RU2661980C1 - Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys - Google Patents

Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2661980C1
RU2661980C1 RU2016124884A RU2016124884A RU2661980C1 RU 2661980 C1 RU2661980 C1 RU 2661980C1 RU 2016124884 A RU2016124884 A RU 2016124884A RU 2016124884 A RU2016124884 A RU 2016124884A RU 2661980 C1 RU2661980 C1 RU 2661980C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
acoustic emission
deformation
temperature
khz
Prior art date
Application number
RU2016124884A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016124884A (en
Inventor
Сергей Викторович Макаров
Владимир Александрович Плотников
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет"
Priority to RU2016124884A priority Critical patent/RU2661980C1/en
Publication of RU2016124884A publication Critical patent/RU2016124884A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2661980C1 publication Critical patent/RU2661980C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to plastic processing of metals and can be used in various fields of industry and science for the plastic deformation of aluminum and aluminum alloys. Method of plastic deformation of aluminum and its alloys includes mechanical loading of the deformable volume of the resonator sample under temperature and ultrasonic influence, and mechanical loading is carried out at a voltage of 90–200 MPa in the temperature range 450–250 °C, while in the process of loading, the vibrational energy of the acoustic emission and when it reaches values no lower than 15⋅10-12 V2s, corresponding to the deformation structural transition, ultrasonic action is performed with a frequency selected from the low-frequency range of 20–90 kHz and determined by the geometry of the deformable volume of the resonator sample.
EFFECT: invention is aimed at increasing the plasticity resource of aluminum and its alloys under conditions of simultaneous exposure to mechanical stress, temperature and ultrasonic vibrations.
1 cl, 5 ex, 1 tbl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области пластической обработки металлов может быть использовано в различных областях промышленности и науки для пластического формоизменения алюминия и его сплавов.The invention relates to the field of plastic processing of metals can be used in various fields of industry and science for the plastic forming of aluminum and its alloys.

Известен акустопластический эффект [Blaha, В. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch - 1955. - 42 - Н.20- S. 556.], заключающийся в повышении пластичности материалов под действием ультразвука, экспериментально обнаруженный на ультразвуковых частотах Блаха и Ланженекером [1] и представляющий собой скачкообразное снижение напряжения однонаправленной деформации кристалла при наложении на него знакопеременных деформаций.Known acoustoplastic effect [Blaha, B. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch - 1955. - 42 - H.20- S. 556.], which consists in increasing the ductility of materials under the action of ultrasound, experimentally detected at ultrasonic frequencies by Blach and Langezenecker [1] and representing an abrupt decrease in the stress of unidirectional deformation of a crystal when superimposed on it alternating deformations.

Акустопластический эффект наблюдается в широком диапазоне частот от единиц герц до мегагерц, но наиболее широкое применение он нашел в диапазоне 15-40 кГц. Акустопластический эффект, реализуемый при одновременном воздействии ультразвука и статического нагружения, есть результат суммирования статических напряжений и динамических напряжений ультразвуковой волны.The acoustoplastic effect is observed in a wide range of frequencies from units of hertz to megahertz, but he found the most widespread application in the range of 15-40 kHz. The acoustoplastic effect, which is realized under the simultaneous action of ultrasound and static loading, is the result of the summation of static stresses and dynamic stresses of an ultrasonic wave.

При размещении образца в узле стоячей волны увеличивается скорость ползучести в меди при воздействии продольной стоячей волной частотой 20 кГц. Эффект наблюдают в пучности, сформированной в образце стоячей волны. В технологических процессах при прокатке амплитуда динамических напряжений лежит в диапазоне 107-108 Па. Ввод ультразвука в образец для формирования стоячей волны осуществляется через волновод в виде концентратора ультразвука, объединенного с ультразвуковым преобразователем. При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и статических нагрузок в медном образце существенно возрастает плотность вакансий (1020 вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм). При длительном воздействии ультразвука наблюдается разрушение образцов, обусловленное интенсивным порообразованием по границам зерен.When a sample is placed in a node of a standing wave, the creep rate in copper increases when exposed to a longitudinal standing wave with a frequency of 20 kHz. The effect is observed at an antinode formed in a standing wave sample. In rolling technological processes, the amplitude of dynamic stresses lies in the range of 10 7 -10 8 Pa. The ultrasound is introduced into the sample to form a standing wave through a waveguide in the form of an ultrasound concentrator combined with an ultrasonic transducer. With the simultaneous action of ultrasonic vibrations with a frequency of 20 kHz and static loads in a copper sample, the density of vacancies increases significantly (10 20 vacancies / s with an oscillation amplitude of 1 μm). With prolonged exposure to ultrasound, destruction of the samples is observed due to intense pore formation along the grain boundaries.

