Вариации скорости волн релея при деформации и оценка механических свойств металлов и сплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Лунев Алексей Геннадьевич

ВАРИАЦИИ СКОРОСТИ ВОЛН РЕЛЕЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ И ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2004

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Семухин Борис Семенович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ульянов Владимир Леонтьевич

кандидат физико-математических наук, доцент Гурченок Алексей Анатольевич

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита состоится «30» декабря 2004 г. в 16!° часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 в ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан «__»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук О.В. Сизова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время возросло количество публикаций в области исследования вариаций (изменений) скорости распространения ультразвуковых волн в процессе пластической деформации материалов. Больше внимания уделяется теоретическим работам, посвященным влиянию дислокационной структуры материала на скорость ультразвуковых волн. Существует ряд работ по исследованию влияния структуры материала и содержания в нем примесей на скорость распространения ультразвуковых волн. Выявлены некоторые закономерности изменения скорости ультразвука при вариациях режимов термообработки сталей и алюминиевых сплавов. Найдены эмпирические зависимости, связывающие изменение скорости ультразвука с содержанием в исследуемом материале легирующих элементов.

Использование акустических методов неразрушающего контроля состояния металла действующих объектов является важной задачей в транспортной и строительной системах. Неразрушающий контроль преследует как минимум три главные цели: определение наличия дефектов и их размеров, выявление остаточных внутренних напряжений и их значения, оценка ресурса работы изделия. Теме определения дефектов, их размеров и эволюции в процессе эксплуатации посвящено множество работ, начиная с импульсной дефектоскопии и заканчивая активно развивающейся в последнее время акустической эмиссии. Попытки выявить связь скорости распространения ультразвука с остаточными напряжениями, действующими в материале, были предприняты еще в середине 20-го века, с появлением приборов, позволяющих определять скорость распространения ультразвука и ее изменение, с точностью не менее 104. Оценка ресурса работы - одна из наиболее важных и сложных задач неразрушающего контроля, множество работ, посвященных данному вопросу, имеют узкое направление и часто малую достоверность.

Практически отсутствуют работы по выявлению характера поведения скорости ультразвука в процессе релаксации напряжений или ползучести материалов. Подобные работы совместно с работами, исследующими изменение скорости ультразвука в процессе активного нагружения, в своем завершении позволят разработать методы, предопределяющие некоторые механические свойства материала и эволюцию его структуры в процессе эксплуатации или механических испытаний.

Работа выполнена согласно этапу отработки методики и приборного обеспечения измерения скорости ультразвука, бюджетных заданий научно-исследовательских работ ИФПМ СО РАН «Экспериментальные исследования иерархии механизмов локализации пластической деформации, ее эволюции и природы в моно- и поликристаллах металлов и сплавов».

Цель работы: Провести исследования поведения скорости распространения ультразвуковых поверхностных волн в процессе механических испытаний сталей феррито-перлитного и аустенитного классов, титана ВТ1-0, поликристаллического кобальта, алюминия А85, сплавов Д16, ЛС59.1. Получить эмпирические зависимости, позволяющие неразрушающим способом определить временное сопротивление материалов. Установить зависимости, связывающие скорость ультразвука с остаточными внутренними напряжениями в сталях, используемых для изготовления рам тележек локомотивов, эксплуатируемых ОАО «РЖД». Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Выявление закономерностей изменения зависимости скорости ультразвуковых волн Релея от напряжений в различных материалах.

2. Разработка метода оценки прочности материалов ультразвуковым неразрушающим методом.

3. Определение характера изменения скорости ультразвуковых волн в процессе релаксации напряжений в стали 10ХСНД, сплаве Д16 и алюминии марки А85. Выявление закономерностей изменения скорости ультразвуковых волн в процессе ползучести алюминия А85.

4. Получение коэффициентов, связывающих изменение напряжения в материалах с изменением в них скорости распространения поверхностных акустических волн на упругопластическом участке деформационной кривой.

Научная новизна.

1. Впервые были проведены исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн одновременно для трех видов механических испытаний: активного нагружения, релаксации и ползучести.

2. На основе экспериментальных данных впервые получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

Практическая значимость.

1. Установлены коэффициенты, связывающие изменение скорости ультразвуковых волн в области упругопластических деформаций с временным сопротивлением (пределом прочности) материала для широкого круга материалов.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», которая позволяет определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки.

3. Внедрены приборы и методика определения внутренних напряжений металлических рам тележек железнодорожною подвижного состава в более 50 локомотивных хозяйствах ОАО «РЖД» по программе "Пе-

реоснащения базовых предприятий локомотивного хозяйства до уровня технических регламентов".

