Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Акустические методы контроля качества металлических проволок
1.1. Технология производства и дефекты стальных проволок 11
1.1.1 Волочение проволоки. 11
1.1.2 Дефекты волочения. 14
1.1.3 Дефекты термической обработки проволоки 15
1.1.4 Остаточные напряжения в прутках и проволоке 18
1.2 Методы структуроскопии проволоки 21
1.2.1 Оптико-физические методы оценки напряжений 21
1.2.2 Электрические и вихретоковые методы оценки напряжений 24
1.2.3 Магнитный метод 25
1.3 Акустические методы контроля проволоки 27
Выводы по 1 главе. Постановка задач 33
Глава 2 Моделирование распространения сигнала в проволоке .35
2.1 Искажение импульсов стержневой волны с учетом затухания и дисперсии скорости 35
2.2 Моделирование акустического тракта стержневых волн для произвольной формы импульса в тонких проволоках .43
Выводы по главе 2 49
Глава 3 Разработка экспериментальной установки и методических подходов для акустических исследований тонких проволок .50
3.1 Установка для акустической структуроскопии и тензометрии проволок .50
3.1.1 Электронный блок генерации и усиления .50
3.1.2 Разработка эма-преобразователей 52
3.1.3 Экспериментальная установка. 57
3.2 Методика исследований 59
3.2.1. Контроль с помощью раздельных ЭМАП 60
3.2.2 Метод многократных отражений .63
3.2.3 Эхо-метод для выявления дефектов структуры .65
3.2.4 Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки при производстве 67
3.2.5 Акустическая эмиссия в металлических проволоках при растяжении 69
Выводы по главе 3 72
Глава 4 Анализ акустических характеристик при статическом растяжении термически обработанных проволок 73
4.1 Смещения частиц при распространении стержневой волны в проволоке 74
4.2 Физико-механические свойства исследуемых сплавов 77
4.3 Результаты исследований проволок при статическом растяжении после термической обработки 78
4.4 Обсуждение результатов 87
Выводы по главе 4 91
Заключение
- Дефекты термической обработки проволоки
- Моделирование акустического тракта стержневых волн для произвольной формы импульса в тонких проволоках
- Электронный блок генерации и усиления
- Физико-механические свойства исследуемых сплавов
Дефекты термической обработки проволоки
Волочение характеризуется постепенным однократным или многократным протягиванием проволоки через специальный волочильный инструмент, предназначенный для поэтапного уменьшения поперечного сечения исходной заготовки [28,37]. В результате волочения поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Волочение проволоки значительно экономнее других способов обработки металлов, т.к. при волочении отсутствуют потери металла в стружку, можно получить проволоку определенного диаметра с заданными свойствами. В качестве заготовки для волочения применяется продукция прокатного производства – катанка, получаемая прокатом литых заготовок определенного сечения. Принципиальная схема волочения приведена на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 Принципиальная схема волочения:1 – волока; 2 – проволока; FН – площадь поперечного сечения на входе в волоку; FК – площадь поперечного сечения на выходе из волоки; P – приложенная нагрузка При волочении значительная часть энергии (по некоторым данным, до 90%), затрачиваемой на процессе волочения в результате внешнего трения и пластической деформации, превращается в тепло, которое значительно нагревает деформируемый металл, волоку и смазку. Чрезмерный нагрев протягиваемого металла ( 150-200С) ухудшает условия волочения из-за выгорания смазки, а у стальной проволоки может вызвать деформационное старение металла и соответствующее локальное изменение структуры. Также отрицательное влияние оказывает высокая температура на стойкость волочильного инструмента, который нагревается значительно выше, чем проволока [113].
Условия работы и связанные с ними требования к изделиям из проволоки весьма разнообразны. В канате, например, проволока не должна разрушаться от воздействия знакопеременных нагрузок и истираться; в пружине она должна быть достаточно упругой, чтобы пружина выдерживала прикладываемые нагрузки без изменения размеров; в нагревательном элементе необходима устойчивая работа проволоки при высоких температурах. Очень часто от проволоки требуется высокая коррозионная стойкость, хорошая электропроводность и способность сопротивляться сложным нагрузкам. В ряде случаев проволока должна обладать целым комплексом различных свойств.
Качество готовой проволоки определяется свойствами выбранного для волочения металла, а также изменениями его свойств и структуры в процессе переработки. Процесс волочения сопровождается не только изменением геометрической формы и размеров заготовки, но и существенными изменениями физико-механических свойств и структуры обрабатываемого металла.
Упрочнение металла, возникающее вследствие пластической деформации при волочении, называется наклепом, а структура металла в виде вытянутых по направлению волочения зерен - текстурой. Степень влияния деформации при волочении на физико-механические свойства протягиваемого металла во многом зависит от свойств металла, величины этой деформации и других причин, но можно выделить общие тенденции этого явления: повышаются прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость); снижаются (неравномерно) пластические свойства (относительное сужение, относительное удлинение, число перегибов и скручиваний); плотность металла незначительно повышается (0,5-1,0 %); антикоррозионная стойкость несколько снижается; возрастает электрическое сопротивление (у аустенитной стали рост составляет до 30%); изменяются магнитные свойства металла [116].
В ходе пластической деформации при волочении структура металла претерпевает значительные изменения - зерна перлита вытягиваются по направлению волочения, возрастает число дефектов структуры (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), что приводит к увеличению прочности, твердости и снижению пластичности. Дальнейшая деформация приводит к образованию микротрещин, которые растут и при превышении определенной степени обжатия приводят к обрывам проволоки [117].
Чтобы иметь возможность продолжить волочение, необходимо снять наклеп проволоки методами термической обработки. Для этого применяют отпуск, нормализацию, отжиг или патентирование в зависимости от условий поставки и марки стали. При термической обработке снижается число дефектов структуры, при дальнейшем нагреве происходит образование из деформированных (вытянутых) небольших равноосных зерен с недеформированной структурой металла, которые растут и постепенно занимают весь объем материала. Это явление называется рекристаллизацией, в процессе которой снижается прочность и твердость, увеличивается пластичность. Однако для углеродистых сталей, особенно при высоких степенях обжатий рекристаллизации при волочении недостаточно для нормального волочения в дальнейшем. Сталь подвергают нагреву выше температуры аустенитного превращения, чтобы добиться измельчения перлитной структуры и залечивания микротрещин. На поточных агрегатах нагрев стальной проволоки должен составлять 900 - 960С, чтобы за короткое время выдержки в печи успели произойти эти изменения в структуре [11]. Процесс трения при волочении во многом отличается от обычного трения скольжения, возникающего в традиционных трущихся парах, и значительно усложняется следующими причинами [116]: - весьма большие удельные давления, а поэтому подача смазки в зону деформации с целью создания условий жидкостного или даже полужидкостного трения весьма затруднена; - значительные пластические деформации протягиваемого металла; -как правило, высокие температуры, особенно при волочении труднодеформируемых металлов с предварительным нагревом заготовки перед волочением.
Все это вместе взятое предъявляет особые требования как к самим смазочным материалам, а так и к методам их подачи в зону деформации. И, поскольку процессы нагрева влияют на структуру металла, необходим контроль структурного состояния.
Моделирование акустического тракта стержневых волн для произвольной формы импульса в тонких проволоках
Описанный выше и опубликованный в [73] расчет имеет несколько недостатков. Во-первых, использование поправки Рэлея, использованной в модели, приводит к накапливанию ошибки с ростом частоты ультразвука. Во-вторых, модель построена на малом массиве точек, в связи с чем повышается вероятность ошибок Фурье преобразования. В-третьих, в качестве исходного был выбран импульс с нулевым значением фазы.
Для учета замечаний по п. 2.1 был проведен расчет процесса распространения акустического импульса в проволоке с использованием среды MathCad. Порядок математических рассуждений полностью аналогичен описанному выше. Листинг программы представлен в приложении В.
Для моделирования дисперсии скорости волны и коэффициента затухания воспользуемся программой для исследования волноводного распространения акустических сигналов «Elastic Waveguide Tracer», разработанной коллективом авторов В.В. Муравьевым, О.В. Муравьевой, Д.В. Трефиловым [94]. Данная модель использует точное решение уравнения Похгаммера – Кри во всем диапазоне частот в отличие от приближенной поправки Рэлея для узкого диапазона частот.
По результатам расчета получено семейство графических зависимостей формы импульса (амплитуды, длительности, фазы) от величины пройденного импульсом расстояния и частоты генерации ультразвука. На рисунках 2.10 – 2.26 показаны исходный (зеленым) и регистрируемый сигнал (красным) после прохождения по проволоке расстояния r стержневой волной с частотой f. Для указанных графиков по оси абсцисс отложено время t, мкс; по оси ординат – амплитуда U, В. Рисунок 2.10. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =0,8 МГц и пройденном расстоянии r =0,1 м
Анализ полученных результатов подтверждает увеличение длительности импульса, уменьшения его амплитуды с ростом пройденного волной расстояния и с увеличением частоты генерации. Разработка аппаратуры контроля с минимальной базой прозвучивания r нецелесообразна по следующим соображениям – инструментальная точность измерения растет с увеличением пройденного расстояния r.
На основании этого были выбраны требования к параметрам зондирующих импульсов для проведения эксперимента: частота зондирующих импульсов f = 1 МГц, база прозвучивания r = 0,25 м. Модель регистрируемого импульса показана на рисунке 2.26. Значение амплитуды значительно не меняется, сдвиг фазы за счет дисперсии скорости, составляет 38 нс. Данный результат хорошо сопоставляется с экспериментальными данными при исследовании проволок в состоянии поставки в ненагруженном состоянии, описанными в главе 4.
Перспективным направлением повышения возможностей и информативности ультразвуковых методов контроля в тонких проволоках является использование электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей, возбуждающих и принимающих акустические волны за счет электромагнитного взаимодействия с объектом контроля.
Электронный блок генерации и усиления. Использование для исследований промышленных ультразвуковых дефектоскопов не является оптимальным вследствие присущих этим приборам недостатков и конструктивных ограничений, к числу которых можно отнести следующие: - промышленные УЗ дефектосокопы ориентированы на работу с пьезоэлектрическими преобразователями, поэтому генерируемый ими зондирующий импульс обладает параметрами, не оптимальными для ЭМА преобразователей (высокое возбуждающее напряжение, низкий выходной ток); - генератор УЗ дефектоскопа работает в режиме ударного возбуждения, что делает невозможным плавную подстройку длительности зондирующего импульса; - усилитель УЗ дефектоскопа имеет фиксированный набор резонансных частот и неизменяемое значение добротности АЧХ, что во многих случаях является ограничивающим фактором, т.к. при исследованиях часто необходима плавная регулировка обоих параметров.
Для исследования информативных параметров стержневых волн в проволоке ЭМА способом был использован совмещенный генератор зондирующих импульсов и генератор, разработанный на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» [43,45]. Электронная схема и принцип работы описаны в [2,10,43,45,68]. Блок-схема установки представлена на рисунке 3.1.
Генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) позволяет производить плавную подстройку длительности и частоты зондирующих импульсов, приемный усилитель (ПУ) имеет плавные регулировки коэффициента усиления.
Преимуществом использования данного электронного блока генерации и усиления является возможность оперативной регулировки всех важных для получения оптимального выходного сигнала параметров: коэффициента усиления, центральной частоты, добротности в широком диапазоне, что крайне важно при исследовании сигналов с использованием экспериментальных ЭМА-преобразователей; кроме того используемый генератор невосприимчив к короткому замыканию (разрабатываемые ЭМА-преобразователи имеют низкие активные сопротивления, порядка R 0,1…3 Ом)
Акустический импульс симметричной моды so возникает в проволоке, размещенной внутри ЭМАП за счет эффекта Джоуля. Эффект Джоуля или эффект линейной магнитострикции состоит в линейной деформации стержня под воздействием магнитного поля и имеет место при одинаковом направлении постоянного и переменного магнитных полей. Регистрация импульса ЭМАП происходит за счет обратимости магнитострикционных эффектов – изменение намагниченности при деформации проволоки проходящими акустическими импульсами [27].
Односекционный ЭМАП открытого типа приведен на рисунке 3.2. Преобразователь включает в себя текстолитовую подложку 1, обеспечивающую прочность конструкции и возможность её крепления к раме экспериментальной установки; несущий конус 2, на который размещается излучающая обмотка 3, выполненная плотно виток к витку медным проводом марки ПЭВТЛК-ОС диаметром 0,063 мм. Для повышения эффекта ЭМА-преобразования в конструкции закреплен постоянный магнит М.
Электронный блок генерации и усиления
Для всех исследуемых образцов проволоки имеет место возрастание амплитуды смещений с увеличением нагрузки. Кривые для проволок в состоянии поставки и при низких отжигах несущественно отличаются по характеру зависимостей, максимальный рост сигнала (в 3-5 раз) наблюдается в проволоках из сталей У9А и 65 Г после полного отжига. Противоположные тенденции наблюдаются в проволоках из сплава викаллой (рисунок 4.11, кривая 3), где максимальная амплитуда соответствует образцам в состоянии поставки и резко уменьшается при любом температурном воздействии.
Образцы проволок сталей 65Г и У9А получены холодным волочением. Незначительные отклонения скорости стержневой волны (рисунки 4.6 – 4.8) при растяжении объясняется тем, что высокие внутренние напряжения I-го и II-го рода, присутствующие в проволоках в состоянии поставки, препятствуют прикладываемым внешним механическим напряжениям, что ведет к несущественному изменению скорости АС/С0 (низким значениям коэффициентов акустоупругости), и минимальному абсолютному значению скорости [74,84].
Наблюдаемая закономерность увеличения скорости стержневой волны в сплаве викаллой (рисунок 4.9) при растяжении может быть объяснена следующими соображениями. Образцы имеют высокую анизотропность и претерпели при волочении значительные деформации. Остаточные напряжения по центру проволоки носят преимущественно сжимающий характер, так как в волоке центральные слои металла получают большее удлинение, чем переферийные. Прилагая растягивающую нагрузку к образцу сжимающие напряжения уменьшаются, что сказывается на увеличении скорости стержневой волны. Нелинейность зависимости имеет место вследствие неравномерного распределения деформаций по сечению проволоки.
Образцы из сталей 65Г и У9А напротив, имеют большую изотропность. Возрастающие растягивающие напряжения в образцах снижают скорость стержневой волны.
На рисунке 4.10 представлены обобщенные результаты исследований влияния отжига на изменение скорости стержневой волны в образцах проволок всех трех исследуемых материалов. Очевидно существенное изменение полученных зависимостей после отжига в интервале температур 600 - 800C.
Можно полагать, что при низкотемпературном отжиге (возврате и полигонизации) (2000С и 4000С) уменьшаются напряжения как I-го рода, так II-го рода, при этом образцы в состоянии поставки и при низких температурах отпуска характеризуются несущественным различием в характере зависимостей изменения скорости от внешних механических напряжений.
При рекристаллизационном отжиге (800C и выше) внутренние напряжения снимаются полностью и не препятствуют процессу внешнего нагружения, при этом наблюдается максимальное изменение по скорости АС/С0, значение абсолютной скорости также имеет максимальное значение. Факт увеличения скорости ультразвуковых волн при снятии высоких внутренних напряжений и уравновешивании структуры подтверждается в работе [71].
На рисунке 4.14 представлены металлографические снимки шлифов проволок в различных состояниях. На образцах в состоянии поставки и после отжига при температурах до 600C наблюдается высокая текстурированность, ориентированная по направлению волочения проволоки. На образцах, отожженных при температурах /=800C и выше отмечается заметное уменьшение текстурированности, увеличение зерна.
На рисунках 4.11 – 4.13 представлены графические зависимости изменения амплитуды стержневой волны с ростом растягивающих нагрузок при различных состояниях образцов – поставка и высокотемператруный отжиг. Кривая относительного изменения амплитуды волны в проволоках из сплава викаллой после высокого отжига не отражена, поскольку на указанных образцах получены крайне малые значения амплитуд в виду низкой эффективности ЭМА преобразования после такого вида температурной обработки.
Увеличение амплитуды волны с ростом приложенной нагрузки в образцах углеродистых сталей можно объяснить увеличением магнитострикционной анизотропии образцов. Увеличение амплитуды волны при полном отжиге обусловлено появлением высоких магнитотвердых свойств в образцах из сталей У9А и 65Г и, как следствие, повышением эффективности ЭМА преобразования.
Отжиг проволоки из сплава викаллой, напротив, уменьшает магнитотвердые свойства, полученные после холодной деформации на 70-90 %. Изменение структурного состояния ферромагнетика, как и воздействие на него упругих деформаций приводит к необратимому смещению доменных границ или вращению векторов спонтанной намагниченности, в результате чего ферромагнетик приобретает новое магнитное состояние, а, следовательно, меняет значение магнитострикции, определяемой типом и состоянием решетки металла [9]. При этом немагнитная -фаза превращается в ферромагнитную сг-фазу [105].
Использование ЭМА способа позволило ввести новый дополнительный информативный параметр - акустоупругий коэффициент по амплитуде, характеризующий эффект возрастания амплитуды стержневой волны при воздействии напряжений и определяемый в основном эффективностью ЭМА преобразования. Расчет акустоупругого коэффициента по амплитуде проводится по формуле (3.4).
Физико-механические свойства исследуемых сплавов
Сигнал считался зарегистрированным при превышении определенного порогового уровня Uпорог, выбираемого экспериментально. Если t1 – время регистрации сигнала АЭ на первом канале, t2 – время регистрации сигнала АЭ на втором канале, расстояние от ПАЭ1, взятого за начало координат, до источника АЭ - x, а расстояние между двумя ПАЭ составляет L, справедлива запись:
Производимая на предприятиях проволока, в том числе пружинная для упругих элементов, во многих случаях отличается неравномерностью свойств как внутри одной бухты, так и по разным партиям. Это явление характерно для проволок различного назначения, разных марок сталей, размеров и различных производителей. Поэтому результаты механических испытаний при окончательной приемке продукции и при повторных испытаниях, допускаемых стандартом, не вполне корректны, поскольку они определяются состоянием того локального участка проволоки, от которого отобраны образцы, и не характеризуют всю бухту в целом. Возможными причинами локальной неравномерности свойств термически обработанной проволоки могут быть: - остаточные напряжения, накапливаемые при волочении, в т.ч. при нарушении технологии волочения и износе волок; - структурная неоднородность, осложненная протекающими при нагреве деформированных сталей процессами рекристаллизации. В ряде работ [8,71,81,82,87] исследовано влияние структурных факторов на скорости объемных (продольных и поперечных) и поверхностных волн, имеются данные о величине акустоупругих коэффициентов в зависимости от направления приложенных напряжений, рассмотрено влияние внешних воздействий на результаты акустической тензометрии, показаны возможности использования полученных закономерностей для определения механических напряжений. Попытки построения теории акустоупругости для объектов ограниченных размеров (таких, как проволока) показывают существенное несовпадение результатов различных авторов, что объясняется влиянием боковых поверхностей, искажением плоского фронта волны, дисперсией скорости. Исследования явлений акустоупругости в средах с дисперсией скорости до сих пор являются нерешенной задачей. 4.1 Смещения частиц при распространении стержневой волны в проволоке
Известно, что в протяженных объектах (продольные размеры которых намного превышают поперечные) могут распространяться нормальные волны в стержнях или волны Похгаммера (симметричные, антисимметричные, крутильные нулевого и высших порядков), скорости которых определяются наряду с модулями упругости и плотностью материала, частотой и диаметром стержня.
Волнам Похгаммера в проволоках свойственна дисперсия скорости, что приводит к искажению, ослаблению снимаемых сигналов и к сложности их интерпретации. Связь значения скоростей с модулями упругости и оценка влияния дисперсии описана в главе 2. Очевидно что, при разработке метода акустической тензометрии протяженных объектов целесообразно использование симметричной моды нулевого порядка (s0) в области минимальной дисперсии скорости (малой величины fd, где f – частота стержневой волны, d – диаметр исследуемой проволоки).
Движение частиц в стержневой волне происходит симметрично относительно оси х стержня. Расчет показывает (рисунок 4.1), что при малых fd преобладает смещение u по оси x (осевая компонента смещения), амплитуда которого постоянна по сечению стержня [68]. Смещение w в поперечном направлении оси x (радиальная компонента смещения) примерно в 12 раз меньше продольного.
Расчет компонент смещения проведен в программе «Elastic Waveguide Tracer» [94], результаты расчета представлены на рисунке. Результаты моделирования показывают максимальное смещение по продольной оси x, практически отсутствующие крутильные смещения и распределение поперечных смещений – от минимальных в центре проволоки к возрастающим на цилиндрической поверхности проволоки. Поперечные смещения на поверхности меньше продольных не менее чем в 6 раз. Интенсивность смещений показана с помощью цветовых шкал на рисунке.
Приведенные рассуждения позволяют сделать вывод о возможности достижения равномерной чувствительности осевой u-компоненты стержневой волны к напряжениям по сечению проволоки. В продольном направлении будет наблюдаться максимальное по модулю значение акустоупругого коэффициента. Методика исследования и расчета основных информативных параметров изложена в п. 3.2.1.
