RU2724209C1 - Method of plastic deformation of aluminum and its alloys - Google Patents

Method of plastic deformation of aluminum and its alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2724209C1
RU2724209C1 RU2019133267A RU2019133267A RU2724209C1 RU 2724209 C1 RU2724209 C1 RU 2724209C1 RU 2019133267 A RU2019133267 A RU 2019133267A RU 2019133267 A RU2019133267 A RU 2019133267A RU 2724209 C1 RU2724209 C1 RU 2724209C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ultrasonic
aluminum
action
sample
alloys
Prior art date
Application number
RU2019133267A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Викторович Макаров
Владимир Александрович Плотников
Евгений Евгеньевич Евтушенко
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 RU2019133267A priority Critical patent/RU2724209C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724209C1 publication Critical patent/RU2724209C1/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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to plastic processing of metals, in particular to method of plastic deformation of aluminum and its alloys, consisting in simultaneous thermomechanical and ultrasonic action. Ultrasound action on metal or alloy is carried out during the whole process of thermomechanical action and is formed by application to ultrasonic piezoelectric transducer of low-voltage alternating voltage with amplitude of 50 mV at frequency of main resonance determined by geometry of deformed volume of sample.EFFECT: method provides increased service life of plasticity of alloy at simultaneous action of mechanical stress, temperature, standing waves formed by acoustic emission and low-amplitude ultrasonic oscillations of external source at plastic deformation of aluminum and its alloys.1 cl, 3 tbl, 5 dwg, 5 ex

Description

Изобретение относится к области пластической обработки металлов может быть использовано в различных областях промышленности и науки для глубокого формования металлических материалов.The invention relates to the field of plastic processing of metals can be used in various fields of industry and science for deep molding of metallic materials.

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. - N. 20. - S. 556.], which consists in increasing the plasticity of materials under the action of ultrasound, experimentally detected at ultrasonic frequencies by Blach and Langezenecker [1] and representing a stepwise decrease in the stress of unidirectional deformation of the crystal when applied to 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. В технологических процессах, например, 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 магнитострикционным преобразователем. При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и статических нагрузок, например, 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.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. In technological processes, for example, during rolling, the amplitude of dynamic stresses lies in the range 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 magnetostrictive transducer. With the simultaneous action of ultrasonic vibrations with a frequency of 20 kHz and static loads, for example, 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, фактически ограничивающий использование ультразвука на практике.Disadvantages: the effect of embrittlement and fracture as a negative manifestation of prolonged ultrasonic action on the deformable material, which actually limits the use of ultrasound in practice.

Известно, что при размещении образца в узле стоячей волны увеличивается скорость ползучести в меди [2] и алюминии [3] при воздействии продольной стоячей волной частотой 20 кГц. Эффект наблюдают при совместном действии статических напряжений величиной до 107 Па и динамических напряжений величиной до 108 Па. Недостатки, как и в предыдущем случае, разрушение материала при длительном ультразвуковом воздействии в ходе ползучести.It is known that when a sample is placed in a node of a standing wave, the creep rate in copper [2] and aluminum [3] increases under the action of a longitudinal standing wave with a frequency of 20 kHz. The effect is observed under the combined action of static stresses up to 10 7 Pa and dynamic stresses up to 10 8 Pa. Disadvantages, as in the previous case, the destruction of the material during prolonged ultrasonic exposure during creep.

Известен способ пластической деформации алюминия и его сплавов [4] в условиях механического нагружения, воздействия температуры и ультразвука. Согласно этому способу 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, соответствующим деформационному структурному переходу в деформируемом материале.A known method of plastic deformation of aluminum and its alloys [4] under mechanical loading, temperature and ultrasound. According to this method, ultrasonic action 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 of the deformable volume of the metal or alloy, when critical parameters are reached corresponding to the deformation structural transition in the deformable material.

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.Ultrasonic action is carried out only after the 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.

Выбор этого момента ультразвукового воздействия и определяет недостатки способа и усложняет его реализацию.The choice of this moment of ultrasonic exposure and determines the disadvantages of the method and complicates its implementation.

Задача изобретения - упрощение реализации способа; повышение ресурса пластичности металла (сплава) в условиях одновременного воздействия механического напряжения, температуры, стоячих волн, сформированных акустической эмиссией и низкоамплитудными ультразвуковыми колебаниями внешнего источника при пластическом деформировании алюминия и его сплавов.The objective of the invention is to simplify the implementation of the method; an increase in the plasticity resource of a metal (alloy) under conditions of simultaneous action of mechanical stress, temperature, standing waves formed by acoustic emission and low-amplitude ultrasonic vibrations of an external source during plastic deformation of aluminum and its alloys.

