На рис. 1 представлены диаграммы изменения интенсивности сигналов акустической эмиссии и суммарного числа сигналов от времени деформирования, совмещенные с диаграммой напряжение σ — время деформирования при одноосном растяжении образца стали 19Г в исходном структурном состоянии. Изменение параметров АЭ коррелирует с основными стадиями деформации на диаграмме растяжения. В работе [1] предложено процесс пластической деформации до образования шейки в поликристаллических металлических металлах при статическом растяжении рассматривать состоящим из следующих стадий: микротекучесть (макроупругая область), текучесть (деформация Людерса-Чернова) и деформационное упрочнение.

рис. 1.  Диаграммы изменения интенсивности сигналов , суммарного числа импульсов и напряжения σ в зависимости от времени деформирования при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Первый максимум интенсивности АЭ регистрируется в области микротекучести (ниже предела текучести), а второй с наивысшим пиком интенсивности — в районе предела текучести, при этом в спектре сигналов АЭ преобладают высокочастотные компоненты (выше 400 кГц; рис. 2). Как известно, в железе, углеродистых и низколегированных сталях АЭ часто резко возрастает, начиная с напряжений, меньших предела текучести [9−11]. Для отожженного железа этот максимум наступает примерно при напряжении 0,7σ_т [12]. Также известно [1, 12−14], что в макроупругой области у этих материалов наблюдается преимущественное пластическое течение поверхностных слоев металла.

рис. 2.  Распределение спектральной плотности мощности сигналов акустической эмиссии S в зависимости от частоты сигналов ν при деформации в области предела текучести при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Ряд исследований по изучению поведения деформации поверхностных слоев в области микротекучести выполнен с использованием методов рентгеноструктурного анализа. Так, в работах [1, 12, 15] показано, что на зависимостях деформация решетки — приложенное напряжение при определенном напряжении, меньшем макроскопического предела текучести, у углеродистых сталей отмечается резкое изменение деформации кристаллической решетки, которая характеризуется параметром m* (рис. 3) с образованием «зуба» на этой кривой [12]. Если образец разгрузить, то возникает остаточная деформация решетки. В работах [1, 14] высказано предположение, что такое внезапное изменение параметров кристаллической решетки в области микротекучести в поверхностном слое у углеродистых сталей может быть связано с мгновенным прохождением фронта Людерса-Чернова в поверхностных зернах поликристалла. Анализ также показал [1, 14], что движение и размножение дислокаций в этом случае преимущественно происходят в области границ зерен, а эксперименты по стравливанию поверхностного слоя подтвердили, что этот эффект связан с более ранним пластическим деформированием поверхностных слоев металла. В работе [11] показано, что у сталей 20 и 09ГСФ максимум акустической активности приходится на область квазиупругих деформаций и высказано предположение, что он связан с поверхностными эффектами. Более детально вопрос об особенностях микропластической деформации в макроупругой области для углеродистых сталей с учетом поверхностных эффектов рассмотрен в работах [1, 14].

рис. 3.  Изменение параметра m*, характеризующего деформацию кристаллической решетки, с повышением напряжения (σ) в образце стали, содержащей 0,61% C, в области микротекучести (σ_т — предел текучести)

Таким образом, с учетом рассмотренных выше соображений первый пик АЭ на стадии микротекучести можно связать с коллективным движением и размножением дислокаций в области границ зерен преимущественно поверхностного слоя, а также с их выходом на поверхность. Зарождение новых дислокаций в основном происходит на границах зерен и микроконцентраторов напряжений непосредственно на поверхности металла. Авторы работы [9] считают, что единичный импульс АЭ в области микротекучести может произойти при одновременном прорыве примерно 4·10⁵ дислокаций. Пики АЭ при прохождении деформации Людерса-Чернова на площадке текучести связаны с процессами прорыва дислокационной лавины во всем объеме металла на линии фронта текучести. При этом основными факторами являются также процессы выхода дислокаций на поверхность и преимущественное увеличение плотности дислокаций у границ зерен.

