Разработка способа структуроскопии металла рельсов, основанного на измерении акустических шумов и скоростей волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Байтеряков Александр Викторович

• Байтеряков Александр Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Байтеряков Александр Викторович

Введение

Глава 1 Структуроскопия металлоконструкций. Состояние и проблемы

1.1 Методы неразрушающего контроля структуры и накопленной поврежденности металла

1.1.1 Ультразвуковые методы структуроскопии

1.1.2 Другие методы неразрушающего контроля

1.2 Технология изготовления и механические свойства рельсовой стали

1.3 Изменение структурно-механических характеристик в процессе эксплуатации рельсов

1.4 Контроль обезуглероженного слоя поверхности катания головки рельса

Выводы по главе 1. Постановка задач

Глава 2 Методическое и аппаратное обеспечение акустической структуроскопии металлоконструкций

2.1 Измерение акустических структурных шумов и скоростей волн

2.2 Методы обработки ультразвуковых сигналов

Выводы по главе

Глава 3 Акустическая структуроскопия малоуглеродистой трубной стали 09Г2С

3.1 Влияние термической обработки стали 09Г2С на скорости ультразвуковых волн

3.2 Влияние одноосного растяжения на акустические структурные шумы в

образцах стали 09Г2С

Выводы по главе

Глава 4 Структуроскопия стали рельсов типа Р65

4.1 Влияние наработки рельсов Р65 на акустические структурные шумы

4.2 Влияние наработки рельсов на скорости рэлеевских волн

4.3 Влияние наработки рельсов на скорости головных волн

4.4 Связь глубины обезуглероженного слоя рельсовой стали со скоростями

рэлеевских волн

Выводы по главе

Заключение

Список использованной литературы

Приложение А Экспериментальные данные исследований

Приложение Б Акт об использовании в учебном процессе

Приложение В Акт об апробации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способа структуроскопии металла рельсов, основанного на измерении акустических шумов и скоростей волн»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На сегодняшний день согласно данным с официального сайта РЖД длина железных дорог в России составляет 85 тысяч километров, что является колоссально большим объемом металла, требующего надежных приемочного контроля качества и периодической проверки его эксплуатационной стойкости.

Структура металла рельсов, полученная при производстве, обеспечивает их трещиностойкость, прочность, твердость для высокой износостойкости и противодействия пластическим деформациям. Применение методов неразрушающего контроля позволяет повысить качество рельсов при изготовлении. Однако в процессе эксплуатации структурное состояние металла (особенно в головке рельса) меняется существенным образом. В результате многократного воздействия поездной нагрузки на головку на поверхности катания рельсов возникают пластическая деформация и наклеп. В дальнейшем накапливаются микродефекты, которые вызывают образование микро- и макротрещин, приводящих к поперечной трещине головки рельса и разрушению.

Таким образом, для обеспечения безопасности движения железнодорожных составов необходимо своевременно диагностировать критическое изменение структуры подповерхностных слоев головки рельса, свидетельствующее о предельном состоянии. Перспективные варианты неразрушающей оценки изменения структурного состояния в головке рельсов связаны с измерением чувствительных информативных параметров ультразвуковых волн, таких как акустические структурные шумы и скорости объемных, рэлеевских и головных волн.

Установление связи между информативными параметрами ультразвуковых волн и структурно-механическим состоянием металла головки рельсов является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить качество металла рельсов и обеспечит их долговечность.

Степень разработанности темы. Большинство методов акустической структуроскопии основаны на измерении скорости и коэффициента затухания

ультразвуковых волн. Ботаки А.А., Шарко А.В., Левитан Л.Я. и Лебедев А.А. установили связь скорости продольных волн с твердостью среднеуглеродистых сталей типа 40Х. Ермолов И.Н., Вопилкин А.Х., Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. и Александров Н.Н. предложили использовать головные ультразвуковые волны для выявления подповерхностных дефектов и контроля структуры материалов. Муравьевым В.В. широко рассмотрены вопросы по влиянию структуры и микродефектности на скорости объемных и рэлеевских волн в алюминиевых сплавах и сталях. В работах Смирнова А.Н. рассмотрен способ структуроскопии, основанный на измерении скоростей рэлеевских волн. Структура чугунов исследована Воронковой Л.В. по измерениям скоростей ультразвуковых волн. В работах зарубежных авторов Han Y., Panetta P.D., Da Costa Teixeira J. И Dorval V. представлен метод оценки структурного состояния титановых сплавов, основанный на сравнении структурных шумов, полученных экспериментально и путем математического моделирования. Коллективом авторов Сусловым О.А., Карабутовым А.А. и Подымовой Н.Б. предложен лазерно-ультразвуковой способ возбуждения рэлеевских и головных ультразвуковых волн для диагностики остаточных напряжений в металлах.

Работа выполнена при частичной поддержке: программы стратегического развития ИжГТУ имени М.Т. Калашникова на 2012-2016 годы; проекта №3.751.2014/К по Госзаданию Минобрнауки РФ на 2014-2016 годы; Российского научного фонда (проект №15-12-00010 на 2015-2017 годы).

Цель работы. Разработка способа структуроскопии металла рельсов на основе установления связи измеряемых параметров акустических шумов и скоростей поперечных, рэлеевских и головных волн со структурным состоянием и твердостью.

Задачи исследования:

1. Аналитический обзор методов структуроскопии изделий из сталей и сплавов.

2. Разработка методик оценки акустических структурных шумов, скоростей рэлеевских и головных акустических волн.

3. Экспериментальные исследования влияния термической обработки и механических деформаций на информативные параметры акустических волн в углеродистой малолегированной стали.

4. Экспериментальные исследования влияния наработки рельсов типа Р65 на акустические структурные шумы и скорости рэлеевских и головных акустических волн.

5. Экспериментальные исследования влияния глубины обезуглероженного слоя на скорости рэлеевских акустических волн.

Объект исследования. Информативные параметры акустической структуроскопии головки рельсов типа Р65.

Предмет исследования. Акустический структурный шум, скорости объемных, рэлеевских и головных ультразвуковых волн.

Методы исследования. Методы исследования основаны на элементах теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля.

Обработка экспериментальных данных и численные расчеты выполнены на базе вычислительной техники с помощью программных сред MathCAD, Microsoft Excel, WinnOC, «ПРИНЦ».

Для экспериментальных исследований использованы акустические дефектоскопы с применением пьезоэлектрических и электромагнитно -акустических преобразователей для возбуждения в объектах контроля объемных, рэлеевских и головных ультразвуковых волн теневым и эхо- методами. Использовалась термическая обработка стальных образцов, металлография, механическое нагружение.

Научная новизна:

1. Впервые разработан способ оценки акустических структурных шумов в металлоизделиях по слоям на основе анализа осциллограмм контроля, разбитых на временные интервалы.

2. Впервые показана чувствительность акустических структурных шумов к стадии перехода упругой деформации в пластическую при растяжении образцов из стали 09Г2С, сопровождающееся резким изменением параметра, и показано

влияние наработки рельсов типа Р65 в процессе эксплуатации на акустические структурные шумы.

3. Установлено линейное снижение скорости рэлеевской волны с увеличением твердости металла рельсов типа Р65.

4. Впервые экспериментально показано увеличение скорости рэлеевской волны с ростом толщины обезуглероженного слоя в рельсовой стали.

Теоретическая и практическая значимость.

1. Показано влияние достижения предела текучести при растяжении стали 09Г2С на акустические структурные шумы и влияние термической обработки на скорости рэлеевских и поперечных волн, позволяющие определять начальную стадию усталостного разрушения металла и направление проката.

