close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Мониторинг и подавление механической неустойчивости алюминиевых сплавов в коррозионной среде

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ДЕНИСОВ Андрей Александрович
МОНИТОРИНГ И ПОДАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ
НЕУСТОЙЧИВОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЕ
05.17.03 – «Технология электрохимических процессов
и защита от коррозии»
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тамбов − 2017
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет
имени Г.Р. Державина»
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук, профессор
Шибков Александр Анатольевич
Официальные оппоненты: Столяров Владимир Владимирович,
доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник ФГБУН «Институт
машиноведения им. А.А. Благонравова»
РАН (г. Москва).
Чуканов Александр Николаевич,
доктор технических наук, профессор
кафедры технологии и сервиса ФГБОУ ВО
«Тульского государственного
педагогического университета им. Л.Н. Толстого»
(г. Тула).
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный
университет» (г. Ижевск).
Защита состоится 27 марта 2018 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.06 в ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1,
конференц-зал АРТЕСН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Тамбовский
государственный технический университет» и на официальном сайте университета www.tstu.ru.
Автореферат разослан «25» декабря 2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Зарапина Ирина Вячеславовна
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Многие алюминиевые авиационные сплавы проявляют механическую нестабильность, которая выражается в явлении прерывистого течения, известного как
эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ). Этот эффект связан со спонтанным формированием
локальных областей высокоскоростной интенсивной пластической деформации, или так называемых полос макролокализованной деформации, которые ухудшают формуемость сплавов, ускоряют коррозию и могут вызвать внезапное разрушение как при металлообработке,
так и в условиях эксплуатации. Вместе с тем, одним из важнейших факторов, влияющих на
долговечность и живучесть авиационных алюминиевых сплавов, является коррозия под напряжением. До настоящего времени исследования взаимосвязи коррозии и пластической деформации проводились, в основном, посредством оценки влияния интенсивной пластической
деформации на скорость коррозии и выяснения связи коррозии с деградацией механических
свойств. Недавние исследования, выполненные на ряде алюминиевых сплавов, показали, что
коррозионное воздействие способствует локализации пластической деформации и снижает
сопротивление разрушению, а питтинги на поверхности сплава служат концентраторами напряжения, ускоряющими разрушение и уменьшающими остаточную прочность; при этом
подчеркивается важность и актуальность проблемы исследования синергизма коррозионного
и механического воздействия.
Систематические исследования взаимосвязи коррозии под напряжением и эффекта
ПЛШ до настоящего времени не проводились. Особенно эта проблема актуальна для высокотехнологичных алюминиевых сплавов систем Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Cu-Mg,
используемых в авиакосмической отрасли и автопроме. Она включает, по крайней мере, следующие составляющие задачи: 1) исследование влияния предварительного коррозионного
воздействия на полосообразование, т.е. на процесс формирования полос макролокализованной деформации, эффект ПЛШ и разрушение; 2) изучение влияния полос деформации на
скорость последующей коррозии; 3) оценка скорости коррозии в условиях совместного действия коррозионной среды и механического нагружения; 4) исследование влияния агрессивной среды на развитие пластических неустойчивостей ПЛШ.
Цель диссертационной работы: исследование влияния коррозионной среды на развитие макроскопической пластической неустойчивости, локализацию деформации и разрушение алюминиевых сплавов, демонстрирующих эффект Портевена-Ле Шателье, обнаружение
и исследование механизмов нестационарного электрохимического отклика на прерывистую
деформацию и полосообразование, а также разработка метода подавления деформационных
полос, снижающих коррозионную стойкость высокотехнологичных алюминиевых сплавов.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
− разработать методический подход для исследования влияния агрессивной среды на развитие полос локализованной деформации и прерывистую деформацию алюминиевых сплавов;
− разработать механизм макроразрушения алюминиевого сплава, деформируемого в агрессивной среде в условиях проявления эффекта ПЛШ;
− исследовать механизм развития макроскопической деформационной неустойчивости, вызванной локальным действием агрессивной среды;
− выявить и исследовать нестационарный электрохимический отклик на полосообразование и
прерывистую деформацию ПЛШ;
− исследовать влияние электрического тока на эффект ПЛШ в агрессивной среде;
3
− разработать научные основы технологии ранней диагностики и подавления повреждений алюминиевых сплавов, демонстрирующих эффект ПЛШ, в условиях действия агрессивной среды.
Научная новизна результатов, изложенных в диссертации:
1. С помощью высокоскоростного оптического мониторинга установлено, что поверхностное
коррозионное пятно, вызванное локальным воздействием раствора гидроксида натрия на поверхность промышленного алюминий-магниевого сплава АМг6, является аттрактором полос
локализованной пластической деформации, динамика которых приводит к преждевременному развитию магистральной трещины.
2. Процесс травления поверхности сплава АМг6 30%-м раствором соляной кислоты провоцирует развитие макроскопической дислокационной лавины, вызывающей развитие скачка деформации амплитудой в несколько процентов.
3. Прерывистая деформация алюминий-магниевого сплава, деформируемого в 3%-м водном
растворе электролита, сопровождается скачками электродного потенциала поверхности образца амплитудой до ~ 10 мВ. Скачки потенциала возникают одновременно (в пределах ~ 0.3
мс) со скачками механического напряжения и связаны, как предполагается, с разрушением
оксидной пленки, вызванным выходом на поверхность образца полос локализованной пластической деформации.
4. Экспериментально обнаружен эффект подавления электрическим током полосообразования сплава АМг6, деформируемого в дистиллированной и морской воде, а также в 3 % -м
растворе NaCl.