Поставленная задача достигается тем, что ультразвуковое воздействие на металл или сплав осуществляется в ходе всего процесса термомеханического воздействия.The problem is achieved in that the ultrasonic effect on the metal or alloy is carried out during the entire process of thermomechanical exposure.

Ультразвуковое воздействие осуществляют низкоамплитудными ультразвуковыми колебаниями на частоте, выбираемой из низкочастотного диапазона 20-100 кГц, отвечающей основным резонансам акустической эмиссии, определяемым геометрией образца-резонатора, то есть геометрией деформируемого объема металла или сплава. Для исключения негативного влияния генерирования избыточной концентрации точечных дефектов в ультразвуковом поле амплитуда колебаний составляет около 50 мВ. В этой связи возбуждение ультразвука осуществляется через волновод с помощью пьезодатчика на основе пьезокерамики ЦТС-19, подключенного к маломощному генератору колебаний.Ultrasonic exposure is carried out by low-amplitude ultrasonic vibrations at a frequency selected from the low-frequency range of 20-100 kHz, which corresponds to the main resonances of acoustic emission, determined by the geometry of the resonator sample, i.e., the geometry of the deformable volume of the metal or alloy. To exclude the negative effect of generating an excessive concentration of point defects in an ultrasonic field, the oscillation amplitude is about 50 mV. In this regard, the excitation of ultrasound is carried out through the waveguide using a piezoelectric sensor based on the TsTS-19 piezoceramics connected to a low-power oscillation generator.

При достижении критических параметров температурно-силового термомеханического воздействия и критического значения колебательной энергии акустической эмиссии соответствующим деформационному структурному переходу в деформируемом алюминии и его сплавах, акустическая эмиссия и внешний ультразвук формируют общее акустическое поле стоячих волн, в том числе и на резонаторах связанных с деформируемым объемом, колебательная энергия которого превосходит критическое значение колебательной энергии только акустической эмиссии, что обеспечивает существенное повышение пластичности материала.Upon reaching the critical parameters of the temperature-force thermomechanical effect and the critical value of the vibrational energy of acoustic emission corresponding to the deformation structural transition in wrought aluminum and its alloys, acoustic emission and external ultrasound form a common acoustic field of standing waves, including on resonators associated with the deformable volume, whose vibrational energy exceeds the critical value of the vibrational energy of only acoustic emission, which provides a significant increase in the ductility of the material.

Способ реализуется следующим образомThe method is implemented as follows

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

2. Образцы нагружают механическим напряжением около предела текучести: алюминий - 15 МПа, алюминиево-магниевые сплавы 90-200 МПа.2. Samples are loaded with mechanical stress near the yield strength: aluminum - 15 MPa, aluminum-magnesium alloys 90-200 MPa.

3. Нагруженные образцы нагревают:3. The loaded samples are heated:

алюминий до температуры в интервале 480-640°С;aluminum to a temperature in the range of 480-640 ° C;

алюминиево-магниевые сплавы - для напряжения 90 МПа температура не ниже 450°С, для напряжения 200 МПа температура не ниже 250°С,aluminum-magnesium alloys - for a voltage of 90 MPa, the temperature is not lower than 450 ° С, for a voltage of 200 MPa, the temperature is not lower than 250 ° С,

регистрируя прирост деформации и акустическую эмиссию.registering strain growth and acoustic emission.

4. Низкоинтенсивные ультразвуковые колебания возбуждаются с помощью пьезокерамического преобразователя на основе пъезокерамики ЦТС-19 и вводятся в деформируемый образец с помощью волновода одновременно с началом термомеханического воздействия.4. Low-intensity ultrasonic vibrations are excited using a piezoceramic transducer based on the TsTS-19 piezoceramics and introduced into the deformable sample using a waveguide simultaneously with the onset of thermomechanical action.

5. Частота генератора ультразвуковых колебаний соответствует основным резонансам акустического поля стоячих волн, сформированного как за счет преобразования первичных сигналов акустической эмиссии на естественных резонаторах, одним из которых является деформируемый объем, так и путем преобразования ультразвуковых волн на этих же резонаторах.5. The frequency of the generator of ultrasonic vibrations corresponds to the main resonances of the acoustic field of standing waves, formed both by converting the primary signals of acoustic emission on natural resonators, one of which is a deformable volume, and by converting ultrasonic waves on the same resonators.

