автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Акустоупругие и электромагнитно-акустические характеристики стержневых волн при растяжении термически обработанных стальных проволок

На правах рукописи

УДК 534.2; 620.179.16

Платунов Андрей Валерьевич

АКУСТОУПРУГИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕРЖНЕВЫХ ВОЛН ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ СТАЛЬНЫХ ПРОВОЛОК

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

25ФЕВ 2015

Ижевск-2015

005559483

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)

Научный руководитель:

Муравьев Виталий Васильевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Щербинский Виктор Григорьевич

доктор технических наук, профессор, научный руководитель Института неразрушающих методов исследования металлов ГНЦ РФ АО «НПО «ЦНИИТМАШ»

Герасимов Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительная механика» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБУН Институт машиноведения Уральского

отделения Российской академии наук

Защита состоится 22 апреля 2015 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д520.010.01 ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: 119048 г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр.1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 119048 г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» и на сайте Шр:/\,ак.ес1^0У.Г11

Автореферат разослан » февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор _________— Н.Р. Кузелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пружинная проволока, производимая на отечественных предприятиях для упругих элементов, во многих случаях отличается неравномерностью свойств как внутри одной бухты, так и по разным партиям. Это явление характерно для проволок разных марок сталей, размеров и различных производителей. Поэтому результаты механических испытаний при окончательной приемке продукции и при повторных испытаниях, допускаемых стандартом, не вполне корректны, поскольку они определяются состоянием того локального участка проволоки, от которого отобраны образцы, и не характеризуют всю бухту в целом. Возможными причинами локальной неравномерности свойств термически обработанной проволоки могут быть:

- остаточные напряжения, накапливаемые при волочении, в т.ч. при нарушении технологии волочения и износе волок;

структурная неоднородность, осложненная протекающими при нагреве холоднодеформированных сталей процессами рекристаллизации.

Универсального метода оценки механических свойств материалов, структурного и напряженно-деформированного состояния среди многочисленных методов структуроскопии и тензометрии (акустических, электрических, магнитных, оптических, рентгеновских и др.) не существует.

Перспективные варианты оценки структурного и напряженно-деформированного состояния металлов связаны с нелинейными акустическими методами, основанными на измерении характеристик упругих волн в контролируемой среде, таких как скорость распространения и затухание волн. Обладая уникальным потенциалом, метод акустической тензометрии пока не нашел широкого использования в промышленности ввиду ряда теоретических и технических проблем, связанных с неоднозначной интерпретацией сложного напряженно-деформированного состояния реальных объектов, анизотропией их свойств, различием и неоднородностью структурного состояния, влиянием внешних воздействий на изменение параметров упругих волн, а также влиянием предыстории материала на коэффициенты акустоупругости. Расширение возможностей акустической структуроскопии связано с бесконтактным электромагнитно-акустическим (ЭМА) способом ввода и приема волн.

Степень разработанности темы. Веремеенко C.B. исследовал затухание симметричной волны в молибденовой проволоке, совместно с Игнатинским ЯЛ. он предложил способы определения модулей упругости в проволоке. Касаткин Б.А., Агасьев Г.Г., Лыско Е.М. рассчитывали уравнения Похгаммера-Кри для тонких стержней, сделали оценки величины смещений по поверхности и сечению проволоки, вывели рекомендации по способам возбуждения ультразвука. В работах Глухова H.A., Боброва В.Т., Веремеенко C.B., Дружаева Ю.А., Колмогорова В.Н., Лебедевой H.A. описано применение бесконтактного ЭМА преобразования на объектах малого диаметра, в т.ч. на проволоке. Комаровым В.А. и Кононовым П.С. даны расчеты прямого и обратного ЭМА преобразования на тонких стальных и никелевых проволоках. Расчет и проектирование ЭМА преобразователей различного назначения описаны в работах Петрищева О.Н., Сучкова Г.М.

Работа выполняюсь в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-20U годы)» по проекту № 2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия 2 «Модернизация научно-исследовательского процесса и

инновационной деяте льности»; задания Л'? ГШ-2-14 на проведение НИР в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация и проведение конкурсов в образовательной и научно-исследовательской деятельности для аспирантов и молодых научно-педагогических работников вуза» Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 гг.

Цель работы. Исследование акустоупругих и электромагнитно-акустических характеристик волн Похгаммера при механическом растяжении термически обработанных ферромагнитных проволок. Задачи исследования.

1. Аналитический обзор методов и средств акустической структуроскопии стальных проволок с учетом технологии производства.

2. Моделирование акустического тракта в тонких проволоках для стержневых волн.

3. Разработка экспериментальной установки для исследования параметров стержневых волн в ферромагнитных проволоках с обеспечением статической растягивающей нагрузки и бесконтактным электромагнитно-акустическим способом ввода и приема волн.

4. Экспериментальные исследования влияния одноосных растяжений и режимов термической обработки тонких ферромагнитных проволок на информативные параметры стержневых волн. Экспериментальное определение акустоупругих коэффициентов по скорости и по амплитуде для тонкой ферромагнитной проволоки.

5. Разработка рекомендаций для реализации методики контроля тонкой стальной проволоки при изготовлении.

Объект исследования. Информативные параметры акустической структуроскопии тонких ферромагнитных проволок из сталей 65Г, У9А и сплава 52К12Ф.

