CC BY
16
УДК 539.4.015:620.179.16: 669.14
С. А. Беженов, В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ПАРАМЕТРАМИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В работе представлены результаты исследования связи между параметрами характеристик сопротивления усталости углеродистых сталей с различной технологической наследственностью и параметрами акустической эмиссии (АЭ). Установлено, что АЭ характеристики имеют специфические точки, которые могут быть использованы для определения коэффициента т диаграммы усталости ускоренным неразрушающим методом.
Введение
Успешное решение задачи создания конкурентоспособной конструкции возможно при умении оценить техническое состояние ее элементов и предвидеть возможность их разрушения. Обычно при проектировании конструкций стремятся не допустить предельных состояний их элементов, однако практика изготовления и эксплуатации машин показали, что детали, изготовленные по единой технологии, имеют большой разброс механических свойств, особенно значений долговечности. Поскольку ресурс изделия определяется минимальной долговечностью входящей в него детали, актуальными являются разработки простых и надежных неразрушающих методов контроля технического состояния каждой конкретной детали. Одним из эффективных методов такого контроля является метод акустической эмиссии (АЭ), который основан на регистрации излучаемых материалом механических волн, вызванных внутренней динамической локальной перестройкой структуры материала, определяющей его механические свойства.
Постановка задачи
В предисловии редактора книги [1] относительно проблемы использования неразрушающих методов контроля технического состояния конструкционных материалов справедливо отмечается, что испытания материалов дают сигналы, которые богаты информацией, но многие из них воспринимаются как бы выраженными на иностранном языке, словарь которого неизвестен. Задача исследователей заключается в том, чтобы найти ключи, позволяющие преодолеть языковые барьеры, существующие между учеными и технологами, а также еще более высокие барьеры между технологами и их администрацией.
Целью данной работы является исследование связи между параметрами характеристик сопротивления усталости углеродистых сталей и параметрами АЭ. Согласно [2], способность материалов сопротивляться усталостному разрушению оценива-
ется более чем двадцатью характеристиками, которые получают по результатам испытаний на усталость путем построения кривой усталости - графического изображения зависимости между уровнем действующих напряжений ста и числом циклов N до разрушения. При этом, основной характеристикой является предел выносливости, определение которого требует больших затрат времени, а также материальных и трудовых ресурсов.
Ранее проведенными исследованиями [3] установлено, что основным репрезентативным параметром, характеризующим сопротивление усталости, является показатель степени т в уравнении
диаграммы усталости N • стат = С . Указанный параметр с геометрической точки зрения является тангенсом угла наклона диаграммы усталости к оси напряжений, а с энергетической точки зрения представляет собой относительную энергию дилатации объема одного грамм-атома циклически нагружаемого материала, которая вызывает пластическую деформацию части этого объема, обусловливающую процесс деструкции материала и приводящую к катастрофическому разрушению последнего при пороговом значении коэффициента С .
Поскольку акустическая эмиссия связана с освобождением энергии в твердых телах в результате внутренней динамической локальной перестройки структуры материала, обусловленной его деформацией, следует ожидать достаточно тесную связь параметров АЭ с основным параметром, характеризующим сопротивление усталости, - коэффициентом т .
Следует отметить, что акустическая эмиссия характеризуется различными параметрами: энергией сигнала, амплитудой сигнала, числом импульсов, суммарным счетом АЭ, интенсивностью АЭ, скоростью счета и др., которые по-разному отражают процессы усталости разных материалов. В работе [4] на основании сравнения АЭ характеристик сплава никеля и кинетических диаграмм его усталостного разрушения показано, что процессы
© С. А. Беженов, В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов, 2007
деформирования сплава при его монотонном на-гружении до условного предела текучести, как и процессы усталостного его разрушения, носят стадийный характер. Смена стадий обоих процессов обусловлена сменой напряженного состояния деформируемых объемов материала, причем оба процесса проходят стадии, характеризующиеся одинаковыми уровнями локального напряженного состояния микрообъемов деформируемого материала, что свидетельствует о подобии рассматриваемых процессов. Это дает возможность использовать метод АЭ для разработки адекватной модели усталостного разрушения конструкционных материалов, позволяющий неразрушающим способом определять техническое состояние деталей машин и прогнозировать их долговечность.
