RU2624995C2

RU2624995C2 - Remote method of early damage detection in aluminium alloy structures

Info

Publication number: RU2624995C2
Application number: RU2015146224A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Шибков; Михаил Александрович Желтов; Михаил Фахраддинович Гасанов; Александр Евгеньевич Золотов; Дмитрий Валерьевич Михлик
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-07-11
Also published as: RU2015146224A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method involves installation of flat capacitive transducer near potential risk area (strain concentrator) of metal, area deformation by application of external force by a loading device, EMR signal generation due to mechanical instability development in the form of spreading deformation bands, transformation of EMR signal by a capacitive EMR transducer and signal registration, with electrically active Al₂O₃ oxide film used as EMR source on the surface of aluminium alloy, where EMR signal evolves upon displacement of double electric layer connected to the oxide film against immobile EMR transducer in the course of evolvement and spread of localised plastic deformation in the form of mobile necking or during fracture propagation.

EFFECT: possible contact-free electromagnetic method when metal surface is free of ice crust.

6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к бесконтактному электромагнитному неразрушающему контролю листовых алюминиевых сплавов, используемых для изготовления транспортных средств.The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to non-contact electromagnetic non-destructive testing of aluminum sheet alloys used for the manufacture of vehicles.

Известен способ получения электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at I. Nature, vol. 254, March 13, 1975. P. 133-134), согласно которому деформируемый металлический стержень помещают по metallic fracture. Ashok Misra [оси, выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве обкладки конденсатора и от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, которую подключают к второму входу регистратора и заземляют. При этом вследствие образования трещин и микротрещин в материале деформируемого металлического стержня возникает поток электронов со сформировавшихся поверхностей (берегов трещин), сопровождаемый ЭМИ.A known method of producing electromagnetic radiation (EMP) by stretching samples of solids in the form of metal rods of a cylindrical shape (Electromagnetic effect at I. Nature, vol. 254, March 13, 1975. P. 133-134), according to which a deformable metal rod is placed on metallic fracture. Ashok Misra [axis, made in the form of a half-cylinder of a metal plate, which is used as a capacitor plate and from which side a tap is made to connect to the first input of the recorder, which is used as a storage oscilloscope, and a deformable metal rod is used as the second capacitor plate, which is connected to the second input of the recorder and ground. In this case, due to the formation of cracks and microcracks in the material of the deformable metal rod, a stream of electrons arises from the formed surfaces (crack faces), accompanied by electromagnetic radiation.

Недостаток этого способа состоит в необходимости использования сложных прессов со значительным разрывным усилием при получении ЭМИ деформируемых металлических стержней, что усложняет и удорожает процесс получения ЭМИ.The disadvantage of this method is the need to use complex presses with significant breaking strength in the production of EMP of deformable metal rods, which complicates and increases the cost of the EMP process.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ исследования ЭМИ деформируемых металлических конструкций из алюминиевых сплавов в условиях обледенения по Патенту РФ №2536776 кл. G01N 27/92, опубл. 27.12.2014 г., включающий установку плоского емкостного датчика вблизи потенциально опасного участка поверхности (концентратора напряжений) металла, деформирование его путем приложения внешнего растягивающего усилия с помощью нагружающего устройства до появления механической неустойчивости в виде распространяющихся по поверхности металла полос локализованной деформации, формирование сигнала ЭМИ в процессе пластической деформации и разрушения ледяного слоя, преобразование сигнала ЭМИ с помощью емкостного датчика ЭМИ и его регистрацию, характеризующийся тем, что в качестве источника ЭМИ используют слой льда на поверхности металла, по которой распространяется полоса локализованной пластической деформации (локализованное утонение в виде шейки), при этом сигнал ЭМИ формируют как сумму сигналов ЭМИ, созданных движением во льду заряженных дислокаций, электрически активных вследствие псевдопьезоэлектрического эффекта берегов трещин и двойного электрического слоя вблизи границы раздела лед - металл.The closest in technical essence and the set of essential features is a method for studying the EMP of deformable metal structures of aluminum alloys under icing conditions according to the RF Patent No. 2536776 class. G01N 27/92, publ. 12/27/2014, including the installation of a flat capacitive sensor near a potentially dangerous part of the surface (stress concentrator) of the metal, deforming it by applying an external tensile force using a loading device until mechanical instability appears in the form of localized deformation bands propagating over the metal surface, generating an EMP signal in the process of plastic deformation and destruction of the ice layer, the conversion of the EMP signal using a capacitive EMR sensor and its registration, characterized by the fact that an ice layer is used as a source of electromagnetic radiation on the metal surface, along which a band of localized plastic deformation propagates (localized thinning in the form of a neck), and the electromagnetic radiation signal is formed as the sum of the electromagnetic radiation signals created by the movement of charged dislocations in ice that are electrically active due to pseudo-piezoelectric effect of crack faces and a double electric layer near the ice-metal interface.