6. Возбуждение низкоинтенсивных ультразвуковых волн в системе образец - волновод обеспечивается пьезокерамическим преобразователем, преобразующим электрические колебания генератора амплитудой 50 мВ в механические.6. The excitation of low-intensity ultrasonic waves in the sample-waveguide system is provided by a piezoceramic transducer that converts the electric oscillations of a generator with an amplitude of 50 mV into mechanical ones.

Основной прирост деформации осуществляется в ходе деформационного структурного перехода, когда колебательная энергия акустической эмиссии не ниже 15*10-12 В2с, а внешний поток ультразвуковых колебаний, преобразуясь на естественных резонаторах, формирует совместное акустическое поле стоячих волн в низкочастотном диапазоне от 20 до 100 кГц., колебательная энергия которого существенно выше колебательной энергии акустической эмиссии, что повышает ресурс пластичности и обеспечивает накопление больших пластических деформаций.The main increase in deformation is carried out during the deformation structural transition, when the vibrational energy of acoustic emission is not lower than 15 * 10 -12 V 2 s, and the external flow of ultrasonic vibrations, converted to natural resonators, forms a joint acoustic field of standing waves in the low frequency range from 20 to 100 kHz., the vibrational energy of which is significantly higher than the vibrational energy of acoustic emission, which increases the plasticity resource and ensures the accumulation of large plastic deformations.

Совмещение ультразвукового и термомеханического воздействия упрощает реализацию способа.The combination of ultrasonic and thermomechanical effects simplifies the implementation of the method.

Изобретение поясняется графическими материалами:The invention is illustrated by graphic materials:

Фиг. 1. Образец в виде двух волноводов А и В, совмещенных с участком локализации деформации длиной 40 мм и диаметром 4 мм.FIG. 1. A sample in the form of two waveguides A and B, combined with a strain localization section with a length of 40 mm and a diameter of 4 mm.

Фиг. 2. Схема установки для высокотемпературного деформирования металлов: 1 - образец в виде стержня; 2 - неподвижный захват установки; 3 - подвижный захват установки с устройством нагружения и измерения деформации; 4 - нагреватель; 5 - аналогоцифровой преобразователь и компьютер. Символы I, II, III, IV, V обозначают соответственно канал акустической эмиссии, канал измерения температуры, канал измерения деформации, канал измерения механического напряжения, канал ввода ультразвука в составе пьезопреобразователя и генератора.FIG. 2. Installation diagram for high-temperature deformation of metals: 1 - a sample in the form of a rod; 2 - motionless capture of installation; 3 - movable gripper installation with a device for loading and measuring strain; 4 - heater; 5 - analog-digital converter and computer. Symbols I, II, III, IV, V denote respectively the acoustic emission channel, the temperature measurement channel, the strain measurement channel, the stress measurement channel, the ultrasound input channel as part of the piezoelectric transducer and generator.

Фиг. 3. Спектральная плотность акустического поля стоячих волн, возбуждаемых в системе образец-волновод внешним генератором на частоте около 80 кГц и амплитудой сигнала 50 мВ. 7 - частота резонанса 35,4 кГц (35400 Гц), 8 - частота резонанса 80 кГц (79900 Гц).FIG. 3. The spectral density of the acoustic field of standing waves excited in the sample-waveguide system by an external generator at a frequency of about 80 kHz and a signal amplitude of 50 mV. 7 - resonance frequency of 35.4 kHz (35400 Hz), 8 - resonance frequency of 80 kHz (79900 Hz).

Фиг. 4. Спектральная плотность сигналов акустической эмиссии в ходе накопления деформации в отсутствие внешнего ультразвукового воздействия.FIG. 4. The spectral density of acoustic emission signals during the accumulation of deformation in the absence of external ultrasonic exposure.

Фиг. 5. Спектральная плотность сигналов акустической эмиссии в ходе накопления деформации в условиях действия внешнего источника ультразвуковых колебаний.FIG. 5. The spectral density of acoustic emission signals during the accumulation of deformation under the action of an external source of ultrasonic vibrations.

