Вариации скорости волн релея при деформации и оценка механических свойств металлов и сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Лунев, Алексей Геннадьевич

• Лунев, Алексей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лунев, Алексей Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Неразрушающие методы исследования материалов.

1.2 Акустоупругость.

1.3 Влияние структурных изменений на скорость распространения ультразвука.

1.4 Определение механических характеристик металлов неразрушающими методами.

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Материалы для исследования.

2.2 Лабораторный стенд для механических испытаний материалов с одновременной регистрацией скорости распространения ультразвука.

2.3 Механические испытания.

2.4 Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов.

2.5 Погрешность измерения скорости распространения ультразвука методом автоциркуляции импульсов.

2.6 Схема измерения частоты на выходе блока автоциркуляции.

2.7 Работа программы измерения Ultrasound Me 3.21 (USM321).

3 СТАДИЙНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Деформационные кривые исследованных материалов.

3.2 Зависимости скорости распространения ультразвука от деформации.

3.3 Зависимость скорости ультразвука от напряжения.

4 ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА РЕЛАКСАЦИИ И ПОЛЗУЧЕСТИ НА СКОРОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА, СВЯЗЬ СКОРОСТИ С ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРОЙ.

4.1 Поведение скорости ультразвука при релаксации напряжений в деформируемом образце.

4.2 Влияние процесса ползучести на изменение скорости ультразвука в алюминии.

4.3 Теоретическое обоснование изменения скорости ультразвука в процессе пластической деформации.

5 ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ, ИЗМЕРЯЮЩИХ СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА.

5.1 Неразрушающий метод определения временного сопротивления.

5.2 Определение напряженного состояния элементов металлических конструкций.

5.3 Оценка ресурса работы металла деталей и конструкций, работающих под нагрузкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вариации скорости волн релея при деформации и оценка механических свойств металлов и сплавов»

Способность акустических волн «чувствовать» изменения структуры и состояния материалов определило одно из наиболее широких и перспективных направлений в области неразрушающего контроля - ультразвуковой контроль.

Использование акустических методов неразрушающего контроля состояния металла действующих объектов является важной задачей в транспортной и строительной системах. Неразрушающий контроль преследует как минимум три главные цели: определение наличия дефектов и их размеров, выявление остаточных внутренних напряжений и их значений, оценка ресурса работы изделия. Теме определения дефектов, их размеров и эволюции в процессе эксплуатации посвящено множество работ начиная с импульсной дефектоскопии и заканчивая активно развивающейся в последнее время акустической эмиссией. Попытки выявить связь скорости распространения ультразвука с остаточными напряжениями, действующими в материале, были предприняты еще в середине 20-го века, с появлением приборов, позволяющих определять скорость распространения ультразвука и ее изменение с точностью не менее 104. Оценка ресурса работы — одна из наиболее важных и сложных задач неразрушающего контроля, множество работ, посвященных данному вопросу, имеют узкое направление и часто малую достоверность.

Одно из наиболее изученных направлений в области ультразвуковых исследований является исследование изменений структуры материалов в результате пластической деформации, усталостного нагружения и термообработки. Существует множество работ посвященных влиянию термообработки или легирующих примесей на скорость распространения ультразвука, на его затухание и дисперсию. Выполнены теоретические и экспериментальные работы, выявляющие связь скорости ультразвука и затухания с микроструктурой материала (на уровне дислокаций). Активно развивается акустическая микроскопия, позволяющая (в отличие от оптической) «заглядывать» внутрь материала и с высокой точностью выявлять места нарушения структуры.

Незначительное количество работ выполнено в области исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн в процессе пластической деформации материалов. Отсутствуют работы по выявлению характера поведения скорости ультразвука в процессе релаксации напряжений или ползучести материалов. В связи с этим актуальными являются исследования закономерностей изменения скорости ультразвуковых волн в ходе всех вышеуказанных механических испытаний. Работа дает основу для разработки методов, предопределяющих некоторые механические свойства материала (предел текучести, временное сопротивление) и эволюцию его состояния в процессе эксплуатации или механических испытаний.

Целью работы является проведение исследований изменения скорости распространения ультразвуковых поверхностных волн в процессе механических испытаний сталей феррито-перлитного и аустенитного классов, титана ВТ 1-0, поликристаллического кобальта, алюминия А85, сплавов Д16, JIC59.1. Получение эмпирических зависимостей, позволяющих определить временное сопротивление материалов и остаточные внутренние напряжения в сталях неразрушающим способом.