Недостаток этого способа состоит в ограниченном температурном диапазоне (отрицательные температуры), в котором наблюдается электромагнитный сигнал, вызванный динамикой ледяной корки на поверхности металла.The disadvantage of this method is the limited temperature range (negative temperatures), in which an electromagnetic signal is observed, caused by the dynamics of the ice crust on the metal surface.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в обеспечении возможности применения бесконтактного электромагнитного метода для регистрации процессов зарождения распространения деформационных полос и трещин при положительных температурах, когда ледяная корка на поверхности металла отсутствует.The technical task of the invention is to enable the use of a non-contact electromagnetic method for recording the processes of origin of the propagation of deformation bands and cracks at positive temperatures, when there is no ice crust on the metal surface.

Технический результат достигается тем, что в качестве источника электромагнитного излучения используется не ледяная корка, а диэлектрическая окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности алюминиевого сплава, эксплуатируемого в воздушной и водной среде.The technical result is achieved in that the source of electromagnetic radiation is not an ice crust, but a dielectric oxide film, always present on the surface of an aluminum alloy operated in air and water.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения и фигурами 1-6, на которых приведена принципиальная схема стенда для демонстрации способа (фиг. 1) и результаты измерения сигнала ЭМИ, вызванного повреждением поверхности металла, синхронизированные с данными видеосъемки распространяющихся полос деформации (фиг. 2-5) и данными измерения рельефа поверхности (фиг. 6).The essence of the invention is illustrated by an example of a specific implementation and figures 1-6, which shows a schematic diagram of a stand for demonstrating the method (Fig. 1) and the measurement results of the EMP signal caused by damage to the metal surface, synchronized with the video data of the propagating deformation bands (Fig. 2- 5) and surface relief measurement data (FIG. 6).

На стенде испытывают растяжением плоский образец алюминий-магниевого сплава АМгб. Этот сплав демонстрирует механическую неустойчивость в виде прерывистой деформации, вызванной распространением на поверхности сплава полос макролокализованной деформации. Образцы, выполненные в виде двухсторонних лопаток с размером рабочей части 6×3×0.5 мм³, предварительно отжигались при температуре 450°C в течение 1 часа и закаливались на воздухе (средний размер зерна после отжига составил 10 мкм). Растяжение образцов проводили с постоянной скоростью возрастания напряжения

при комнатной температуре в мягкой деформационной машине [Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. С. 20]. Деформацию образца измеряли с помощью триангуляционного датчика положения фирмы Riftec с точностью 1.5 мкм в полосе часто 0-2 кГц, а силовой отклик механической системы машина-образец измеряли помощью датчика усилия Zemic Н3-С3-100 kg-3 В с чувствительностью 1.5 мкВ/Н. Скорость регистрации данных этих датчиков устанавливали равной 2 кГц. Измерения датчиков синхронизировали с высокоскоростной цифровой видеокамерой VS-FAST/G6 НПК «Видеоскан». Скорость видеосъемки поверхности составляла 500 кадр/с. Для контрастирования изображений использовали компьютерную программу вычитания последовательных цифровых изображений [Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. С. 20].At the test bench, a flat specimen of aluminum-magnesium alloy AMgb is tested by stretching. This alloy exhibits mechanical instability in the form of intermittent deformation caused by the propagation of macrolocalized deformation bands on the alloy surface. Samples made in the form of double-sided blades with a working part size of 6 × 3 × 0.5 mm ³ were preliminarily annealed at 450 ° C for 1 hour and quenched in air (the average grain size after annealing was 10 μm). The samples were stretched at a constant rate of increase in stress

at room temperature in a soft deformation machine [Shibkov AA, Lebedkin MA, Zheltov MA, Skvortsov VV, Koltsov R.Yu., Shuklinov AV Factory laboratory. 2005. T. 71. S. 20]. The deformation of the sample was measured using a Riftec triangulation position sensor with an accuracy of 1.5 μm in the often 0-2 kHz band, and the force response of the mechanical machine-sample system was measured using a Zemic H3-C3-100 kg-3 V force sensor with a sensitivity of 1.5 μV / N . The data recording speed of these sensors was set equal to 2 kHz. Sensor measurements were synchronized with the high-speed digital video camera VS-FAST / G6 NPK Videoscan. The video speed of the surface was 500 frames / s. For contrasting the images, a computer program for subtracting sequential digital images was used [Shibkov A.A., Lebedkin M.A., Zheltov M.A., Skvortsov V.V., Koltsov R.Yu., Shuklinov A.V. Factory laboratory. 2005. T. 71. S. 20].

