Исследование взаимосвязи акустической эмиссии и разрушения камнелитых материалов в условиях одноосного сжатия

В работе представлены результаты лабораторных исследований акустической эмиссии при одноосном сжатии образцов камнелитых материалов на основе симиналов. Установлено, что разрушению образцов предшествует акустическая активность, вызванная структурными преобразованиями в материале, и накопление межструктурных напряжений в материале. Характер акустической эмиссии и величина нагрузки, которую выдерживает материал, зависят от количества аморфной составляющей в его структуре.

В рамках данного исследования испытания на сжатие проводились на универсальной испытательной машине (УИМ) марки Zwick-Z250 (Германия).

Все изменения, происходящие в ходе испытания, а также все входные и выходные значения фиксировались и обрабатывались с помощью универсального программного обеспечения TestXpert, которое входит в комплектацию установки. Регистрацию акустической эмиссии осуществляли с помощью акустико-эмиссионного комплекса АЕС-USB-8. Комплекс предназначен для приема по 8 каналам сигналов акустической эмиссии и их обработки, обеспечения регистрации информативных параметров, а также определения координат источников акустической эмиссии в линейных объектах или на плоскостях по измеренным значениям разности времен прихода сигналов к преобразователю акустической эмиссии. Работа комплекса основана на принципе приема сигналов акустической эмиссии, вызванных ростом трещин или развитием любого дефекта, с преобразованием их в электрические сигналы и их дальнейшей обработкой с целью обеспечения индикации и регистрации информативных параметров.

Образцы для испытания были подготовлены с соблюдением рекомендуемого соотношения (h/a?2). Образцы были вырезаны из камнелитого изделия, полученного методом литья в постоянную металлическую форму, из определенной части отливки, что является важным условием, поскольку в зависимости от того, из какой части образец был вырезан, он имеет различную структуру. Образец №1 был вырезан из части отливки, контактирующей с формой, его структура отличается высоким содержанием аморфной составляющей (более 50%). Образец №2 был вырезан из переходной зоны между поверхностной и внутренней частями отливки, его структура мелкозернистая, содержание аморфной фазы - не более 10%. Образцы №3 и №4 были вырезаны из сердцевины отливки, их структура относительно крупнозернистая, а содержание аморфной фазы - не более 5%. Скорость нагружения при проведении испытания составляла 1 мм/мин.

В ходе испытаний были получены графические диаграммы, характеризующие рост нагрузки и активность АЭ в течение времени испытания. Результаты представлены на рисунке. На зависимостях интенсивности акустических колебаний отмечены «спонтанные» вспышки акустической активности. акустический камнелитый симинал аморфный

При испытаниях образца №1 зафиксировано два незначительных всплеска акустической активности, равных 2,3 мВ при нагрузках 0 и 23 кН. В первом случае это, очевидно, погрешность, вызванная отклонением грани образца от параллельности. Пик колебаний пришелся на отметку 6 мВ, что соответствовало разрушению образца при нагрузке 25 кН.

При испытаниях образца №2 зафиксирована серия небольших всплесков акустической активности, равных 1 мВ при нагрузке в 3, 5 и 6 кН, и один всплеск, равный 2 мВ при нагрузке 17 кН. Разрушение произошло при нагрузке 23 кН при акустической активности 13 мВ. Так же, как и в предыдущем случае, всем всплескам акустической активности соответствовали характерные пики на зависимости нагрузки от времени.

При испытаниях образца №3 зафиксировано несколько колебаний в диапазоне от 1 до 2 мВ, которым соответствовали значения нагрузки в диапазоне от 2 до 8 кН. На этом участке выделяется невысокий пик при незначительной нагрузке в 3 кН. Разрушение образца произошло при нагрузке 34 кН, ему соответствовала акустическая активность, равная 16 мВ. Разрушению предшествовало нарастание акустической активности в течение 20-22 сек. начиная с 5 мВ.

Наиболее интересный характер акустической активности разрушения наблюдали при испытании образца №4. Перед разрушением образца, которое произошло при нагрузке 33 кН и акустической активности 16 мВ, зафиксирован мощнейший всплеск акустической активности, равный 18 мВ при нагрузке в 5 кН. Самому разрушению предшествовало постепенное нарастание активности начиная от 2 мВ в течение 45 сек.

Во всех случаях перед разрушением на диаграммах, отражающих зависимость величины нагрузки от времени, зафиксированы характерные пилообразные пики. Общей тенденцией является то, что длительность нарастания акустической активности всегда превышала длительность ее затухания.