Научная ценность работы
Результаты работы позволили выявить информационное содержание скачкообразной составляющей временной зависимости электродного потенциала деформируемого алюминиевого сплава, состоящее в том, что единичный скачок электродного потенциала обусловлен
выходом на поверхность полосы локализованной пластической деформации, а статистика
скачков электродного потенциала содержит информацию о процессах самоорганизации деформационных полос в условиях проявления эффекта ПЛШ. Кроме того, научная ценность
полученных результатов состоит в экспериментально установленной связи между коррозией под
напряжением и локализацией деформации в полосах в промышленных алюминиевых сплавах
системы Al-Mg-Mn, а также в обнаружении и исследовании нового явления – подавления
электрическим током деформационных полос.
Практическая значимость работы
1. Предложен способ подавления деформационных полос, снижающих коррозионную стойкость высокотехнологичных алюминиевых сплавов АМг5, АМг6, 1420, В95пч.
2. Разработан метод мониторинга и автоматического подавления полосообразования и прерывистой деформации, в котором скачок электродного потенциала, генерируемый полосой
деформации, используется в системе обратной связи для запуска генератора прямоугольного
импульса тока, подавляющего контролируемое количество последующих деформационных
полос и скачков напряжения.
3. Полученные результаты создают научную основу для разработки технологии непрерывного мониторинга, ранней диагностики и подавления пластических неустойчивостей высокотехнологичных коррозионностойких промышленных алюминиевых сплавов, демонстрирую4
щих полосообразование и прерывистую деформацию ПЛШ, которые эксплуатируются в агрессивных средах.
Положения, выносимые на защиту
1. Наличие корреляций между коррозионным поражением на поверхности алюминиймагниевого сплава и максимумом статистического распределения полос локализованной пластической деформации и позицией старта магистральной трещины.
2. Предложенный механизм развития макроскопической механической неустойчивости,
спровоцированный локальным воздействием агрессивной среды на поверхность алюминиевого сплава.
3. Дискретный электрохимический отклик на эффект ПЛШ в алюминиевом сплаве АМг6, деформируемом в 3%-м водном растворе NaCl.
4. Эффект подавления электрическим током полосообразования и прерывистой деформации в
сплавах систем Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg и Al-Zn-Cu-Mg.
5. Механизмы эффекта подавления прерывистой деформации электрическим током в алюминиевых сплавах.
6. Метод мониторинга и подавления полос локализованной пластической деформации, снижающих коррозионную стойкость и ресурс промышленных алюминиевых сплавов.
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях: XIV Российская конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов", Москва, 2017; VII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва,
2017; VIII Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов 2016; XV International conference on integranular and interphase boundaries in materials (iib-2016), Москва 2016; Шестая международная конференция
«Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов», посвященная
90-летию со дня рождения профессора Ю.А. Скакова, Москва, 2015.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в журналах из перечня
ВАК, в том числе в 7 статьях в журналах, индексируемых в базах цитирования Web of Science и
Scopus, 4-х тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях. Получены 2 патента РФ на изобретения.
Достоверность результатов. Выводы диссертации основаны на проведении комплексных исследований, включающих сопоставление данных о характеристиках прерывистой деформации и результатов изучения in situ динамики распространяющихся полос деформации
методами высокоскоростной видеосъемки и данных электрохимического отклика; не противоречат известным положениям электрохимии и согласуются с теоретическими и экспериментальными результатами других исследователей.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной
работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и
отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка результатов, а
также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Связь диссертационной работы с научными программами. Соискатель является исполнителем следующих проектов по тематике диссертационных исследований: гранта РНФ
(проект № 15-12-00035) и гранта РФФИ (проект № 15-32-20200).
5
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов по работе и приложения. Полный объем составляет 143 страницы текста, в том
числе 52 рисунка, 4 таблицы и список цитированной литературы, содержащий 171 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен обзор литературы по тематике диссертационного исследования: виды коррозии промышленных алюминиевых сплавов, структура и свойства окислов
алюминия, свойства свежеобразованной поверхности, природа электрохимической гетерогенности поверхности, механическая неустойчивость и коррозионные свойства деформируемых алюминиевых сплавов, проблема коррозионной стойкости алюминиевых сплавов, проявляющих эффект Портевена -Ле Шателье и др.
Вторая глава посвящена изложению методических вопросов исследования.
Материалами исследования служили авиационные алюминиевые сплавы 1420, В95 пч,
АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 и Д16. Для реализации цели и решения задач, поставленных в
диссертационной работе, разработан методический подход, основанный на использовании
комплекса синхронно используемых методов исследования кинетики прерывистой деформации, динамики полос локализованной пластической деформации: метода высокоскоростной
видеосъемки поверхности деформируемого металла, метода измерения и анализа деформационного и силового откликов, связанных с зарождением и распространением деформационных полос, метода измерения акустической эмиссии, а также скачкообразного электрохимического отклика в деформируемых алюминиевых сплавах в условиях контакта с агрессивной
средой. Комплекс включает деформационную испытательную машину, на штоке которой укреплены датчики усилия и лазерный триангуляционный датчик положения, электрохимическую ячейку с исследуемым образцом в растворе электролита, электрод сравнения (деформируемый образец является исследуемым электродом), акустический датчик, высокоскоростную цифровую видеокамеру, сигнал которой на частоте съемки вместе с сигналами других
датчиков подается на коммутатор, многоканальный аналого-цифровой преобразователь
(АЦП) и далее на компьютер. Разработанный комплекс методов позволяет получать in situ
более многомерную информацию в более широкой полосе частот о кинетике и геометрии локализованной пластической деформации образца, чем традиционная методика исследования
прерывистых кривых ползучести.
В третьей главе представлены основные результаты изучения влияния концентрированных щелочей и кислот на механическую неустойчивость промышленного алюминий-магниевого
сплава АМг6, проявляющего прерывистую деформацию при комнатной температуре.
