CC BY
89
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ
УДК 620.179.16+669.71
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ, УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
12 12 1 12 © 2010 г. В.В. Мишакин ’ , В.Н. Перевезенцев ’ , В.А. Клюшников , Н.В. Данилова ’
1 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
тпЛЗ 1 @ш18-пп.гц
Поступила в редакцию 15.05.2010
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния статического и усталостного нагружения на акустические параметры металлических сплавов. Приведен алгоритм оценки пластической деформации и поврежденности сплавов по данным акустических измерений. Изучено также влияние термообработки (отжига) на акустические характеристики сплава с ультрамелкозернистой структурой для обеспечения контроля его структурного состояния и механических свойств средствами неразрушающего контроля.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, пластическая деформация, усталостное нагружение, акустические параметры, поврежденность, ультрамелкозернистая структура.
Введение
В последние годы появилось новое перспективное направление в области ультразвуковых исследований состояния материалов, подвергающихся пластическому деформированию и усталостному нагружению, связанное с изучением влияния структурных изменений на акустические параметры задолго до образования макротрещин.
С точки зрения взаимодействия упругих волн со структурой металлов, можно выделить основные факторы, влияющие на акустические параметры. Первый фактор - это изменение микронеоднородности при циклическом деформировании материалов, которое связано с изменением параметров дислокационной структуры, плотности деформационных вакансий, накоплением микропор и микротрещин, изменением условий контакта жестких упрочняющих частиц с матрицей исследуемого материала, эффективных модулей упругости в локальных зонах из-за наличия микронапряжений и т.д. Все эти про-
цессы влияют на энергию рассеяния и поглощения ультразвуковых волн, а также скорость их распространения [1, 2]. Второй фактор связан с формированием кристаллографической текстуры. Наличие сильной анизотропии кристаллов в поликристаллическом материале при формировании текстуры приводит к анизотропии физических свойств, в том числе и акустических [3-5].
Одним из параметров, широко используемых в диагностике состояния материалов, является скорость упругих волн (УВ). В общем случае изменение скорости УВ при формировании текстуры носит немонотонный характер. При оптимальном выборе типа волны и направления ее поляризации можно снизить влияние текстуры и добиться монотонного характера изменения скорости при циклическом деформировании сплавов.
Другим параметром, который используется для оценки текстуры [4] акустическим методом, является параметр акустической анизотропии А:
4 _ 2(Угх -Угу) _ 2(тгу ~Тгх) _ 2(л/^гх ) _ ^ ет/20
А _---------_----------_ —. -, _ К^^4 ,
(Ух + Угу) + ^гх -\/ Мгх + л/Мгу
где ^2Х и ^ - модули сдвига; Угх, У2у и т^, т - времена распространения поперечных УВ, поляризованных вдоль ^х) и поперек (^у) направления проката соответственно; Ж420 - коэффициент функции распределения ориентировок (ФРО) кристаллов в поликристаллическом материале [3]; Кцг - коэффициент.
Параметр А в первую очередь зависит от изменения кристаллографической текстуры, в гораздо меньшей степени - от изменения модулей упругости в результате накопления структурных повреждений в материале и, как показал эксперимент, монотонно зависит от величины пластической деформации для ряда сталей.
Коэффициенты Пуассона у2Х, у^, выражаются через скорости и времена распространения упругих волн следующим образом:
VI - 2У1
2(Уг^ - У2 ) 2(
V гу =
у! - 2У2У 2(у^; - у% )
(1)
тху - 2т:
2(
(т 2У -т ^ )
где У^ и т^ - скорость и время распространения продольных УВ. Коэффициенты Пуассона vzx, vzy зависят как от поврежденности [6, 7], так и от коэффициентов ФРО.
Экспериментальная часть
1. Пластическое деформирование Для проведения исследований при статическом нагружении были использованы: сталь 08пс, сталь 20, сталь 40 и сталь 09Г2С. Из листов с толщиной 6 мм были вырезаны плоские образцы. Длина рабочей зоны составляла 100 мм, ширина 20 мм, толщина 6 мм. Указанные образцы, за исключением одного для каждой марки стали, перед проведением акустических измерений
предварительно деформировались до разной степени пластической деформации. Рабочая часть всех образцов разбивалась на 10 зон размерами 10x10 мм, в которых устанавливались пьезокерамические преобразователи для возбуждения поперечных и продольных упругих волн, распространяющихся перпендикулярно поверхности материала. Испытание материалов происходило при одноосном нагружении. Образцы деформировались со скоростью 0,2 мм/мин. Испытания проводились при комнатной температуре.
