автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние внутренних напряжений в сталях улучшаемой группы на скорость ультразвука

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Влияние внутренних напряжений в сталях улучшаемой группы на скорость ультразвука

05.02.01- Материаловедение (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Ермолаева Зоя Ивановна

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, академик АТР В.В. Муравьев

Новосибирск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Методы исследования внутренних напряжений в мате- 7 риалах

1.1. Классификация напряжений 7

1.2. Оценка остаточных напряжений в материалах физическими 10 методами

1.3. Измерение остаточньщ напряжений акустическими метода- 18 ми

1.4. Рентгеновская тензометрия 24

1.5. Выводы и постановка задачи 33 Глава 2. Материалы: и методика исследования 3 5

2.1. Исходные материалы 3 5

2.2. Металлографическое исследование 36

2.3. Методика акустических измерений 3 9 2.4 Рентгеновское исследование остаточных напряжений в спла- 52 вах

2.5. Точность и чувствительность методов, погрешности измере- 61 ний

Выводы по главе 2 69

Глава 3. Влияние искажений и внутренних напряжений на ско- 70 рость акустических волн в сталях

3.1. Влияние микронапряжений на скорость распространения 70 ультразвуковых волн

3.2. Анализ влияния макроискажений и макронапряжений на 80 скорость ультразвука

3.3. Влияние структурных составляющих на скорость распро- 86

странения акустических волн

Выводы по главе 3 104

Глава 4. Методология акустического контроля остаточных на- 106 пряжений

4.1. Схема разделения влияния структурных факторов, микро- и 106 макронапряжений

4.2 Методика малых измерений скорости ультразвука при оценке 109 остаточных напряжений

Выводы по главе 4 114

Общие выводы 115

Литература 116

Приложение 127

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование технологии и разработка новых технологических процессов, требования долговечности, прочности и надежности в эксплуатации металлических деталей, узлов, механизмов и конструкций, резкое сокращение объемов производства транспортного и строительного металла с одновременным увеличением его стоимости требуют современных и перспективных методов измерения остаточных напряжений. Эта проблема не потеряла своей актуальности, а напротив, приобретает все большее значение.

Конструкторы и технологи успешно рассчитывают конструкции на прочность, не учитывая при этом, что технологические процессы изготовления создают большие остаточные напряжения.

Напряжения могут быть как полезными, повышая прочность материала (обкатка роликами и дробеструйная обработка), так и опасными, достигая величин порядка 102 МПа, вызывая при этом образование микротрещин при закалке. Поэтому важно распознать более раннюю стадию образования микротрещин, которые могут стать возможными источниками катастрофического развития трещины. Возникает необходимость контролировать остаточные напряжения в телах после всех процессов изготовления, чтобы снизить вероятность аварий.

Сложность проблемы состоит в необходимости совместного учета механических, физико - химических, тепловых и других происходящих в технологическом цикле процессов.

Используемые способы и приборы не могут обеспечить достаточно точное измерение остаточных напряжений без полного или частичного разрушения материала. Сравнительный анализ применяемых методов в машиностроении и приборостроении показывает, что известны способы измерения остаточных напряжений в металлах, основанные на регистрации прохожде-

ния рентгеновских лучей. Рентгеновский метод достаточно информативен, выявляет структурные фазовые изменения в металлах, измельчение зерен, дислокации, дефекты упаковки и текстуру материала; позволяет определять напряжения в деталях сложной геометрической формы и практически неограниченных размеров; исследовать напряжения на весьма малых участках поверхности образца; определять мгновенные значения напряжений в деталях, подвергающихся периодическим нагрузкам. Недостатками этих способов является малая глубина проникновения лучей, высокая степень шероховатости шлифов, трудоемкость измерения этими способами только суммарных напряжений.

Ультразвуковые методы обладают хорошей проникающей способностью. К достоинствам этих методов следует отнести простоту применения, возможность использования переносной аппаратуры и высокую точность измерений, но метод дает лишь интегральную характеристику напряженного состояния. Известны акустические методы контроля в твердых телах, основанные на изменении скорости распространения и затухания упругих волн в металле в зависимости от структуры и накопления микродефектов при эксплуатации под воздействием нагрузок и температуры. Поэтому некоторые параметры, отвечающие за состояние материала такие, как остаточные напряжения, структура, механические характеристики и содержание остаточного аустенита в настоящее время выгодно определять экспрессными методами, в качестве которых удобно использовать неразрушающие методы. Совместное применение рентгеновского и акустического методов контроля напряжений позволит увеличить информативность и достоверность контроля.

Цель работы. Исследовать влияние макро- и микронапряжений и соответствующего структурного состояния на ультразвуковые характеристики в улучшаемых сталях ЗОХГСА, стали 45, 40Х и рельсовой стали М72 после термообработки различных видов. Разработать метод оценки внутренних на-

пряжений на основе комплексного применения рентгеновского и ультразвукового методов.

