Контроль остаточных напряжений в образцах из стали 5ХНМ акустическим методом

Термическая обработка (ТО) — один из основных и наиболее важных этапов технологического цикла производства металлических изделий. При проведении ТО в металлах возникают остаточные напряжения (ОН), оказывающие существенное влияние на эксплуатационный ресурс изделий. Цель настоящей работы — разработка методики неразрушающего акустического контроля ОН в стальных образцах. Акустический метод основан на явлении акустоупругости — зависимости акустических характеристик от параметров контролируемой среды. Поля ОН в прямоугольных образцах из штамповой стали 5ХНМ формировали с использованием различных режимов ТО, включающих охлаждение как в традиционных средах (воде, масле, воздухе), так и с помощью водовоздушной смеси (ВВС). Управляя соотношением параметров воды и воздуха, а также направлением потока ВВС, обеспечивали необходимые скорость охлаждения и локальность процесса. Установили, что при удалении от плоскости охлаждения уровень ОН снижается, меняются микроструктура и упругие характеристики материала. Влияние охлаждения на формирование температурных полей и величину ОН анализировали с применением компьютерного моделирования (программа CAE ANSYS). В качестве задаваемых параметров использовали значения характеристик стали 5ХНМ. Результаты моделирования подтвердили данные экспериментальных испытаний. Акустические измерения проводили на измерительно-вычислительном комплексе «АСТРОН», который позволял определять скорости упругих (продольной и поперечной) волн и модули упругости исследуемого материала. Выявили, что различия измеряемых значений акустическим и рентгеновским методами не превышают 10 %. Полученные результаты могут быть использованы на производстве при измерении ОН акустическим методом в крупногабаритных штампах из стали 5ХНМ.

1. Самохоцкий А. И., Парфеновская Н. Г. Технология термической обработки металлов. — М.: Машиностроение, 1976. — 311 с.

2. Рябов Д. А., Хлыбов А. А., Минков К. А. О перспективе применения водо-воздушной смеси для охлаждения молотовых штампов / Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2018. № 1(120). С. 196 – 203.

3. Борисов И. А., Борисов А. И. Разработка технологии спреерной закалки опорных валков прокатных станов / МиТОМ. 1997. № 8. С. 2 – 4.

4. Пышминцев И. Ю., Эйсмондт Ю. Г., Юдин Ю. В. и др. Закалка крупных поковок в водно-воздушной смеси / МиТОМ. 2003. № 3. С. 24 – 28.

5. Гуляев А. П. Термическая обработка стали. — М.: Машгиз, 1960. — 495 с.

6. Соколов К. Н. Технология термической обработки стали. — М.: Машгиз, 1954. — 302 с.

7. Гузь А. Н., Махорт Ф. Г., Гуща О. И. Введение в акустоупругость. — Киев: Наукова думка, 1977. — 162 с.

8. Неразрушающий контроль. Справочник / Под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 2004. — 226 с.

9. Хлыбов А. А., Рябов Д. А. Оценка остаточных напряжений в образцах из ферритно-перлитной стали с аустенитной наплавкой / Металловедение и термическая обработка металлов. 2019. № 2. С. 45 – 50. DOI: 10.1007/s11041-019-00385-3

10. Хлыбов А. А., Рябов Д. А., Нуждина Т. В., Минков К. А. Исследование влияния термической обработки на образование остаточных напряжений и разработка методики их определения в образцах из стали 5ХНМ / Черные металлы. 2019. № 5. С. 17 – 24.

11. Никитина Н. Е., Казачек С. В. Преимущества метода акустоупругости для неразрушающего контроля механических напряжений в деталях машин / Вестник научно-технического развития. 2010. № 4(32). С. 18 – 28.

12. Камышев А. В., Никитина Н. Е., Смирнов В. А. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости / Дефектоскопия. 2010. № 3. С. 50 – 54.

13. Муравьев В. В., Муравьева О. В., Стрижак В. А., Пряхин А. В., Балабанов Е. Н., Волкова Л. В. Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / Дефектоскопия. 2011. № 6. С. 16 – 28.

14. Javadi Y., Najafabadi M., Akhlaghi M. Residual stress evaluation in dissimilar welded joints using finite element simulation and the LCR ultrasonic wave / Russ. J. Nondestr. Test. 2012. Vol. 48. Р. 541 – 552.

15. Qozam H., Chaki S., Bourse G., Robin C, Walaszek H., Bouteille P. Microstructure Effect on the LCR Elastic Wave for Welding Residual Stress Measurement / Experimental Mechanics. 2010. Vol. 50. P. 179 – 185.

16. Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А. Н., Расторгуев Л. Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 2012. — 632 с.

17. Муравьев В. В., Муравьева О. В., Петров К. В. Связь механических свойств пруткового проката из стали 40Х со скоростью объемных и рэлеевских волн / Дефектоскопия. 2017. № 8. С. 20 – 28.

18. Carreón H., Barrera G., Natividad C., Salazar M., Contreras A. Relation between hardness and ultrasonic velocity on pipeline steel welded joints / Nondestructive Testing and Evaluation. 2016. Vol. 31. N 2. P. 97 – 108.

19. Муравьев В. В., Зуев Л. Б., Комаров К. Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. — Новосибирск: Наука, 1996. — 184 с.

20. Елманов Г. Н., Заслужный А. Г., Скрытный В. И., Смирнов Е. А., Перлович Ю. А., Яльцев В. Н. Физика твердого тела. — М.: НИЯУ МИФИ, 2012. — 764 с.