Недостатки: эффект охрупчивания и разрушения как негативное проявление длительного ультразвукового воздействия на деформируемый материал и фактически ограничивает использование ультразвука на практике.Disadvantages: the effect of embrittlement and destruction as a negative manifestation of prolonged ultrasonic exposure to the deformable material and actually limits the use of ultrasound in practice.

Известен способ пластической деформации металлов и устройство для его осуществления [Делюсто Лев Георгиевич. Патент РФ №2310526 от 20.11.2007] - прототип. Способ включает обработку деформируемого металла в ходе прокатки ультразвуком частотой до 5 МГц и магнитным полем с индукцией 70 Тл. Повышение пластичности деформируемого металла происходит за счет снижения количества дефектов в металле в ходе непрерывного ультразвукового и магнитного воздействия, причем источником магнитного поля могут быть использованы электромагниты или постоянные магниты. В соответствии с прототипом повышение пластичности есть результат снижения дефектов структуры деформируемого прокаткой металла, что противоречит физике пластичности материалов, согласно которой пластическое поведение металлов осуществляется как раз за счет скольжения дислокаций - линейных дефектов кристаллической решетки.A known method of plastic deformation of metals and a device for its implementation [Delusto Lev Georgievich. RF patent No. 2310526 from 11/20/2007] - a prototype. The method includes processing a deformable metal during rolling by ultrasound with a frequency of up to 5 MHz and a magnetic field with an induction of 70 T. An increase in the ductility of a deformable metal occurs due to a decrease in the number of defects in the metal during continuous ultrasonic and magnetic exposure, and electromagnets or permanent magnets can be used as a source of magnetic field. In accordance with the prototype, an increase in ductility is the result of a decrease in structural defects of the metal being deformed by rolling, which contradicts the physics of plasticity of materials, according to which the plastic behavior of metals is carried out precisely due to the slip of dislocations — linear defects of the crystal lattice.

Недостатки: способ пластического деформирования не повышает пластичность деформируемого металла.Disadvantages: the method of plastic deformation does not increase the ductility of the wrought metal.

Задача изобретения - повышение ресурса пластичности металла в условиях одновременного воздействия механического напряжения, температуры и ультразвуковых колебаний при пластическом деформировании алюминия и его сплавов.The objective of the invention is to increase the resource of plasticity of the metal under conditions of simultaneous exposure to mechanical stress, temperature and ultrasonic vibrations during plastic deformation of aluminum and its alloys.

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Способ пластической деформации алюминия и его сплавов в условиях механического нагружения, воздействия температуры и ультразвукового воздействия заключается в том, что ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте ультразвуковых колебаний из низкочастотного диапазона 20-90 кГц, отвечающей основным резонансам, определяемых геометрией образца-резонатора, то есть геометрией деформируемого объема металла или сплава, при достижении критических параметров температурно-силового воздействия, характеризуемых механическим напряжением 90-200 МПа, температурой в интервале 450-250°C, колебательной энергией акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с, соответствующим деформационному структурному переходу в деформируемом материале.The method of plastic deformation of aluminum and its alloys under mechanical loading, temperature and ultrasonic irradiation consists in the fact that ultrasonic irradiation is carried out at a frequency of ultrasonic vibrations from the low frequency range of 20-90 kHz, which corresponds to the main resonances determined by the geometry of the resonator sample, i.e., the geometry deformable volume of a metal or alloy, upon reaching critical parameters of the temperature-force impact, characterized by mechanical stress 90-200 MPa, with a temperature in the range of 450-250 ° C, vibrational energy of acoustic emission of at least 15 * 10 -12 V 2 s, corresponding to a deformation structural transition in a deformable material.

Поставленная задача достигается тем, что в ходе совместного воздействия на металл или сплав механического нагружения и температуры ультразвуковое воздействие осуществляется лишь после деформационного структурного перехода. Деформационный структурный переход фиксируется по моменту времени значительного (в 4-5 раз) увеличения скорости накопления деформации в деформируемом материале, которому в соответствие ставится механическое напряжение и достигнутая температура. К этому моменту в деформируемом объеме запасается критический уровень колебательной энергии внутреннего акустического поля стоячих акустических волн величиной не ниже 15*10-12 В2с, сформированных из первичных сигналов акустической эмиссии. Этому моменту времени соответствует начало внешнего ультразвукового воздействия на частоте ультразвуковых колебаний, соответствующих основным низкочастотным резонансам в интервале частот 20-90 кГц, определяемых геометрией образца-резонатора.The task is achieved by the fact that in the course of a joint action on a metal or alloy of mechanical loading and temperature, ultrasonic treatment is carried out only after a deformation structural transition. The deformation structural transition is fixed at the time instant of a significant (4-5 times) increase in the rate of accumulation of deformation in the deformable material, which corresponds to the mechanical stress and the temperature reached. At this point, a critical level of vibrational energy of the internal acoustic field of standing acoustic waves of at least 15 * 10 -12 V 2 s generated from the primary acoustic emission signals is stored in the deformable volume. This moment of time corresponds to the beginning of external ultrasonic exposure at the frequency of ultrasonic vibrations corresponding to the main low-frequency resonances in the frequency range 20-90 kHz, determined by the geometry of the resonator sample.

