Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Структуроскопия металлоконструкций. Состояние и проблемы 10
1.1 Методы неразрушающего контроля структуры и накопленной поврежденности металла 10
1.1.1 Ультразвуковые методы структуроскопии 10
1.1.2 Другие методы неразрушающего контроля 21
1.2 Технология изготовления и механические свойства рельсовой стали 23
1.3 Изменение структурно-механических характеристик в процессе эксплуатации рельсов 28
1.4 Контроль обезуглероженного слоя поверхности катания головки рельса 32
Выводы по главе 1. Постановка задач 34
Глава 2 Методическое и аппаратное обеспечение акустической структуроскопии металлоконструкций 36
2.1 Измерение акустических структурных шумов и скоростей волн 36
2.2 Методы обработки ультразвуковых сигналов 54
Выводы по главе 2 69
Глава 3 Акустическая структуроскопия малоуглеродистой трубной стали 09Г2С 70
3.1 Влияние термической обработки стали 09Г2С на скорости ультразвуковых волн 70
3.2 Влияние одноосного растяжения на акустические структурные шумы в образцах стали 09Г2С 75
Выводы по главе 3 78
Глава 4 Структуроскопия стали рельсов типа Р65 79
4.1 Влияние наработки рельсов Р65 на акустические структурные шумы 79
4.2 Влияние наработки рельсов на скорости рэлеевских волн 85
4.3 Влияние наработки рельсов на скорости головных волн 90
4.4 Связь глубины обезуглероженного слоя рельсовой стали со скоростями рэлеевских волн 94
Выводы по главе 4 105
Список использованной литературы 108
Приложение А Экспериментальные данные исследований 133
Приложение Б Акт об использовании в учебном процессе 145
Приложение В Акт об апробации 146
- Ультразвуковые методы структуроскопии
- Измерение акустических структурных шумов и скоростей волн
- Влияние наработки рельсов Р65 на акустические структурные шумы
- Связь глубины обезуглероженного слоя рельсовой стали со скоростями рэлеевских волн
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день согласно данным с официального сайта РЖД длина железных дорог в России составляет 85 тысяч километров, что является колоссально большим объемом металла, требующего надежных приемочного контроля качества и периодической проверки его эксплуатационной стойкости.
Структура металла рельсов, полученная при производстве, обеспечивает их
трещиностойкость, прочность, твердость для высокой износостойкости и
противодействия пластическим деформациям. Применение методов
неразрушающего контроля позволяет повысить качество рельсов при изготовлении. Однако в процессе эксплуатации структурное состояние металла (особенно в головке рельса) меняется существенным образом. В результате многократного воздействия поездной нагрузки на головку на поверхности катания рельсов возникают пластическая деформация и наклеп. В дальнейшем накапливаются микродефекты, которые вызывают образование микро- и макротрещин, приводящих к поперечной трещине головки рельса и разрушению.
Таким образом, для обеспечения безопасности движения железнодорожных составов необходимо своевременно диагностировать критическое изменение структуры подповерхностных слоев головки рельса, свидетельствующее о предельном состоянии. Перспективные варианты неразрушающей оценки изменения структурного состояния в головке рельсов связаны с измерением чувствительных информативных параметров ультразвуковых волн, таких как акустические структурные шумы и скорости объемных, рэлеевских и головных волн.
Установление связи между информативными параметрами ультразвуковых волн и структурно-механическим состоянием металла головки рельсов является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить качество металла рельсов и обеспечит их долговечность.
Степень разработанности темы. Большинство методов акустической структуроскопии основаны на измерении скорости и коэффициента затухания ультразвуковых волн. Ботаки А.А., Шарко А.В., Левитан Л.Я. и Лебедев А.А. установили связь скорости продольных волн с твердостью среднеуглеродистых сталей типа 40Х. Ермолов И.Н., Вопилкин А.Х., Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. и Александров Н.Н. предложили использовать головные ультразвуковые волны для выявления подповерхностных дефектов и контроля структуры материалов. Муравьевым В.В. широко рассмотрены вопросы по влиянию структуры и микродефектности на скорости объемных и рэлеевских волн в алюминиевых сплавах и сталях. В работах Смирнова А.Н. рассмотрен способ структуроскопии, основанный на измерении скоростей рэлеевских волн. Структура чугунов исследована Воронковой Л.В. по измерениям скоростей ультразвуковых волн. В работах зарубежных авторов Han Y., Panetta P.D., Da Costa Teixeira J. И Dorval V. представлен метод оценки структурного состояния титановых сплавов, основанный на сравнении структурных шумов, полученных экспериментально и путем математического моделирования. Коллективом авторов Сусловым О.А., Карабутовым А.А. и Подымовой Н.Б. предложен лазерно-ультразвуковой способ
4 возбуждения рэлеевских и головных ультразвуковых волн для диагностики остаточных напряжений в металлах.
