Применение метода акустической эмиссии для контроля качества тарельчатых пружин из сплава ВТ23

МЕТАШ100БРАБ0ТН

УДК 621.983.777

Применение метода акустической эмиссии

для контроля качества тарельчатых пружин из сплава ВТ23

Е. Ю. Ремшев

Цель

Экспериментальное обоснование контроля качества и прогнозирование релаксационной стойкости тарельчатых пружин (ТП) из сплава ВТ23 методом акустической эмиссии (АЭ).

Введение

Нарушение режимов термической обработки может приводить к образованию неоднородной микроструктуры материала ТП, что влияет на упругие свойства и релаксационную стойкость. Необходимость в изготовлении ТП из сплава ВТ23 возникла в связи с разработкой новых изделий, состоящих из пакета ТП параллельно-последовательной сборки (рис. 1). К изделиям, наряду с требованиями по ограничению массы, коррозионной стойкости и возможности работы в агрессивной среде, предъявлено требование по обеспечению релаксационной стойкости ТП на уровне 5 % в течение 30 лет. Анализ применения метода АЭ для выявления в конструкциях наружных и внутренних дефектов при статическом, динамическом и циклическом нагружениях показал, что физическая сущность метода АЭ позволяет применять его для оценки качества пружин, прогнозирования их релаксационных свойств. Исследования, проведенные различными авторами [1, 2, 4], показывают, что энергия излучения акустического сигнала в процессе на-гружения предположительно состоит из двух частей: энергии, выделяющейся в ходе протекания процессов пластической деформации и релаксации, и энергии, выделяющейся в процессе образования и развития дефекта (трещины) в контролируемом объекте.

Методика экспериментального исследования

Для проведения экспериментального исследования были изготовлены три группы по восемь образцов ТП из сплава ВТ23 (рис. 1, табл. 1), разработан план исследования с уче-

том особенностей технологического процесса изготовления ТП и возможностей метода АЭ [3].

Различные режимы термообработки приводят к образованию характерной микроструктуры сплава для каждой исследуемой группы.

Каждая пружина из трех групп испытана в соответствии с планом экспериментального исследования.

П е р в ы й э т а п заключался в кратковременном обжатии ТП с регистрацией сигналов АЭ. Каждая ТП троекратно нагружалась до максимальной деформации (в = 6,2 мм). На верхнюю кромку пружины устанавливали датчик АЭ. На поверхности контакта датчика и пружины наносили смазку (литол 24). С помощью акустико-эмиссионной системы «Ранис-11» регистрировали параметры АЭ: амплитуду, энергию, длительность сигнала,

Таблица 1

Группы экспериментальных образцов ТП

№ группы Материал Режим термообработки

1 ВТ23 Закалка 850 °С, старение 450 °С

2 ВТ23 Закалка 850 °С, старение 550 °С

3 ВТ23 Закалка 800 °С, старение 550 °С

а)

б)

090

Рис. 1. Тарельчатая пружина

время нарастания сигнала, выброс, суммарную. Для оценки качества и склонности к релаксации ТП выбран параметр суммарной АЭ N — число превышений импульсами установленного уровня дискриминации. После нагрузки до максимальной деформации ТП и последующей разгрузки в пружине возникают остаточные напряжения, которые могут являться источниками сигналов АЭ. Для устранения остаточных напряжений необходимо некоторое время, поэтому между каждым обжатием ТП выбран интервал 10 мин. Предполагалось, что изменение максимального уровня N при каждом последующем обжатии покажет наличие дефекта, его развитие и возможную склонность пружины к релаксации.

На в т о р о м э т а п е пружины нагружали до максимальной деформации и выдерживали при постоянной силе в течение 72 ч (заневоливание). Датчик АЭ устанавливали на наружную кромку пружины и регистрировали сигналы в течение всего срока выдержки (рис. 2). Нагружение пружин производили на испытательной машине Shimadzu А0Х-100 кН.

На т р е т ь е м э т а п е проведена оценка релаксации ТП по существующей методике. ТП, установленные в пакете с предварительным поджатием, были подвергнуты циклической нагрузке в интервале 100-160 кН с количеством циклов С = 9000. После этого измерена сила поджатия и вычислена релаксация. Такой режим циклических испытаний соответствует ресурсу работы пружины, установленному ГОСТ 3057, и является эквивалентом времени эксплуатации, которое установлено нормативными документами на требуемый уровень релаксации (30 лет) (рис. 3). В ходе исследования проведено сопоставление вычисленных значений релаксации с уровнями сигналов АЭ, зарегистрированными на втором этапе.

