CC BY
23
УДК 621.791.75: 620.172.2: 620.179.17 DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-7-679-684
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТОУПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПРОВОЛОК
В. В. Муравьев, А. В. Платунов
Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова,
426069, Ижевск, Россия E-mail: [email protected]
Представлены результаты исследований по измерению скорости и амплитуды стержневой волны в тонких проволоках с использованием разработанных прибора и установки. Получены значения скорости волн, упругих модулей и акустоупругих коэффициентов по скорости и по амплитуде для ферромагнитных проволок диаметром 0,3—0,5 мм из сталей 65Г, У9А и сплава 52К12Ф. Исследования проводились в условиях одноосного напряженно-деформированного состояния проволок при нагрузках от 0 до 1100 МПа; образцы проволок были подвергнуты отжигу при температуре от 200 до 1200 °С. Полученные результаты могут быть использованы для контроля качества термической и механической обработки стальных проволок.
Ключевые слова: стержневая волна, акустоупругость, термическая обработка, одноосные напряжения, стальные проволоки
Исследования структурного и напряженно-деформированного состояния проволок — одна из актуальных задач в современном металловедении, а также в авиационной, машиностроительной и транспортной отраслях промышленности. Перспективные исследования упругих свойств металлов связаны с акустическими методами, основанными на измерении характеристик упругих волн, таких как скорость распространения и затухание, в контролируемой среде [1, 2]. Широко используемый метод акустической тензометрии (акустоупругости) основан на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений [3—5]. Возможности бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) способа ввода и приема акустических волн позволяют исследовать структурное и напряженно-деформированное состояние металлов [6, 7].
В настоящей статье представлены результаты исследований акустоупругих характеристик тонких проволок после отжига и в процессе механического одноосного растяжения.
В линейно-протяженных объектах (продольные размеры которых намного превышают поперечные), например в стержнях, распространяются нормальные волны, открытые Похгаммером и Кри. Нормальные волны в стержнях подразделяются на три типа: продольные, изгибные и крутильные, характеристики которых определяются, наряду с модулями упругости и плотностью материала, частотой f и диаметром d стержня. Зависимость фазовой и групповой скорости волн от частоты колебаний и диаметра стержня, характерная для нормальных волн, носит название геометрической дисперсии скорости. На рис. 1 показаны дисперсионные кривые стержневых волн Похгаммера в стальном стержне диаметром 0,3 мм: а — фазовая скорость, б — групповая скорость.
Расчет геометрической дисперсии скорости проведен в разработанной авторами программе "Elastic Waveguide Tracer" на основе решения уравнений Похгаммера — Кри (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2013615397: „Программа для исследования волноводного распространения акустических сигналов").
а)
С-102, м/с 70 65 60 55 50 45 40 35 30
б)
С-102, м/с 50 45 40 35 30 25 20 15
1(0,4)
0
5-106
1-10'
1,5-10' / Гц
0
5-106
1-107
1,5-10' / Гц
Рис. 1
Использование волн Похгаммера в области значительной дисперсии скорости и существования нескольких мод приводит к искажению и ослаблению сигналов и к сложности их интерпретации [8, 9]. В связи с этим при разработке методов акустических исследований протяженных объектов целесообразно использовать симметричную моду нулевого порядка £(0,1) в области минимальной дисперсии скорости (малых произведений /ё).
При/ё ^ 0 фазовая и групповая скорости продольной волны Сц0д) стремятся к общему пределу — стержневой скорости волн С0 — и определяются выражением
Со =4ЕТр, (1)
где Е— модуль Юнга, р — плотность.
Принципиальным является то, что нормальные волны в стержнях благодаря волновод-ному эффекту ослабляются лишь за счет затухания в материале объекта контроля (расхождение отсутствует):
и (х) = и0в~Ъх, (2)
где и (х) — амплитуда волны при прохождении расстояния х; и0 — начальная амплитуда волны; 5 — коэффициент затухания.
