автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Связь скорости ультразвука в сплавах на основе Fe и Al с режимами их термообработки

1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И

КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ.

1.1. Влияние структуры на скорость распространения ультразвука в сплавах на основе Fe

1.2. Влияние структуры алюминиевых и магниевых сплавов на скорость распространения в них ультразвука.

1.3. Ультразвуковые методы контроля и исследования состояния металла.

1.4. Выводы и постановка задачи.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ.

2.1. Ультразвуковой резонансный метод.

2.2. Оценка точности резонансного метода.

2.3. Импульсный метод и оценка его точности.

2.4. Метод автоциркуляции импульсов.

2.5. Оценка точности метода автоциркуляции импульсов.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СВЯЗИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И СКОРОСТЬЮ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ДС И Fe

3.1. Влияние структурных факторов на скорость распространения ультразвука в металлах.

3.2. Влияние естественного старения на скорость распространения ультразвука в сплавах Д16, Д1.

3.3. Влияние скорости охлаждения при закалке на скорость распространения ультразвука в сплаве Д16.

3.4. Изменение скорости распространения ультразвука в сплаве В95 в зависимости от температуры старения.

3.5. Влияние температуры отпуска на скорость распространения ультразвука в сталях 38ХА и 20.

3.6. Связь скорости ультразвука в стали I2XB® (I0XM3&) с режимами термообработки.

Выводы.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ ДНЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ.

4.1. Оценка влияния колебаний химического состава на скорость ультразвука в сплаве Д1.

4.2. Комплексная оценка влияния режимов термообработки на скорость ультразвука в сплаве Д

4.3. Применение разработанных устройств для контроля структуры и состояния сплавов

4.4. Рекомендации по практическому использованию разработанного прибора в цеховых условиях

Выводы.

Выводы

1. Произведена оценка возможного влияния колебаний химического состава в пределах марки сплава Д1 на скорость распространения ультразвука. Это влияние находится в пределах погрешности измерений, что дает возможность осуществлять контроль структурных изменений в процессе старения сплава разных плавок.

2. С помощью методов планирования экспериментов произведена оценка количественного влияния факторов, определяющих структурные изменения сплава Д1 на результаты акустических измерений. Показана возможность контроля структурных изменений в сплаве Д1 при искусственном старении.

3. Даны рекомендации по практическому использованию ультразвукового метода контроля структуры и состояния сталей 20, 38ХА, сварных швов I2XI® (ЮУШ), сплавов Д1, Д16, В95. Разработанные методы использованы для контроля состояния металла в промышленности, что подтверждают акты внедрения, приведенные в приложении 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Найдена зависимость скорости распространения ультразвука в алюминиевых сплавах Д16, Д1, В95 от времени и температуры старения после закалки; в сплаве Д16 от скорости охлаждения при закалке; в сталях 20, 38ХА, сварных швах I2XIШ (10ХМШ) от температуры отпуска и в стали 12Х1Ш (ЮХШ) от температуры закалки.

2. Показано, что уменьшение скорости ультразвука в исследованных сплавах связано с увеличением искажений кристаллической решетки при образовании пересыщенных твердых растворов после закалки, а увеличение скорости звука в этих сплавах связано с уменьшением искажений кристаллической решетки вследствие распада пересыщенного твердого раствора при старении или при отпуске, в результате чего растут упругие модули и уравновешивается структура. Структурными исследованиями выявлено, что увеличение упругих модулей и соответствующее им уравновешивание структуры происходит за счет протекания следующих процессов: преобразования винтовых дислокаций в геликоидальные и роста дислокационных призматических петель в алюминиевых сплавах; образования вьщелений, 'соответствующих разным стадиям старения алюминиевых сплавов; распада мартенсита и остаточного аустенита с выделением карбидов в сталях.

3. Скорость распространения ультразвука в сталях наиболее сильно зависит от структуры, получаемой при разных температурах нагрева под закалку и отпуска, мало отличается для термических обработок, уравновешивающих структуру таких как высокий отпуск, низкий отжиг, рекристаллизационный отжиг, уменьшающий напряжения отжиг и практически не зависит от величины зерна при одинаковых режимах термических обработок. В целом, при неравновесной структуре , получаемой в результате закалки, скорость звука в сплаве минимальна; процессы уравновешивания (упорядочения) структуры, соответствующие различным отпускам , ведут к монотонному увеличению скорости звука, и при равновесной структуре - после полного отжига - скорость звука в сплаве максимальна. При этом в алюминиевых сплавах (растворы замещения) эффект изменения скорости звука меньше, чем в сталях (растворы внедрения).

