автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности изменения скорости распространения ультразвука при термической обработке сталей и алюминиевых сплавов

ргб оа

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1 г ' 1 л о К"Г<0

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи МУРАВЬЕВ Виталий Васильевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.01—Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТОМСК 1093

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и Новосибирском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научный консультант:

Профессор, доктор физ-мат. наук Л. Б. Зуев

Официальные оппоненты:

Профессор, доктор технических наук Л. И. Тушинский Профессор, доктор физ.-мат. наук Н. А. Конева Профессор, доктор физ-мат. наук В. Л. Ульянов Ведущая организация: Институт металлургии РАН.

Защита состоится « 2. » сс^р^у/д 1993 г. с ¡4-30 часов

на заседании специализированного совета Д 003.61.01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (634048, Томск, пр. Академический, 2/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан « » среь^ххАЦ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

докт. физ.-мат. наук Е. В. ЧУЛКОВ

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Проблема поиска новых закономерностей в поведении физических характеристик металлов при различных внешних энергетических воздействиях является одной из важнейших в металловедении. Широко используемые в научных исследовани-

ях методы внутреннего трения как наиболее структурно чувствительные позволяют оценивать структурные состояния материала на разных уровнях, но являются весьма сложными в методическом плане: приготовлением специальных образцов и трудностями интерпретации результатов. Вместе с тем существует такая физическая характеристика металла как скорость ультразвука, которую достаточно легко измерить даже в реальных изделиях. Однако влияние структуры на скорость ультразвука в сталях и сплавах изучено слабо.

В последнее время в промышленности пытаются применять приборы, измеряющие скорость ультразвука, для контроля качества термической обработки и прочностных характеристик металлов. Для этой цели используют дефектоскопы, результаты измерений которых не достаточно точны и трудно сопоставимы из-за чего возникают сложности в интерпретации.

С особой остротой стоит вопрос об обследовании металлических конструкций, транспортного и энергетического металла, деталей подвижного состава и машиностроения с целью диагностики усталостных повреждений и установления их ресурса. Используемые в настоящее время методы и приборы дефектоскопии имеют существенные ограничения для решения такого рода задач, поскольку не позволяют выявлять стадию накопления дефектности - накопление микропор и микротрещин.

Таким образом, выявление закономерностей взаимосвязи скорости ультразвука и структурного состояния сталей и сл.:а.-.оа имеет

I

особую'актуальность.

Развиваемое направление исследований включено Постановлением С!,! № 485 от 14.11.89 в число важнейших работ по решению целевой комплексной научно- технической проблемы."Разработка и применение методов к средств нераэрушающего контроля качества промышленных изделий" и отражено в программах работ РАН по проблемам "Акустика" и "Яеразрушающие физические методы контроля", Минвуза (разд. 1.4.2 и 1.4.15), а также МПС РФ (разд. 07.01.78) пр. № 43Ц от 18.11.89 "Средства нераэрушающего акустического контроля деталей Еагонов".

Цель и основные задачи исследований. Выяснить основные закономерности изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний при изменении структурного состояния сталей и сплавов, сформулировать модельные представления о связи скорости ультра- . звука и структурного состояния сплавов, изучить влияние структуры, накоплений усталостной повреждаемости, напряжений и деформаций широкого класса сталей и алюминиевых сплавов на скорость распространения в них акустических волн.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

.- выявить закономерности в изменении скорости распростра-. ненйя ультразвуковых колебаний при изменении структурного сос- . тояния сплавов, при накоплении усталостной повреждаемости, ис- • следовать влияние пластической деформации и напряжений на скорость ультразвука ;

- сформулировать модельные представления о механизме связи скорости распространения ультразвука и структурного состояния сталей и сплавов, развить экслеримеиталыше акустические'методы исследования состояния и свойств металлов и сплав.ов ;

- исследовать влияние структуры и структурных факторов,

2

получаемых при разных видах и режимах термической обработки, на скорость ультразвуковых колебаний в широком наборе марок деформируемых алюминиевых сплавов, кенструкционньгк и инструментальных сталей;

- разработать приборные средства для проведения ультразвуковых исследований промышленных сплавов, пригодные для технической диагностики и неразрушающего контроля металла в промыш-. ленности и на транспорте; произвести оценку влияния различных мешающих факторов на результаты измерений скорости ультразвуковых колебаний в реальных промышленных сплавах, определить области применения ультразвукового метода оценки состояния и свойств сплавов, выявить наиболее пригодные для контроля марки сплавов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые получен и систематизирован большой фактический материал по изменениям скорости распространения ультразвука в сталях и сплавах разных структурных классов после различных термических и механических обработок. Предложена, физически обоснована и экспериментально подтверждена модель, определяющая взаимосвязь скорости распространения ультразвуковых колебаний в сталях и сплавах с их структурным состоянием.

Установлено, что изменение скорости распространения ультра-• звука в широком классе сталей и сплавов на основе алюминия связано с величиной уровня внутренних напряжений, которые определяются видами и режимами термической обработки, структурными и фазовыми преобразованиями, наклёпом и деформациями, структурными повреждениями при усталости.

Обоснована возможность анализа структуры, остаточного ресурса и состояния конструкционных и инструментальных сталей, терыоупрочняемых алюминиевых сплавов с помощью метода измерений скорости распространения ультразвука и определена область при-

3

менения этого метода.

Практическая ценность работы. Решена важная для народного хозяйства задача технической диагностики и неразрушающего контроля структурного состояния и механических свойств промышленных металлов. Разработаны достаточно точные и удобные в эксплуатации ультразвуковые приборы и устройства с высокоточными датчиками. Приборы имеют необходимую техническую документацию, метрологическое обеспечение и государственную аттестацию. По результатам госиспытаний они рекомендованы в серийное производство.

Разработаны методики технической диагностики микротрещин и накоплений усталостной повреждаемости деталей и узлов вагонов, неразрушающего контроля твердости обьемнозакаленкых рельсов~и толщины упрочненного токами высокой частоты слоя рельсов, разупрочнения металла энергетического оборудования.

Разработаны методики и средства ультразвукового контроля режимов термической обработки промышленных марок алюминиевых сплавов, позволяющие в комплексе с электрическими методами надёжно выявлять начальную и установившуюся стадии пережога деталей авиационной техники.

Разработанные методы и более 60-ти приборов внедрены на ¡железной дороге, предприятиях энергетики и машиностроения с сум-мерным годовым экономическим эффектом около О млн. руб. в ценах до 1991 года.

Основные положения, выносимые ira защиту.

- совокупность экспериментально обнаруженных закономерностей изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний в зависимости от структурного состояния широкого класса сталей и сплаьоз па оеаоье аломиния ;

- окоп-,.ркуи:та.:ь;;с подтоерп^.баиая иодсть, согласно которой . сдое, ос .;а скорости ос;-р?.:н;.ня у.-.ь^жаьуковкк ко-

4

лебаний в металлах 'оказывают внутренние напряжения ;

- доказательства принципиальней возможности анализа накоплений усталостной повреждаемости и состояния отпускной хрупкости металлов по изменениям скорости распространения ультразвуковых колебаний}

- физические принципы выбора параметров приборов и совокупность методик повышенной точности для исследований и диагностики структурного состояния и механических свойств металлов по измерениям малых изменений скорости ультразвука.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные результаты докладывались и обсуадались на: 7-м Мевдународном конгрессе по термической обработке металлов (Москва, 1990 г.) ; Национальном конгрессе по металловедению и термической обработке (Болгария, Варна, 1991 г.) ; 2-ой Международной конференции по диагностике трубопроводов (Москва, 1991 г.) ; 1-м Российско-китайском симпозиуме по исследованиям новых-материалов (Москва-Томск, 1952 г.) ; П-й и 12-й Всесоюз1шх конференциях по нераз-рушающим физическим методам контроля (Москва, 1987 г. и Свердловск, 1990 г.) ; Всесоюзных конференциях по ультразвуковой дефектоскопии (Ленинград, 1983, 1989 гг.; Иркутск, 1978, Киев 1984 г.) ; 7-ой Всесоюзной конференции по экспериментальным исследованиям инженерных сооружений (Сумы, 1991 г.) ; 1-й, 2-й и 3-й Всесоюзной конференциях по диагностике и системам испытаний объектов ж.д. транспорта (Москва, 1988 г. и Омск, 1989, 1991 гг.) ; 1-м и 2-м Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1988, 1991 гг.); Всесоюзных семинарах по современным физическим методам и средствам неразрушащего контроля (Москва, 1984 и 1988 гг.) ; научно-технических конференциях по проблемам надёжности ж.д. транспорта (Новосибирск, 1932, 1986,

