АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ РЕЛАКСАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.891

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-224-233

АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ РЕЛАКСАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Н.А. Бунина, И.В. Соловьев, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская, А.И. Карнаухов, И.А. Бояршинов

Проведены испытания на растяжение образцов из титанового сплава ВТ16 при одновременном измерении параметров акустической эмиссии. Проведены измерения акустического излучения при сжатии и релаксации тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ 16. Определён акустический образ сплава в исходном и закалённом состоянии. Выявлены значимые параметры метода акустической эмиссии для анализа эволюции структуры сплава ВТ16 при его деформации и релаксации. Показана принципиальная возможность диагностики качества и релаксационной стойкости тарельчатых пружин по параметрам метода акустической эмиссии (АЭ) при их деформации сжатием и выдержке под нагрузкой в диапазоне рабочего хода изделия. Как известно, релаксация материала обусловлена перестройкой структуры материала под воздействием различных внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся: внутренние напряжения, возникшие при изготовлении изделия, изменение структуры или фазового состава с течением времени или при термической обработке изделия. К внешним факторам относятся: температура, силовое воздействие на изделие, окружающая среда и многие другие факторы. Для работы изделия, в частности тарельчатых пружин, в конкретных условиях эксплуатации подбирают соответствующий сплав. Для пружин материал должен работать в области упругости, причём эта область должна перекрывать существенный диапазон приложенных напряжений. При этом материал должен сохранять свои свойства в течение длительного времени при воздействии существенных нагрузок различного типа. Для выполнения этих условий необходимо строго выполнять все требования технологического процесса, как на стадии получения исходного материала, так и на стадии изготовления изделия из него. Нарушение технологии приводит к изменению структуры материала и потере свойств, заложенных в материал.

Ключевые слова: пружины, метод акустической эмиссии, эволюция структуры металла, механические испытания, титановый сплав.

Сплав ВТ16 относится к высокопрочным а+-титановым сплавам мартенситно-го типа [1]. Подобные сплавы содержат значительное количество ß - стабилизирующих элементов и благодаря своей гетерофазности могут подвергаться эффективной упрочняющей термической обработке. Многие авторы [2, 3,8-10] отмечают, что двухфазные a+ß -сплавы весьма чувствительны к соблюдению технологических параметров термического упрочнения, в частности к скорости охлаждения после отжига и старения. При больших скоростях остывания сплава (более 5°С/мин) происходит выделение метаста-бильной - фазы, существенно снижающей эксплуатационные свойства готовых изделий. Эксперименты, включающие регистрацию АЭ при нагреве титанового сплава ВТ16 показали, что энергия импульсов акустической эмиссии, накопленная при нагревании состаренных образцов, а также образцов, отожжённых при 800°С и остывавших со скоростью 5°С/мин, т.е. упрочнённых с соблюдением технологических регламентов, на порядок меньше энергии, выделяющейся при нагреве образцов, термически обработанных без соблюдения технологических регламентов. Можно предположить, что метод акустической эмиссии, в частности энергетический параметр метода АЭ, может служить чувствительным инструментом анализа изменений в структурах двухфазных титановых а+-сплавах не только при их термической обработке, но и при статической

224

деформации пружин в рабочем диапазоне нагрузок. При этом, чем меньшая энергия акустических импульсов будет накоплена в процессе деформации пружины на испытательном стенде, тем большей стабильностью будет обладать материал данной пружины и тем больше релаксационная стабильность самой пружины [4-7].

Методика эксперимента. Исследования проводились на образцах из сплава ВТ16 (ГОСТ 1050-88) с сечением рабочей части 10x2,33 мм (рис. 1) и на реальных изделиях (пружины) из этого же сплава.