В первом разделе главы представлены результаты исследования локальной коррозии на
деградацию механических свойств промышленного алюминий-магниевого сплава АМг6. Задача исследования состояла в изучении влияния коррозии, вызванной локальным воздействием на поверхность сплава 50%-го раствора NaOH, на зарождение полос локализованной
пластической деформации, их пространственно-временные структуры и развитие магистральной трещины. Перед механическими испытаниями на поверхность образца размерами
рабочей части 6 3 0.5 мм в область размером около 1 мм наносилась капля 50 %-го раствора
гидроксида натрия. После ее высыхания процедуру повторяли для увеличения глубины пятна. Глубину пятна, измеренную с помощью металлографического микроскопа варьировали
6
Рис. 1. Результаты компьютерной обработки фрагмента видеофильма эволюции деформационных полос с разрывом образца сплава АМг6 с коррозионным пятном, глубиной 80 мкм. Скорость видеосъемки 500 кадр/с. Числа − номера кадров. Временной интервал между кадрами 2 мс.
в пределах 10-100 мкм путем увеличения продолжительности травления. Механические испытания проводили на разрывной машине Instron 3344 путем одноосного растяжения образца
с постоянной скоростью 0 3 10 3 с-1 до разрушения. Установлено, что наличие коррозионного пятна диаметром 1 мм и глубиной 80 мкм уменьшает деформацию до разрушения
16 %, при этом изменение прочности на разрыв B не выявлено.
на
Для исследования механизма уменьшения пластичности сплава с локальным коррозионным повреждением, проводили видеосъемку со скоростью 500 кадр/с поверхности деформируемого образца с целью выявления роли деформационных полос в локализации разрушения
на коррозионном пятне. Анализ видеофильмов позволил выявить наиболее общую закономерность поведения деформационных полос: если глубина коррозионного пятна превышает
60 мкм, то оно способствует формованию полос, которые локализуются преимущественно в
сечении, проходящем через пятно. На рис. 1 представлен фрагмент эволюции деформационных полос, которая завершается разрывом образца с коррозионным пятном глубиной 80 мкм.
Первичная полоса обычно зарождается на участке между границей коррозионного пятна и
ребром плоского образца (кадр 2) и распространяется в направлении, проходящем через пятно (кадры 2-6). Угол наклона полосы деформации относительно оси растяжения, составляющий 55-63°, соответствует направлению максимальных касательных напряжений, поэтому в
полосе преобладающей является сдвиговая мода пластической деформации.
Следует отметить, что в плоских образцах деформационные полосы представляют собой
шейки двух типов: полосы, пересекающие под углом
( 55-60°) к оси растяжения узкую
грань, а под прямым − широкую грань (тип 1), и полосы, пересекающие под углом
к оси
растяжения широкую грань, а под прямым углом − узкую грань (тип 2). Видеосъемка показывает, что за 130 - 150 мс до разрыва образца полосы типа 2 меняют угол 55-63° на сопряженный 100 - 120° относительно оси растяжения при неподвижном «центре тяжести» полос,
совпадающем с центром коррозионного пятна (кадры 4, 6, 13, 19). На дне пятна, в области
пересечения полос типа 2 формируется деформационная полоса типа 1. Магистральная трещина зарождается на границе этой полосы, т. е. в области неоднородной деформации между
7
пластически деформируемым и недеформируемым материалом, где аккомодационные напряжения несовместности максимальны (рис. 1, кадр 131).
На рис. 2 представлены типичные гистограммы полос n( xi ) N ( xi ) / N , характеризующие пространственное статистическое распределение полос деформации в образцах с коррозионными пятнами глубиной 40 мкм (рис. 2а) и глубиной 80 мкм (рис. 2б). Здесь N ( xi ) −
количество границ полос, пересекающих сечение x xi , N − общее количество границ полос. Анализ гистограмм полос показывает, что магистральная трещина всегда проходит
через сечение, соответствующее резкому максимуму гистограммы, т.е. через сечение, наиболее интенсивного «обработанному» деформационными полосами.
Если глубина коррозионного пятна превышает некоторое критическое значение (около
60 мкм), то максимум гистограммы n( xi ) и, соответственно, магистральная трещина находятся в области коррозионного пятна (рис. 2б), если глубина коррозионного пятна меньше
порогового значения, то магистральная трещина не связанна с коррозионным пятном и вс егда проходит по последней полосе типа 2 в сечении, совпадающем с максимумом гистограммы полос (рис. 2а).
Таким образом, влияние локальной коррозии на макроскопическое разрушение деформируемого сплава АМг6 заключается в том, что в ходе растяжения коррозионное пятно локализует
деформационные полосы за счет существенного увеличения вероятности формирования полос в
сечениях, проходящих через пятно. Эволюция этих деформационных полос приводит к развитию магистральной трещины, которая зарождается и распространяется по границе последней
полосы, проходящей через центр коррозионного пятна. Микроскопический механизм разрушения, как предполагается, связан с образованием микротрещин, а затем пор вблизи включений −
частиц вторичной
( Al3Mg2 ) - фазы, в результате взаимодействия с этим включениями дислокаций в активных полосах локализованной деформации.
Рис. 2. Гистограммы полос в образцах с различной глубиной коррозионного пятна:
а − 40 мкм, б − 80 мкм. На фотографиях представлены кадры видеофильма за 10 мс до макроразрушения (верхние фото) и после разрыва образца (нижние фото). Стрелкой отмечена полоса типа 1 на
дне коррозионного пятна, по границе которой распространяется магистральная трещина.