Способ реализуется следующим образомThe method is implemented as follows

1. Подготовленные образцы из алюминиево-магниевых сплавов размещают в установку для высокотемпературного механического и ультразвукового воздействия.1. Prepared samples of aluminum-magnesium alloys are placed in the installation for high-temperature mechanical and ultrasonic exposure.

2. Образцы нагружают механическим напряжением в интервале 90-200 МПа и нагревают до температуры в интервале 450-250°C (для напряжения 90 МПа температура не ниже 450°C, для напряжения 200 МПа температура не ниже 250°С), регистрируя прирост деформации и акустическую эмиссию.2. Samples are loaded with mechanical stress in the range of 90-200 MPa and heated to a temperature in the range of 450-250 ° C (for a voltage of 90 MPa, the temperature is not lower than 450 ° C, for a voltage of 200 MPa, the temperature is not lower than 250 ° C), registering a strain increase and acoustic emissions.

3. В момент деформационного структурного перехода, когда колебательная энергия акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с, осуществляется ввод в деформируемый образец ультразвуковых колебаний на частоте основных резонансов из низкочастотного диапазона от 20 до 90 кГц.3. At the moment of the deformation structural transition, when the vibrational energy of acoustic emission is not lower than 15 * 10 -12 V 2 s, ultrasonic vibrations are introduced into the deformable sample at the frequency of the main resonances from the low-frequency range from 20 to 90 kHz.

4. Ультразвуковые колебания вводятся в деформируемый образец с помощью волновода, объединенного с концентратором ультразвука магнитострикционного преобразователя.4. Ultrasonic vibrations are introduced into the deformable sample using a waveguide combined with an ultrasound concentrator of a magnetostrictive transducer.

Воздействие ультразвуком на частоте основных резонансов деформируемого объема в низкочастотном диапазоне 20-90 кГц в момент естественного высокопластичного структурного состояния деформируемого материала, подготовленного совместное действием механического напряжения в интервале 90-200 МПа, температуры в интервале

Figure 00000001
и колебательной энергией акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с, увеличивает ресурс аномальной пластичности деформируемого металла.Ultrasonic exposure at the frequency of the main resonances of the deformable volume in the low frequency range of 20-90 kHz at the time of the natural high-plastic structural state of the deformable material, prepared jointly by mechanical stress in the range of 90-200 MPa, temperature in the range
Figure 00000001
and vibrational energy of acoustic emission not lower than 15 * 10 -12 V 2 s, increases the resource of abnormal plasticity of the deformed metal.

Примеры конкретного исполненияExamples of specific performance

Пример 1Example 1

Металлический образец из алюминия или алюминиево-магниевого сплава АМг6, в виде стержня 1, соединенный с волноводом акустической эмиссии помещают в устройство для термического и механического воздействия, фиг. 1. Образец 1 закрепляют в неподвижном захвате 2, нагружают механической нагрузкой в интервале 40-200 МПа с помощью подвижного захвата 3, нагревают элементом 4 до 550°C и измеряют прирост деформации с помощью измерителя деформации, совмещенного с подвижным захватом 3. При одновременном воздействии механического нагружения и нагрева образца 1 происходит пластическое деформирование металла, сопровождающееся акустической эмиссией. Данные об акустической эмиссии в виде электрических сигналов, полученные с помощью пьезопреобразователя 5, по каналу I поступают на аналогоцифровой преобразователь 6 и компьютер 7. По каналам II, III соответственно поступают данные о температуре и деформации также на аналогоцифровой преобразователь 6 и компьютер 7 для обработки и анализа данных.A metal sample of aluminum or AMg6 aluminum-magnesium alloy, in the form of a rod 1, connected to an acoustic emission waveguide is placed in a device for thermal and mechanical action, FIG. 1. Sample 1 is fixed in a fixed grip 2, loaded with a mechanical load in the range of 40-200 MPa using a movable grip 3, heated by an element 4 to 550 ° C and the strain growth is measured using a strain gauge combined with a movable grip 3. With simultaneous exposure mechanical loading and heating of sample 1, plastic deformation of the metal occurs, accompanied by acoustic emission. Data on acoustic emission in the form of electrical signals obtained using a piezoelectric transducer 5 is transmitted via channel I to an analog-to-digital converter 6 and computer 7. Via channels II and III, respectively, data on temperature and strain are also transmitted to an analog-digital converter 6 and computer 7 for processing and data analysis.