Примеры конкретного исполненияExamples of specific performance

Пример 1Example 1

Металлический образец из алюминия или алюминиево-магниевого сплава АМгб в виде стержня (фиг. 1), представляет собой два волновода А и В, между которыми расположен участок стержня длиной 40 мм и диаметром 4 мм в виде концентратора напряжений, в котором локализуется деформационный процесс. Волновод «А» обеспечивает передачу акустических колебаний от внешнего источника ультразвуковых колебаний к деформируемому объему, а волновод «В» обеспечивает передачу акустического потока сигналов акустической эмиссии к приемнику. Образец помещают в установку для термического и механического воздействия, представленную на фиг 2.A metal sample of aluminum or aluminum alloy AMgb in the form of a rod (Fig. 1) consists of two waveguides A and B, between which there is a section of the rod 40 mm long and 4 mm in diameter in the form of a stress concentrator in which the deformation process is localized. The waveguide “A” provides the transmission of acoustic vibrations from an external source of ultrasonic vibrations to the deformable volume, and the waveguide “B” provides the transmission of the acoustic stream of acoustic emission signals to the receiver. The sample is placed in the installation for thermal and mechanical impact, shown in Fig 2.

Образец 1 закрепляют в неподвижном захвате 2, нагружают механической нагрузкой величиной около 15 МПа с помощью подвижного захвата 3, нагревают элементом 4 до 620°С. Прирост деформации измеряется по каналу III компьютерной программой компьютера 5. По каналу IV информация о механической нагрузке поступает также в компьютер 5. Одновременно с нагружением и нагревом излучающий пьезодатчик канала V, подключенный к генератору электрических колебаний, формирует в волноводе А продольную акустическую волну, которая распространяется по волноводам и области локализации деформации, достигая приемного пьезопреобразователя канала I. Сигналы акустической эмиссии, генерируемые в ходе деформирования области локализации образца 1, и акустические волны, генерируемые излучающим пьезопреобразователем канала V, регистрируются и обрабатываются компьютером 5.Sample 1 is fixed in a fixed grip 2, loaded with a mechanical load of about 15 MPa using a movable grip 3, heated by an element 4 to 620 ° C. The strain gain is measured on channel III by the computer program of computer 5. On channel IV, information about the mechanical load also enters computer 5. At the same time as loading and heating, the emitting piezoelectric transducer of channel V connected to the electric oscillation generator forms a longitudinal acoustic wave in waveguide A, which propagates along the waveguides and the deformation localization region, reaching the receiving piezoelectric transducer of channel I. Acoustic emission signals generated during the deformation of the localization region of sample 1 and the acoustic waves generated by the radiating piezoelectric transducer of channel V are recorded and processed by computer 5.

Пример 2Example 2

Проведем анализ спектра акустического поля стоячих волн, сформированного в системе образец-волновод с помощью внешнего генератора сигналов на частоте 80 кГц и амплитудой сигнала 50 мВ. Анализ спектра проводят методом быстрого преобразования Фурье. На фиг. 3 приведено распределение спектральной плотности акустического поля в диапазоне от 10 кГц до 140 кГц, зарегистрированных с помощью датчика акустической эмиссии канала I в ходе возбуждения ультразвука в системе образец-волновод каналом V.Let us analyze the spectrum of the acoustic field of standing waves generated in the sample-waveguide system using an external signal generator at a frequency of 80 kHz and a signal amplitude of 50 mV. Spectrum analysis is carried out by the fast Fourier transform method. In FIG. Figure 3 shows the distribution of the spectral density of the acoustic field in the range from 10 kHz to 140 kHz, recorded using the acoustic emission sensor of channel I during the excitation of ultrasound in the sample-waveguide system by channel V.

Как следует из приведенных на фиг. 3 данных наблюдаются два резонансных пика: один на частоте 35,4 кГц, (35400 Гц) второй на частоте 80 кГц (79900 Гц). Резонанс на частоте 80 кГц очевидно связан с продольной стоячей волной, так как частота генератора была выбрана из условия стоячей продольной волныAs follows from FIG. 3 data there are two resonant peaks: one at a frequency of 35.4 kHz, (35400 Hz), the second at a frequency of 80 kHz (79900 Hz). The resonance at a frequency of 80 kHz is obviously associated with a longitudinal standing wave, since the generator frequency was chosen from the condition of a standing longitudinal wave