В области минимальной дисперсии (на рис. 1 заштрихована) затухание волны минимально и прямо пропорционально частоте. Малое затухание и незначительная дисперсия скорости практически не искажают импульсы, распространяющиеся по объекту контроля, что позволяет повысить точность измерений [9].
Для исследования акустоупругих характеристик проволок с использованием ЭМА-способа разработана установка, структурная-схема и внешний вид которой представлены на рис. 2, а, б, где ГЗИ — генератор зондирующих импульсов; И — излучающий ЭМА-преобразователь (ЭМАП); Пр — проволока; М — постоянный магнит; Т — тензодатчик; П — приемный ЭМАП; ПУ — предусилитель; О — осциллограф; ЭИ — электронный измерительный блок; МН — устройство механического натяжения; Ст — станина.
а)
Рис. 2
Для обеспечения одноосного напряженно-деформированного состояния исследуемая проволока закрепляется верхним концом в зажиме устройства механического натяжения, другой конец крепится через шарнирную головку непосредственно к тензорезисторному датчику силы растяжения, жестко закрепленному на станине. Результаты измерений напряжений тензодатчика отображаются на символьном дисплее электронного измерительного блока. Блоки Т и ЭИ являются узлами цифрового калиброванного динамометра ДОР-3-0,3И. В проволоке с помощью излучающего бесконтактного ЭМАП возбуждаются короткие акустические импульсы, которые после прохождения по проволоке регистрируются приемным бесконтактным ЭМАП, преобразующим акустические колебания в электрические импульсы, которые усиливаются предусилителем и наблюдаются на цифровом осциллографе. Генератор зондирующих импульсов, питающий ЭМА-преобразователь И и развертка осциллографа О синхронизированы.
Изменение скорости стержневой волны АС/С , распространяющейся вдоль проволоки
с поляризацией в направлении оси x в условиях одноосных растягивающих напряжений аЛ
C
может быть описано с помощью акустоупругого коэффициента Р . по скорости [3]:
АС/С0 = рх ;
(3)
С = 15Х + 10д + 4Х3/ д + 2(1 + 2m + 2Хт / д)
Рхх _
2(3Х + 2д)(Х + 2д)
где X и д — константы упругости второго порядка Ламе; т — константы упругости третьего порядка Мурнагана.
На рис. 3 представлены эхограммы контроля проволоки импульсным методом: а — зондирующий и принятый импульсы, б: 1 — принятый импульс при отсутствии нагружения, 2 — принятый импульс в нагруженном состоянии.
а)
Зондирующий импульс
Принятый импульс
t0+Аt
Рис. 3
Информативными параметрами при исследованиях служили амплитуда импульса и и изменение времени его прихода Аt на расстоянии 250 мм между излучателем и приемником.
По величине относительного изменения скорости АС/С0 рассчитывались значения акусто-
упругих коэффициентов по скорости Р'
С
С _АС / Со Рхх
Аt
■Мо +Аt)'
(4)
где Аt _ t - tо — разница во времени распространения импульса стержневой волны при нагрузке и при ее отсутствии; максимальные значения случайных погрешностей скорости распространения стержневой волны не превышают 0,01 %.
Использование ЭМА-метода позволило ввести новый дополнительный информативный
параметр — акустоупругий коэффициент по амплитуде Р^, характеризующий эффект возрастания амплитуды стержневой волны при воздействии напряжений и определяемый в основном эффективностью ЭМА-преобразования:
ри _АЦ / ио
Рхх
О хх
(5)
где Аи=и- и0 , а и и и0 — амплитуда принятого ультразвукового импульса при нагрузке и ее отсутствии соответственно.