Работа выполнена при частичной поддержке: программы стратегического развития ИжГТУ имени М.Т. Калашникова на 2012-2016 годы; проекта №3.751.2014/К по Госзаданию Минобрнауки РФ на 2014-2016 годы; Российского научного фонда (проект №15-12-00010 на 2015-2017 годы).
Цель работы. Разработка способа структуроскопии металла рельсов на основе установления связи измеряемых параметров акустических шумов и скоростей поперечных, рэлеевских и головных волн со структурным состоянием и твердостью.
Задачи исследования:
1. Аналитический обзор методов структуроскопии изделий из сталей и
сплавов.
2. Разработка методик оценки акустических структурных шумов, скоростей
рэлеевских и головных акустических волн.
3. Экспериментальные исследования влияния термической обработки и
механических деформаций на информативные параметры акустических волн в
углеродистой малолегированной стали.
4. Экспериментальные исследования влияния наработки рельсов типа Р65 на
акустические структурные шумы и скорости рэлеевских и головных акустических
волн.
5. Экспериментальные исследования влияния глубины обезуглероженного
слоя на скорости рэлеевских акустических волн.
Объект исследования. Информативные параметры акустической
структуроскопии головки рельсов типа Р65.
Предмет исследования. Акустический структурный шум, скорости объемных, рэлеевских и головных ультразвуковых волн.
Методы исследования. Методы исследования основаны на элементах теории упругости, акустики твердого тела, электромагнитного поля.
Обработка экспериментальных данных и численные расчеты выполнены на базе вычислительной техники с помощью программных сред MathCAD, Microsoft Excel, WinПОС, «ПРИНЦ».
Для экспериментальных исследований использованы акустические
дефектоскопы с применением пьезоэлектрических и электромагнитно-
акустических преобразователей для возбуждения в объектах контроля объемных, рэлеевских и головных ультразвуковых волн теневым и эхо- методами. Использовалась термическая обработка стальных образцов, металлография, механическое нагружение.
Научная новизна:
-
Впервые разработан способ оценки акустических структурных шумов в металлоизделиях по слоям на основе анализа осциллограмм контроля, разбитых на временные интервалы.
-
Впервые показана чувствительность акустических структурных шумов к стадии перехода упругой деформации в пластическую при растяжении образцов из стали 09Г2С, сопровождающееся резким изменением параметра, и показано влияние наработки рельсов типа Р65 в процессе эксплуатации на акустические
5 структурные шумы.
3. Установлено линейное снижение скорости рэлеевской волны с увеличением
твердости металла рельсов типа Р65.
4. Впервые экспериментально показано увеличение скорости рэлеевской
волны с ростом толщины обезуглероженного слоя в рельсовой стали.
Теоретическая и практическая значимость.
1. Показано влияние достижения предела текучести при растяжении стали
09Г2С на акустические структурные шумы и влияние термической обработки на
скорости рэлеевских и поперечных волн, позволяющие определять начальную
стадию усталостного разрушения металла и направление проката.
2. Разработан способ оценки уровня структурных шумов в
металлоконструкциях, заключающийся в регистрации обратного рассеяния
ультразвуковых волн на границах структурных элементов объекта контроля и
анализа результатов контроля с помощью вычисления интегрального значения
структурного шума и усреднения по заданному временному интервалу.
Экспериментально показана зависимость влияния наработки рельсов на такие
информативные параметры ультразвуковых волн в головке, как уровень
акустических структурных шумов и скорости распространения рэлеевских и
головных волн.
