Исследование связи твердости со скоростью ультразвука в стали 50ХФА

Цель статьи заключается в рассмотрении связи твердости со скоростью ультразвука для стали 50ХФА. При проведении экспериментальных работ в лабораторных условиях вуза были использованы резонансный метод для измерения скорости упругих колебаний основанный на частотном резонансе, а также использовалась методика Виккерса для измерений твердости металла. По сопоставлению и анализу данных было выявлена корреляционная связь между этими параметрами.

Введение

Исследование связи твердости со скоростью ультразвука для разных видов металлов являются немаловажной частицой в конструкции неразрушающего контроля. Методы акустического контроля дают возможность контролировать лишь те характеристики материала, которые воздействуют на состояние режимов колебаний ОК, отражение, возбуждение, прохождение и преломления упругих волн. Это волновые сопротивления, коэффициенты поглащения, затухания и рассеяния, механический импеданс, уровень обратного рассеяния, скорость распространения различных типов упругих волн. Если контролируемое свойство имеет с измеряемым акустическим параметром четкую аналитическую связь, оно может быть определено с высокой точностью. Так все три упругих постоянных (модуль Юнга E, модуль сдвига G, коэффициент Пуассона V) однозначно определяются по измеренным значениям скоростей распространения продольной или поперечной волны.

Однако большинство физических-механических свойств (включая прочность) связаны с акустическими параметрами только корреляционными зависимостями, теснота которых определяется выбором того или иного измеряемого параметра. В нашем случае мы сопоставили показатели скорости распространения продольной волны на приемниках пьезопреобразователей после различных режимах термообработки с медленным отпуском на воздухе с величинами механических характеристик.

Обзор литературы

Рассмотрены работы по экспериментальному исследованию связи скорости ультразвука и механических свойств металлов Муравьева В.В. и И.М. Полетика, А.В. Шарко. На основании анализа существующих литературных данных сделан вывод об актуальности и реальной возможности исследования связи твердости и связанных с ней параметров с изменением структурного со­стояния металлов и сплавов и скоростью ультразвука в них с целью выра­ботки рекомендаций по методике неразрушающего контроля твердости и связанных с ней структурных параметров.

Термическая обработка, закалка, отпуск, легирование, отжиг, образование карбидов (в том числе в процессе эксплуатации), другие процессы в стальных сплавах ведут к искажениям кристаллической решётки, изменению плотности дислокаций, их вида, содержания отдельных фазовых составляющих, размера зёрен и т.п.

При процессах старения или при отпуске распад пересыщенного твёрдого раствора приводит к уменьшению искажений кристаллической решетки. В результате этого растут упругие модули, и уравновешивается структура.

Предел прочности s – это максимальное механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала, подвергаемого деформации. По значениям твёрдости по Бринеллю НВ можно определить s – временное сопротивление при растяжении:

s = НВ                                                            (1)

Согласно формуле (1), для большинства материалов при процессах старения или при отпуске временное сопротивление увеличивается при росте твёрдости.

Таким образом, при деформации в процессе активного растяжения металла имеет место линейная зависимость изменения s – временного сопротивления при растяжении от значений твёрдости по Бринеллю НВ.

В работах под руководством А.В. Шарко [1], выявлено увеличение скорости распространения ультразвука в алюминиевых сплавах, сварных швах стали, связанных с увеличением времени и температуры старения (отпуска) и при отжигах. На скорость ультразвука в металле воздействуют многие факторы, определяющие состояние металла. Анализ данных, полученных в работах под руководством А.В. Шарко, свидетельствует об увеличении скорости распространения ультразвука в сварных швах стали при увеличении времени и температуры старения (отпуска) и при отжигах. Было проведено исследование изменения скорости ультразвука при процессах старения или при отпуске стали 40Х13. Состав высокохромистой нержавеющей стали 40Х13 приведён в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав исследованной стали 40Х13

Для образцов стали 40Х13 получены данные об изменении относительной скорости ультразвука  от величины относительного действующего напряжения , где  – временное сопротивление при растяжении. Используя безразмерные координаты  и , получаем линейную зависимость:

                                                   (2)

где: константы a и b определяются экспериментально.