С помощью установки (фиг. 1) провели деформирование образцов алюминиево-магниевого сплава в интервале нагрузок 40-200 МПа и нагреве от комнатной температуры до 550°C. Как показано на фиг. 2 при нагрузке 120 МПа характер накопления деформации представляет собой монотонный (область I) и квазискачкообразный (область II), монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонное возрастание среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, квазискачкообразному характеру отвечает резкое возрастание среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Резкое возрастание среднеквадратичного напряжения свидетельствует о существенном увеличении колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом объеме образца.Using the installation (Fig. 1), the samples of aluminum-magnesium alloy were deformed in the load range of 40-200 MPa and heated from room temperature to 550 ° C. As shown in FIG. 2, at a load of 120 MPa, the character of deformation accumulation is monotonic (region I) and quasi-jumble (region II), the monotonous nature of deformation accumulation corresponds to a monotonous increase in the rms voltage of acoustic emission, and the quasi-jump nature corresponds to a sharp increase in the rms voltage of acoustic emission. A sharp increase in the rms stress indicates a significant increase in the vibrational energy of acoustic emission in the deformable volume of the sample.

Установлено, что переход из области I в область II, характеризуемый существенным (в 4-5 раз) возрастанием скорости накопления деформации, представляет собой деформационный структурный переход. Деформационному структурному переходу отвечают критические значения параметров термомеханического воздействия: механического напряжения в интервале 90 - 200 МПа, температуры в интервале 450-250°C, колебательной энергии акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с.It was established that the transition from region I to region II, characterized by a significant (4-5 times) increase in the rate of accumulation of deformation, is a deformation structural transition. The deformation structural transition corresponds to the critical values of the thermomechanical impact parameters: mechanical stress in the range of 90 - 200 MPa, temperature in the range of 450-250 ° C, vibrational energy of acoustic emission of at least 15 * 10 -12 V 2 s.

Пример 2Example 2

Проведем анализ спектра акустических сигналов, полученных в примере 1, в виде временных зависимостей среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Анализ спектра проводят методом быстрого преобразования Фурье. На фиг. 3 приведено распределение спектральной плотности сигналов акустической эмиссии в диапазоне от 10 кГц до 700 кГц, зарегистрированного в ходе деформации образца алюминия.Let us analyze the spectrum of acoustic signals obtained in Example 1 in the form of time dependences of the rms voltage of acoustic emission. Spectrum analysis is carried out by the fast Fourier transform method. In FIG. Figure 3 shows the distribution of the spectral density of acoustic emission signals in the range from 10 kHz to 700 kHz, recorded during the deformation of an aluminum sample.

Из приведенных данных следует, что энергия сигналов акустической эмиссии распределена в двух частотных диапазонах: в высокочастотном от 100 кГц и до 700 кГц спектральная плотность мала и распределена около частот 600, 350 и 150 кГц; в низкочастотном в интервале от 10 кГц и до 100 кГЦ колебательная энергии существенно выше, чем в высокочастотном диапазоне. Диапазон частот 100-700 кГц характеризует спектр первичных сигналов акустической эмиссии. Низкочастотный диапазон частот 10-100 кГц представляет собой совокупность острых (фактически резонансных) пиков, сформированных за счет перераспределения колебательной энергии первичных сигналов акустической эмиссии.From the above data it follows that the energy of acoustic emission signals is distributed in two frequency ranges: in the high-frequency range from 100 kHz to 700 kHz, the spectral density is small and distributed around frequencies of 600, 350 and 150 kHz; in the low-frequency range from 10 kHz to 100 kHz, the vibrational energy is significantly higher than in the high-frequency range. The frequency range 100-700 kHz characterizes the spectrum of primary acoustic emission signals. The low-frequency range of frequencies of 10-100 kHz is a set of sharp (actually resonant) peaks formed due to the redistribution of the vibrational energy of the primary signals of acoustic emission.

