СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА МИКРОСТРУКТУРЫ ТИТАНОВОГО СПЛАВА УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА
TIMELY DETERMINATION OF MICROSTRUCTURE QUALITY FOR RESILIENT ELEMENT TITANIUM ALLOY

Настоящее изобретение относится к области испытаний материалов и изделий и касается способа неразрушающего контроля тарельчатых пружин на стадии изготовления изделия.
Контролю режимов термической обработки отводится большое значение при производстве упругих элементов. Для определения правильности выполнения операций термообработки проводят испытания образцов-свидетелей, которые термообрабатываются совместно с упругими элементами. После изготовления образцы-свидетели подвергаются механическим испытаниям и исследованию микроструктуры сплава. Процесс занимает очень длительное время, что требует значительных временных и материальных затрат в условиях массового производства.
Качество конструкционного материала определяется безотказностью его работы. С этой точки зрения отказ означает либо разрушение, ограниченное повреждение, потерю герметичности либо накопление чрезмерных деформаций. Важнейшими показателями качества материала являются характеристики сопротивления деформированию и разрушению. К ним относятся, в первую очередь, такие характеристики, как предел текучести материала, временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва. В то же время установить зависимость поведения материала в условиях эксплуатации от указанных механических характеристик расчетным путем можно лишь в грубом приближении. Объясняется это следующими причинами. Механические характеристики носят условный характер и определяются в упрощенных условиях, не соответствующих эксплуатационным по геометрии объектов испытания, законам нагружения, видам напряженно-деформированного состояния, количеству и законам изменения различных внешних факторов и фактора времени. Естественные колебания химического состава и структуры, а также их изменения в процессе эксплуатации приводят к тому, что экстраполяция результатов измерения механических характеристик при выборочных разрушающих испытаниях образцов на материал рабочих деталей, узлов, агрегатов не может быть выполнена с большой точностью. И, наконец, случайный характер внешних воздействий приводит к невозможности точного описания эксплуатационного поведения материала или конструкции даже при точно известных механических характеристиках материала.
Целью контроля акустической эмиссией является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Акустико-эмиссионный контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников акустической эмиссии. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний. Неразрушающий контроль - контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации. Традиционные методы неразрушающего контроля (такие, как ультразвуковой, радиационный, токовихревой) обнаруживают геометрические неоднородности путем излучения в исследуемую структуру некоторой формы энергии. Акустическая эмиссия использует другой подход: во-первых, источником сигнала служит сам материал, а не внешний источник, т.е. метод является пассивным (а не активным, как большинство других методов контроля). Во-вторых, в отличие от других методов, акустистико-эмиссионный обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. метод акустической эмиссии обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты. Рост трещины, разлом включения, расслоения, коррозия, трение, водородное охрупчивание, утечка жидкости или газа и т.п. - это примеры процессов, производящих акустическую эмиссию, которая может быть обнаружена и эффективно исследована с помощью этой технологии.
2
Метод контроля акустической эмиссией обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам - позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей миллиметра. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 1×10-6 мм, что соответствует выявлению увеличения длины трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм. В отличие от сканирующих методов неразрушающего контроля, метод АЭ не требует тщательной подготовки поверхности объекта контроля. Следовательно, выполнение контроля и его результаты не зависят от состояния поверхности и качества ее обработки.
Известен способ обнаружения развивающихся усталостных трещин в изделии методом акустической эмиссии (SU №781690, G01N 29/04, опубл. 23.11.1980), который заключается в предварительном нагружении изделия до рабочей нагрузки, которое затем снимают на некоторое время для релаксации остаточных напряжений в вершине трещины. Затем осуществляют повторное являющееся контрольным нагружение до значения первоначальной нагрузки, в процессе которого принимают сигналы акустической эмиссии и по ним судят о развитии трещины.
Этот способ не обладает достаточной точностью, т.к. не позволяет обнаружить концентраторы напряжений малой величины, а также не дает четкого представления о развитии релаксационных процессов в материале конкретного изделия и изменения релаксации изделия в течение длительного периода эксплуатации.