4. Определена область применения ультразвукового метода для контроля структуры и состояния сплавов. Метод можно применять при наличии термических обработок, сопровождающихся образованием и распадом пересыщенных твердых растворов. Так, для исследованных в настоящей работе сплавов Д1, Д16, В95 это такие термические обработки как закалка с различной скоростью, старение при разных температурах и времени; для сталей 20, 38ХА, I2XIMB (I0XШ) - закалка от разных температур и отпуск при разных температурах и времаи.

5. Произведена оценка возможного влияния колебаний химического состава в пределах марки сплава Д1 на скорость распространения ультразвука. Это влияние находится в пределах погрешности измерений, что дает возможность осуществлять контроль структурных изменений в процессе старения сплава разных плавок.

6. Даны рекомендации по практическому использованию метода измерения скорости распространения ультразвука для контроля структурных изменений и состояния сталей и сплавов. Найдена зависимость между изменением скорости распространения ультразвука и твердостью сталей 20, 38ХА, сварных швов стали I2XB®.

7. Разработаны достаточно точные, удобные для применения в промышленности устройства, позволяющие производить контроль структуры и состояния сплавов по изменению скорости распространения ультразвука. Автоциркуляционный измеритель изменений скорости распространения ультраввука применен для контроля состояния металла в промышленности, что подтверждают акты внедрения.

1. М,: Машиностроение, 1981* 240 с* 4. Влияние дефектов на свойства твердых тел: Физическая акустикат.З, Ч,А /Под ред. У.Мэзона, М»: Мир, 1969, - 578 с. 5* Ультразвуковые методы исследования дислокаций /Под ред*

2. Левитан Л*Я,, Федорченко A.H»t Шарко A»B„ Ультразвуковой контроль прочностных характеристик стали 45, Дефектоскопия, 1976, Я53, с. 129-130,13# Метод определения твердости стали /Л.Я .Левитан, Л,М»Сафрин,

3. Ptiuiu, t№, V.30} JV, Q, p. 1Ш.

4. Красавин В.В. Ультразвуковой контроль содержания остаточного, аустенита в стали ХЕШ,- Дефектоскопия, 1980, №12, с.94-95.

5. Злш&ш, FJ.? ^jicUMtk ЗЛ. lUfLrttmjuvU in SujwaonlR uUidQM&jzty. Ро1олшЫ AOLUbd. ЧсилпаЛ- ofriital ^miity ofc jM&aea? 1Ш, к Uf M.1, p. zoo-ян.

6. Бениева Т.Я, Влияние пластической деформации на упругие свой« ства никельхромовых сплавов. В кн, : Применение ультразвук ковщс колебаний для исследования свойств, контроля качестваи обработки металлов и сплавов» Киев: АН УССР, I960, с, 62<~67,

7. Рохлин Л.Л. Уральский М.П. Затухание ультразвуковых колебаний в слитках алюминиевых сплавов* « Дефектоскопия, 1972, Р 4, с, 25-31.41» Рохлин Л, Л. Акустические свойства легких сплавов, М.: Наука, 1974, - 140 с»

8. Дриц М.Е,, Рохлин Л,Л,, Зусман Л.Л, Зависимость скорости ультразвука от состава в двойных сплавах на основе магния. '- В кн.: Структура и свойства легких сплавов. М,: Наука, 1971, с. 23-28.

9. Левитан Л,Я,? Ноева М.Р., Шарко А,В. Акустические исследования процесса старения алюминиевого сплава AK4-I. Дефектоскопия, 1978, Р 3, с.82-83.

10. Рохлин Л,Л. Определение оплавления сплавов ультразвуковым методом. — Заводсткая лаборатория, 1972, № 9, с. II07-II09.

11. Ботаки А*А», Салаев А .В., Шарко А .В. Ультразвуковой контроль структуры деталей из сплавов на основе алюминия. Дефектоскопия, 1976, Р I, с. 130-132.

12. Акопян Р.А., Абдуллаев А,А» Измерение скорости ультразвука как метод изучения распада твердых растворов, Заводская лаборатория, 1977, т. 43, № 2, с. 184-187.

13. Кусакин Н.А, 0 метрологическом обеспечении средств ультразвуковой дефектоскопии (обзор)^ Дефектоскопия, 1983, IP 4,с, 55-68.

14. Алерс Дж. Измерения очень малых изменений скорости звука и их применение для изучения твердого тела» В кн*: Применение физической акустики в квантовой физике твердого тела, - т. 4,

15. Ч.А. М,: Мир, 1969, с* 322-344,

16. Труэлл Р., Эльбаум Ч», Чик Б, Ультразвуковые методы в физике твердого тела, М«: Мир, 1972* - 307 с.