Предмет исследования. Информативные параметры стержневых волн в тонких ферромагнитных проволоках, методика неразрушающего контроля проволоки при производстве.

Методология и методы исследования. При моделировании использовался аппарат динамической теории упругости, акустики твердого тела. При проведении эксперимента использовались акустический импульсный метод, электромагнитно-акустический способ ввода и приема волн, метод многократных отражений акустического сигнала, термическая обработка, тензометрия. Для подтверждения результатов исследований проводились механические испытания; металлографический анализ; статистические методы обработки данных. Научная новизна:

1. Впервые проведено моделирование акустического тракта для стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания для произвольной формы импульса в тонких проволоках.

2. Предложен метод определения скорости в области минимальной дисперсии для повышения точности измерений информативных параметров стержневых волн.

3. Впервые найден новый информативный параметр структурного состояния материала — акустоупругий коэффициент по амплитуде.

4. Впервые найдены закономерности распространения импульса акустической волны в тонких проволоках с приложением одноосной растягивающей нагрузки:

- уменьшение скорости стержневой волны с ростом внешних растягивающих напряжений для сталей 65Г и У9А в состоянии поставки и после отжига;

- увеличение скорости стержневой волны и увеличение акустоупругого коэффициента по скорости с ростом внешних растягивающих напряжений для сплава 52К12Ф после отжига до температур 600°С и их падение после отжига выше 800°С;

увеличение амплитуды стержневой волны и амплитудного коэффицента акустоупругости в стальных проволоках 65Г и У9А с ростом внешних растягивающих напряжений и с уменьшением внутренних напряжений вследствие отжига. Теоретическая и практическая значимость.

1. Разработана экспериментальная установка для исследования ферромагнитных проволок стержневыми волнами с проходными электромагнитно-акустическими многосекционными преобразователями.

2. Предложены способы повышения точности измерения информативных параметров, заключающиеся в увеличении базы прозвучивания и использовании области минимальной дисперсии скорости волн.

3. Даны рекомендации для реализации методики неразрушающего контроля ферромагнитной проволоки при изготовлении с использованием электромагнитно-акустического способа возбуждения-приема стержневых волн.

4. Методика неразрушающего контроля структурного и напряженно-деформированного состояния в тонких стальных проволоках по измерению параметров стержневых волн использована в учебном процессе ИжГТУ имени М.Т. Калашникова и апробирована на предприятии ООО «КУЗБАСС РИКЦ».

Положения, выносимые на защиту.

1. Моделирование акустического тракта для стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания при произвольной форме импульса, в тонких проволоках.

2. Закономерности изменения скорости и амплитуды стержневых волн в зависимости от величины одноосных нагрузок, прилагаемых к образцу.

3. Закономерности изменения скорости и амплитуды стержневых волн в зависимости от режимов термической обработки образцов.

4. Информативный параметр структурного состояния материала — акустоупругий коэффициент по амплитуде.

Достоверность полученных результатов измерений информативных параметров стержневых волн в тонких ферромагнитных проволоках подтверждена воспроизводимостью результатов экспериментов; обоснованностью полученных зависимостей; согласованием найденных экспериментальных зависимостей с математической моделью, а также апробацией результатов в промышленности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: XVIII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г. Нижний Новгород, 29 сентября - 03 октября 2008 г.; IV международная научно-техническая конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», г. Тюмень, 9-10 декабря 2008 г.; 2-ая международная студенческая научно-техническая конференция «Новые направления развития приборостроения», г. Минск, 22 — 24 апреля 2009 г.; IX выставка-сессия инновационных проектов при министерстве экономики Удмуртской республики, г. Ижевск, 15 - 16 апреля 2010 г.; I Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика», г. Ижевск, 22 - 23 апреля 2010 г.; Х-я Европейская конференция по неразрушающему контролю «ЮЛ ЕС>ГОТ», г.

Москва, 7 — 11 июня, 2010 г.; научная конференция «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики, г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.; XIX Всероссийская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г. Самара, 6 — 8 сентября 2011 г.; VII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение в XXI веке», г. Ижевск, 17 ноября 2011 г.; XII выставка-сессия инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов аспирантов и молодых ученых, г. Ижевск, 22 — 23 ноября 2011 г.; VII Всероссийская научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 15 — 17 ноября 2011 г.; II Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Ижевск, 14 - 16 мая 2012 г.; XXI Петербургская конференция «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций УЭДМ-2013: От теории к практике и повышению эффективности ультразвукового контроля», г. Санкт-Петербург, 28-31 мая 2013 г.; X конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» 12-14 ноября 2014 г., г. Ижевск; XXVII Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)» 26 ноября 2014 г., Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург.

Личный вклад автора заключается в разработке модели процесса распространения стержневых волн в проволоках, разработке и изготовлении вспомогательных устройств и средств сопряжения аппаратурных комплексов при выполнении экспериментов, создании методик обработки сигналов, планировании экспериментов, в анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Соответствие диссертации паспорту специальности. П. 1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 20 публикациях, в т.ч. 3-х статьях по списку ВАК и материалах конференций. Получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 122 наименований. Диссертация включает 57 рисунков, 8 таблиц и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих методов и средств контроля протяженных объектов малого диаметра. Среди видов неразрушающего контроля для ферромагнитных проволок применяется визуальный контроль, вихретоковые, магнитные, ультразвуковые методы. Вихретоковый контроль тонкой проволоки имеет ряд ограничений, а именно зависимость от марки стали, сложность выделения мешающих факторов. Наиболее информативными при контроле тонкой проволоки являются акустические методы, которые имеют следующие преимущества: высокая чувствительность, возможность увеличения зоны контроля за счет малого затухания.

