Acoustic Structural Analysis of Steel Samples Loaded with Rotational Bending During Fatigue Tests

Murav’ev V.V., Murav’eva O.V., Budrin A.Y., Sincov M.A., Zorin A.V.

Abstract


In order to study the effect of accumulated metal damage on the speed of ultrasonic shear and Rayleigh waves, steel bar stock samples were subjected to cyclic loading according to the cantilever bending with rotation scheme. The results of measuring the velocity of ultrasonic waves (shear and Rayleigh) in steel rods with low-cycle fatigue under the influence of cyclic loads are presented. Samples of bars of steel grade 40X in the state of delivery and after annealing at 700 ° C for 30 minutes were investigated. The length of the bars is 270 mm, their diameters are 10 and 19 mm. Cyclic loads with cantilever bending were provided with a specially designed installation for fatigue testing, in which the bar was clamped with one side in the cartridge of the machine providing rotation, and the load was hung on the other side through the bearing. Shear wave velocities in the directions of the cross section of a bar and Rayleigh waves along the envelope of the cylindrical surface of the bar in the zone of maximum stresses were estimated. The excitation and reception of waves were carried out by an electromagnetic - acoustic method. To estimate the velocity of shear (transverse) and Rayleigh waves, we used the method of multiple reflections, respectively, over the cross section and the envelope of the rod. The results of the speed variation in bars with increasing cantilever load and the number of cycles are presented. It was found that the shear wave velocity in a bar is maximally reduced in the zone of maximum stresses. With loads of 60 % of the yield strength in the samples, a sharp decrease in speed is observed at 300,000 cycles. The change in the structure of the metal after annealing leads to a decrease in the number of cycles, after which a sharp change in the velocity of the waves occurs. The Poisson's ratio, calculated from the velocities of shear and Rayleigh waves, also changes with an increase in the number of cycles and makes it possible to take into account the change in the bar diameter during the tests. The performed experiments on studying the effect of cyclic bar loads give good informative data on fatigue depending on heat treatment and structural changes in the material. The possibility of implementing an electromagnetic-acoustic control method on multiple reflections allows us to significantly increase the sensitivity to microdefects when analyzing a signal on long-range reflections and to ensure high accuracy in determining the speed of waves.

Keywords


shear waves; Rayleigh waves; electromagnetic-acoustic transducer; fatigue; steel bars