220

130

105 - 1-1 _

о С 1 1 Л + +■ £ X Г ) IV II! и I ь о

50

Рис. 1. Форма и размеры образца

Испытания на растяжение образцов выполнялись на разрывной машине при скорости перемещения подвижного зажима образца 4,0 мм/мин. В процессе испытания образцы нагружались вплоть до разрушения. Для фиксации и обработки механических параметров и кривой деформации использовалась встроенная в машину система. Для регистрации и обработки акустических импульсов применялась акустико-эмиссионная система Ранис. Система Ранис - это аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля (НК). Программное обеспечение системы позволяет отображать комплекс параметров АЭ испытаний в реальном времени, а также обеспечивает широкие возможности для последующей обработки полученной информации в режиме «постанализа». В работе применялись широкополосные преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) с полосой регистрации 50-500 кГц. В случае образцов, датчики АЭ устанавливались около зажимов испытательной машины (точки 1 и 2 на рис.1), а в случае пружин - непосредственно на поверхности изделия. В процессе деформации датчики поджимались к поверхности изделия специальными пружинами. Для исключения акустического излучения от трения образующей пружины и нагружающей плиты, между ними были помещены прокладки из фторопласта. В процессе эксперимента производится медленная деформация пружины и последующая разгрузка. Деформация реализуется на испытательной машине ИР с записью диаграммы «Сила деформации - перемещение инструмента».

Результаты и обсуждение. На рис.2,6 представлены параметры АЭ, совмещённые с кривой деформации образцов сплава ВТ16. Как видно из рисунков, сырой образец имеет выраженную площадку текучести от 3,0 до 7,0 % деформации и область образования и роста шейки от 8,0 до 10,0 % деформации. Закалённый образец, имеет площадку текучести на конечном этапе деформации, перед разрушением. Участок образования шейки в этих образцах полностью отсутствует.

Основное акустическое излучение в сыром образце приходится на область образования шейки (от 8 до 10% деформации). При этом интенсивность излучения достигает 60 имп./сек, а средняя энергия - 20х10_3 мВ2с за секунду. Можно утверждать, что акустическое излучение в области образования шейки сырого образца связано с процессом образования и развития трещин, которые приводят к его разрушению.

Акустическое излучение закалённого образца сопровождает практически весь процесс его деформации. Оно начинается в области физического предела упругости материала, равномерно сопровождает процесс деформации до его выхода на площадку текучести и несколько уменьшает интенсивность вплоть до разрушения образца. Энер-

гетика этого акустического излучения ничтожно мала (практически равна нулю) при интенсивности излучения 100 имп./сек. Можно предположить, что данные импульсы связаны с процессами эволюции в структуре образовавшихся фаз закаленного титанового сплава и не связаны с процессами образования трещин в образце. Импульсы с энергией 13х10_3 мВ2с зафиксированы только в момент разрушения образца.

1. Серия из восьми серийных пружин (№№ 12, 13, 10. 11, 9, 8, 14, 15, 17). Номера указаны в порядке проведения испытаний. Нагружающий блок был модифицирован в соответствии с результатами пробной серии.

2. Дополнительная серия из трёх пружин (№ а, №6, №с). Пружины прошли термообработку, но не прошли предварительное обжатие, предусмотренное технологическим процессом.

1200 1000 ш 600 400 200

Р [ЫРа]

У /

/

/

/

2 4 6 S ю 12

Деформация [%]

кривая деформации

ксг-Ьп сой 6

— 1 __

П . .г-- Л \ I L*

300 2DD 1DD ■О

320 Ш

Врэ1я i it !

параметры событий

ср. энергия за се канал 1 к. - су in энергия

.-- I

J

I

1 1

т и 0 п 0 3 Ьремя 20 W I ччнисс | 0 Ы D 5 20 6 00 b' tO

энергетические параметры Рис. 2. Параметры АЭ, совмещенные с кривой деформации термически н е обработанного образца сплава ВТ23

Для исключения паразитного трения между поверхностями пружин и дисками нагружающего устройства изготовлены специальные прокладки из полимерного материала. Число импульсов АЭ при деформации пружин с прокладками уменьшилось на порядок. В данной серии испытывались серийные пружины с продольно-поперечной прокаткой. Скорость деформации составляла 2 мм/мин. Деформация осуществлялась один раз с небольшой выдержкой после полного сжатия при максимальной нагрузке. Результаты испытаний и комментарии к каждому испытанию сведены в табл. 1.