Научная новизна. Получены следующие научные результаты.

1. Экспериментально найдены зависимости скорости объемных и поверхностных ультразвуковых волн от микро- и макронапряжений, измеренных рентгеновским методом. Установлено, что на изменение скорости поперечной волны в стали ЗОХГСА на микронапряжения, обусловленные структурными факторами, приходится 0,86% и 1% на макронапряжения. С ростом внутренних напряжений скорость всех типов акустических волн уменьшается. При этом изменения скорости поперечных и поверхностных волн в два раза выше, чем продольной волны.

2. Наиболее чувствительными к микронапряжениям в стали 45 и ЗОХГСА являются скорости поперечной и поверхностной волны; для стали 4QX - скорость поверхностной волны; для рельсовой стали М72 - скорость продольной волны. К макронапряжениям наиболее чувствительны скорости поверхностной и поперечной волны в исследованных сталях.

Практическая ценность работы. Разработана методика на основе комплексного применения рентгеновского и ультразвукового методов оценки внутренних напряжений, позволяющая разделить макро- и микронапряжения для увеличения информативности и достоверности неразрушающего контроля и снижения трудоемкости.

Апробация работы. Результаты докладывались и обсуждались на международных, российских и межвузовских научно-технических семинарах и конференциях.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы (124 источника), приложения и изложена на 133 страницах, включая 56 рисунков и 16 таблиц.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАТЕРИАЛАХ

В данной главе проведен анализ литературных данных по измерениям остаточных напряжений в деталях, сплавах, сварочных швах всеми известными методами: рентгеновскими, акустическими, магнитными, голографиче-ской интерферометрии, методом хрупких покрытий и т. д. Описаны преимущества, недостатки и погрешности измерения каждого метода. Поставлена цель работы и определены задачи исследования. Приводятся выводы анализа.

1.1. Классификация напряжений

Одним из важных факторов, влияющих на прочность изделий из металла, является наличие скрытых внутренних напряжений, которые существуют в материале после устранения внешних деформирующих сил. Такие напряжения могут возникать под воздействием различных характеристик. Например, под воздействием внешних сил или в результате неоднородного теплового расширения в металлах могут возникать сильно напряженные области, в которых происходит пластическая деформация, вызывающая появление локальных напряжений большой величины. При устранении внешних сил из-за неравенства деформаций различных частей тела, в нем может образоваться новая система напряжений. Эти напряжения часто являются причиной появления трещин и разрушений в сварных конструкциях [1]. Возникновение внутренних напряжений может быть связано со структурными изменениями, происходящими при дисперсионном твердении, с неоднородным изменением размеров изделия в результате химического воздействия (азотирование стали). Как известно шлифование изделий приводит к возникновению напряже-

ний в поверхностных слоях, достигающих 600...800 МПа. При работе материалов в активных средах, например алюминиевых сплавов в морской воде,

легирующий

где содержится высокая концентрация хлора, основноипшмпонент этих спла-

ит

вов цинк подвергается анодной коррозии на границах зерен, что привод^ появлению напряжений, достигающих 200...300 МПа [2].

Внутренние напряжения можно разделить на две группы [3]:

1. Напряжения, вызываемые внешними факторами (механическими, тепловыми или химическими), различно влияющими на разные части тела из однородного материала.

2. Напряжения, возникающие как результат неоднородности свойств материала (текстурных неоднородностей) при однородном воздействии внешних сил (гидростатическое сжатие).

Остаточные напряжения, вызванные внешними причинами, обычно уравновешиваются в областях большей протяженности, чем напряжения, вызванные текстурой. Поэтому первые часто называют макроскопическими, а вторые - микроскопическими напряжениями.

Большой вклад в дальнейшее изучение остаточных напряжений внесли Б. М. Ровинский и Г. В. Кудряшов [4], которые предложили классификацию внутренних напряжений, представленную на рис. 1.1 [5].

По принятой современной классификации остаточные искажения структуры условно подразделяются на три типа: макроискажения и соответствующие им остаточные напряжения 1-го рода или макронапряжения, микроискажения и соответствующие им остаточные напряжения П-го рода или микронапряжения, микроискажения ГП-го рода [6].

Напряжения 1-го рода уравновешиваются в объеме всего образца или детали. При наличии этих напряжений удаление части детали нарушает равновесие между остальными ее частями и деталь деформируется. Именно напряжения 1-го рода вызывают коробление и растрескивание деталей при их обработке и в эксплуатации. Эти же напряжения обусловливают анизотропию механических и магнитных свойств металла. На рентгенограммах они проявляются в смещении интерференционных максимумов.

Рис. 1.1. Основные виды внутренних напряжений

Напряжения И-го рода уравновешиваются в объемах единичных кристаллитов или нескольких кристаллитов. Рентгенографически они проявляются в размытии интерференционных максимумов, а также в их смещении.

