УДК 621.791.52:620.179.16
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВ ТЕКУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА ПО СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ волн
В. В. Муравьев, Е. В. Бояркин
Рассмотрено влияние различных факторов, зависящих от технологии изготовления рельсов и структуры металла, на скорость у. з. волн. Выделены отдельные параметры неметаллических включений, оказывающие наиболее сильное влияние на скорость распространения волны. Выполнен анализ связи скорости у. з. волн с содержанием неметаллических включений в рельсах текущего производства и их механическими характеристиками.
Основной характеристикой, определяющей эксплуатационную стойкость рельсов, является контактно-усталостная прочность, которая зависит от ряда факторов: структурного состояния материала рельсов (содержания неметаллических включений, свободного феррита и карбида, дисперсности перлита, наследственного зерна аустенита и т. д.), механических свойств (пределов прочности и текучести, относительного удлинения и сужения, твердости, ударной вязкости) напряженно-деформированного состояния, химического состава и т. д.
Появление микротрещин, приводящих к усталостному разрушению, имеет место в микрообъемах материала, подверженных силовым и деформационным воздействиям. Неметаллические включения в рельсовой стали являются малыми концентраторами напряжения и создают неоднородность механических свойств вдоль и поперек направления прокатки. Поскольку пластичность рельсового металла невелика, то при воздействии внешней нагрузки вокруг таких концентраторов напряжения могут достигать значений, близких к разрушающим [1, 2].
Механические характеристики рельсовой стали, такие как пределы прочности и текучести, относительное удлинение и сужение, твердость, ударная вязкость, определяют ее эксплуатационные свойства, стойкость к образованию и развитию усталостных дефектов. В свою очередь, конструктивная прочность и механические характеристики определяются структурным состоянием материала.
Для диагностирования рельсов с целью оценки конструктивной прочности и эксплуатационной надежности весьма перспективны прецизионные методы неразрушающего контроля, основанные на определении скорости у. з. волн в материале. Это обусловлено тем, что скорость у. з. волн функционально связана с упругими постоянными материала, которые, в свою очередь, зависят от химического состава, структуры, напряженного состояния металла [3, 4].
Исследование зависимости у. з. характеристик от содержания неметаллических включений в рельсовой стали и механических свойств проводили на образцах размерами 10x10x28 мм, отобранных после испытаний на ударную вязкость (рис. 1я). Использовали по два образца, вырезанных вдоль направления прокатки из головки объемно-закаленных рельсов 76 плавок стали М76В,раскисленной ферросплавом ФВдКС. Значения механических свойств плавок исследуемых образцов были взяты из протоколов заводских испытаний. Твердость измеряли в лабораторных условиях с помощью твердомера Роквелл ТР4010 по шкале "С". Измерения твердости и скорости у. з. волн выполняли после предварительной подготовки поверхности образцов до шероховатости /?, = 20—40 мкм.
Для каждого образца определяли скорости продольной С, и поперечной С, волны, поляризованной вдоль С," и поперек С,1 направления про-
катки (рис. 1 б). Наибольшее Стах, наименьшее Cmin, средние значения С^ продольной С, и поперечной С, скорости у. з. волн, среднеквадратичное отклонение Sc, абсолютное АС и относительное АС/Стт, приведенное к минимальному, значения скорости по всей выборке представлены в табл.1.
Рис. 1. Схема вырезки образцов из рельса и места выполнения измерения скорости в них (а); схема ввода продольной С, и поперечной, поляризованной вдоль С," и поперек С,1, у. з. волны относительно проката рельса (б).
Скорость у. з. волн в образце определяли путем измерения времени задержки /3 между первым и вторым донными сигналами и толщины образца к. Суммарная погрешность измерения скорости составила: 0,11 % для продольных волн и 0,08 % для поперечных (табл. 2).
Таблица 1
Скорость у. з. волн в образцах объемно-закаленной рельсовой стали
Тип волны Сп»,, М/с Cmin. М/С Сф, м/с Sc, м/с АС, м/с д с/стк1. %
С, 5928 5892 5911 8,19 36 0,61
С," 3276 3245 3257 6,54 31 0,96
С,1 3292 3250 3262 8,69 42 1,30
Для определения абсолютного значения скорости у. з. волны были использованы юстировочные плиты толщиномера УТ-93П и стандартный образец СО-2 с известными значениями скоростей у. з. волн. По данным
Таблица 2
Погрешности измерения скорости у. з. волн
Тип волны А, мм Погрешность измерения
<„ % (не) А, % (мм) с,%
Продольная (С/) Поперечная (С,11, С,1) 0,85—1,10 0,85—1,10 0,06 (1—2) 0,03 (2—3) 0,05 (0,01) 0,05 (0,01) 0,11 0,08
образцам определяли время задержки волны в преобразователе и акустической системе 2бг, которое учитывали при определении скорости
25 -106 С~ ?3 - 28/'
где 25 — путь, пройденный у. з. волной, мм; ?3 — время задержки между первым и вторым донными импульсами, не.
