-
143
dr inŜ. Zbigniew ŁAPIŃSKI mgr inŜ. Janusz ŁUKASZEWICZ Wojskowy
Instytut Techniczny Uzbrojenia
BADANIE METODĄ EMISJI AKUSTYCZNEJ ROZCIĄGANYCH PRÓBEK
STALOWYCH
W artykule przedstawiono wyniki badań metodą Emisji Akustycznej
rozciąganych próbek stalowych poddanych uprzednio obróbkom cieplnym
i i chemicznym.
1. Wstęp
Terminem emisja akustyczna (EA) określa się zjawisko generacji
fal spręŜystych w ośrodkach stałych i cieczach.
Źródłem generacji tych fal są zarówno procesy rozwoju
mikropęknięć, rozwój i anihilacja dyslokacji lub wzajemne
przemieszczanie się fragmentów badanego ośrodka połączone z
tarciem.
Prawie wszystkie materiały, w tym metale emitują fale spręŜyste
(akustyczne), gdy są obciąŜone. Istnieje duŜa liczba zjawisk, które
dzięki temu, Ŝe generują fale spręŜyste, mogą być badane metodą
Emisji Akustycznej (EA). NaleŜą do nich:
- odkształcenia plastyczne, tzn. poślizg dyslokacji lub
bliźniakowanie; - powstawanie i wzrost pęknięć oraz proces
zniszczenia; - przemiana fazowa, zwłaszcza bardzo szybka (np.
martenzytyczna). Jednym z głównych źródeł EA w metalach jest ruch
dyslokacji, zwłaszcza ruch
ze znacznymi przyśpieszeniami lub opóźnieniami. Przy bardzo
duŜych obciąŜeniach zewnętrznych maksymalna prędkość dyslokacji
jest bliska prędkości dźwięku. Przy umiarkowanych obciąŜeniach jest
znacznie mniejsza, 1 – 50% prędkości dźwięku. Natomiast
przyspieszenia i opóźnienia dyslokacji są bardzo duŜe i mają
miejsce w bardzo krótkich przedziałach czasu: 10 –11 ÷10 –10s i na
bardzo małych odcinkach rzędu 1 – 50 parametrów sieci
krystalicznej.
Z powodu zaleŜności EA od stopnia odkształcenia plastycznego,
prędkości jego wzrostu oraz od objętości metalu, w której to
odkształcenie się rozwija, nawet przy jednoosiowym rozciąganiu
rozróŜnia się kilka typowych odmian charakterystyk emisji
akustycznej w funkcji RMS.
O ile same odkształcenia metalu wytwarzają niezbyt intensywną
EA, to powstawaniu i wzrostowi pęknięć zazwyczaj towarzyszy silna
EA, zwłaszcza w materiałach bardziej kruchych, czyli o mniejszej
odkształcalności a wyŜszej wytrzymałości.
Sygnał EA w postaci fal spręŜystych moŜe być zamieniony na
sygnał elektryczny za pomocą przetworników piezoelektrycznych, na
jego zaciskach napięciowy sygnał EA ma postać gasnącej sinusoidy
opisanej wzorem:
V = Vpsin2πft exp(-t/τ)
-
144
gdzie: f - częstotliwość rezonansowa elementu objętości
przetwornika generującego
sygnał EA, τ - dekrement tłumienia drgań układu: próbka -
przetwornik, Vp - wartość szczytowa powstającego napięcia.
2. Przedmiot i przebieg badań
Badania przeprowadzono na płaskich próbkach stali gat. 30HGSA
wyciętych z taśmy o grubości 4 mm.
Stan wyjściowy materiału: surowy. Obróbka cieplna i oznaczenie
badanych próbek: 1. W stanie surowym (po obróbce przeprowadzonej w
hucie). 2. Wstanie wyŜarzonym (880° C). 3. Po hartowaniu w temp.
880° C w oleju i odpuszczeniu w temp. 600° C
w wodzie. Kształt badanych próbek przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Kształt i wymiary próbek do rozciągania
-
145
Do pomiarów EA zastosowano przetwornik szerokopasmowy prod.
PHYSICAL ACOUSTIS CORP., typ WD o wysokiej czułości i paśmie
przenoszenia sygnału EA: 100 - 1000 kHz. W paśmie tym amplituda
sygnału jest tłumiona nie więcej niŜ 10 dB.