8
Во втором разделе главы изложены результаты изучения влиянию коррозии под напряжением на механическую неустойчивость сплава АМг6. В качестве агрессивной среды использовали 30 %-й раствор соляной кислоты, активно реагирующий с алюминием. Механические испытания проводили на горизонтальной «мягкой» деформационной машине, которая
позволяет растягивать образцы с постоянной скоростью возрастания напряжения  0 = const, в
частности, в условиях ползучести
0
= const. В ходе деформирования на рабочую поверх-
ность образца сплава АМг6 наносили каплю раствора HCl и исследовали связь между деформационным, силовым и акустическим откликами. Последний регистрировали в полосе частот
1-104 Гц с помощью акустического датчика (вибропреобразователя) АР34 (ООО «ГлобалТест»), который укрепляли на неподвижной лопатке образца, связанный с базой (станиной
испытательной машины).
На первом этапе исследовали акустический сигнал, генерируемый после нанесения с помощью шприца капли 30%-го раствора соляной кислоты на поверхность недеформированного
образца АМг6. Типичный акустический сигнал имеет два последовательных колоколообразных скачка: первый, амплитудой около 5 мВ и длительностью около 3 с и последующий за
ним сигнал амплитудой до ~ 100 мВ и длительностью переднего фронта 5-6 с и временем
спада около 30 с. Процесс растворения поверхности алюминиевого сплава сопровождается
интенсивным выделением пузырьков водорода в соответствие с уравнением химической реакции 2Al + 6HCl
2AlCl3 + 3H2. Поэтому регистрируемый акустический сигнал, представляющий собой низкочастотную огибающую высокочастотных акустических событий,
связанных с выделением водорода в ходе химической реакции травления, является акустическим откликом на коррозию алюминиевого сплава в концентрированном растворе соляной
кислоты.
Морфологию поверхности травления исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа di Innova SPM. Характерная (фрактальная) морфология фронта травления
показана на рис. 3а. Для выполнения фрактального анализа сначала выделяли контур травления с помощью оригинальной компьютерной программы обработки изображения, использующей MATLAB.
Рис. 3. Результаты компьютерной обработки изображения фронта травления поверхности сплава АМг6 30%-м раствором HCl. a − фрагмент картины травления, полученный с помощью микроскопа di Innova, SPM; б − зависимость в двойных логарифмических координатах количества N квадратов, покрывающих контур, от стороны квадрата . Линейная аппроксимация этой зависимости дает
фрактальную размерность D =1.32 0.02.
9
Контур травления определялся как геометрическое место точек максимального градиента уровня яркости полутонового изображения картины травления. Затем вычисляли фрактальную размерность Хаусдорфа-Безиковича D по формуле: N ( ) ~ D , где N ( ) − минимальное количество квадратов со стороной , покрывающих данный контур. Линейная аппроксимация зависимости N от в двойных логарифмических координатах дает значение
D =1.32
0.02, совпадающий с размерностью контура границы раздела травитель/поликристаллический материал, рассчитанной с помощью компьютерного моделирования процесса травления.
На втором этапе образцы сплава АМг6 растягивали со скоростью нагружения 0 0.3
МПа/с до ступенчатого участка кривой деформации. Спустя временной интервал (2/3) t (где
t − длительность предыдущего плато между деформационными ступенями) на поверхность
в центральную область рабочей части образца наносили каплю 30 %-го раствора HCl. Через
7-8 секунд деформируемый образец теряет механическую устойчивость и по данным видеосъемки на его поверхности зарождаются и распространяются деформационные полосы. Процесс полособразования сопровождается макроскопическим скачком пластической деформации, регистрируемый в виде ступени на кривой нагружения амплитудой 1-3 % и длительностью переднего фронта около 0.3 с (рис. 4). На низкочастотном колоколообразном акустическом сигнале, (свидетельствующем о протекании интенсивного процесса травления поверхности алюминиевого сплава в соляной кислоте), в момент деформационного скачка, накладывается более высокочастотный сигнал, регистрирующий колебания нагрузки в системе
машина- образец, который вызван резким скачком пластической деформации.
Таким образом, экспериментально установлено, что процесс травления поверхности деформируемого алюминиевого сплава вызывает развитие в нем макроскопической
дислокационной лавины, создающей скачок пластической деформации амплитудой
несколько процентов. Согласно результатам компьютерной обработки электронномикроскопических изображений, в ходе
траления поверхность сплава становится
фрактальной, что создает широкий спектр
хаотично распределенных геометрических
концентраторов напряжения, которые на
определенном участке кривой растяжения
способствуют развитию макроскопической
дислокационной лавины и, соответственно,
развитию скачка деформации на диаграмме
растяжения. Полученные результаты подтверждают важную роль состояния поРис. 4. Синхронная запись относительной деформации
(1),
верхности на развитие макроскопической
акустического сигнала U АЕ (2) при нанесении на поверхнеустойчивости сплава, демонстрирующеность деформируемого образца сплава АМг6 30%-го раствора соляной кислоты. Моменты нанесения двух капель расго эффект ПЛШ.
твора отмечены стрелками.
 0 = 0.3 MПa/с, T = 300 K.
10
В четвертой главе изложены результаты исследования нестационарного электрохимического отклика на прерывистую деформацию сплава АМг6. Электрохимическая ячейка
(рис. 5) представляет собой гальваническую цепь, состоящую из деформируемого растяжением в испытательной машине 1 плоского образца алюминиевого сплава 2, плоского свинцового электрода сравнения 3, установленного на расстоянии 2 мм от поверхности алюминиевого
образца и раствора электролита 4. Канал регистрации электрического сигнала состоял из высокоомного предусилителя 7 ( Rвх 5 ГОм, Свх 20 пФ, полоса пропускания 10-106 Гц), АЦП 8 и
компьютера 9. При такой схеме электрохимической ячейки изме ряется только скачкообразная
составляющая э.д.с. гальванической цепи, состоящей из электродов с различными стандартными
потенциалами (у Al и Pb они равны -1.66 В и - 0.12 В, соответственно), т.е. скачки электродного
потенциала Е деформируемого алюминиевого сплава относительно свинцового электрода, в
полосе частот, в которой происходят события скачкообразной деформации, связанные с динамикой деформационных полос.