L=kλ/2, гдеL = kλ / 2, where

L - размер акустического резонатора, равный размеру деформируемого объема, то есть размеру концентратора длиной 40 мм, λ - длина продольной волны, k - номер резонанса, при k=1 длина волны соответствует первому (основному) резонансу, а пьезопреобразователь возбуждал в волноводе именно продольную волну. Следует заметить, что частота 80 кГц соответствует резонансу на резонаторе (концентраторе механических напряжений) в условиях, когда отсутствует деформационный процесс. То есть 80 кГц - это резонансный отклик исходного объема образца. В ходе накопления деформации геометрия деформационного объема меняется в небольших пределах, в этой связи будет меняться и резонансные частоты, оставаясь вблизи выделенных значений 80 и 35, 4 кГц..L is the size of the acoustic resonator equal to the size of the deformable volume, i.e., the size of the concentrator is 40 mm long, λ is the length of the longitudinal wave, k is the resonance number, at k = 1 the wavelength corresponds to the first (main) resonance, and the piezoelectric transducer excited exactly the longitudinal the wave. It should be noted that the frequency of 80 kHz corresponds to resonance at the resonator (stress concentrator) under conditions when there is no deformation process. That is, 80 kHz is the resonance response of the original sample volume. During the accumulation of deformation, the geometry of the deformation volume changes within small limits; in this connection, the resonant frequencies will also change, remaining close to the selected values of 80 and 35, 4 kHz ..

Резонанс на частоте 35,4 кГц связан с акустическим полем поперечных волн. Хорошо известно [5], что при возбуждении в цилиндрическом волноводе продольной волны, при взаимодействии ее со стенкой волновода под критическим углом происходит трансформация продольной волны в поперечную, то есть в волноводе распространяется продольный фронт и цуги (волновые пакеты) поперечных волн. Таким образом, в системе образец волновод формируется сложное акустическое поле стоячих продольных и поперечных волн.The resonance at a frequency of 35.4 kHz is associated with the acoustic field of the transverse waves. It is well known [5] that when a longitudinal wave is excited in a cylindrical waveguide, when it interacts with the waveguide wall at a critical angle, the longitudinal wave transforms into a transverse wave, that is, a longitudinal front and trains (wave packets) of transverse waves propagate in the waveguide. Thus, a complex acoustic field of standing longitudinal and transverse waves is formed in the sample waveguide system.

Пример 3Example 3

Были проделаны многократные циклы по накоплению деформации в алюминии при нагреве до 620°С и нагрузке 15 МПа без участия внешнего ультразвука (нечетные циклы) и с участие внешнего ультразвука (четные циклы). В табл. 1 и 2 представлены результаты накопления деформации в нечетных и четных циклах.Multiple cycles were carried out to accumulate strain in aluminum when heated to 620 ° C and a load of 15 MPa without external ultrasound (odd cycles) and external ultrasound (even cycles). In the table. Figures 1 and 2 show the results of strain accumulation in odd and even cycles.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Как следует из данных табл. 1 и 2 величина накапливаемой деформации в цикле с ультразвуковым воздействием (четные циклы) многократно превосходит деформацию в циклах (нечетные циклы) без ультразвукового воздействия. Это подтверждает повышение пластичности в акустическом поле, являющимся результатом резонансного сложения поля стоячих волн акустической эмиссии и поля стоячих волн внешнего ультразвука на частоте основного резонанса.As follows from the data table. 1 and 2, the magnitude of the accumulated strain in a cycle with ultrasonic action (even cycles) is many times greater than the strain in cycles (odd cycles) without ultrasonic treatment. This confirms the increase in plasticity in the acoustic field, which is the result of the resonance addition of the field of standing waves of acoustic emission and the field of standing waves of external ultrasound at the frequency of the main resonance.

Пример 4Example 4

Проведем анализ спектральной плотности аккустического поля сформированного первичными сигналами акустической эмиссии (фиг. 4) и совместно с внешним источником ультразвука (фиг. 5) амплитудой 50 мВ на частоте первичного сигнала 80 кГц в ходе деформирования алюминиевого образца.Let us analyze the spectral density of the acoustic field generated by the primary acoustic emission signals (Fig. 4) and together with an external ultrasound source (Fig. 5) with an amplitude of 50 mV at a primary signal frequency of 80 kHz during deformation of the aluminum sample.

