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