2. Разработан способ оценки уровня структурных шумов в металлоконструкциях, заключающийся в регистрации обратного рассеяния ультразвуковых волн на границах структурных элементов объекта контроля и анализа результатов контроля с помощью вычисления интегрального значения структурного шума и усреднения по заданному временному интервалу. Экспериментально показана зависимость влияния наработки рельсов на такие информативные параметры ультразвуковых волн в головке, как уровень акустических структурных шумов и скорости распространения рэлеевских и головных волн.

3. Предложен альтернативный способ контроля глубины обезуглероженного слоя, основанный на выявленной зависимости увеличения скорости рэлеевской волны с ростом толщины обезуглероженного слоя.

Положения, выносимые на защиту.

1. Способ оценки уровня акустических структурных шумов в металлоконструкциях по слоям от поверхности, основанный на регистрации обратного рассеяния ультразвуковых волн на границах структурных элементов объекта контроля и анализа результатов контроля с помощью вычисления интегрального значения структурного шума и усреднения по заданному временному интервалу.

2. Закономерность падения уровня акустических структурных шумов при достижении предела текучести в стали 09Г2С и рост уровня акустических структурных шумов в головках рельсов типа Р65 с увеличением степени эксплуатационной наработки.

3. Закономерность падения скоростей рэлеевских и головных акустических волн с ростом твердости на поверхности катания и на глубине 10 мм от поверхности головки рельсов типа Р65 соответственно.

4. Зависимость роста скорости рэлеевских волн с увеличением глубины обезуглероженного слоя при термической обработке рельсовой стали типа М76.

Достоверность и обоснованность обеспечивается корректным использованием методов теории акустики твердого тела, теории упругости, большим объемом экспериментальных данных на реальных объектах контроля, воспроизводимостью результатов экспериментов, обоснованностью полученных зависимостей, а так же сравнением с известными исследованиями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: II Международная конференция «Фундаментальные проблемы современного материаловедения», г. Новокузнецк, 23-30 сентября 2013 г.; IX Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 13-15 ноября 2013 г.; XVIII Республиканская выставка-сессия студенческих инновационных проектов, г. Ижевск, 15-27 октября 2014 г.; Международный форум «Сварка и диагностика», г. Екатеринбург, 25-27 ноября 2014 г.; I Международный форум ШЕТ-2015, г. Ижевск, 25-27 ноября 2015 г.; XI Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 25-27 ноября 2015 г.; XXII Петербургская конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов», г. Санкт-Петербург, 24-27 мая 2016 г.; Международный форум «Сварка и диагностика», г. Екатеринбург, 22-23 ноября 2016 г.; XII Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки,

образования и производства», г. Ижевск, 23-25 ноября 2016 г.

Личный вклад. Методики проведения исследований, алгоритмы обработки экспериментальных данных, численные расчеты, представленные в диссертации, получены автором лично. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.

Соответствие диссертации паспорту специальности. П.1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. П.2 Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 16 публикациях, в т.ч. 8 статьях в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, получены патенты РФ на изобретение и на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 202 наименований. Диссертация включает 66 рисунков, 20 таблиц и 3 приложения.

ГЛАВА 1 СТРУКТУРОСКОПИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ

1.1 Методы неразрушающего контроля структуры и накопленной

поврежденности металла

1.1.1 Ультразвуковые методы структуроскопии. Структуроскопия является одним из разделов неразрушающего контроля наряду с дефектоскопией, интроскопией и контролем размеров. Она позволяет находить нарушения в структурном состоянии, влияющие на ухудшение механических характеристик и долговечность.

Ультразвуковая структуроскопия позволяет определять изменения состояния металла на структурном уровне. Известные способы и методы ультразвуковой структуроскопии сталей можно условно разделить на несколько групп, отличающихся типом используемых волн - объемные волны и волны, распространяющиеся вдоль поверхности.

Один из структурных параметров металлов - твердость. Связь твердости со скоростью ультразвуковых волн в сталях 40Х и У8А установили коллектив авторов Ботаки А.А., Лебедев А.А., Левитан Л.Я. и Шарко А.В. в работах [14-16, 72]. Однозначно установлена корреляционная связь снижения скоростей объемных и поверхностных ультразвуковых волн с ростом твердости [82].

Авторы Муравьев В.В., Бояркин Е.В. и Бобров А.Л. в работах [108, 185] рассматривали влияние структуры рельсовой стали и технологии ее изготовления на скорости ультразвуковых волн. Показано увеличение скоростей продольной (на ~45 м/с) и поперечной (на ~34 м/с) ультразвуковых волн с ростом интенсивности загрязнения рельсовой стали неметаллическими включениями. Отмечена надежная связь скоростей ультразвуковых волн с твердостью рельсовых образцов: увеличение твердости на 60 ИБ привело к снижению скорости продольной волны на ~36 м/с (коэффициент корреляции при этом

составил 0,85) и снижению скорости поперечной волны на ~20 м/с (коэффициент корреляции при этом составил 0,80).

В других работах Муравьева В.В. с соавторами [11, 71, 80, 81, 86, 90, 179] были исследованы закономерности изменения скоростей объемных волн в алюминиевых сплавах (Д1, Д16, АК4-1 и др.) и сталях с разными режимами термической обработки резонансным методом [71, 102].

В [86] показано влияние температуры нагрева под закалку (от 763 К до 813 К), закалки и естественного старения алюминиевого сплава Д1 на изменение резонансных частот ультразвуковых колебаний. Нагрев под закалку в диапазоне температур от 778 К до 803 К вызвал смещение резонансных пиков в сторону уменьшения частоты. Для температур, близких к 778 К смещение частоты составляет около 10 кГц (при частоте прозвучивания 2,7 МГц). Дальнейшее увеличение температуры приводит к пережогу сплава, ухудшению прочностных свойств. При этом наблюдается незначительное смещение резонансных пиков. Результаты экспериментов позволяют выявлять как начальную стадию пережога, так и установившуюся. Последующее естественное старение вызывает смещение пиков в сторону их положения до термообработки. Аналогичный характер зависимости показан для сплавов Д16, АК4-1 [11].

В [179] приведены зависимости влияния термической обработки на скорости ультразвуковых волн в сталях 38ХА и 20. Для обоих типов сталей отмечено уменьшение скоростей рэлеевских волн после закалки по сравнению с исходным состоянием. Однако с ростом времени и температуры последующего отпуска закаленных образцов наблюдается увеличение скорости на 1% для стали 38ХА и на 0,6% для стали 20. Падение скоростей ультразвуковых волн объясняется получением неравновесной структуры и искажением кристаллической решетки при образовании пересыщенных твердых растворов в результате закалки. Последующий отпуск и старение приводят к уравновешиванию структуры, уменьшению искаженности кристаллической решетки, и соответственно, к росту скоростей ультразвуковых волн. Важно

отметить снижение твердости при отпуске на 4,5 ГПа для стали 38ХА и на 2 ГПа для стали 20.

В работах Муравьева В.В. с соавторами [97, 142, 202] рассмотрены вопросы по влиянию накопленной поврежденности на скорости ультразвуковых волн. Один из предложенных способов оценки структурного состояния основан на измерении изменений скоростей рэлеевских волн методом автоциркуляции импульсов [4, 73, 103, 153, 164], реализуемом прибором ИСП-12 (ультразвуковой индикатор структурных превращений) [73]. Принцип автоциркуляции импульсов заключается в том, что генератор зондирующих импульсов синхронизируется импульсами, прошедшими через анализируемую среду. В системе устанавливается частота следования импульсов, которая зависит от задержки импульса в среде.

