Оценка механических свойств исходного материала пружинного производства методом акустической эмиссии

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 534.6.08

Оценка механических свойств исходного материала пружинного производства методом акустической эмиссии

А. В. Титов

В настоящее время на предприятиях, занимающихся изготовлением пружин, на стадии входного контроля проводятся испытания, которые отличаются повышенной трудоемкостью. В связи с этим актуальность имеет разработка методики, позволяющей с высокой точностью, без больших затрат определить качество исходного материала. Интерес для решения этой задачи представляют неразрушающие методы контроля, в частности метод акустической эмиссии.

Для установления закономерностей между параметрами акустической эмиссии и механическими характеристиками титанового сплава ВТ23 выполнено экспериментальное исследование, заключающееся в растяжении образцов до разрыва с одновременной регистрацией сигналов акустической эмиссии. Анализ результатов исследования показал возможность применения метода акустической эмиссии для оценки механических характеристик исходных заготовок (например, для определения предела текучести).

Ключевые слова: упругие элементы, пружины, производство, качество, исходный материал, метод акустической эмиссии, механические свойства, методика.

Введение

Упругие элементы широко применяют в машиностроении в качестве амортизаторов, буферных устройств, аккумуляторов энергии, элементов конструкций, обеспечивающих растяжение или сжатие других деталей. Пружина — упругий элемент, предназначенный для накапливания или поглощения механической энергии. По конструктивному исполнению различают пружины (рис. 1) витые, спиральные, пластинчатые, тарельчатые и др.

Основным материалом для изготовления пружин служит рессорно-пружинная сталь марок: сталь 70, сталь 65Г, сталь 55С2, сталь 50ХФА, сталь 60С2А и т. д. При этом перспективным является изготовление пружин из титановых сплавов ВТ16, ВТ32, ТС6. Титан обладает меньшей плотностью, чем сталь, и, как следствие, меньшей массой. Этот фактор

имеет большое значение для некоторых разновидностей ответственных изделий, например работающих в космосе или глубоко под водой. Кроме этого, титан обладает повышенной коррозионной стойкостью и стойкостью работы в агрессивных средах. Ввиду того что титан существенно дороже, чем сталь, при его использовании неизбежно ужесточаются требования к потерям металла вследствие несовершенства технологического процесса изготовления пружин и низкого качества исходного материала.

Качество пружин во многом зависит от качества исходного материала. Исходный материал должен отвечать требованиям стандартов по размерам, макроструктуре, микроструктуре, механическим свойствам, химическому составу. Используемые в настоящее время на предприятиях-изготовителях пружин методики для определения качества исходного

а)

б)

О

-I 2

в)

г)

Рис. 1. Пружины: а — витые; б — тарельчатые; в — спиральные; г — пластинчатые

материала являются трудоемкими, предусматривают использование специализированного лабораторного оборудования и основаны на выборочной оценке качества поступившей партии исходного материала.

По результатам оценки качества выборки делается заключение о качестве всей приобретенной партии металла [1].

На стадии входного контроля для оценки механических свойств проводят испытания металлических образцов на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84, СТ СЭВ 471-88), ГОСТ 10446-80, ГОСТ11701-84. Определяют такие механические характеристики, как: предел пропорциональности, условный предел упругости, условный или физический предел текучести, временное сопротивление (предел прочности), сопротивление разрыву.

Актуальность имеет совершенствование существующих методик определения механических свойств исходного материала в направлении снижения трудоемкости и увеличения объема проверяемой продукции. Интерес для решения этой задачи представляют неразру-шающие методы контроля качества и, в частности, метод акустической эмиссии.

Акустической эмиссией (АЭ), называется излучение материалом механических волн, вызванное внутренней динамической локальной перестройкой его структуры. Акустико-эмиссионный метод - это метод контроля

состояния материала и определения местоположения дефектов, основанный на выделении и анализе параметров сигналов акустической эмиссии [2-5].

Физическая сущность метода акустической эмиссии заключается в том, что при возникновении и протекании каких-либо процессов внутри нагруженного материала (зарождении и развитии дефекта, внутренней перестройки структуры) происходит выброс энергии. Часть энергии преобразуется в звуковую энергию, распространяющуюся по объему тела в виде механической волны. Механическая волна воспринимается пьезоэлектрическим датчиком, установленным на образце, и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на прибор, обрабатывается в нем и отображается в специализированной компьютерной программе в виде различных параметров акустической эмиссии.

Если на объекте установить несколько датчиков, то по времени дохода звуковых волн до каждого из них определяют точные координаты источника сигнала акустической эмиссии.

В рамках решения задачи, связанной с разработкой новой методики оценки качества исходного материала пружинного производства, в Балтийском государственном техническом университете им. Д. Ф. Устинова («Военмех») проведено экспериментальное исследование акустической эмиссии.