Таким образом, колебательная энергия акустической эмиссии сконцентрирована в низкочастотной области. Резонансный характер распределения спектральной плотности акустической эмиссии в низкочастотной области свидетельствует о формировании акустического поля стоячих волн в деформируемом объеме материала.Thus, the vibrational energy of acoustic emission is concentrated in the low-frequency region. The resonance nature of the distribution of the spectral density of acoustic emission in the low-frequency region indicates the formation of the acoustic field of standing waves in the deformable volume of the material.

Пример 3Example 3

Проведем анализ низкочастотного спектра акустической в диапазоне от 10 до 100 кГц, полученного при нагреве нагруженного алюминиевого образца. На фиг. 4а, б представлен процесс накопления деформации в образце и сопровождающая акустическая эмиссия при нагреве образца до 650°C в условиях действия сдвиговой нагрузки величиной 25 МПа. Процесс накопления деформации при нагреве до 560°C (область I) носит монотонный характер. После 560°C накопление деформации представляет собой скачкообразные акты, перемежающиеся монотонными участками (область II). Монотонному характеру накопления деформации в области I соответствует акустическая эмиссия, среднеквадратичное напряжение которой монотонно возрастает при повышении температуры. Скачкообразному характеру накопления деформации в области II соответствует дискретная акустическая эмиссия.Let us analyze the low-frequency acoustic spectrum in the range from 10 to 100 kHz obtained by heating a loaded aluminum sample. In FIG. Figures 4a and 4b show the process of strain accumulation in the sample and the accompanying acoustic emission when the sample is heated to 650 ° C under shear load of 25 MPa. The process of strain accumulation upon heating to 560 ° C (region I) is monotonic. After 560 ° C, the accumulation of deformation is spasmodic events alternating with monotonic sections (region II). The monotonic character of strain accumulation in region I corresponds to acoustic emission, the rms stress of which monotonically increases with increasing temperature. The abrupt nature of the accumulation of deformation in region II corresponds to discrete acoustic emission.

Проанализируем низкочастотную область спектральной плотности сигналов акустической эмиссии, характерную для области I накопления деформации. На фиг. 5 представлено распределение спектральной плотности, характерное для монотонного накопления деформации. Характерной особенностью спектра является его дискретный вид, представляющий собой совокупность низкочастотных пиков спектральной плотности сигналов акустической эмиссии, расположенных в частотном диапазоне примерно 20-50 кГц. В полосе частот 60-100 кГц спектральная плотность сигналов близка к спектральной плотности шума.Let us analyze the low-frequency region of the spectral density of acoustic emission signals characteristic of region I of strain accumulation. In FIG. Figure 5 shows the spectral density distribution characteristic of monotonic strain accumulation. A characteristic feature of the spectrum is its discrete form, which is a combination of low-frequency peaks of the spectral density of acoustic emission signals located in the frequency range of about 20-50 kHz. In the frequency range 60-100 kHz, the spectral density of the signals is close to the spectral density of the noise.

Проанализируем низкочастотную спектральную плотность сигналов акустической эмиссии, характерную для накопления деформации в области II (фиг. 6). Как следует из данных фиг. 6 наблюдается значительное усложнение спектра, в нем появились спектральные составляющие в диапазоне 60-90 кГц, которые при монотонном накоплении деформации слабо выражены.Let us analyze the low-frequency spectral density of acoustic emission signals, which is characteristic for the accumulation of deformation in region II (Fig. 6). As follows from the data of FIG. 6, a significant complication of the spectrum is observed; spectral components appeared in it in the range 60–90 kHz, which are weakly expressed during monotonic accumulation of deformation.

Усложнение спектра, обусловленное появлением новых спектральных составляющих акустического поля акустической эмиссии и существенным возрастание спектральной плотности в интервале частот 60-90 кГц, свидетельствует о накоплении колебательной энергии в маломасштабных резонаторах.The complication of the spectrum, due to the appearance of new spectral components of the acoustic field of acoustic emission and a significant increase in spectral density in the frequency range 60-90 kHz, indicates the accumulation of vibrational energy in small-scale resonators.

Пример 4Example 4

Рассмотрим совокупность резонаторов в системе образец-волновод в примере 3 (фиг. 7).Consider the set of resonators in the sample-waveguide system in example 3 (Fig. 7).