Работы [100, 107, 109, 174, 190, 198] посвящены ультразвуковой диагностике наиболее ответственных объектов железнодорожного транспорта. В [107] приведены результаты измерений частоты автоциркуляции импульсов на таких объектах, как внутренние кольца подшипников качения, оси колесных пар грузовых вагонов и рельсы типа Р65. Показано, что в случае возникновения на поверхности изделий дефектов в виде мелкой сетки микротрещин и накопления дефектности скорость рэлеевских волн уменьшается. Так же в работе [20] показана возможность контроля шероховатости поверхности стали 45 с помощью рэлеевских волн методом автоциркуляции. Для исследованного диапазона шероховатости Яа от 1,4 до 17,1 мкм чувствительность метода составляет 100 Гц/мкм.

В работах [58, 201] рассматривается влияние цикловой усталости образцов стали 45 на скорости распространения ультразвуковых волн. Полученные зависимости имеют трехстадийный вид. Первые две стадии характеризуются незначительным снижением скоростей ультразвуковых волн, тогда как начало третьей стадии связано с резким падением скоростей, что сигнализирует о приближении разрушения. При этом микроструктурный анализ образцов, близких к третьей стадии, показал наличие микротрещин размерами до 0,1 мм. На основе

экспериментальных исследований выдвинут критерий перехода структуры стали к критической стадии, определяемый как вторая производная функции скорости ультразвуковых волн от количества циклов нагружения. Значения второй производной >0 говорят о том, что ресурс изделия практически исчерпан.

К отдельному направлению научной деятельности Муравьева В.В. относится ряд исследований [19, 79, 104, 176-178, 186-188, 193, 195], посвященных вопросам оценки остаточных напряжений в конструкциях железнодорожной техники методами акустической тензометрии. С соавторами Муравьевой О.В., Стрижак В.А., Волковой Л.В., Громовым В.Е. исследованы остаточные напряжения в рельсах, элементах вагонных колес (бандажах, ободьях) электромагнитно-акустическими методами. Используемые подходы позволяют оценить уровень остаточных напряжений в объектах по измеряемым разностям времен распространения двух поперечных волн, поляризованных во взаимно-перпендикулярных направлениях.

В работах коллектива авторов Ермолова И.Н., Разыграева Н.П. и Щербинского В.Г. [52-54, 135] головные ультразвуковые волны было предложено применять для обнаружения подповерхностных дефектов Анализ указанных работ, в которых приведены результаты экспериментальных исследований головных ультразвуковых волн, показывает, что:

1) головные волны могут активно использоваться для выявления дефектов под грубой поверхностью;

2) для возбуждения и приема головных волн необходимо использовать ультразвуковые преобразователи с углом ввода, равным первому критическому;

3) оптимальная чувствительность к выявлению дефектов достигается на глубине 4-10 мм от поверхности изделия;

4) амплитуда головных волн убывает значительно быстрее в сравнении с объемными ультразвуковыми волнами за счет образования боковых волн;

5) расстояния, на которых однозначно различим прием головных волн ~300

мм.

В патенте Александрова Н.Н. [121] предложен способ контроля структуры

материалов с помощью головных ультразвуковых волн. Излучение и прием головной волны осуществляется двумя пьезопреобразователями, расположенными на одной поверхности объекта контроля и жестко скреплены между собой. Метод сводится к определению скорости распространения головной волны в контролируемом объекте, по которой оценивают структуру металла.

В патенте Бархатова Б.В. [123] описывается способ контроля структурного состояния металла с помощью рэлеевских ультразвуковых волн. Суть метода заключается в измерении скоростей рэлеевских волн, распространяющихся в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Причем одно из направлений прозвучивания должно совпадать с направлением максимальных растягивающих напряжений при эксплуатации. Затем по известной зависимости относительного изменения скорости от степени микроповрежденности определяется состояние металла и прогнозируется остаточный ресурс. Предложенная конструкция преобразователя позволяет измерять время распространения ультразвуковой рэлеевской волны по поверхности плоских и выпуклых изделий.

Предварительно блок преобразователей настраивается на эталоне. Далее преобразователь устанавливают на исследуемый участок изделия и проводят измерения. Главным преимуществом способов [121, 123] с точки зрения практичности является отсутствие необходимости двухстороннего доступа к объекту контроля.

Еще один способ структуроскопии, основанный на измерении скоростей рэлеевских волн, рассмотрен в работах Смирнова А.Н. с соавторами [1, 124, 138, 141, 142, 145, 147, 149]. На примере труб, изготовленных из стали 12Х1МФ, с разными сроками эксплуатации предложен акустический критерий работоспособности металла (комплексный критерий предельного состояния). Акустический критерий работоспособности Кп выражается в следующем виде:

(Ж - УУ0)УУр п Ж - и^оЖ'

где Ж0 - задержка рэлеевской волны на поверхности металла с исходным состоянием структуры, Жр - задержка рэлеевской волны на поверхности металла в зоне разрушения, - задержка рэлеевской волны в момент диагностирования.

При значениях Ки=0,7...0,9 рекомендуется замена контролируемого элемента. Указанный критерий апробирован при исследовании 238 гибов паропроводных и пароперепускных труб. Сообщается о хорошей корреляции с результатами металлографии.

В работах Смирнова А.Н. с соавторами [140, 144, 148] у вышедшего из строя ротора паровой турбины №2 ПВС ОАО «ЗСМК» после 194 тыс. часов эксплуатации с помощью рэлеевских и продольных ультразвуковых волн определялись участки с значительно отличающимися от остального металла акустическими характеристиками для проведения металлографического анализа данных участков. Анализ показал наличие наноразмерной структуры в металле этих участков.

Другая работа Смирнова А.Н. [143] посвящена исследованию барабана котла ПК-10 №1 (Южно-Кузбасская ГРЭС) после 320 тыс. часов эксплуатации в повреждением в виде трещины. Измерения задержки рэлеевских волн вблизи магистральной трещины показывают, что по мере удаления от зоны разрушения временная задержка рэлеевской волны уменьшается (скорость растет). На расстоянии 3 мм от края трещины задержка уменьшается на величину около 120 нс.

Для измерений временных задержек в рассмотренных выше работах [140, 143, 144, 148] используется многофункциональная акустическая система «Астрон» [2], в основе работы которой положен спектральный импульсный метод акустической структуроскопии.

Известны способы, основанные на измерении скоростей объемных волн [68]. По значению скоростей продольной С1 и поперечной Сг ультразвуковых волн возможно определять прочностные характеристики различных материалов: модуль упругости Юнга Е, коэффициент Пуассона модуль сдвига О, плотность Р [68].

В работах [171-173, 196] представлен метод оценки структурного состояния титановых сплавов, основанный на сравнении структурных шумов, полученных экспериментально и путем математического моделирования. Так, в работе Эогуа1 V. [172] с помощью металлографического анализа строится теоретическая модель микроструктуры, на основании которой разрабатывается алгоритм обратного рассеивания ультразвука на кристаллитах сплава. Далее создается аналитическая модель структурного шума. На следующем этапе сравнивается форма структурного шума, полученного экспериментальным путем, с результатом моделирования. По степени корреляции двух сигналов судят о характеристиках структуры титанового сплава (форма, размер и ориентация кристаллов).