3. Предложен альтернативный способ контроля глубины обезуглероженного
слоя, основанный на выявленной зависимости увеличения скорости рэлеевской
волны с ростом толщины обезуглероженного слоя.
Положения, выносимые на защиту.
1. Способ оценки уровня акустических структурных шумов в
металлоконструкциях по слоям от поверхности, основанный на регистрации
обратного рассеяния ультразвуковых волн на границах структурных элементов
объекта контроля и анализа результатов контроля с помощью вычисления
интегрального значения структурного шума и усреднения по заданному
временному интервалу.
-
Закономерность падения уровня акустических структурных шумов при достижении предела текучести в стали 09Г2С и рост уровня акустических структурных шумов в головках рельсов типа Р65 с увеличением степени эксплуатационной наработки.
-
Закономерность падения скоростей рэлеевских и головных акустических волн с ростом твердости на поверхности катания и на глубине 10 мм от поверхности головки рельсов типа Р65 соответственно.
4. Зависимость роста скорости рэлеевских волн с увеличением глубины
обезуглероженного слоя при термической обработке рельсовой стали типа М76.
Достоверность и обоснованность обеспечивается корректным
использованием методов теории акустики твердого тела, теории упругости, большим объемом экспериментальных данных на реальных объектах контроля, воспроизводимостью результатов экспериментов, обоснованностью полученных зависимостей, а так же сравнением с известными исследованиями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: II Международная конференция «Фундаментальные проблемы современного материаловедения», г. Новокузнецк,
6 23-30 сентября 2013 г.; IX Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 13-15 ноября 2013 г.; XVIII Республиканская выставка-сессия студенческих инновационных проектов, г. Ижевск, 15-27 октября 2014 г.; Международный форум «Сварка и диагностика», г. Екатеринбург, 25-27 ноября 2014 г.; I Международный форум IEET-2015, г. Ижевск, 25-27 ноября 2015 г.; XI Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 25-27 ноября 2015 г.; XXII Петербургская конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов», г. Санкт-Петербург, 24-27 мая 2016 г.; Международный форум «Сварка и диагностика», г. Екатеринбург, 22-23 ноября 2016 г.; XII Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 23-25 ноября 2016 г.
Личный вклад. Методики проведения исследований, алгоритмы обработки экспериментальных данных, численные расчеты, представленные в диссертации, получены автором лично. Постановка цели и задач исследований, определение методов их решения, интерпретация и анализ результатов выполнены совместно с научным руководителем. Вклад автора в совместных публикациях состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований, которые определяют основу диссертации и новизну полученных результатов.
Соответствие диссертации паспорту специальности. П.1. Научное
обоснование новых и усовершенствование существующих методов
аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. П.2 Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 16 публикациях, в т.ч. 8 статьях в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, получены патенты РФ на изобретение и на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 202 наименований. Диссертация включает 66 рисунков, 20 таблиц и 3 приложения.
Ультразвуковые методы структуроскопии
Структуроскопия является одним из разделов неразрушающего контроля наряду с дефектоскопией, интроскопией и контролем размеров. Она позволяет находить нарушения в структурном состоянии, влияющие на ухудшение механических характеристик и долговечность.
Ультразвуковая структуроскопия позволяет определять изменения состояния металла на структурном уровне. Известные способы и методы ультразвуковой структуроскопии сталей можно условно разделить на несколько групп, отличающихся типом используемых волн – объемные волны и волны, распространяющиеся вдоль поверхности.
Один из структурных параметров металлов – твердость. Связь твердости со скоростью ультразвуковых волн в сталях 40Х и У8А установили коллектив авторов Ботаки А.А., Лебедев А.А., Левитан Л.Я. и Шарко А.В. в работах [14-16, 72]. Однозначно установлена корреляционная связь снижения скоростей объемных и поверхностных ультразвуковых волн с ростом твердости [82].