1 2 3 4 5

Рис. 2. Схема установки датчика АЭ: 1 — акустико-эмиссионная система; 2 — персональный компьютер; 3 — датчик для регистрации сигналов АЭ; 4 — шток с основанием; 5 — прижимная труба; 6 — прижимная плита; 7 — тарельчатая пружина

б)

а)

Рис. 3. Циклические испытания исследуемых образцов ТП: а — пакет ТП в приспособлении; б — установка поджатого пакета ТП в рабочую зону испытательной машины ГМС-50

Релаксационную стойкость ТП Я оценивали по изменению силы поджатия после испытаний при фиксированной деформации я = 0,2я3 по формуле:

Я = ^1 - ^ 100%,

где Рн — сила сжатия ТП при деформации я = 0,2я3 перед испытаниями; Рк — сила сжатия ТП при деформации я = 0,2я3 после 9000 циклов.

По результатам расчета релаксационной стойкости Я возможно установление качественной закономерности между уровнем сигналов АЭ N при кратковременном обжатии и заневоливании и релаксационной стойкостью Я каждой ТП.

Ч е т в е р т ы й э т а п предполагал исследование микроструктуры образцов после различных видов нагружения ТП. Микроструктуру образцов сплава ВТ23 исследовали с помощью оптического микроскопа Reichert-МеЕ3А при увеличении х500. Травление образцов осуществлялось в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты НЕ. Размер зерна оценивали по шкалам ГОСТ 5639, микроструктуру — по 9-балльной шкале ОСТ 92-9465-81. Качественно оценивали зависимость уровня сигналов АЭ от однородности микроструктуры и размера зерен материала ТП после нагрузки. Одновременно устанавливали влияние микроструктуры на релаксационную стойкость исследуемых образцов.

Результаты экспериментального

исследования

Разные режимы термообработки сплава ВТ23 существенно влияют на формирование микроструктуры и приводят к различным

ЕТАЛЛООБРАБОТКЛ

уровням сигналов АЭ и характеру их изменения. По результатам кратковременного обжатия построены зависимости общего количества импульсов N от порядкового номера нагружений п для трех групп ТП (рис. 4).

Для каждого режима термообработки установили определенный интервал сигналов АЭ на втором обжатии, который в большей степени зависит от состояния микроструктуры материала. Для пружин группы 1 характерно непревышение уровня 120 импульсов, группы 2 — непревышение уровня 568 импульсов, группы 3 — непревышение уровня 2547 импульсов. Прослеживается закономерность между уровнями сигналов на втором обжатии и режимами термообработки и микроструктурой сплава. Нарушение режимов старения приводит к повышению уровня сигналов на втором обжатии. Непревышение определенного уровня сигналов на втором обжатии соответствует определенному баллу микроструктуры (4-5 баллов = 250 импульсов, 6-7 баллов = 550 импульсов, 7-8 баллов = 2500 импульсов). Если на третьем обжатии уровень сигналов меньше, чем на втором, то пружины менее склонны к релаксации.

У ТП с высоким уровнем сигналов АЭ на этапе заневоливания вне зависимости от режимов термообработки ^бщ72 значение релаксации Я после циклических испытаний выше (табл. 2). Для группы 1 максимальные значения сигналов АЭ зарегистрированы для пружин: ТП 2 Кобщ72 = 739 импульсов, ТП 8 ^бщ72 = 848 импульсов. Для этих пружин значения релаксации наибольшие: ТП 2 Я = 1,83 %, ТП 8 Я = 1,51 %. Для группы 2

б)

N. имп.

а)

N. имп.

2

250

1 ^ #

500

1

2

3

1

(ТП 5) наибольшее значение ^бщ72 = 153 импульса, релаксация Я = 2,29 %, что является максимальным для всей группы 2. У пружин 3-й группы (ТП 4 и ТП 8) уровень сигналов АЭ составил ^бщ72 = 999 импульсов и ^бщ72 = 528 импульсов. Релаксация у этих пружин наибольшая Я = 2,38 % и Я = 2,43 % соответственно.