Волновод и образец представляют собой стержень цилиндрической формы общей длиной около 300 мм, часть которого длиной 30 мм и диаметром 4 мм представляет собой участок локализации деформации, который делит волновод на две части длиной 220 и 100 мм. Согласно, геометрии системы волновод - образец, выделяют в качестве резонаторов участок волновода в виде стержня длиной около 200 мм, передающий акустическую энергию в пьезопреобразователь, участок волновода в виде стержня длиной около 100 мм, которым наш образец крепится в устройстве нагружения, участок волновода длиной 30 мм и диаметром 4 мм, расположенный между этими двумя участками волновода, являющийся областью локализации сдвиговой деформации.The waveguide and the sample are a rod of cylindrical shape with a total length of about 300 mm, part of which is 30 mm long and 4 mm in diameter is a strain localization section that divides the waveguide into two parts 220 and 100 mm long. According to the geometry of the waveguide-sample system, a section of the waveguide in the form of a rod with a length of about 200 mm is selected as resonators, which transmits acoustic energy to the piezoelectric transducer, a section of the waveguide in the form of a rod with a length of about 100 mm, with which our sample is mounted in a loading device, a section of the waveguide is 30 mm and a diameter of 4 mm, located between these two sections of the waveguide, which is the area of localization of shear strain.

Проанализируем совокупность возможных резонаторов в нашей системе образец-волновод (табл. 1). Расчет геометрических параметров резонаторов проводят на основе условия стоячей волныLet us analyze the set of possible resonators in our sample-waveguide system (Table 1). The calculation of the geometric parameters of the resonators is carried out on the basis of the standing wave condition

L=kλ/2, гдеL = kλ / 2, where

L - размер акустического резонатора,L is the size of the acoustic resonator,

λ - длина волны, k - номер резонанса,λ is the wavelength, k is the resonance number,

при k=1 длина волны соответствует первому (основному) резонансу.at k = 1, the wavelength corresponds to the first (main) resonance.

Длина волны определена согласно выражению λ=VT, гдеThe wavelength is determined according to the expression λ = VT, where

V - скорость распространения акустических колебаний,V is the propagation velocity of acoustic vibrations,

Т - период колебания, связанный с частотой f резонанса выражением T=1/f.T is the oscillation period associated with the resonance frequency f by the expression T = 1 / f.

При расчете учтено, что в деформируемом объеме распространяются волновые пакеты акустической эмиссии как на продольных, так и на поперечных волнах. Кроме того, необходимо учесть, что при повышении температуры скорость распространения ультразвуковых колебаний уменьшается. Для алюминия и сплавов уменьшение достигает 17%.In the calculation, it was taken into account that wave packets of acoustic emission propagate in both the longitudinal and transverse waves in the deformable volume. In addition, it must be taken into account that with increasing temperature the propagation velocity of ultrasonic vibrations decreases. For aluminum and alloys, the reduction reaches 17%.

В нашем случае важен резонатор, связанный с деформируемой частью длиной 30 мм. Из табл. 1 следует, что в деформируемом объеме диаметром 4,0 мм и длиной 30 мм в основном формируются стоячие поперечные (сдвиговые) волны, то есть накапливается сдвиговая колебательная энергия акустической эмиссии.In our case, the resonator associated with the deformable part with a length of 30 mm is important. From the table. 1, it follows that in a deformable volume with a diameter of 4.0 mm and a length of 30 mm, standing transverse (shear) waves are mainly formed, that is, shear vibrational energy of acoustic emission is accumulated.

Пример 5Example 5

Из совокупности данных примеров 1-4 следует, что накопление деформации в сплавах алюминия при высоких температурах осуществляется двояким образом: в области I монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонная акустическая эмиссия с низким значением колебательной энергии; в область II высокоскоростному (скачкообразному) накоплению соответствует акустическая эмиссия с высоким значением колебательной энергии. Переход из области I в область II, представляет собой деформационный структурный переход. Деформационному структурному переходу отвечают критические значения параметров термомеханического воздействия: механического напряжения в интервале 90-200 МПа, температуры в интервале 450-250°C, колебательной энергии акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с.From the totality of the data of examples 1-4 it follows that the accumulation of deformation in aluminum alloys at high temperatures is carried out in two ways: in region I, the monotonic nature of the accumulation of deformation corresponds to monotonous acoustic emission with a low value of vibrational energy; in region II, high-speed (spasmodic) accumulation corresponds to acoustic emission with a high value of vibrational energy. The transition from region I to region II is a deformational structural transition. The deformation structural transition corresponds to the critical values of the thermomechanical effects: mechanical stress in the range of 90-200 MPa, temperature in the range of 450-250 ° C, vibrational energy of acoustic emission of not less than 15 * 10 -12 V 2 s.