Проводились два вида механических испытаний: 1) растяжение образцов с постоянной
скоростью 0 const в жесткой машине Instron 3344, т.е. в условиях проявления эффекта
ПЛШ; 2) растяжение образцов постоянной нагрузкой, превышающей предел текучести сплава, т.е. в условиях прерывистой ползучести. Образец сплава АМг6 сначала выдерживали в
растворе электролита (3 %-й водный раствор NaCl) в течение 20 минут до полной стабилизации электрического сигнала. Затем образец деформировали одноосным растяжением со скоростью 0 =3×10-3 с-1 до разрушения. Установлено, что повторяющиеся скачки механического
напряжения
в ходе растяжения образца (эффект ПЛШ) сопровождаются отрицательными
скачками электродного потенциала E синхронно с точностью до десятой доли миллисекунды (Рис. 6), а средняя амплитуда скачков электродного потенциала E m растет линейно с
ростом средней амплитуды скачков механического напряжения
(рис. 9) с коэффициентом
пропорциональности k 0.3 мВ/МПа. Обнаруженные корреляции скачков электродного потенциала и механического напряжения наблюдаются также и в условиях прерывистой
ползучести сплава АМг6. На рис. 8 показаны
результаты синхронной записи датчиков деформации 1, усилия 2 и скачков электродного потенциала 3 в ходе развития деформационного скачка в образце, деформируемом в 3
%-м водном растворе NaCl в условиях ползучести при напряжении 0 284 МПа, зна-
Рис. 5. Схема электрохимической измерительной ячейки: 1 − испытательная машина на растяжение, 2 − алюминиевый образец, 3 − плоский свинцовый электрод,
4 − раствор электролита, 5 − стеклянный
сосуд, 6 − захваты испытательной машины, 7 − усилитель, 8 − АЦП, 9 − компьютер, 10 − экран
чительно превышающем условный предел
текучести в поликристаллическом отожженном сплаве АМг6 0.2 155 МПа. Скачок
(t ) , как видно из рис. 8, содеформации
провождается сложным силовым откликом
(t ) , представляющим собой последовательность скачков разгрузки и синхронно
скачками электродного потенциала E (t ) .
11
Рис. 6. Скачки электродного потенциала образца E
(1) в ходе прерывистой деформации образца сплава
АМг6, отвечающие скачкам механического напряжения (2). Скорость деформирования 0 = 3 10-3 с-1.
Т= 300 К. Среда − 3 %-й водный раствор NaCl.
Рис. 7. Зависимость средней амплитуды скачка электрического потенциала E m от средней амплитуды
скачка разгрузки
на кривой растяжения образца сплава АМг6.
Возникновение деформационных скачков и скачков разгрузки принято связывать с формированием полос локализованной деформации. Поэтому следующий шаг исследования состоял в
исследовании in situ взаимосвязи процессов зарождения и распространения деформационных
полос на поверхности алюминиевого сплава со скачками электродного потенциала.
Динамику деформационных полос исследовали на основе данных скоростей видеосъемки поверхности деформируемого в водной среде сплава АМг6 и синхронной записи скачков
Рис. 8. Синхронная запись скачка деформации
(1) и прерывистых силового
(2) и электрохимического E (3) откликов на деформационный скачок
при ползучести сплава АМг6 в 3 %-м растворе NaCl.
0 = 284 МПа. Т = 300 К.
электродного потенциала. На рис. 9
представлены временные зависимости
механического напряжения (1), величины скачка электродного потенциала
Е (t ) и площади полосы A(t ) по данным видеосъемки процесса зарождения
и расширения первичной полосы деформации в ходе развития деформационного скачка в условиях ползучести
сплава АМг6, деформируемого в дистиллированной воде, а на рис. 10 показан фрагмент видеофильма эволюции
этой деформационной полосы. Как видно из этих рисунков, зарождение и поперечный рост тонкой, толщиной ~1050 мкм, полосы деформации сопровождается небольшим подъемом сигнала
Е (кадры 425-443). Резкий рост абсолютной величины сигнала Е стартует с момента начала резкого расширения полосы (кадр 446) и продолжает
12
Рис. 9. Синхронная запись скачка разгрузки
(1)
электрохимического отклика E (2) в ходе развития деформационной полосы (видеофильм развития полосы представлен на рис. 10) и временной
зависимости площади полосы А (3) на поверхности сплава АМг6, деформируемого растяжением в дистиллированной воде в условиях ползучести при напряжении 0 = 294 МПа.
Рис. 10. Результаты компьютерной обработки видеофильма формирования
первичной деформационной полосы −
триггера развития скачка деформации
амплитудой 2 % в образце сплава
АМг6, деформируемого в условиях ползучести при 0 =294 МПа в мягкой испытательной машине на растяжение.
Скорость видеосъемки 6400 кадр/с.
ся в течение около 1.4 мс (кадры 446-455). Как видно из рис. 9, временные зависимости сигналов Е (t) и площади полосы A(t ) хорошо коррелируют, что подтверждается весьма высоким коэффициентом корреляции между этими зависимостями, рассчитанными с помощью
программы MathCad, k =0.9784. Поэтому можно заключить, что рост величины скачка электродного потенциала Е (t ) непосредственно обусловлен расширением полосы на поверхности металла, что в свою очередь связано с массовым выходом дислокаций на поверхность в
ходе развития пластической неустойчивости. Таким образом, на переднем фронте скачка
электродного потенциала предположительно происходит растворение алюминия на свежеобразованной поверхности (СОП), вызванной разрывом оксидной пленки из-за массового
выхода на поверхность большого количества дислокаций деформационной полосы, а на заднем фронте, т.е. на спаде, происходит восстановление оксидной пленки на данном участке
СОП. Подобные корреляции экспериментально обнаружены при прерывистой ползучести
сплава АМг6, деформируемого в 3%-м растворе NaCl и в морской воде.