Схема эксперимента показана на фиг. 1. Сигнал ЭМИ измеряли с помощью плоского емкостного зонда 1, расположенного параллельно фронтальной поверхности рабочей части образца 2. Канал регистрации сигнала ЭМИ состоял из высокоомного широкополосного предусилителя 3 (R_вх=10¹² Ом, С_вх=20 пФ, полоса пропускания 1-10⁶ Гц, среднеквадратичный шум 10 мкВ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4 и компьютера 5. Противоположную фронтальную поверхность видеофильмировали с помощью видеокамеры 6. Деформируемый образец электрически изолировали от испытательной машины с помощью стеклотекстолитовых захватов 7. Измерительную ячейку помещали в заземленный корпус 8 толщиной 10 мм, изготовленный из железа армко.The experimental design is shown in FIG. 1. The EMP signal was measured using a flat capacitive probe 1 located parallel to the frontal surface of the working part of the sample 2. The EMR signal recording channel consisted of a high-impedance broadband preamplifier 3 (R _in = 10 ¹² Ohm, C _in = 20 pF, passband 1-10 ⁶ Hz, 10 mV rms noise), an analog-digital converter (ADC) 4 and the computer 5. The opposite front surface videofilmirovali using video camera 6. The deformable pattern electrically isolated from the testing machine through glass fiber O gripper 7. The measuring cell was placed in a grounded housing 8 to 10 mm thick, made of Armco iron.

По результатам видеосъемки эволюции деформационных полос строили корреляционную диаграмму - временную зависимость координаты y границы полосы (полос) и временную зависимость суммарной площади полос A(t)=ΣA_i(f), где A_i - площадь, заключенная между границами расширяющейся полосы. Часть образцов разгружали после деформирования до разрыва и измеряли профиль z(x) статических полос с помощью бесконтактного профилометра Wyko NT 9080 с точностью до 10 нм; здесь z и x - проекции точки на фронтальной поверхности образца в направлениях, перпендикулярных этой поверхности и границе деформационной полосы соответственно.Based on the video of the evolution of the deformation bands, a correlation diagram was constructed - the time dependence of the coordinate y of the border of the strip (s) and the time dependence of the total area of the bands A (t) = ΣA _i (f), where A _i is the area enclosed between the boundaries of the expanding strip. Some samples were unloaded after deformation to rupture, and the z (x) profile of the static bands was measured using a Wyko NT 9080 non-contact profilometer with an accuracy of 10 nm; here z and x are the projections of the point on the front surface of the sample in directions perpendicular to this surface and the boundary of the deformation strip, respectively.

При растяжении с заданной скоростью роста напряжения

алюминий-магниевые сплавы с содержание магния 3-6% демонстрируют ступенчатую кривую деформации [Шибков А.А., Золотов А.Е. Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. С. 412]. В координатах деформация - время или деформация - напряжение (напряжение σ и время t связаны линейно

в этих условиях нагружения) ступенчатая кривая растяжения сплава АМгб и соответствующий сигнал ЭМИ представлены на фиг. 2. Каждая ступень (деформационный скачок) амплитудой

сопровождается импульсным сигналом ЭМИ амплитудой

, причем амплитуда электромагнитного сигнала приблизительно линейно растет с увеличением высоты ступени на деформационной кривой, за исключением последнего скачка, на фронте которого происходит разрыв образца (см. вставку на фиг. 2).Tensile with a given stress growth rate

aluminum-magnesium alloys with a magnesium content of 3-6% show a stepwise curve of deformation [Shibkov A.A., Zolotov A.E. Letters to JETP. 2009. T. 90. S. 412]. In the coordinates, deformation - time or deformation - stress (stress σ and time t are connected linearly

under these loading conditions) a stepwise tensile curve of the AMgb alloy and the corresponding EMR signal are presented in FIG. 2. Each step (deformation jump) in amplitude

accompanied by a pulse signal EMR amplitude

moreover, the amplitude of the electromagnetic signal increases approximately linearly with increasing step height on the deformation curve, with the exception of the last jump, at the front of which the specimen breaks (see inset in Fig. 2).

На фиг. 3 приведены записи переднего фронта сигнала ЭМИ ϕ (1), датчика деформации Δε (2), силового датчика σ (3), синхронизированные с корреляционной диаграммой y (4) и временной зависимостью суммарной площади A (5), а на фиг. 4 представлен фрагмент видеофильма развития деформационных полос, соответствующий развитию деформационного скачка. Стрелками на фиг. 3 отмечены характерные моменты в эволюции полос, а числа y стрелок - кадры видеофильма на фиг. 4. В структуре деформационного скачка, как видно из фиг. 3, имеют место два последовательных скачка (кривая 2), обусловленных: первый - зарождением и расширением первичной (материнской) полосы, а второй - вторичной полосы и полос более высоких порядков, которые зарождаются на границах предшествующих полос (см. корреляционную диаграмму, кривая 4 на фиг. 3).In FIG. Figure 3 shows the records of the leading edge of the EMP signal ϕ (1), the strain gauge Δε (2), the force sensor σ (3), synchronized with the correlation diagram y (4) and the time dependence of the total area A (5), and in FIG. Figure 4 shows a fragment of a film of the development of deformation bands corresponding to the development of a deformation jump. The arrows in FIG. 3, characteristic moments in the evolution of the bands are marked, and the numbers y of the arrows are the frames of the video in FIG. 4. In the structure of the deformation shock, as can be seen from FIG. 3, there are two successive jumps (curve 2), caused by: the first - the nucleation and expansion of the primary (maternal) band, and the second - the secondary band and bands of higher orders that arise at the boundaries of the previous bands (see the correlation diagram, curve 4 in Fig. 3).

