ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА С МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ЛИТОЙ СТАЛИ

RESEARCH COMMUNICATION ULTRASONIC VELOCITY WITH THE MECHANICAL PROPERTIES OF CAST STEEL

Alexandr Pavlov

candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Physics and the East Kazakhstan state university of technology it. S. Amanzholov, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Alexandr Pavlov

master of Science, Head of Laboratory of technical diagnostics and control “Vostokmashzavod” JSC,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Almira Zhylkashynova

candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Laboratory of energy saving and alternative energy a national scientific laboratory for communities EKSU S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Zarina Satbaeva

master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University, S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

АННОТАЦИЯ

Настоящая научная работа посвящена исследованию связи скорости ультразвука с пластическими характеристиками и ударной вязкостью литой стали 20ГЛ, в структурно-неоднородном состоянии.

Одной из важнейших задач в физике твердого тела является поиск новых методов контроля и закономерностей в модели поведения физических характеристик металлов при внешнем энергетическом воздействии на них.

По результатам эксперимента выявлена математическая зависимость, позволяющая определить значение ударной вязкости по скорости ультразвука в металле и модулю упругости.

ABSTRACT

This scientific work is devoted to the study of communication ultrasound velocity with plastic properties and toughness cast steel 20GL in structurally inhomogeneous state.

One of the major problems in solid state physics is the search for new control methods and patterns in the behavior patterns of the physical characteristics of metals in the external radiation on them.

According to the results of the experiment revealed mathematical relationship, which allows to determine the toughness of the value of the speed of ultrasound in the metal and elastic modulus.

Ключевые слова: ударная вязкость, скорость ультразвука, модуль упругости, сталь 20ГЛ, неразрушающий контроль.

Keywords: toughness, speed of ultrasound, the modulus of elasticity, 20GL steel, non-destructive testing.

Введение.

Непрерывно возрастающий уровень требований к качеству деталей предполагает развитие новых, более точных методов неразрушающего контроля механических свойств сталей. Ударная вязкость при пониженной температуре, является определяющим параметром при оценке качества деталей эксплуатируемых при экстремальных температурных условиях и знакопеременных нагрузок.

Внутренние напряжения металла оказывают решающее влияние на механические свойства деталей, в частности на ударную вязкость, твёрдость, предел прочности и текучести. Зная комплекс физико-механических свойств, и внутренние напряжения, можно судить о поведении детали в конкретных условиях. При измерении ударной вязкости разрушающим способом можно лишь приближенно охарактеризовать склонность всего изделия к хрупкому разрушению, так как испытанию подвергается образец, вырезанный из конкретной части детали или треф пробы, которая в свою очередь не имеет отношения к самой детали. Неразрушающие испытания дают возможность провести измерения скорости ультразвуковой волны и тем самым значения ударной вязкости почти в любом месте изделия, что очень важно, например, для таких деталей как рама боковая и балка надрессорная.

Методы неразрушающего контроля ударной вязкости и упругости в настоящее время рассмотрены для конструкционных сталей перлитного класса в виде кованых заготовок и проката [7], для малоуглеродистых и низколегированных сталей после прокатки и термической обработки [5]. В работе [4] было проведено изучение корреляционных зависимостей между скоростью ультразвука, твердостью и ударной вязкостью в горячекатаной листовой стали 09Г2С. В отличие от вышеприведенных проката и кованых заготовок, неоднородность структуры литого металла снижает точность ультразвукового контроля указанных характеристик. Данная тематика частично рассмотрена в работе [1], где предлагается акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля внутренних дефектов литых деталей подвижного состава.

Методика проведения анализа.

Скорость распространения продольной ультразвуковой волны, генерируемой преобразователем с частотой 4 MHz, определяли на приборе УЗТ А 1209, используя режим калибровки на заданную толщину металла. Для чего, были изготовлены образцы с концентратором KCU и KCV, согласно ГОСТ 9454 [2] с разных плавок стали марки 20ГЛ, в количестве 20 шт., затем, на образце замеряли скорость распространения продольной и поперечной ультразвуковой волны при комнатной и пониженной температуре. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре IMPACTP-300 с автоматической системой управления.

Статические испытания на растяжение цилиндрических образцов диаметром 10 мм проводили при комнатной температуре на машине одноосного статического нагружения “WAW-600C” с записью диаграмм растяжения в соответствии с ГОСТ 1497 [3], с измерением физического предела текучести, временного сопротивления, относительного равномерного удлинения и сужения.

Результаты исследований и их обсуждение.

Согласно проведенным исследованиям [7] ударная вязкость KCU связана с работой упругопластической деформации до появления трещины и с работой расширения трещины на все сечение образца. Ударная вязкость KCV, примерно равна второй работе. Таким образом, формула для ударной вязкости:

,                                                            (1)

где: ,  и – константы, определяемые из опыта. В [5] предлагается похожая формула связи КCU и V:

.                                                                           (2)

Здесь  – скорость поперечной волны.