Уровень сигналов АЭ на этапе заневоли-вания ТП имеет корреляционную связь с ее релаксационной стойкостью, т. е. если в процессе изготовления пружины на этапе зане-воливания зарегистрирован высокий уровень сигналов АЭ, превышающий некоторое пороговое значение, то можно говорить о высокой склонности к релаксации этой пружины:

Nобщ 72 - -^пор,

где ^бщ 72 — общее количество импульсов АЭ в процессе выдержки ТП в течение 72 ч, NПор — пороговое значение уровня сигналов АЭ.

В процессе проведения исследования для ТП из сплава ВТ23 установлено, что NПор = = 1400 импульсов.

Выявленные закономерности положены в основу методики прогнозирования релаксационной стойкости ТП из сплава ВТ23 в течение длительного срока эксплуатации.

Отработка технологического процесса показала, что каждой исследуемой группе ТП соответствует определенная микроструктура, которая зависит от режимов термомеха-

в) N. имп.

1- Т5?

№ [_

п\Х I

Г .

1 Г

к

2500

^'/

2

3

1

2

3

Рис. 4. Изменение общего количества импульсов N в процессе троекратного нагружения п пружин из сплава ВТ23: а — пружины группы 1

1

1

1

2

2

п

п

п

Таблица 2

Результаты циклических испытаний ТП из сплава ВТ23, С = 9000

№ образца 1-я группа 2-я группа 3-я группа

Нобщ 72 > имп. Рн, кН Рк, кН В, % Нобщ 72 > имп. Рн, кН Рк, кН В, % Нобщ 72, имп. Рн, кН Рк, кН В, %

1 75 59,37 58,46 0,91 13 55,69 54,57 2,01 36 42,45 41,76 1,62

2 739 59,89 58,79 1,83 28 59,86 58,64 2,04 16 43,77 42,90 1,99

3 33 58,78 58,34 0,74 25 58,96 58,22 1,26 66 44,86 44,07 1,76

4 6 59,45 59,25 0,34 28 59,25 58,05 2,03 999 43,21 42,18 2,38

5 14 59,37 58,94 0,72 153 58,35 57,01 2,29 148 45,02 44,82 0,44

6 5 58,87 58,22 1,11 26 57,99 56,76 2,12 25 44,89 44,82 0,15

7 848 58,25 57,10 1,98 4 58,63 57,77 1,46 71 45,85 45,15 1,53

8 11 58,74 57,85 1,51 26 58,15 57,40 1,28 528 44,64 43,55 2,43

нической обработки и влияет на релаксационную стойкость R и уровень сигналов АЭ при заневоливании (Нобщ 72). Например, для ТП группы 2: ТП 4 имеет небольшое значение уровня сигналов АЭ Нобщ72 = 6 импульсов и релаксационную стойкость R = 0,34 %. У ТП 7 уровень сигналов АЭ наибольший — Нобщ 72 = 848 импульов — и показатель релаксационной стойкости R = 1,98 % (рис. 5). Для этих образцов установлено, что структура сплава является двухфазной (а + в). Размер остаточной первичной а-фазы (а1 < а2, Ь1 < Ь2) и в-фазы (11 < 12) у ТП 4 меньше, чем у ТП 7. Расположение включений первичной а-фазы у ТП 4 более дисперсное и равноори-ентированное, чем у ТП 7. Габаритные размеры вторичной а-фазы у ТП 4 меньше, чем у ТП 7 < d2). Предположительно укрупнение фаз на операции старения у ТП 4 происходило менее интенсивно, чем у ТП 7, в которой также наблюдается дисперсная а-фаза, но более крупного размера. Сделано предположение, что в условиях заторможенной диффузии и большого числа мест зарождения вторичной а-фазы частицы ее выделяются по промежуточному механизму и являются наиболее дисперсными. В некоторых случаях происходит укрупнение а-фазы, т. е. степень коагулированности вторичной а-фазы выше. Выделение продуктов распада в этом случае происходит, как правило, по дислокациям и дефектам кристаллической решетки, возникающим на ее границе при образовании каждой предыдущей частицы а-фазы, что приводит к значительному росту уровня внутренних напряжений.