Таким образом, при деформации в процессе активного растяжения стали 40Х13 имеет место линейная зависимость изменения относительной скорости ультразвука  от величины относительного действующего напряжения . Изменения скорости ультразвука при деформации определяются поведением подвижных дислокаций, участвующих в процессах скольжения.

Общим для исследований является следующее: для разных объектов, для разных видов напряжённого состояния с увеличением времени и температуры старения (отпуска) и при отжигах выполняется соотношение:

,                                                                     (3)

где: 

С – изменение скорости ультразвуковой волны;

– коэффициенты пропорциональности (акустоупругие коэффициенты);

  = F/S – напряжения.

Таким образом, скорость ультразвука зависит от напряжений в материале, для большинства материалов скорость ультразвуковых волн увеличивается при росте напряжений.

Результаты исследования

Для экспериментальных работ выбрана сталь 50ХФА калиброванный конструкционный который является довольно популярным изделием металлопроката, применяется в строительстве различных конструкций, производстве деталей во многих сферах. Относится к конструкционно рессорно-пружинному классу. Химический состав представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Химический состав исследованной стали 50ХФА

Рисунок 1. Зависимость скорости ультразвука от твердости стали 50ХФА

Изменение структуры сталей при термической обработке в разных металлах можно увидеть по разному, если внимательно рассмотреть свежий излом стального изделия, то можно увидеть что поверхность состоит из большого количества зерен крепко связанных между собой. Величина зерен различна – одни различимы под лупой, а другие достаточно крупны и их можно рассмотреть простым глазом. Каждое зерно состоит из мельчайших частиц атомов – которые расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку.

Расположение атомов изменяется в зависимости от температуры нагрева. При нагревании железа до температуры 900ºС атомы располагаются в виде куба образуя так называемую кристалическую решетку альфа-железа. Если нагревать свыше 900ºС происходит перегруппировка атомов и кристалическая решетка представляет собой решетку гамма-железа [4, c. 15].

В сталях это превращение происходит при более низких температурах (723ºС) чем в чистом железе, так чо температуру термообработки условно было взято 700ºС с временем выдержки 1 час.

При медленном охлаждении происходит перестройка кристалической решетки и от нее зависит свойства металла. При быстром охлаждении применяется отпуск, который заключается в повторном нагревании стали, но при медленном охлаждении при 700ºС аустенит превращается в перлит, что дает нам понижение твердости на 1–2 единицы, но зато повышается вязкость и снимаются внтуренние напряжение.

Заключение

Структурными исследованиями выявлено, что увеличение упругих модулей и соответствующее им уравновешивание структуры происходит за счёт протекания следующих процессов: преобразования винтовых дислокаций в геликоидальные и роста дислокационных призматических петель в сплавах; образования дефектов, соответствующих разным стадиям старения сплавов; распада мартенсита и остаточного аустенита с выделением карбидов в сталях.

Сопоставляя выводы по формулам (1) что для большинства материалов при процессах старения или при отпуске временное сопротивление увеличивается при росте твёрдости, также по формуле (3) о том, что скорость ультразвуковых волн увеличивается при росте напряжений, сопоставляя их по общему параметру относительного действующего напряжения можно предположить что при увеличении времени и температуры старения (отпуска) и при отжигах металла скорость ультразвуковых волн увеличивается при росте твёрдости. По результатам проведенных экспериментальных данных корреляционная связь скорости ультразвука с твердостью для стали 50ХФА составило  c коэффициентом корелляции , что также потверждает этот факт, а также модельные представления в работе Муравьева В.В., И.М. Полетика указывающее на линейную связь скорости ультразвука с твердостью [2; 3].