а

б

в

г

Результаты испытаний камнелитых базальтовых материалов на сжатие с регистрацией акустической эмиссии: а - образец №1; б - образец №2; в - образец №3; г - образец №4

При анализе полученных результатов было обнаружено, что всплески акустической активности можно разделить на два типа. Первый тип - это те колебания, которые после возникновения затухали, а второй тип - колебания, которые нарастали и завершались разрушением образца.

Колебания первого типа были вызваны, на наш взгляд, структурными изменениями в материале. Как уже было отмечено ранее, структура материала анизотропная, содержит в своем составе как кристаллические, так и аморфные составляющие. Эти составляющие реагируют на воздействие сжимающей нагрузки неодинаковым образом, поскольку обладают различной плотностью и твердостью. Проведенные нами ранние исследования по методу наноиндентирования показывают, что наиболее «мягким» структурным составляющим является аморфная фаза, показатель ее твердости не превышает 2,5 ГПа, а данные рентгеноспектрального микрозондового анализа свидетельствуют о высоком содержании диоксида кремния в ней (более 87%) [16]. В силу малой твердости это структурное составляющее больше подвержено деформации и именно оно принимает на себя первичные нагрузки. Учитывая химический состав этого составляющего, можно сказать, что структурные изменения, вызвавшие всплеск акустической активности, относятся к разряду полиморфных. Известно, что основным элементом структуры аморфной фазы является кремнекислородный тетраэдр, а в зависимости от полиморфной модификации эти тетраэдры расположены под определенным углом друг к другу и под воздействием деформации поворачиваются, занимая более выгодно положение; упаковка их становится плотнее [17]. Такие структурные изменения не приводят к образованию начальных разрушений, о чем свидетельствует затухание колебаний.

Колебания второго типа свидетельствуют о том, что в материале началось накопление межструктурных напряжений, резкий всплеск активности говорит об их локализации. В пользу этого свидетельствует то, что при разрушении образцы раскалываются на множество осколков, а траектория трещин ориентирована строго вдоль образца. Нарастающий характер колебаний в зоне перед разрушением говорит о быстром росте трещин в зависимости от размера, сопоставимого с размером структурных элементов до макромасштаба. Время роста трещины соответствует периоду времени от начала нарастания колебаний до достижения ими пика. Этот период длится до 12 сек. Это говорит о том, что разрушения, вызванные деформацией в материале каменного литья, имеют скоротечный характер.

Прослеживается четкая тенденция: чем меньше в структуре доля аморфной составляющей, тем большую нагрузку может выдержать образец материала. Характер проявления акустической активности у образцов с различной структурой также имеет ярко выраженные особенности. Чем больше в структуре аморфной составляющей, тем стремительнее в ней развивается разрушение. Вероятно, это объясняется тем, что в образцах с большей долей кристаллических составляющих рост трещины затормаживается механически на границах составляющих.

Учитывая, что в реальных условиях эксплуатируемые изделия сочетают в себе различные типы структур, можно предположить, что процессы, предвещающие начало развития трещин и разрушения, соответственно зарождаются в поверхностных слоях, имеющих высокую долю содержания аморфной фазы. Сердцевина камнелитых отливок является более стойкой к сжимающим нагрузкам, она не позволяет трещинам, зародившимся в поверхностном слое, развиваться, локализует первичные признаки разрушения, соразмерные со структурными составляющими. Однако укрупнение размера кристаллических составляющих негативно сказывается на прочностных показателях - это показывает разница в результатах, полученных при испытании образцов №3 и №4. Так, в первом случае структура была мелкозернистая, во втором крупнозернистая; именно во втором случае предвестником разрушения явилось сильнейшее колебание, по всей видимости, возникшее в результате образования микротрещины.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлен характер акустической активности при воздействии на камнелитой материал сжимающей нагрузки. Установлено, что разрушению предшествует ряд структурных превращений в аморфной фазе, затем начинается период накопления локальных межструктурных напряжений, структурные напряжения релаксируются за счет образования и быстрого роста трещин, которые и приводят к разрушению образца. Установлено, что характер акустических колебаний зависит от величины аморфной составляющей структуры: чем ее больше, тем быстрее происходит разрушение и тем меньше проявляются предразрушающие процессы. Поскольку структура отливок неоднородна, то и разрушение их происходит неравномерно. Начало разрушения, как правило, зарождается в поверхностных остеклованых слоях.