5

1937, 1990, 15П, 1992 гг.) ; научно-технических конференциях по повышению качества металла и надежности инструмента 2 машиностроении (Новокузнецк, 1985, IS36 гг., Кемерово 1988, IS39 гг., Барнаул IS3S, ISSC гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 83 работы, v том числе 5 изобретений и 2 патента. Обьем работы. Диссертация изложена на 365 страницах, содержит 4G таблиц, 102 рисунка и состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 232 наименований и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЕ01Ы

I. Изменения скорости ультразвука в сплавах

Проблема взаимосвязи скорости ультразвука и структуры сталей и сплавов изучалась экспериментально и всесторонне. К обсуждении привлечены все ранее выполненные работы разных авторов,, не дающие однако ответа на вопрос о природе связи. Основное внимание уделено работам, в которых наряду с акустическими исследованиями дан анализ структуры, но таких исследований немного. Среди них мозкно отметить работы Л.Л.Рохлина о влиянии степени легирования алюминия и магния вторым компонентом на скорость распространения продольных волн, а такие работы Е.Папада-кис'а о влиянии аустенитизации на скорость ультразвука.

Большая часть исследований посвящена систематическому поиску корреляций между изменениями скорости ультразвука и отдельными механическими свойствами образцов из углеродистьгс и легированных сталей с целью осуществления норазрушающего контроля этих свойств (М.£енкнер, А.АТВотаки, В.Л.Ульянов, А.В.Шарко).. Найдены корреляции мевду изменением скорости ультразвука в некоторых марках сталэй и их твердостью, пределами прочности и

6

текучести пр.г изменении температуры отпуска после закалки от определенной температуры.

Предложено объяснение, заключающееся во влиянии на скорость ультразвука внутренних напряжений, возникающих после закалки из-за различной плотности аустенита и мартенсита. Зти напряжения приводят к уменьшению скорости ультразвука, а при отпуске они устраняются и скорость звука растет. Однако такое объяснение недостаточно проработано и не подкреплено экспериментально, кроме того, не применимо к сплавам, в которых отсутствуют полиморфные превращения.

Проблема выяснения закономерностей в изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний при структурных изменениях решается на примере алюминиевых сплавов, используемых как модельные, поскольку они, как правило, однофазны и в них отсутствуют полиморфные превращения. Кроме того измерения изменений скорости ультразвука при естественном старении можно проводить без нарушения контакта пьезопреобразователей с образцом, что существенно повышает точность измерений. Здесь и далее в работе речь идет о фазовой скорости распространения ультразвуковых колебаний, поскольку она отражает наиболее тонкие изменения этой характеристики при взаимодействии волны со средой.

Влияние степени пересыщения твердого раствора после закалки на скорость ультразвука экспериментально доказали на алюминиевых сплавах Д1, Д16, AK4-I, В95, АК-8, 1420, 1450 и др. При нагреве алюминиевых сплавов выше равновесного солидуса по границам зёрен образуется легкоплавкая эвтектика и твёрдый раствор обедняется легирующими элементами, т.е. реализуется меньшая пересыщенность твердого раствора, чем при закалке mute равновесного еолвдуса. Меньшая пересыщенность будет и при закалке от температур ниже максимальной растворимости элементов.

7

В экспериментах кроме намерений скорости и коэффициента затухания ультразвука, исследовали состояние границ

зёрен на металлографическом 5Ш-8М и растровом электронном микроскопе С5М -35С, а также измеряли механические свойства и электропроводность. Скорость распространения ультразвуковых колебаний исследовали двумя методами: резонансным - по смещению амплитудно-частотной характеристики, и автоциркуляционныы - по изменению частоты циркуляции импульсов на заданной базе.

Анализ результатов экспериментов показывает, что закалка резко уменьшает скорость ультразвука в сплавах. При этом изменение температуры закалки влияет следующим образом. Закалка ниже равновесного солидуса уменьшает скорость ультразвука меньше, чем закалка от температур максимальной растворимости элементов в алюминии. Закалка от температур выше солидуса уменьшает скорость звука тем меньше, чем больше пережог сплава, чем больше эвтектики ввделилось между зёрнами. Таким образом максимальная скорость звука в сплаве наблюдается при закалке от температур максимальной растворимости (рис. I). Иначе изменяется коэффициент затухания - он резко возрастает при температурах закалки вше равновесного солвдуса. При этом ухудшаются и механические ■ свойства: пределы прочности, текучести, относительное удлинение, падает удельная электрическая проводимость. Исследования структуры выявляет образование коагулированных зёрен и блочную структуру, эвтектику мевду зёрнами, что свидетельствует о пережоге. Наеденные закономерности подтверждаются для сплавов Д1, Д16, АК4-1.

Установлено, что чувствительность акустического метода определения перегрева алюминиевых сплавов выше, чем чувствительность контроля по температуре закалки и по металлографическим измерениям. Так, для сплава АК4-1 в диапазоне температур 5408

5üC°C чувствительность составила- ¡35 Гц/К, чю ооотыпагиуп О,IX изменения скорости о пука на 1°С перегрева.

Влияние скорости охлаждения при закалке на скорость ультразвука исследовали на сплаве Д1С. Известно, что при уменьшении скорости охлаждения о процессе закалки происходит уменьшение концентрации закаленных вакансий и частичный распад твердого раствора, что может быть зарегистрировано по.скорости ультразвука. В качестве закалочных сред применили водные растворы полиэтиленоксида (ПЗО). Изменяя концентрацию ПЭО в воде, можно регулировать скорость охлаздения при закалка в широком диапа.ю- -не. Изменение скорости охлаждения в работе контролировалось по величине электропроводности и по прочность»: характеристикам (твердости, пределу прочности) после окончания термообработки. Степень распада твердого раствора при закалке регистрировалась также по результатам олектронномгосроскотпеских исследований тонких фольг.

Акустическими измерениями установлено (рис. 2), что при увеличении концентрации ПЭО в растворе 'от 0,15 до 1,Ь% при одинаковом времени старения рост скорости ультразвука осуществляется на меньшую величину. При этом падение скорости ультразвука в свеяезакаленном состоянии относительно исходного состояния сплава тем меньше, чем больше концентрация ПЭО в воде, т.е. 4tм меньше скорость охлаждения при закалке. В результате наблюдается и меньший рост скорости ультразвука з процессе старения сплава. Это свидетельствует о том, что упругие модули вследствие меньших искажений кристаллической решетки изменяются на меньаук величину. Злектронномикроскопические исследования оспорим октальных образцов после полной термообработки показали, что увеличение концентрации ПЭО в растворе от 0,15 до 0,незначительно влияет на плотность дислокаций и радиус закруткигелкхоидзль-

9

пых дислокаций, а при закалке в 0,75 и 1,Ъ% водном растворе ПЭО плотность дислокаций и радиус закрутки геликовдов заметно меньше, чем при закалке в воде. Это объясняется уменьшением концентрации вакансий и искажений кристаллической решетки вследствие меньшей пересыщенности твердого раствора при замедлении скорости охлаждения. Подтверждается меньшая пересыщен-ность твердого раствора и отсутствием выделений и дислокаций по границам зерен, что установлено олектронномикроскопическими исследованиями. Таким образом, рост скорости ультразвука происходит за счет уменьшения искажений кристаллической решетки при распаде пересыщенного твердого раствора. Изменение скорости ультразвука в сплаве при его закалке и старении тем меньше, чем меньшая пересыщенность раствора фиксируется в результате закалки.