Экспериментальное исследование

В ходе экспериментального исследования проведены испытания на растяжение плоских образцов из сплава ВТ23 с акустико-эмиссионным сопровождением. Цель исследования заключалась в нахождении закономерностей между параметрами механических свойств исходного материала и параметрами акустической эмиссии. Исследование проводили на испытательной машине Shimadzu серии АО-Х. Для регистрации сигналов акустической эмиссии применяли акустико-эмиссионную систему «Локтон-2004», состоящую из прибора, предусилителя сигналов акустической эмиссии, пьезоэлектрического датчика и компьютера. В настройках прибора для регистрации сигналов акустической эмиссии устанавливались следующие технические характеристики:

- уровень дискриминации (порог восприимчивости сигналов) - 39 дБ;

- частота пропускания - 100 - 200 кГц;

- сбор данных - без лоцирования (один датчик);

- параметр шероховатости поверхности Яг — не более 70 мкм;

- усиление предварительного усилителя — 40-60 дБ.

Схема установки образцов с датчиком приведена на рис. 2.

Образцы изготовлены в соответствии с ТУ 1-5-325-75 на листы из титанового сплава ВТ23 (рис. 2, а).

По результатам экспериментального исследования построены совмещенные графические зависимости напряжений а и суммарной АЭ N от удлинения образцов А1 [4, 5]. Анализ научных исследований указывает на то, что интенсивность излучения сигналов АЭ для

а)

1 —ь 0

60 3

20 45

190

б)

Рис. 2. Схема установки образцов на растяжение с регистрацией сигналов акустической эмиссии: а — образец и схема установки образца; б — испытательная машина Shimadzu; в — система АЭ «Локтон-2004»; 1 — датчик АЭ; 2 — плоский образец; 3 — захваты

0

а)

Гроницо анализа Напряжение О МПа Суммарная АЗ N. имаипьс

(Т 887 1816

<7 00! 904 2210

1045 11895

Ов 1137 30464

б)

а МПа

то юоо

900 800\ 700\ 600\ 500\ 400 300 200\

П

Ш1

М Ю'ит

33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3

Граница смшза Напряжение О МПа Суммарная АЗ N. импильс

От 805 55320

Оош 856 60317

СВ.2 - -

а? 926 68214

0,1 0,2 0,3 ОЛ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 ¡3 1,4 !5&1,ММ

А ш.

1100 1000 Нт, /

V у'

900 / •1 <Т;

800 700 600 500 400 г шсЛ

щ иг 3 1 г

щ

ш

к

300  в

200 ПО  в

N Юимп. 66 60 Я 48 1*2 36 30 24 18 12 6

ОЛ 0.2 0.3 ОА 0.50,60,7 0,80.9 1 1,1 ¡2 1.3 1.4 1.5 М,мм

Рис. 3. Результаты механических испытаний на растяжение плоских образцов с регистрацией сигналов АЭ (состояние поставки, нагартованные, без предварительного отжига): а — образец 1; б — образец 2

различных материалов и способов их обработки различна. Увеличение интенсивности излучения АЭ наблюдается на разных этапах деформирования образцов, в зависимости от их марки и способа обработки [6]. На рис. 3 приведены результаты исследования на растяжение образцов из титанового сплава ВТ23 в состоянии поставки (нагартованные) без предварительного отжига.

По результатам исследования установлено, что характер излучения сигналов АЭ для образца 1 существенно отличается от образцов 2-4. При достижении напряжениями значения временного сопротивления разрыву ав уровень сигналов АЭ для образца 1 Ив1 = 30 464 импульсов, что значительно меньше, чем у образцов 2-4 — Ыв2 = = 68 214, Ив3 = 94 022, = 85 556 импульсов соответственно. В то же время прочность образца 1 выше, чем у образцов 2-4. Получены следующие значения параметра ав для разных образцов: 1 — 1137 МПа, 2 — 926 МПа, 3 — 959 МПа, 4 — 1094 МПа.

В процессе исследования установлены следующие значения относительного удлинения 5 для разных образцов: 1 — 2,5 %, 2 — 1,4 %, 3 — 1,5 %, 4 — 1,6 %. Таким образом, наибольшей пластичностью обладает образец 1, для которого зарегистрировано наименьшее число сигналов АЭ.