Таким образом, интенсивность сигналов АЭ на этапе заневоливания соответствует уровню прогнозируемой релаксации. Чем выше Нобщ 72, тем больше R, что напрямую зависит

как от микроструктуры сплава в исходном состоянии, после термической и механической обработки. На примере результатов, полученных в ходе исследования ТП группы 1, выявлено, что первичная а-фаза и в-фаза в сплаве должны быть более мелкозернистыми и дисперсными, форма зерен вторичной а-фазы должна быть менее коагулирована, что создает предпосылки для снижения релаксации. Сравнивая пружины группы 2, например, ТП 5 с высоким уровнем сигналов АЭ и высокой релаксацией (Нобщ72 = 153 импульсов, R = 2,29 %) и ТП 8 с меньшим уровнем сигналов АЭ и меньшей релаксацией (Нобщ72 = = 26 импульсов, R = 1,28 %), выявили, что у ТП 8 первичная а-фаза, вторичная а-фаза и в-фаза более мелкозернисты (рис. 6, а), чем у ТП 5 (рис. 6, б).

У ТП 8 пластинки первичной а-фазы имеют меньшие размеры, чем у вторичной а-фазы ^ < d2), по сравнению с ТП 5 (ах < a2, Ь1 < Ь2), т. е. степень коагулированности выше у ТП 5, чем у ТП 8. При этом имеет место неоднородное распределение частиц а-фазы у ТП 5, что означает их образование по механизму индивидуального зарождения, т. е. существующие кристаллы вторичной фазы содействуют последующему зарождению новых частиц на существующих поверхностях раздела. Процесс при этом развивается автокаталитически, так как образовавшаяся первой а-частица способствует дальнейшему развитию процесса с возрастающей эффективностью. Можно сделать предположение о том, что в условиях заторможенной диффузии и большого числа мест зарождения вторичной а-фазы частицы ее выделяются по промежуточному механизму и являются очень дисперсными, а в некоторых случаях происходит укрупнение зерен, так как степень коагулированности вторич-

ЕТАПЛООБРАБОТК]

Рис. 5. Микроструктура ТП группы 1 (х500): а — ТП 4: Нобщ 72 = 6 импульсов, В = 0,34 %; б — ТП 7: Нобщ 72 = 848 импульсов, В = 1,98 %;

1 — первичная а-фаза; 2 — вторичная а-фаза; 3 — в-фаза; а^ а2 — ширина пластинок первичной а-фазы; 61, Ъ2 — длина пластинок первичной а-фазы; dl, d2 — диаметр глобулей вторичной а-фазы; ¿1, 12 — характеристика размера в-фазы

Рис. 6. Микроструктура ТП группы 2 (х500): а — ТП 8: Нобщ 72 = 26 импульсов, В = 1,28 %; б — ТП 5: Нобщ 72 = 153 импульсов, В = 2,29 %;

1 — первичная а-фаза; 2 — вторичная а-фаза; 3 — в"фаза; аи а2 — ширина пластинок первичной а-фазы; 61, Ъ2 — длина пластинок первичной а-фазы; dl, d2 — диаметр глобулей вторичной а-фазы; ¿1, ¿2 — характеристика размера в-фазы

ной а-фазы выше. Выделение продуктов распада в этом случае происходит, как правило, по дислокациям и дефектам кристаллической решетки, что приводит к более высокому уровню внутренних напряжений в материале ТП 5 по сравнению с ТП 8. Таким образом, для снижения склонности к релаксации необходимо, чтобы а-фаза и в-фаза в сплаве были мелкозернистые и дисперсные, зерна вторичной а-фазы менее коагулированы, а в-фаза более дисперсна.

У ТП 6 на этапе заневоливания при небольшом значении уровня сигналов АЭ ^бщ 72 = = 25 импульсов показатель релаксационной стойкости Я = 0,15 %. Для ТП 8 Nобщ 72 = = 528 импульсов и показатель релаксационной стойкости Я = 2,43 % (рис. 7).

У ТП 6 первичная а-фаза и в-фаза более дисперсные (ах < a2, Ь1 < Ь2, 11 < 12) (равнона-правленные пластинки первичной а-фаза), а вторичная а-фаза более мелкозерниста, чем у ТП 8. У ТП 8, где наблюдается укрупнение зерен вторичной а-фазы, т. е. степень коагу-лированности выше, расположение первичной а-фазы более разнонаправлено. Более четко выделяются области с различным содержанием и габаритными размерами а- и в-фаз.