В работах С.В. Веремеенко было исследовано затухание симметричной волны, распространяющейся в молибденовой проволоке. Б.А. Касаткиным и другими авторами - Г.Г.

Агасьева, Е.М. Лыско - проводились попытки расчета уравнения Похгаммера-Кри для тонких стержней, сделаны оценки по величине смещений по поверхности и сечению проволоки, выведены рекомендации по способам возбуждения ультразвука. C.B. Веремеенко и Я.Л. Игнатинским были предложены способы определения модулей упругости в проволоке акустическими методами.

Тем не менее, следует отметить недостатки метода - сложность ввода волны в объект контроля, достижения необходимой поляризации волны, её фокусировки. В работах H.A. Глухова. В.Т. Боброва, C.B. Веремеенко, Ю.А. Дружаева В.Н. Колмогорова, H.A. Лебедевой описано применение бесконтактного электромагнитно-акустического преобразования на объектах малого диаметра, в т.ч. на проволоке. В.А. Комаровым и П.С. Кононовым описаны методики прямого и обратного ЭМА преобразования на тонких стальных и никелевых проволоках. Расчет и проектирование ЭМА преобразователей различного назначения описаны в работах О.Н. Петрищева, Г.М. Сучкова, Г.А. Буденкова.

Основным информативным параметром в большинстве перечисленных исследованиях являлась амплитуда (коэффициент затухания) ультразвука в объекте контроля. А.И. Экономов использовал изменение скорости волны для оценки структурного состояния медных проволок и установил связь упругих и акустических характеристик образцов с особенностями их внутренней структуры. Предложена методика и программное обеспечение расчета изменений упругих модулей и нелинейных акустических параметров в зависимости от величины их деформации.

На основе анализа рассмотренных работ сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена вопросам моделирования распространения сигнала в проволоке с учетом затухания и дисперсии скорости стержневой волны. Дисперсия скорости свойственна акустическим волнам в ограниченных телах. Уменьшение групповой скорости стержневой волны в результате дисперсии в модельной стальной проволоке диаметром d = 0,5 мм, начальной скоростью распространения нулевой моды (Уso ~ 5337м/с показано на рис. 1. В области низких частот дисперсия минимальна, с увеличением частоты скорость (Уso значительно падает. Рабочий диапазон экспериментальных исследований fp=0,8 - 1,2 МГц соответствует области минимальной дисперсии скорости.

(Уso, ■«/о

f. МГц

f.M-ц

Рисунок 1 - Дисперсия групповой скорости моды во в металлической проволоке ¿=0,5 мм

Рисунок 2 - Коэффициент затухания стержневой волны в металлической проволоке с!=0,5 мм

Поглощение и рассеяние ультразвука в материале объекта контроля характеризует коэффициент затухания 5. Зависимость коэффициента затухания стержневой волны 5 в модельной стальной проволоке диаметром с1 = 0,5 мм представлен на рис. 2.

7

Искажения импульса стержневой волны переходной функцией H¡(f):

в результате дисперсии описываются

«,(/) = ех р

1СОГ---

I

с° cf„</>

(1)

где со - круговая частота; г — расстояние, пройденное импульсом; Со — начальная скорость стержневой волны; C?so — значение скорости на некоторой частоте f.

Зависимость затухания амплитуды волны от частоты при вариации расстояния г, пройденного импульсом описана переходной функцией H-¿(f):

n2(f) =е~а (2)

Расчет влияния дисперсии и затухания проведен на модельном коротком импульсе с центральной частотой fo ~ 1 МГц, форма зондирующего импульса описана следующей формулой:

U(t) = U0 sin ся • ехрС-Д), (3)

где Uo— начальная амплитуда; со — круговая частота; i — время; коэффициент/? = —

С»

Спектральная плотность зондирующего сигнала находится быстрым прямым преобразованием Фурье:

S(/) =ju«)e-"*dt (4)

Учитывая влияние затухания и дисперсии скорости стержневой волны можно записать расчетную формулу для акустического импульса, регистрируемого приемным датчиком на расстоянии г от точки ввода волны:

SrpJf) = S(f)Hl(f)H2(f) (5)

Форма сигнала и„рш восстанавливается обратным преобразованием Фурье:

£W0 = {v»(/>-'M# (6)

Формы излученных импульсов частотой 1 МГц и импульсов, прошедших расстояние 0,1 — 10 м представлены на рис. 3.

1Ы0"1 19-1СГ1 МО"1 Э l-ia"1 12.10- IfclO"1 IMO'* a-ID"1 1 МО"1 52-1G"1

■ т» iT.