Измерения проводились эхо-импульсным методом. Центральная частота пьезоэлектрических преобразователей - около 4,6 МГц. Диаметр преобразователей для возбуждения продольных и поперечных волн составлял 8 мм, точность измерения времени распространения -около 1-2 нс, величины акустической анизотропии - не менее 10-4, скорости - 5 м/с.
Изменение усредненного значения величины акустической анизотропии по длине образца А А (А А = А - А0 , А0 - усредненное значение анизотропии при пластической деформации в р1йа1 = 0) в зависимости от величины пластической деформации в р1йа1 приведено на рис. 1а. Усреднение происходило как минимум по 10 зонам. По величине А А для конкретной стали можно оценить величину произведенной пластической деформации.
Связь величины пластической деформации
в рЫа; с А А хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:
врЫа; = к0 + к1АА + к2 (АА )2. (2)
Коэффициенты, входящие в уравнение (2), определяются для каждого материала индивидуально. Точность оценки величины пластиче-
Рис. 1. Зависимость А А от величины пластической деформации (а) для образцов из стали марки 08пс - □, 20 -■*■, 40 - О и 09Г2С - Д; (б) сталь марки 08Х18Н10Т
Рис. 2. Зависимости (а) А А , (б) Аv 2Х , (в) Аv 2у от величины накопленной пластической деформации; (г) связь
между изменениями коэффициентов Пуассона для образцов второй партии. Кривые 1, 2 соответствуют Ав=0,33%, кривые 3,4 - Ав=0,56%, кривые 5,6 - Ав=0,77% (сталь 08Х18Н10Т)
ской деформации при использовании зависимости (2) составляет около 0,5%.
Для исследованных сталей коэффициенты Пуассона имеют немонотонную зависимость от величины пластической деформации.
2. Упругопластическое циклическое деформирование Для исследования влияния циклического упругопластического деформирования на акустические параметры использовалась сталь 08Х18Н10Т, в процессе усталостного нагружения которой, наряду с накоплением микропо-врежденности, происходят аллотропические изменения. На образцах круглого сечения (диаметр рабочей зоны ~ 12 мм) для установки преобразователей в центре были вырезаны площадки 3^30 мм.
Образцы из стали 08Х18Н10Т подвергались симметричному жесткому циклу нагружения. Для первой партии (всего 4 образца) задавалась амплитуда пластической деформации Ав р]
0,1%, 0,2% и 0,3%. Частота нагружения - около 3 Гц. Один образец партии был испытан на ста-
тическое растяжение до образования шейки. Для второй партии (всего 6 образцов) устанавливалась амплитуда общей деформации Ав = Ав р1 + Аее1 (Аее1 - амплитуда упругой деформации). Аллотропическое изменение (мар-тенситное превращение у^-е) было обнаружено в образцах данной стали, разрушенных при малоцикловой усталости [8]. Последнее сопровождалось формированием микротрещин, располагающихся вдоль границ раздела у и е-фаз. Данное обстоятельство позволило предположить, что мартенситное превращение является одной из причин разрушения материала при малоцикловой усталости.
Зависимость акустической анизотропии, усредненной по всем зонам А А , от величины пластической деформации для образца из стали 08Х18Н10Т, испытанного на растяжение, приведена на рис. 1б. Как видно из рисунка, параметр А А монотонно изменяется в зависимости от величины пластической деформации.
Смена механизма разрушения при переходе от статического нагружения к циклическому приводит к немонотонному изменению парамет-
а) б)
Рис. 3. Сталь 08Х18Н10Т: (а) зависимость А А от Аv атег для образцов второй партии: кривые 1,2 соответствуют Ав=0,33%, кривые 3,4 - Ав=0,56%, кривые 5,6 - Ав=0,77%; (б) зависимость Аv2у от величины относительной накопленной деформации для образцов первой партии: кривая 1 соответствует Авр1=0,1%, кри-
вая 2 - Авр1=0,2%, кривая 3 - Авр1=0,3%, кривая 4 соответствует статическому нагружению
ра А А в зависимости от накопленной пластиче-
N
ской деформации вр] = ^ вр] (рис. 2а), где N -
¿=1
количество циклов нагружения, вр] - амплитуда
пластической деформации ¿-го цикла.