В данной работе исследовалась связь между коэффициентом т и параметрами АЭ характеристик углеродистых конструкционных сталей с различной технологической наследственностью в процессе их монотонного нагружения и циклического деформирования.
Материал и методика испытаний
Исследовались образцы из углеродистых сталей (сталь 20 и сталь 45) в состоянии поставки (СП) и после поверхностной пластической деформации стальными шариками, колеблющимися с ультразвуковой частотой (ультразвуковое упрочнение, УЗУ). Коэффициент т уравнения диаграммы усталости определялся методом испытаний на усталость по методике, изложенной в работе [5], где также приведены размеры и форма образца.
Исследовались зависимости числа импульсов
NАЭ и суммарного счета N^АЭ от напряжений при монотонном нагружении образцов на устройстве, схема которого приведена в [5]. Исследовалась также зависимость скорости суммарного счета
А^АЭ от амплитуды циклических напряжений при динамическом нагружении консольно закрепленных образцов введением их в резонансные колебания на вибростенде ВЭДС-200. В данных исследованиях с использованием АЭ контроля применялся преобразователь АЭ с практически равномерной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне от 0,1 до 0,8 МГц. Коэффициент усиления АЭ аппаратуры составлял 74 дБ.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты ранее проведенных испытаний на усталость [6, 7] показали, что при построении диаграмм усталости с использованием общего полюса для сталей одного химического состава наклон диаграмм усталости к оси ординат с увеличением содержания углерода в стали, а также после УЗУ увеличивается. Значения коэффициента т , характеризующего наклон диаграмм усталости к оси
напряжений, для исследованных сталей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения коэффициента т для образцов из сталей 20 и 45 в различном техническом состоянии
Сталь 20 Сталь 45
СП УЗУ СП УЗУ
6,72 7,54 8,55 10,37
Повышение сопротивления усталости с увеличением содержания углерода, очевидно, связано с возникновением полей больших напряжений в окрестности растворенных атомов углерода в решетке матрицы, которые, взаимодействуя с компонентами полей напряжений дислокаций, тормозят их движение. Чем больше растворенных атомов углерода, тем больше таких препятствий, и тем сильнее эффект упрочнения. Существенное повышение сопротивления усталости образцов из углеродистых сталей после УЗУ свидетельствует о действии механизма упрочнения за счет взаимного блокирующего действия полей напряжений дислокаций.
На рисунке 1 показаны различные АЭ характеристики углеродистых сталей, из которых видно, что зависимости числа импульсов и суммарного счета АЭ от напряжений при монотонном нагружении материала, а также скорости суммарного счета АЭ от амплитуды циклических напряжений имеют одинаковый характер. На всех трех АЭ характеристиках имеет место увеличение интенсивности соответствующего параметра АЭ при достижении некоторого значения напряжения, увеличивающегося с увеличением содержания углерода, а также после упрочняющей обработки.
Исходя из природы АЭ, можно считать, что параметр суммарного счета АЭ характеризует интенсивность деформационных процессов в микрообъемах материала при определенном напряжении, а число импульсов связано с количеством активированных микрообъемов материала. Тогда существенный рост обоих параметров АЭ после некоторого порогового напряжения свидетельствует о существенном росте как деформационных процессов в микрообъемах материала, так и количестве этих активированных микрообъемов материала, что обусловливает интенсивный процесс усталостного разрушения этого материала.
2,0
1,5
— 1,0
0,5
.3?
т ^
я о и л
Ч ^
В
2,0
1,5
1,0 —
0,5
1,5
2,0
2,5
1,5
2,0
2,5
1,5
2,0
2,5
— 2
1
1,5
2,0
2,5
£ .5?
т ^
н о
г
и
2 я а
се
и
Л
.5?