Из сопоставления кривых (1)-(5) на фиг. 3 видно, что все основные особенности эволюции полос деформации (зарождение, активная фаза расширения полосы, резкое затухание скорости границ полос, зарождение вторичных полос на границах предшествующих полос и т.д.) отражены в структуре измеряемых временных рядов, особенно в структуре силового отклика σ (t) (кривая 3) и в структуре сигнала собственной электромагнитной эмиссии ϕ (t) (кривая 1). Например, зарождение и активная стадия расширения первичной полосы, отмеченная на фрагменте видеофильма кадрами 50-64, сопровождается соответствующим ростом сигнала ЭМИ ϕ, коррелирующим с временной зависимостью площади этой полосы (кривая 5). Подобным образом согласуется стадия роста сигнала между моментами времени, соответствующими временному отрезку между кадрами 95-108, на котором происходит зарождение и расширение вторичной деформационной полосы, возникающей на «левой» (на фиг. 4) границе первичной полосы (см. также корреляционную диаграмму y(t) на кривой 4 фиг. 3).From a comparison of curves (1) to (5) in FIG. Figure 3 shows that all the main features of the evolution of deformation bands (nucleation, active phase of expansion of the strip, sharp attenuation of the velocity of the boundaries of the bands, nucleation of the secondary bands at the boundaries of the previous bands, etc.) are reflected in the structure of the measured time series, especially in the structure of the force response σ (t) (curve 3) and in the structure of the signal of its own electromagnetic emission ϕ (t) (curve 1). For example, the nucleation and active stage of expansion of the primary band, marked on frames of the video with frames 50-64, is accompanied by a corresponding increase in the EMP signal ϕ, which correlates with the time dependence of the area of this band (curve 5). In a similar way, the stage of signal growth between time instants corresponding to the time interval between frames 95-108, at which the secondary deformation band originates and expands at the "left" (in Fig. 4) boundary of the primary band (see also the correlation diagram y (t) on curve 4 of Fig. 3).

Таким образом, сигнал ЭМИ пропорционален мгновенной деформации образца в ходе развития механической неустойчивости, в то же время силовой отклик σ (t) наиболее чувствителен к событиям быстрой релаксации внутренних напряжений, связанных со стадией зарождения деформационной полосы, которая дает лишь небольшой вклад в общую деформацию образца (см. резкие спады напряжения в моменты времени, соответствующие кадрам 50,51 и 95,96, когда происходит зарождение полос). Длительность фронта разгрузки системы машина-образец, связанной с зарождением первичной и вторичной полос, как обнаружено, порядка 1-2 мс. Столь резкий скачок разгрузки вызывает колебания в силовом отклике на частоте 200 Гц, которая по данным баллистической калибровки совпадает с собственными колебаниями механической системы машина-образец.Thus, the EMR signal is proportional to the instantaneous deformation of the sample during the development of mechanical instability, while the force response σ (t) is most sensitive to events of rapid relaxation of internal stresses associated with the stage of nucleation of the deformation band, which makes only a small contribution to the total deformation of the sample (see sharp voltage drops at time points corresponding to frames 50.51 and 95.96 when bands are nucleated). The duration of the discharge front of the machine-sample system associated with the nucleation of the primary and secondary bands was found to be on the order of 1-2 ms. Such a sharp jump in unloading causes fluctuations in the force response at a frequency of 200 Hz, which, according to ballistic calibration data, coincides with the natural vibrations of the mechanical machine-sample system.