Положения, выносимые на защиту:

1. Доказательство возможности и оценка надежности определения величины временного сопротивления (предел прочности) сталей фер-рито-перлитного и аустенитного классов и сплавов на основе алюминия, циркония и меди неразрушающим методом по данным об изменениях скорости распространения ультразвуковых волн при малых (до 1%) пластических деформациях.

2. Экспериментальное обоснование ультразвукового метода контроля напряженного состояния объектов подвижного состава железнодорожного транспорта и разработка методики измерения уровня остаточных напряжений с целью повышения их надежности. Основанный на оценке уровня остаточных внутренних напряжений обобщенный критерий отбраковки рам локомотивных тележек, учитывающий различия в содержании Si и Мп в сталях, используемых для их изготовления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Разрушение и мониторинг свойств металлов», г. Екатеринбург, 2003 г.; V международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», г. С.-Петербург, 2003 г.; II Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», г. Томск, 2003 г; на научных семинарах отдела физики прочности и износостойкости ИФПМ СО РАН.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 73 наименований, содержит 58 рисунков, 5 таблиц. Общий объем диссертации 119 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния науки и техники в области ультразвукового состояния металлов, описаны основные задачи, решаемые ультразвуковым контролем и проблемы, требующие решения.

В первой главе выполнен литературный обзор методов контроля материалов в целом и ультразвукового контроля, в частности. Рассмотрен эффект акустоупругости, позволяющий определять напряженное состояние металлов по изменению скорости распространения ультразвуковых волн. Проведен обзор

исследований, показывающих влияние структурных изменений и изменения концентрации примесей на скорость ультразвуковых волн. Рассмотрены нераз-рушающие методы оценки механических характеристик.

Во второй главе приводится список исследуемых материалов, их состав и способы изготовления образцов. Большую часть главы занимает описание лабораторного стенда (рис. 1), разработанного специально для проведения экспериментов, позволяющего быстро обрабатывать результаты, а также вести визуальный контроль зависимостей напряжения и скорости распространения ультразвука от деформации.

Рис. 1. Структурная схема испытательного стенда

Центром накопления результатов измерений и управления стендом является компьютер на базе процессора AMD 486ОХ2-66МГц. Стенд содержит основные функциональные блоки:

— блок механических испытаний, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий амплитуду аналогового сигнала си-лоизмерителя испытательной машины Instron—1185 в цифровое значение для записи в файл компьютера;

— блок автоциркуляции, предназначенный для измерения скорости распространения ультразвуковых релеевских волн методом автоциркуляции импульсов;

— частотомер - преобразователь, предназначен для измерения частоты автоциркуляции импульсов в блоке автоциркуляции и преобразования частоты в цифровое значение для записи в файл компьютера;

— компьютер с специально разработанным программным обеспечением, выполняющим сбор, запись и отображение на экране монитора текущих измерений в режиме реального времени.

Блок механических испытаний был специально дополнен аналого-цифровым преобразователем, собранным на основе цифро-аналогового преобразователя на микросхеме К594ПА1. Блок автоциркуляции импульсов был создан на основе прототипа - прибора ИСП-11 и дополнен блоком измерения частоты автоциркуляции, сопряженным с компьютером через параллельный интерфейс. Программное обеспечение, необходимое для записи эксперимента на компьютер, включает в себя три программы: LD.exe - программа записи деформационной кривой с одновременным выводом ее на экран монитора, USM.exe - программа записи диаграммы нагружения и зависимости частоты автоциркуляции от деформации с одновременным выводом их на экран монитора, USMV.exe - программа просмотра записанных зависимостей с возможностью локального просмотра в узком диапазоне деформаций.

Оценка погрешности измерения частоты автоциркуляции за счет нестабильности акустического контакта была проведена с помощью прибора ASTR. Среднее квадратичное отклонение сг составило 21 Гц, т.е. относительная погрешность измерения -

Третья глава посвящена исследованию стадийности изменения скорости распространения ультразвука в процессе активного нагружения образцов. Рассмотрены деформационные кривые для всех исследованных материалов. Показано, что для всех исследованных сталей поведение скорости ультразвука имеет схожий характер, в то время как в цветных металлах изменение скорости различно. Для различных материалов существуют характерные в поведении скорости ультразвука участки. Отмечается тот факт, что при образовании шейки на образце возможны два варианта изменения скорости распространения ультразвука: ее уменьшение - при образовании шейки между приемным и излучающим пьезопреобразователями или увеличение - при образовании шейки вне области преобразователей.