Экспериментальные доказательства влияния распада пересыщенного твердого раствора на скорость ультразвука выполнили на алюминиевых сплавах Д1, Д16, АК8. Кроме измерений изменений скорости ультразвука в процессе естественного старения измеряли твердость и электропроводность. При распаде твердого раствора наблюдали тонкие структурные изменения с помощью просвечивающе- < го электронного микроскопа УЗМ8-100К.

Известно, что после закалки дюралюминов в сплаве фиксируется пересыщенный твердый раствор замещения, характеризующийся определенными искажениями кристаллической решетки. При.этом, как показали акустические измерения, скорость ультразвука после закалки от температуры 500°С резко уменьшается относительно исходного состояния. В процессе естественного старения за счет об-разэгакпя сон Г-П регистрируется рост твердости сплава. С уве-ли»«х:к:к ко.-, нч г ста а зон Г-П возрастает рассеяние электронов пр^Еч.т.иус.-сти ко н;г:, что обнаруживается измерениями электропро-

10

водности. С распадом пересыщенного твердого раствора и ростом упругих модулей наблюдается и увеличение скорости ультразвука в сплаве (рис. 2). Важно отметить, что максимальный рост скорости ультразвука происходит на стадии быстрого старения, когда скорость распада твердого раствора максимальна..

Одновременно с ультразвуковыми измерениями проводились электроиномикроскопические исследования тонкой структуры сплавов, наблюдаемой в процессе старения непосредственно в тонких объектах, приготовленных из листовых и массивных образцов сплава Д16. Отмечено, что в процессе старения винтовые дислокации преобразуются в геликоидальные. Радиус закрутки геликоидов увеличивается по мере старения сплава в фольге с первые двое суток до 0,2 мкм и затем практически не меняется. Исследовались и фольги, изготовленные в разные моменты времени старения, из массивных образцов. В этом случае радиус закрутки геликовдов при старении достигает 0,5 мкм. Рост плотности,дислокаций происходит также за счет образования и роста дислокационных призматических петель после закалки. Плотность дислокаций при старении растет

о р О О

от 2-10 см до 10 'см . Расчет плотности дислокаций проводился по методу секущих и по точкам выхода.

Поскольку при увеличении температуры старения происходит рост объемной доли метастабильных. и стабильных выделений упрочняющей фазы в сплаве следует ожидать изменений скорости ультразвука. Влияние температуры старения на скорость ультразвука исследовали в алюминиевом сплаве В95. Кроме измерений изменений скорости ультразвука измеряли твердость, удельную электропроводность, предел прочности и относительное удлинение. Термическая обработка образцов состояла из закалки от температуры 470°С и искусственного старения э течение 2С ч при разных темт-^рату-рах. Рост веделений новых фаз кгблодали &лектрсяно:.!икроског.ичес~

II

ки на п{.осиьт мегодок тонких фолы. Мокожшый рост относительного измсшуния скорости ультразвука объясняется уменьшением ьнутрениих напряжений и искажений кристаллической решетки при поьышении температуры старения. При этом, как известно, растет объемная доля метастабилыщх, а затем стабильных выделений Т- • фазы. Данные э.чскгрошюмикроскопических исследований подтверждают этот факт. 00 уи«личснии объемной доли выделений сьиде-тальствует и рост электропроводности сплава с увеличением температуры старения. Известно, что при отжиге в сплаве образуются наиболее крупные вьщеленкя фаз. Относительное увеличение скорости ультразвука после отжига при 400°С в течение б часов составило 1%, что более чем в 1,5 раза превышает эффект увеличения скорости ультразвука от искусственного старения (уменьшение скорости ультразвука после закалки отожженного .сплава составляет также 1%). Еще одним подтверждением справедливости положения о том, что увеличение скорости ультразвука в сплаве вызвано уменьшением искажений кристаллической решетки, служит увеличение электропроводности после отжига до 24 МСм«м~*.

Дгш выяснения влияния на скорость ультразвука дислокацион- . ной и зонной составляющих образцы были подвергнуты возврату при 250°С с выдержкой 40 с (рис. 2). Как известно, зоны Г-П при такой термообработке рассасываются. Плотность же дислокаций практически не меняется. Оказалось, что скорость ультразвука уменьшается до значения, соответствующего свежезакаленному состоянию, затем растет так же как после закалки. Следовательно, основной причиной роста модулей ¡1 соответственно скорости ультразвука является уменьшение искажений кристаллической решетки, связанное с миграцией атскоБ легирующих элементов в зоны Г-П. Подтверждается этот вывод и результатами отжига .образцов сплавов Д16 и Д1. 2 этем ол}чае скорость ультразвука еще более увеличивается по

12

сравнению со свежезакаленным состоянием. Здесь относительное изменение; резонансной частоты автоциркуляции составило 0,5£, ч-;е боле!» чзм в дза раза превышает изменение частот при естэст-з31и:ои старзп'ли сплавов. Следовательно уравновешивание структуры оа счег образования разновесных фаз увеличивает скорость болше, чем образование зон Г-П.

Влияние ¡¡ап^яяе.-лГ: ц деформаций при закалке на скорость ультразвуке рассцо^ро ю на примере алюминиево-дитиевых сплавов 1420 к 1450. Использовали различные режимы термической обработки и разную скорость охяазде-шш, после этого измеряли коробление по отклонс; кю от плоскости спорной плиты в разных точках по периметру. Измеряли такие электропроводность. твердость, прочностные свойства и пластичность. Послз раз^ва образцов проводили исследования изломов на растровом электронном микроскопе ГЭМ-1ССУ и измерения физического расширения дифракционного максимума на ДГ'0Н-2. Обнаружена взаимосвязь скорости ультразвука в. сплаве 142С и твердости. С ростом твердости и уменьшением жесткости обработки растет скорость звука. Полуширина рентгеновского максимума при этом уменьшается. Необходимо отметить, что наибольшая скорость ультразвука и наименьшая полуширина пика наблюдается у образцов после закалки в растворах полимеров и последующего искусственного старения. Это свидетельствует об уменьшении внутренних напряжений и степени распада пересыщенйого твердого раствора в процессе фазовой стадии старения. Действительно, результаты замеров деформации листовых заготовок после закалки в разных средах также свидетельствуют об уменьшении внутренних напряжений при закалке в растворах полимеров и соответственно увеличивается скорость ультразвука.

Вопросы влияния легирования и химического состава рассмотрены на примере сплава АЛ9 с варьированием содержания кремния

13

6-9,5% и железа 0,2-0,7%. Основанием для постановки вопроса . явились работы Л.Л.Рохлина, посвященные исследованию скорости звука в зависимости от содержания легирующей добавки. Подробно обсуждаются полученные результаты. В числе свойств измеряли твердость, плотность, скорость ультразвука, удельную электропроводность. Количественную информацию о качестве изделий определяли на двух уровнях: годное и брак. Обработку проводили по программе ютпк на ЕС-1022 для установления связи мевду свойствами и составом. Пористость определяли на сканирующем микроскопе ^м -35с. Поры имели сотовый рельеф с дендрид-ной структурой. Наиболее сильное влияние на пористость оказывает кремний. По результатам машинного анализа выделено несколько областей многофакторной модели кусочно-ломанной функции, позволяющей прогнозировать качество продукции.

2. Взаимосвязь скорости ультразвука и структуры сталей

Влияние структур, получаемых при разных температурах и времени выдержки под закалку, скорости охлаждения, режимов отпуска исследовали на эвтектоидных и заэвтектоидных сталях У8 и ¡' У9 (рис. 3). Найдено, что среди прочих факторов наиболее силь- ' ноет влияние на скорость ультразвука оказывает фазовый состав сплава и внутренние напряжения при образовании мартенсита. С увеличением температуры отпуска количество остаточного аустени-та падает с 1552 до 0, а физическое расширение дифракционных максимумов уменьшается в 2-3 раза, что свидетельствует о снятии внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки за счет уменьшения тетрагональности мартенсита.

Положение о влиянии внутренних напряжений и распада твердого раствора на скорость ультразвука экспериментально провзри-

14

ли на сталях 20, 38ХА, У8А, У9А, как распространенных конструкционных и инструменталышх материалах. Оценку искажений кристаллической решетки и содержание остаточного аустенита в сталях проводили рентгеновским методом на дифрактометре ДР0Н-2.0, структуру исследовали на микроскопе ШМ-Ш.