У образцов 2-4 в процессе растяжения наблюдается равномерное нарастание сигналов АЭ, а у образца 1 имеет место разная интенсивность излучения сигналов АЭ на разных участках диаграммы. На участке от начала растяжения до значения условного предела упругости ^0,05 интенсивность сигналов АЭ значительно меньше, чем на участке от условного предела упругости ^0,05 до предела прочности ав. Уровень сигналов, зарегистрированный при достижении условного предела упругости ^0,05, у образца 1 примерно в 30 раз меньше, чем у образцов 2-4, а именно ^п.п 1 = 1816, Яп.п 2 = 55 320, Яп.п 3 = 69 957, ^пп 4 = 85 556 импульсов соответственно. Следует отметить, что разрушение образцов 2-4 наступило до достижения ими значения условного предела текучести ^0,2.

Следующий этап экспериментального исследования — растяжение до разрыва образцов из титанового сплава ВТ23 той же партии после отжига. Отжиг проводился при температуре 650 °С в течение 4 ч. Испытанию на растяжение подвергались четыре образца, совмещенные диаграммы напряжений и суммарной АЭ от удлинения образцов для образцов 1, 2 изображены на рис. 4.

По результатам исследования установлено, что уровень сигналов акустической эмиссии у отожженных образцов значительно ниже,

а)

ст m

поо\ то

900

всю

700 600 500

т

300 200 W

Грмма анализа Напряжение О №Ъ Сумморн&г АЗ N. инпцльс

(Гад 727 7

Osos 793 9

<7 02 867 32

аг 961 76

— (7

Tíos

(Тля,

Л!?

No.

я

' fias

N

омп

W

100 90 80 70 60 50 40 JO 20 Ю

01 0.2 0.3 04 0.5 0.60.7 0.8 09 1 11 1.2 1,3 14 1516 17 18 19 2 2.122 23 24 25 26 2.72.82.9 3 3.1 32 33 34 35 3.6 3.7 38 39 4 4.1 4.2 4.3 álm

б)

Граница анализа Напряжение (ГШ Суммарная АЗ А' импилы:

<Jа, 663 15

(7oes 713 Т7

По: 819 35

(Т 953 121

О ffb

0.1 0.2 03 0.4 0.50.60.7 0.80.9 1 1.1 12 13 14 1516 17 18 1.9 2 2.1 22 232( 2526 2728293 3.1 32 33 3.4 3.5 3.6 37 3.8 3.9 4 4J 4.24.3Ммм

Рис. 4. Результаты механических испытаний на растяжение плоских образцов с регистрацией сигналов АЭ (отжиг 650 °С, 4 ч): а — образец 1; б — образец 2

чем у неотожженных. Если у неотожженных образцов максимальное зарегистрированное значение АЭ составило 94 022 импульсов, то у отожженных — лишь 157 импульсов (меньше в 600 раз). У отожженных образцов, так же как и у неотожженных, наибольшему значению временного сопротивления ав соответствует наименьшее число сигналов АЭ. Так, наибольшие значения временного сопротивления ав установлены у образцов 1 (961 МПа) и 4 (962 МПа). У этих образцов зарегистрировано соответственно 76 и 75 импульсов АЭ. У образцов 2 и 3 установлено ав равным 953 и 954 МПа, а число импульсов АЭ соответственно 121 и 157.

В процессе исследования установлены следующие значения относительного удлинения 5 для разных образцов: 1 — 6,2 %, 2 — 5,8 %,

3 — 6,0 %, 4 — 6,0 %. Пластичность образцов после отжига существенно выше, а разброс значений 5 меньше, чем у неотожженных. При этом, так же как и для неотожженных образцов, прослеживается закономерность между пластичностью и сигналами АЭ. В частности, наибольшая пластичность установлена для образцов 1 и 4, для которых зарегистрировано наименьшее число сигналов АЭ.

В процессе исследования установлена закономерность, заключающаяся в том, что у всех образцов на участке от предела пропорциональности до условного предела текучести происходит изменение кривизны графика суммарной акустической эмиссии. При этом точка, соответствующая изменению кривизны линии, совпадает с условным пределом

упругости. В точке, соответствующей условному пределу текучести, происходит второе изменение кривизны графика суммарной акустической эмиссии.

Установлено, что у всех образцов на участке от условного предела упругости 00,05 до условного предела текучести 00,2 наблюдается рост интенсивности выделения сигналов АЭ. У образца 1 на участке от 0 до 00,05, А1 = 1 мм зарегистрировано девять импульсов АЭ, т. е. интенсивность 9 имп./мм, а на участке от 00,05 до а0,2, = 0,3 мм зарегистрировано 32 - 9 = 23 импульсов АЭ, т. е. интенсивность выделения сигналов составляет 76,7 имп./мм. У образца 2 интенсивность выделения сигналов АЭ изменяется от 15,8 до 57 имп./мм. У образца 3 — от 49 до 126,7 имп./мм. У образца 4 — от 32 до 33,3 имп./мм. Полученные закономерности свидетельствуют от том, что при переходе от упругой деформации к пластической происходит изменение структуры материала, сопровождающееся выделением энергии, и, как следствие, сигналов АЭ.