Анализ зарегистрированных сигналов ЭМИ, данных видеосъемки и силовых откликов на развитие прерывистой деформации показывает, что каждый деформационный скачок на кривой растяжения начинается с зарождения первичной деформационной полосы, которая вызывает наиболее глубокий скачок разгрузки механической системы машина-образец амплитудой

и одновременно сигнал ЭМИ в виде резкого скачка потенциала ϕ с типичной амплитудой 80-130 мкВ. Синхронная запись со скоростью 2 кГц сигнала ЭМИ и силового отклика, вызванных зарождением первичной полосы деформации, представлена на фиг. 5. Как видно ,эти сигналы возникают почти одновременно в пределах временного разрешения метода, 0.5 мс. Таким образом, первый всплеск сигнала ЭМИ может служить индикатором (электромагнитным предвестником) развития макроскопического, амплитудой несколько процентов скачка деформации, несмотря на то, что первичная полоса (источник сигнала ЭМИ) дает лишь незначительный вклад в деформационный скачок.An analysis of the recorded EMR signals, video data, and force responses to the development of discontinuous deformation shows that each strain jump in the tensile curve begins with the nucleation of the primary strain strip, which causes the deepest jump in the unloading of the mechanical machine-sample system with amplitude

and at the same time the EMP signal in the form of a sharp jump in the potential ϕ with a typical amplitude of 80-130 μV. Synchronous recording at a speed of 2 kHz of the EMP signal and the force response caused by the nucleation of the primary deformation band is shown in FIG. 5. As can be seen, these signals occur almost simultaneously within the temporal resolution of the method, 0.5 ms. Thus, the first burst of the EMP signal can serve as an indicator (electromagnetic precursor) of the development of a macroscopic, amplitude of several percent strain jump, despite the fact that the primary band (source of the EMP signal) makes only a small contribution to the strain jump.

Рассмотрим механизмы разделения зарядов в деформируемом сплаве, способные вызвать генерирование наблюдаемых сигналов ЭМИ. В отличие от диэлектриков и полупроводников, для которых максвелловское время релаксации τ_M, как правило, больше характерных времен τ_d эволюции дислокационных ансамблей на мезоскопическом и макроуровне (линии и полосы скольжения, полосы Людерса и т.д. [Головин Ю.И., Шибков А.А. Кристаллография. 1990. Т. 35. С. 440, Neuhauser Н. Dislocation in Solids / Edited by F.R.N. Nabarro. North Holland Company. 1983. V. 6. P. 319]), для металлов τ_M<<τ_d

. Поэтому зарегистрированные сигналы ЭМИ могут быть связаны с процессами разделения зарядов вблизи поверхности пластически деформируемого металла. Наиболее известным процессом утечки заряда с поверхности металла является экзоэлектронная эмиссия (ЭЭ) - эффект Крамера [1979 Kramer J. Acta Phys. Austr. 1957. V. 10. P. 327, Рабинович Э. УФН.. Т. 127. С. 163], причем деформационная ЭЭ наблюдается только в условиях освещения и/или нагревания [Минц Р.И., Мильман И.И., Крюк В.И. УФН. 1976. Т. 119. С. 749; Резников В.Г., Розенман Г.И., Мелехин В.П., Минц Р.И. Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 17. С. 608]. Работа выхода чистой поверхности Al равна 4.25 эВ [Евдокимов В.Д., Семов Ю.И. Экзоэлектронная эмиссия при трении. Наука, М. (1973). 181 с.]. Наличие окисной пленки Al₂O₃ увеличивает работу выхода на десятые доли электронвольта, а дефекты кристаллического строения алюминия уменьшают ее на величину не более ~ 1 эВ. Поэтому для эмиссии экзоэлектронов с поверхности алюминия необходима ультрафиолетовая подсветка [Минц Р.И., Мильман И.И., Крюк В.И. 1976. УФН. Т. 119. С. 749, Langehecker J., Ray R. J. Appl. Phys. 1964. V. 35. P. 2588]. Контрольные эксперименты в темноте показали, что характеристики сигналов ЭМИ не отличаются от таковых при дневном освещении. Следовательно, можно заключить, что явление ЭМИ при прерывистой деформации алюминиевого сплава не связано с экзоэлектронной эмиссией.Let us consider the mechanisms of charge separation in a wrought alloy, which can cause the generation of observed EMP signals. In contrast to dielectrics and semiconductors, for which the Maxwell relaxation time τ _M is usually longer than the characteristic times τ _{d of the} evolution of dislocation ensembles at the mesoscopic and macrolevels (slip lines and bands, Luders bands, etc. [Golovin Yu.I., Shibkov A.A. Crystallography. 1990.V. 35. S. 440, Neuhauser N. Dislocation in Solids / Edited by FRN Nabarro. North Holland Company. 1983. V. 6. P. 319]), for metals τ _M <<τ _d