Нагрев образцов из' стали 38ХА осуществляли при температуре 850°С, I ч, затем образцы подвергали закалке в воде комнатной температуры и отпуску при разных температурах. Отмечено, что после закалки ранее отожженного образца скорость ультразвука в нем резко уменьшается, а с увеличением температуры отпуска монотонно растет, приближаясь к исходному (до закалки) значению . (рис. 3 ). При этом твердость плавно уменьшается. Уменьшается также и тетрагональность мартенсита, о чем свидетельствует уменьшение полуширины дифракционного максимума.

Концентрация остаточного аустенита с ростом температуры отпуска уменьшается с' 6% до нуля после отпуска при 500°С. В обратных координатах зависимость скорости ультразвука от 1А0СГ спрямляется (рис. 4). При отсутствии распада свыше температуры 600°С изменений скорости ультразвука практически не наблюдается, хотя изменения в структуре могут происходить. Так, после отжига образцов при 900°С, I ч частота автоциркуляции почти не изменяется относительно частоты образца, отпущенного при 650°С, I ч. Это свидетельствует о том, что основной причиной изменения скорости ультразвука в стали является увеличение или уменьшение внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки, происходящее при образовании или распаде пересыщенного твердого раствора углерода в мартенсите и аустените.

В низкоуглеродистой стали 20 таете наблюдались изменения скорости ультразвука в зависимости от закалки и температуры отпуска. Одновременно определяли твердость, пределы прочности и

15

текучести, относительное удлинение. Закаливали образцы в воде комнатной температуры от 900°С, после этого отпускали в течение 2 ч. С увеличением температуры отпуска скорость ультразвука монотонно растет. Относительное удлинение также растет, а показатели прочностных характеристик стали ухудшаются, что свидетельствует об уменьшении искажений кристаллической решетки, препятствующих движению дислокаций. Наибольший рост скорости ультразвука наблюдается в области максимального распада мартенсита при температурах 150...400°С, что подтверждает положение о роли распада твердого раствора в изменении скорости ультразвука.

Для выяснения вопросов влияния длительности отпуска на скорость ультразвука использовали осевую вагонную сталь Ос.В и малолегированную сталь 12X1®. Оказалось, что в стали Ос .В скорость звука мало меняется от времени отпуска, но имеет тенденцию к снижению. Снижается скорость звука в этой стали и с увеличением температуры и времени отпуска. Необходимо отметить, что предварительно сталь была нормализована. В стали 12X11.®, напротив скорость звука растет с увеличением температуры отпуска, хотя предварительная обработка была нормализация. По-ввди-мому, здесь основную роль играет сфероидизация карбвдов.

Кроме того исследовали влияние различных термических обработок на скорость ультразвука в стали 12ХШФ (Св. шов ЮХМФ). Для экспериментов .бьши изготовлены из реального паропровода образцы, содержащие сварной шов. После нормализации при теш ара-турах 930...124С°С образцы отпускали при 500...650°С в течение I ч. Затем образцы подвергали отаигам и закалкам и масле и в воде с последующими отпусками при раилкчных температурах. Експе-рпментально установлено, что при одинаковых термообработках скорость ультразвука изменяется практически одинаково в области сварного шва и в основном материале. Фотографии микроструктуры

к тонкой структуры, полученные с помощью микроскопов КЕМ-Ш и УСМВ-ЮОК, подтверждают, что структуры с высокими внутренними напряжениями приводят к низкой скорости ультразвука. Приводятся результаты измерений скорости звука после различных термических обработок, в том числе сварного шва. Получены зависимости скорости ультразвука от твердости. С увеличением твердости стали 12Х1МФ и сварного шва скорость ультразвука уменьшается.

Влияние сфероидизации карбидов подробно рассмотрено на более удобном для этих целей материале, а именно на шарикоподшипниковых сталях 1Ш5 и ШХ15СГ. Исследовали влияние карбидооб-разования в отожженных образцах стали ШХ15. Отметили, что при появлении карбидной сетки скорость ультразвука уменьшается и одновременно увеличивается твердость. Проведение дополнительных термических обработок подтвердило найденную закономерность. Так, увеличение температуры закалки снижает скорость ультразвука, особенно резко при перегреве стали, характеризующимся появлением карбидов (рис. 5). Эти факты подтверждают влияние на скорость ультразвука внутренних напряжений и фазового состава сплавов.

3. Анализ результатов и модельные представления

о механизме связи скорости ультразвука и структурного состояния сплавов

Рассмотрены структурные факторы, которые могут влиять на скорость ультразвука в металлах. Это рассмотрение проводится на основе известных представлений о строении и свойствах металлов. Модули упругости характеризуют силы взаимодействия ме:«ду соседними атомами в кристаллической решетке и соответственно электронные конфигурации, влияющие на эти силы. Упругие свойства металлов и сплавов в значительной мере определяются прочности:

17

межатомных связей, от которой зависят важные физические и технологические характеристики сплавов. Как известно, скорость ультразвука в твердых телах определяется упругими модулями и плотностью, которые в свою очередь изменяются от структуры и состояния металла, регулируемых механико-термической обработкой. Эти изменения невелики, например, закалка углеродистой стали уменьшает ее модули Юнга и сдвига относительно отожженного состояния на З..А%, плотность при термообработке изменяется на порядок меньше.

Вццелим структурные факторы, влияющие на модули упругости $;атериала и его плотность, а следовательно на скорость ультразвука. Это дефекты кристаллического строения металла, главным образом точечные дефекты и дислокации, а также соотношение фаз в сплаве* Для анализа влияния дислокаций в сплавах на скорость ультразвука предпринята попытка использовать теорию Гранато-Люкке. Оказалось, что эта теория, хорошо описывающая влияние дислокаций на скорость звука в монокристаллах чистых металлов, в применении к исследуемым в работе сложным сплавам не дает полного объяснения полученным результатам.

Но, как известно, в сплавах при образовании твердых растворов элементов с равными или близкими валентностями дефект модуля 'определяется изменением межатомного расстояния и тем локальным давлением, которое возникает, вблизи атома примеси, имеющей атомный объем, отличный от объема атома растворителя. Распад твердого раствора или выделение из пересыщенного твердого раствора новых фаз долины сопровождаться вследствие атомных перераспределения изменением модуля упругости. При этом на коду.ти упругости сплава влияют не только изменение химического состава и периода ропетки, но также величина искажений кристаллические Р'сотск при кггерентлз).: сопряжении ныделпвшейся фазы и величина

18

ее модуля упругости.

На основе этих общих положений формулируются основные представления о механизме влияния структурных изменений, происходящих при распаде твердого раствора, на модули упругости и соответственно на скорость ультразвука в промышленных сплавах. Так, для алюминиевых сплавов и сталей модули упругости, очевидно, зависят кроме дефектов кристаллического.строения от количественного соотношения фаз с различными упругими параметрами. В алюминиевых сплавах в процессе распада пересыщенного твердого раствора уменьшаются искажения кристаллической решетки, при этом образуются зоны Гинье-Престона (Г—Л) или новая фаза, выделяющаяся .из твердого раствора, что отражается на модулях упругости сплава. Для сталей картина еще более усложняется преобразованиями нескольких фаз - феррита, цементита, аустенита. При этом количественные соотношения между ними изменяются в процессе термических обработок; также изменяется и степень искажений кристаллической решетки самих фаз за счет образования или распада различных твердых растворов, например,аустенит, мартенсит - отпущенный мартенсит - феррит и т.д. Это приводит к изменению упругих модулей, внутренних напряжений и соответственно к изменению скорости ультразвука в этих сплавах. Однако, в сталях эффект изменения скорости ультразвука "затушеван" полиморфными превращениями и распадом твердого раствора в разных фазах..Поскольку длина волны ультразвуковых колебаний, используемых в экспериментах, составляет 0,5-3 мм (при частоте колебаний 2-5 МГц), а ввделения новых фаз и дефекты кристаллической решетки,

л д

влияющие на модули упругости, в 10 - 10 раз меньше длины волны, то рассеянием ультразвука на них можно пренебречь. Следовательно, изменение скорости распространения ультразвуковых колебаний будет происходить за счет образования упругих полей нап-

ряжений вокруг этих дефектов.