Рассмотренные зависимости скорости ультразвуковых волн от деформации показали, что скорость меняется в процессе деформирования сложным образом и зависит как от стадии деформации, так и от исследуемого материала. Кроме того, для многих материалов существуют характерные в поведении скорости ультразвука участки. Построение деформационных кривых и зависимостей скорости ультразвука от деформации в обобщенных координатах как зависимостей скорости ультразвука от напряжения позволяет обобщить исследованные материалы. Для понятия сути перехода к новым координатам на примере сплава латуни была построена зависимость напряжения и скорости распро-

странения ультразвука от деформации в трехмерных координатах (рис. 2). Проекция этой кривой на нижнюю плоскость О — £ представляет собой деформационную кривую, проекция на правую вертикальную плоскость V - е представляет зависимость скорости ультразвука от деформации, и, наконец, проекция зависимости на левую вертикальную плоскость является зависимостью скорости ультразвука от напряжения. Такие зависимости принимают общий для всех материалов вид - кривая разделяется на три участка, каждый из которых можно аппроксимировать прямой линией вида:

где - зависят от материала и выбранного участка.

Исследование стадийности зависимости скорости ультразвука от напряжения показало, что переход от первой ко второй стадии соответствует, по-видимому, физическому пределу текучести, который характеризуется началом быстрого размножения дислокаций, переход от второй к третьей стадии обозначает начало образования шейки и последующего разрушения образца.

Рис. 2. Зависимость скорости ультразвука и напряжения от деформации для образца латуни ЛС59-1

В четвертой главе приведены результаты исследования характера изменения скорости распространения ультразвуковых волн в процессе релаксации напряжений в стали 10ХСНД, сплаве Д16, алюминии марки А85, циклического нагружения сплава Д16 и ползучести алюминия марки А85.

В экспериментах по релаксации напряжений каждый из образцов деформировался на 2-3 процента, после чего подвижный захват машины останав-

ливался на определенное время (2-5 минут), во время паузы наблюдалось изменение напряжения в образце (релаксация) и изменение скорости распространения ультразвука. Затем деформирование возобновлялось и по истечении некоторого времени вновь останавливалось. Таким образом, в области пластического течения для каждого образца снималось 5-7 релаксационных кривых.

Общая картина зависимостей напряжения и скорости распространения ультразвука от времени для одного из образцов алюминия представлена на рис. 3. Показано, что остановка подвижного захвата испытательной машины

приводит медленному увеличению скорости ультразвука, возобновление деформации после релаксации вызывает достаточно быстрое снижение скорости распространения ультразвука.

Остановка подвижного захвата испытательной машины приводит к релаксации напряжения в образце по логарифмическому закону вида (2), в то же время происходит медленное увеличение

(2)

где - напряжение, приложенное к образцу (уменьшается при релаксации), <Г0 - напряжение, приложенное к образцу на момент остановки подвижного захвата, зависят от материала образца и стадии деформации (вычисляются из полученных в эксперименте зависимостей).

Г=Г0+у-1п(1|/-/+1), (3)

где V— скорость ультразвука в образце (меняется при релаксации), Ув -скорость ультразвука в образце на момент остановки подвижного захвата, зависят от материала образца и общей деформации (вычисляются из полученных в эксперименте зависимостей).

0-1---,-,-,-.-,-,-,---г-'оде

О 500 1000 1500 2000 2900

•■С

Рис. 3. Зависимости напряжения и скорости распространения ультразвука от времени в образце алюминия.

скорости ультразвука, описываемое выражением (3).

с = 00 + ос ■ 1п(р • / +

Вид описанных зависимостей одинаков, при этом коэффициент <Х в выражении (1) всегда имеет отрицательное значение, а коэффициент У в выражении (2) - положительное.

Были проведены циклические испытания образцов сплава. А именно, по схеме: нагружение - релаксация - разгрузка - пауза. Таким образом, была выявлена постоянно наблюдаемая зависимость (рис. 4). Нагружение приводило к плавному уменьшению скорости распространения ультразвуковых волн. Во время релаксации изменение скорости происходило по уравнению (2). Разгрузка образца вызывала дополнительное повышение скорости до значения, близкого скорости ультразвука в ненагруженном образце. Во время паузы скорость дополнительно возрастала, после чего рост прекращался. Многократные испытания одного и того же образца повторяли описанную картину. Предположительно, большое количество циклов будет приводить к постепенному уменьшению скорости ультразвука в разгруженном образце от цикла к циклу. Это, вероятно, можно связать с образованием дефектов в виде скоплений дислокаций и формированием микротрещин.

Для объяснения поведения скорости ультразвука в процессе деформации используется часть теории Гранато и Люкке, относящаяся к дисперсии (зависимости от частоты) скорости ультразвуковых волн. Рассмотрено выражение, полученное ими для скорости распространения акустической волны в кристаллическом материале, вследствие неизменности частоты колебания акустической волны, после ряда преобразований выражение для скорости ультразвука приобретает вид

Рис. 4. Зависимости напряжения и скорости ультразвука при циклическом нагружении сплава Д16

где - скорость распространения релеевских волн в недеформирован-

ном и деформированном материале, соответственно, аа - слагаемое, характеризующее влияние напряжения, приложенного к образцу, - плотность спо-

собных двигаться дислокаций, перпендикулярных направлению движения фронта волны, Ь - средняя длина дислокационных петель, v - коэффициент Пуассона.