Данные фиг. 4 и 5 свидетельствуют, что в отсутствие внешнего источника колебаний спектральная плотность поля акустических стоячих волн значительно ниже спектральной плотности основных резонансов при внешнем ультразвуковом воздействии, являющихся результатом резонансного сложения акустического поля стоячих волн, сформированного первичными сигналами акустической эмиссии, и акустического поля стоячих волн, сформированного ультразвуковыми волнами внешнего источника колебаний. Следует заметить, что повышение амплитуды основных резонансов на частотах 35 и 80 кГц с участием внешнего ультразвука сопровождается дополнительными резонансами в интервале частот 60-80 кГц, свидетельствующими о трансформации деформируемого объема образца. Таким образом, при воздействии внешним источником ультразвука наблюдается повышение колебательной энергии поля стоячих продольных и поперечных волн, сформированных первичными сигналами акустической эмиссии, за счет резонансного суммирования с акустическим полем стоячих волн, сформированных внешним источником ультразвуковых колебаний, что существенно повышает пластичность деформируемого металла.The data of FIG. 4 and 5 indicate that in the absence of an external oscillation source, the spectral density of the field of acoustic standing waves is significantly lower than the spectral density of the main resonances under external ultrasonic action, which are the result of the resonance addition of the acoustic field of standing waves generated by the primary signals of acoustic emission and the acoustic field of standing waves generated ultrasonic waves of an external source of oscillations. It should be noted that an increase in the amplitude of the main resonances at frequencies of 35 and 80 kHz with the participation of external ultrasound is accompanied by additional resonances in the frequency range 60-80 kHz, indicating the transformation of the deformable volume of the sample. Thus, when exposed to an external ultrasound source, an increase in the vibrational energy of the field of standing longitudinal and transverse waves generated by the primary acoustic emission signals is observed due to resonant summation with the acoustic field of standing waves generated by an external source of ultrasonic vibrations, which significantly increases the ductility of the deformed metal.

Пример 5Example 5

Проведем анализ геометрии деформируемого объема (резонатора), используя данные по спектральной плотности, полученные в примере 4 (табл. 3). Размер резонатора определен согласно формуле, приведенной в примере 2Let us analyze the geometry of the deformable volume (resonator) using the spectral density data obtained in Example 4 (Table 3). The size of the resonator is determined according to the formula given in example 2

L=kλ/2, гдеL = kλ / 2, where

L - размер акустического резонатора, равный размеру деформируемого объема, то есть размеру концентратора 40 мм, λ - длина продольной волны, k - номер резонанса, при k=1 длина волны соответствует первому (основному) резонансу. Длина волны определена как λ=C/f, где С - скорость продольной или поперечной волны в алюминии, f - частота резонанса. Скорость продольной волны в алюминии равна 6420 м/с, скорость поперечной волны - 3040 м/с.L is the size of the acoustic resonator equal to the size of the deformable volume, that is, the size of the concentrator is 40 mm, λ is the longitudinal wavelength, k is the resonance number, and for k = 1 the wavelength corresponds to the first (main) resonance. The wavelength is defined as λ = C / f, where C is the velocity of the longitudinal or transverse wave in aluminum, f is the resonance frequency. The longitudinal wave velocity in aluminum is 6420 m / s, the shear wave velocity is 3040 m / s.

Figure 00000003
Figure 00000003

Из приведенных в табл. 3 данных следует, что как на продольных, так и на поперечных волнах два основных резонанса на частотах около 35 и 80 кГц связаны с резонатором, представляющим собой деформируемый объем длиной около 40 мм. Резонансы наблюдается как в четных, так и в нечетных циклах на продольных и поперечных волнах.From the above table. From the data 3 it follows that both in the longitudinal and in the transverse waves, the two main resonances at frequencies of about 35 and 80 kHz are connected with the resonator, which is a deformable volume of about 40 mm long. Resonances are observed both in odd and even cycles on longitudinal and transverse waves.