Известно, что увеличение температуры нагрева под закалку повышает концентрацию углерода в аустеште, что приводит к большей пересыщенности углеродом твердого растзора после закалки. Понятно, что так же и в алюминиевых сплавах большая перссыщен-лость твердого раствора должна сильнее уменьшать скорость ультразвука. Экспериментально показано, что закалка от более высоких температур стали 12X11.®, ШХ15, У8, У9, действительно сильнее уменьшает скорость ультразвука.

В целом природа связи скорости ультразвука в сплавах с их структурой выглядит следующим образом. С изменением расстояний между атомами (искажением кристаллической решетки), например, при образовании или распаде пересыщенных твердых растзоров, изменяются силы взаимодействия между атомами, и, соответственно, модули упругости, что и.влечет за собой изменение скорости ультразвука в этих сплавах. Закалка алюминиевых сплавов или сталей фиксирует в них пересыщенный твердый раствор замещения или внедрения соответственно. При этом скорость ультразвука в сплавах резко"уменьшается относительно'отожженного состояния и

1

тем сильнее, чем более пересыщен твердый раствор, т.е., чем сильнее искажена кристаллическая решетка. Последующее старение алюминиевых сплавов или отпуск сталей с ростом температуры и времени Быдержки приводят к распаду пересыщенного твердого раствора и соответственно к уменьшению внутренних напряжепгй и искажений кристаллической решетки. Яуи этом скорость ультразвука монотонно растет. Максимальны» эффект увеличения скорости ультразвука в сплавах-по сравнению с закаленным состоянием наблюдается при отжиге. Необходимо отменить, что с ятюминиесых сплпьах сфф^кт изменения скорости ультразвука мсньшз, чем в сталях, поскольку к^исгаллэтсская решетка в растворах зрмгщс.'шя,

как известно, менее искажена, чем в растворах внедрения. Однако характер изменения скорости ультразвука в сплавах при термообработках или структурных превращениях одинаков. При неравновесной структуре, соответствующей закалке, скорость ультразвука в сплазе минимальна; процессы уравновешивания структуры, соответствующие различным отпускам, ведут к росту скорости ультразвука, и при равновесной структуре после полного отжига скорость звука в сплаве максимальна..

4. Экспериментальная проверка модельных представлений о связи скорости ультразвука и состояния сталей

Для подтверждения модельных представлений о природе связи необходимо выполнить эксперименты, позволяющие воздействовать на структуру металла не только изменением режимов термической обработки. Такими методами могут быть усталостные испытания, в процессе которых происходит изменение дислокационной структуры и накопление усталостной повреждаемости.

Исследование зависимостей скорости ультразвука от различных параметров усталостных испытаний прове'ли на образцах из сталей 45 и Ос.В. Для этого изготовили плоские образцы с корсетным вьфезом в средней части с минимальным сечением 40 х 5 мм^ с целью концентрации напряжений в этой области и локализации накоплений усталостной повреждаемости. Предварительная термическая обработка образцов состояла из нагрева до 870°С ; 0,5 ч и охлаждения'на воздухе. Шероховатость поверхности 3,2 мкм. Образцы циклически нагружали в отнулевом цикле напряжений при температурах: 20 и 2С0°С с частотой цикла 5 Гц и уровнями максимальных напряжений цикла 32С, 4СС и 55С МПа. Число циклов

с;

нагрукения доводили до К . Скорость.поверхностных волн измеряли до и после приложения нагрузки. Часть образцов довели до

21

разрушения по методу малоцикловых испытаний. Установили, что с. ростом числа циклов и уровня циклических напряжений скорость поверхностных акустических волн в образцах уменьшается.

На основании полученных результатов полного факторного эксперимента провели однофакторные исследования влияния числа циклов и соответственно накоплений микроповреждений в структуре при одноосных нагружениях на скорость поверхностных волн. Размах напряжений цикла составил 550 МПа. Результаты (рис. 6) подтверждают, что скорость ультразвука уменьшается в разной степени на разных участках зависимости. При этом структурные микроповреждения даже на 2-ой стадии отмечаются только в просвечивающем электронном микроскопе на уровне дислокаций - растет их плотность. Скорость ультразвука на 1-ой инкубационной стадии с числом циклов активно уменьшается, затем на 2-ой стадии изменяется практически линейно, примерно на одинаковую величину, около 1% во всех образцах, после чего на З-.ей стадии происходит резкое падение скорости ультразвука до 4-5%. На 2-ой стабилизационной стадии процессы упрочнения и разупрочнения компенсируются. 3-я стадия резкого падения скорости ультразвука характеризуется переходом микродефектов в макродефекты: усталостные поры и макротрещины. Начало её обусловлено образованием усталостных трещин на поверхности. -Наблюдение их выполнили на растровом электронном микроскопе 3 $ И -35С вблизи концентратора напряжений на расстоянии от кромки концентратора - I мы. Раскрытие трещин - до 5 мкм, их длина - до 50 мкм, расположение - перпендикулярно направлению растягивающих нагрузок. С приближением к концентратору растут размеры трещин. После разрушения образцов в очаге усталостной трещины наблюдается квазихрупкий излом, ручьистость. В зоне усталости имеют место усталостные псевдобороздки перпендикулярные направлению развития магистральной тре-

22

щины. Появляется пластическое течение, наблюдаются вторичные поперечные трещины в результате ветвления магистральной трещины, в зоне долома - вязкий, ямочный излом.

Результаты экспериментов подтверждают предположение о зависимости скорости ультразвука от накопленных структурных повреждений, вызванных перечисленными факторами, в частности, количеством циклов и уровнем нагружений. Оценку ресурса металла конструкций и деталей, работающих в условиях циклически меняющихся нагрузок, можно осуществлять по регистрации уменьшения скорости ультразвука относительно исходной.

Кроме того с целью выявления влияния степени наклёпа и толщины наклепанного слоя на скорость распространения поверхностных акустических волн провели эксперименты на специальных образцах, которые представляли собой полые цилиндры из сплавов АК4-1- и стали 35. Наклёп осуществляли обкаткой роликовым кондуктором. Скорость ультразвука измеряли как по огибающей поверхности, так и по образующей цилиндра. Оказалось, что с ростом степени наклёпа толщины наклёпанного слоя и твердости вначале скорость звука уменьшается затем несколько увеличивается. В отличие от измерений по огибающей образца, измерения по образующей зафиксировали резкое падение скорости поверхностных волн при больших усилиях прижима ролика. Связано это с появлением при таких усилия< прижима мнкротрещкн, плоскость которых расположена в направлении обкатки.

Влияние структурных нсоднородностеп на скорость ультразвука проверили на сталях 35 и ЗСХГСА. Для этого массивные образцы закг-.иди с ц-„лыо получения нспрокалённой области. Затем образцы разрезали и на поверхности, содержащей непрокал провели измерения твердости и скорости ультразвука. Отметили высокую чувствительность скорости ультразвука к структурным изменениям. С те-

чением времени в связи с релаксацией напряжений скорость ультразвука по сеченшо выравнивалась. Предложена методика выявления "мягких пятен" - областей металла с пониженными прочностными характеристиками и конфигурации таких зон, заиленная патентом.

Воздействие низких температур на металл, работающий в условиях тяжёлых климатических условий, диктует необходимость установления уровня хрупко-вязкого перехода и порога хладноломкости сталей. При измерениях скорости ультразвука в образцах введённых в состояние отпускной хрупкости выявилась взаимосвязь с температурой и временем отпуска. Скорость ультразвука в образцах из сталей 4СХ и ЗОХГСА, термообработанных на отпускную хрупкость выше чем в образцах быстро охлаждённых после отпуска. В то же время отпуск при температурах 5С0°С и выше после закалки с последующим медленным охлаждением сталей не склонных к отпускной хрупкости (У8А, У9А), не выявил разницы в скорости ультразвука с быстро охлавдёнными после отпуска образцами. Повторный отпуск при 500-650°С для создания отпускной хрупкости ранее быстро охлавдённых образцов стали 40Х увеличивает скорость ультразвука и, наоборот, в ранее охрупченных образцах после от-, пуска с быстрым охлаждением уменьшается скорость звука. •

Все эти факты свидетельствуют о возможности регистрации по скорости ультразвука' процессов межкристаллитной внутренней адсорбции, приводящей к отпускной хрупкости. Увеличение скорости ультразвука объясняется переходом примесей фосфора, сурьмы, олова, мышьяка, вызывающих отпускную хрупкость, из объема зерен на границы в результате межкристаллитной внутренней адсорбции, что приводит к росту их концентрации на границах и соответственно к уменьшению решёточной концентрации. Следует отметить, что метод регистрации скорости ультразвука значительно проще, чем

24 ■

определение состояния отпускной хрупкости методом внутреннего трения.