Известен из RU №2210766, G01N 29/14, опубл. 20.08.2003, способ проведения акустико-эмиссионного контроля с применением одноканальной аппаратуры. Этот способ заключается в том, что на поверхность объекта устанавливают преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), акустико-эмиссионный контроль проводят путем периодического опроса ПАЭ при помощи мультиплексора, подключенного к одноканальному прибору. Объект ступенчато нагружают пробной нагрузкой, превышающей рабочую нагрузку, предполагаемую для контролируемого изделия, выдерживают под ней и одновременно осуществляют последовательный опрос ПАЭ с периодом, не превышающим длительность серии сигналов акустической эмиссии (АЭ), сопровождающих развитие трещины. Длительность серии определяют при разрушении образца, изготовленного из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок объекта, во время контроля регистрируют параметры сигналов АЭ и классифицируют источник сигналов АЭ по степени опасности.
В отличие от способа обнаружения развивающихся усталостных трещин по SU №781690 способ по RU №2210766 позволяет делать вывод об опасности развития трещины по параметру длительности серии, но не дает представление о релаксационных процессах конкретного изделия на длительный период эксплуатации. Основным недостатком является проведение испытаний с изделиями с умышленно нанесенными дефектами из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок объекта с последующей классификацией по степени опасности. А также многократное нагружение силой, превышающее рабочую нагрузку в процессе эксплуатации, что недопустимо в процессе контроля упругих элементов.
1общ.
2общ.
3общ.
Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является решение, описанное в RU №2210766, G01N 29/14, опубл. 20.08.2003), и касающееся способа прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, заключающегося в нагружении испытуемого образца (тарельчатой пружины) нагрузкой и регистрации сигналов акустической эмиссии в процессе нагружения, при этом нагружение испытуемого образца проводят в два этапа, на первом из которых испытуемый образец в процессе кратковременного обжатия троекратно нагружают до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении для установления зависимости N>N>N и
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mrow><mn>2,3</mn><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>1,5</mn><msub><mi>N</mi><mrow><mn>1</mn><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mrow><mn>2,3</mn><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>1000</mn></mtd></mtr></mtable><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
1общ.
2общ.
3общ.
общ.72
пор
общ.72
пор
где N - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе первого кратковременного обжатия, N - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе второго кратковременного обжатия, N - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе третьего кратковременного обжатия, на втором этапе осуществляют нагружение испытуемого образца постоянной нагрузкой до максимальной деформации и выдерживают этот образец при этой нагрузке до 72 ч с регистрацией сигналов акустической эмиссии для установления зависимости Н≤N, где Н - общее количество импульсов акустической эмиссии в процессе выдержки испытуемого образца при постоянной силе, N - пороговое значение импульсов акустической эмиссии, а о недостаточной релаксационной стойкости испытуемого образца судят по невыполнению указанных зависимостей, полученных на первом и втором этапах нагружения.
Этот способ трудоемок и требует высокой квалификации, также затратен по времени.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в сокращении времени и упрощении процесса контроля режимов термообработки тарельчатых пружин за счет оценки микроструктуры этих пружин после термообработки.
2
2
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что способ оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины заключается в более чем одном нагружении исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении, нагружение исследуемого упругого элемента проводят два раза и кратковременно путем обжатия этого упругого элемента, а сигналы акустической эмиссии регистрируют непрерывно в процессе второго нагружения для определения общего количества импульсов суммарной акустической эмиссии N, при этом микроструктуру титанового сплава упругого элемента оценивают по девятибалльной шкале размерности зерна, разделенной на три группы баллов 4-5, 6-7 и 7-8, каждой из которых соответствует отдельный диапазон количества импульсов суммарной акустической эмиссии A1, A2 и A3, и качество микроструктуры по баллам указанной шкалы определяют по следующей зависимости N≤A1, или N≤A2, или N≤A3.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 3 (закалка 850°C, старение 450°C) (увеличение х500);
фиг.2 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.1;
фиг.3 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 4 (закалка 850°C, старение 550°C), (увеличение х500);
фиг.4 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.3;
фиг.5 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 4 (нарушение режима закалки 850°C, старение 550°C), (увеличение х500);
фиг.6 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.5;
фиг.7 - схема оснастки для кратковременного обжатия с регистрацией сигналов акустической эмиссии;
фиг.8 - фотоснимок системы «Ранис-11»;
фиг.9 - графики суммарной акустической эмиссии (АЭ) при троекратном нагружении образца;
фиг.10 - зависимости суммарной АЭ (ТУ) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 3;
фиг.11 - зависимости суммарной АЭ (N) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 4;
фиг.12 - зависимости суммарной АЭ (N) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 5.
Согласно настоящему изобретению предлагается оперативный способ определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины методом акустической эмиссии.