Низкий уровень релаксации ТП 6 по сравнению с ТП 8, вероятно, вызван большим количеством включений и равнонаправленным расположением первичной а-фазы. На микрошлифе пружин группы 3 прослеживается значительная неравномерность распределения а- и в-фаз по всему объему, имеются области с различной конфигурацией микроструктуры, что при длительной эксплуатации может привести к значительной релаксации.

Можно сделать заключение о том, что уровень сигналов АЭ, их интенсивность на этапе заневоливания дают возможность прогнозировать релаксацию пружин. Чем выше ^бщ 72, тем больше Я. Это положение подтверждается состоянием микроструктуры сплава, прошедшего соответствующую термомеханическую обработку. На примере результатов испытаний трех групп пружин, изготовленных с применением различных режимов термической обработки, выявлено что вторичная а-фаза и в-фаза в сплаве должны быть мелкозернистыми и дисперсными, размеры зерен вторичной а-фазы должны быть менее коагулированы, а наличие первичной а-фазы в сплаве должно стремиться к нулю, а в случае ее наличия включения а-фазы должны

Рис. 7. Микроструктура ТП группы 3 (х500): а — ТП 6: N0^ 72 = 25 импульсов, Я = 0,15 %; б — ТП 8: Nобщ 72 = 528 импульсов, Я = 2,43 %;

1 — первичная а-фаза; 2 — вторичная а-фаза; 3 — в-фаза; а^ а2 — ширина пластинок первичной а-фазы; 61, Ь2 — длина пластинок первичной а-фазы; ^ — диаметр глобулей вторичной а-фазы; ¿1, ¿2 — характеристика размера в-фазы

ЕТАПЛООБРАБОТК.

быть равнонаправленные, а ее габаритные размеры минимальными, что приводит к меньшему уровню сигналов АЭ, а следовательно, и меньшей релаксации тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ23.

Выводы

1. Разработана методика испытания ТП, включающая в себя подготовку образцов, силового и регистрирующего оборудования для статического и циклического нагруже-ния пружин с акустикоэмиссионным сопровождением и последующую расшифровку сигналов АЭ.

2. Упругие характеристики и стойкость к релаксации ТП из сплава ВТ23 формируются циклом термической обработки, троекратным силовым воздействием и заневоливанием пружин в течение 72 ч.

3. Метод акустической эмиссии позволяет осуществлять контроль пружин при заданной технологической нагрузке, а по изменению интенсивности сигналов АЭ — выявлять наличие и развитие микротрещин, склонность к релаксации.

4. Установлено, что при троекратном сжатии пружин интенсивное падение сигналов АЭ при втором и третьем нагруженях свидетельствует о высоком качестве пружин и минимальной склонности к релаксации.

5. Показано, что если в процессе занево-ливания пружин в течение 72 ч уровень сигналов АЭ не превышает определенного (порогового) значения, то при циклическом на-

гружении (С = 9000) показатель релаксации не превышает 5 %.

6. Установлена закономерность между уровнем сигналов АЭ и микроструктурой сплава ВТ23. Доказано, что наилучшие показатели качества соответствуют меньшему уровню сигналов как на троекратном обжатии, так и при заневоливании, что отображается ограниченной интенсивностью сигналов АЭ в процессе заневоливания и минимальной релаксацией при циклическом нагружении.

7. Полученные результаты исследования позволяют разработать регламент контроля качества ТП в процессе изготовления ТП с акус-тикоэмиссионным сопровождением и исключить этап циклических испытаний выборочной партии для оценки релаксационной стойкости пружин.

Литература

1. Серьёзнов А. Н., Степанова Л. Н., Куликов Е. Н.

Использование тензометрии и метода акустической эмиссии в ресурсных испытаниях вертолета Ми-8 // Полет. 2008. 4 с.

2. Металлография титана / Под ред. С. Г. Глазунова, Б. А. Колачева. М., 1980. 548 с.

3. Оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе метода акустической эмиссии / Г. А. Данилин, Д. В. Метляков, С. Ю. Конев и др. // Деформация и разрушение материалов. М., 2012. № 3. С. 19-24.

4. Данилин Г. А., Титов А. В., Ремшев Е. Ю. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе излучения сигналов акустической эмиссии. Металлообработка. 2011. № 2. С. 17-21.