Рисунок 3 - Дисперсионное искажение акустического импульса в проволоке по сравнению с излученным; а-0,1 м, 6-1 м, в-Зм, г-10м

Из полученных результатов следует, что с ростом пройденного расстояния амплитуда принятого импульса уменьшается за счет затухания стержневой волны в материале объекта, длительность импульса увеличивается незначительно, добавляется высокочастотная составляющая (рис. 3 б, в, г). Так же с ростом частоты увеличивается искажение фазы сигнала. Полученные данные дают обоснование для выбора основных технических характеристик при проектировании средств структуроскопии проволоки. Длина базы прозвучивания проволоки была выбрана в размере 0,25 м, рабочая частота 1 МГц что соответствует незначительному затуханию и минимальной области дисперсии скорости.

Таким образом, выполнена оценка искажения импульсов стержневой волны с учетом дисперсии скорости при использовании поправки Рэлея; проведено моделирование акустического тракта для стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания для произвольной формы импульса в тонких проволоках в широком диапазоне частот; выведены технические рекомендации к аппаратуре для проведения эксперимента.

Третья глава. Разработка экспериментальной установки и методических подходов для акустических исследований тонких проволок. Используемый в работе акустический метод тензометрии основан на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием механических напряжений. Наряду с зависимостью от напряжений, скорость волны определяется ее поляризацией и взаимной ориентацией направления распространения и направления действия усилий. Максимальное по модулю значение акустоупругого коэффициента наблюдается при одноосных напряжениях, когда направление распространения волны и смещения частиц совпадает с направлением деформирующей силы. При этом изменение скорости стержневой волны, распространяющейся вдоль оси 2 с поляризацией в направлении оси 2 в условиях одноосных растяжений вдоль оси X может быть описано с помощью акустоупругого коэффициента ¡¡с'-

определяемый константами упругости второго порядка Ламе А,/у и константами упругости третьего порядка Мурнагана I, т, п.

Для исследований процессов распространения стержневых волн в термически обработанных проволоках в зависимости от внешних механических напряжений разработана экспериментальная установка, функциональная схема и фото которой представлены на рис. 4. В проволоке 5 с помощью бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) излучателя 4, жестко закрепленного на раме установки, возбуждаются короткие акустические импульсы симметричной моды 5о с основной частотой в спектре сигнала 0,8 — 1 МГц.

(7)

где Рс ~

15Л + 10^/ + 4Я^/ ц + 2{\ + 2т + 2Ат! ¡л) 2(3 Л + 2//)(А + 2//)

акустоупругий коэффициент,

Синхронизация

а) б)

Рисунок 4 - Функциональная схема (а) и общий вид (б) экспериментальной установки

После излучения ЭМА преобразователем 4 импульс проходит по проволоке расстояние, равное базе прозвучивания (250 мм) и регистрируется закрепленным на раме установки ЭМА приемником 6, преобразующим акустические колебания в электрические импульсы. Преобразованные в электрический сигнал акустические колебания через усилитель 7 подаются на цифровой осциллограф 8 (рис. 4,а). Постоянные магниты 3 служат для настройки ЭМА преобразователей на максимальное значение магнитострикционной постоянной Ях. Генератор электрических импульсов /, питающих ЭМА излучатель 4, и развертка осциллографа 7 синхронизируются. Устройство управления нагрузкой 2 обеспечивает растягивающее механическое нагружение, контролируемое с помощью динамометра ДОР-3-0,ЭИ 9 с точностью 0,1 Н. Эксперимент проводился с небольшой продольной растягивающей нагрузкой 30 Н, для устранения осевых изгибов проволоки. Частота принятого импульса при нагружении образца изменялась в пределах 1,15 — 1,2 МГц, что соответствует методической погрешности определения скорости стержневой волны 0,02%.

Магнитострикционные характеристики исследуемых ферромагнитных проволок позволяют применить электромагнитно-акустический способ ввода и приема стержневой волны с высокой эффективностью преобразования, что позволяет проводить измерения на фиксированной базе прозвучивания. Мода в проволоке возбуждается ЭМА излучателем за счет эффекта Джоуля (линейной магнитострикции), регистрация импульсов моды ЭМА приемником происходит за счет обратимости магнитострикционного эффекта. Малый диаметр образцов проволоки позволяет проводить исследования в широком диапазоне механических напряжений при незначительных усилиях.

В качестве информативных параметров при исследованиях выступали амплитуда импульса О'(мВ) и время его прихода I (не), измеряемое по линии перехода через 0 (рис. 5).

Типе 2О.80и5 €»-0.000«;

= 125»*; <•»»«;•)«

Рисунок 5 - Регистрируемые эхограммы: а - зондирующий импульс (1), принятый импульс (2);

б - форма принятого импульса

Определение скорости стержневой волны производится с помощью импульсного метода между неподвижными ЭМА излучателем и приемником. Относительное изменение скорости стержневой волны АС / Со рассчитывается по формуле:

АС С-С0 Ь/(10 + М)-Ь/10

Ы

С„

С„

Ь/и

/0+ДГ

(8)

--о "-"О 'о

в которой Д/=/ — /„ - разница во времени распространения ультразвукового импульса при нагрузке и при ее отсутствии.

Установка обеспечивает инструментальную погрешность измерения времени и определения скорости 0,01%.

По величине относительного изменения скорости ДС/С рассчитывались значения акустоупругих коэффициентов по скорости /?с.:

дс/с0

А =-(9)

где а-12 - приложенная нагрузка.

Использование ЭМА метода позволило ввести новый дополнительный информативный параметр - акустоупругий коэффициент по амплитуде, характеризующий эффект возрастания амплитуды стержневой волны при воздействии напряжений и определяемый в основном эффективностью ЭМА преобразования.