226

Р [МРа]

Деформация [%]

кривая деформации

ксми1

ксл-йс СС& Ь СЭК - йсею побитий

параметры событий

- ср. энер кпнсл 1 ия за сек. — - сумм. нвргия

0

К

2 0 0 и 0 Га Ьремя [ чч-мсгсс 0 и 1 0 2-С 0 '20

энергетические параметры Рис. 3. Параметры АЭ, совмещенные с кривой деформации термически обработанного образца сплава ВТ23

Таблица 1

Результаты испытания пружин первой серии

№№ обр. Комментарий !Ех10"3 мВ2с имп. ХЕ/^хЮ"6 мВ2с Прогноз

12-1 Серийный 0,30 750 0,40 №1

13 Серийный 0,31 400 0,77 №7

10 Серийный 0,23 260 0,88 №8

11 Серийный 0,35 600 0,58 №4

9 Серийный 0,35 600 0,58 №5

8 Серийный 0,36 700 0,51 №3

14 Серийный 0,29 450 0,64 №6

15 Серийный 0,20 480 0,41 №2

17 Серийный 2,5 700 3,57 №9 (Плохой)

Экспериментальные результаты по числу событий, по энергетике процесса и энергетическому распределению импульсов для образца № 10 представлены на рис. 4. Аналогичная информация для образца №17 (худший из серии) представлена на рис.5.

227

канпл 1

кол-йо сой. Ь сек. - Ьсего событий

1

1.Г 1 \ \ Л л

уЛл^К Ш vJWЛv м Л Л /

Ьремя ( ччтш-сс I

параметры событий

Ьремя I. ■-чмм'сс )

энергетические параметры

кси- сг'

0 2 0 3 0 50 зьергия [[ Ы 0 0 0 0 'С 0

энергетическое распределение импульсов АЭ Рис.4. Экспериментальные результаты образца № 10

По результатам данной серии можно сделать вывод, что лучшие результаты релаксационной способности показал образец № 15, а худшие - образец № 17. Образцы №№ 12, 13, 11, 9, 8, 14 существенно не отличаются от основной массы и могут быть отнесены к разряду хороших. Существенное различие в качестве испытанных пружин показала пружина № 17. Отличие по накопленной энергии от нормальных экземпляров составляет порядок (10 раз).

В данной серии были испытаны серийные пружины, прошедшие термическую обработку, но не прошедшие технологическое обжатие. Предполагалось увидеть эволюцию дефектной структуры при деформации, сформировавшейся непосредственно после термической обработки сплава. Скорость деформации составляла 1 мм/мин. Результаты испытаний и комментарии к каждому испытанию сведены в табл.2.

Таблица 2

Результаты испытания пружин второй серии__

№№ обр. Комментарий ХЕх10"3 мВ2с имп. ХЕ/^хЮ"6 мВ2с Прогноз

а Серийная без обжатия 0,5 5800 0,86 №1

б Серийная без обжатия 0,5 1500 3,33 №3

с Серийная без обжатия 0,7 6200 1,12 №2

Экспериментальные результаты по числу событий, по энергетике процесса и энергетическому распределению импульсов для образца № б представлены на рис.6. Аналогичная информация для образца № с представлена на рис.7.

крл-Ёа шй Й св<.

1

1... ь 1—г!

т „АЛ мМ М 0 Щ 1 лллл Л Л Л.

О 10 '20 Ш

210 320 И

Ьрем? ( 1 '|М гг )

ИВ 5'20 ЬОО 610 720

параметры событий

ср. эгергия зс сак.

-- -(-

--

1 Л л

7 I чч:ммис)

энергетические параметры

/ / 1

к

2.И. II ^ Йгйппт, 171 П_

энергия []0

энергетическое распределение импульсов АЭ Рис. 5. Экспериментальные результаты образца № 17

ксг-Ьс сой Ь сэ;.

иши_£_&_ад_¡_дЛ_* * >

164В 2500

3320 5000 5й'20 '€610 11500

Бремя [ чч^ммсс;

параметры событий

ср. ЗС СЕК

004003-

0.02' 0.0'. о

/

/

Т ,1

4 «1 -н

'640 25 00 3320 Ш 0 50 0 0 53-20 1 06ЗД ''500

i. чч им сс )

энергетические параметры Рис.6. Экспериментальные результаты образца № б (начало)

229

энергетическое распределение импульсов АЭ Рис.6. Экспериментальные результаты образца № б (окончание)

020" 015--0.10-= □.□5- = 0-

параметры событий

К[И[1Л 1

ср. энвргия за се-. —

-0.6

-0Л

-02

* - *

А л__й_* Ь-

о

141

5С0

6'40 й 20

Ьречя ( ^ччмсс ;

'□□0

то

020

'500

энергетические параметры

2000-'600-

Т.'.