Пятая глава диссертации посвящена разработке научных основ метода подавления деформационных полос, снижающих коррозионную стойкость алюминиевых сплавов. В первом
разделе главы представлены основные результаты исследования влияния постоянного электрического тока плотностью в пределах от 1.0 до ~ 100 А/мм2 на прерывистую деформацию
ПЛШ некоторых сплавов систем Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg, Al-Zn-Cu-Mg и Al-Cu-Mg.
13
Обнаружено явление подавления эффекта ПЛШ постоянным током плотностью
10-60 А/мм2 во всех исследованных сплавах,
за исключением сплава системы Al-Cu-Mg.
На рис. 11 представлен пример подавления
током прерывистой деформации ПЛШ с одновременным эффектом упрочнения током
сплава АМг6. С ростом плотности тока от 5
до 50 А/мм2 растет критическая деформация
появления первого деформационного
c
скачка. Одновременно возрастает напряжение течения сплава. Максимальный эффект
2
Рис. 11. Упрочнение постоянным током спла- упрочнения сплава АМг6 при j = 50 А/мм
ва АМг6 с одновременным подавлением пре- составляет 12 %.
рывистой деформации.
Подобное поведение демонстрируют
сплавы АМг5, 1420, В95пч, за исключением
сплава Д16. Обнаруженные эффекты упрочнения и подавления прерывистой деформации
внешним электрическим током выявлены также при деформировании сплава АМг6 в водной
среде (дистиллированной воде, 3%-м водном растворе NaCl и морской воде).
Во втором разделе главы разработана методика непрерывного мониторинга деформационных полос, основанная на измерении скачков электродного потенциала деформируемого
алюминиевого сплава в растворе электролита и автоматического подавления контролируемого количества последующих деформационных полос электрическим током от внешнего источника. Данная методика может быть положена в основу при разработке промышленных автоматизированных систем мониторинга и подавления повреждений (деформационных полос) в нагруженных элементах конструкций, выполненных из алюминиевых сплавов, демонстрирующих
эффект ПЛШ (сплавы систем Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg и Al-Zn-Cu-Mg), которые эксплуатируются в
коррозионных средах.
Для синхронизации системы мониторинга деформационных полос, связанной с непрерывной регистрацией скачков электродного потенциала или акустического сигнала и системы подавления полос электрическим током используется обратная связь между скачком
электродного потенциала, сигнализирующим о появлении деформационной полосы, и генератором прямоугольного импульса электрического тока, который позволяет пропускать через
деформируемый образец импульсы тока заданной амплитуды и продолжительности на разных стадиях эволюции деформационных полос.
Генератор импульса запускается от скачка электродного потенциала по достижению величины всплеска сигнала E некоторого порогового значения. Поскольку амплитуда сигналов E и скачков разгрузки растут с ростом деформирующего напряжения, то варьированием порогового значения сигнала можно контролировать стадию деформирования, в которой
генератор прямоугольного импульса тока включается от некоторого i-го скачка, амплитуда
которого достигла порога запуска генератора. Экспериментально установлено, что электрический ток: а) подавляет процесс зарождения деформационных полос; б) не влияет на распространение полос, если зарождение произошло до включения тока. Из результатов работы
14
следует, что электрический ток является примером селективного воздействия на процесс зарождения деформационных полос и может быть использован для его изучения.
На рис. 12 показан пример автоматического подавления скачка разгрузки (и, соответственно, деформационной полосы) прямоугольным импульсом тока, который запускается от
скачка электродного потенциала E , отмеченного стрелкой, через время задержки td (=0.2 с).
После окончания импульса тока скачки механического напряжения и электродного потенциала возобновляются спустя время R ( 0.4 – 0.5 с).
В заключительном разделе главы анализируется возможный механизм подавления током
прерывистой деформации и полосообразования. Одной из основных моделей прерывистой
деформации является так называемая преципитатная модель Бречета-Эстрина, которая относится к сплавам на ранних стадиях преципитации, т.е. процесса выпадения вторичной фазы
из пересыщенного твердого раствора. После закалки сплава АМг6, содержащего 5.5-6.5 %
Mg, преципитация происходит по следующей схеме: - раствор − ГП1 − ГП2 −
−
-раствор замещения Mg в алюминиевой матрице, а зоны Гинье(Al3Mg2 ) - фаза, где
Престона ГП1, ГП2 и частицы
-фазы − промежуточные неравновесные включения, которые являются источниками внутренних напряжений в кристалле вследствие неравновесности
фазовой границы включение/матрица. Согласно преципитатной модели эффекта ПЛШ в
ходе деформирования дислокации скапливаются вблизи включений. При некотором критическом напряжении дислокации отрываются от
включений, перерезая их. Поскольку дислокационное скопление является источником
дальнодействующих упругих полей напряжения в кристалле, то отрыв одного скопления
может стимулировать отрывы нескольких соседних скоплений от их включений и т.д., и
процесс отрыва дислокаций перейдет в лавинообразную стадию. Так формируется зона
интенсивной неустойчивой пластической деформации − деформационная полоса, развитие
которой вызывает появление скачка нагрузки
на кривой деформирования сплава. Отсюда
следует, что в отсутствие включений пластическое течение будет однородным и устойчивым без дислокационных лавин и деформациРис. 12. Фрагмент записи скачков электродного онных полос. Оценки, приведенные в пятой
потенциала E (1) на прерывистом участке главе, показывают, что электрический ток,
диаграммы растяжения
(2) сплава АМг6 и проходящий по деформируемому образцу,
эпюра прямоугольного импульса тока (3) с эф- может растворять включения второй фазы и
фектом подавления скачка напряжения при таким образом подавлять полосообразование и
jm = 50 A/мм2, 0 =3×10-3 с-1, t 1.5 с, =4 с, прерывистую деформацию.
t d =0.2 с, R 0.43 с. Стрелкой отмечен запусИз термодинамической теории фазовых
переходов первого рода в проводниках с токающий скачок E .