2
2
2
2
Этот способ заключается в более чем одном нагружении исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении. Нагружение исследуемого упругого элемента проводят два раза и кратковременно путем обжатия этого упругого элемента, а сигналы акустической эмиссии регистрируют непрерывно в процессе второго нагружения для определения общего количества импульсов суммарной акустической эмиссии N. Микроструктуру титанового сплава упругого элемента оценивают по девятибалльной шкале размерности зерна, разделенной на три группы баллов 4-5, 6-7 и 7-8, каждой из которых соответствует отдельный диапазон количества импульсов суммарной акустической эмиссии A1, A2 и A3, и качество микроструктуры по баллам указанной шкалы определяют по следующей зависимости N≤A1, или N≤A2, или N≤A3.
Исследования, которые легли в основу этого способа, проводились на контрольных образцах. Изначально исследовались 3 различные группы пружин из титанового сплава ВТ23 с различными режимами термообработки. Исследования проводились без применения метода регистрации акустической эмиссии.
Группа 3 - (ТП-3) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве пружины до 850°C, выдержке, при этой температуре, в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП-3 в течение 10 часов при температуре 450°C. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП-3 путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 1 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 3).
Таблица 1
№ образца
Режим термообработки (закалка+старение)
Физико-механические характеристики
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub> МПа
δ, %
ψ, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
HRC
1
850°C, 60 мин, вода + 450°С,  10 час
1435
1540
обрыв 2-х голов
обрыв 2-х голов
1
48,5÷49,0
2
850°C, 60 мин, вода + 450°C, 10 час
1570
1590
обрыв 2-х голов
обрыв 2-х голов
1
48,5÷49,0
Металлографический анализ выполняли на продольных и поперечных микрошлифах после травления в 10% водном растворе плавиковой кислоты (фиг.1). Размер зерна оценивали по шкалам ГОСТ 5639, микроструктуру - по 9-балльной шкале ОСТ 92-9465-81. Исследование микроструктуры материала ТП-3 показал, что структура сплава является двухфазной (α+β), структура однородна, глобулярного типа. Размер первичного α-зерна 1 в сплаве соответствует 4÷5 баллам по ГОСТ 5639. При температуре старения 450°C, в условиях заторможенной диффузии и большого числа мест зарождения вторичной α-фазы 2, частицы ее выделяются по промежуточному механизму и являются очень дисперсными. Позицией 3 обозначена β-фаза (фиг.2). Выделение продуктов распада в этом случае происходит, как правило, по дислокациям и дефектам упаковки, что приводит к значительному росту уровня внутренних напряжений. Размер выделяющихся частиц при температуре старения 450° соответственно составляет <0,1 мкм. Прочностные характеристики сплава выше, а пластические - ниже.
Группа 4 - (ТП-4) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве тарельчатой пружины до 850°C, выдержке при этой температуре в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП-4 в течение 10 часов при температуре 550°C. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП-4 путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 2 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 4).
Таблица 2
№ образца
Режим термообработки (закалка+старение)
Механические свойства
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
HRC
1
850°C, 60 мин, вода + 550°C, 10 час
1210
1320
8
19
26
38,5÷39,5
2
850°C, 60 мин, вода + 550°C, 10 час
1230
1325
10
27
28
39,0÷39,5
Металлографический анализ выполняли на продольных и поперечных микрошлифах после травления в 10% водном растворе плавиковой кислоты. Размер зерна оценивали по шкалам ГОСТ 5639, микроструктуру - по 9-балльной шкале ОСТ 92-9465-81. Исследование микроструктуры материала ТП группы 4 показал, что структура сплава двухфазная (α+β), сплав имеет благоприятную однородную (α+β)-структуру глобулярного типа. В сплаве формируется более мелкозернистая структура - размер первичного β-зерна соответствует 6 баллу по ГОСТ 5639, причем как в продольном, так и в поперечном направлениях листа. При более высокой температуре старения - 550°C диффузионный распад происходит по гетерогенному механизму зарождения вторичных выделений. Новая фаза выделяется преимущественно на границах зерен бывших β-зерен и субзерен, а также на уже имеющейся в структуре остаточной (первичной) α-фазе, в результате чего ее размеры несколько увеличиваются, а форма включений становится более равноосной (глобулярной). Размер выделяющихся частиц при этих температурах соответственно ≥0,1 мкм - при 550°C.