'200-

6004000-

50

ЭНЕр?! Я Ь П]

70

'00

энергетическое распределение импульсов АЭ Рис.7. Экспериментальные результаты образца № с

Из рис. 6 а, б, в видно, что все переходные процессы в нагруженном образце № б закончились за 8 мин. после окончания деформации. Из рис.7 а, 6, в видно, что процесс релаксации образца № с проходил в три этапа и растянулся более чем на 15 мин.

Выводы:

1. В результате статических механических испытаний на растяжение определён акустический образ сплава ВТ16 в исходном и закаленном состоянии.

230

2. Представлен один из подходов анализа процесса деформации тарельчатых пружин из сплава ВТ16, основанный на связи процесса релаксации с энергией излучения дефектной структуры материала.

3. Предложена методика экспресс-анализа структурного состояния готовых тарельчатых пружин с оценкой их релаксационной способности и возможностью сортировать готовую продукцию по группам относительно энергетического параметра метода АЭ.

Список литературы

1. Коллинз Е.В. Физическое металловедение титановых сплавов / Е.В. Коллинз; перевод с англ.; под ред. Б.И. Веркина, В.А. Москаленко. М.: Металлургия, 1988. 224 с.

2. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.

3. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1974. 554 с.

4. Ремшев Е.Ю. Применение метода акустической эмиссии для контроля качества тарельчатых пружин из сплава ВТ23 // Металлообработка. СПб. 2012. № 4. С. 2733.

5. Ермоленков П.А., Ремшев Е.Ю., Паньшин Г.Н., Расулов З.Н. Особенности термомеханической обработки титанового Р-сплава марки ТС6 // Инновационные технологии и технические средства специального назначения. Труды четырнадцатой общероссийской научно-практической конференции. В 2-х томах. Сер. "Библиотека журнала "Военмех. Вестник БГТУ"" Санкт-Петербург, 2022. С. 51-54.

6. Способ прогнозирования стойкости к циклическим нагрузкам пластинчатых и тарельчатых пружин из рессорно-пружинной стали / Ремшев Е.Ю. Патент на изобретение 2747473 C1, 05.05.2021. Заявка № 2020113839 от 03.04.2020.

7. Ремшев Е.Ю., Олехвер А.И., Гусев А.С., Силаев М.Ю. Применение неразру-шающего метода акустической эмиссии в производстве заготовок и изделий из титановых сплавов // Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 2021. С. 258-273.

8. Remshev E.Y., Danilin G.A., Vorob'eva G.A., Silaev M.Y. Ensuring the Operational Reliability of Elastic Elements by Acoustic Methods // Metallurgist. Springer New York LLC Volume 59, Issue 3-4, 1, 2015. P. 225-228. DOI: 10.1007/s11015-015-0088-3.

9. Remshev E.Yu., Olehver A.I., Voinash S.A., Sokolova V.A., Ivanov A.A., Mali-kov V.N., Vagizov T.N. Experience in the application of the non-destructive method of acoustic emission in the production of titanium billets and products of transport engineering // Journal of Physics: Conference Series, 2021. 2094. 042018.

10. Remshev E.Yu., Voinash S.A., Kokieva G.E., Teterina I.A., Sokolova V.A., Krivonogova A.S., Pushkov Yu.L. Development of a methodology for evaluating the operational properties of elastic elements for various purposes by acoustic emission // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 919, 032007.

Бунина Надежда Александровна, д-р техн. наук, профессор, bunina@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургская инженерная академия,

Соловьев Иван Владимирович, магистр, labmetcontrol@,inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

Войнаш Сергей Александрович, инженер, sergey_voi@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, ООО «ПРО ФЕРРУМ»,

Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox.ru, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного,

Ореховская Александра Александровна, канд. сельск. наук, orehovska-ja_aa@bsaa.edu.ru, Россия, Майский, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина,

Карнаухов Андрей Иванович, канд. техн. наук, доцент, sky angel 33@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский государственный аэрокосмический университет науки и технологий им. Академика Н. Ф. Решетнёва,