ком, содержащих включения с иной электро15
проводностью следует, что если удельное сопротивление включения , больше чем у матрицы 0 , то электрический ток будет стимулировать растворение включения; если наоборот
1
0
, то токи будут стимулировать рост новой фазы. Анализ литературных данных показы-
вает, что для исследуемых сплавов Al-Mg-Mn, Al-Li-Mg и Al-Zn-Cu-Mg электропроводность
включений вторичных фаз значительно меньше матрицы ( 1 / 0 4 168 ), поэтому электрический ток будет стимулировать растворение продуктов старения. Вместе с тем, в сплаве AlCu-Mg это отношение ( 1 / 0 1.87-2.7) значительно меньше, поэтому и меньше термодинамический стимул растворения включений, что может быть причиной отсутствия эффекта подавления током прерывистой деформации в дюралюминии.
Таким образом, предполагается, что растворение электрическим током от внешнего источника включений второй фазы должно привести к двум основным наблюдаемым эффектам: 1) подавлению полосообразования и прерывистой деформации и 2) упрочнению материала вследствие увеличения концентрации примесных атомов − основных стопоров движению дислокаций, создающих структуру сил закрепления дислокаций в твердом растворе.
Подавление током прерывистой деформации исследуемых алюминиевых сплавов имеет
большое практическое значение, поскольку связанное с прерывистой деформацией образование полос локализованной деформации вызывает коррозию и внезапное разрушение. Представленные в настоящей работе результаты могут служить основой для разработки технологии обработки металлов электрическим током, позволяющей улучшить эксплуатационные
свойства и увеличить ресурс сплавов систем Al-Li-Mg, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Mg-Mg, используемых в авиакосмической отрасли и автопроме.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Разработан комплексный подход к экспериментальному исследованию прерывистой деформации и полосообразования алюминиевых сплавов, деформируемых в агрессивных средах, основанный на сравнении синхронно измеряемых временных рядов (силового и электрохимического откликов, эмиссионных сигналов, скачков деформации, нагрузки и т.д.) с данными скоростной видеосъемки распространяющихся полос локализованной деформации и трещин.
2. Проведены исследования механизма влияния локальной коррозии на разрушение алюминий-магниевого сплава АМг6 с использованием видеосъемки со скоростью 500 кадр/с поверхности деформируемого образца. Установлено, что коррозионное пятно, вызванное локальным воздействием раствора гидроксида натрия на поверхность образца, является аттрактором полос локализованной пластической деформации − предвестников развития магистральной трещины, которая зарождается и распространяется на границе последней деформационной полосы, проходящей через центр коррозионного пятна.
3. Установлено, что коррозия под напряжением, превышающем предел текучести сплава
АМг6, вызывает потерю механической устойчивости и развитие скачка деформации амплитудой несколько процентов. По данным сканирующей электронной микроскопии в результате травления 30 % - м раствором соляной кислоты оптически гладкая поверхность сплава
становится фрактальной, что создает множество хаотично распределенных поверхностных
концентраторов напряжении, которые способствуют развитию макроскопической дислокационной лавины и, соответственно, скачку деформации на диаграмме растяжения.
4. Экспериментально установлено, что прерывистая деформация сплава АМг6, деформируемого в водной среде (дистиллированной и морской воде, 3 %-м растворе NaCl), сопровожда16
ется прерывистым электрохимическим откликом – скачками электродного потенциала образца амплитудой ~ 1-10 мВ, возникающих одновременно, в пределах до ~ 0.3 мс со скачками
механического напряжения на кривой деформирования. C использованием видеосъемки со
скоростью до 6400 кадр/с установлено, что скачок электродного потенциала с длительностью
переднего фронта ~ 1-3 мс происходит одновременно с зарождением и начальной быстрой
стадией расширения полосы деформации.
5. Предложен механизм генерирования скачков электродного потенциала деформируемого
образца алюминиевого сплава, состоящего в том, что на переднем фронте скачка потенциала
происходит растворение алюминия на ювенильной поверхности, которая образовалась из-за
разрыва оксидной пленки в результате массового выхода на поверхность большого количества дислокаций в деформационной полосе, а на заднем фронте скачка потенциала происходит
пассивация алюминия вследствие формирования вновь оксидной пленки на свежеобразованной поверхности металла.
6. Разработан метод подавления деформационных полос, снижающих коррозионную стойкость алюминиевых сплавов в атмосферных условиях и в водной среде. Установлено, что
прохождение постоянного электрического тока плотностью 10-60 А/мм2 через деформируемые образцы некоторых сплавов систем Al-Li-Mg, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Mg увеличивает напряжение течения и подавляет локализацию пластической деформации в полосах и, соответственно, скачки напряжения на деформационных кривых.
7. Предполагается, что стимулированное током растворение частиц второй фазы с меньшей
электропроводностью, чем у матрицы может вызвать упрочнение и подавление прерывистой
деформации в рамках преципитатной модели эффекта Портевена Ле-Шателье.
8. Разработан метод мониторинга и автоматического подавления полосообразования и прерывистой деформации, в котором скачок электродного потенциала, генерируемый первичной
полосой деформации, выполняет роль триггера для запуска генератора прямоугольного импульса тока, подавляющего контролируемое количество последующих деформационных полос и скачков напряжения.
