особенно актуально исследование влияния структурных изменений на акустические параметры задолго до образования макроскопических трещин. Основным фактором, оказывающим заметное влияние на акустические параметры, является изменение микронеоднородности при деформировании материалов, связанное с изменением параметров дислокационной структуры, плотности вакансий, накоплением микропор и микротрещин и т.д. Все эти процессы влияют на скорость распространения ультразвука – параметра, широко используемого в диагностике состояния материалов [4 – 7]. Как было показано ранее [8 – 10], изменение скорости ультразвуковых волн при нагружении имеет немонотонный характер. В работе [8] установлена связь скорости ультразвука и механических свойств на примере высокохромистой стали. Закономерности изменения скорости распространения ультразвука при варьировании состава, структуры и состояния металлов и сплавов обнаружены и детально описаны в работах [11 – 13]. В то же время возникает необходимость исследования температурных зависимостей характеристик ультразвука, включая диапазон пониженных температур, в связи с недостаточным объемом данных в литературе [1 – 7].

В настоящей работе установлены зависимости скорости распространения ультразвуковых волн V и коэффициента затухания α от величины общей деформации до разрушения, предела прочности в широком температурном интервале для аустенитной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

Материалы и методы исследований

Эксперименты выполнены на поликристаллах аустенитной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с размером зерна приблизительно 12,5 мкм. Плоские образцы с размерами рабочей части 40×5×2 мм подвергали одноосному растяжению на испытательной машине Instron-1185 с постоянной скоростью деформации 3,3·10\(^{-4}\) c\(^{-1}\). Температуру испытаний в интервале 180 К ≤ T ≤ 320 К задавали скоростью продувки парами азота из сосуда Дьюара рабочей камеры с деформируемым образцом и контролировали хромель-алюмелевой термопарой, спай которой контактировал с образцом [14]. Исследуемый температурный интервал выбирали с учетом возможности реализации в стали прямого γ → α′ мартенситного превращения [15 – 18].

Одновременно с регистрацией кривых нагружения на экспериментальном стенде измеряли скорость распространения поверхностных волн Рэлея [19]. Импульсы возбуждались пьезоэлектрическим преобразователем на частоте 5 МГц. Ошибка определения скорости не превышала ±3 м/с. Обработку экспериментальных данных выполняли с использованием стандартных методов статистического анализа. Применение стенда позволило существенно дополнить получаемую в процессе механических испытаний информацию о стандартных характеристиках материала, таких как предел текучести, временное сопротивление, коэффициент деформационного упрочнения. Как известно, эти характеристики являются условными, слабо отражают природу процессов, протекающих в твердых телах при деформации, и с трудом связываются с существующими дислокационными механизмами упрочнения [20].

Результаты исследований и их обсуждение

Диаграммы растяжения в условных координатах напряжение (σ) – деформация (ε) образцов стали марки 12Х18Н10Т охватывали области упругих, пластических деформаций и разрушения. Далее диаграммы перестраивали в координатах истинные напряжения (S) – истинные деформации (e) [20] и в зависимости S(е^1/2) с выявлением на них точек перегиба (рис. 1, a), находящихся между пределом текучести и пределом прочности. Эти критические точки указывают на переход от упругопластической к пластически-деструкционной стадии деформирования, которая связана с накоплением микроповреждений в стали. Критической точке D на диаграмме соответствуют напряжение S_D и деформация е_D (рис. 1, б), которые можно принять за критические параметры для обеспечения максимальной работоспособности металла в исследуемом температурном интервале.

На рис. 2, а показаны зависимости деформационно-прочностных характеристик, соответствующих точке D: S_D(е_D) (кривая 1), S_D(Т) (кривая 2) и е_D(Т) (кривая 3). Температурные зависимости деформационно-прочностных характеристик демонстрируют экстремальный характер. Для всех точек D можно рассчитать критический параметр Δ = δ_D/δ_p (где δ_p – упругопластическая составляющая в относительном удлинении до разрыва; δ_D – пластически-деструкционная составляющая в относительном удлинении до разрыва) (рис. 1, б).

На рис. 2, б совмещены диаграмма S(е^1/2) (кривая 1) и данные измерений скорости распространения ультразвука V(е^1/2) (кривая 2) в зависимости от общей деформации и указана точка D, которой соответствует критическое значение скорости ультразвука V_D. Понижение температуры испытаний в процессе растяжения стальных образцов проводит к увеличению плотности дефектов и росту объема мартенситной фазы, и, как следствие, к увеличению локальных внутренних напряжений (напряжений II-го рода). Все это отражается на уменьшении величины скорости ультразвука с ростом общей деформации и действующих напряжений. Достижение значения скорости ультразвука V = V_D при исследуемых температурах указывает на переход от упругопластической к пластически-деструкционной стадии деформирования.

Обработка результатов изменения скорости распространения ультразвука при различной температуре для фиксированных значений общей пластической деформации позволила установить линейный характер зависимости V(T) с коэффициентом корреляции R = 0,97. При понижении температуры испытаний в исследуемом интервале изменение скорости ультразвука достигает 20 % в недеформированном образце и 15 % в деформированном образце (при общей деформации 0,3) по сравнению с величиной скорости ультразвука в недеформированном материале при комнатной температуре.

На рис. 3, а представлены температурные сигмоидальные зависимости коэффициента затухания ультразвука α(Т) (кривая 1), соответствующего точке D, и критического параметра Δ(Т) (кривая 2). Установлено также, что в деформируемых образцах зависимость коэффициента затухания ультразвука от предела прочности α(σ_в) имеет сигмоидальную форму (рис. 3, б), в то время как зависимость скорости ультразвука от предела прочности V(σ_в) является линейной в исследуемом температурном интервале. Определены напряжения, соответствующие максимальной скорости роста обьемной доли мартенситной α′-фазы и спаду скорости ультразвука.

Механические испытания на одноосное растяжение стальных образцов показали, что понижение температуры испытаний приводит к увеличению пределов текучести и прочности на фоне снижения пластичности. Линейный характер зависимости скорости ультразвука от предела прочности V(σ_в), вероятно, обусловлен функциональной связью предела прочности σ_в с упругими свойствами стали. Так как скорость поперечных ультразвуковых волн V  = (G/ρ)^1/2 (где G – модуль сдвига; ρ – плотность), то отличие модулей упругости увеличивающейся фазы мартенсита при γ → α′ мартенситном превращения в процессе пластической деформации [15] от модулей матрицы стали приводит к изменению упругих и акустических характеристик всего сплава.

Таким образом, по значениям скорости распространения ультразвука и коэффициента затухания можно прогнозировать предел прочности и максимальную работоспособность исследуемого металла при низких температурах. При этом предполагается, что выполнение условия е < е_D сигнализирует о том, что текущая деформация соответствует упругопластической составляющей δ_p и Δ → 0. В результате изготовления или эксплуатации детали (изделия) Δ ≠ 0. Это свидетельствует о том, что материал работает уже в пластически-деструкционной стадии.

Выводы

Установлено, что процесс растяжения образцов аустенитной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в температурном интервале 180 К ≤ T ≤ 320 К приводит к существенным изменениям скорости ультразвука. Установлены температурные зависимости скорости ультразвука, коэффициента затухания, пределов текучести и прочности. Определены критические параметры перехода от упругопластической к пластически-деструкционной стадии деформирования. Полученные корреляционные связи между параметрами свидетельствуют о том, что можно построить между ними регрессионные зависимости, которые могут быть использованы для восстановления значений одной характеристики по экспериментально определенной другой. Из всех таких пар зависимостей наиболее интересными для практики представляются взаимосвязи между парами механических и акустических параметров, поскольку измерение последних менее трудоемко, их можно проводить прямо на исследуемом элементе конструкции в процессе эксплуатации, не разрушая его, а для проведения эксперимента не требуется изготовления образцов.