Ри =-- . (10)

а72

где Ди ~и ~ио, Ц0 и и - амплитуда принятого ультразвукового импульса при отсутствии нагружения и при нагрузке соответственно.

Предложенные способы повышения точности, основанные на многократных отражениях и использовании области минимальной дисперсии волн с применением специальной конструкции проходного многосекционного преобразователя позволили уменьшить погрешности при проведении экспериментов; экспериментально реализован эхо-метод для

дефектоскопии проволоки, а также проведены эксперименты по исследованию сигналов акустической эмиссии в проволоке.

Четвертая глава посвящена анализу акустических характеристик при статическом растяжении термически обработанных проволок, в качестве которых были выбраны холоднотянутые проволоки с высокой степенью наклепа разных диаметров - 00,4 мм из пружинной стали 65Г (ГОСТ 11850-72), 00,5 мм из инструментальной стали У9А (ГОСТ 938975), 00,3 мм из сплава викаллой (сплав 52К12Ф, ГОСТ 10994-74).

Таблица 1 - Физико-механические свойства исследуемых материалов

Свойства/ Материал сталь 65Г сталь У9А сплав 52К12Ф

Предел прочности при растяжении ав, МПа ИЗО 1200 1400

Предел пропорциональности ат, МПа 785 - -

Твердость по шкале НВ, МПа 285 192 -

Модуль Юнга Е, ГПа 215 207 210

Модуль сдвига в, ГПа 84 79 81

Коэффициент Пуассона V 0,28 0,31 0,30

Плотность р, 103,кг/м'> 7,85 7,75 8,0-8,2

Коэф-т температурного расширения, Ю-6,"С"1 11,8 11,3 11-13

Удельное сопротивление г, нОм'м - 253 600

Коэрцитивная сила Не, 103, А/м 1,6 - 32-40

Остаточная индукция Вг, Тл 1,09 - 0,75-0,8

Образцы из сталей 65Г и У9А - рессорно-пружинные проволоки, основное свойство которых - сопротивление малым пластическим деформациям - характеризуется величиной предела упругости. Пружинные сплавы должны иметь мелкозернистую однородную структуру и субструктуру, высокую чистоту по неметаллическим включениям и примесям. Необходимый комплекс свойств достигается закалкой и отпуском при температуре 300—400°С.

Сплав викаллой относится к дисперсионно-твердеющим сплавам. Эти сплавы приобретают высокие магнитотвердые свойства только после холодной деформации на 70+90 % (прокатка, волочение) и последующего отпуска.

Физико-механические свойства металла исследуемых проволок представлены в табл. 1.

На рис. 6 представлены результаты исследований влияния растягивающих механических напряжений на скорость стержневой волны в образцах проволоки из сталей 65Г, У9А и из сплава викаллой, находящихся в состоянии поставки. Кривые пронормированы к скорости стержневой волны Со в ненагруженном состоянии. Имеющий место разброс в результатах измерений обусловлен в первую очередь неравномерностью механических свойств исследуемых образцов проволок в мотке.

Рисунок 6 - Относительное изменение скорости стержневой волны от растягивающих напряжений в образцах из сплава викаллой (1), стали У9А (2) и стали 65Г (3) в состоянии

поставки

Результаты экспериментально измеренных упругих характеристик исследуемых образцов в состоянии поставки представлены в табл. 2.

Таблица 2. Упругие свойства исследуемых проволок в состоянии поставки

Материал Сталь 65Г Сплав викаллой 52К12Ф Сталь У9А

Скорость стержневой волны Со, м/с 5089,8 4968,9 5213,0

Модуль Е, ГПа 203 199 202

Для проволок в состоянии поставки при увеличении растягивающих механических напряжений наблюдается возрастание скорости стержневой волны для сплава викаллой и уменьшение скорости для сталей 65Г и У9А. Наибольшая нелинейность в законе изменения скорости стержневой волны наблюдается для образцов из сплава викаллой. В области исследуемых напряжений упругий гистерезис отсутствует. Максимальное наблюдаемое изменение скорости для образцов из стали У9А составляет ДС/Со »0,12% при нагрузке 950 МПа; для стали 65Г - ДС/С0 «0,28% при нагрузке 700 МПа; для образцов из сплава викаллой - ДС/С0 «0,25% при нагрузке 1100 МПа.

Высокие внутренние напряжения 1-го и 11-го рода препятствуют прикладываемым внешним механическим напряжениям, что ведет к несущественному изменению скорости ДС7С0 (низким значениям коэффициентов акустоупругости), и минимальному абсолютному значению скорости.

С целью уравновешивания и снятия остаточных напряжений исследуемые образцы были подвергнуты отжигу при различных температурах в интервале 200 - 1200°С. Отжиг проводился в калиброванной трубчатой печи МТП-2М-50-500 с электронным программным управлением температурой. Время термической обработки — 2 минуты. Во избежание окисления проволоки и

уменьшения её диаметра, проволоки помещались в тонкие керамические трубки, внутренний диаметр трубок не более 0,6 мм. Охлаждение образцов проходило при комнатной температуре без извлечения из керамических трубок.