Искажения Ш-го рода уравновешиваются в объемах, охватывающих небольшие группы атомов, благодаря смещению атомов ш узлов кристаллической решетки из-за вакансий, атомов внедрения и дислокаций. Поскольку их рентгенографическое проявление окончательно не установлено, в классификацию по рентгеновскому признаку они пока не включаются.

1.2. Оценка остаточных напряжений в материалах физическими методами

Для исследования напряженного состояния тела известны различные методы, которые можно разделить на разрушающие и в еразрушающие. Этими методами измеряют деформации, а напряжения рассчитывают исходя из предположения о применимости обычных уравнений теории упругости. Прямых методов непосредственного измерения напряжений в металлических образцах нет, они могут быть только вычислены из деформации на основе закона Гука. Наибольший интерес для данного исследования представляют не-разрушающие методы измерения.

Рассмотрим физические методы контроля остаточных напряжений, применяющиеся для обнаружения остаточных напряжений, для качественного анализа распределения (для качественной оценки напряженно-деформированного состояния материала), для сравнительных оценок при серийном и массовом производстве путем экспресс-анализа. В основу этих методов положены специальным образом структурированные информационные массивы, дающие возможность оперировать корреляционными соотношениями и коэффициентами относительно остаточных напряжений и некоторых физических и механических свойств материалов. С метрологических позиций все эти методы требуют калибровки, интерполяции, а в ряде случаев и экст-

раподяции, что существенно снижает точность измерения. Некоторые из этих методов: электромагнитные, поляризационно-оптический, метод хрупких покрытий, отражательной способности (в области видимого света), твердости, голографической интерферометрии.

Магнитные методы основаны на зависимости магнитных свойств ферромагнетиков от внутренних напряжений. Из теории магнетизма известно, что при отсутствий внешнего магнитного поля и механических напряжений распределение направлений намагниченности доменов в ферромагнетике в основном определяется кристаллической структурой. При наличии напряжений и внешнего магнитного поля распределение доменов определяется тремя факторами: кристаллической структурой, упругими напряжениями и внешним полем.

В основу магнитных методов измерения напряжений заложена фундаментальная работа Акулова Н. С. [11] и зарубежных авторов [12]. Доказано, что в материалах, имеющих внутренние напряжения, магнитная восприимчивость зависит от константы анизотропии и от напряжений для области вблизи технического насыщения и для области слабых полей намагничивания. Существующий метод гармонического анализа намагничивающего тока для определения одноосных остаточных напряжений показал, что различные гармоники по разному реагируют на изменение свойств или состояние исследуемого образца [13].

Магнитный неразрушаюхций контроль применяют для объектов, хотя бы частично изготовленных из ферромагнитных материалов, существенно изменяющих свои свойства при воздействии магнитного поля.

Метод магнитной проницаемости основан на изменении магнитных свойств металла, например, магнитной проницаемости ¡л, под действием механических напряжений о-[14].

Для измерения остаточных напряжений предлагается сравнивать магнитные свойства контролируемого изделия с таким же для эталонного образца. Это вносит в результаты измерений существенную неопределенность и снижает точность метода, поскольку естественная неоднородность магнитных конструкционных сталей часто превышает изменения этих свойств под влиянием напряжений. Использование магнитного метода связано со значительными трудностями при измерении напряжений как внешних нагрузок, так и остаточных напряжений. На показания датчиков влияют структура металлов и способ термообработки. Ощутимые погрешности в измерения вносят пластические деформации. Возникают также дополнительные погрешности, связанные с влиянием таких факторов, как магнитная текстура и форма детали [15]. Существенным недостатком известных в настоящее время маг* нитных методов измерения остаточных напряжений является их непригодность для анализа двухосного напряженного состояния. При двухосных напряжениях с помощью магнитных датчиков можно определить лишь направление главных напряжений. Установить величины и знаки главных напряжений невозможно, потому что невозможно получить какую-либо характеристику, пропорциональную их сумме.

Таким образом, измерение остаточных напряжений без разрушений магнитными методами из-за сильного влияния различных факторов и неоднозначной зависимости между механическими напряжениями и магнитными свойствами из-за высокой погрешности (± 20 %) не пригодны для данной работы.

Магнитошумовой метод является разновидностью электромагнитного метода [16], Этот метод измерения остаточных напряжений основан на эффекте Баркгаузена, заключающегося в скачкообразном изменении намагни* ченности при плавном изменении перемагничивающего поля [17]. Скачки намагниченности связаны с задержкой движения доменных границ в местах

концентрации остаточных напряжений. На участке контролируемого материала, который подвергается воздействию переменного поля, фиксируется возникающий магнитный шум как следствие скачкообразного изменения намагниченности. По параметрам шума судят о величине остаточных напряжений £ 18J- Магнитошумовой метод не требует специальной подготовки поверхности, позволяет использовать переносную аппаратуру. Ограничения в применении этого метода связаны с недостаточность