В работе Качанова В.К. с соавторами [67] описан случай контроля чугунных изложниц, предназначенных для многократного разлива жидкой стали. Из-за неравномерной структуры чугуна (графитные включения произвольной ориентации) наблюдается сильное рассеивание ультразвуковых волн. Термоциклирование изложниц приводит к росту графитных включений от долей миллиметра до величины более 1 мм. Для стабильного различия донного сигнала на фоне сильных структурных шумов и с учетом размера графитных включений, ультразвуковой контроль производится на разных частотах в диапазоне 800.1200 кГц. По результатам установлено, что с увеличением циклов нагревания и остывания, скорость ультразвуковой волны уменьшается. Результатом исследования было определение граничного значения скорости продольной ультразвуковой волны С1гр=4015 м/с, при которой происходят необратимые изменения структуры чугуна, приводящие к разрушению изложницы.

Коллективом авторов Карабутовым А.А., Жариновым А.Н. и др. [43, 66, 150, 151] предложен лазерно-ультразвуковой способ возбуждения рэлеевских и головных ультразвуковых волн для диагностики остаточных напряжений в металлах. Способ основан на оптико-акустическом эффекте - это эффект возбуждения звука в среде, поглощающей переменный световой поток [66]. Процесс поглощения средой переменного светового потока приводит к

неоднородному нагреву среды, в результате чего появляются механические напряжения, которые и являются источником ультразвуковых волн [66].

В [66] авторы измеряли скорости головных волн, возбуждаемых оптико-акустическим способом и регистрируемых пьезоэлектрическим преобразователем, в рельсе типа Р65, подвергавшемуся сжатию (от 5,7 до 70 МПа) и растяжению (от 0 до 58 МПа). Приводятся графики линейной зависимости увеличения скорости головной волны на 8 м/с при сжатии и уменьшения на 7,5 м/с при растяжении. При этом отмеченный на графиках доверительный интервал составляет ±2,5 м/с.

В продолжении исследований скоростей головных волн, в [151] приведены экспериментальные результаты изменения скоростей в 10 образцах новых рельсов типа Р65 при растяжении и сжатии (с приложением силы от 0 до 450 МПа). Показано, что при приложении сжимающих напряжений скорости головных волн увеличиваются в среднем на 5 м/с, а при приложении растягивающих напряжений - уменьшаются на 5 м/с.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Байтеряков Александр Викторович, 2018 год

- — -

4

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Температура нагрева, °С Рисунок 3.4 - График зависимости разности скоростей поперечных волн при взаимно-перпендикулярном расположении датчиков от температуры нагрева

Показанная разница скоростей ультразвуковых волн характеризует степень анизотропии [180] металла.

По данным графикам видно, что структура материала после термообработки подверглась значительному изменению. Степень анизотропии при температурах обработки свыше 700 °С существенно уменьшается.

Увеличение температуры термообработки приводит к измельчению зерна (таблица 3.1), при нормализации повышается пластичность и уменьшается твердость.

Полученные экспериментальные результаты подтверждаются металлографическими исследованиями (рисунок 3.2) и согласуются с данными [98, 105]. Повышенный уровень анизотропии связан с остаточной текстурой вследствие незавершенной рекристаллизации структуры металла при выполнении операций термической обработки.

Таким образом, на примере трубной стали 09Г2С показали, что скорости

рэлеевских и объемных ультразвуковых волн, распространяющихся в образцах с термической обработкой, являются чувствительными к изменениям структурного состояния. Рост температуры и длительность выдержки приводят к неизбежному измельчению зерен структуры, анизотропия свойств стали уменьшается. Разность скоростей рэлеевских и поперечных волн в двух взаимно-перпендикулярных направлениях распространения становится минимальной для образцов с высокой температурой термической обработки.

3.2 Влияние одноосного растяжения на акустические структурные шумы в

образцах стали 09Г2С

С целью оценки влияния механического деформирования металла на акустические структурные шумы исследованы три плоских образца с корсетным вырезом по ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение», изготовленные из фрагментов газопровода Ду1420х15,7 [27, 44, 45, 84, 88, 92, 101].

Механическое растяжение при нагрузках, близких к пределу текучести материала, вызывает пластическую (необратимую) деформацию кристаллической решетки. Предполагается, что уровень структурных шумов при достижении пластической деформации стали 09Г2С должен значительным образом измениться.

Плоские металлические образцы для одноосного растяжения вырезаны из фрагментов газопровода Ду1420х15,7 в направлении, совпадающим с направлением листового проката и с продольной осью газопровода. В средней части образцы имеют уменьшение сечения типа «корсет» для концентрации напряжений в этой области и локализации накоплений повреждений при растяжении.

Длина подготовленных образцов составляет 210 мм, толщина - 15 мм. Длина рабочей части концентраторов - 30 мм, ширина концентраторов - 20 мм. Чертеж образца приведен на рисунке 3.5.

"СП

Ж._._о_____________________о_._

У—I—Ч. 210

Рисунок 3.5 - Размеры образца под растяжение

На рисунке 3.6 приведены результаты измерений усредненных значений структурных шумов ^м поперечной волны в области концентратора напряжений, отнесенных к опорному уровню «пролаза» рэлеевской волны Ц?, в зависимости от уровня растягивающих напряжений для трех образцов.

Напряжение, МПа Рисунок 3.6 - Зависимость относительного уровня структурных шумов поперечных волн от величины напряжений для трех образцов

Согласно полученным данным, уровень структурного шума изменяется незначительно до напряжения 400 МПа. Перед началом пластической деформации металла в образцах наблюдается рост структурных шумов в области 400-470 МПа и резкое падение на 70% с началом пластической деформации в зоне корсетного выреза. Для исследованных образцов трубной стали предел текучести составляет 483-525 МПа.

По-видимому, повышение уровня шумов связано со стадией легкого скольжения, сопровождающейся увеличением отражающих поверхностей в плоскости нормальной к лучу поперечной волны. После перехода к стадии множественного скольжения с увеличением деформации и образованием ячеистой структуры уровень структурных шумов резко уменьшается. Эффект объясняется тем, что при механическом нагружении образца трубопровода в области концентратора напряжений (корсетного выреза) происходит пластическая деформация Чернова - Людерса [139], сопровождающаяся множественным скольжением с образованием ячеистой структуры, уменьшением элементов структуры и «размытостью» отражающих ультразвуковые волны поверхностей [10, 39, 110].

Таким образом, показано, что изменение структурного состояния стали 09Г2С, вызванное пластической деформацией и сопровождающуюся множественным скольжением плоскостей при растяжении образцов, существенным образом повлияло на уровень акустических структурных шумов. Это подтверждает сделанное предположение о чувствительности структурных шумов к структурным изменениям стали 09Г2С.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

1. Структура и степень анизотропии металла влияет на скорости распространения рэлеевских и поперечных волн. Разность скоростей рэлеевских волн в двух взаимно-перпендикулярных направлениях распространения достигает 140-190 м/с для образцов без термообработки и с низкотемпературной обработкой и снижается до 30 м/с с ростом температуры обработки свыше 800 °С. Для поперечных волн разность скоростей в образцах с низкотемпературной обработкой составляет 210-220 м/с и снижается до 3-6 м/с в образцах с температурой обработки свыше 700 °С.

2. В низкотемпературном диапазоне термической обработки (до 700 °С) акустическими методами надежно выявляется направление проката металла и степень анизотропии, проявляющиеся в разности скоростей в продольном и поперечном направлении проката: скорость рэлеевских и поперечных волн в продольном направлении проката выше, чем в поперечном направлении на 140190 м/с и 210-220 м/с соответственно.

3. В образцах с высокими температурами термической обработки стали 09Г2С твердость снижается на 85 НВ.