Исследуемые образцы в состоянии поставки и после термической обработки были подвергнуты металлографическому анализу на микроскопе Альтами МЕТ 1М. На рис. 7 представлены металлографические снимки шлифов проволок в различных состояниях. На образцах в состоянии поставки и после отжига при температурах до 600°С наблюдается высокая текстурированность, ориентированная по направлению волочения проволоки. На образцах, отожженных при температурах 1=800°С и выше отмечается заметное уменьшение текстурированности, увеличение зерна.

лас,,

>

К

ж а, М

О 200 400

600 в)

Г/а

800 1000 1200 1400

♦ ПОСТАВКА «400=С Л600-С Ж1000°С

Рисунок 8 - Относительное изменение скорости стержневой волны АС/Со от растягивающих напряжений в образцах из стали 65Г (а), У9А (б) и сплаве викаллой (в) при различных температурах отжига

На рис. 8 представлены зависимости изменения скорости стержневой волны от растягивающих нагрузок при различных температурах термической обработки для образцов из стали 65Г, У9А и сплава викаллой соответственно.

В пружинно-рессорных проволоках из сталей 65Г и У9А с ростом температуры термообработки наблюдается уменьшение скорости стержневой волны (рис. 7, а,б). Наиболее резкие изменения соответствуют температуре высокого отжига (X =800°С и выше). Так, при нагрузке а = 500 МПа в образце из стали 65Г, отожженном при /=400°С, относительное уменьшение скорости АС/Со составляет 0,1%, при 1 = 800°С АС/Со ~ 0,7%.

Для образцов из сплава викаллой, полученных низким отжигом (рис. 7,в), наблюдается увеличение скорости стержневой волны. Падение скорости отмечено в образцах только после высокого отжига (< = 800°С и выше), что вызвано снятием внутренних сжимающих напряжений, полученных при

изготовлении.

Обобщенные результаты

исследований влияния отжига на изменение скорости стержневой волны при нагрузке 600 МПа представлены на рис. 9. Кривые пронормированы к скорости Со стержневой волны в ненагруженном состоянии после отжига для каждого материала соответственно. Начальные значения получены при некоторой растягивающей нагрузке, необходимой для выпрямления проволоки.

Видно, что характер полученных зависимостей для образцов после отжига существенно меняется в интервале температур 600 — 800°С, а вне указанного интервала приближается к линейному, при этом наблюдается значительное увеличение акустоупругого коэффициента, особенно в стальных проволоках.

Можно полагать, что при низкотемпературном отжиге (возврате и полигонизации) (200°С и 400°С) уменьшаются напряжения как 1-го рода, так П-го рода, при этом образцы в состоянии поставки и при низких температурах отпуска характеризуются несущественным различием в характере зависимостей изменения скорости от внешних механических напряжений. При рекристаллизационном отжиге внутренние напряжения снимаются полностью и не препятствуют процессу внешнего нагружения, при этом наблюдается максимальное изменение по скорости ДС/С0, значение абсолютной скорости также имеет максимальное значение.

Рисунок 9 - Относительное изменение скорости стержневой волны АС/Со от температуры отжига в образцах из сплава викаллой 52К12Ф (1), стали 65Г (2) и стали У9А (3)

Изменение структурного состояния ферромагнетика, как и воздействие на него упругих деформаций приводит к необратимому смещению доменных границ или вращению векторов спонтанной намагниченности, в результате чего ферромагнетик приобретает новое магнитное состояние, а, следовательно, меняет значение магнитострикции, определяемой типом и состоянием решетки металла.

В таблице 3 приведены расчетные значений акустоупругого коэффициента по скорости рс и амплитуде Ри для образцов при различной температуре отжига. Наблюдается увеличение значений Рс при высоком отжиге и смена знака акустоупругого коэффициента для сплава викаллой.

На рис. 10 показано влияние растягивающих механических напряжений на относительное изменение амплитуды импульса стержневой волны в исследуемых образцах проволоки. На амплитуду импульса стержневой волны оказывают влияние два основных фактора - изменение коэффициента двойного ЭМА преобразования (магнитострикционной постоянной) и затухание стержневой волны в процессе нагружения. Ввиду незначительного

затухания стержневой волны в проволоке, уменьшением ее амплитуды при нагружении можно пренебречь.

Таблица 3. Акустоупругие коэффициенты по скорости и амплитуде после различных температур отжига

Температура отжига, Т°С Акустоупругий коэффициент по скорости, /?с. 1/ТПа Акустоупругий коэффициент по амплитуде, /¡и, 1/ГПа

65 Г Викаллой У9А 65 Г У9А

поставка -2,9 0,1 -0,9 1,0 2,1

200 -3,1 0,1 -1Д 0,8 2,9

400 -2,2 0,9 -1,4 0,2 0,1

600 -4,1 2,1 -1,9 0,1 0,9

800 -14,6 -5,6 -12,0 0,5 0,8

1000 -13,9 -4,6 -12,2 2,8 4,9

1200 -14,1 - -12,7 4,2 5,8

А4/Л„

2,5 2.0 1.5 1,0 0,5 0,0

—в—

/

/

/ ++ + 1у—=м-

1 Ц к + о. М. 1

ЛА/Ап

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

■7 3

/

/

/

1 -Н

-

О

250 500 750 1000 1250 1500

0

250

750

1000

500

а) б)