. Therefore, the recorded EMR signals can be associated with charge separation processes near the surface of a plastically deformable metal. The most famous process of charge leakage from a metal surface is exoelectronic emission (EE) - the Kramer effect [1979 Kramer J. Acta Phys. Austr. 1957. V. 10. P. 327, Rabinovich E. UFN .. T. 127. P. 163], and deformation EE is observed only in conditions of lighting and / or heating [Mints RI, Milman II, Hook V.I. Physics-Uspekhi 1976, vol. 119, p. 749; Reznikov V.G., Rosenman G.I., Melekhin V.P., Mints R.I. Letters to JETP. 1973.Vol. 17. S. 608]. The work function of the clean Al surface is 4.25 eV [Evdokimov V.D., Semov Yu.I. Exoelectronic emission during friction. Science, M. (1973). 181 p.]. The presence of an Al ₂ O ₃ oxide film increases the work function by tenths of an electron-volt, and defects in the crystal structure of aluminum reduce it by no more than ~ 1 eV. Therefore, ultraviolet illumination is necessary for the emission of exoelectrons from the surface of aluminum [Mints RI, Milman II, Kryuk VI 1976. Physics-Uspekhi. T. 119. S. 749, Langehecker J., Ray RJ Appl. Phys. 1964. V. 35. P. 2588]. Control experiments in the dark showed that the characteristics of the EMP signals do not differ from those in daylight. Therefore, we can conclude that the phenomenon of electromagnetic radiation during intermittent deformation of an aluminum alloy is not associated with exoelectronic emission.

Рассмотрим роль динамики и/или разрыва диэлектрической окисной пленки в генерировании сигнала ЭМИ в ходе образования и распространения деформационных полос на поверхности алюминиевого сплава. Как известно [Vargel С.Corrosion of aluminium. Elsevier Ltd., Oxford (2004) 658 p.], при температурах ниже 60°C на поверхности алюминия в воздушной среде образуется оксидный слой Al₂O₃ толщиной порядка 10 нм, состоящий из первичного рентгеноаморфного слоя толщиной ≈4 нм, который образуется в течение нескольких миллисекунд и последующего медленно растущего кристаллического слоя. Природа электрической активности оксидного слоя непосредственно связана с механизмом его роста. В настоящее время экспериментально подтвержден механизм формирования оксидного слоя на поверхности алюминия, предложенный ранее Моттом и Кабрерой [Mott N.F. Transactions of the Faraday Society. 1939. V. 35. P. 1175, Cabrera N. Revue de Metallurge. 1948. V. 45. P. 86 (1948)]. В соответствии с этим механизмом после начальной очень быстрой стадии образования окисной пленки, когда молекулы кислорода не могут адсорбироваться на поверхности металла, а лишь на поверхности окисла, электроны проводимости, находящиеся вблизи уровня Ферми металла, туннелируют сквозь окисную пленку и оседают на уровнях кислорода, расположенных ниже уровня Ферми. В результате внешняя поверхность оксида заряжается отрицательно, а противоположный заряд соответственно находится в металле вблизи фазовой границы металл-окисел. Возникающая разность потенциалов порядка 1В создает в тонкой окисной пленке электрическое поле напряженностью 3-10 МВ/см [Мотт Н., Генри Р. Электронные процессы в ионных кристаллах. ИЛ, М.,1960]. Это поле вытягивает катионы металла к внешней границе окисел - газ, где происходит реакция окисления. Такой механизм обеспечивает нормальный рост окисной пленки до 15-20 нм, когда туннельный ток значительно падает из-за роста ширины барьера, а электрическое поле в оксидном слое уменьшается до значения, недостаточного для доставки ионов металла на внешнюю поверхность слоя.Consider the role of the dynamics and / or rupture of a dielectric oxide film in the generation of an electromagnetic radiation signal during the formation and propagation of deformation bands on the surface of an aluminum alloy. As is known [Vargel C. Corrosion of aluminum. Elsevier Ltd., Oxford (2004) 658 p.], At temperatures below 60 ° C, an Al ₂ O ₃ oxide layer with a thickness of about 10 nm is formed on the surface of aluminum in air, consisting of a primary X-ray amorphous layer with a thickness of ≈4 nm, which is formed in for a few milliseconds and the subsequent slowly growing crystalline layer. The nature of the electrical activity of the oxide layer is directly related to the mechanism of its growth. Currently, the mechanism of the formation of an oxide layer on the surface of aluminum, previously proposed by Mott and Cabrera [Mott NF Transactions of the Faraday Society. 1939. V. 35. P. 1175, Cabrera N. Revue de Metallurge. 1948. V. 45. P. 86 (1948)]. In accordance with this mechanism, after the initial very fast stage of oxide film formation, when oxygen molecules cannot be adsorbed on the metal surface, but only on the oxide surface, conduction electrons located near the metal Fermi level tunnel through the oxide film and settle at the oxygen levels located below the Fermi level. As a result, the outer surface of the oxide is negatively charged, and the opposite charge, respectively, is in the metal near the metal-oxide phase boundary. The resulting potential difference of the order of 1 V creates an electric field of 3-10 MV / cm in a thin oxide film [Mott N., Henry R. Electronic processes in ionic crystals. IL, M., 1960]. This field draws metal cations to the outer oxide - gas boundary, where the oxidation reaction takes place. Such a mechanism ensures the normal growth of the oxide film to 15–20 nm, when the tunneling current drops significantly due to the growth of the barrier width, and the electric field in the oxide layer decreases to a value insufficient to deliver metal ions to the outer surface of the layer.