4. Экспериментально подтверждена высокая чувствительность метода измерения акустических структурных шумов к изменениям структуры металла при растягивающей одноосной нагрузке. При достижении пластической деформации стали 09Г2С уровень акустических структурных шумов снижается на 60-80%.

5. С помощью поперечных волн установлен рост уровня акустических структурных шумов на стадии легкого скольжения и резкое падение их уровня при переходе к стадии множественного скольжения в процессе растяжения образцов.

ГЛАВА 4 СТРУКТУРОСКОПИЯ СТАЛИ РЕЛЬСОВ ТИПА Р65

Процесс эксплуатации рельсов сопровождается циклическим воздействием поездной нагрузки. Наиболее тесный контакт взаимодействия происходит между колесной парой подвижного состава и поверхностью катания головки рельса. Предполагается о значительных изменениях структурного состояния рельсов в поверхностных слоях головки после длительной эксплуатации.

Для акустической структуроскопии головки рельсов применены акустические структурные шумы и скорости волн, чувствительные к изменениям структурного состояния, как было показано в главе 3.

4.1 Влияние наработки рельсов Р65 на акустические структурные шумы

С целью оценки влияния накопленной дефектности структуры поверхностного слоя головки рельсов на акустические параметры исследованы отрезки рельсов типа Р65 с различными годами изготовления и степенью эксплуатационной наработки [6-8, 87, 170].

Исследованные рельсы типа Р65 №1 и №2 не имеют эксплуатационной наработки. Рельсы №№3-8 вырезаны из дефектных участков железнодорожных путей. В таблице 4.1 приведена характеристика рельсов.

Согласно [31], высота рельса Р65 составляет 180,00 мм с допускаемыми отклонениями по высоте ±0,60 мм. Соответственно рельсы №3-8 не попадают в эти допуски, поскольку они имеют износ поверхности катания в результате эксплуатации. Боковой износ головки рельса определяется измерением ширины головки рельса на уровне 13 мм от поверхности катания. Рельсы №3, 4, 6 и 8 эксплуатировались в кривых участках пути, поэтому имеют значительный боковой износ. Рельсы №5 и 7 не имеют бокового износа - они эксплуатировались в прямых участках пути.

Таблица 4.1 - Характеристика рельсов

№ рельса Год изготовления Наработка, млн тонн брутто Высота рельса, мм Ширина головки на уровне 13 мм от поверхности катания, мм Твердость поверхности катания, НВ Твердость шейки, НВ Твердость подошвы, НВ

1 2013 нет 179,58 72,38 338±9 376±4 378±7

2 2013 нет 179,55 72,60 347±9 364±7 365±6

3 1996 400 178,83 61,20 418±7 334±7 338±7

4 1996 400 178,74 60,48 424±6 348±10 352±9

5 — после эксплуатации 178,55 73,31 391±6 354±10 338±10

6 — 600 177,24 64,76 386±4 288±5 299±5

7 1984 840 175,02 72,75 394±4 348±5 351±5

8 1985 990 175,58 68,19 389±2 356±5 351±5

Результаты испытаний на твердость по высоте головки рельсов, полученные с помощью твердомера ТДМ-3, приведены в таблице 4.2 и на рисунке 4.1.

Таблица 4.2 - Твердость головки рельсов по сечению

Глубина от Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс

поверхности №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8

катания, мм Твердость, НВ

0 338±12 347±9 418±7 424±6 381±6 396±4 394±4 389±2

5 384±8 388±1 386±4 381±3 353±17 376±4 388±3 364±4

10 390±5 387±4 376±6 364±1 349±4 369±5 356±4 370±3

15 385±7 376±4 361±3 333±3 336±11 352±4 341±3 350±8

20 367±7 365±2 339±2 326±8 366±17 352±6 338±7 341±4

25 361±3 361±4 338±3 320±7 353±15 284±7 344±6 344±6

30 367±6 359±4 328±1 316±4 354±10 271±1 347±5 347±5

35 376±5 370±5 317±3 306±4 324±13 271±5 349±3 350±9

40 378±9 374±1 321±5 339±19 362±13 272±9 340±5 361±7

На рисунке 4.2 приведены усредненные уровни суммарных структурных шумов в исследованных головках рельсов.

т

д

Н О

о ^

л

(и £

420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 270

1 Рельс .№1

Д Рельс №23

О Рельс .№6

1 Рельс №°8

0

5

35

10 15 20 25 30 Глубина сечения (от поверхности), мм Рисунок 4.1 - Твердость рельсов №№1, 3, 6, 8 по высоте головки

40

0,6

0,5

0,4

£

1/ 0,3

ь

0,2

0,1

0

Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8

Рисунок 4.2 - Уровень структурного шума в исследованных рельсах

Из этих данных видно, что в двух новых рельсах №1 и 2 и в рельсах №3 и 4 с одинаковым временем эксплуатации в пределах ошибки имеется близкий уровень шумов. При этом в эксплуатировавшихся рельсах превышает уровень шумов в новых рельсах в зависимости от наработки и технологии изготовления на 30-120%.

На рисунке 4.3 построен график зависимости уровня структурных шумов от

номера прозвучиваемого слоя для восьми рельсов. Осциллограммы

рассчитывались по схеме, приведенной на рисунке 2.23. За нулевое время взята

точка ввода ультразвукового луча.

О Рельс №1 □ Рельс №2 Д Рельс №3 О Рельс №4

О Рельс №5 □ Рельс №6 Д Рельс №7 О Рельс №8

Номер слоя

Рисунок 4.3 - Уровень структурного шума в зависимости от глубины залегания

прозвучиваемого слоя

В рельсах без эксплуатации № 1 и 2 наблюдается самый низкий уровень структурных шумов по слоям, поскольку влияние на них оказывает тонкодисперсная структура сорбита закалки и сорбита отпуска. Некоторое

повышение шума в 4 и 5 слоях может быть связано с более крупным зерном перлита в центре головки рельса, что подтверждается снижением твердости на этой глубине (см. таблицу 4.2) и с эффектом фокусировки УЗ волн, присущей раздельно-совмещенному преобразователю. Для рельсов №3-8 имеет место достаточно высокий уровень структурных шумов в слоях 1-4 на глубине до 15 мм, что объясняется накопленной микродефектностью в структуре этих слоев в виде микротрещин, двойникования, высокой плотности дислокаций в результате наклепа и контактного взаимодействия с колесом. Наиболее высокий уровень шумов наблюдается в 1 слое. На большей глубине амплитуда шумов убывает, поскольку на нее влияют только структура металла, в первую очередь величина зерна в виде мелкодисперсного сорбита. Особенно ярко это проявляется для рельсов №7 и 8, где шумы падают после 3 слоя.

В рельсе №6 уровень шумов существенно растет в нижней части головки -на глубине более 20 мм, где упрочнение закалкой согласно технологии не обеспечивается, поэтому в центральной части головки реализуется большая величина зерна в виде крупнопластинчатого перлита, о чем свидетельствуют низкие значения твердости (таблица 4.2). Для рельса №8 максимальная амплитуда получена в подповерхностном 1 слое, где на поверхности наблюдаются мелкие растрескивания. К нижней части головки этого рельса амплитуда существенно убывает, что объясняется ненарушенной структурой тонкодисперсного сорбита отпуска.

