Для определения критической степени повреждаемости структуры металла (зарождение микротрещин) в процессе циклического нагружения образцы стали 19Г испытывались на усталость. Наряду с кривой усталости была построена линия необратимой повреждаемости (линия Френча; рис. 6) [1, 14]. Для построения этой линии несколько образцов тренируют до различного числа циклов при нескольких напряжениях выше предела усталости с последующим циклическим деформированием при напряжении, равном пределу выносливости. Если образец при перегрузке разрушается на пределе выносливости (до достижения базового числа циклов), значит, он получил необратимое повреждение (светлые точки со стрелкой вниз). Если после перегрузки образец выдержал базовое число циклов как неповрежденный, то он обозначался светлой точкой со стрелкой вверх. Границей необратимо поврежденных образцов и образцов, которые после перегрузки достигают базы испытания, и является линия необратимой повреждаемости [1, 14]. Физический смысл линии Френча заключается в том, что по достижении этой линии при испытаниях на усталость металл содержит в поверхностном слое микроскопические трещины длиной порядка зерна (по экспериментальным данным длина таких трещин в низкоуглеродистых сталях может достигать 100 мкм). Фактически достижение этой линии свидетельствует о том, что в металле завершился 1-й период усталости (период зарождения микротрещин) и последующее нагружение связано уже с периодом распространения усталостных трещин. На рис. 6 показаны кривая усталости (1) и линия необратимой повреждаемости (2) для стали 19Г, построенные по ускоренной методике [16].

рис. 6.  Кривая усталости (1) и линия необратимой повреждаемости (2) образцов из стали 19Г: σ_R — предел выносливости; N1 и N2 — числа циклов тренировки материала; светлые точки со стрелкой вверх — образцы, которые не разрушились на базе 2·10⁶ циклов после перегрузки на предел выносливости; пустые кружочки со стрелкой вниз — образцы, которые разрушились при перегрузке на предел выносливости

На основании полученных кривой усталости и линии необратимой повреждаемости определяли режимы предварительного циклического нагружения (N_i , σ_max) образцов для достижения определенной (заданной) степени деградации структуры металла. Одни образцы нагружались до линии необратимых повреждений, а другие за эту линию (рис. 6). Образцы с разным числом циклов нагружения (разной степенью повреждаемости; N_i1 , N_i2 ) использовались в дальнейшем при проведении статических испытаний на растяжение и деформировании вдавливанием сферического индентора (метод кинетической твердости) с одновременной регистрацией АЭ с целью выявления корреляции изменения структуры и степени повреждаемости с параметрами АЭ. Испытывали образцы в исходном структурном состоянии, а также образцы после 150 тыс. циклов нагружения (N_i1 ) при максимальной нагрузке σ_max = 350 МПа, имеющие структуру металла, соответствующую концу 1-го периода усталости — зарождение микротрещин, и образцы после 500 тыс. циклов (N_i2 ) при σ_max = 350 МПа, имеющие структуру металла в состоянии, близком к пределу выносливости.

Было показано, что характер АЭ образцов в исходном структурном состоянии в районе предела текучести и после локализации деформации (образования шейки) вплоть до разрушения подобен таковому, полученному при испытании образцов после предварительного циклического деформирования. В то же время, уровень АЭ (количество импульсов, энергия, амплитуда) на стадии деформационного упрочнения образца (35 с < τ < 2 мин 40  с), отработавшего 150 тыс. циклов нагружения (рис. 7,а), значительно ниже уровня АЭ образца в исходном структурном состоянии, а при испытании образца, предварительно отработавшего 500 тыс. циклов нагружения на стадии деформационного упрочнения, зарегистрировано лишь небольшое число сигналов АЭ (рис. 7,б), что наиболее наглядно отражается на диаграмме энергетических параметров сигналов АЭ (рис. 8). Видно, что по сравнению с исходным состоянием материала (кр. 1) количество и энергия сигналов АЭ существенно снижаются по мере возрастания числа циклов предварительной циклической деформации образцов (соответственно кр. 2 и 3).

рис. 7.   Диаграммы изменения интенсивности сигналов (1) и суммарного числа импульсов (2) в зависимости от времени деформирования при статическом растяжении образцов из стали 19Г после 150 тыс. (а) и 500 тыс. циклов предварительного нагружения при напряжении 350 МПа (б)

Таким образом, комплексное использование параметров АЭ позволяет наряду с построением линии необратимой циклической повреждаемости определять степень необратимой деградации структуры. Так, из расчета энергии сигналов АЭ следует (рис. 8), что суммарная энергия сигналов исходного состояния (кр. 1) практически на порядок выше суммарной энергии сигналов образца после 150 тыс. циклов нагружения (кр. 2) и фактически тренированного до линии необратимой повреждаемости (см. рис. 3).

рис. 8.  Диаграммы энергетических спектров сигналов АЭ на стадии деформационного упрочнения при статическом растяжении образцов стали 19Г в исходном структурном состоянии (1), а также после 150 тыс. (2) и 500 тыс. циклов предварительного нагружения при напряжении 350 МПа (3)