17. Неразрушающий контроль на основе зависимости скорости упругих, волн от напряжений / В.П.Троценко; О.М.Гуща, В Д. Лебедев и др.- В кн.: Ультразвуковые. методы неразрушающе г о контроля» М,: НТО Приборпром, 1970, с. 200-201^

18. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении* Л»: Машиностроение, 1977,- 208 с.

19. Потапов А*И«, Иеккер Ф,П, Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов, Л»: Машиностроение, 1977,- 192 с.

20. Методы неразрушающих испытаний / Под ред. Р.Шарпа. М»: Мир, 1972. - 494 с.

21. Ьнхмлмъ Jt, JlaXiudh tui'unjCj ulbvawnie лрлйноиНнщогш , Шз., m.S, p. Zoz ZiO,78» Об акустическом контроле твердости стали / А»А»Лебедев, Л.Я* Левитан, Г»И,Храмцов и др. Дефектоскопия, 1978, Р 4, с. 20-27*.

22. Кодолов В,П,, Муравьев В.В* Приготовление образцов алюминиевых сплавов для электронномикроскопических исследований*- Заводская лаборатория, 1978, т. 44, №12, с. 1504*

23. Николсон Р., Томас Г., Наттинг Две. Электронномикроскопичес-кие исследования процессов выделения в алюминиевых сплавах.- В кн.: Новые электронномикроскопические исследования. -М.: Металлургия, 1961, с.123-149.

24. Келли А. и Никлсон Р. Дисперсионное твердение. М.: Металлургия, 1966. - 300 с.

25. Томас Г., Горинжд М.Дж. Просвечивающая электронная микроскопия металлов. М.: Наука, 1983. - 320с.

26. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972.- 599 с.

27. Штремель М.А. и Беляков Б.Г. Возможности электронномикроско-пического измерения плотности дислокаций. ФММ, 1968, т.25, вып. I, с.140-151.

28. Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.1. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1982. - 280 с.

29. Томас Г. Электронная микроскопия металлов. М.: ИД, 1963.- 351 с.

30. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. - 584с.

31. Jyo^idd W., ftoita Р к\ Жспц fcxmatuarv oLwarufy HJOOrYL tbirbjuLMriuAL adzing ofc M h % Си -C,S % 5c-0,8% Hfyfcmnal (|- Лськиак, p, iOSO -1052.

32. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов.-М.: Металлургия, 1975. 208 с.

33. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1970. - 472с.

34. Захарова М.И. Атомнокристаллическая структура и свойства металлов и сплавов. М.: МГУ, 1972. - 215 с.

35. А.С. 600190 (СССР). Среда для закалки / А.С.Бедарев, Г.П.Конюхов, Е.Г.Илыошко и др. Опубл. в Б.И. 1977, № 19

36. Диаграммы изотермического распада раствора в алюминиевых сплавах (справочник) / Под ред. И.И.Новикова, М.: Металлургия, 1973. - 152с.

37. Синглетон О.Р. Новые закалочные среды для алюминия. Алюминий (ФРГ), 1969, т.45, № 8, с.499.

38. Петраш Л.В. Современные средства ит.-способы закалочного охлаждения. В кн.: Вопросы закалочного охлаждения. ЩНТП, 1969. - с.13.

39. Исследование процесса закалки сплава Д16 в жидком азоте /А.С.Бедарев, В.П.Тульский, Е.Г.Илыошко и др. МиТОМ, 1972, № 8, с.14.

40. А.с. 817074 (СССР). Закалочная среда / И.Ш.Михайлова, Н.В.Бу-хаткина, В.А.Коптюг и др. Опубл. в Б.И. 1981, № 26.

41. Влияние закалки в новых средах на свойства и структуру алюминиевых сплавов / Конюхов Г.П., Бедарев А.С., Белобородов Г.И., Ильюшко Е.Г., Муравьев В.В., Шарко А.В. МиТОМ, 1980, № 10, с.26-30.

42. Ньюкерк Дж.Б. Общая теория, механизм и кинетика. В кн.: Старение сплавов. - М.: Металлургия, 1962, с.12-142.

43. Андерсон В.А. Стареющие сплавы на алюминиевой основе. В кн.: Старение сплавов. - М.: Металлургия, 1962, с.143-201.

44. Буйнов Н.Н., Захарова P.P. Распад металлических пересыщенных твердых растворов. М.: Металлургия, 1964. - 143 с.