Авторы Муравьев В.В., Бояркин Е.В. и Бобров А.Л. в работах [108, 185] рассматривали влияние структуры рельсовой стали и технологии ее изготовления на скорости ультразвуковых волн. Показано увеличение скоростей продольной (на 45 м/с) и поперечной (на 34 м/с) ультразвуковых волн с ростом интенсивности загрязнения рельсовой стали неметаллическими включениями. Отмечена надежная связь скоростей ультразвуковых волн с твердостью рельсовых образцов: увеличение твердости на 60 HB привело к снижению скорости продольной волны на 36 м/с (коэффициент корреляции при этом составил 0,85) и снижению скорости поперечной волны на 20 м/с (коэффициент корреляции при этом составил 0,80).
В других работах Муравьева В.В. с соавторами [11, 71, 80, 81, 86, 90, 179] были исследованы закономерности изменения скоростей объемных волн в алюминиевых сплавах (Д1, Д16, АК4-1 и др.) и сталях с разными режимами термической обработки резонансным методом [71, 102].
В [86] показано влияние температуры нагрева под закалку (от 763 K до 813 K), закалки и естественного старения алюминиевого сплава Д1 на изменение резонансных частот ультразвуковых колебаний. Нагрев под закалку в диапазоне температур от 778 K до 803 K вызвал смещение резонансных пиков в сторону уменьшения частоты. Для температур, близких к 778 K смещение частоты составляет около 10 кГц (при частоте прозвучивания 2,7 МГц). Дальнейшее увеличение температуры приводит к пережогу сплава, ухудшению прочностных свойств. При этом наблюдается незначительное смещение резонансных пиков. Результаты экспериментов позволяют выявлять как начальную стадию пережога, так и установившуюся. Последующее естественное старение вызывает смещение пиков в сторону их положения до термообработки. Аналогичный характер зависимости показан для сплавов Д16, АК4-1 [11].
В [179] приведены зависимости влияния термической обработки на скорости ультразвуковых волн в сталях 38ХА и 20. Для обоих типов сталей отмечено уменьшение скоростей рэлеевских волн после закалки по сравнению с исходным состоянием. Однако с ростом времени и температуры последующего отпуска закаленных образцов наблюдается увеличение скорости на 1% для стали 38ХА и на 0,6% для стали 20. Падение скоростей ультразвуковых волн объясняется получением неравновесной структуры и искажением кристаллической решетки при образовании пересыщенных твердых растворов в результате закалки. Последующий отпуск и старение приводят к уравновешиванию структуры, уменьшению искаженности кристаллической решетки, и соответственно, к росту скоростей ультразвуковых волн. Важно отметить снижение твердости при отпуске на 4,5 ГПа для стали 38ХА и на 2 ГПа для стали 20.
В работах Муравьева В.В. с соавторами [97, 142, 202] рассмотрены вопросы по влиянию накопленной поврежденности на скорости ультразвуковых волн. Один из предложенных способов оценки структурного состояния основан на измерении изменений скоростей рэлеевских волн методом автоциркуляции импульсов [4, 73, 103, 153, 164], реализуемом прибором ИСП-12 (ультразвуковой индикатор структурных превращений) [73]. Принцип автоциркуляции импульсов заключается в том, что генератор зондирующих импульсов синхронизируется импульсами, прошедшими через анализируемую среду. В системе устанавливается частота следования импульсов, которая зависит от задержки импульса в среде.
Работы [100, 107, 109, 174, 190, 198] посвящены ультразвуковой диагностике наиболее ответственных объектов железнодорожного транспорта. В [107] приведены результаты измерений частоты автоциркуляции импульсов на таких объектах, как внутренние кольца подшипников качения, оси колесных пар грузовых вагонов и рельсы типа Р65. Показано, что в случае возникновения на поверхности изделий дефектов в виде мелкой сетки микротрещин и накопления дефектности скорость рэлеевских волн уменьшается. Так же в работе [20] показана возможность контроля шероховатости поверхности стали 45 с помощью рэлеевских волн методом автоциркуляции. Для исследованного диапазона шероховатости Ra от 1,4 до 17,1 мкм чувствительность метода составляет 100 Гц/мкм.