В предположении, что произведение Л • Ь2 меняется линейно от деформации, построена зависимость скорости ультразвука от деформации на основе данных по сплаву ЛС59.1, результат построения представлен на рис. 5

В пятой главе рассмотрены варианты применения полученных закономерностей и известных ранее на практике.

В первом разделе рассмотрен вопрос о возможности определения временного сопротивления без разрушения объекта исследования. Разрешая выражение (1) для первого участка зависимости скоро-

V,г

Рис.5. Результат расчета теоретической зависимости скорости ультразвука от деформации

сти ультразвука от напряжения в нормированных координатах

(нормирование скорости производится на скорость ультразвука в не нагруже-ном материале, нормирование напряжения - на временное сопротивление) относительно временного сопротивления , получили уравнение (5)

где а,Х - коэффициенты, характеризующие материал.

Проверка возможности определения временного сопротивления на контрольных образцах проводилась следующим образом: в упругопластической области определялось значение временного сопротивления по выражению (5), образцы доводились до разрыва, по диаграмме нагружения определялось экспериментальное значение временного сопротивления. Полученная пара значений наносилась на график, на котором ось абсцисс - ось расчетных значений временного сопротивления, а ось ординат - ось значений, определенных по диаграмме нагружения. Результаты проверки приведены на рис. 6, коэффици-

ент корреляции аппроксимации полученных точек прямой линией составляет О 96, что говорит о возможности неразрушающей оценки временного сопротивления с относительной погрешностью не более 5%

Во втором разделе главы описывается прикладная работа, выполненная в рамках «Программы переоснащения базовых предприятий локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» на 20022004 гг.». Были проведены исследования влияния внутренних напряжений в сталях 17Г2СФ, ВстЗсп5, 20К, М16С, используемых для изготовления рам тележек тепловозов типа ТЭМ2 (2ТЭ10Л, М62), 2ТЭ10М (2ТЭ116, М60У, 2М62У), ТЭП60, ТЭП70, ЧМЭЗ и электровозов типа ВЛ10 (ВЛ11, ВЛ60, ВЛ80), ЭП10, ЧС2, ЧС4, ЧС7, ЧС8. Разработана методика выполнения измерений (МВИ) для определения напряженного состояния рам тележек вышеуказанных локомотивов. Методика и прибор Л8ТЯ (рис. 7) прошли приемосдаточные испытания на базе локомотивного депо станции Новокузнецк и были поставлены в более 50 локомотивных хозяйств Российской Федерации Прибор ультразвукового контроля напряженного состояния металла Л8ТЯ был зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 25958-03 и допущен к применению в Российской Федерации. Прибор зарегистрирован в отраслевом Реест-Рис. 7. Прибор Л8ТЯ ре средств измерений, до-

Рис 6. Корреляция между временным сопротивлением, определенным ультразвуковым методом и по диаграмме нагружения

пущенных к применению на железнодорожном транспорте.

В результате работы над методикой и критерием отбраковки рам была получена зависимость внутренних напряжений от изменения частоты автоциркуляции и разности концентраций примесей марганца и кремния. Перспектива уточнения данной зависимости заключается в том, что она оказывается универсальной для широкого круга сталей. На основе известной разности концентраций примесей марганца и кремния по изменению частоты автоциркуляции, без предварительного получения коэффициентов связи изменения частоты от напряжений, можно определять напряженное состояние металлоконструкций.

Третий подраздел относится к перспективному направлению - оценке ресурса работы ответственных объектов. Исследования в данном направлении были проведены на участках труб паропроводов (сталь 12Х1МФ). В результате измерений была выявлена линейная корреляция между временем эксплуатации и скоростью ультразвука в трубе. Результаты показывают возможность определения остаточного ресурса работы металлических изделий.

ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментально установленных зависимостей скорости распространения ультразвуковых волн от напряжения на упругопластическом участке в сталях феррито-перлитного и аустенитного классов и сплавах на основе алюминия, циркония и меди получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», позволяющая определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки. Методика аттестована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Госстандарт РФ) - аналог ГОСТ РФ и утверждена проектно-конструкторским бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД».

3. Установлен закон роста скорости распространения ультразвука со временем в процессе релаксации напряжений в алюминии марки A8S, сплаве Д16 и стали 10ХСНД на параболической стадии деформационного упрочнения.

4. Выявлены закономерности изменения скорости распространение ультразвука при ползучести алюминия. Показано, что при логарифмической ползучести скорость распространения ультразвука возрастает, а при установившейся - остается постоянной или падает.