В качестве образцов для исследований были выбраны: проволока диаметром 0,4 мм из пружинной стали 65Г (ГОСТ 11850-72), проволока диаметром 0,5 мм из инструментальной стали У9А (ГОСТ 9389-75), проволока диаметром 0,3 мм из викаллоя 52К12Ф (ГОСТ 1099474). Образцы из сталей 65Г и У9А — рессорно-пружинные проволоки, основное свойство которых — сопротивление малым пластическим деформациям; викаллой относится к диспер-сионно-твердеющим сплавам.
Максимальное наблюдаемое изменение скорости для образцов (в состоянии поставки) составляет: для стали У9А — АС/С0 ~ 0,12 % при нагрузке 950 МПа; для стали 65Г —
АС/С0 ~ 0,28 % при нагрузке 700 МПа; для викаллоя — АС/С0 ~ 0,25 % при нагрузке 1100 МПа.
Исследуемые образцы были подвергнуты отжигу при температуре от 200 до 1200 °С. После высокотемпературного отжига вид зависимостей меняется — их характер ближе к линейному, по всем исследуемым материалам наблюдается уменьшение относительного изменения скорости стержневой волны; полученные значения отличаются от данных, регистрируемых в состоянии поставки образцов и после их низкотемпературного отжига.
В табл. 1 приведены рассчитанные по формулам (4) и (5) соответственно значения аку-
стоупругого коэффициента по скорости Рхх и акустоупругого коэффициента по амплитуде
Ри для образцов при различной температуре (Т) отжига. Расчеты проведены в предположении линейного характера изменения скорости в диапазоне используемых нагрузок. При высокотемпературном отжиге наблюдается увеличение значений коэффициента Рхх и смена его знака для викаллоя.
_Таблица 1
Т, °С РСХХ, 1ЯШ Р^х , 1/ГПа
Сталь 65Г Викаллой 52К12Ф Сталь У9А Сталь 65Г Сталь У9А
Поставка -2,9 0,1 -0,9 1,0 2,1
200 -3,1 0,1 -1,1 0,8 2,9
400 -2,2 0,9 -1,4 0,2 0,1
600 -4,1 2,1 -1,9 0,1 0,9
800 -14,6 -5,6 -12,0 0,5 0,8
1000 -13,9 -4,6 -12,2 2,8 4,9
1200 -14,1 — -12,7 4,2 5,8
Экспериментально полученные значения скоростей стержневых волн в исследуемых образцах и табличные значения плотности сталей использованы для расчета модуля упругости Е по формуле (1). Результаты приведены в табл. 2.
_Таблица 2
Материал Скорость моды ¿0, С0, м/с Модуль упругости Е, ГПа
Сталь 65 Г 5089,8 203
Викаллой 52К12Ф 4968,9 199
Сталь У9А 5213,0 202
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
— применение бесконтактного ЭМА-способа ввода и приема упругих волн позволяет существенно повысить точность, воспроизводимость и достоверность акустических измерений;
— исследования показали возможность использования прибора для измерений абсолютного значения скорости стержневой волны с последующим определением акустоупругого коэффициента по скорости и акустоупругого коэффициента по амплитуде;
— экспериментально полученные результаты измерения скорости и амплитуды стержневой волны в проволоках и расчета модуля упругости исследуемых образцов в состоянии поставки могут быть использованы для контроля качества термической и механической обработки стальных проволок.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной при поддержке Российского научного фонда (проект №15-19-00051).
список литературы
1. Ультразвуковая структуроскопия изделий из сложноструктурных материалов на основе анализа статистических характеристик структурного шума / В. Г. Карташев, В. К. Качанов, И. В. Соколов, Е. В. Шалимова, Р. В. Концов, Л. В. Воронкова // Дефектоскопия. 2015. № 6. С. 41—56.
2. Выбор параметров пространственно-временной обработки сигналов при ультразвуковой структуроскопии чугунных изложниц, подвергшихся термоциклированию / В. К. Качанов, В. Г. Карташев, И. В. Соколов, Л. В. Воронкова, Р. В. Концов, А. А. Синицын // Дефектоскопия. 2016. № 6. С. 42—50.
3. Неразрушающий контроль: Справочник. Т. 4. Акустическая тензометрия / В. А. Анисимов, Б. И. Каторгин, А. Н. Куценко и др. М.: Машиностроение, 2004. 209 с.
4. Клюев В. В., Бобренко В. М., Бобров В. Т. Акустическая тензометрия разъемных соединений. Состояние и перспективы развития. Часть 1. Проблемы эксплуатации конструкций с разъемными соединениями // Контроль. Диагностика. 2015. № 12. С. 60—68.
5. Клюев В. В., Бобренко В. М., Бобров В. Т. Акустическая тензометрия разъемных соединений. Состояние и перспективы развития. Часть 2. Результаты исследований, создания оборудования, разработки методики и примеры применения акустической тензометрии // Контроль. Диагностика. 2016. № 2. С. 14—26.
6. Буденков Г. А., Муравьев В. В., Коробейникова О. В. Исследование напряженно-деформированного состояния ободьев цельнокатаных вагонных колес методом акустической тензометрии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. Т. 6, № 3. С. 111—117.
7. Алехин С. Г., Самокрутов А. А., Бобров В. Т., Бобров С. В., Сергеев К. Л. Моделирование магнитных систем ЭМА-преобразователей для возбуждения ультразвуковых волн // Контроль. Диагностика. 2013. № 7. С. 12—18.
8. Моделирование и исследование процесса распространения акустических волн, излучаемых проходным электромагнитно-акустическим преобразователем, по эллиптическому сечению прутка // О. В. Муравьева, К. В. Петров, М. Ю. Соков, М. А. Габбасова // Дефектоскопия. 2015. № 7. С. 17—23.
9. Муравьева О. В., Стрижак В. А., Пряхин А. В. Влияние регулярных перепадов сечения на контролепригодность прутка при контроле акустическим волноводным методом // Дефектоскопия. 2014. № 4. С. 41—49.
Виталий Васильевич Муравьев
Андрей Валерьевич Платунов
Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; ИжГТУ им. М. Т. Калашникова, кафедра приборов и методов измерений; заведующий кафедрой; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук; ИжГТУ им. М. Т. Калашникова, экзаменационный центр по неразрушающему контролю; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой приборов и методов измерений
Поступила в редакцию 21.03.17 г.
Ссылка для цитирования: Муравьев В. В., Платунов А. В. Исследование акустоупругих характеристик тонких проволок // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 7. С. 679—684.
STUDY OF ACOUSTO-ELASTIC PROPERTIES OF THIN WIRES
V. V. Muraviev, A. V. Platunov
Kalashnikov Izhevsk State Technical University, 426069, Izhevsk, Russia E-mail: [email protected]
Results of studies on measurement of speed and amplitude of rod waves in thin wires, using developed instrument and a setup, are presented. Measured values of velocities, elastic moduli, and acousto-elastic coefficients in speed and amplitude are obtained for ferromagnetic wires with a diameter of 0.3—0.5 mm of steel 65G, U9A and alloy 52K12F. The studies were conducted in the uniaxial stressstrain state of the wire at loads from 0 to 1100 MPa; samples of wires were subjected to annealing at a temperature of from 200 to 1200 °C. The results can be used in quality control of thermal and mechanical processing of steel wires.
Keywords: rod wave, acousto-elasticity, thermal processing, uniaxial stress, steel wire
Data on authors
Vitaly V. Muraviev — Dr. Sci., Professor; Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Department of Quality Control Instruments and Techniques; Head of the Department; E-mail: [email protected] Andrey V. Platunov — PhD; Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Examination Center
for Non-Destructive Testing; E-mail: [email protected]
For citation: Muraviev V. V., Platunov А. V. Study of acousto-elastic properties of thin wires. Journal of Instrument Engineering. 2017. Vol. 60, N 7. P. 679—684 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-7-679-684