Как было уже сказано [1] в технологических процессах амплитуда динамических напряжений лежит в диапазоне 107-108 Па. В сопоставлении с приведенными примерами 2-5 такие значения динамических напряжений запредельны. Не случайно, что длительное ультразвуковое воздействие с такими амплитудами приводит к разрушению деформируемого образца. Очевидно, такие параметры ультразвука используются на практике в связи с тем, что не учитываются резонансные свойства деформируемого объема образца (детали). Более того, не учитываются резонансы сигналов акустической эмиссии, которые, преобразуясь в стоячие акустические волны на естественных резонаторах деформируемого объема, обеспечивают активацию и корреляцию элементарных деформационных сдвигов в макроскопическом масштабе. Этот масштаб (масштаб корреляции) определяется длиной стоячей акустической волны, равной в нашем случае геометрическим размерам области локализации деформации. Резонансное сложение, точнее резонансная суперпозиция спектральных составляющих акустической эмиссии и внешнего ультразвука, сопровождается существенным повышением амплитуд основных спектральных составляющих, что приводит к накоплению в деформируемом объеме значительной по величине колебательной энергии стоячих акустических волн. Эта колебательная энергия в совокупности со статическим напряжением, приложенным к образцу, и термическими флуктуациями теплового поля и определяют аномально высокую пластичность деформируемого металла.As already mentioned [1] in technological processes, the amplitude of dynamic stresses lies in the range 10 7 -10 8 Pa. In comparison with the above examples 2-5, such values of dynamic stresses are beyond. It is no coincidence that prolonged ultrasonic exposure with such amplitudes leads to the destruction of the deformed sample. Obviously, such ultrasound parameters are used in practice due to the fact that the resonance properties of the deformable volume of the sample (part) are not taken into account. Moreover, the resonances of acoustic emission signals are not taken into account, which, when converted to standing acoustic waves on natural resonators of a deformable volume, provide activation and correlation of elementary deformation shifts on a macroscopic scale. This scale (correlation scale) is determined by the length of the standing acoustic wave, which in our case is equal to the geometric dimensions of the strain localization region. Resonant addition, more precisely, a resonant superposition of the spectral components of acoustic emission and external ultrasound, is accompanied by a significant increase in the amplitudes of the main spectral components, which leads to the accumulation of a considerable amount of vibrational energy of standing acoustic waves in the deformable volume. This vibrational energy, together with the static voltage applied to the sample, and thermal fluctuations of the thermal field, determine the abnormally high ductility of the deformed metal.

Согласно примерам 2-5 высокотемпературное деформирование образца в условиях действия внешнего низкоамплитудного ультразвука амплитудой 50 мВ, сопровождается существенным повышением колебательной энергии поля стоячих продольных и поперечных волн, сформированного как первичными сигналами акустической эмиссии (фиг. 4), так и при участии внешнего источника ультразвука (фиг. 5). Это поле (как результат резонансной суперпозиции) и создает эффект аномально высокой пластичности деформируемого объема образца (резонатора), что позволяет накапливать значительные по величие пластические деформации (примеры 3-5).According to examples 2-5, high-temperature deformation of the sample under the conditions of external low-amplitude ultrasound with an amplitude of 50 mV is accompanied by a significant increase in the vibrational energy of the field of standing longitudinal and transverse waves generated by both primary acoustic emission signals (Fig. 4) and with the participation of an external ultrasound source ( Fig. 5). This field (as a result of resonance superposition) creates the effect of an abnormally high plasticity of the deformable volume of the sample (resonator), which allows one to accumulate significant plastic deformations (examples 3-5).

ЛитератураLiterature

1. Blaha, В. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch. - 1955. - 42. - Н.20. - S. 556.1. Blaha, B. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch. - 1955. - 42. - H.20. - S. 556.

2. Жернов C.A., Омельяненко И.Ф., Сиренко А.Ф. Высокотемпературная ползучесть и разрушение меди в поле ультразвука // ФММ. 1984. Т. 58. №3. С. 589-595.2. Millstone C.A., Omelyanenko I.F., Sirenko A.F. High-temperature creep and destruction of copper in the field of ultrasound // FMM. 1984. T. 58. No. 3. S. 589-595.

3. Ушаков В.И., Омельяненко И.Ф., Сиренко А.Ф. Ползучесть алюминия и его сплавов в поле ультразвука // ФММ. 1985. Т. 59. №5. С. 584-592.3. Ushakov V.I., Omelyanenko I.F., Sirenko A.F. Creep of aluminum and its alloys in the field of ultrasound // FMM. 1985.V. 59. No. 5. S. 584-592.

4. Макаров С.В., Плотников В.А. Способ пластической деформации алюминия и его сплавов. Патент РФ №2661980 от 23.07.2018.4. Makarov S.V., Plotnikov V.A. The method of plastic deformation of aluminum and its alloys. RF patent No. 2661980 dated 07/23/2018.

5. Бергман. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во Иностранной литературы, 1957. - 726 с.5. Bergman. Ultrasound and its application in science and technology. - M.: Publishing House of Foreign Literature, 1957. - 726 p.