Из таблиц 4.1 и 4.2 прослеживаются следующие закономерности:

- у рельсов №1 и 2 (без эксплуатации) твердость на поверхности катания ниже, чем на глубине 5-15 мм, что соответствует твердости обезуглероженного слоя на глубину до 2 мм вследствие закалки и отпуска;

- у рельсов №3-8 после эксплуатации на поверхности катания головки наблюдается максимальная твердость вследствие наклепа при взаимодействии с колесом подвижного состава и снижение твердости к центру и нижней части головки;

- для рельса №7 твердость резко снижается после 5 мм, что указывает на поверхностную закалку с высоким отпуском;

- в рельсе №6 низкие значения твердости на глубине более 20 мм от поверхности катания свидетельствуют об отсутствии закалки и соответственно большой величине зерна крупнопластинчатого перлита, что способствует росту уровня структурных шумов после 5 слоя (рисунок 4.3) и согласуется с результатами [95].

Различие уровней структурных шумов между новыми рельсами и эксплуатировавшимися может быть объяснено наличием наклепа и накопленной микродефектности в структуре поверхностных слоев. Наклеп, в свою очередь, является результатом изменения микроструктуры в поверхностном и подповерхностном слоях головки рельса, что подтверждается результатами измерения твердости и высоким уровнем структурных шумов по слоям. Мелкодисперсный сорбит отпуска в центральной и нижней частях головки дает низкие значения уровня структурных шумов. Крупнокристаллическая структура перлита повышает уровень шумов. Увеличение разброса измерений структурных шумов в рельсах со значительной наработкой объясняется неоднородностью распределения микродефектности в поверхностных слоях при осреднении по всей поверхности катания.

Таким образом, показано, что уровень структурных шумов в головке эксплуатировавшихся рельсов превышает уровень шумов в новых рельсах. Это объясняется наличием структурных изменений в головке рельсов вследствие наклепа и контактно-усталостных микроповреждений при их длительной эксплуатации.

Использование послойного распределения уровня структурных шумов по высоте головки рельса дает возможность выявить области максимальных структурных изменений и отделить влияние наклепа и контактно-усталостной микродефектности от влияния структуры, полученной при изготовлении. Показано, что длительная эксплуатация приводит к росту уровня структурных шумов в поверхностных слоях головки рельса.

4.2 Влияние наработки рельсов на скорости рэлеевских волн

Взаимодействие колес подвижного состава с поверхностью катания головки рельса приводит к наклепу поверхности катания, её упрочнению и увеличению твердости. Скорости рэлеевских волн, распространяющихся по поверхности, должны быть чувствительными к изменению структурного состояния поверхности катания [83].

На рисунке 4.4 представлен график с усредненными результатами измерений относительных изменений скоростей рэлеевских волн на поверхности катания головки рельсов. -0,2

-0,3

-0,4

хо -0,5

о4

И

В -0,6

и*

^ -0,7 -0,8 -0,9

-1

Рисунок 4.4 - Относительное изменение скоростей рэлеевских волн в рельсах

Как видно из графика, скорости рэлеевских волн, проникающих на глубину 2,5 мм, в рельсах без наработки (№1-2) выше на 0,2-0,6% (~8-18 м/с), чем в рельсах с наработкой (№3-4, 6-7). Исключение составляет рельс №5 с отсутствующей идентификацией по году изготовления и эксплуатационной наработке, скорость рэлеевской волны в котором ниже на 0,1% (~4 м/с), чем в рельсах без наработки. С учетом невысокой твердости рельсов №5 и 6 (см.

гЬ

—I— г-т—

I

Рельс №1 Рельс №2 Рельс №3 Рельс №4 Рельс №5 Рельс №6 Рельс №7

таблицу 4.1 и 4.2) и соответствующей ей структуре пластинчатого перлита (см. рисунки 4.5-4.12) объясняется факт более высокой скорости рэлеевских волн относительно рельсов №3 и 4. В рельсе № 8 из-за значительного растрескивания поверхности катания головки рэлеевскую волну возбудить не удалось, в отличие от рельса №7, в котором волна прошла, но с существенным снижением скорости из-за накопленной микродефектности поверхностного слоя (рисунки 4.5-4.12). На фотографиях ниже приведены микроструктуры шлифов рельсов, вырезанных из верхнего слоя поверхности катания головки, на глубине 2 мм от поверхности.

Рисунок 4.5 - Фотография Рисунок 4.6 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №1на микроструктуры шлифа рельса №2 на глубине 2 мм от поверхности катания глубине 2 мм от поверхности катания

Рисунок 4.7 - Фотография Рисунок 4.8 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №3 на микроструктуры шлифа рельса №4 на глубине 2 мм от поверхности катания глубине 2 мм от поверхности катания

Рисунок 4.9 - Фотография Рисунок 4.10 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №5 на микроструктуры шлифа рельса №6 на глубине 2 мм от поверхности катания глубине 2 мм от поверхности катания

Рисунок 4.11 - Фотография Рисунок 4.12 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №7 на микроструктуры шлифа рельса №8 на глубине 2 мм от поверхности катания глубине 2 мм от поверхности катания

Фотографии сделаны с помощью микроскопа «Альтами МЕТ 1М», характеристики которого приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Характеристики микроскопа «Альтами МЕТ 1М»

Методы контрастирований в отраженном свете светлое поле

поляризация

Увеличение 50х, 100х, 200х, 400х, 500х, 1000х, 2000х

Освещение регулируемые апертурная и полевая диафрагмы

плавная регулировка яркости освещения

планка со светофильтрами (синий, зеленый, желтый, матовый)

регулировка положения лампы в трёх направлениях

Предметный столик прямоугольный 242х200 мм

двухкоординатный, с коаксиально расположенными ручками управления перемещением стола

диапазон перемещений 30х30 мм

Револьверное устройство 5-гнездное, с точной фиксацией объективов относительно оптической оси

Фокусировка коаксиальные винты грубой и точной фокусировки

шаг точной фокусировки 0,002 мм

Таким образом, можно сделать вывод, что с ростом наработки, увеличением наклепа и дефектности поверхности катания скорость рэлеевских волн падает. Следовательно, чувствительные к поверхностным дефектам рэлеевские волны подтверждают изменение структурного состояния вследствие наклепа и накопленной дефектности в поверхности катания головки рельсов, находящихся в эксплуатации в течение длительного времени [34, 61].

Зависимость скорости рэлеевских волн от твердости поверхности катания рельса представлена на рисунке 4.13. Коэффициент корреляции составил 0,99. Уравнение регрессии выглядит так: АС ОТН = 0,728 - 0,003 НВ (%).

Твердость поверхности катания, НВ Рисунок 4.13 - Зависимость скорости рэлеевских волн от твердости (цифрами

обозначены номера рельсов)

С ростом твердости металла уменьшаются скорости рэлеевских волн. Рост твердости на 90 НВ привел к относительному снижению скорости рэлеевской волны на 0,3% (~8 м/с).

Таким образом показали, что рэлеевские волны чувствительны к состоянию поверхностного слоя, подтверждают наличие наклепа и накопленной дефектности

в поверхности катания головки рельсов, находящихся в эксплуатации в течение длительного времени.

4.3 Влияние наработки рельсов на скорости головных волн

С целью оценки изменения структурного состояния на глубине порядка 10 мм от поверхности катания отрезки рельсов были исследованы с помощью головных ультразвуковых волн [83].

Результаты обработки экспериментальных данных измерений скорости головной волны, распространяющейся на глубине 7-10 мм от поверхности катания головки рельсов, представлены на графике (рисунок 4.14).