Рисунок 10 - Относительное изменение амплитуды стержневой волны от растягивающих напряжений в образцах из сталей 65Г (а) и У9А (б) после высокотемпературного отжига (□) и в

состоянии поставки (+)

Для всех исследуемых образцов проволоки имеет место возрастание амплитуды смещений с увеличением нагрузки. Кривые для проволок в состоянии поставки и при низких отжигах несущественно отличаются по характеру зависимостей, максимальный рост сигнала (в 3-5 раз) наблюдается в проволоках из сталей У9А и 65Г после полного отжига (рис. 10). Противоположные тенденции наблюдаются в проволоках из сплава викаллой, где максимальная амплитуда соответствует образцам в состоянии поставки и резко уменьшается при любом температурном воздействии. Изменение структурного состояния ферромагнетика, как и воздействие на него упругих деформаций приводит к необратимому смещению доменных границ или вращению векторов спонтанной намагниченности, в результате чего ферромагнетик приобретает новое магнитное состояние, а, следовательно, меняет значение магнитострикции, определяемой типом и состоянием решетки металла.

17

Увеличение амплитуды волны с ростом приложенной нагрузки в стальных образцах объясняется увеличением магнитострикционной анизотропии образцов. Увеличение амплитуды волны при высоком отжиге обусловлено появлением высоких магнитотвердых свойств в образцах У9А и 65Г и, как следствие, повышением эффективности ЭМА преобразования. Отжиг проволоки из сплава викаллой, напротив, уменьшает магнитотвердые свойства, полученные после холодной деформации на 70+90%.

По результатам исследований даны рекомендации для реализации методики неразрушающего контроля проволоки при производстве, проведена апробация на предприятии-изготовителе. Разработанная методика неразрушающего контроля структурных неоднородностей в тонких стальных проволоках по отклонению параметров волн Похгаммера апробирована на предприятии «КУЗБАСС РИКЦ» и используется в учебном процессе дисциплины «Физические методы контроля» кафедры «Приборы и методы контроля качества» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова.

Получен патент № 149689 на полезную модель «Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки», заявка № 2014129659/28(047842), дата подачи заявки/поступления 18.07.2014.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показана целесообразность измерений информативных параметров волн Похгаммера при исследовании структурного и напряженного состояния проволоки с электромагнито-акустическим способом ввода и приема волн.

2. Впервые проведено моделирование акустического тракта для стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания для произвольной формы импульса в тонких проволоках.

3. Предложены способы повышения точности измерения информативных параметров, основанные на многократных отражениях и использовании области минимальной дисперсии волн с применением специальной конструкции проходного многосекционного преобразователя.

4. Впервые получены закономерности распространения импульса акустической волны в тонких проволоках с учетом дисперсии скорости и затухания с приложением одноосной растягивающей нагрузки. Обнаружено уменьшение скорости стержневой волны с ростом внешних растягивающих напряжений для сталей 65Г и У9А в состоянии поставки и после термической обработки. Отмечено увеличение скорости стержневой волны и увеличение акустоупругого коэффициента по скорости с ростом внешних растягивающих напряжений для сплава викаллой до температур отжига 600°С и их падение выше температур отжига 800°С. Выявлено увеличение амплитуды стержневой волны и амплитудного коэффицента акустоупругости в стальных проволоках 65Г и У9А с ростом внешних растягивающих напряжений и с уменьшением внутренних напряжений вследствие отжига.

5. Предложены рекомендации для реализации неразрушающего контроля проволоки при производстве, проведена апробация на предприятии «КУЗБАСС РИКЦ», а также внедрена в лабораторный практикум дисциплины «Физические методы контроля» при подготовке бакалавров по направлению 200100 «Приборостроение» кафедры «Приборы и методы контроля качества» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова.

Перспективой разработки темы является усовершенствование установки контроля с внедрением АЦП в качестве регистратора и разработанного программного обеспечения для автоматизированного приемочного контроля на метизных предприятиях. Интерес также

представляет использование метода для контроля структурного и напряженно-деформированного состояния неферромагнитных проволок.

Основные публикации по теме диссертации

В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Муравьев, В.В. Влияние напряженно-деформированного и структурного состояния в проволоках на основные закономерности распространения стержневой волны Похгаммера. / В.В. Муравьев, О.В. Коробейникова, A.B. Платуиов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. -2009. -№ 10. -С.44-}8.

2. Муравьев, В.В. Влияние электроконтактного упрочнения на распределение остаточных напряжений в бандажах локомотивных колес. / В.В. Муравьев, С.Ю. Петров, A.B. Платуиов, E.H. Балобанов, Л.В. Волкова, A.A. Рябов, О.В. Соколов, Т.П. Печенова, В.В. Костюк // Технология машиностроения. - 2011. -№9. - С. 42-45.

3. Муравьев, В.В. Исследования акустоупругих характеристик стержневой волны в термически обработанных стальных проволоках электромагнитно-акустическим методом. / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, A.B. Платуиов, Д.В. Злобин // Дефектоскопия. - 2012. - №8. - С. 315.

Патент:

4. Патент РФ на полезную модель № 149689. Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки. / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, A.B. Платуиов. Зарегистрировано в государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 декабря 2014 г.