Full Text

Введение Детали машин и металлические конструкции при эксплуатации подвергаются переменным во времени механическим (циклическим) нагрузкам, которые могут стать причиной изменения структуры металла, накопления микродефектов, зарождения трещин и в конечном итоге - разрушения изделия. Практика показывает, что такие циклически изменяющиеся во времени по величине и по знаку нагрузки приводят к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести. Подобная ситуация возможна при наличии концентратора напряжений. Такое разрушение характерно для машиностроительных конструкций, таких как оси, валы, штоки, пружины, шатуны, и называется усталостным [1-5]. Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (наличие различных включений - шлаков, примесей, волосовин; дефекты поверхности материала - плены, царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит: - к микропластическим деформациям сдвига по плоскостям скольжения в некоторых зернах металла, сопровождающимся появлением экструзий и интрузий на поверхности образца; - развитию микротрещин на поверхности и внутри образца, их росту и слиянию; - появлению на последнем этапе одной или нескольких макротрещин, которые достаточно интенсивно развиваются. Особенно быстро протекает процесс деструктуризации в условиях малоцикловой усталости [6], т. е. при нагрузках, превышающих предел выносливости. Важно определить начало деструктуризации металла, чтобы не допустить разрушения изделия. Среди методов неразрушающего контроля представляют интерес ультразвуковые методы. Одним из основных информативных параметров ультразвукового контроля при определении структурных изменений является скорость распространения ультразвуковых (УЗ) волн [7-11]. Методы акустической структуроскопии являются наиболее успешно применяемыми среди методов оперативной оценки структуры, анизотропии, упругих и прочностных свойств материалов и изделий. Последнее обусловлено тем, что используемые при контроле акустические волны имеют поля одной природы с оцениваемыми упругими характеристиками [12]. Ввиду того, что влияние структуры металла на скорость УЗ-волн, как правило, невелико, к методикам и средствам измерения скорости предъявляются высокие требования к точности измерений. Контактные акустические (ультразвуковые) методы, представленные на рынке средств неразрушающего контроля, требуют специальной подготовки поверхности объекта и реализуются, как правило, в иммерсионном варианте, а использование их для образцов малых диаметров довольно сложно. Предлагаемый метод для исследований акустических характеристик и свойств материала прутков позволяет с высокой точностью измерять акустические параметры за счет использования различных типов волн. Информационно-измерительная система возбуждения, регистрации и измерения параметров акустических волн в высокочастотной области (0,5…10 МГц) с использованием бесконтактных электромагнито-акустических (ЭМА) преобразователей позволяет учесть качество акустического контакта и за счет отсутствия потерь на границе «преобразователь - объект контроля» получить серию многократных отражений, следовательно, повысить точность измерения параметров скорости и затухания акустических волн. Кроме того, ЭМА-преобразователи позволяют возбуждать и надежно регистрировать УЗ-импульсы разных типов волн, ориентации и поляризации (продольных и сдвиговых радиальных направлений осевой и радиальной поляризации и поверхностных волн), что позволяет реализовать многопараметровые методики оценки упругих модулей; методики оценки структурных изменений и накопления микродефектности в процессе нагружения по установленным зависимостям с измеряемыми характеристикам акустических волн [13-15]. Цель работы - исследование влияния деструктуризации металла прутков на скорость ультразвуковых сдвиговых и рэлеевских волн в результате циклического нагружения по схеме консольного изгиба с вращением в условиях малоцикловой усталости. Исходные положения. Методика измерений Для испытаний использовались 4 прутка из стали 40Х в состоянии поставки и после отжига при 700 °С в течение 30 мин. Длина прутков - 250-270 мм, диаметры - 10 и 19 мм, которые измерялись с помощью цифрового штангенциркуля с погрешностью измерений 0,01 мм. Плечо нагрузки - 120 мм. Предел текучести s0,2 для прутков из этой стали в состоянии поставки - 780 МПа, предел выносливости s-1 - 380 МПа, шероховатость поверхности Rz 4 мкм, контроль которой в процессе испытаний велся профилометром Surface Roughness Tester Rz: диапазон 0,1…50 мкм с погрешностью ±7 %. Циклические нагружения консольным изгибом с вращением прутков обеспечивались с помощью специально разработанной установки для испытаний на усталость, схема которой представлена на рис. 1, а. Образец 1, закрепленный в патроне 2 машины для испытаний, вращался со скоростью 500 об/мин. На другом конце образца установлен подшипник 3, через который передается поперечная сила P, изгибающая образец. При вращении образца в его поверхностных и подповерхностных слоях согласно эпюре напряжений (рис. 1, б) будут возникать попеременно растягивающие и сжимающие напряжения (симметричный цикл). Через определенное число циклов процесс испытаний останавливают и проводят измерения. При достижении необратимых изменений в структуре образца в зависимости от числа циклов и силы P циклическое нагружение приведет к разрушению образца, после чего фиксируется число циклов (число оборотов). а б Рис. 1. Схема испытания образцов на усталость (а), эпюра напряжений (б) Fig. 1. The scheme of testing samples for fatigue (a), stress profile (б) Неразрушающий контроль прутков велся с помощью ЭМА зеркально-теневого метода многократных отражений сдвиговых и рэлеевских волн, распространяющихся во всех радиальных направлениях поперечного сечения прутка (рис. 2). Метод осуществлен при помощи электромагнитно-акустического дефектоскопа (ДЭМА), обладающего высокой чувствительностью к внутренним и поверхностным дефектам (десятые доли от длины акустической волны), дополнительными информативными параметрами для определения скорости, затухания, эффективности ЭМА-преобразования. Дефектоскоп оснащен проходным ЭМА-преобразователем сдвиговых волн и накладным для измерения рэлеевских волн, обеспечивающими излучение волн по сечению прутка и получение серии многократных отражений [16, 17]. Скорость ультразвуковых сдвиговых волн можно определить с погрешностью до 2 м/с, а рэлеевских - до 5 м/с. В ходе циклических испытаний осуществлялась проверка cостояния поверхности прутков с помощью микроскопа Levenhuk 5ST при 40-кратном увеличении. Для анализа скоростей сдвиговых и рэлеевских волн в прутках использовано программное обеспечение ПРИНЦ [18]. Применяемый дефектоскоп ДЭМА работает следующим образом (рис. 3). Электрический импульс с устройства подается на проходной или накладной совмещенный ЭМА-преобразователь, излучающий акустическую волну определенного типа, после чего многократно переотраженная волна в объекте контроля (ОК) регистрируется тем же ЭМА-преобразователем, с помощью которого сигнал преобразуется из акустического в электрический в виде импульсов и передается на персональный компьютер (ПК) через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) [19]. Рис. 2. Распространение сдвиговых и рэлеевских волн по сечению и окружности прутка Fig. 2. Propagation of shear and Rayleigh waves over the section and circumference of a rod Рис. 3. Блок-схема дефектоскопа ДЭМА с проходным ЭМА-преобразователем для сдвиговых волн Fig. 3. Block diagram of a DEMA defect detector with an EMA pass-through converter for shear waves Информативным параметром при определении скоростей акустических волн является время прихода n, n + m-го импульса tn,n + m, поскольку скорость сдвиговой волны Ct и рэлеевской Cr находятся по формулам [20]: (1) (2) где - время между (n + m)- и m-импульсами; n - количество переотражений на диаметре прутка; d - диаметр прутка. Результаты исследований В эксперименте представлены результаты измерений скорости ультразвуковых волн с анализом времени прихода импульсов многократных отражений и с использованием корреляционной функции. Применены 2 типа нагружений: 1) с увеличением числа циклов и одновременным ростом нагрузки Р (Н × ч); 2) с увеличением числа циклов N при постоянной нагрузке Р. На рис. 4 показано распределение скорости сдвиговой волны в прутке из стали 40Х диаметром 19 мм при разных уровнях консольной нагрузки и разном числе циклов нагрузки. По распределению скорости сдвиговой волны в прутке видно, что наиболее значительное ее изменение происходит в зоне максимальных напряжений - в области консольного зажима прутка в области 9…10 см графика. Уменьшение скорости сдвиговой волны более значительно с ростом нагрузки и числа циклов, а в диапазоне нагрузок 0…12000 (Н × ч) составило 20 м/с. а б Рис. 4. Влияние числа циклов и нагрузок на скорость распространения сдвиговой волны: а - по длине прутка; б - в зоне максимальных напряжений Fig. 4. The effect of the number of cycles and loads on the shear wave propagation velocity: a - along the length of the rod; б - in the zone