Таким образом, активизация пластичности в ходе накопления деформации в области II осуществляется не только за счет действия механических напряжений и температуры, но и за счет формирования в деформируемом объеме материала ультразвукового поля стоячих волн акустической эмиссии, то есть пластическое поведение деформируемого материала определяется совместным действием тепловых флуктуаций теплового поля, статических смещений поля напряжений и динамических смещений акустического поля стоячих волн акустической эмиссии.Thus, plasticity is activated during the accumulation of deformation in region II not only due to the action of mechanical stresses and temperature, but also due to the formation of an ultrasonic field of standing acoustic emission waves in the deformable volume of the material, i.e., the plastic behavior of the deformed material is determined by the combined action of thermal fluctuations thermal field, static displacements of the stress field and dynamic displacements of the acoustic field of standing waves of acoustic emission.

Типичным проявлением акустико-пластического эффекта является состояния аномальной пластичности при ультразвуковом облучении деформируемого образца. Следовательно к естественной пластичности, наведенной температурным воздействием, воздействием механическими напряжениями и полем динамических смещений стоячих акустических волн акустической эмиссии, добавляется пластичность, наведенная внешним ультразвуковым воздействием. Однако при длительном облучении ультразвуком частотой 20 кГц в поликристаллическом алюминии появляется избыточных вакансий. Высокая плотность вакансий (1020 вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм) приводит к разрушению материала, обусловленного интенсивным порообразованием по границам зерен.A typical manifestation of the acoustic-plastic effect is the state of abnormal plasticity during ultrasonic irradiation of a deformed sample. Consequently, the plasticity induced by external ultrasound is added to the natural plasticity induced by the temperature effect, the action of mechanical stresses and the field of dynamic displacements of standing acoustic waves of acoustic emission. However, during prolonged irradiation with ultrasound at a frequency of 20 kHz, excess vacancies appear in polycrystalline aluminum. The high density of vacancies (10 20 vacancies / s with an oscillation amplitude of 1 μm) leads to the destruction of the material due to intense pore formation along the grain boundaries.

Таким образом, действие внешнего ультразвукового облучения необходимо ограничить только длительностью накопления деформации в области II, где естественная пластичность суммируется с пластичностью наведенной внешним ультразвуковым воздействием. Начало процесса накопления деформации в области II определяется достижением температурой, механическим напряжением и колебательной энергией поля стоячих волн акустической эмиссии критических значений, приведенных выше. Частота ультразвуковых колебаний в нашем случае выбирается в диапазоне 60-90 кГц и определяется резонансными свойствами деформируемого объема. Разумеется, при изменении геометрии деформируемого объема изменяются резонансные свойства резонатора. Это обстоятельство требует корректировки частотного диапазона внешнего ультразвукового воздействия в диапазоне 20-90 кГц. Корректировки внутреннего акустического поля стоячих волн акустической эмиссии не требуется, так как процесс формирования акустических стоячих волн акустической эмиссии, определяемый геометрией резонатора, устанавливается автоматически.Thus, the effect of external ultrasonic irradiation must be limited only by the duration of the accumulation of deformation in region II, where the natural plasticity is summed up with the plasticity induced by external ultrasonic action. The onset of the strain accumulation process in region II is determined by the achievement of the critical values given above by the temperature, mechanical stress, and vibrational energy of the field of standing waves of acoustic emission. The frequency of ultrasonic vibrations in our case is selected in the range of 60-90 kHz and is determined by the resonance properties of the deformable volume. Of course, when the geometry of the deformable volume is changed, the resonant properties of the resonator change. This circumstance requires adjustment of the frequency range of external ultrasonic exposure in the range of 20-90 kHz. Correction of the internal acoustic field of standing waves of acoustic emission is not required, since the process of formation of acoustic standing waves of acoustic emission, determined by the geometry of the resonator, is set automatically.

Figure 00000002
Figure 00000002

Параметры акустических резонаторов системы образец - волновод.Parameters of acoustic resonators of the sample-waveguide system.

Claims (1)

Способ пластической деформации алюминия и его сплавов, включающий механическое нагружение деформируемого объема образца-резонатора при температурном и ультразвуковом воздействии, отличающийся тем, что механическое нагружение осуществляют при напряжении 90-200 МПа в интервале температур 450-250°С, при этом в процессе нагружения измеряют колебательную энергию акустической эмиссии и при достижении ею значений не ниже 15⋅10-12 В2с, соответствующих деформационному структурному переходу, осуществляют ультразвуковое воздействие с частотой, выбираемой из низкочастотного диапазона 20-90 кГц и определяемой геометрией деформируемого объема образца-резонатора.The method of plastic deformation of aluminum and its alloys, including mechanical loading of the deformable volume of the resonator sample under temperature and ultrasound exposure, characterized in that the mechanical loading is carried out at a voltage of 90-200 MPa in the temperature range 450-250 ° C, while in the process of loading measure vibrational energy, and the acoustic emission generated at the values not lower 15⋅10 -12 V 2 with corresponding deformation structural transition, sonication is performed at a frequency sps haven from the low frequency range of 20-90 kHz and defined by the geometry of the deformable volume of the sample cavity.
RU2016124884A 2016-06-21 2016-06-21 Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys RU2661980C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016124884A RU2661980C1 (en) 2016-06-21 2016-06-21 Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016124884A RU2661980C1 (en) 2016-06-21 2016-06-21 Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016124884A RU2016124884A (en) 2017-12-26
RU2661980C1 true RU2661980C1 (en) 2018-07-23