5. Предложена интерпретация установленных экспериментальных зависимостей скорости ультразвука от деформации, основанная на теории дислокационного внутреннего трения Гранато и Люкке.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Лунев А.Г., Семухин Б.С., Зуев Л.Б. Акустический метод исследования структуры деформированных материалов // Тезисы докладов XIV научной конференции филиала ТПУ, посвященной 300-летию инженерного образования России. - Юрга. - 2001. С. 96.

2. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Лунев А.Г. О возможности оценки прочности металлов и сплавов неразрушающим ультразвуковым методом // ПМТФ. -2002.-№1. С. 202-204.

3. Перовская М.В., Лунев А.Г., Полетика И.М. Измерение скорости ультразвука в стареющем алюминиевом сплаве // Тезисы докладов конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». - Юрга. -2002. С. 112.

4. Лунев А.Г., Семухин Б.С., Зуев Л.Б. О возможности оценки прочности металлов и сплавов неразрушающим ультразвуковым методом // Тезисы региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБу». - Новосибирск. - 2002. - С. 214.

5. Лунев А.Г., Семухин Б.С. Акустический метод оценки прочностных характеристик металлов и сплавов // Тезисы докладов IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». - Томск. -2003.-С. 31-32.

6. Лунев А.Г., Семухин Б.С. Акустический метод оценки прочности металлов и сплавов // Тезисы докладов 13-й Зимней школы по механике сплошных сред. - Пермь. - 2003. С. 251.

7. Лунев А.Г. Поведение скорости ультразвука в металлах в процессе механических испытаний // Тезисы докладов международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». - Екатеринбург. - 2003. -С.93-94.

8. Лунев А.Г., Зуев Л.Б., Семухин Б.С. О возможности оценки ресурса работы изделий ультразвуковым неразрушающим методом // Труды V международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». - С.Петербург. - 2003. - С. 281 -289.

9. Лунев А.Г., Семухин Б.С. О возможности оценки ресурса работы изделий ультразвуковым неразрушающим методом // Материалы II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии». - Томск. - 2003. - С. 321-323.

Ю.Зуев Л.Б., Семухин Б.С, Лунев А.Г. О связи локализации пластической деформации и акустических свойств алюминия и сплава Д16 // Металлы. -2004.-№3. С. 99-107.

Подписано к печати 22.11.2004г. Тираж 100 экз. Заказ № 203. Бумага офсетная. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбХ» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. г. Томск, ул. Усова 7, ком. 052. тел. (3822) 56-44-54

1246 80

ВВЕДЕНИЕ.

1 НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Неразрушающие методы исследования материалов.

1.2 Акустоупругость.

1.3 Влияние структурных изменений на скорость распространения ультразвука.

1.4 Определение механических характеристик металлов неразрушающими методами.

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Материалы для исследования.

2.2 Лабораторный стенд для механических испытаний материалов с одновременной регистрацией скорости распространения ультразвука.

2.3 Механические испытания.

2.4 Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов.

2.5 Погрешность измерения скорости распространения ультразвука методом автоциркуляции импульсов.

2.6 Схема измерения частоты на выходе блока автоциркуляции.

2.7 Работа программы измерения Ultrasound Me 3.21 (USM321).

3 СТАДИЙНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Деформационные кривые исследованных материалов.

3.2 Зависимости скорости распространения ультразвука от деформации.

3.3 Зависимость скорости ультразвука от напряжения.

4 ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА РЕЛАКСАЦИИ И ПОЛЗУЧЕСТИ НА СКОРОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА, СВЯЗЬ СКОРОСТИ С ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРОЙ.

4.1 Поведение скорости ультразвука при релаксации напряжений в деформируемом образце.

4.2 Влияние процесса ползучести на изменение скорости ультразвука в алюминии.

4.3 Теоретическое обоснование изменения скорости ультразвука в процессе пластической деформации.

5 ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ, ИЗМЕРЯЮЩИХ СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА.

5.1 Неразрушающий метод определения временного сопротивления.

5.2 Определение напряженного состояния элементов металлических конструкций.

5.3 Оценка ресурса работы металла деталей и конструкций, работающих под нагрузкой.

Способность акустических волн «чувствовать» изменения структуры и состояния материалов определило одно из наиболее широких и перспективных направлений в области неразрушающего контроля - ультразвуковой контроль.

Использование акустических методов неразрушающего контроля состояния металла действующих объектов является важной задачей в транспортной и строительной системах. Неразрушающий контроль преследует как минимум три главные цели: определение наличия дефектов и их размеров, выявление остаточных внутренних напряжений и их значений, оценка ресурса работы изделия. Теме определения дефектов, их размеров и эволюции в процессе эксплуатации посвящено множество работ начиная с импульсной дефектоскопии и заканчивая активно развивающейся в последнее время акустической эмиссией. Попытки выявить связь скорости распространения ультразвука с остаточными напряжениями, действующими в материале, были предприняты еще в середине 20-го века, с появлением приборов, позволяющих определять скорость распространения ультразвука и ее изменение с точностью не менее 104. Оценка ресурса работы — одна из наиболее важных и сложных задач неразрушающего контроля, множество работ, посвященных данному вопросу, имеют узкое направление и часто малую достоверность.