На рис. 2б-в дано изменение коэффициентов
Пуассона v z
v
zy
можно ер] (на
цессе циклического нагружения.
На представленных зависимостях
*
выделить характерные точки в^с и вр] рис. 2в эти точки указаны для кривых 3 и 4).
*
Первую из них в^Пс можно условно назвать точкой окончания инкубационного периода накопления микроповреждений, началом активного накопления микропор, микротрещин. Она характеризуется резким ростом амплитуды напряжения при циклическом нагружении и значительным упрочнением материала. Вторая
точка в*р] обозначает критическое значение величины накопленной пластической деформации до момента образования макротрещины. На рис. 2г представлена зависимость между изменениями коэффициентов Пуассона vzx и vzy
для образцов второй партии из стали 08Х18Н10Т. Наблюдается хорошая корреляция
между einc > еpi и
соотношением
зависимости можно представить в виде:
- k1inc + k2
Av,
Av
zy
Av
2
Av
zy y
epl - k1 pl + k2 pl
Avz
Av,
- + k-
3 pl
Avz
VAv zy У
(3)
для стали 08Х18Н10Т в про-
На рис. 3а приведена связь АА с величиной изменения усредненного значения коэффициента ПуаСС°на АVaver , АVaVer = (Аvzx + Аvzy)/2 .
Кривые А A(Аvaver) хорошо разделяются (рис. 3 а) при различных уровнях амплитуды циклической деформации Ав. Связь величины
вр1 с А А и АVaver предлагается записать в виде ряда, ограничиваясь квадратичными членами:
еpi - k1a + k2aA A + k3aAvaver +
+ k,
4a
(A A j2
(4)
+ k5aAv aver + k6aAv aver A A
Величину общей поврежденности П с учетом инкубационного периода накопления микроповреждений запишем в виде:
П=П inc +Пт , 0 <П< 1. (5)
Здесь
Aep] Л *
П. -^, п -—р^, Aepl-ер]-einc,
inc * œ * pi pi inc 7
epi epi
Av xl Av zy • Эти
где Піпс - поврежденность, соответствующая
окончанию инкубационного периода, Пш - поврежденность для участка активного накопления микроповреждений.
Из анализа зависимости Ау„, от величины
^plrel 5
накопленной относительной деформации где ер1ге1 = ер1/ер1, следует, что в области мало-
2
*
*
-і-
einc
0 500 1000 1500 2000 N -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 Av^
а) б)
Рис. 4. Сталь 08Х18Н10Т: а) зависимости АЯ (1,2) и А'у (3,4) в от количества циклов нагружения N кри-
гу
вые 1,3 соответствуют Авр1=0.2%, кривые 2,4 - Авр1=0.3%; б) корреляционная связь площади петли гистерезиса Я с А'у : кривая 1 соответствует Авр1 = 0.1%, кривая 2 - Авр1 = 0.2%, кривая 3 - Авр1 = 0.3%
цикловой усталости кривые Av zy (eplrel) для циклического нагружения (нагружение с заданной величиной пластической деформации) хорошо
совпадают с кривой Av^ (splrel), полученной при статическом испытании (кривая 4 на рис. 3б)
6pl relcicl * 6pl relstat = 6pl/ePl . Переход в область
многоцикловой усталости (МнЦУ) соответствует существенному их расхождению (кривая 1 на рис. 3б). Для статического испытания деформация gpl соответствует текущей пластической
*
деформации (epl =eplstat), а epl соответствует деформации, при которой образуется шейка
* *
( Epl = Eplstat ). Связь Epl relcicl хорошо аппроксимируется выражением:
Epl rel cicl = k1 + k2plAvzy + k3plAv zy . (6)
Из этого следует, что поврежденность П и ресурс Res материала при указанных выше условиях циклического нагружения в области малоцикловой усталости можно оценить, исходя из данных статических испытаний,
2
П = Epl = Epl stat = k1 + k2plAv zy + k3plAv zy ;
* * * * 2 ? Epl Eplstat k1 + k2plAv zy + k3pl(Avzy )
Rеs = 1-П , (7)
где Av^ - величина Av ^ при разрушении материала, Av^ * 0,01.