5. Области применения результатов разработки акустического метода

Несмотря на очевидные преимущества акустических методов контроля структуры и механических свойств металлов, сведения об их промышленном внедрении довольно малочисленны. К трудностям внедрения следует отнести тот факт, что прелде чем приступить к обычным для дефектоскопии изделий технологическим операциям, связанным с изучением объекта контроля, условий его эксплуатации, для каждого материала необходимы предварительные исследования по установлению связи структуры, механических и акустических свойств, определению корреляционных связей и построение тарировочных зависимостей.

Проведена оценка погрешностей измерений при ультразвуковой структуроскопии промышленных изделий. Оценены влияния металлургических факторов, механической обработки и шероховатости поверхности, температуры объекта. Влияние колебаний химического состава в пределах марки сплава исследовалось на примере рельсовой стали №76 и алюминиевого сплава Д1. Исследованы 23 опытные плавки рельсоиой стали.с колебаниями 0,72-0,85%С и 0,810,93$ Мй' . Показано, что отклонения скорости ультразвука составили С,07%, это находится в пределах погрешности.

В разных марках алюминиевых сплавов скорость ультразвука отличается, значит, есть основания опасаться, что колебания химического состава в пределах марки сплава увеличат погрешность измерений при контроле разных партий образцов, а это скажется на достоверности контроля структуры сплавов. Для этой цели было взято 13 партий разных плавок по 5 образцов в каэдой

25

партии сплава Д1. Акустические измерения проводились резонансным методом, расчеты - методом дисперсионного анализа. Если скорость ультразвука существенно зависит от химического состава, то мы должны ожидать повышенного рассеяния выборочных . • средних резонансных частот между сериями разных плавок по сравнению с их рассеянием для образцов одной плавки. Проверка по критерию Фишера подтвердила гипотезу о несущественном влиянии колебаний химического состава в пределах марки сплава Д1 на скорость ультразвука. Это дает возможность осуществлять кон-, троль структурных изменений в процессе старения сплава разных плавок.

Влияние' шероховатости поверхности оценили на 46-ти плоских образцах с различной механической обработкой и электрохимической полировкой. Получены значения шероховатости от I мкм до 80 мкм, определенные методом профилометрии. Измерения прибором ИСП-12 проводили вдоль, и поперек шлифования. Наблюдаемое уменьшение скорости ультразвука с ростом шероховатости поверхности происходит за счет увеличения толщины прослойки контактной жидкости между шероховатыми поверхностями ввода-вывода ультразвука и поверхностями пьезопреобразователей, а не за счет увеличения длины пути импульса по волнообразной поверхности. Такой вывод получен на основании сопоставления расчетов, учитывающих увеличение длины пути от шероховатости, поверхности и контактного . . слоя масла с результатами измерений вдоль и поперек направлений-фрезерования и шлифования. Показано, что контроль структуры и свойств может осуществляться с ошибкой не более 0,1%, если разброс по шероховатости поверхности не превышает 20 мкм.

Влияние температуры объекта контроля легко учитывается с г помощью эталона и ручки "коррекция" на панели прибора ИСП-12.

26

1. Далее приводятся результаты использования метода и приборов в промышленности и на транспорте. Если в процессе эксплуатации вагона шейка оси колёсной пары или детали подшипников качения подвергаются длительному нагреванию и воздействию циклических нагружений в металле происходят структурные изменения и ухудшение механических свойств, приводящих к падению скорости ультразвука.

Обследовали около 3-х тыс. колец подшипников, которые разбили на несколько групп по визуально выявленным дефектам. Установили, что поверхностным дефектам и накопленным микроповрекде-ниям соответствует меньшая скорость ультразвука, чем для бездефектного металла. На шейках осей колёсных пар дефекты встречаются крайне редко, однако отмеченные случаи уменьшения скорости ультразвука дают основания для более детального их обследования.

Произведена оценка напряжений посадки колец подшипников на ось колесной пары. По уменьшению скорости ультразвука в металле судят о напряжениях посадки колец на шейку оси колесной пары.

2. Государственная приемка термоупрочнённых рельсов на металлургических предприятиях производится с широкими допускали. Поэтому целесообразно разделить общую массу рельсов 1-го класса на 2-3 группы, которые по своим свойствам мокно использовать на подъездных путях, на станциях и, наконец, самые качественные с высокой твердостью использовать на главном ходу дорог, особенно в кривых участках. Дело в том, что возросший грузопоток и осевые нагрузки приьели к сильному боковому износу головки рельсов; на кривых участках до 12 мм и более через 2-3 месяца эксплуатации, что требует замены рельсов.

'Предварительно исследовали зависимости скорости ультразвука от температуры отпуска и твердости рельсовой стали. Коэффициент корреляции равен 0,86. Производственные испытания прово-

27

дили на новых рельсах типа Р65 на Западно-Сибирской и Забайкальской железной дорогах. Параллельно с акустическими измерениями контролировали твердость двумя типами переносных приборов: ударного действия ВПИ-2 и импеданспым А1ЛУ. Установлено, что твердость большей части рельсов находится около нижней границы, допускаемой ГОСТом 18267-82 341-388 Ш и даже меньше. Зто вызвано тем, что на НМК твердость измеряется после снятия 2 мм обезуглероженного слоя, имеющего меньщую чем основной металл твердость.

Кроме этого разработан способ контроля глубины поверхностно-упрочнённого слоя рельсов. При этом используется устройство ввода подповерхностной ультразвуковой волны с рабочей стороны головки рельса и приём прошедшей по упрочненному слою волны со стороны торца. Результаты исследований показали хорошую корреляцию между резонансной частотой ультразвука в поверхностно-упрочнённом слое и его глубиной.

3. В процессе эксплуатации в трубах котлов пароперегревателей происходят структурные изменения, ведущие к снижению механических свойств, что может явиться причиной разрушения металла. По границам зерен вццеляются карбиды металлов, в том числе ванадия. Зто проявляется при эксплуатации свыше 10 тыс. часов и при длительных нагревах при 585°С. Предложенный способ контроля структуры по скорости ультразвука состоит в измерении этой характеристики по периметру трубы, установлению участков"" "с"пониженной скоростью звука , и новой установке трубы относительно горящего факела. С помощью акустических измерений прибором ИСД-12 установили ошибки в определении бездефектной стороны трубы традиционными методами по результатам разрывных испытаний Получены тарировочные зависимости между скоростью ультразвука, тведцостью, пределами прочности и текучести (рис. 7).

28

4. На основании работ по исследованию влияния термообработки алюминиевых сплавов на скорость ультразвука предложен комплексный метод контроля пережога жаропрочного алюминиевого сплава А1С4-1. Комплексный неразрушающий контроль включает измерения удельной электрической проводимости, твердости и скорости распространения ультразвука в сплаве. Дело в том, что каждый метод по отдельности не даёт гарантии выявления случаев пережога металла. Вихретоковый - в силу значительного влияния химического состава в пределах марки сплава на результаты измерений, твердость - из-за большой погрешности, а акустический - вследствие неоднозначности показаний (зависимость имеет экстремум см.

рис. I). ■

При комплексном контроле первоначально по величине удельной электрической проводимости отбираются все детали с значением 20 МСм/м, закаленные при температуре, превышающей 530°С, а затем по результатам акустических измерений отбраковываются детали, закалённые при температуре 540°С.