of maximum stress Оценку влияния числа циклических нагрузок (без изменения величины консольной силы) на скорость распространения сдвиговой волны в прутках диаметром 10 мм из стали марки 40Х провели при двух нагрузках (300 и 460 Н) в зоне максимальных напряжений на уровне 0,4 и 0,6σ0,2, соответственно, 366 и 562 МПа. Образцы испытывались методом малоцикловой усталости. Скорость рэлеевских, сдвиговых волн измерялась периодически по мере возрастания числа наработанных циклов. При каждом уровне нагрузки испытывали по два прутка: в состоянии поставки и после отжига при температуре 700 °С с выдержкой 30 мин. (рис. 5). а б Рис. 5. Изменение скоростей упругих волн в прутках в зоне максимальных напряжений: а - сдвиговой; б - рэлеевской Fig. 5. The change in the velocity of elastic waves in bars in the zone of maximum stress: a - shear; б - Rayleigh По результатам циклических испытаний наблюдается падение скоростей волн после 240000 циклов наработки. Для отожженных прутков скорость сдвиговой волны падает на 40 м/с (рис 5, а), а рэлеевской - на 45 м/с (рис. 5, б), что свидетельствует о значительных структурных изменениях в металле прутков. По распределению скорости сдвиговой волны в прутке видно, что наиболее значительное ее изменение происходит в зоне максимальных напряжений - в области консольного зажима прутка. Уменьшение скорости сдвиговой волны в диапазоне нагрузок до 13000 Н·ч составило 20 м/с. Очевидно, подобный характер зависимости очень привлекателен для диагностирования состояния материала в изделиях, эксплуатируемых в условиях циклического нагружения. По результатам циклических испытаний наблюдается падение скоростей ультразвуковых волн после 240000 циклов наработки. Заметно влияние отжига: скорость сдвиговой УЗ-волны падает на 35 м/с, а рэлеевской - на 43 м/с (см. рис. 5). Коэффициент Пуассона является величиной отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению, характеризует упругие свойства материала, его способность к поперечным деформациям. Изменение коэффициента Пуассона в процессе циклических испытаний можно рассчитать по результатам измерений сдвиговой и рэлеевской волн по следующей формуле [21]: (3) По построенным зависимостям (рис. 6) видно, что пруток в состоянии отжига более склонен к поперечным деформациям, при этом после 240000 циклов коэффициент Пуассона существенно уменьшается - от 0,375 до 0,365, что свидетельствует о деструктуризации металла. Рис. 6. Изменение коэффициента Пуассона под влиянием циклических нагрузок прутков в зонах максимальных напряжений Fig. 6. The change in Poisson's ratio under the influence of cyclic bar loads in zones of maximum stress Следует отметить, что экспериментально измеренные значения скорости рэлеевской волны по огибающей прутка и рассчитанные коэффициенты Пуассона имеют завышенные значения в сравнении с табличными, что обусловлено известной зависимостью скорости рэлеевской волны от радиуса кривизны поверхности, по которой она распространяется [22]. При этом относительное изменение указанных величин будет иметь одинаковый характер для образцов любых диаметров. Выводы 1. Возможность реализации электромагнитно-акустического метода контроля на многократных отражениях позволяет существенно повысить чувствительность к структурным изменениям при диагностировании момента зарождения усталостных трещин в цилиндрических деталях машин на основе анализа сигнала на дальних отражениях и обеспечить высокую точность определения скорости волн. 2. Экспериментально показано влияние числа и уровня циклических нагрузок при консольном изгибе вращающихся прутков на скорость распространения сдвиговой и рэлеевской волн. Наиболее существенное уменьшение скорости волн наблюдается в зоне максимальных напряжений вблизи консольного зажима прутка. При росте нагрузок и числа циклов после 240000 циклов наработки уменьшается скорость распространения сдвиговой и рэлеевской волн, наиболее значительное снижение наблюдается для отожженных прутков, соответственно, на 40 и 45 м/с. 3. Коэффициент Пуассона для прутка, подверженного отжигу, в процессе циклических испытаний уменьшается после 240000 циклов от 0,375 до 0,365, что свидетельствует о деструктуризации металла.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Gonchar A.V., Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Kurashkin K.V. [Variation of elastic characteristics of metastable austenite steel under cycling straining]. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2017, vol. 62, no. 4, pp. 537-541. doi: 10.1134/S1063784217040089

Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Gonchar A.V. Relation between the deformation energy and the Poisson ratio during cyclic loading of austenitic steel. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2015, vol. 60, no. 5, pp. 665-668. doi: 10.1134/S1063784215050163

Диагностика, повреждаемость и ремонт барабанов котлов высокого давления / Н. В. Абабков, Н. И. Кашубский, В. В. Муравьев [и др.] ; под ред. А. Н. Смирнова. М. : Машиностроение, 2011. 256 с.

Критерии оценки технического состояния длительно работающего металла оборудования ТЭС на основе акустической структуроскопии / А. Н. Смирнов, Н. В. Абабков, В. В. Муравьев [и др.] // Дефектоскопия. 2015. № 2. С. 44-51.

Экспериментальное обоснование метода прогнозирования малоцикловой долговечности элементов конструкций / В. И. Добровольский, С. В. Добровольский [и др.] // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2014. № 1. С. 36-38.

Там же.

Smirnov A.N., Knyazkov V.L., Abakov N.V., Ozhiganov E.A., Koneva N.A., Popova N.A. [Acoustic evaluation of the stress-strained state of welded carbon steel joints after different modes of heat input]. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 1, pp. 37-43. doi: 10.1134/S1061830918010072

Uglov A.L., Khlybov A.A. [On the inspection of the stressed state of anisotropic steel pipelines using the acoustoelasticity method]. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 4, pp. 210-216. doi: 10.1134/S1061830915040087

Chertenkov M.V., Ruzin L.M. [Prerequisites to complex use of standard and acoustic logging for the forecast of a Poisson's ratio]. Oil Industry, 2017, no. 1, pp. 16-18.

Davydov V.V., Myazin N.S., Logunov S.E., Fadeenko V.B. [A contactless method for testing inner walls of pipeline]. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2018, vol. 54, no. 3, pp. 213-221. DOI: 10.1134/ S1061830918030051.

Hyung M.K., Doo-Hyun C. Defects detection of gas pipeline near the welds based on self quotient image and discrete cosine transform. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2016, vol. 52, no. 3, pp. 175-183. doi: 10.1134/S1061830916030049

Анализ сравнительной достоверности акустических методов контроля пруткового проката из рессорно-пружинных сталей / В. В. Муравьев, О. В. Муравьева, В. А. Стрижак [и др.] // Дефектоскопия. 2014. Т. 50, № 8. С. 3-12.

Babkin S.E. [The determination of the Poisson ratio for ferromagnetic materials using the EMA method]. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, no. 5, pp. 303-307. DOI: 10.1134/ S1061830915050022.

Муравьева О. В., Соков М. Ю. Влияние глубины залегания дефекта на параметры многократно-теневого электромагнитно-акустического метода контроля прутков // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2016. Т. 68, № 4. С. 46-50.

Муравьева О. В., Зорин В. А. Метод многократной тени при контроле цилиндрических объектов с использованием рэлеевских волн // Дефектоскопия. 2017. № 5. С. 3-9.

Аппаратно-программный комплекс контроля прутков зеркально-теневым методом на многократных отражениях / В. А. Стрижак, А. В. Пряхин, Р. Р. Хасанов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 6. С. 565-571. doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-6-565571

Стрижак В. А., Хасанов Р. Р., Пряхин А. В. Особенности возбуждения электромагнитно-акустического преобразователя при волноводном методе контроля // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2018. Т. 21, № 2. С. 159-166. DOI: 10.22213/ 2413-1172-2018-2-159-166.

Информационно-измерительная система возбуждения, приема, регистрации и обработки сигналов электромагнитно-акустических преобразователей / В. А. Стрижак, А. В. Пряхин, С. А. Обухов [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. 2011. № 1 (17). С. 243-250.

Муравьева О. В., Зорин В. А. Уаз. соч.

Муравьева О. В., Соков М. Ю. Указ. соч.

Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М. : Наука, 1981. 287 с.

Там же.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2019-1-37-44

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2019 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)