0,6

0,4

0,2

0,0

о

о

О <

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс Рельс №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8

Рисунок 4. 14 - Относительное изменение скоростей головных волн в рельсах

Скорости головных волн в неэксплуатировавшихся рельсах (№1 -2) ниже на 0,3-0,6% (~16-34 м/с), чем в рельсах с наработкой (№3-7), что объясняется низкими значениями твердости и соответственно более крупным зерном перлита пластинчатого относительно структуры мелкодисперсного сорбита вблизи поверхности катания (см. рисунки 4.15-4.22). Исключение составляет рельс №8, в

котором скорость головной волны ниже на 0,9% (~51 м/с) чем в рельсах №1-2, что вероятней всего связано, как уже отмечалось выше, со значительным растрескиванием поверхности катания.

Рисунок 4.15 - Фотография Рисунок 4.16 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №1 на микроструктуры шлифа рельса №2 на глубине 10 мм от поверхности катания глубине 10 мм от поверхности катания

Рисунок 4.17 - Фотография Рисунок 4.18 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №3 на микроструктуры шлифа рельса №4 на глубине 10 мм от поверхности катания глубине 10 мм от поверхности катания

Рисунок 4.19 - Фотография Рисунок 4.20 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №5 на микроструктуры шлифа рельса №6 на глубине 10 мм от поверхности катания глубине 10 мм от поверхности катания

Рисунок 4.21 - Фотография Рисунок 4.22 - Фотография

микроструктуры шлифа рельса №7 на микроструктуры шлифа рельса №8 на глубине 10 мм от поверхности катания глубине 10 мм от поверхности катания

В верхнем слое ^эксплуатировавшихся рельсов №1 и 2 равномерная мелкодисперсная структура с размером зерна порядка нескольких мкм. На глубине 5-10 мм от поверхности катания размер зерен 10-30 мкм. У рельсов №3-8

в верхних слоях наблюдается структура из зерен размерами от нескольких мкм до нескольких десятков мкм [35, 41].

Зависимость скорости головных волн от твердости представлена на рисунке 4.23. Скорость головной волны в рельсе №8 существенно ниже, чем в других рельсах, что связано с значительным растрескиванием поверхностного слоя вследствие длительной эксплуатации. Рельс №7 также имеет микродефектную структуру после наработки 880 млн тонн брутто, что объясняет высокую погрешность измерений скорости волн и твердости.

Твердость на глубине 10 мм, НВ Рисунок 4.23 - Зависимость скорости головных волн от твердости (цифрами

обозначены номера рельсов)

С ростом твердости металла уменьшаются скорости головных волн. Коэффициент корреляции для зависимости скорости головных волн от твердости составил 0,97. Зависимость описывается уравнением регрессии: АСС ОТН = 5,446 - 0,014-НВ (%). Увеличение твердости на 41 НВ привело к снижению скорости головной волны на 0,6% (~34 м/с). Отметим, что твердость рельсов без

наработки имеет минимум на поверхности катания из-за наличия обезуглероженного слоя и повышается в подповерхностных слоях головки [36].

Таким образом, показано, что скорости головных волн в головке неэксплуатировавшихся рельсов ниже вследствие наличия мелкодисперсного сорбита в результате закалки, чем в рельсах с наработкой, имеющих перлитную структуру с большей величиной зерна. Следовательно, головные волны чувствительны к структурному состоянию на глубине распространения волн.

4.4 Связь глубины обезуглероженного слоя рельсовой стали со скоростями

рэлеевских волн

Глубина обезуглероженного слоя поверхности термообработанных металлических изделий в зависимости от типа термической обработки и времени выдержки может достигать 2 мм. Предполагается, что рэлеевские ультразвуковые волны, распространяющиеся по поверхности, будут чувствительными к изменениям глубины обезуглероженного слоя. Для исследований подготовлены 5 образцов из рельсовой стали, подвергшиеся отжигу с разным временем выдержки для создания обезуглероженного слоя [106].

Образцы вырезаны из подошвы рельса №1, как показано на рисунке 4.24. Длина образцов 250 мм, ширина - 36 мм.

1

нижняя плоскость подошвы Рисунок 4.24 - Схема вырезки образцов из подошвы рельса (пунктиром

обозначены лини среза)

Образцы подвергнуты отжигу в муфельной печи в атмосфере воздуха при температуре (850±30)°С с разным временем выдержки для создания

обезуглероженного слоя. В таблице 4.4 приведена характеристика режимов термической обработки образцов.

Таблица 4.4 - Характеристика образцов

№ образца Режим термообработки Температура нагрева, °С Время выдержки, ч Условия охлаждения

1 поставка - - -

2 0,5

3 отжиг 850±30 1,0 на воздухе

4 2,0

5 4,0

В таблице 4.5 представлены усредненные результаты расчетов относительных скоростей рэлеевских волн ДСЯ ОТН частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц со стороны нижней плоскости подошвы (см. рисунок 4.24). Значения АСК определяются как:

с/? Си со—2

А Ск отн = % Дсо 7 • 1 0 0 о/о ,

сКсо—2

где Ск - скорость рэлеевской волны в объекте контроля, м/с, Ск СО-2 - скорость рэлеевской волны в эталонной мере СО-2, м/с.

Таблица 4.5 - Относительное изменение скорости рэлеевской волны частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц от времени отжига со стороны нижней плоскости подошвы

Время отжига, ч Частота рэлеевской волны 1,25 МГц Частота рэлеевской волны 2,50 МГц

Дсд отн % 8, % Дсд отн % 8, %

0,0 -0,26 0,02 -0,26 0,01

0,5 -0,14 0,02 -0,20 0,02

1,0 -0,08 0,02 -0,14 0,01

2,0 -0,14 0,02 -0,13 0,02

4,0 -0,11 0,02 -0,18 0,03

Скорость рэлеевской волны в образцах с термической обработкой увеличилась на 0,15% (~5,4 м/с) в случае частоты ультразвуковой волны 1,25 МГц и на 0,13% (~4,0 м/с) - для частоты 2,5 МГц.

В таблице 4.6 представлены усредненные результаты расчетов относительных скоростей рэлеевских волн АСК ОТН частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц со стороны среза (см. рисунок 4.24).

Таблица 4.6 - Относительное изменение скорости рэлеевской волны частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц от времени отжига со стороны среза

Время отжига, ч Частота рэлеевской волны 1,25 МГц Частота рэлеевской волны 2,50 МГц

АСя отш % 8, % АСя отш % 8, %

0,0 -0,39 0,01 -0,39 0,02

0,5 0,00 0,03 -0,32 0,01

1,0 -0,04 0,02 -0,22 0,03

2,0 0,00 0,01 -0,09 0,03

4,0 0,07 0,01 0,02 0,01

На рисунке 4.25 представлен график зависимости относительного изменения скорости рэлеевской волны частотой 2,5 МГц от времени отжига.

Время отжига, ч

Рисунок 4.25 - Относительное изменение скорости рэлеевской волны частотой 1,25 МГц (1) и 2,5 МГц (2) от времени отжига со стороны среза

На частоте 1,25 МГц наблюдается резкое увеличение скорости рэлеевской волны для отожженных образцов на 0,46% (~13,7 м/с).

Для частоты 2,5 МГц разница в относительном изменении скорости рэлеевской волны между образцом в состоянии поставки и образцом, выдержанным в печи в течении 4-х часов, достигает 0,40% (~12 м/с). Увеличение скорости рэлеевской волны от времени отжига более монотонно.