В других изданиях:

5. Платунов, A.B. К возможности регистрации акустической эмиссии в металлических проволоках при растяжении / A.B. Платунов // Сборник докладов международного форума "Сварка и диагностика". 26 ноября 2014 г., ИФМ УрО РАН - Екатеринбург, 2014 - (в печати).

6. Платунов, A.B. К возможности регистрации акустической эмиссии в металлических проволоках при растяжении / A.B. Платунов // Сборник трудов X конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» 12-14 ноября 2014 г., г. Ижевск - Ижевск: Изд-во ИжГТУ имени М.Т.Калашникова, 2014 - (в печати).

7. Платунов, A.B. Влияние растягивающих напряжений и режимов термической обработки металлических проволок на параметры стержневой волны. / A.B. Платунов, В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, //Тезисы XXI Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций УЗДМ - 2013: от теории к практике и повышению эффективности ультразвукового контроля», (Санкт-Петербург, 28-31 мая 2013 года). — С.Петербург: Издательство ПГУПС, 2013. - С. 44.

8. Muravyev V.V. Acoustoelastic Characteristics of Rod Waves in HeatTreated Steel Wires Using the Electromagnetic-Acoustic Method. / Muravyev V.V., Muravyeva O.V., Platunov A.V., Zlobin D.V. // Russian Journal of Nondestructive testing. - 2012. - Vol. 48. - No.8. - P. 447-456.

9. Муравьев, В.В. Влияние нагрузок растяжений на распространение акустических волн в металлических проволоках при внешних энергетических воздействиях. / В.В. Муравьев, A.B. Платунов, A.B. Байтеряков, Г.А. Сивак, К.С. Блинов // Сборник материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Приборостроительного факультета ИжГТУ, (Ижевск, 15-17 ноября 2011 года). - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2012.-С. 180- 185.

10. Муравьев, B.B. Измерение остаточных напряжений в бандажах и ободьях цельнокатаных железнодорожных колес после их упрочения. / В.В. Муравьев, E.H. Балобанов, Л.В. Волкова, A.B. Платунов, И.А. Чувашов // Сборник материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию Приборостроительного факультета ИжГТУ, (Ижевск, 15-17 ноября 2011 года). — Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2012. - С. 172 - 176.

11. Платунов, A.B. Искажение импульсов стержневой волны с учетом затухания и дисперсии скорости в тонких металлических проволоках. / A.B. Платунов, В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, // Сборник материалов II Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика - 2012» с международным участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова, (Ижевск, 14-16 мая 2012 года). - Ижевск: A4, 2012. - С. 123 - 128.

12. Платунов, A.B. Многосекционный датчик для контроля тонких металлических проволок электромагнитно-акустическим способом. / A.B. Платунов, К.С. Блинов // Сборник материалов II Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика — 2012» с международным участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (Ижевск, 14-16 мая 2012 года) - Ижевск: A4,2012. - С.31 - 35.

13. Платунов, A.B. Влияние внешних энергетических воздействий на характеристики стержневой волны в металлических проволоках / A.B. Платунов // Молодые ученые -ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: сборник трудов научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых (Ижевск, 15-18 марта 2011 года). В 3 т. Т.1 - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 9-14.

14. Муравьев, В.В. Электромагнитно-акустические и акустоупругие характеристики стержневой волны в металлических проволоках. У В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, A.B. Платунов // Тезисы докладов XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике с международным участием, (Самара, 6 - 8 сентября 2011 года), Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. -М.: ИД «Спектр», 2011. - С. 347-348.

15. Платунов, A.B. Распространение стержневой волны в тонких термообработанных проволоках из стали 65Г при растяжении. / A.B. Платунов, Д.А. Никитин // Сборник статей II Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика - 2010». - Ижевск: Проект, 2010. - 252 с. - С. 210-215.

16. Muravev, V.V. The influence of internal pressure and structural condition in wires on the basic characteristics of Pohgammer's waves. / V.V. Muravev, O.V. Korobeynikova, A.V. Platunov // Abstracts. 10-th European Conference on Non-Destructive Testing. (Moscow. June 7-11, 2010). Part 2.2-nd edition. - M.: Publishing House Spectr, 2010. - p. 121-122.

17. Муравьев, В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния металлов от нано- до микроструктур акустическими методами. / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, A.B. Платунов, Л.В. Волкова // Тезисы докладов научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики», (Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 года). - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2010 - С. 59-62

18. Платунов, A.B. К вопросу повышения точности измерения скорости стержневой волны. / A.B. Платунов // Тезисы докладов 2-й Международной студенческой научно-технической конференции. (Минск, 22 - 24 апр. 2009 года). - Минск: Изд-во БНТУ, 2009. - С. 51.

19. Муравьев, B.B. Влияние механических напряжений на основные характеристики стержневых волн Похгаммера. / В.В. Муравьев, О.В. Коробейникова, A.B. Платунов // Материалы IV Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», (Тюмень 9-11 дек. 2008 года), в 2 т. Том 1:, Тюменский нефтегазовый университет. — Тюмень: Изд. «Вектор Бук», 2008.-С.135-140.

20. Муравьев, В.В. К возможности акустической тензометрии протяженных объектов. / В.В. Муравьев, О.В. Коробейникова, A.B. Платунов // Тезисы докладов XVIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», (Нижний Новгород 29 сент. - 03 окт. 2008 года). — Н.Новгород: Машиностроение, 2008. - С. 63-64.