Группа 5 - (ТП-5) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве пружины до 850°C, выдержке, при этой температуре, в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП, в течение 10 часов, при температуре 550°C, но следует сказать, что режимы термообработки не были выдержаны. Предположительно на каком-то из режимов термообработки произошли отклонения от заданных режимов. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП группы 5, путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 3 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 5).
Таблица 3
№ образца
Режим термообработки (закалка+старение)
Механические свойства
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
HRC
1
850°C, 60 мин, вода + ~550°C, ~10 час
1050
1100
-
-
-
34
2
850°C, 60 мин, вода + ~550°C, ~10 час
1070
1150
-
-
-
34,5
Микроструктура исследованных образцов состоит из первичной α-фазы в виде глобулей и пластин, равновесной δ-фазы 3 и вторичной α-фазы 2. В структуре ТП-5 степень коагулированности вторичной α-фазы выше, т.е. при старении после распада мартенситной фазы происходил процесс укрупнения выделившейся вторичной α-фазы. Это привело к снижению твердости материала (Таблица 3). Можно предположить, что время старения тарельчатых пружин было больше 10 час, либо охлаждение после старения было замедленно.
Проведенные исследования качества микроструктуры по микрошлифам позволили прийти к выводу о зависимостях, которые легли в основу нового способа качественного определения микроструктуры сплава упругого элемента.
Были проведены исследования с использованием прибора акустической эмиссии «Ранис-11» (фиг.8). На фотоснимке представлен основной электронный блок системы акустической эмиссии, внешний усилитель, датчик регистрации сигналов, магнитный прижим. Прибор «Ранис-11» применяется для регистрации и измерения сигналов акустической эмиссии с целью поиска дефектов в трубопроводах, сосудах давления, резервуарах, деталях и узлах машин и механизмов с шероховатостью поверхности в местах установки преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) не более 40 мкм, радиусом кривизны в местах установки ПАЭ не менее 100 мм, скоростью распространения акустического сигнала АЭ 1000…6000 м/с, затуханием акустического сигнала в зоне контроля, соответствующей расстоянию между ПАЭ, не более 70 дБ. Диапазон измерения амплитуды сигнала АЭ 0,3 мВ…10 В (4…100 дБ) (http://www.ooo-pribor.ru/equipment/id23026/).
На фиг.7 изображена схема нагружения тарельчатой пружины в стенде с регистрацией сигналов акустической эмиссии. Этот стенд включает в себя систему 4 акустической эмиссии, подключенную к персональному компьютеру 5 с установленным специальным программным обеспечением. Датчик акустической эмиссии 6 устанавливается на тарельчатую пружину 7 (датчик акустической эмиссии 6 устанавливается на верхнюю кромку пружины при ее максимальной деформации), которая в свою очередь находится в приспособлении для силового нагружения, состоящим из основания со стержнем 8, прижимной трубы 9 и прижимной плиты 10.
В рамках исследования методом акустической эмиссии качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины производили троекратные нагружения образцов тарельчатых пружин групп 3, 4 и 5. Полученные результаты уровней сигналов АЭ представляются в виде графических зависимостей на фиг.10-12.
При каждом нагружении каждого образца групп 3, 4 и 5 проводили регистрацию сигналов акуститческой эмиссии для построения зависимостей (АЭ), где
1
N - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе первого обжатия,
2
N - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе второго обжатия,
3
N - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе третьего обжатия.
В общем случае такой график максимальных значений сигналов АЭ при трех обжатиях представлен на фиг.9, где 1 - пружина, тип 1, 2 - пружина, тип 2, 3 - пружина, тип 3.
Способ заключается в том, что уровень сигналов при втором обжатии ограничивается интервалом, в котором регистрируются сигналы для пружин с определенным состоянием микроструктуры. То есть, если:
2
N≤A1, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 4-5 баллу по ГОСТ5639.
2
N≤A2, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 6-7 баллу по ГОСТ5639.
2
N≤A3, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 7-8 баллу по ГОСТ5639.
Проведенные исследования микроструктуры по существующей методике изготовления микрошлифа подтвердили правильность нового способа качественного определения микроструктуры сплава упругого элемента. Более низкий БАЛЛ соответствует более низкому уровню сигналов, 4-5 балл - А1 - 200-250, 6-7 балл - А2 - 550-650,7-8 балл - A3 - 2000-2500.
Новый способ позволит оперативно в условиях массового производства качественно оценить микроструктуру готового изделия без проведения дополнительных испытаний.