Цель была достигнута благодаря специально созданному испытательному стенду, позволяющему в режиме реального времени с деформацией получать данные об изменении скорости ультразвука. Задача определения коэффициентов, связывающих внутренние напряжения с изменением скорости ультразвуковых волн, решалась с применением современного прибора ASTR.

Научная новизна результатов

1. Впервые были проведены исследования изменения скорости распространения ультразвуковых волн одновременно для трех видов механических испытаний: активного нагружения, релаксации и ползучести.

2. На основе экспериментальных данных, впервые получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

Практическая ценность работы

1. Установлены коэффициенты, связывающие изменение скорости ультразвуковых волн в области упругопластических деформаций с временным сопротивлением (пределом прочности) материала для широкого круга материалов.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», позволяющая определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки.

3. Внедрены приборы и методика определения внутренних напряжений металлических рам тележек железнодорожного подвижного состава в более 50 локомотивных хозяйств РФ по программе "Переоснащения базовых предприятий локомотивного хозяйства до уровня технических регламентов".

Содержание работы распределяется по главам в следующем порядке: первая глава отражает современное состояние науки и техники в области исследования материалов с помощью ультразвуковых волн. Вторая глава содержит данные о материалах и методах исследований. В главах с третьей по пятую раскрывается основное содержание работы по исследованию изменения скорости распространения ультразвуковых волн в процессе механических испытаний. В приложениях приведены методика определения напряженного состояния металла тележек локомотивов и копии документов, свидетельствующих об аттестации прибора ASTR, как средства измерения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Доказательство возможности и оценка надежности определения величины временного сопротивления (предел прочности) сталей феррито-перлитного и аустенитного классов и сплавов на основе алюминия, циркония и меди неразрушающим методом по данным об изменениях скорости распространения ультразвуковых волн при малых (до 1%) пластических деформациях.

2. Экспериментальное обоснование ультразвукового метода контроля напряженного состояния объектов подвижного состава железнодорожного транспорта и разработка методики измерения уровня остаточных напряжений с целью повышения их надежности. Основанный на оценке уровня остаточных внутренних напряжений обобщенный критерий отбраковки рам локомотивных тележек, учитывающий различия в содержании Si и Мп в сталях, используемых для их изготовления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Разрушение и мониторинг свойств металлов», г. Екатеринбург, 2003 г.; V международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», г. С.-Петербург, 2003 г.; II Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», г. Томск, 2003 г; на научных семинарах отдела физики прочности и износостойкости ИФПМ СО РАН.

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО

РАН.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Лунев, Алексей Геннадьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментально установленных зависимостей скорости распространения ультразвуковых волн от напряжения на упругопластическом участке в сталях феррито-перлитного и аустенитного классов и сплавах на основе алюминия, циркония и меди получены соотношения, позволяющие определять временное сопротивление по изменению скорости ультразвука при деформациях менее 1%.

2. Разработана методика определения внутренних напряжений в рамах локомотивных тележек, эксплуатируемых ОАО «РЖД», позволяющая определять места локализации напряжений, превышающих предел, определяемый обобщенным критерием отбраковки. Методика аттестована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (ГОССТАНДАРТ РФ) - аналог ГОСТ РФ и утверждена проектно-конструкторским бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД».

3. Установлен закон роста скорости распространения ультразвука со временем в процессе релаксации напряжений в алюминии марки А85, сплаве Д16 и стали 1 ОХСНД на параболической стадии деформационного упрочнения.

4. Выявлены закономерности изменения скорости распространение ультразвука при ползучести алюминия. Показано, что при логарифмической ползучести скорость распространения ультразвука возрастает, а при установившейся — остается постоянной или падает.

5. Предложена интерпретация установленных экспериментальных зависимостей скорости ультразвука от деформации, основанная на теории дислокационного внутреннего трения Гранато и Люкке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лунев, Алексей Геннадьевич, 2004 год

1. Ананьев Л.М., Морозов В.М., Малышев В.И., Цымбалист В.А. Неразрушаю-щие методы контроля // под ред. Ананьева Л.М. Томск-4.: ТПИ. Ротапринт, 1986.-378 с.

2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества // Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988.-368 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976. - 326 с.

4. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. -Справ, изд., Пер. с нем. -М.: Металургия, 1991. 752с.