Небольшая разница в скоростях рэлеевских волн со стороны нижней плоскости подошвы (таблица 4.5) объясняется дефектами поверхности (кратеры, питтинг), к которым чувствительны рэлеевские волны. Со стороны среза поверхность бездефектная. Характер роста скорости рэлеевской волны (таблица 4.6 и рисунок 4.25) для частот 1,25 и 2,5 МГц существенно отличается. Как упоминалось выше, в первом случае (1,25 МГц) рэлеевская волна проникает на глубину 2,4 мм, захватывается большая часть основного металла не подверженного обезуглероживанию, чем во втором случае (2,5 МГц) - 1,2 мм.

Рост скорости рэлеевской волны от времени отжига связан с увеличением обезуглероженного слоя, в котором структура с преобладанием феррита является менее разнородной и напряженной, что согласуется с [55, 94].

На рисунках 4. 26 и 4. 27 приведены фотографии микроструктуры шлифов, сделанных с помощью микроскопа «Альтами МЕТ 1М», образцов со стороны нижней плоскости подошвы и со стороны среза соответственно. Шлифы изготовлены в поперечном сечении образцов.

Из рисунков 4.26 и 4.27 видно, что при увеличении времени отжига образцов, толщина обезуглероженного слоя и объем феррита растет вглубь от поверхности.

98

х200

а) б) в) г) д)

Рисунок 4.26 - Микроструктура шлифов образцов со стороны нижней плоскости подошвы: а) без термообработки; б) 30 минут; в) 1 час; г) 2 часа; д) 4 час

х200

а) б) в) г) д)

Рисунок 4.27 - Микроструктура шлифов образцов со стороны среза: а) без термообработки; б) 30 минут; в) 1 час; г) 2 часа; д) 4 часа

С помощью твердомера ТДМ-3 были измерены значения твердости образцов. В таблице 4.7 приведены результаты измерения твердости на поверхности образцов со стороны нижней плоскости подошвы и среза.

Таблица 4.7 - Твердость образцов

Время отжига, ч Твердость, ИБ

со стороны нижней плоскости подошвы ш стороны среза

0,0 312±10 326±12

0,5 278±12 309±14

1,0 279±14 294±15

2,0 280±13 276±12

4,0 248±12 247±14

На рисунке 4.28 приведен график зависимости твердости от времени отжига

со стороны среза.

Время отжига, ч

Рисунок 4.28 - Зависимость твердости от времени отжига со стороны среза

Как видно из таблицы 4.7 и рисунка 4.28, в обоих случаях для термообработанных образцов твердость поверхности уменьшается. Со стороны

нижней плоскости подошвы твердость снизилась на 64 ЫБ, со стороны среза - на 80 ЫБ. Однако со стороны подошвы виден резкий провал по твердости, отсутствующий на поверхности со стороны среза. В последнем твердость снижается монотонно с временем отжига. Такое различие в характере зависимости объясняется недостаточно качественным состоянием поверхности со стороны подошвы.

Зависимость относительного изменения скоростей рэлеевских волн частотой 2,5 МГц от твердости образцов со стороны среза представлена на рисунке 4.29.

0,05 0

-0,05

-0,1 хо -0,15

о4

£ -0,2

о

^ -0,25

-0,3 -0,35

-0,4 -0,45

230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340

Твердость, ЫБ

Рисунок 4.29 - Зависимость относительного изменения скорости рэлеевской

волны от твердости со стороны среза

Со стороны среза для частоты рэлеевских волн 2,5 МГц наблюдается монотонный характер зависимости: увеличение твердости на 80 ЫБ приводит к снижению скорости рэлеевской волны на 0,4% (~12 м/с). Уравнение регрессии в этом случае выглядит так: АС ОТН = 1,348 - 0,005-ЫБ (%). Коэффициент корреляции составил 0,99.

1— —* ч

Ч

N -1

X V

\ V Т

- -4ч

1

, ,

Микротвердомером ПМТ-3, характеристики которого приведены в таблице 4.8, измерены значения микротвердости пяти образцов в поверхностных слоях глубиной до 2 мм.

Таблица 4.8 - Характеристики микротвердомера ПМТ-3

Увеличение микроскопа 130х

Алмазная пирамида угол при вершине 136

пределы нагрузки, г 2...200

Пределы измерения диагоналей отпечатков, мм 0,05...0,25

Предметный столик пределы угла поворота 0.180°

пределы продольного/поперечного перемещения, мм 0.10

цена деления шкалы микрометрической подачи, мм 0,01

Диапазон нагрузок, Н 0,0196...4,9000

Глубину обезуглероженного слоя определили также по результатам измерений микротвердости на шлифах. На рисунках 4.30 и 4.31 приведены графики микротвердости поверхности шлифов образцов со стороны нижней плоскости подошвы и со стороны среза соответственно.

При выдержке 0,5 час глубина обезуглероженного слоя распространяется до 1 мм и более, после 1 час выдержки слой достигает 1,5 мм, при выдержках 2 и 4 час слой превышает 2 мм. Для термообработанных образцов твердость поверхности образцов монотонно уменьшается с увеличением времени отжига.

300

л 250

н о

о ^

л 5Т

£ 200

о &

к

150

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Расстояние от поверхности, мкм Рисунок 4.30 - Зависимость микротвердости от глубины со стороны нижней плоскости подошвы: 1 - без термообработки, 2 - после отжига 0,5 часа, 3 - 1 час,

4 - 2 часа, 5 - 4 часа

430

380

^ 330

н

0

§ 280 л

5Т «

н

1 230

К

180

130

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Расстояние от поверхности, мкм Рисунок 4.31 - Зависимость микротвердости от глубины со стороны среза: 1 - без термообработки, 2 - после отжига 0,5 часа, 3 - 1 час, 4 - 2 часа, 5 - 4 часа

Результаты измерений коэрцитивной силы с разной глубиной промагничивания рельсовой стали в состоянии поставки и отожженными образцами со стороны нижней плоскости подошвы и со стороны среза показаны на рисунках 4.32 и 4.33 соответственно.

12

о

<

«а

ч

К

О

£5

к «

к н к а сР

(Ъ

а

11

10

9

8

*

1 1 1

2 <

6

0 12 3 4

Время отжига, ч

Рисунок 4.32 - Зависимость коэрцитивной силы рельсовой стали от времени отжига при глубине промагничивания до 10-15 мм (1), 2-3 мм (2) со стороны

нижней плоскости подошвы

Наблюдается монотонное уменьшение коэрцитивной силы с увеличением времени отжига. Со стороны нижней плоскости подошвы коэрцитивная сила уменьшилась на 2,5 и 4,2 А/см и со стороны среза на 3,3 и 4,5 А/см в зависимости от глубины промагничивания.

Таким образом, показано, что увеличение глубины обезуглероженного слоя и уменьшение твердости приводит к росту скорости рэлеевской волны. В качестве подтверждения роста глубины обезуглероженного слоя с временем термической обработки приведены фотографии микроструктур и показано уменьшение коэрцитивной силы.

7

12

11

10

9

8

7

*

1

1 1 1

> 2 <

1 1

01234

Время отжига, ч

Рисунок 4.33 - Зависимость коэрцитивной силы рельсовой стали от времени отжига при глубине промагничивания до 10-15 мм (1), 2-3 мм (2) со стороны среза

Неразрушающие методы измерений скорости рэлеевской волны можно рассматривать как альтернативный вариант выявления обезуглероженного слоя в рельсах при изготовлении.

105

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Уровень структурных шумов в головке эксплуатировавшихся рельсов превышает уровень шумов в новых рельсах вследствие наклепа и контактно-усталостных микроповреждений при их длительной эксплуатации на 28-121%.

2. Использование послойного распределения уровня структурных шумов по высоте головки рельса дает возможность выявить области максимальных структурных изменений и выявлять область наклепа и влияние зерна на глубине.