Одно из наиболее изученных направлений в области ультразвуковых исследований является исследование изменений структуры материалов в результате пластической деформации, усталостного нагружения и термообработки. Существует множество работ посвященных влиянию термообработки или легирующих примесей на скорость распространения ультразвука, на его затухание и дисперсию. Выполнены теоретические и экспериментальные работы, выявляющие связь скорости ультразвука и затухания с микроструктурой материала (на уровне дислокаций). Активно развивается акустическая микроскопия, позволяющая (в отличие от оптической) «заглядывать» внутрь материала и с высокой точностью выявлять места нарушения структуры.

Незначительное количество работ выполнено в области исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн в процессе пластической деформации материалов. Отсутствуют работы по выявлению характера поведения скорости ультразвука в процессе релаксации напряжений или ползучести материалов. В связи с этим актуальными являются исследования закономерностей изменения скорости ультразвуковых волн в ходе всех вышеуказанных механических испытаний. Работа дает основу для разработки методов, предопределяющих некоторые механические свойства материала (предел текучести, временное сопротивление) и эволюцию его состояния в процессе эксплуатации или механических испытаний.

Целью работы является проведение исследований изменения скорости распространения ультразвуковых поверхностных волн в процессе механических испытаний сталей феррито-перлитного и аустенитного классов, титана ВТ 1-0, поликристаллического кобальта, алюминия А85, сплавов Д16, JIC59.1. Получение эмпирических зависимостей, позволяющих определить временное сопротивление материалов и остаточные внутренние напряжения в сталях неразрушающим способом.

Цель была достигнута благодаря специально созданному испытательному стенду, позволяющему в режиме реального времени с деформацией получать данные об изменении скорости ультразвука. Задача определения коэффициентов, связывающих внутренние напряжения с изменением скорости ультразвуковых волн, решалась с применением современного прибора ASTR.

Научная новизна результатов

1. Впервые были проведены исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн одновременно для трех видов механических испытаний: активного нагружения, релаксации и ползучести.

2. На основе экспериментальных данных, впервые получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

Практическая ценность работы

1. Установлены коэффициенты, связывающие изменение скорости ультразвуковых волн в области упругопластических деформаций с временным сопротивлением (пределом прочности) материала для широкого круга материалов.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», позволяющая определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки.

3. Внедрены приборы и методика определения внутренних напряжений металлических рам тележек железнодорожного подвижного состава в более 50 локомотивных хозяйств РФ по программе "Переоснащения базовых предприятий локомотивного хозяйства до уровня технических регламентов".

Содержание работы распределяется по главам в следующем порядке: первая глава отражает современное состояние науки и техники в области исследования материалов с помощью ультразвуковых волн. Вторая глава содержит данные о материалах и методах исследований. В главах с третьей по пятую раскрывается основное содержание работы по исследованию изменения скорости распространения ультразвуковых волн в процессе механических испытаний. В приложениях приведены методика определения напряженного состояния металла тележек локомотивов и копии документов, свидетельствующих об аттестации прибора ASTR, как средства измерения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Доказательство возможности и оценка надежности определения величины временного сопротивления (предел прочности) сталей феррито-перлитного и аустенитного классов и сплавов на основе алюминия, циркония и меди неразрушающим методом по данным об изменениях скорости распространения ультразвуковых волн при малых (до 1%) пластических деформациях.

2. Экспериментальное обоснование ультразвукового метода контроля напряженного состояния объектов подвижного состава железнодорожного транспорта и разработка методики измерения уровня остаточных напряжений с целью повышения их надежности. Основанный на оценке уровня остаточных внутренних напряжений обобщенный критерий отбраковки рам локомотивных тележек, учитывающий различия в содержании Si и Мп в сталях, используемых для их изготовления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Разрушение и мониторинг свойств металлов», г. Екатеринбург, 2003 г.; V международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», г. С.-Петербург, 2003 г.; II Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», г. Томск, 2003 г; на научных семинарах отдела физики прочности и износостойкости ИФПМ СО РАН.

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО

РАН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментально установленных зависимостей скорости распространения ультразвуковых волн от напряжения на упругопластическом участке в сталях феррито-перлитного и аустенитного классов и сплавах на основе алюминия, циркония и меди получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», позволяющая определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки. Методика аттестована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (ГОССТАНДАРТ РФ) - аналог ГОСТ РФ и утверждена проектно-конструкторским бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД».

3. Установлен закон роста скорости распространения ультразвука со временем в процессе релаксации напряжений в алюминии марки А85, сплаве Д16 и стали 1 ОХСНД на параболической стадии деформационного упрочнения.