Разные виды термических обработок влияют по-разному на скорость ультразвука в сплавах. Поэтому исследуется количественное влияние режимов термообработки на последующее старение сплава для выявления соответствующих изменений скорости ультразвука в дюралюминйх и применения в промышленности. Исследования выполнены с использованием методов математического планирования экспериментов. Сделан вывод о возможности промышленного контроля структурных изменений в сплаве при воздействии различных факторов на процесс старения.

5. С целью разработки метода прогнозирования ресурса штампов по скорости ультразвука выполнили эксперименты, в которых еыяснили влияние некоторых технологически факторов на разгаро-стойкость металла. Для этого предварительно цилиндрические аб-

29

разцы из сталей 5ХШ, ЗХ2В8Ф, 4Х5В2ФС по специальным режимам обработали, измерили в них скорость ультразвука, затем подвергли испытаниям на разгаростойкость. Испытания проводили с помощью автоматического манипулятора Ш-9С многократным погружением образцов торцовой частью на глубину 10 мм в расплав алюминия, а затем в воду. Через 500 циклов на торце образца металлографическим микроскопом измеряли глубину радиальных трещин разгара. В результате обработки данных получены линейные модели зависимости скорости ультразвука и технологических факторов. А модели зависимости глубины трещин разгара от исследуемых факторов показали, что стали ЗХ2В85 и 4Х5В2ШС значительно превосходят по разгаростойкости сталь 5ХШ, что указывает на её полную непригодность для пресс-форм литья под давлением. В то время как образец первых двух сталей после 1500 циклов не имеют следов разрушения, а на контролируемой поверхности образцов 5ХНМ трещина разгара углубилась на 3,5 мм.

б. Во многих случаях разрушающий контроль прочностных характеристик деталей и полуфабрикатов в промышленности можно заменить неразрушающим контролем свойств по изменению скорости ультразвука. Это возможно благодаря тому, что прочностные свойства многих сплавов изменяются монотонно с распадом пересыщенного твердого раствора! в них.

В приложении приводятся документы государственной аттестации метода и прибора, их патентной частоты, акта гос. испытаний, расчеты экономической эффективности и акты внедрения.

Общие выводы

I. Установлено, что изменение скорости распространения ультразвуковых колебаний в широком классе сталей л сплавов на основе алюминия связано с величиной уровня внутренних напряже-

30

кий, которые определяются видами и режимами термической обработки, структурными.и фазовыми преобразованиями, накоплением усталостной повреждаемости. При этом впервые показано, что уменьшение скорости ультразвука в исследованных сталях и сплавах связано с увеличением искажений кристаллической решетки при образовании пересыщенных твердых растворов после закалки, возникновением внутренних напряжений и появлением микропор и микротрещин, а увеличение скорости ультразвука в этих сплавах связано с уменьшением искажений кристаллической решетки вследствие распада пересыщенных твердых растворов при старении или отпуске, релаксации напряжений, в результате чего растут упругие модули и уравновешивается структура. Это происходит за счет протекания следующих процессов: уменьшения плотности дислокаций и микропор, образования выделений, соответствующих зонной и фазовой стадиям старения, распаде мартенсита и остаточного аустенита с выделением карбидов в сталях.

2. Проведены детальные эксперименты по исследованию изменений скорости ультразвука от структурных состояний, реализуемых с помощью термической и механической обработки, усталостных испытаний. Впервые найдены зависимости скорости распространения ультразвука в сталях 38ХА, 20, У8, У9, 1Ш5; ШХ15СГ от температуры закалки и ренимов отпуска ; в осевой вагонной стали Ос.В, сталях 45, 12X14$ (св. иов 10X1,!), М76 от времени и температуры отпуска после закалки и нормализации ; в алюминиевых сплавах АК4-1, Д1, Д16, В95, АК8, АЛ5, 1420, 1450 от температуры закалки и режимов старения.

Проведенные усталостные испытания сталей Ос.В и 45 обнаружили связь числа циклов, размаха напряжений цикла, температуры объекта со скоростью распространения ультразвуковой волны, которая уменьшается с накоплением усталостной попретдеемости, появле-

31

нием микролор и микротрещин.

3. Выявлено, что скорость распространения ультразвуковых колебаний наиболее сильно изменяется при переходе от структур, получаемых при закалке, к высоким отпускам.и отжигам, с ростом числа циклов усталостных нагружений при переходе микротрещин в усталостные трещины, с поверхностным наклепом. В целом при неравновесной структуре, получаемой в результате закалки, скорость звука в сталях и сплавах наименьшая; процессы релаксации нал-ряжений и уравновешивание структуры, соответствующие различным отпускам, ведут к росту скорости ультразвука;и при равновесной бездефектной структуре - после полного отжига -г скорость ультразвука в сплавах максимальна.

4. Определены области применения ультразвукового метода для контроля структуры и свойств сталей. Метод можно применять при наличии тер/ических обработок, сопровождающихся образованием и распадом пересыщенных твердых растворов ; при выделении фаз, например карбидов, эвтектики при пережогах, или образовании микропор и микротрещин при усталости или в процессе эксплуатации деталей; в случае наклёпа и высоких внутренних напряжений.

Выяснено, что на скорость ультразвука влияют состояние поверхности и неоднородности структуры на исследуемом участке. Последнее обстоятельство даёт возможность выявлять непрокал и "мягкие пятна" на поверхности труб "острого пара", колёс вагонов, колец подшипников и др. Метод можно использовать для контроля механических свойств, если они изменяются монотонно в процессе названных структурных преобразований или при эксплуатации.

5. Разработаны и внедрены достаточно точные, удобные для применения в промышленности и в научных исследованиях приборы и устройства, позволяющие производить оценку структурного состояния и механических свойств металлов по изменению скорости

32

ультразвука. Отмечена высокая чувствительность метода. Произведена оценка влияния различных мешающих факторов на результаты измерений: колебаний химического состава в пределах марки сплава, температуры измерений, шероховатости поверхности. Приборы имеют необходимую техническую документацию. По результатам госиспытаний они рекомендованы в серийное производство. Более 60-ти приборов внедрены на предприятиях энергетики, машиностроения и на транспорте. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения приборов типа ИСП-12 состарил около 5 млн. руб. в ценах до 1991 года.

йМсм/Ь

0,1 0,1 o

500 520 5W 560

1 Рис. I. Изменение свойств сплава AK4-I с ростом температуры закалки

£ ávo, ТГЧ

—--- Á16 WoSa

/ Ц5П30 о'0"0" ' 15 J/730

< __о -¿А уа

Рис. 2. Скорость ультразвука при старении и возврате после закалки в воде и растворе ПЭО А^/г

™ \rnnt °С -

Рис. 3. Изменение свойств и структуры с отпуском стали У8А после закалки от 875 °С

Щст

Рис. 4. Зависимость скорости ультразвука от содержания остаточного аустенита

1,05

0,10

0,35;

О

0

О\0 д4-

о «О

1

со

о.

V 40

0,5

i,О V

2,5

500 400

600 100 - 600 НУ Рис. 5. Изменение скорости ультразвука в стали ШХ15СГ: а - в зависимости от твердости; б - с ростом температуры закалки и при перегреве

, 1 - 1 ■ 1 -J---I -т i I- - 1 ^ I стадия

Пстадия

R=0 \ \ » \ 1 <^\Шстадия \ \\ i ' • ¿1 1 Л о

... .i.... i—i. i 9 i 1 1,111

0 1 23 4 5 6 7 3 9 ЮЩш-цшод Рис. 6. Уменьшение скорости ультразвука яри циклических нагружениях стали 45

0,3

Щ 0,1

0______

300 340 380 420 Ш 500 5W П5 165 185 «Ъ.^Мй— НВ —

Рис. 7. Связь скорости ультразвука в стали 12Х1МФ и 12ХВЮСР(о) с твердостью, пределами прочности и текучести

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Муравьев В.В., Ноева М.Р., Шарко A.B. Исследование процесса распада пересыщенного твердого раствора в алюминиевом сплаве Д16 // Шизика металлов и металловедение. 1978. Т. 46, № 4. С. 746-749.

2. Муравьев В.В., Кодолов В.П. Приготовление образцов алюминиевых сплавов для электронномикроскопических исследований // Зав. лаборатория. 1978. Т. 44, № 12. С. 1504.