45. Левитан Л.Я., Салаев А.В., Шарко А.В. Новый метод акустического контроля механических свойств материалов. В кн.: Новые физические методы неразрушающего контроля качества продукции. М.: ЩЦНТП, 1977. - с.75-80.

46. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы / Отв.ред. Ф.И.Квасов, И.Н.Фридляццер. М.:Металлургия, 1972. - 552с.

47. Алюминиевые сплавы / Деформируемые сплавы/ Под ред. И. Н.Фрид-ляндера. М.: Машиностроение, 1964. - 407с.

48. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов /Отв.ред. В.А.Ливанов. М.: Металлургия, 1974. - 432с.

49. Муравьев В.В., Шарко А.В., Ботаки А.А. Акустический контроль режимов термообработки алюминиевого сплава В95. Дефектоскопия, 1980, № I, с.91-93.

50. Герчикова Н.С. Тонкая структура и коррозионное растрескивание :. .алюминиевых сплавов. М.:Металлургия, 1982. - 128с.

51. Муравьев В.В., Ноева М.Р., Салаев А.В., Шарко А.В. Акустический контроль качества термообработки сплава Д1,- Дефектоскопия, 1980, № 8, с.48-53.

52. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов й сплавов.- М. Металлургия, 1972. 480с.

53. Муравьев В.В.,Кодолов В.П. Ультразвуковой метод контроля механических свойств алюминиевых сплавов и сталей.- В кн.: Вопросы повышения надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта. Новосибирск: 1982, с. 154.

54. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 1979. - 134с.

55. Металловедение, и термическая обработка стали; Справочное изд. В 3-х т. T.I. Методы испытания и иследования /Под ред. Бернштейна М,Л,, Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983 , 352 с.

56. Ланская К.А. Структура и свойства котельных сталей марок12ХШ, 12Х2ШСР, 12Х2ШБ(ЭИ531) и Ш4Н18В2БР(ЭИ695Р). -М,: БТИ ОРГРЭС, 1965. 154 с.

57. Новые стали и. сплавы в машиностроении. Под ред. Ю.М.Лахтина и Я.Д. Когана. М.: Машиностроение, 1976, - 223 с.

58. Масленков С.Б. Жаропрочные стали и сплавы, М,: Металлургия, 1983, - 192 с.

59. Смирнов Н.В., ^унин-Барковский И.В. Курс теории вероятности и математической статистики. М.: Наука, 1965, - 425 с.

60. Комаров К,Л., Муравьев В,В,, Салаев А.В., Шарко А.В, Исследование мешающих факторов при акустическом контроле термообработки сплава Д1, г Дефектоскопия, 1980, Р 8, с. 53-56.

61. Смирнов А,Д. Радиолюбители народному хозяйству, - М,:1. Энергия, 1978» 115 с,

62. Бондаренко А., Бондаренко Н. Ультразвуковой дефектоскоп.- Радио, 1978, Р II, с. 26-^8.

63. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред, Тарабрина,- М.: Энергия, 1977. 816 с.

64. Транзисторы / Под ред. А.А.Чернышева, М.: Энергия, 1980,«- 144 с,

65. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П.Хирш, А.Хови, Р.Николсон и др. М.: Мир, 1968, - 574 с.

66. Пилянкевич А.Н. Практика электронной микроскопии. / Методы препарирования, Москва Киев: Машгиз, 1961, 176 с»

67. Пилянкевич А.Н., Климовицкий А.М. Электронные микроскопы.- Киев: Техника, 1976. ~ 168 с.

68. Электронномикроскопическне исследования влияния технологических операций на тонкую структуру алюминиевых сплавов (отчет) / В.В.Цуравьёв. # ГР 0183.0010554. Новосибирскийинститут инженеров железнодорожного транспорта. 1984, 70с.

69. ГОСТ 4784-74. Алюминиевые сплавы. Издательство стаедартов,1982.

70. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ, изд.: /Беляев А.И ., Бочвар О.С., Еуйнов Н.Н. и др. М.: Металлургия,1983. 280с.

71. Эндрюс К., Дайсон Д., Киоун С. Злектронограммы и их интерпретация. М.: Мир, 1971. - 256с.

72. Шарко А.В. Современное состояние и перспективы развития акустических методов контроля прочностных свойств конструкционных материалов (обзор). Дефектоскопия, 1983, № 5,с. 72-87.

73. Акустические твердомеры АИТ-3, АИТ-4, АИТ-5П / А.В.Коваленко, А.А.Лебедев. Информационный листок № 13-84, Новосибирский ЦНТИ, 1984г.