4. Выявлены закономерности изменения скорости распространение ультразвука при ползучести алюминия. Показано, что при логарифмической ползучести скорость распространения ультразвука возрастает, а при установившейся — остается постоянной или падает.

5. Предложена интерпретация установленных экспериментальных зависимостей скорости ультразвука от деформации, основанная на теории дислокационного внутреннего трения Гранато и Люкке.

1. Ананьев Л.М., Морозов В.М., Малышев В.И., Цымбалист В.А. Неразрушаю-щие методы контроля // под ред. Ананьева Л.М. Томск-4.: ТПИ. Ротапринт, 1986.-378 с.

2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества // Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988.-368 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976. - 326 с.

4. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. -Справ, изд., Пер. с нем. -М.: Металургия, 1991. 752с.

5. Шкарлет Ю.М. Бесконтактные методы ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1974.

6. Буденков Г.А., Гуревич С.Ю. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля // Дефектоскопия, 1981. — № 5. с. 5-33.

7. Shokry А. М., Gilbert J. A. Extracting Rayleigh Waves from Noise Using a Differential Optical Interferometer // Nondestructive Evaluation, 1998. N 10. - p. 171— 184

8. Lanza di Scalea F., Bonomo M., Tuzzeo D. Ultrasonic Guided Wave Inspection of Bonded Lap Joints: Noncontact Method and Photoelastic Visualization // Nondestructive Evaluation, 2001. -N 13. p. 153-171

9. Tsung-Tsong Wu Elastic Wave Propagation and Nondestructive Evaluation of Materials // Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), 1999. Vol. 23. -N 6. - p. 703-715

10. Ю.Муравьев B.B., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. — 184 с.

11. П.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981.-240 с.

12. Ботаки А. А., Ульянов В. JL, Шарко А. В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.

13. Серьезнов А.Н. и др. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций. М.: Радио и Связь, 2000. - 280 с.

14. Баранов В.М. и др. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998.-256 с.

15. Белов В.М., Подлевских М.Н., Струченко А.Н. Применение метода акустической эмиссии для диагностики энергетического оборудования // Материалы научно-практической конференции "Развитие государственной службы и электроэнергетика России". — Москва, 1998 г.

16. Delsanto P. P., Olivero D., Perego G., Scalerandi M. Acoustoelastic Effects in Elastic Media with Nonuniform Initial Stress // Nondestructive Evaluation, 2000. N 12. -p. 105-118.

17. Clark A. V., Hehman C. S., Nguyen T. N. Ultrasonic Measurement of Stress Using a Rotating EMAT // Nondestructive Evaluation, 2000. N 12. - p. 217-239.

18. Гузь А.Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями В 2 т. Киев: Наук, думка, 1986.-Т. 1.-376 е.; Т. 2.-536 с.

19. Tokuoka Т., Iwashimizu Yu., Acoustical birefringence of ultrasonic waves in deformed isotropic elastic materials // Int. J. Solids Structures, 1968 4. - p. 383389.

20. Гуща О.И., Махорт Ф.Г. Акустический способ определения двухосных остаточных напряжений // Прикладная механика. — 1976. № 10.-е. 32-36.

21. Гуща О.И., Лебедев В.К. Влияние напряжений на скорости распространения ультразвука в металлах. Прикладная механика, 1968. - № 2. - с. 89-92

22. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. — Киев: Нау-кова думка, 1977.-151 с.

23. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Ермолаева З.И. Влияние внутренних напряжений на скорость ультразвука в сталях // Актуальные проблемы прочности, Новгор. гос. ун-т. Новгород, 1994. - ч. 1. - с. 39.

24. Муравьев В.В., Ермолаева З.И., Васильев А.Г. О разделении влияния напряжений I и II рода на скорость ультразвука в сталях // Проблемы безопасности труда, экологии чрезвычайных ситуаций на ж.-д. Транспорте — СГАПС. Новосибирск, 1995.-с. 141.

25. Аксенов Г.И. Изменение упругих напряжений в мелкокристаллическом агрегате методом Дебая Шеррера // Журнал прикладной физики, 1979. — Т. 6. - с. 315.

26. Чернышев Г. Н., Попов A. JL, Козинцев В. М., Пономарев И. И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука;Физмат, 1996. - 239 с.

27. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М. Полезные и опасные остаточные напряжения // Природа, 2002. №10.

28. Жуков С.А., Копица Н.Н. Дефектономия, как новый подход к снижению техногенной опасности объектов транспорта // Доклады семинара «Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте». — СПб., 2003.

29. Андерсон В.А. Стареющие сплавы на алюминиевой основе // Старение сплавов. М.: Металлургия, 1962.

30. Рохлин Л.Л. Акустические свойства легких сплавов. М.: Наука, 1974. — 140 с.