5. Шкарлет Ю.М. Бесконтактные методы ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1974.

6. Буденков Г.А., Гуревич С.Ю. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля // Дефектоскопия, 1981. — № 5. с. 5-33.

7. Shokry А. М., Gilbert J. A. Extracting Rayleigh Waves from Noise Using a Differential Optical Interferometer // Nondestructive Evaluation, 1998. N 10. - p. 171— 184

8. Lanza di Scalea F., Bonomo M., Tuzzeo D. Ultrasonic Guided Wave Inspection of Bonded Lap Joints: Noncontact Method and Photoelastic Visualization // Nondestructive Evaluation, 2001. -N 13. p. 153-171

9. Tsung-Tsong Wu Elastic Wave Propagation and Nondestructive Evaluation of Materials // Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), 1999. Vol. 23. -N 6. - p. 703-715

10. Ю.Муравьев B.B., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. — 184 с.

11. П.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981.-240 с.

12. Ботаки А. А., Ульянов В. JL, Шарко А. В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.

13. Серьезнов А.Н. и др. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций. М.: Радио и Связь, 2000. - 280 с.

14. Баранов В.М. и др. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998.-256 с.

15. Белов В.М., Подлевских М.Н., Струченко А.Н. Применение метода акустической эмиссии для диагностики энергетического оборудования // Материалы научно-практической конференции "Развитие государственной службы и электроэнергетика России". — Москва, 1998 г.

16. Delsanto P. P., Olivero D., Perego G., Scalerandi M. Acoustoelastic Effects in Elastic Media with Nonuniform Initial Stress // Nondestructive Evaluation, 2000. N 12. -p. 105-118.

17. Clark A. V., Hehman C. S., Nguyen T. N. Ultrasonic Measurement of Stress Using a Rotating EMAT // Nondestructive Evaluation, 2000. N 12. - p. 217-239.

18. Гузь А.Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями В 2 т. Киев: Наук, думка, 1986.-Т. 1.-376 е.; Т. 2.-536 с.

19. Tokuoka Т., Iwashimizu Yu., Acoustical birefringence of ultrasonic waves in deformed isotropic elastic materials // Int. J. Solids Structures, 1968 4. - p. 383389.

20. Гуща О.И., Махорт Ф.Г. Акустический способ определения двухосных остаточных напряжений // Прикладная механика. — 1976. № 10.-е. 32-36.

21. Гуща О.И., Лебедев В.К. Влияние напряжений на скорости распространения ультразвука в металлах. Прикладная механика, 1968. - № 2. - с. 89-92

22. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. — Киев: Нау-кова думка, 1977.-151 с.

23. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Ермолаева З.И. Влияние внутренних напряжений на скорость ультразвука в сталях // Актуальные проблемы прочности, Новгор. гос. ун-т. Новгород, 1994. - ч. 1. - с. 39.

24. Муравьев В.В., Ермолаева З.И., Васильев А.Г. О разделении влияния напряжений I и II рода на скорость ультразвука в сталях // Проблемы безопасности труда, экологии чрезвычайных ситуаций на ж.-д. Транспорте — СГАПС. Новосибирск, 1995.-с. 141.

25. Аксенов Г.И. Изменение упругих напряжений в мелкокристаллическом агрегате методом Дебая Шеррера // Журнал прикладной физики, 1979. — Т. 6. - с. 315.

26. Чернышев Г. Н., Попов A. JL, Козинцев В. М., Пономарев И. И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука;Физмат, 1996. - 239 с.

27. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М. Полезные и опасные остаточные напряжения // Природа, 2002. №10.

28. Жуков С.А., Копица Н.Н. Дефектономия, как новый подход к снижению техногенной опасности объектов транспорта // Доклады семинара «Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте». — СПб., 2003.

29. Андерсон В.А. Стареющие сплавы на алюминиевой основе // Старение сплавов. М.: Металлургия, 1962.

30. Рохлин Л.Л. Акустические свойства легких сплавов. М.: Наука, 1974. — 140 с.

31. Рохлин Л.Л. Влияние легирования на скорость распространения ультразвуковых волн в алюминиевых сплавах // ФММ. Т. 28 - № 3. - с. 571-574.

32. Красавин В.В. Ультразвуковой контроль содержания остаточного аустенита в стали Х12Ф1 // Дефектоскопия. 1980. -№ 12. - с. 94-95.