т ^
й н о
г
и
о -
о я а
се
и л н и о а о
а
и
1,5
2,0
2,5
напряжения, а
а - сталь 20
б - сталь 45
Рис. 1. Акустико-эмиссионные характеристики образцов из углеродистых сталей с различной технологической
наследственностью:
1 - состояние поставки; 2 - после УЗУ
4
3
0
Все три приведенные АЭ характеристики исследованных материалов показывают, что значения каждого параметра АЭ, измеренные при некотором фиксированном уровне напряжения, снижаются как с увеличением содержания углерода, так и с наличием упрочняющей поверхностной обработки. Такое поведение параметров АЭ достаточно хоро -шо коррелирует со значениями коэффициента т диаграммы усталости для соответствующих материалов и видов их обработки: чем выше уровень параметра АЭ для фиксированного значения напряжения, тем меньше значение коэффициента т .
Установленная связь параметров АЭ с коэффициентом т диаграммы усталости углеродистых сталей с различной технологической наследственностью дает возможность оценивать техническое состояние материала по значению характерного параметра АЭ при нагружении материала до некоторого напряжения, близкого к пределу текучести. Для установления количественной связи параметров АЭ с параметрами сопротивления усталости необходимы дальнейшие исследования. Представляет научный и практический интерес исследование связи параметров АЭ конкретных изделий с их прочностными характеристиками, что способствует как решению задач теории усталостного разрушения конструкционных материалов, так и разработке простых методик более точных расчетов их прочностных характеристик. Таким образом, для обеспечения заданного ресурса изделия в целом создается возможность идентифицировать нераз-рушающим методом АЭ составляющие его элементы, имеющие низкие значения характеристик сопротивления усталости, и не допустить их к эксплуатации без соответствующего упрочнения.
Выводы
1. Показано, что показатель степени т , характеризующий механизм усталостного разрушения, принимает дискретные значения в зависимости от содержания углерода в материале и вида технологической наследственности.
2. Показано, что коэффициент т диаграммы усталости углеродистых сталей с различной технологической наследственностью достаточно хорошо коррелирует с параметрами АЭ.
3. Установлено, что АЭ характеристики имеют
специфические точки, которые могут быть использованы для определения коэффициента m ускоренным неразрушающим методом.
Перечень ссылок
1. Методы неразрушающих испытаний. Физические основы, практические применения, перспективы развития / Пер. с англ. под ред. Р.Шарпа. - М.: Мир, 1972. - 494 с.
2. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения
- М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.
3. Беженов С.А. Некоторые аспекты теории усталостного разрушения металлических материалов /Deformation & Fracture of materials - DFM2006: Book of articles, ed. by Yu.K.Kovneristiy et al. -Moscow: Interkontakt Nauka, 2006. - С. 58-61.
4. Беженов С.А. Сравнительный анализ кинетики деформирования сплава никеля в процессе монотонного нагружения и роста усталостной трещины // Фiзичнi методи та засоби контролю середовищ, матерiалiв та виробiв (серiя), вип. 8: Неруйывний контроль та дiагностика неодно-рщних об'екпв; Зб. наук. праць. - Львiв: Фiзико-мехаычний Ыститут iм. Г.В.Карпенка НАН УкраТ-ни, 2003. - С. 48-52.
5. Беженов С.О. Методика дослщження поверх-невого шару конструкцмних матерiалiв методом акустичноТ емiсiТ' //Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннк - 1999.
- № 1. - С.16-19.
6. Беженов С.А., Беженов А.И., Коцюба В.Ю., Пахолка С.Н. К вопросу оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов //Вестник двигателестроения. -2004. - № 4. - С. 66-71.
7. Беженов С.А., Коцюба В.Ю., Пахолка С.Н., Беженов А.И. Методологические аспекты оценки характеристик сопротивления усталости малолегированных конструкционных сталей // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 2. - С. 49-53.
Поступила в редакцию 27.06.2007
В робот1 наведено результати досл1дження зв'язку мж параметрами характеристик опору втом i вуглецевих сталей, що мають р 'зну технолог1чну спадков1сть, та параметрами акустично!' ем'ю'и (АЕ). Встановлено, що АЕ характеристики мають специфiчнi точки, як можуть бути використанi для визначення коефiцieнта m дiаграми втоми при-скореним неруйнуючим методом.
The results of investigation of the correlation between the fatigue fracture parameters of the specimens made of structural steels having various processing inheritance and the acoustic emission (AE) parameters have been presented. It has been determined that the AE characteristics have the specific points can be used for defining the ratio m of the fatigue diagram via rapid nondestructive method.