В работах [58, 201] рассматривается влияние цикловой усталости образцов стали 45 на скорости распространения ультразвуковых волн. Полученные зависимости имеют трехстадийный вид. Первые две стадии характеризуются незначительным снижением скоростей ультразвуковых волн, тогда как начало третьей стадии связано с резким падением скоростей, что сигнализирует о приближении разрушения. При этом микроструктурный анализ образцов, близких к третьей стадии, показал наличие микротрещин размерами до 0,1 мм. На основе экспериментальных исследований выдвинут критерий перехода структуры стали к критической стадии, определяемый как вторая производная функции скорости ультразвуковых волн от количества циклов нагружения. Значения второй производной 0 говорят о том, что ресурс изделия практически исчерпан.
К отдельному направлению научной деятельности Муравьева В.В. относится ряд исследований [19, 79, 104, 176-178, 186-188, 193, 195], посвященных вопросам оценки остаточных напряжений в конструкциях железнодорожной техники методами акустической тензометрии. С соавторами Муравьевой О.В., Стрижак В.А., Волковой Л.В., Громовым В.Е. исследованы остаточные напряжения в рельсах, элементах вагонных колес (бандажах, ободьях) электромагнитно-акустическими методами. Используемые подходы позволяют оценить уровень остаточных напряжений в объектах по измеряемым разностям времен распространения двух поперечных волн, поляризованных во взаимно-перпендикулярных направлениях.
В работах коллектива авторов Ермолова И.Н., Разыграева Н.П. и Щербинского В.Г. [52-54, 135] головные ультразвуковые волны было предложено применять для обнаружения подповерхностных дефектов Анализ указанных работ, в которых приведены результаты экспериментальных исследований головных ультразвуковых волн, показывает, что:
1) головные волны могут активно использоваться для выявления дефектов под грубой поверхностью;
2) для возбуждения и приема головных волн необходимо использовать ультразвуковые преобразователи с углом ввода, равным первому критическому;
3) оптимальная чувствительность к выявлению дефектов достигается на глубине 4-10 мм от поверхности изделия;
4) амплитуда головных волн убывает значительно быстрее в сравнении с объемными ультразвуковыми волнами за счет образования боковых волн;
5) расстояния, на которых однозначно различим прием головных волн 300 мм.
В патенте Александрова Н.Н. [121] предложен способ контроля структуры материалов с помощью головных ультразвуковых волн. Излучение и прием головной волны осуществляется двумя пьезопреобразователями, расположенными на одной поверхности объекта контроля и жестко скреплены между собой. Метод сводится к определению скорости распространения головной волны в контролируемом объекте, по которой оценивают структуру металла.
Измерение акустических структурных шумов и скоростей волн
Скорости рэлеевских волн измерялись с помощью метода автоциркуляции импульсов [4, 73, 153], принцип которого состоит в следующем. Генератор импульсов формирует электрический импульс, возбуждающий излучающий пьезопреобразователь. Прошедший по заданной базе изделия акустический сигнал регистрируется приемным пьезопреобразователем, усиливается и подается в блок управления генератора импульсов для формирования последующего электрического импульса, вновь запуская вышеописанный процесс. При этом рассчитывается частота следования импульсов, называемая частотой автоциркуляции, отображаемая на индикаторе дефектоскопа.
Схема контроля приведена на рисунке 2.1. Рэлеевская волна от излучающего пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) проходит по отрезку поверхности образца и регистрируется приемным ПЭП. На цифровом индикаторе дефектоскопа отображается частота автоциркуляции (следований импульсов) в кГц. Погрешность измерения скорости методом автоциркуляции испульсов составляет величину не более 0,2% [107].
Так же во фрагментах газопровода исследованы скорости распространения поперечных волн взаимно-перпендикулярной поляризации, излучаемых нормально к поверхности, как показано на рисунке 2.3, электромагнитно-акустическим методом (ЭМА-методом) [175, 182, 184].
Возбуждение и прием волн, а так же подмагничивание электромагнитно акустического преобразователя (ЭМА-преобразователя) [78, 113, 194] осуществляется специально разработанным электромагнитно-акустическим структуроскопом (СЭМА), внесенным в реестр средств измерений Госстандарта (госреестр №61957-15). Схема измерений приведена на рисунке 2.4. На персональном компьютере, работающим под управлением программного обеспечения «ПРИНЦ» [133], обеспечивается управление СЭМА и изменение настроек проведения измерений, таких как амплитуда зондирующих импульсов, коэффициент усиления, задержка между измерениями, количество усреднений и т.д.
