Цель: определить предельные деформации до разрушения при скручивании композиционных сверхпроводников.
Задачи:
а) анализ по акустической эмиссии кинетики накопления повреждений в проводниках при скручивании:
б) определение деформаций и напряжений, соответствующих различным стадиям накопления повреждений в проводниках:
в) определение предельно допустимых деформаций проводников при скручивании без образования трещин.
Образцы и методика испытаний. Влияние конструктивных параметров проводников на способность к скручиванию изучено на композиционных сверхпроводниках типа МКНО диаметром d = 0,5; 1,0 и 1,5 мм. с общим содержанием ниобия (коэффициентом заполнения) VNb = 0,12; 0,2 и 0,24 и числом волокон т = 7725; 14 641 и 44 521 в бронзовой матрице (Сu-13 % масс, Sn). Их конструкция показана на рис. 2. а размеры основных элементов проводников приведены в табл. 5.
Таблица 5
Конструктивные параметры композиционных проводников
Образцы провода с длиной рабочей части = 200 мм испытывали на скручивание при частоте вращения подвижного захвата испытательной машины 30 об/мин. Предварительное натяжение образцов не превышало 2 % от предела прочности и составляло для образцов диаметром 0,5 мм - 2.4 кгс; 1,0 мм - 3,6 кгс: 1,5 мм - 6 кгс.
Изменение угла между осью провода и осью волокон Nb наблюдалось на продольных шлифах образцов провода после скручивания.
Измерения акустической эмиссии. Акустическую эмиссию при скручивании измеряли через слой жидкости специально разработанным широкополосным пьезодатчиком, крепившимся на рабочей части образца, используя описанную выше измерительную аппаратуру. Амплитуды Vp сигналов акустической эмиссии выражали в децибелах:
где Uр - амплитуда сигнала; Uш - средний уровень шума, В.
Уровень шума Uш, определялся (по 50...КМ) импульсов) для каждого образца при повторном закручивании образца на два оборота в начале испытания. Повторное закручивание использовалось для измерения только шумовой компоненты сигнала, так как при этом из-за эффекта Кайзера АЭ от дефектов не воспроизводится.
В качестве информационных параметров акустической эмиссии использовались: сумма амплитуд АЭ как функция времени испытания
скорость счета АЭ ( N ): гистограммы распределения пиковых амплитуд АЭ на этапах кинетики.
Результаты испытаний. Характерная диаграмма АЭ при скручивании проводников МКНО44 521 диаметром 1,5 мм показана на рис. 26. а. Там же приведены амплитудные распределения, соответствующие разным этапам кинетики деформации и разрушения при скручивании образца (рис. 26. б). Па АЭ-диаграммах скручивания проводников всех конструкций выделяются три характерных этапа, различающиеся по мощности акустического излучения.
На этапе I. соответствующем скручиванию до шага твиста λ = 4...3,2 πd после короткого (1...2 оборота) участка упругой деформации с амплитудой сигналов ЛЭ 3...5дБ (N = 0,1 ...0,5 имп/с) наблюдается увеличение мощности ЛЭ при переходе к пластической деформации проводника. Максимальная амплитуда сигналов достигает 15...25 дБ (N=10 имп/с) (см. рис. 26. а). Пластическая деформация проводника при скручивании развивается от поверхности к центру. Постепенное включение в процесс пластического течения все новых областей объясняет немонотонный характер изменения АЭ на этапе I. Подъем мощности акустического излучения после скручивания на λ1= 4...6 πd сменяется затем ее спадом (см. рис. 26. а), когда степень деформации различных зон проводника выравнивается. Для проводников одной конструкции (VNb и т=const) амплитуды импульсов акустической эмиссии (на этапе I до 10...15 дБ) уменьшаются с уменьшением диаметра проводника до 0.5 мм. Для проводников одного диаметра, но разных конструкций пик мощности АЭ сдвигается в сторону меньшего шага твиста при уменьшении толщины бронзовых прослоек.
Этап 2:
характеризуется АЭ с небольшой амплитудой сигналов в среднем Vp = 8... 10 дБ для d=1,5 мм (Vp, =5...8 дБ для d=0,5 мм) и узким распределением амплитуд импульсов (см. рис. 26,б). Этот этап соответствует однородной (равномерной) деформации. Протяженность второго этапа зависит от запаса пластичности проводника.
Рис. 26. Кинетика деформации и разрушения композиционного сверхпроводника при кручении:
а - диаграмма деформации и АЭ; б - амплитудные распределения АЭ
Новый подъем мощности АЭ и расширение амплитудною спектра наблюдается при переходе к этапу 3: λ<λ3=1,4...3,5 πd (см. рис. 26, а и б). На этом этапе амплитуды сигналов и их интенсивность монотонно возрастают вплоть до разрушения образца. Акустическое излучение большой (20...40 дБ) амплитуды сопровождает здесь образование и развитие дефектов - трещин (рис. 26, а). В начале этапа 3 (λ>λ3) - это поры на границах стрендов (рис. 27. а). Ближе к окончательному разрушению образца наблюдается образование пор и внутри стрендов (рис. 27, в).
В проводниках диаметром 1.5 мм наблюдались также цепочки нор и клиновидные трещины по бывшим границам шестигранных сборок (рис. 27, б и в), а в проводе диаметром 0.5 мм - междустрендовые трещины и обрыв групп волокон на периферии проводника.
Между числом оборотов при скручивании до окончательного разрушения провода (60 образцов всех размеров и конструкций) и измеренным по акустической эмиссии началом образования дефектов наблюдалась линейная зависимость с коэффициентом корреляции r=0,91. Это означает, что предельный шаг твиста тем меньше (число оборотов больше), чем позже (при меньшем λ3 происходит переход от однородной деформации к стадии образования дефектов в проводнике.
Рис. 27. Дефекты в композиционном проводе на разных этапах деформации кручением:
а - поры на границах стрендов; б, в - трещины в междустрсндовых промежутках
Методики контроля повреждаемости проводников при скручивании и оценки остаточного запаса пластичности при растяжении по АЭ-измерениям, а также описанные выше результаты исследования использованы для совершенствования технологии изготовления многоволоконных сверхпроводников для магнитных систем при создании международного термоядерного реактора по проекту ИТЕР.