Будем считать, что сигнал ЭМИ обусловлен перемещением нормально к зонду двойного электрического слоя, связанного с окисной пленкой в ходе образования и расширения полосы деформации. Отметим, что полоса деформации в плоском образце представляет собой расширяющуюся шейку. Профиль статической полосы деформации, полученный с помощью профилометра Wyko NT 9080, представлен на фиг. 6. Для деформируемых образцов сплава АМгб ее типичная максимальная глубина в профиле составила 0.6-0.8 мкм, а средняя - 0.3-0.4 мкм.We assume that the EMP signal is due to normal displacement to the probe of the double electric layer associated with the oxide film during the formation and expansion of the deformation band. Note that the deformation band in a flat sample is an expanding neck. The profile of the static deformation band obtained with the Wyko NT 9080 profilometer is shown in FIG. 6. For deformable samples of the AMgb alloy, its typical maximum depth in the profile was 0.6–0.8 μm, and the average depth was 0.3–0.4 μm.

Потенциал поля двойного электрического слоя определяется выражением [Тамм И.Е. Основы теории электричества. М., Наука, 1976, 616 с.]:The potential field of a double electric layer is determined by the expression [Tamm I.E. Fundamentals of the theory of electricity. M., Science, 1976, 616 pp.]:

где dΩ - элемент телесного угла,

- мощность слоя толщиной δ, σ_е - поверхностная плотность заряда, связанная с разностью потенциалов U_e между внешней и внутренней поверхностью окисной пленки соотношением

, где ε - диэлектрическая проницаемость материала пленки, ε₀ - электрическая постоянная. Поэтому потенциал поля на расстоянии r от окисленной поверхности алюминиевого образца имеет вид:where dΩ is the element of the solid angle,

is the thickness of the layer with thickness δ, σ _e is the surface charge density associated with the potential difference U _e between the outer and inner surfaces of the oxide film by the ratio

where ε is the dielectric constant of the film material, ε ₀ is the electric constant. Therefore, the field potential at a distance r from the oxidized surface of the aluminum sample has the form:

где ΔS - площадь слоя. При образовании полосы деформации часть двойного слоя площадью, равной площади полосы ΔS≈А, удаляется от зонда в среднем на величину Δr, равную средней глубине шейки, тогда изменение потенциала Δϕ в точке r будет пропорционально среднему «объему шейки» АΔr:where ΔS is the area of the layer. When a deformation band is formed, part of the double layer with an area equal to the area of the strip ΔS≈A is removed from the probe by an average of Δr equal to the average depth of the neck, then the change in potential Δϕ at point r will be proportional to the average "neck volume" AΔr:

Полагая для окисленного алюминия U_e≈1В [Евдокимов В.Д., Семов Ю.И. Экзоэлектронная эмиссия при трении. М., Наука, 1973, 181 с.], диэлектрическую проницаемость окисной пленки Al₂O₃ ε≈10 [Robertson J.. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. V. 28. P. 265] и учитывая результаты наших экспериментов: А≈3 мм², r=1 мм и Δr≈0.35 мкм, получим Δϕ≈ 2 мВ. Далее необходимо учитывать, что входная цепь предусилителя содержит емкостный делитель, состоящий из собственной емкости зонда С₀~1 пФ и входной емкости С_вх≈20 пФ, тогда смещение двойного слоя на поверхности металла, связанное с эволюцией деформационной полосы, может вызвать сигнал ЭМИ амплитудой

, что по порядку величины совпадает с амплитудой наблюдаемых сигналов ЭМИ, связанных с развитием деформационных полос.Assuming for oxidized aluminum U _e ≈ 1V [Evdokimov V.D., Semov Yu.I. Exoelectronic emission during friction. M., Nauka, 1973, 181 pp.], Dielectric constant of an oxide film Al ₂ O ₃ ε≈10 [Robertson J .. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. V. 28. P. 265] and taking into account the results of our experiments: A≈3 mm ² , r = 1 mm and Δr≈0.35 μm, we obtain Δϕ≈ 2 mV. Further, it is necessary to take into account that the preamplifier input circuit contains a capacitive divider consisting of the probe’s own capacitance C ₀ ~ 1 pF and input capacitance C _in ≈20 pF, then the bias of the double layer on the metal surface due to the evolution of the deformation band can cause an EMP signal with amplitude

, which in order of magnitude coincides with the amplitude of the observed EMP signals associated with the development of deformation bands.