33. Лебедев А.А., Левитан Л.Я., Шарко А.В. Оценка влияния химического состава на результаты измерений механических свойств стали 40Х акустическими методами // Дефектоскопия, 1979. №2. - с. 81-84.

34. Ультразвуковые методы исследования дислокаций // Сборник статей под ред. Л.Г. Меркулова, Издательство иностранной литературы. М.: Материаловедение, 1963.-376 с.

35. Кондратьев А.И., Березюк М.А., Семигузов Д.А. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». — Екатеринбург, 2003.

36. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Акустическая диагностика in situ пластической деформации и разрушения металлов и сплавов // Сборник трудов IV научного семинара СНГ «Акустика неоднородных сред.». Новосибирск, 1997г. - выпуск 112. - С.160-165.

37. Семухин Б.С., Бушмелева К.И., Зуев Л.Б. Скорость распространения ультразвука и явление текучести в стали 09Г2С // Металлофизика и новейшие технологии, 1998. Т. 20. N5. - С. 68 - 71.

38. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние дислокаций на дисперсию и затухание ультразвука в твердом теле // Письма в ЖТФ. 2002. -Т.32, вып.6. — С.6—11

39. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние циклического нагружения и деформации материала на характеристики распространения в нем продольной акустической волны // Дефектоскопия. 2004. - №1. - С. 59-64

40. Боярская Ю.С. Деформация кристаллов при испытаниях на микротвердость. — Кишинев: Штиинци, 1972. — 236 с.

41. Горкунов Э.С., Сомова В.М., Ничипурук А.П. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (обзор) // Дефектоскопия, 1994. -N 7.

42. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. — Екатеринбург, УрО РАН, 1996. 263 с.

43. Ригмант М.Б. и др. Магнитные методы и средства контроля структуры и фазового состояния конструкционных сталей // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург, 2003.

44. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. JL: Машиностроение, 1977., 208 с.

45. Муравьев В. В., Бояркин Е. В., Зизевская А.В. Контроль качества рельсов по скорости ультразвуковых волн // Доклады международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург, 2003.

46. Полетика И.М., Егорова Н.М., Куликова О.А., Зуев Л.Б. Об ультразвуковом контроле неоднородности механических свойств горячекатаной стали // Журнал технической физики, 2001. Т. 71. - вып. 3.

47. Velev G. St. and Latkovski V. V. A method of ultrasonic study of materials // Техническая акустика, 2003. № 11.

48. Лейкин A.E., Родин Б.И. Материаловедение. Учебник для машиностроительных специальностей вузов. — М.: «Высшая школа», 1971. — 416 с.

49. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1976. 408 с.

50. Смитлз К. Дж. Металлы: Справ, изд. Пер. с англ., 1980. 447 с.

51. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбацумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ, изд. М.: Металлургия, 1984. - 528 с.

52. Шапошников H.A. Механические испытания металлов. Ленинград: МАШ-ГИЗ, 1954.-443 с.

53. Булычов А.П., Галкин В.И.,Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. -Минск: Беларусь, 1994 г.

54. Якубовский С.В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочное пособие, 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и Связь, 1985. - 432 с.

55. Буденков П.А., Недзвецкая О.В., Шишкина С.И., Полянкин Г.А. К возможности стабилизации акустического контакта при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия, 2000 г. -№12. с. 61-68.

56. Арефьев К.П., Боев О.В., Имас О.Н., Лидер A.M., Сурков А.С., Чернов И.П. Аннигиляция позитронов в насыщенном водородом титане // ФТТ, 2003. — Т. 45. вып. 1.-С. 3-7.

57. Зуев Л. Б., Семухин Б. С., Бушмелева К. И. Зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения при пластическом течении поликристалла // ЖТФ, 1999.-т. 69.-вып. 12.-е. 100-101.

58. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Лунев А.Г. О возможности оценки прочности металлов и сплавов неразрушающим ультразвуковым методом // Прикладная механика и техническая физика, 2002. 43. - № 1. - С. 202-204.

59. Доценко В.И., Ландау А.И., Пустовалов В.В. Современные проблемы низкотемпературной пластичности материалов. Киев: Наукова думка, 1987. - 164 с.

60. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. и др. Оценка накопления дефектов при усталости акустическим методом // Проблемы машиностроения и надежности машин, 1994. №4.-с. 103-107.

61. Миськин B.C. Основы легирования стали. М.: «Металлургия», 1964. 684 с.