Формулу (1) можно обосновать термодинамически. Первый закон термодинамики гласит, что изменение энергии системы равно работе внешних сил и полученному количеству теплоты:

.                                                                              (3)

Испытание на ударную вязкость осуществляется ударом. Следовательно, процесс разрушения образца можно считать адиабатическим. Тогда  и . Энергия  отличается от  не только температурой, но и другим расположением точек равновесия атомов, и энергией остаточной деформации:

,                                                                                                                        (4)

где:  и - средние значения остаточных напряжений и деформаций, а  и  – константы. Тогда, заменяя  через (, где  - модуль упругости), получаем:

                                                                      (5)

где:  и  – постоянные, определяемые из опыта. Модуль упругости связан со скоростью звука известным соотношением:

,                                                                                 (6)

где:  – плотность стали.

Формула (5) получается и из диаграммы растяжения образца (рис. 1).

Рисунок 1. Типичная диаграмма растяжения стали 20ГЛ. Указаны координаты эллиптической функции отклика [6]

Линейный участок диаграммы описывает упругую деформацию, которая растет согласно закону Гука . Деформация будет оставаться упругой до предела текучести . Следовательно, работа внешней силы на этом участке будет:

.                                                                           (7)

Участок АВ описывает упруго-пластическую деформацию. Как показано в [6] этот участок диаграммы можно моделировать эллипсом с полуосями  и .

Работа внешней силы на этом участке будет определяться площадью прямоугольника со сторонами  – ,  и 0,25 площади эллипса (0,25):

                                (8)

Нисходящий участок диаграммы ВС, описывающий разрушение образца, тоже моделируется эллипсом с полуосями:  и . Значит, работа внешних сил на этом участке будет:

                                                        (9)

Согласно определению ударной вязкости она равна отношению работы деформирования и разрушения к площади сечения образца. Полная работа деформирования равна

,

где:  – объем тела. В нашем случае , где  – длина образца, S – площадь поперечного сечения. Следовательно:

.

Сложив (7), (8) и (9) получим полную работу  внешних сил:

.

Поскольку диаграммы получались при растяжении образца, а разрушение образца при определении ударной вязкости происходит при деформации изгибом, то в предыдущей формуле необходимо поставить коэффициент пропорциональности, т. е.

                                                               (10)

Используя (7), (8) и (9), для  получаем:

Используя опытные данные для соответствующих значений  и , приходим к следующей формуле, связывающей ударную вязкость и скорость звука

                                                           (11)

Здесь  – предел текучести. Как показано в [7], этот предел можно определить серийным дефектоскопом.

В качестве доказательства работоспособности данной формулы было проанализировано около 50 образцов с разных плавок, методом сравнения показаний маятникового копра и значений, полученных расчетом по формуле (11). Установлено, что при значении ударной вязкости определенной на маятниковом копре в пределах 14–24 Дж/см², погрешность измерения составляет около 15 %, что конечно недопустимо. Однако в пределах от 24 до 50 Дж/см², выведенная формула достаточно точно отражает реальное значение ударной вязкости с погрешностью порядка 3 %.

Например: образец плавки № 311 имеет значение , , подстановка этих чисел в формулу (11) дает  Дж/см², значение определенное по маятниковому копру – 43,0 Дж/см². Образец плавки № 238 , , , значение по маятниковому копру – 37,2 Дж/см².

Так как при получении формулы (11) использовалась полная работа деформации и разрушения, следовательно, данную формулу можно использовать как для измерения KCV так и для KCU, с учетом изменения коэффициентов.

Выводы:

1.  Полученная формула (11), в сочетании с указанной методикой замера скорости продольной ультразвуковой волны вполне могут быть использованы при оценке ударной вязкости стали 20ГЛ, в интервале значений от 24 до 50 Дж/см².

2.  Достаточно простая реализация данного метода, дает возможности разработки малогабаритной аппаратуры с последующим созданием методики контроля ударной вязкости по частотным и временным характеристикам, при пониженных температурах. Данный метод позволит избежать трудности с изготовлением образцов с V-образным надрезом, контролем геометрических размеров и тем самым повысить точность измерения значения ударной вязкости. Также положительными факторами будет экономия металла, трудовых и временных ресурсов для изготовления образцов.

Список литературы:

1. Бобров А.Л. Повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / СГУПС. – Новосибирск, 2000. – 142 с.

2. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

3. ГОСТ 1497-87 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

4. Зуев Л.Б., Полетика И.М., Ткаченко В.В., Громов В.Е. Ультразвуковой контроль механических свойств стали в структурно-неоднородном состоянии. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Вестник ТГУ, т. 5, вып. 2–3, Томск, 2000 г.

5. Куликова О.А. Разработка методики ультразвукового контроля ударной вязкости горячекатаной листовой стали: Дис. Канд. тех. наук: 05.16.01/ТГПУ. – Томск, 2000. – 109 с.

6. Павлов А.М., Павлов А.В. Особенности упругопластической деформации стали 20ГЛ. // Локомотивы. ХХI век: материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения д.т.н., профессора В.В. Стрекопытова, Санкт-Петербург, 17–19 ноября 2015 – С. 100–105.

7. Сухарев Е.М. Исследование связи скорости ультразвука с ударной вязкостью и разработка методики контроля качества конструкционных сталей: дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / НГТУ. – Новосибирск, 2000. – 132 с.