СЭМА обеспечивает:
- эффективное возбуждение ЭМА-преобразователя [91, 183, 189] зондирующим импульсом амплитудой до 1,5 кВ;
- широкополосное усиление электромагнитно-акустических сигналов с коэффициентом усиления до 80 дБ и уровне шумов 50 мкВ в рабочей полосе частот;
- цифровой регистрации по двум синхронным каналам.
В металл излучаются ультразвуковые волны двух поперечных волн с взаимно-перпендикулярной поляризацией. ЭМА-преобразователь работает в совмещенном режиме (излучение – прием). В объекте контроля с помощью излучающей катушки возбуждаются короткие акустические импульсы, которые после распространения по объекту контроля и многократного переотражения от противоположной поверхности регистрируются приемной катушкой, преобразующей акустические колебания в электрические импульсы. Далее сигнал усиливается и подается на вход аналого-цифрового преобразователя ЛАн10-12PCI-У (АЦП), установленного в персональном компьютере, с частотой дискретизации 100 МГц. Технические параметры АЦП приведены в таблице 2.2 [130].
В методике измерялось время распространения поперечных волн, пересчитываемых далее в скорости.
Для оценки погрешности измерения времени распространения использовалась пара соседних переотраженных импульсов (см. рисунок 2.5), в каждом из которых выбирались характерные точки (максимум амплитуды), по которым производится измерение временного интервала. Временной интервал между зарегистрированными импульсами от измерения к измерению изменяется случайным образом в пределах интервала дискретизации АЦП tД
Влияние наработки рельсов Р65 на акустические структурные шумы
С целью оценки влияния накопленной дефектности структуры поверхностного слоя головки рельсов на акустические параметры исследованы отрезки рельсов типа Р65 с различными годами изготовления и степенью эксплуатационной наработки [6-8, 87, 170].
Исследованные рельсы типа Р65 №1 и №2 не имеют эксплуатационной наработки. Рельсы №№3-8 вырезаны из дефектных участков железнодорожных путей. В таблице 4.1 приведена характеристика рельсов.
Согласно [31], высота рельса Р65 составляет 180,00 мм с допускаемыми отклонениями по высоте ±0,60 мм. Соответственно рельсы №3-8 не попадают в эти допуски, поскольку они имеют износ поверхности катания в результате эксплуатации. Боковой износ головки рельса определяется измерением ширины головки рельса на уровне 13 мм от поверхности катания. Рельсы №3, 4, 6 и 8 эксплуатировались в кривых участках пути, поэтому имеют значительный боковой износ. Рельсы №5 и 7 не имеют бокового износа – они эксплуатировались в прямых участках пути.
Из этих данных видно, что в двух новых рельсах №1 и 2 и в рельсах №3 и 4 с одинаковым временем эксплуатации в пределах ошибки имеется близкий уровень шумов. При этом в эксплуатировавшихся рельсах превышает уровень шумов в новых рельсах в зависимости от наработки и технологии изготовления на 30-120%.
На рисунке 4.3 построен график зависимости уровня структурных шумов от номера прозвучиваемого слоя для восьми рельсов. Осциллограммы рассчитывались по схеме, приведенной на рисунке 2.23. За нулевое время взята точка ввода ультразвукового луча.
В рельсах без эксплуатации № 1 и 2 наблюдается самый низкий уровень структурных шумов по слоям, поскольку влияние на них оказывает тонкодисперсная структура сорбита закалки и сорбита отпуска. Некоторое повышение шума в 4 и 5 слоях может быть связано с более крупным зерном перлита в центре головки рельса, что подтверждается снижением твердости на этой глубине (см. таблицу 4.2) и с эффектом фокусировки УЗ волн, присущей раздельно-совмещенному преобразователю. Для рельсов №3-8 имеет место достаточно высокий уровень структурных шумов в слоях 1-4 на глубине до 15 мм, что объясняется накопленной микродефектностью в структуре этих слоев в виде микротрещин, двойникования, высокой плотности дислокаций в результате наклепа и контактного взаимодействия с колесом. Наиболее высокий уровень шумов наблюдается в 1 слое. На большей глубине амплитуда шумов убывает, поскольку на нее влияют только структура металла, в первую очередь величина зерна в виде мелкодисперсного сорбита. Особенно ярко это проявляется для рельсов №7 и 8, где шумы падают после 3 слоя.