Claims (1)

Способ пластической деформации алюминия и его сплавов, включающий одновременное термомеханическое и ультразвуковое воздействие, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие формируют приложением к ультразвуковому пьезодатчику низковольтного переменного напряжения амплитудой 50 мВ на частоте основного резонанса, определяемого геометрией деформируемого объема образца.A method of plastic deformation of aluminum and its alloys, including simultaneous thermomechanical and ultrasonic treatment, characterized in that the ultrasonic treatment is formed by applying to the ultrasonic piezoelectric transducer a low-voltage alternating voltage with an amplitude of 50 mV at a fundamental resonance frequency determined by the geometry of the deformable volume of the sample.
RU2019133267A 2019-10-17 2019-10-17 Method of plastic deformation of aluminum and its alloys RU2724209C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019133267A RU2724209C1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Method of plastic deformation of aluminum and its alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019133267A RU2724209C1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Method of plastic deformation of aluminum and its alloys

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724209C1 true RU2724209C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019133267A RU2724209C1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Method of plastic deformation of aluminum and its alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724209C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006274312A (en) * 2005-03-28 2006-10-12 Tokyo Institute Of Technology Heat treatment method, alloy, and heat treatment apparatus
CN201212054Y (en) * 2008-07-10 2009-03-25 北京有色金属研究总院 Ultrasonic wave surface strengthening treatment device for metal material surface treatment
EP2918690A1 (en) * 2013-01-21 2015-09-16 Beijing Institute Of Technology Method and system for locally regulating and controlling metal member residual stress
RU2639278C2 (en) * 2016-01-15 2017-12-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of metals and alloys
RU2661980C1 (en) * 2016-06-21 2018-07-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006274312A (en) * 2005-03-28 2006-10-12 Tokyo Institute Of Technology Heat treatment method, alloy, and heat treatment apparatus
CN201212054Y (en) * 2008-07-10 2009-03-25 北京有色金属研究总院 Ultrasonic wave surface strengthening treatment device for metal material surface treatment
EP2918690A1 (en) * 2013-01-21 2015-09-16 Beijing Institute Of Technology Method and system for locally regulating and controlling metal member residual stress
RU2639278C2 (en) * 2016-01-15 2017-12-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of metals and alloys
RU2661980C1 (en) * 2016-06-21 2018-07-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Matlack et al. Review of second harmonic generation measurement techniques for material state determination in metals
Mayer Ultrasonic torsion and tension–compression fatigue testing: Measuring principles and investigations on 2024-T351 aluminium alloy
Kumar et al. Nonlinear ultrasonics for in situ damage detection during high frequency fatigue
JP3732513B2 (en) Pipe inspection
Verma et al. Interaction of low-frequency axisymmetric ultrasonic guided waves with bends in pipes of arbitrary bend angle and general bend radius
US20090000382A1 (en) Non-contact acousto-thermal method and apparatus for detecting incipient damage in materials
CN101813669B (en) Method for identifying plate defect and damage based on nonlinear acoustics and time reversal principle
Vien et al. Experimental investigation of second-harmonic lamb wave generation in additively manufactured aluminum
Neppiras Very high energy ultrasonics
Matikas Damage characterization and real-time health monitoring of aerospace materials using innovative NDE tools
Amjad et al. Effects of transducers on guided wave based structural health monitoring
RU2724209C1 (en) Method of plastic deformation of aluminum and its alloys
Ohara et al. Monitoring growth of closed fatigue crack using subharmonic phased array
RU2661980C1 (en) Method of plastic deformation of aluminum and aluminum alloys
JPWO2014155612A1 (en) A method for predicting the remaining creep life of bainite structure.
KR101720150B1 (en) Measuring device and method for monitoring of stress state in concrete by applying nonlinear resonant ultrasonic method with cross correlation technique
Amjad et al. Determination of the stress dependence of the velocity of Lamb waves in aluminum plates
Tang et al. Detecting fatigue in aluminum alloys based on internal friction measurement using an electromechanical impedance method
RU2653741C2 (en) Method of plastic deformation of alloys from aluminum
Metya et al. Assessment of localized plastic deformation during fatigue in polycrystalline copper by nonlinear ultrasonic
Chukwunonye et al. Sensitization in aluminum alloys: effect on acoustic parameters
RU2686877C1 (en) Method for determination of endurance limit of steel parts and samples
JP2019138712A (en) Crystal grain evaluation device and crystal grain evaluation method
Bannikov et al. Investigation of damage accumulation in a prestrained aluminum-magnesium alloy under gigacycle fatigue
Perkins Power ultrasonic equipment: practice and application