Бояршинов Илья Андреевич, студент, bunina@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ACOUSTIC EMISSION DURING RELAXATION PRODUCTS FROM TITANIUM ALLOY

N.A. Bunina, I.V. Solovyov, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya, A.I. Karnaukhov, I.A. Boyarshinov

Tensile tests of specimens made of titanium alloy VT16 were carried out with simultaneous measurement of acoustic emission parameters. Measurements of acoustic radiation during compression and relaxation of Belleville springs made of titanium alloy VT16 have been carried out. The acoustic image of the alloy in the initial and hardened state is determined. Significant parameters of the acoustic emission method for analyzing the evolution of the structure of the VT16 alloy during its deformation and relaxation are revealed. The fundamental possibility of diagnosing the quality and relaxation resistance of belleville springs by the parameters of the acoustic emission (AE) method during their deformation by compression and holding under load in the range of the working stroke of the product is shown. As is known, the relaxation of a material is due to the restructuring of the material structure under the influence of various internal and external factors. Internal factors include: internal stresses that have arisen during the manufacture of the product, changes in the structure or phase composition over time or during heat treatment of the product. External factors include: temperature, force on the product, the environment and many other factors. For the operation of the product, in particular cup springs, in specific operating conditions, an appropriate alloy is selected. For springs, the material must work in the elastic region, and this region must cover a significant range of applied stresses. In this case, the material must retain its properties for a long time under the influence of significant loads of various types. To fulfill these conditions, it is necessary to strictly comply with all the requirements of the technological process, both at the stage of obtaining the source material and at the stage of manufacturing the product from it. Violation of technology leads to a change in the structure of the material and the loss of properties inherent in the material.

Key words: springs, acoustic emission method, metal structure evolution, mechanical testing, titanium alloy.

Bunina Nadezhda Alexandrovna, doctor of technical sciences, professor, buni-na@yandex.ru, Russia, St. Petersburg Academy of Engineering,

Solovyov Ivan Vladimirovich, master, labmetcontrol@,inbox.ru, Russia, St. Petersburg, BSTU "VOENMEH" named after A.I. D.F. Ustinov,

Voinash Sergey Aleksandrovich, engineer, sergey_voi@mail.ru, Russia, St. Petersburg, LLC "PRO FERRUM",

Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolo-va_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,

Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, docent, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin,

Karnaukhov Andrey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, sky angel 33amail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian State Aerospace University of Science and Technology. Academician N.F. Reshetnev,

Boyarshinov Ilya Andreevich, student, bunina@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

УДК 620.17

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-233-239

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В.А. Давидчук

В работе изложена методика проведения испытаний на одноосное растяжение термопластов, используемых в аддитивном производстве. Описана технология изготовления образцов для испытаний. Приведены результаты экспериментальных исследований механических свойств термопластов PET-G, ABS и PLA, изготовленных FDM методом. Выявлена зависимость механический испытаний от условий кондиционирования образцов. Показана необходимость доработки существующих стандартов, касающихся испытаний пластмасс, учитывая возможности аддитивного производства.

Ключевые слова: одноосное растяжение, термопласт, аддитивные технологии.

Аддитивные технологии с каждым днем все больше внедряются в военно-промышленную отрасль. Наиболее распространенным является метод послойного нанесения полимерной нити (FDM) [1-4]. Полимерные изделия, изготовленные FDM-методом, также как и изделия изготовленные формованием, механической обработкой и штамповкой, необходимо подвергать испытаниям и контролировать качество готовых изделий.

Полимерные изделия, изготовленные FDM методом, также, как и изделия изготовленные формованием, механической обработкой и штамповкой, необходимо подвергать испытаниям и контролировать качество готовых изделий.

Постановка задачи. Анализ литературы показал, что существующие ГОСТы, касающиеся полимеров, не предусматривают аддитивное производство. Механические характеристики, полученные в результате испытаний, приводимые в разных источниках, различны и задаются промежутком. Характеристики термопластов, заявленные производителем, относятся непосредственно к самому филаменту (нити) и при печати изделия, достичь тех же характеристик крайне сложно, так как на качество готовой продукции влияет множество факторов. В связи с этим, остро возникает необходимость в разработке единой методики, позволяющей получить достоверные механические характеристики изделий, изготовленных FDM методом.

233