Для стадии деформационного упрочнения, наиболее интересной с точки зрения изменения структуры металла, характерна АЭ с преобладанием мощных дискретных импульсов. На этой стадии происходит значительное увеличение плотности дислокаций с выходом дислокационных скоплений на границы зерен и когерентные границы фазовых включений, а также с формированием дислокационной ячеистой структуры с критической плотностью дислокаций и образованием субмикротрещин. И.А. Одинг и Ю.П. Либеров [15] показали, что уже на стадии деформационного упрочнения существует критическое напряжение, при котором на поверхности металлов зарождаются субмикротрещины длиной порядка 1−5 мкм. Для железа это критическое напряжение при комнатной температуре соответствует пластической деформации 7−9%. Выше этого уровня перечисленные процессы сопровождаются процессами АЭ значительной амплитуды и энергии. В распределении спектральной плотности мощности АЭ на стадии деформационного упрочнения (рис. 4) выделяются два максимума: первый — в диапазоне 100−350, второй — в диапазоне 350−800 кГц, при этом спектр простирается до 1 МГц. Высокочастотный максимум спектральной плотности мощности АЭ (350−800 кГц) связан с релаксацией упругой энергии посредством увеличения плотности подвижных дислокаций, а низкочастотный (100−350 кГц) — с релаксацией упругой энергии при выходе дислокационных скоплений на межзеренные или межфазные границы, а также в момент образования микротрещин. Увеличение плотности дислокаций приводит к сокращению длины свободного пробега и плотности подвижных дислокаций (уменьшаются амплитуда и энергия сигналов АЭ), а сокращение активно деформируемого объема обусловливает постепенное снижение уровня АЭ, который достигает своего минимума в момент локализации деформации (образования шейки).

рис. 4.   Распределение спектральной плотности мощности сигналов акустической эмиссии S в зависимости от частоты сигналов ν при деформации на стадии деформационного упрочнения при статическом растяжении образца из стали 19Г в исходном структурном состоянии

Связь между стадийностью процессов пластической деформации (упрочнением металла и его деградации) и характеристиками АЭ была изучена также с использованием метода кинетической твердости [7, 8]. В этом случае деформация производилась на специальном приборе путем вдавливания шарика диаметром 10 мм из твердого сплава с одновременным замером сигналов АЭ^[2]. На рис. 5 представлены диаграммы изменения интенсивности сигналов, суммарного числа импульсов АЭ и нагрузки на инденторе в зависимости от времени при упругопластическом деформировании исходного образца из стали 19Г. При данном методе индентор вдавливается в металл до определенной нагрузки, которая соответствует структурному состоянию материала в конце стадии деформационного упрочнения (в нашем примере максимальная нагрузка составляла 445 кгс). Затем после небольшой выдержки (см. на рис. 5 — площадка на кривой нагрузки Р) нагрузка с индентора снимается. Таким образом, анализировать сигналы АЭ есть смысл только до начала выдержки под максимальной нагрузкой.

рис. 5.  Диаграммы изменения интенсивности сигналов , суммарного числа импульсов АЭ и нагрузки Р на инденторе в зависимости от времени при упругопластическом деформировании образца вдавливанием шарового индентора (образец — сталь 19Г в исходном структурном состоянии)

Эксперимент с деформированием методом кинетической твердости показал, что характеристики АЭ, полученные при вдавливании индентора, хорошо коррелируют с аналогичными характеристиками, полученными при испытании образцов на статическое растяжение (ср. кривые рис. 1 и рис. 5). Как и при статическом растяжении, первый пик сигналов АЭ наблюдается в области микротекучести (достигая интенсивности сигналов ), а вторые пики — по достижении предела текучести ( при нагрузке 155 кгс). Затем следует постепенное снижение интенсивности сигналов АЭ на стадии деформационного упрочнения.

Таким образом, методом кинетической твердости с одновременной регистрацией акустико-эмиссионных параметров можно оценивать кинетику структурных изменений в металлических материалах на различных стадиях деформирования.