31. Рохлин Л.Л. Влияние легирования на скорость распространения ультразвуковых волн в алюминиевых сплавах // ФММ. Т. 28 - № 3. - с. 571-574.

32. Красавин В.В. Ультразвуковой контроль содержания остаточного аустенита в стали Х12Ф1 // Дефектоскопия. 1980. -№ 12. - с. 94-95.

33. Лебедев А.А., Левитан Л.Я., Шарко А.В. Оценка влияния химического состава на результаты измерений механических свойств стали 40Х акустическими методами // Дефектоскопия, 1979. №2. - с. 81-84.

34. Ультразвуковые методы исследования дислокаций // Сборник статей под ред. Л.Г. Меркулова, Издательство иностранной литературы. М.: Материаловедение, 1963.-376 с.

35. Кондратьев А.И., Березюк М.А., Семигузов Д.А. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». — Екатеринбург, 2003.

36. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Акустическая диагностика in situ пластической деформации и разрушения металлов и сплавов // Сборник трудов IV научного семинара СНГ «Акустика неоднородных сред.». Новосибирск, 1997г. - выпуск 112. - С.160-165.

37. Семухин Б.С., Бушмелева К.И., Зуев Л.Б. Скорость распространения ультразвука и явление текучести в стали 09Г2С // Металлофизика и новейшие технологии, 1998. Т. 20. N5. - С. 68 - 71.

38. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние дислокаций на дисперсию и затухание ультразвука в твердом теле // Письма в ЖТФ. 2002. -Т.32, вып.6. — С.6—11

39. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние циклического нагружения и деформации материала на характеристики распространения в нем продольной акустической волны // Дефектоскопия. 2004. - №1. - С. 59-64

40. Боярская Ю.С. Деформация кристаллов при испытаниях на микротвердость. — Кишинев: Штиинци, 1972. — 236 с.

41. Горкунов Э.С., Сомова В.М., Ничипурук А.П. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (обзор) // Дефектоскопия, 1994. -N 7.

42. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. — Екатеринбург, УрО РАН, 1996. 263 с.

43. Ригмант М.Б. и др. Магнитные методы и средства контроля структуры и фазового состояния конструкционных сталей // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург, 2003.

44. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. JL: Машиностроение, 1977., 208 с.

45. Муравьев В. В., Бояркин Е. В., Зизевская А.В. Контроль качества рельсов по скорости ультразвуковых волн // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург, 2003.

46. Полетика И.М., Егорова Н.М., Куликова О.А., Зуев Л.Б. Об ультразвуковом контроле неоднородности механических свойств горячекатаной стали // Журнал технической физики, 2001. Т. 71. - вып. 3.

47. Velev G. St. and Latkovski V. V. A method of ultrasonic study of materials // Техническая акустика, 2003. № 11.

48. Лейкин A.E., Родин Б.И. Материаловедение. Учебник для машиностроительных специальностей вузов. — М.: «Высшая школа», 1971. — 416 с.

49. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1976. 408 с.

50. Смитлз К. Дж. Металлы: Справ, изд. Пер. с англ., 1980. 447 с.

51. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбацумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ, изд. М.: Металлургия, 1984. - 528 с.

52. Шапошников H.A. Механические испытания металлов. Ленинград: МАШ-ГИЗ, 1954.-443 с.

53. Булычов А.П., Галкин В.И.,Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. -Минск: Беларусь, 1994 г.

54. Якубовский С.В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочное пособие, 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и Связь, 1985. - 432 с.

55. Буденков П.А., Недзвецкая О.В., Шишкина С.И., Полянкин Г.А. К возможности стабилизации акустического контакта при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия, 2000 г. -№12. с. 61-68.

56. Арефьев К.П., Боев О.В., Имас О.Н., Лидер A.M., Сурков А.С., Чернов И.П. Аннигиляция позитронов в насыщенном водородом титане // ФТТ, 2003. — Т. 45. вып. 1.-С. 3-7.

57. Зуев Л. Б., Семухин Б. С., Бушмелева К. И. Зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения при пластическом течении поликристалла // ЖТФ, 1999.-т. 69.-вып. 12.-е. 100-101.

58. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Лунев А.Г. О возможности оценки прочности металлов и сплавов неразрушающим ультразвуковым методом // Прикладная механика и техническая физика, 2002. 43. - № 1. - С. 202-204.

59. Доценко В.И., Ландау А.И., Пустовалов В.В. Современные проблемы низкотемпературной пластичности материалов. Киев: Наукова думка, 1987. - 164 с.

60. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. и др. Оценка накопления дефектов при усталости акустическим методом // Проблемы машиностроения и надежности машин, 1994. №4.-с. 103-107.

61. Миськин B.C. Основы легирования стали. М.: «Металлургия», 1964. 684 с.