74. Ультразвуковой тверцомер УЗТ-2 / А.А.Лебедев, Л.ЯДевитан, А.Н.Федорченко и др. ПТЭ, 9 2, 1979, с.284.

75. Левитан Л.Я. Разработка и исследование акустического способа контроля прочностных характеристик стали.: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. Томск, 1981. - 144с.

76. Ультразвуковые твердомеры УЗТ-2, УЗТ-З, УЗТ-ЗМ / Л.Я.Левитан, А.А.Лебедев. Информационный листок. Новосибирский ЦНТИ, 1978г.

77. Конструкция пьезопреобразователей объемных и поверхностных волн

78. При конструировании пьезопреобразователей для возбувдения

79. Импульсный измеритель изменений скорости ультразвука

80. Импульсное напряжение для запуска блока задержки времени снимается с части витков катушки LI.

81. Блок задержки времени (БЗВ) представляет собой ждущий мультивибратор, собранный на транзисторах V3 и V4 153. . На входе блока включены дифференцирующая цепочка С2 R4 и диод V2, формирующие импульс запуска БЗВ.

82. Рис, 11,2,1, Принципиальная электрическая схема импульсного измерителя.

83. Рис, П.2.2. Временные диаграммы работы импульсного измерителя изменений скорости ультразвука.подаются на вход формирователя импульсов через конденсатор С4, образующий с резистором R7 дифференцирующую цепочку.

84. Принцип действия измерителя поясняется временными диаграммами напряжений на выходе блоков на рис. П.2.2.

85. Автоциркуляционный измеритель малых изменений скорости ультразвука

86. На элементах D 2,1 ,,, D2.3 собран генератор запускающих импульсов. Он вырабатывает прямоугольные колебания частотой около 8 кГц, поступающие через электронный ключ В 2.4 на вход импульсного усилителя.

87. Рис. П.3.1. Принципиальнак электрическая схема автоцирнуляциснногс измерителя.

88. Рис, П.3.2, Осциллограмма колебаний, возникающих в автоциркуляционном измерителе.

89. После возникновения в цепи автоциркулации устойчивых колебаний выключатель S I замыкают, на выходе элемента 2.4. устанавливается уровень логической единицы и сигнал от генератора на вход импульсного усилителя не проходит.

90. О выхода фильтра сигнал поступает на измеритель частоты биений, собранный на транзисторе V6 и микросхеме DI. Отсчет частоты производится по шкале микроамперметра PAI, Питание измериa so.o9В-9В1. АН Нау/3 А мог.

91. Pi K(SSAA3 Vt,VS,V-6,VffVff,Vfi K731SB Yi КП 350 KfHOSJHv-t 00 г\з

92. Рис» П»3»3» Принципиальная электрическая схема аналогового измерителя частоты»теля, частоты осуществляется/от стабилизатора на элементах V 3. VIO 155.

93. Методика приготовления образцов для электронномикроскопических исследований

94. Края образца для предотвращения их преимущественного стравливания, а также части пинцета, находящиеся в электролите, покрывались химически стойким лаком ХСЛ, как это показано на рис, П.4,2,

95. Электролитическое полирование алюминиевых сплавов Д1 и Д16 методом "окна" осуществлялось с помощью электролита следующего

96. Рио. П.4,1, Электролитическая ячейка1. ОБРАЗЕЦ

97. Рис. Д,4,2. Схема обработки образца1. БСП—33 я $термометр1. Soger хол

98. Рис. П.4.3. Бл:х-сх8ма установки для электролитического поллровакия ^оталлсв,состава 15б. :уксусная кислота (ледяная) 40 %9 ортофосфорная кислота.(конц«) - 30 %, азотная кислота (конц.) - 20 %,вода (диет.) 10 %„

99. Акты и справки о внедрении результатов работ1. J"-Г гсс tisf ср

100. ПРЕДПРИЯТИЕ- ПОЧТОВЫЙ ЯЩНК Р-61151. Ла Ваш Ле.1. НашъШЩИ1. Дята1. EY

101. СПРАВКА о внедрении результатов разработки ультразвукового метода контроля структуры дефорьщруемых алшиниевшссплавов

102. Г^гковадитель предцс Начальник отдела .iP-.':t. -7*7 « J1. СИРАВКАйЗ И(ш0яьзавш?кг^зуяътаятго разработки эд^щрфиула^вяирго гааератвзга скорости ршзу|Ю£тренш1ш ультразвука ъ азажише-дах сшгашах и стадшх