3. Муравьев В.В., Шарко A.B., Ботаки A.A. Акустический контроль режимов термообработки алюминиевого сплава В95 // Дефектоскопия. 1980. № I. С. 91-93.

4. Акустический контроль качества термообработки сплава Д1 / В.В.Муравьев, М.Р.Ноева, А.В.Салаев и др. // Дефектоскопия. 1980. № 8. С. 48-53. ■

5. Исследование мешающих факторов при акустическом контроле термообработки сплава Д1 / К.Л.Комаров, В.В.Муравьев, А.В.Салаев и др. // Дефектоскопия. 1980. № 8. С. 53-56.

6. Влияние закалки в новых средах на свойства и структуру алюминиевых сплавов / В.В.Муравьев, А.С.Бедарев, А.В.Шарк» и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980.

» 10. С. 26-30.

7. Муравьев В.В., Салаев A.B., Шарко A.B. Контроль качества термообработки алюминиевых сплавов методами неразрушающих испытаний // Современные физические методы неразрушающего контроля. М., 1984. С. 65-69.

8. Серёгин Г.В., Евсеев В.В., Муравьев В.В. О связи сил трения

с пределом выносливости легких сплавов // Проблема прочности. 1984. * 3. С. 69-73.

9. Муравьев В.В., Кодолов В.П., liiapito А.В. Контроль твердости сварных швов паропроводов ультразвуковым методом // Совершенствование технической.диагностики энергетического оборудования. Киев, 1984, С. 190-194.

1С. Серегин Г.В., Смирнова С.А., Муравьев В.В. Структура "микродуплекс" в промышленных стареющих сплавах // Металловедение и термическая обработка металлов. 1934. J"° 6. С. 40-48.

11. Муравьев В.В.,Кодолов В.П. Ультразвуквой прибор УП-4М для контроля структуры и состояния промышленных сталей и сплавов // Новосибирск, ЦНТИ. 1985, № 85-71. 4 с.

12. Комаров К.Л., Муравьев В.В., Новиков А.А. Прогноз качества изделий из сплава АЛ9 // Литейное производство. 1987. № 10. С. 8.

13. Серегин Г.В., Муравьев В.В. Структурные состояния и механические свойства дисперсионно-твердеющего коррозионно-стойкого сплава 36НХТО // Изв. вуз. Черная металлургия. 1987. № 12. С. 77-80.

14. Муравьев В.В., Кодолов В.П. Ультразвуковой контроль качества термообработки сварных швов паропроводов из стали 12Х1МФ

■ // Современные физические методы и средства неразрушающего контроля. М., 1988. С. 26-28.

15. Муравьев В.В. Погрешности измерений при ультразвукобой структуроскопии // Дефектоскопия. 1988. № 7. С. 80-82.

16. Муравьев В.В., Комаров К.Л. Метод прогнозирования качества изделий по результатам анализа химического состава и физи-ко-мэханичесюгс сзойств // Автоматизированные системы испытаний объектов ж.-д.* транспорта. Вып. 814. М.( 1988. С.

i2-56.

17. Муравьев В.В. Взаимосвязь скорости ультразвука в сталях с Р'-дажами их термической обработки // Дефектоскопия. 1989.

2. С. со— с8.

18. Муравьев В.В. Ультразвуковой контроль термообработанных углеродистых сталей и сварных швов // Методы и средства повышения информативности и достоверности результатов ультра--звуковой дефектоскопии сварных конструкций. Ленинград, 1989. С. 77-79.

19. Серегин Г.В., Муравьев В.В. Влияние деформации прокаткой на механические свойства сплава 36НХВ0 // Металловедение и тер-' мическая обработка металлов. 1989. № 10. С. 44-46.

20. Муравьев В.В. Разработка ультразвукового метода контроля качества термообработки инструментальной стали У8 // Пути повышения качества и надежности инструмента. Барнаул, 1989. . С. 15-16, 35-36. -

21. Муравьев В.В. Влияние термической обработки на скорость., ультразвука в алюминиевых сплавах // Дефектоскопия. 1989; № II. С. 65-72. . '

22. Муравьев В.В. Неразрушающий метод контроля внутренних напряжений и структуры в сталях // Методы и средства диагностирования технических средств ж.-д. транспорта. Омск, 1989. С.

113-114, 183-184.

23. Муравьев В.В., Комаров К.Л. Влияние длительности отпуска -

среднеуглеродистой стали 0с..В на скорость распространения ультразвука // Неразрушающие физические методы контроля. ., . Свердловск, 1990. С. 69-70.

24. Муравьев В.В., Комаров К.Л., Чаплыгин В.Н. Влияние циклических нагрузок при разных температурах на акустические свойства стали 45 // Экспериментальные исследования инженерных сооружений, Сумы, 1990. С. 268-279.

25. Муравьев В.В., Зуев Л.Б. Влияние наклепа и шероховатости на скорость распространения ПАВ в металлах // Неразрушающие физические методы контроля. Свердловск, 1990. С. 127-130.

26. Муравьев В.В. Взаимосвязь структуры и твердости сталей со скоростью объемных и поверхностных волн // Изв. вуз. Черная металлургия. 1991. № 10. С. 100-102.

,27. Муравьев В.В. -Влияние технологических факторов при производстве рельсов Р65 на скорость ультразвука и твердость // Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий. Новокузнецк, 1991. С. 82, 26.

28. Муравьев В.В., Шарко А.В., Каркешко Е.В. Ультразвуковой контроль локальных неоднородностей механических свойств труб пароперегревателей тепловых электростанций // Дефектоскопия.

. 1991. № 12. С. IG-I7.

29. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Билута А.П. Взаимосвязь структуры и механических свойств инструментальной углеродистой стали со скоростью распространения ультразвуковых колебаний // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1992. № 2. С. 69-71.

30. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Прогнозирование поро-•. га хладноломкости стали 40Х в состоянии отпускной хрупкости

по скорости ультразвука // Проблемы железнодорожного транс-■ порта Сибири. Ч. 2. Новосибирск, 1992. С. ,32-38.

31. Muraviyov V.V. Ultrasonic oscillation, velocity control method of the structure and mechanical properties of steel.// Proc..of the 7th International Congress on Heat treatment

of materials. Vol. XI, Decoaber 11-14, 1990, Moscow, РИ77-184

32. iiuraviyov V.V., Sharko A.V. Variations of Stean pipee mechanical properties and structure detected by means of altrasound.// national Congress on Heat treatment of materials, October 5-5, 1991» Varna, p. 85-&9.

33. Muraviyov V.V., SharlM A.V. Local Variations of Stean pipes aechiLaical propertiec detected by means of ttltra-

sound.// 2-nd International conference pipeline inspection. October -14-18,' 1994, Moscow, msia Spectrum, p. 2^7-242.

34. Muraviyov V.V., Bedarev A.S., Zuev? L.B. New Al-Li Alloys structure and proportions // üctual problems of modern material б science, Moscow - Tomsk. 1992. v. 40.

35. A.C. I0339I9 СССР, МКИ G. 01 № 3/32. Способ определения предела ограниченной, выносливости материала.

36. A.C. I7458C9 СССР, МКИ 001 В 29/2С. Способ разрядки температурных напряжений в рельсовых плетях бесстыкового пути.

37. A.C. IIII064 СССР, МКИ GOI I? 3/32. Способ определения предела ограниченной выносливости материалов.

38. Способ измерения толщины поверхностно-упрочненных слоев металлов. Изобр. по заявке № 4934281/28, МКИ & 01 № 28/00, приоритет 5.05.91, положит, решение 13.03.92.

39. Способ контроля физико-механических свойств металлов. Изобр. по заявке Ш 4837172/28, МКИ G 01 № 28/00, приоритет 8.06.90, положит, решение 22.08.91.

40. Раздельно-совмещенный пьезопреобразователь для определения физико-механических свойств металлов. Патент по заявке

" № 5012254/28, МКИ G0I № 28/00, приоритет 7.08.91, положит, решение 26.08.92.

41. Способ обнаружения дефектов термообработки металлических изделий. Патент по заявке № 4896845/28, МКИ G 01 № 28/00, приоритет 27.12.90, положит, решение 12.09.91.