Sygnał EA był następnie poddany wzmocnieniu i filtracji
górnoprzepustowej (redukcja zakłóceń z pasma wibroakustycznego) za
pomocą filtru elektronicznego ósmego rzędu o częstotliwości
odcięcia 25 kHz.
Obróbka sygnału została dokonana za pomocą analizatora EA SIGNAL
CONDITIONER produkcji EA SYSTEM. Wartość skuteczna napięcia szumów
odniesiona do wejścia analizatora wynosiła 10 µV. Całkowite
wzmocnienie sygnału w analizatorze wynosiło 74 dB.
Zastosowano zapis za pośrednictwem wejścia liniowego karty
dźwiękowej komputera IBM THINKPAD 370. Częstotliwość próbkowania
rejestrowanego sygnału wynosiła 11.025 kHz, a zatem kaŜde zdarzenie
EA o czasie trwania dłuŜszym od 100µs było rejestrowane. Do obróbki
zarejestrowanych danych zastosowano oprogramowanie o nazwie Look,
będące na wyposaŜeniu zastosowanego analizatora EA. W celu
wyznaczenia maksymalnych amplitud sygnału EA w obrębie zdarzeń oraz
czasu ich trwania, opracowano specjalny program umoŜliwiający
przeglądanie plików z zarejestrowanym sygnałem EA i generujący
raport, dotyczący wykrytych zdarzeń. Przed rejestracją sygnałów EA
dokonano kalibracji toru pomiarowego.
Próby rozciągania przeprowadzono przy uŜyciu maszyny
wytrzymałościowej firmy INSTRON o zakresie 100 00 N, z napędem
mechanicznym.
Badanie sygnałów EA towarzyszących próbie rozciągania próbek
stalowych. Próbki surowe.
Są to próbki wycięte z blachy, jak na rys.1, po obróbce
przeprowadzonej w
hucie. Na rys.2 przedstawiono przykładowy przebieg skumulowanej
amplitudy
sygnałów Ls na tle siły rozciągania.
-
146
Rys.2. Próbka surowa S-12
PRÓBKA SUROWA S-12; R i Ls.
-
147
Próbki hartowane Na poniŜszych rysunkach przedstawiono przebiegi
LS na tle siły rozciągania
dla próbek H-11 i H-12. Próbki poddane zostały hartowaniu w
oleju w temperaturze 880° C oraz
odpuszczaniu w wodzie w temperaturze 600° C.
Rys.3. Próbka hartowana H-11
-
148
Rys.4. Próbka hartowana H-12
-
149
Rys.5. Próbki hartowane H-11 i H-12
-
150
Próbki wodorowane Wpływ wodoru
Kruche pękanie stali moŜe być spowodowane dwoma odmianami
segregacji rozpuszczonych w niej składników. Po pierwsze segregacją
domieszek na granicach ziaren, zachodzącą podczas obróbki cieplnej,
lub nagrzewania podczas eksploatacji. Po drugie: segregacją
wchłoniętego wodoru w obszarach o znacznym odkształceniu sieci
krystalicznej, powstającym pod wpływem obciąŜenia zewnętrznego.
Wpływ domieszek i wodoru moŜe sumować się i prowadzić do
międzykrystalicznego pękania nawet przy stosunkowo niewielkim
obciąŜeniu.
Istnieją liczne doświadczalne dowody na to, Ŝe wodór wchłonięty
w dostatecznej ilości w przestrzennie centrowaną sieć Fe , znacznie
obniŜa jej spójność. Wodór stanowi szczególną odmianę czynnika
zwiększającego kruchość Ŝelaza lub stali: w sieci przestrzennie
centrowanej w normalnej temperaturze ma on bardzo wysoką ruchliwość
i w polu napręŜeń łatwo dyfunduje ku obszarom odkształconym, a jego
ciśnienie w porach lub mikropęknięciach moŜe osiągać bardzo duŜe
wartości.