В рельсе №6 уровень шумов существенно растет в нижней части головки -на глубине более 20 мм, где упрочнение закалкой согласно технологии не обеспечивается, поэтому в центральной части головки реализуется большая величина зерна в виде крупнопластинчатого перлита, о чем свидетельствуют низкие значения твердости (таблица 4.2). Для рельса №8 максимальная амплитуда получена в подповерхностном 1 слое, где на поверхности наблюдаются мелкие растрескивания. К нижней части головки этого рельса амплитуда существенно убывает, что объясняется ненарушенной структурой тонкодисперсного сорбита отпуска.
Из таблиц 4.1 и 4.2 прослеживаются следующие закономерности:
- у рельсов №1 и 2 (без эксплуатации) твердость на поверхности катания ниже, чем на глубине 5-15 мм, что соответствует твердости обезуглероженного слоя на глубину до 2 мм вследствие закалки и отпуска;
- у рельсов №3-8 после эксплуатации на поверхности катания головки наблюдается максимальная твердость вследствие наклепа при взаимодействии с колесом подвижного состава и снижение твердости к центру и нижней части головки; - для рельса №7 твердость резко снижается после 5 мм, что указывает на поверхностную закалку с высоким отпуском;
- в рельсе №6 низкие значения твердости на глубине более 20 мм от поверхности катания свидетельствуют об отсутствии закалки и соответственно большой величине зерна крупнопластинчатого перлита, что способствует росту уровня структурных шумов после 5 слоя (рисунок 4.3) и согласуется с результатами [95].
Различие уровней структурных шумов между новыми рельсами и эксплуатировавшимися может быть объяснено наличием наклепа и накопленной микродефектности в структуре поверхностных слоев. Наклеп, в свою очередь, является результатом изменения микроструктуры в поверхностном и подповерхностном слоях головки рельса, что подтверждается результатами измерения твердости и высоким уровнем структурных шумов по слоям. Мелкодисперсный сорбит отпуска в центральной и нижней частях головки дает низкие значения уровня структурных шумов. Крупнокристаллическая структура перлита повышает уровень шумов. Увеличение разброса измерений структурных шумов в рельсах со значительной наработкой объясняется неоднородностью распределения микродефектности в поверхностных слоях при осреднении по всей поверхности катания.
Таким образом, показано, что уровень структурных шумов в головке эксплуатировавшихся рельсов превышает уровень шумов в новых рельсах. Это объясняется наличием структурных изменений в головке рельсов вследствие наклепа и контактно-усталостных микроповреждений при их длительной эксплуатации.
Использование послойного распределения уровня структурных шумов по высоте головки рельса дает возможность выявить области максимальных структурных изменений и отделить влияние наклепа и контактно-усталостной микродефектности от влияния структуры, полученной при изготовлении. Показано, что длительная эксплуатация приводит к росту уровня структурных шумов в поверхностных слоях головки рельса.
Связь глубины обезуглероженного слоя рельсовой стали со скоростями рэлеевских волн
Глубина обезуглероженного слоя поверхности термообработанных металлических изделий в зависимости от типа термической обработки и времени выдержки может достигать 2 мм. Предполагается, что рэлеевские ультразвуковые волны, распространяющиеся по поверхности, будут чувствительными к изменениям глубины обезуглероженного слоя. Для исследований подготовлены 5 образцов из рельсовой стали, подвергшиеся отжигу с разным временем выдержки для создания обезуглероженного слоя [106].
Образцы вырезаны из подошвы рельса №1, как показано на рисунке 4.24. Длина образцов 250 мм, ширина - 36 мм.
Образцы подвергнуты отжигу в муфельной печи в атмосфере воздуха при температуре (850±30)C с разным временем выдержки для создания обезуглероженного слоя. В таблице 4.4 приведена характеристика режимов термической обработки образцов.