9. Полученные результаты составляют научную основу для разработки технологии непрерывного мониторинга, ранней диагностики и подавления повреждений в промышленных
алюминиевых сплавах, демонстрирующих эффект Портевена-Ле Шателье, которые эксплуатируются в коррозионной среде.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи в журналах Перечня ВАК
1.
Влияние коррозии под напряжением на механическую устойчивость алюминий-
магниевого сплава / Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Денисов
А.А., Кочегаров С.С. // Коррозия: материалы, защита. ‒ 2017. ‒ № 11. ‒ С. 17-24.
2. Исследование механизма влияния локальной коррозии на деградацию механических
свойств алюминий-магниевого сплава АМг6 / Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А.,
Шуклинов А.В., Денисов А.А., Кочегаров С.С. // Коррозия: материалы, защита. ‒ 2017. ‒ №
8. ‒ С. 19-27.
17
3. Исследование влияния электрического тока на прерывистую деформацию и акустическую
эмиссию в алюминий-магниевом сплаве АМг5 / Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов
М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Иволгин В.И. // Физика твердого тела. ‒ 2015. ‒ Т. 57. ‒
№ 6. ‒ С. 1046-1051. (Переводная статья, индексируемая в WoS и Scopus).
4. Подавление прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье постоянным электрическим
током в алюминий-магниевом сплаве АМг5 / Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С. // Физика твердого тела. ‒ 2015. ‒ Т. 57. ‒ № 2. ‒
С. 228-236. (Переводная статья, индексируемая в WoS и Scopus).
5. The electric current-induced suppression of the Portevin - Le Chatelier effect in Al-Mg
alloys / Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. // Materials
Science & Engineering A. ‒ 2014. ‒ V.610 ‒ P. 338-343. (Статья, индексируемая в WoS и
Scopus).
6. Исследование механизмов подавления прерывистой деформации электрическим током /
Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. // Кристаллография.
‒ 2015. ‒ Т. 60. ‒ № 6. ‒ С. 929-940. (Переводная статья, индексируемая в WoS и Scopus).
7. Прерывистая ползучесть и пространственно-временные структуры макролокализованной
пластической деформации / Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Гасанов М.Ф.,
Денисов А.А. // Физика твердого тела. ‒ 2014. ‒ Т. 56. ‒ № 5. ‒ С. 848-855. (Переводная
статья, индексируемая в WoS и Scopus).
8. Спектральный и динамический анализ пластических неустойчивостей при прерывистой
ползучести алюминий-магниевого сплава / Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А.,
Денисов А.А., Гасанов М.Ф. // Физика твердого тела. ‒ 2014. ‒ Т. 56. ‒ № 5. ‒ С. 856-860.
(Переводная статья, индексируемая в WoS и Scopus).
9. Влияние импульсного тока на эффект Портевена-Ле Шателье в алюминий-магниевом
сплаве АМг5 / Шибков А.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Иволгин В.И.
// Журнал технической физики. ‒ 2017. ‒ Т. 87. ‒ № 4. ‒ С. 631-634. (Переводная статья,
индексируемая в WoS и Scopus).
Другие публикации
1. Denisov A.A. The electric current-induced suppression of the Portevin - Le Cha-telier effect in
Al-Mg alloys / Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. /
International conference on intergranular and interphase boundaries in materials (Russia, Moscow,
Nat. univ. of scie. a. technol. MISiS et. al., 2016, May 23-27) ‒ Moscow, 2016, ‒ P. 195.
2. Денисов А.А. Влияние коррозии под напряжением на эффект Портевена-Ле Шателье
алюминий-магниевого сплава / Денисов А.А. / XIV Российская конференция молодых
18
научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических
материалов" (Москва, 17-20 октября 2017 г.) ‒ Москва, 2017, ‒ С. 103-104.
3. Денисов А.А. Электрохимический отклик на прерывистую деформацию Портевена-Ле
Шателье / Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф. / VII
Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»,
(Москва, 7-10 ноября 2017 г.) ‒ Москва, 2017, ‒ С. 792-794.
4. Денисов А.А. Новое проявление электропластичности – подавление электрическим током
прерывистой деформации и полосообразования в алюминиевых сплавах / Шибков А.А.,
Денисов А.А., Гасанов М.Ф. / Шестая международная конференция «Кристаллофизика и
деформационное поведение перспективных материалов», посвященная 90-летию со дня
рождения профессора Ю.А. Скакова (Москва, 26-28 мая 2015 г.) ‒ Москва, 2017, ‒ С. 334.
Патенты РФ на изобретения
14. Пат. 2544721 Российская Федерация, МПК С22F 1/047. Способ обработки листовых
заготовок из алюминиевых сплавов системы Al-Mg / Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов
А.Е., Денисов А.А., Михлик Д.В.; заявитель и патентообладатель Тамбовский
государственный университет имени Г.Р. Державина (RU). ‒
№ 2013133031/02; за-
явл. 16.07.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. ‒ 10 с.: ил.
15. Пат. 2624877 Российская Федерация, МПК C22F 1/047. Способ
повышения
механической устойчивости и прочности листовых заготовок из алюминий-магниевых
сплавов с использованием эффекта электропластической деформации / Шибков А.А., Желтов
М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Михлик Д.В.; заявитель и
патентообладатель Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина (RU).
‒ № 2015146226; заявл. 27.10.2015; опубл. 07.07.2017, Бюл. № 19.
19
Подписано в печать 11.12.2017 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ № 17372. Бесплатно
Издательский дом ТГУ имени Г.Р. Державина
392008, Тамбов, ул. Советская, 190г
Отпечатано в типографии Издательского дома ТГУ имени Г.Р. Державина
392008, Тамбов, ул. Советская, 190г
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
1 297 Кб
Теги
мониторинг, среды, сплавов, подавления, механической, неустойчивости, алюминиевые, коррозионных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа