Особенности и закономерности акустической эмиссии генерируемой элементарными механизмами деформации в чистых металлах с различной кристаллической решеткой и их связь с эволюцией дефектной структуры вплоть до критического состояния материала

При разработке новых материалов, способов механической обработки или при использовании существующих материалов в новых условиях эксплуатации (режимы нагружения и деформирования), одной из наиболее сложных задач является работа по созданию такой их внутренней структуры, которая позволяла бы материалу наиболее эффективно сопротивляться внешним воздействиям. Для этого необходимо четкое понимание каков относительный вклад или доля определенного механизма деформации и на каком уровне напряжений (степени деформации) он включаются в работу. Это чрезвычайно трудоемкая и дорогостоящая задача, требующая привлечения целого комплекса исследовательских методов. Значительно снизить трудоемкость такой работы позволяет метод акустической эмиссии (АЭ), с помощью которого при деформационных испытаниях существует принципиальная возможность в реальном времени распознавать различные механизмы деформации, даже если они протекают одновременно. Кроме того, АЭ являясь неотьемлимым атрибутом эволюции дислокационной структуры в процессе пластической деформации, может служить независимым индикатором появления критического состояния материала непосредственно перед разрушением. Так как эволюция дислокационной структуры с удивительной гибкостью и очень хорошими возможностями прогнозирования появления пластической неустойчивости описывается феноменологическим подходом Кокса-Мекинга-Эстрина, то метод АЭ может стать связующим звеном между макроскопическими физическими свойствами материала и микроскопической дислокационной кинетикой, которая описывается фундаментальными соотношениями, прошедшими проверку временем и многочисленными экспериментами. В этом смысле постановка проблемы в рамках данной заявки хорошо коррелирует с основной парадигмой физического материаловедения, а именно установлением взаимно однозначного соответствия между свойствами новых функциональных материалов и их дефектной структурой. Как следствие из вышесказанного, постановка проблемы состоит в установлении корреляционных, взаимно однозначных связей между физическими свойствами чистых металлов, параметрами АЭ и критериями появления пластической неустойчивости на основе фундаментальных законов дислокационной кинетики.

Большинство фундаментальных работ в области акустической эмиссии (АЭ) было выполнено в 60-х - 80-х годах прошлого столетия на различных материалах, находящихся в различном состоянии и с помощью различной техники регистрации и записи АЭ, т.е. без какой-то четкой системы выбора объектов исследования и регламентации техники эксперимента. За прошедшие с тех пор несколько десятилетий в связи с бурным развитием вычислительной техники резко возросли возможности регистрирующей аппаратуры, как по производительности, так и по объему сохраняемой информации, что позволило наряду с традиционным энергетическим и временным (корреляционным) анализом применять методы спектрального анализа поступающих АЭ-сигналов. Разработанные нашим коллективом алгоритмы детектирования, фильтрации и кластеризации акустических событий, позволяют идентифицировать отдельные сигналы, относящиеся к определенному источнику, а не осцилляционные выбросы, как было сделано на более ранней аппаратуре. К сожалению, эти новые колоссальные возможности до сих пор нигде в мире не использовались для проведения масштабных фундаментальных исследований связи спектральных параметров акустической эмиссии с элементарными механизмами деформирования и идентификации признаков появления критического состояния в чистых металлах. В связи с этим, основная идея настоящего проекта заключается в проведении идентичных испытаний на широком наборе чистых металлов с разными кристаллическими решетками и электронной структурой, но со сходной в начальном состоянии зеренной структурой, с непрерывной записью широкополосной акустической эмиссии в беспороговом режиме (т.е. без пропусков информации) и синхронной записью диаграммы нагружения с целью установления общих закономерностей влияния типа кристаллической решетки, электронной структуры металлов, величины барьеров Пайерлса и т.п. на энерго-спектральные параметры акустической эмиссии при деформационных процессах. Кроме того, сопоставление результатов акустико-эмиссионного анализа и параметров модели Кокса-Мекинга-Эстрина извлеченных из анализа диаграмм нагружения, с результатами электронной микроскопии и микроструктуры образцов позволит установить взаимно-однозначную связь между физическими свойствами чистых металлов, параметрами АЭ и критерием появления пластической неустойчивости на основе фундаментальных законов дислокационной кинетики. В работе предполагается использовать следующие чистые металлы в виде листового проката: Al, Ni, Cu, Ag (ГЦК); Fe, Nb, Mo, Ta (ОЦК); Ti, Zn, Cd, Mg (ГПУ). Элементы подобраны таким образом, что для каждого типа кристаллической решетки есть металлы, находящиеся как в одном, так и разных периодах Периодической таблицы элементов, а также в одной подгруппе, но разных периодах. Для минимизации влияния на конечные результаты различных факторов будут предприняты следующие меры:

(1) Геометрия образцов будет совершенно идентична, все испытания буду проведены на одном и том же испытательном оборудовании при одинаковых настройках с применением одного и того же широкополосного датчика акустической эмиссии с известной амплитудно-частотной характеристикой.

(2) Перед испытаниями все образцы будут подвергнуты вакуумному отжигу при разных температурах и временах выдержки, подобранных таким образом, чтобы размер зерна для всех металлов оказался максимально близким друг к другу.

(3) Одной из схем испытания будет кинетическое индентирование (вдавливание индентора с записью диаграммы: усилие – глубина внедрения), что позволит проводить хорошо контролируемые идентичные по условиям деформации испытания, а испытания скрайбированием (создание деформации путем латерального смещения вдавленного индентора) позволяет задавать и контролировать не только среднюю скорость деформации, но и длительность испытания.
Важно, что в проекте в полной мере будут использованы разработанные в Тольяттинском государственном университете инновационные методы регистрации и обработки сигналов АЭ, в том числе: беспороговая регистрация АЭ, исключающая пропуск полезной информации; детектирование полезной информации на уровне собственных шумов аппаратуры; разделение зарегистрированных сигналов АЭ на кластеры (разделение источников АЭ по природе происхождения) по спектральным признакам и др. Кроме того, часть испытаний будет проведена на уникальном испытательном стенде, сконструированном в ТГУ, на базе испытательной машины Kammrath & Weiss с одновременной записью широкополосной акустической эмиссии и высокоскоростной видеосъемки поверхности с помощью высокоскоростной камеры Photron, позволяющей записывать кадры со скоростью до 120000 fps. Параллельно будет проводиться электронно-микроскопический анализ микроструктуры, в том числе с применением техники дифракции обратно-отраженных электронов (EBSD-анализ). Комплексное применение указанных методов совместно с трактовкой полученных результатов на основе анализа динамики дислокационного ансамбля с позиций феноменологической модели Кокса-Мекинга-Эстрина будет обладать системным подходом к анализу экспериментальных данных и позволит создать самосогласованный набор результатов с высокой степенью достоверности и проверяемости в последующих экспериментах. Насколько нам известно нигде в мире ничего подобного не делалось, поэтому полученные в результате выполнения проекта результаты, будут совершенно новыми, т.е. превышать существующий мировой уровень, что будет подтверждено публикацией результатов в передовых мировых изданиях в области фундаментальной физики конденсированного состояния.

1.1. Приобретены материалы чистых металлов, изготовлены и подготовлены образцы для исследований. Исследована исходная микроструктура с применение электронной микроскопии и техники EBSD.

1.2. Испытаны образцы на одноосное растяжение с непрерывной записью широкополосной акустической эмиссии, диаграммы нагружения и видеосъемкой рельефа поверхности образца.

1.3. Первично обработаны диаграммы нагружения с акустико-эмиссионной информацией.

1.4. Получена количественная оценка амплитудно-энергетических параметров АЭ (эмиссивность) при растяжении с постоянной скоростью металлов с различными параметрами кристаллической решетки, а также параметры модели Кокса-Мекинга-Эстрина, отвечающие за эволюцию дислокационного ансамбля и его деградацию вблизи критического состояния перед разрушением.

2.1. Проведен развернутый спектральный и кластерный анализ акустико-эмиссионной информации, полученной при испытании образцов на одноосное растяжение.

2.2. Испытаны образцы на кинетическое индентирование и скрайбирование с записью широкополосной акустической эмиссией. Проведена первичная обработка акустико-эмиссионной информации.

2.3. Получены оценки частотно-энергетических параметров АЭ в идентичных условиях испытания при индентировании с контролируемым нагружением (dP/dt = const) и скрайбировании при постоянной средней скорости деформации (dE/dt = const) металлов с различными параметрами кристаллической решетки.

3.1. Проведен детальный спектральный и кластерный анализ акустико-эмиссионной информации, полученной при индентировании и скрайбировании образцов чистых металлов.

3.2. Проведен верификационный анализ и сопоставление данных акустической эмиссии с механическими диаграммами, микроструктурой, параметрами кристаллической решетки, параметрами модели Кокса-Мекинга-Эстрина, отвечающими за эволюцию дислокационного ансамбля и др. физическими характеристиками металлов.

3.3. Разработана система акустико-эмиссионных признаков и параметров (матрица или каталог-атлас) идентификации механизмов деформации чистых металлов вплоть до критического состояния перед разрушением.