В таблице 4.5 представлены усредненные результаты расчетов относительных скоростей рэлеевских волн CR ОТН частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц со стороны нижней плоскости подошвы (см. рисунок 4.24). Значения CR определяются
Скорость рэлеевской волны в образцах с термической обработкой увеличилась на 0,15% ( 5,4 м/с) в случае частоты ультразвуковой волны 1,25 МГц и на 0,13% ( 4,0 м/с) – для частоты 2,5 МГц. В таблице 4.6 представлены усредненные результаты расчетов относительных скоростей рэлеевских волн CR ОТН частотой 1,25 МГц и 2,5 МГц со стороны среза (см. рисунок 4.24).
На частоте 1,25 МГц наблюдается резкое увеличение скорости рэлеевской волны для отожженных образцов на 0,46% ( 13,7 м/с).
Для частоты 2,5 МГц разница в относительном изменении скорости рэлеевской волны между образцом в состоянии поставки и образцом, выдержанным в печи в течении 4-х часов, достигает 0,40% ( 12 м/с). Увеличение скорости рэлеевской волны от времени отжига более монотонно.
Небольшая разница в скоростях рэлеевских волн со стороны нижней плоскости подошвы (таблица 4.5) объясняется дефектами поверхности (кратеры, питтинг), к которым чувствительны рэлеевские волны. Со стороны среза поверхность бездефектная. Характер роста скорости рэлеевской волны (таблица 4.6 и рисунок 4.25) для частот 1,25 и 2,5 МГц существенно отличается. Как упоминалось выше, в первом случае (1,25 МГц) рэлеевская волна проникает на глубину 2,4 мм, захватывается большая часть основного металла не подверженного обезуглероживанию, чем во втором случае (2,5 МГц) – 1,2 мм.
Рост скорости рэлеевской волны от времени отжига связан с увеличением обезуглероженного слоя, в котором структура с преобладанием феррита является менее разнородной и напряженной, что согласуется с [55, 94].
На рисунках 4.26 и 4.27 приведены фотографии микроструктуры шлифов, сделанных с помощью микроскопа «Альтами МЕТ 1М», образцов со стороны нижней плоскости подошвы и со стороны среза соответственно. Шлифы изготовлены в поперечном сечении образцов.
Из рисунков 4.26 и 4.27 видно, что при увеличении времени отжига образцов, толщина обезуглероженного слоя и объем феррита растет вглубь от поверхности.
Как видно из таблицы 4.7 и рисунка 4.28, в обоих случаях для термообработанных образцов твердость поверхности уменьшается. Со стороны нижней плоскости подошвы твердость снизилась на 64 HB, со стороны среза – на 80 HB. Однако со стороны подошвы виден резкий провал по твердости, отсутствующий на поверхности со стороны среза. В последнем твердость снижается монотонно с временем отжига. Такое различие в характере зависимости объясняется недостаточно качественным состоянием поверхности со стороны подошвы.
Зависимость относительного изменения скоростей рэлеевских волн частотой 2,5 МГц от твердости образцов со стороны среза представлена на рисунке 4.29.
Глубину обезуглероженного слоя определили также по результатам измерений микротвердости на шлифах. На рисунках 4.30 и 4.31 приведены графики микротвердости поверхности шлифов образцов со стороны нижней плоскости подошвы и со стороны среза соответственно.
При выдержке 0,5 час глубина обезуглероженного слоя распространяется до 1 мм и более, после 1 час выдержки слой достигает 1,5 мм, при выдержках 2 и 4 час слой превышает 2 мм. Для термообработанных образцов твердость поверхности образцов монотонно уменьшается с увеличением времени отжига.
Наблюдается монотонное уменьшение коэрцитивной силы с увеличением времени отжига. Со стороны нижней плоскости подошвы коэрцитивная сила уменьшилась на 2,5 и 4,2 А/см и со стороны среза на 3,3 и 4,5 А/см в зависимости от глубины промагничивания.
Таким образом, показано, что увеличение глубины обезуглероженного слоя и уменьшение твердости приводит к росту скорости рэлеевской волны. В качестве подтверждения роста глубины обезуглероженного слоя с временем термической обработки приведены фотографии микроструктур и показано уменьшение коэрцитивной силы.