На рис. 4а приведены зависимости изменения площади петли AS гистерезиса и изменения коэффициента Avzy от количества циклов
нагружения для первой партии образцов из стали 08Х18Н10Т при малоцикловой устало-
сти. Момент, характерный для начала активной фазы накопления микроповреждений и окончания инкубационного периода, определяется значительным изменением коэффициентов Пуассона.
Для тех же образцов наблюдается хорошая корреляция площади петли гистерезиса S(N) с изменением коэффициента Пуассона Аv ^
(рис. 4б, кривая 1 соответствует Авр1=0.1%, 2 -Авр1=0.2%, 3 - Авр1=0.3%). При линейной аппроксимации коэффициент корреляции R превышает 0,9.
Суммарная энергия ю5, затраченная на упругопластическое деформирование единицы объема материала, учитывая связь площади петли гистерезиса с величиной Аv^, выражается как
1* N 1* N ^ *
юя = |0 5(ЦЖ = |0 ks(Авpl)АVzy(N)dN, 0<ю5 <ю5, где кя (Авр1) - коэффициент, соответствующий углу наклона в кривой на рис. 4б. Предельная величина этой энергии юЯ была постоянной для всех исследуемых образцов. Отношение ю5/юЯ характеризует степень разрушения материала.
3. Исследование эволюции и взаимосвязи структурных и акустических параметров при отжиге ультрамелкозернистого сплава 1421
Исследовалась связь акустических характеристик с параметрами структуры и механическими свойствами сплава 1421 при различных режимах термической обработки (отжиг). Сплав 1421 (основа - А1, 4,5-6,0% М& 1,8-2,3% Ы, 0,% гг,
0,15-0,25% Бс), полученный методом равноканального углового прессования (10 циклов прессования) с последующей теплой прокаткой при Т = 370°С (в = 80%) имел в исходном состоянии
Рис. 5. Корреляционные зависимости структурных параметров и механических свойств с акустическими характеристиками: а) скорости продольной УВ с интегральной шириной рентгеновских линий В по направлению [422]; б) акустической анизотропии А с размером зерна Б; в) микротвердости с максимальным значением затухания атах (в диапазоне температур до 300°С включительно); г) скорости продольной УВ с микротвердостью Нц в диапазоне температур 100°С - 400°С
средний размер зерна Б ~ 0,9 мкм. Образец подвергался последовательному отжигу при различных температуре Т и времени выдержки і: Т = 100°С (і = 2 ч), Т = 150°С (і = 2 ч), Т = 250°С (і = 2 ч), Т = 300°С (і = 2 ч), Т = 400°С (і = 0,5 ч), Т = 450°С (і = 2 ч), Т = 500°С (і = 2 ч). Время и температуру отжига выбирали таким образом, чтобы обеспечить заметные изменения параметров структуры и физико-механических характеристик сплава. После каждого этапа отжига измеряли микротвердость Нц, средний размер зерна Б, межплоскостное расстояние С, параметр решетки а, максимальную интенсивность /шах и интегральную ширину рентгеновских линий В, а также акустические параметры: акустическую анизотропию А, скорости продольных и поперечных упругих волн вдоль и поперек проката и затухание УВ а. Связь акустических характеристик со структурными параметрами и механическими свойствами сплава 1421 приведены на рис 5. Экспериментальная точка, соответствующая начальному состоянию сплава, на рисунках выделена знаком О.
Из анализа результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что процессы, происходящие при отжиге в алюминиевом сплаве 1421 с ультрамелкозернистой структурой, - изменение внутренних напряжений, рас-
пад твердого раствора, выпадение упрочняющих фаз, рост зерна - существенно отражаются на акустических характеристиках материала. Обнаруженная хорошая корреляция акустических характеристик со средним размером зерна, интегральной шириной рентгеновских линий и микротвердостью сплава указывает на перспективность использования акустических измерений для оперативного контроля структурного состояния и механических свойств ультрамел-козернистых сплавов.