Wzrost temperatury wpływa na przyspieszenie procesu. W stopach
Al wodór występował w międzykrystalicznych uszkodzeniach
korozyjnych próbek przejawiających kruchość, co świadczy o waŜnej
roli wodoru w rozwoju uszkodzeń. Przypuszcza się, Ŝe następuje to
wskutek przyciągania atomów wodoru przez dyslokacje i ułatwionego
jego ruchu wzdłuŜ ich linii, co przyczynia się do zwiększenia jego
ruchliwości. Dla stopów Ti korozja napręŜeniowa postępuje w wyniku
oddziaływania wodoru wchłoniętego przez metal z odkształcającą się
siecią krystaliczną.
Wodorowanie próbek do rozciągania przeprowadzono w 1 N kwasie
siarkowym z dodatkiem promotora wnikania wodoru. Próbki stanowiły
katodę, anoda była wykonana z platyny. Gęstość prądu wynosiła 100
lub 50 mA/cm2. Czas wodorowania wynosił 2 godziny.
Ten sposób obróbki stosunkowo dobrze oddaje proces naturalnego
starzenia się materiałów w warunkach ich długotrwałej eksploatacji.
Badaniom poddano próbki:
W2-100: zapis EA do 85s; intensywność wodorowania: 100mA/cm2;
W3-100: zapis, EA do 85s; intensywność wodorowania: 100mA/cm2;
W5-50 : zapis EA do 85s; intensywność wodorowania:50mA/cm2; Przed
wodorowaniem próbki poddane zostały procesowi hartowania
i odpuszczania.
-
151
Rys.6. Próbka wodorowana W5 - 50
-
152
Rys.7. Próbka wodorowana W2 - 100
-
153
Rys.8. Próbka wodorowana W3 - 100
-
154
3. Podsumowanie wyników i wnioski Aktywność akustyczna
wszystkich próbek nie wodorowanych, tj. surowej: S-12;
hartowanych: H-11 i H-12 miała podobny przebieg. Dla
zarejestrowanego procesu obciąŜania próbek moŜna wyróŜnić dwie
fazy:
- Obszar I: intensywnej aktywności akustycznej o charakterze
zanikającym, kończący się przed umowną granicą plastyczności;
- Obszar II: aktywność akustyczna na stałym poziomie trwająca w
całym zakresie plastycznej deformacji próbki.
W przypadku próbek poddanych wodorowaniu aktywność akustyczna
utrzymywała się na podobnym, wysokim poziomie przez cały czas ich
obciąŜania, natomiast przebieg Ls wskazuje na wcześniejszy punkt
przegięcia niŜ dla próbek nie wodorowanych.
Parametry aktywności akustycznej próbek przedstawiono poniŜej.
Ich określenie było moŜliwe dzięki wykorzystaniu specjalnie
zaprojektowanego programu pod nazwą „OBLICZ” oraz „Eaenerg”.
W poniŜszej tabeli przedstawiano zaleŜność skumulowanej energii
sygnału EA od czasu badanych próbek.
Oznaczenie próbki
Skumulowana energia sygnału EA
S12 1101500
H12 998700
W2-100 5332600
W3-100 3452600
W5-50 3178290
PowyŜsze wyniki wskazują na to, Ŝe próbki poddane
wodorowaniu
charakteryzują się podwyŜszoną wartością skumulowanej energii
sygnału EA. Jej analiza w funkcji czasu wskazuje, Ŝe dla próbek nie
poddanych wodorowaniu aktywność akustyczna zmniejsza się po
przekroczeniu umownej granicy plastyczności. Natomiast w przypadku
próbek poddanych wodorowaniu aktywność akustyczna w trakcie całego
procesu obciąŜania próbki utrzymuje się na stałym, wysokim
poziomie.
Próbki W2 i W3 zostały poddane wodorowaniu w tych samych
warunkach: 100mA/cm2, natomiast próbka W5: 100mA/cm2.
Literatura
1. Emisja akustyczna; KBN, Warszawa 1994. 2. Określanie
parametrów akustycznych materiałów konstrukcyjnych; KBN,
WITU Zielonka 2001. 3. Sprawozdanie z pracy nt. „Przeprowadzenie
badań zjawiska emisji
akustycznej towarzyszącej rozciąganiu próbek stalowych”; IPPT
2001. 4. Sprawozdanie z pracy nt. „Badanie zjawiska emisji
akustycznej w trakcie
prób rozciągania przygotowanych próbek ze stali 30HGS”; PW
Wydział InŜynierii Materiałowej 2001