На участке от условного предела текучести О0 2 до временного сопротивления разрыву ов интенсивность выделения сигналов АЭ составила: образец 1 — 1,5 имп./мм,

2 — 2,9 имп./мм, 3 — 2,3 имп./мм, 4 — 1,1 имп./мм. То есть наибольшая интенсивность выделения сигналов АЭ наблюдается у образцов с меньшим значением временного сопротивления разрыву ов.

На рис. 5 представлены амплитудные характеристики импульсов АЭ образцов после отжига.

Из табл. следует, что значения механических характеристик, установленные в ходе экспериментального исследования, согласуются со значениями, приведенными в действующих стандартах и справочниках.

Из рис. 5 следует, что для образца 1 (после отжига) амплитуда импульсов АЭ не превышает 85 дБ, а для образцов 2-4 — 65 дБ. Результаты исследований других авторов свидетельствуют о росте интенсивности сигналов АЭ на различных участках для разных образцов [6]. Анализ распределения амплитуды сигналов АЭ в процессе растяжения отожженных образцов показал, что:

• на участке роста интенсивности сигналов АЭ (от условного предела упругости 00,05 до условного предела текучести 00,2) регистрируется импульс с максимальным значением амплитудного показателя (после отжига):

а)

в)

Рис. 5. Амплитудные характеристики импульсов АЭ образцов из сплава ВТ23 после отжига: а, б, в, г — образцы 1, 2, 3, 4 соответственно

Таблица

Механические свойства титанового сплава ВТ23

Марка материала Толщина листов, мм Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, %, не менее

ВТ23 1,5-3,5 1050-1250 8

ВТ23 4,0-10,5 1000-1250 8

Марка материала V, % 00^ % 8, %

ВТ20 25 840 10

для образца 1 — А^22 = 81,5 дБ; для образца 2 — А^62 = 60,8 дБ; для образца 3 — А^56 = 60,6 дБ; для образца 4 — А^20 = 62,2 дБ; • по итогам эксперимента предположили, что импульс АЭ с максимальной амплитудой на участке от условного предела упругости ^о,05 до условного предела текучести 00,2 для образцов из титанового сплава ВТ23 после отжига соответствует физическому пределу текучести ат.

По результатам экспериментального исследования предложена методика оценки механических свойств заготовок из сплава ВТ23 методом акустической эмиссии. Методика предполагает нагрузку растяжением исходных заготовок (с установленным на них датчиком акустической эмиссии) и построение графической зависимости суммарной акустической эмиссии от времени. По общему уровню сигналов акустической эмиссии оценивается общее состояние поставки исходного материала (отоженный, неотоженный). По точкам перегиба на кривой суммарной акустической эмиссии определяют точки, соответствующие условному пределу упругости и текучести.

По полученным в ходе исследования соотношениям между параметрами акустической эмиссии и механических свойств определяют числовые значения механических характеристик исходного материала. Методику оценки механических свойств исходного материала планируется использовать в ОАО «НПП Пружинный центр», Санкт-Петербург.

Выводы

1. Перспективным для совершенствования методик оценки механических свойств является метод акустической эмиссии. По

результатам экспериментального исследования установлены закономерности между параметрами механических свойств титанового сплава ВТ23 и параметрами акустической эмиссии. Предложена методика оценки механических свойств заготовок из сплава ВТ23 методом акустической эмиссии.

2. Уровень сигналов АЭ для образцов в отожженном состоянии значительно меньше, чем в неотожженном (на два порядка). Установлено, что в точках, соответствующих условному пределу упругости и условному пределу текучести, происходит изменение кривизны линии, выражающей зависимость суммарной акустической эмиссии от удлинения образца.

Для образцов из сплава ВТ23 в отожженном состоянии на участке высокой интенсивности от условного предела упругости ^0,05 до условного предела текучести 2 зафиксировано максимальное значение амплитуды, что, вероятно, указывает на достижение материалом физического предела текучести ат.

Литература

1. Белогур В. П., Трещевский А. Н., Конев С. Ю.

Перспективные титановые сплавы для пружин запорной арматуры химической и нефтеперерабатывающей промышленности // Современные пружинные материалы. Конф. ЦКБА, 2004.

2. Неразрушающий контроль и диагностика / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, А. В. Ковалев [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 656 с.

3. Алешин Н. П. Методы акустического контроля металлов. М.: Машиностроение, 1989. 456 с.

4. ГОСТ 27655—88. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения.

5. МИ 198—79. Акустическая эмиссия. Термины и определения.

6. Бунина Н. А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л., 1990. 156 с.