Family

ID=62981530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016124884A RU2661980C1 (en) 2016-06-21 2016-06-21 Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661980C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2724209C1 (en) * 2019-10-17 2020-06-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of aluminum and its alloys

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111024917A (en) * 2019-12-23 2020-04-17 北京工业大学 On-line recovery method for plastic deformation after cyclic loading

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1532596A1 (en) * 1987-10-19 1989-12-30 Предприятие П/Я Г-4086 Method of high-temperature thermomechanical treatment of high-speed steels
US20070068605A1 (en) * 2005-09-23 2007-03-29 U.I.T., Llc Method of metal performance improvement and protection against degradation and suppression thereof by ultrasonic impact
RU2310526C2 (en) * 2003-08-28 2007-11-20 Лев Георгиевич Делюсто Metal plastic deformation method and apparatus for performing the same
RU2529327C2 (en) * 2012-12-17 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method of combined surface hardening

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1532596A1 (en) * 1987-10-19 1989-12-30 Предприятие П/Я Г-4086 Method of high-temperature thermomechanical treatment of high-speed steels
RU2310526C2 (en) * 2003-08-28 2007-11-20 Лев Георгиевич Делюсто Metal plastic deformation method and apparatus for performing the same
US20070068605A1 (en) * 2005-09-23 2007-03-29 U.I.T., Llc Method of metal performance improvement and protection against degradation and suppression thereof by ultrasonic impact
RU2529327C2 (en) * 2012-12-17 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method of combined surface hardening

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2724209C1 (en) * 2019-10-17 2020-06-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of aluminum and its alloys

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016124884A (en) 2017-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hung et al. Investigations on the material property changes of ultrasonic-vibration assisted aluminum alloy upsetting
US20220244156A1 (en) Method and system for analysing a test piece
Liakat et al. On the anelasticity and fatigue fracture entropy in high-cycle metal fatigue
Hu et al. Ultrasonic dynamic impact effect on deformation of aluminum during micro-compression tests
RU2661980C1 (en) Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys
JP2017071860A (en) Method and system, which locally control residual stress of metallic component
Mishakin et al. Relation between the deformation energy and the Poisson ratio during cyclic loading of austenitic steel
Lage et al. Automation in strain and temperature control on VHCF with an ultrasonic testing facility.
Wen-jie et al. The influential factors on very high cycle fatigue testing results
Kukudzhanov et al. A model of thermoelectroplasticity of variations in the mechanical properties of metals based on defect structure reorganization under the action of pulse electric current
Yang et al. Strain-controlled low-cycle fatigue behavior of friction stir-welded AZ31 magnesium alloy
RU2698524C1 (en) Method of monitoring electron-beam technology of surface alloying and thermal treatment in vacuum chambers
RU2653741C2 (en) Method of plastic deformation of alloys from aluminum
Makarov et al. Macroscopic correlation of deformation events in low-stability state of the crystal lattice and spectral density of acoustic emission signals
Ohtani et al. Ultrasonic attenuation and microstructural evolution throughout tension–compression fatigue of a low-carbon steel
Stepanov et al. High-density pulse current-induced unsteady stress-strain state in a long rod
JP5450905B1 (en) A method for predicting the remaining creep life of bainite structure.
Mukhopadhyay et al. Characterization of microstructural changes due to prolonged thermal exposure of directionally solidified Ni-base super alloy CM 247LC using ultrasonic
RU2724209C1 (en) Method of plastic deformation of aluminum and its alloys
Ogi et al. In-situ monitoring of ultrasonic attenuation during rotating bending fatigue of carbon steel with electromagnetic acoustic resonance
RU2639278C2 (en) Method of plastic deformation of metals and alloys
Liu et al. High-cycle fatigue and thermal dissipation investigations for low carbon steel Q345
Pham et al. Influence of temperature on mechanical characteristics of 1018 low carbon steel estimated by ultrasonic non-destructive testing method
Metya et al. Assessment of localized plastic deformation during fatigue in polycrystalline copper by nonlinear ultrasonic
Göken et al. Strain-dependent damping of Ti-10V-2Fe-3Al at room temperature