Таким образом, приведенные количественные оценки показывают, что среди возможных причин генерирования сигналов ЭМИ в ходе прерывистой деформации наиболее непротиворечивым является механизм смещения поверхностной электрически активной окисной пленки Al₂O₃, вызванный образованием полосы макролокализованной деформации или трещины.Thus, the quantitative estimates presented show that among the possible reasons for generating EMR signals during intermittent deformation, the most consistent mechanism is the displacement of the surface electrically active oxide film Al ₂ O ₃ caused by the formation of a macrolocalized deformation band or crack.

Краткое описание чертежей:Brief Description of the Drawings:

Фиг. 1. Схема измерения сигнала ЭМИ при растяжении плоского образца. 1 - плоский емкостный зонд, 2 - образец, 3 - предусилитель, 4 - АЦП, 5 - компьютер, 6 - скоростная видеокамера, 7 - стеклотекстолитовые захваты, 8 - экран толщиной 10 мм из железа армко.FIG. 1. The measurement circuit of the EMR signal when tensile flat sample. 1 - a flat capacitive probe, 2 - a sample, 3 - a preamplifier, 4 - an ADC, 5 - a computer, 6 - a high-speed video camera, 7 - fiberglass grips, 8 - a 10 mm thick armco iron screen.

Фиг. 2. Фрагмент ступенчатой кривой растяжения (1) образца сплава АМгб с постоянной скоростью роста напряжения

и соответствующий сигнал ЭМИ (2). Стрелкой отмечен момент разрыва. На вставке - зависимость амплитуды сигнала ЭМИ Δϕ_m от амплитуды деформационного скачка Δε_m - ступени на деформационной кривой.FIG. 2. A fragment of a stepwise tensile curve (1) of an AMgb alloy specimen with a constant voltage growth rate

and the corresponding EMP signal (2). The arrow marks the moment of rupture. The inset shows the dependence of the amplitude of the EMP signal Δϕ _m on the amplitude of the deformation jump Δε _m - steps on the deformation curve.

Фиг. 3. Результаты обработки данных электромагнитного и оптического мониторинга скачка деформации в сплаве АМгб: 1 - передний фронт сигнала ЭМИ ϕ(t), 2 - форма скачка деформации Δε(t), 3 - силовой отклик σ(t), 4 - корреляционная диаграмма y(t),FIG. 3. The results of processing the data of electromagnetic and optical monitoring of the strain jump in the AMGB alloy: 1 - leading edge of the EMP signal ϕ (t), 2 - shape of the strain jump Δε (t), 3 - force response σ (t), 4 - correlation diagram y (t)

5 - временная зависимость суммарной площади полос A(t). Числами на кривой 1 отмечены номера кадров видеофильма, показанного на Фиг. 4.5 - time dependence of the total area of the bands A (t). The numbers on curve 1 indicate the frame numbers of the video shown in FIG. four.

Фиг. 4. Результаты компьютерной обработки видеофильма эволюции полос деформации на скачке деформации сплава АМгб, представленного на Фиг 3. Числа - номера кадров. Температура испытания 25°C.

, скорость видеосъемки 500 кадр/с.FIG. 4. The results of computer processing a video of the evolution of the deformation bands at the deformation jump of the AMGB alloy shown in Fig. 3. Numbers — frame numbers. Test temperature 25 ° C.

, movie speed 500 frames / s.

Фиг. 5. Сигнал ЭМИ ϕ (1) и силовой отклик σ (2) на зарождении первичной деформационной полосы, с которой начинается развитие макроскопического скачка деформации. Скорость записи данных датчиков электрического поля и усилия 2 кГц.FIG. 5. EMR signal ϕ (1) and force response σ (2) at the nucleation of the primary deformation band, with which the development of a macroscopic strain jump begins. The recording speed of the electric field sensors and the effort is 2 kHz.

Фиг. 6. Фрагмент профилограммы поверхности образца АМгб со статической полосой макролокализованной деформации после деформирования образца до 10%.FIG. 6. A fragment of the profilogram of the surface of the AMgb sample with a static strip of macro-localized deformation after deformation of the sample to 10%.

Claims

The method of forming electromagnetic radiation (EMR) of deformable sheet aluminum alloys of the Al-Mg, Al-Cu and Al-Li systems, showing intermittent deformation and band formation; The method includes installing a flat capacitive sensor near a potentially dangerous part of the surface (voltage concentrator) of the metal, deforming it by applying external force using a loading device, generating an EMR signal as a result of the development of mechanical instability in the form of propagating deformation bands, converting the EMP signal using a capacitive EMR sensor and its registration, characterized in that an electrically active oxide film Al ₂ O ₃ on the surface of the aluminum alloy, in this case the EMR signal occurs when the double electric layer is displaced associated with the oxide film relative to the stationary EMR sensor during the nucleation and propagation of the localized plastic deformation band in the form of a traveling neck or during crack propagation.