Выводы
1. Результаты экспериментальных исследований сталей 08пс, 20, 40, 09Г2С, 08Х18Н10Т, подверженных пластическому деформированию, показали, что изменение величины параметра акустической анизотропии в процессе статического нагружения носит монотонный характер. По данным акустических измерений можно оценить величину произведенной пластической деформации.
2. При упругопластическом циклическом деформировании стали аустенитного класса 08Х18Н10Т происходят структурно-фазовые превращения, которые приводят к изменению коэффициента Пуассона и анизотропии упругих
характеристик материала. Из анализа полученных зависимостей следует, что увеличение площади петли гистерезиса стали 08Х18Н10Т сопровождается увеличением коэффициента Пуассона. Момент, характерный для начала активной фазы накопления микроповреждений и окончания инкубационного периода, определяется значительным изменением коэффициентов Пуассона. Таким образом, с помощью акустических измерений можно контролировать переход накопления повреждений к активной фазе. На основе результатов экспериментальных исследований разработан алгоритм оценки повре-жденности стали 08Х18Н10Т.
3. Исследования влияния термической обработки (отжига) на акустические характеристики сплава 1421 с ультрамелкозернистой структурой показали, что процессы, происходящие при отжиге - изменение внутренних напряжений, распад твердого раствора, выпадение упрочняющих фаз, рост зерна - существенно отражаются на параметрах распространения УВ. Обнаруженная хорошая корреляция акустических характеристик со средним размером зерна, интегральной шириной рентгеновских линий и микротвердостью сплава указывает на перспективность использования акустических измерений для оперативного контроля структурного состояния и механических свойств сплавов с ультрамелкозернистой структурой.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ОАО «ОКБМ Африкантов» Д.Н. Шишули-
ну и Д.А. Захарову за проведение механических испытаний образцов из стали 08Х18Н10Т.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 09-08-00892 и 09-08-00827).
Список литературы
1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972. 308 с.
2. Савин Г.Н., Лукашев А.А., Лыско Е.М. Распространение упругих волн в твердом теле с микроструктурой // Прикладная механика. 1970. Т. 6. Вып. 7. С. 48-52.
3. Sayers C.M. Ultrasonic velocities in anisotropic polycrystalline aggregates // Appl. Phys. 1982. V. 15. P. 2157-2167.
4. Allen D.R., Sayers C.M. The measurement of residual stress in textured steel using an ultrasonic velocity combinations technique // Ultrasonics. 1984. V. 22. № 4. P. 179-188.
5. Hirao M., Aoki K., Fukuoka H. Texture of poly-crystallyne metals characterized by ultrasonic velocity measurements // J. Acoust. Soc. Am. 1987. № 81 (5). P. 1434-1440.
6. Салганик Р.Л. Механика тел с большим числом трещин // Механика твердого тела. 1973. № 4. C. 149-158.
7. Вавакин А.С., Салганик Р.Л. Об эффективных характеристиках неоднородных сред с изолированными неоднородностями // Механика твердого тела. 1975. № 3. C. 65-76.
8. Электростимулированная малоцикловая усталость / Под ред. О.В. Соснина, В.Е. Громова, Э.В. Козлова. М: Недра коммюникейшенс ЛТД, 2000. 208 с.
THE USE OF ULTRASOUND TO ESTIMATE METAL ALLOY STATES UNDER PLASTIC, ELASTOPLASTIC DEFORMATION AND HEAT TREATMENT
V. V. Mishakin, V.N. Perevezentsev, V.A. Klyushnikov, N. V. Danilova
The influence of static and fatigue loading on the acoustic parameters of metal alloys is studied experimentally. An algorithm for estimation of plastic deformation and damage of these alloys using the acoustic data is suggested. The influence of heat treatment (annealing) on acoustic characteristics of alloys with ultrafine grained structure was also investigated to provide control of their structural condition and mechanical characteristics by non-destructive testing.
Keywords: nondestructive testing, plastic deformation, fatigue loading, acoustic parameters, damage, ultrafine grained structure.