Влияние температуры образца, кривизны, шероховатости поверхности не учитывали, поскольку измерения проводили при температуре 22— 25 °С, а поверхность ввода и зеркальную поверхность обрабатывали абразивной наждачной бумагой до шероховатости = 20—40 мкм с обеспечением прямолинейности и параллельности поверхностей.
Для анализа влияния неметаллических включений на скорость у. з. волны всю выборку образцов разбили на три равные части: с минимальными, средними и максимальными значениями скорости. Из каждой части отобрали 18 образцов для проведения металлографического анализа. Определение параметров неметаллических включений выполняли в двадцати полях зрения для каждого образца на его нетравленой полированной поверхности. В качестве параметров содержания неметаллических включений в рельсовой стали рассчитывали: интенсивность загрязнения /стр, /точ, среднюю длину ¿стр и толщину /гстр строчечных и диаметр точечных включений ¿точ, а также количество включений на единицу поверхности (<?стр, <?точ).
Интенсивность загрязнения и размеры включений определяли при увеличении 300Х с использованием окулярной сетки с ценой деления 0,04 мм и анализируемой площадью —0,1024 мм2. Все включения были разделены на две группы: округлые и строчечные.
Площадь включения в мм2
9=9 В2
'-'вкл '-'ок.вкл" '
где В — цена деления окулярной шкалы, мм/(деление окуляра).
Общая площадь включений
^ = Х^екл
/
и средняя площадь включения в данном образце
5ср = Ж
где N — количество полей зрения (Л/ = 20).
Интенсивность загрязнения стали неметаллическими включениями определяли по формуле
/ =9/9
*заг '-'ср'иполя'
где 5П0ЛЯ — площадь поля зрения (5П0ЛЯ = 0,1024 мм2).
Максимальные /тах, минимальные гтш, средние значения г^, абсолютное изменение А/ = /тах - ¿тт, относительное значение Д//гт|П-100 %, приведенное к минимальному, для интенсивности загрязнения длины Ь^, ширины /г^р строчечных и диаметра с1ТОЧ точечных включении приведены в табл. 3.
Анализ зависимости загрязнения стали неметаллическими включениями показал, что с увеличением интенсивности загрязнения строчечными неметаллическими включениями /стр, скорости продольной С; и поперечных С, волн, поляризованных вдоль и поперек направления прокатки, увеличиваются (рис. 2), тогда как с увеличением интенсивности загрязнения точечными включениями скорости продольных и поперечных волн уменьшаются.
С увеличением интенсивности загрязнения строчечными (с уменьшением интенсивности загрязнения точечными) неметаллическими вклю-
чениями снижение скорости поперечной волны, поляризованной вдоль направления прокатки, меньше, чем у. з. волны, поляризованной поперек направления прокатки. Появляется анизотропия акустических свойств. И чем больше интенсивность загрязнения строчечными и меньше точечными неметаллическими включениями, тем более ярко проявляется эффект анизотропии скорости поперечной волны (рис. 2а).
Таблица 3
Размерные параметры включений рельсовой стали
Размерный Строчечные включения Точечные включения
включений ¿-стр. ММ Астр, МКМ 'го,' 10"' МКМ
'шах 32,4 10,0 40 2,66 25
'тт 2,7 0,012 3,2 1,44 3,2
<Ф 9,3 0,205 21,5 1,56 5,2
Д( 29,7 9,98 36,8 1,22 21,8
Д(//т1„100 % 0,92 0,99 0,95 0,45 0,87
Наиболее чувствительной к содержанию неметаллических включений является поперечная у. з. волна, поляризованная поперек направления прокатки.
.о
^ 3270 ^3260 3250 3240
5940 5930
.о
2 5920 и
5910 5900
0
0,01 0,02 /,
стр
Рис. 2. Связь скорости поперечной (а) и продольной (б) у. з. волны с интенсивностью загрязнения строчечными неметаллическими включениями:
О — скорость поперечной у. з. волны, поляризованной поперек направления прокатки; х — скорость поперечной у. з. волны, поляризованной вдоль направления прокатки.
б
Для установления степени влияния интенсивности загрязнения строчечных и точечных включений в отдельности на скорость у. з. волны был выполнен многофакторный анализ трех переменных и предложено линейное уравнение корреляции
С = С0 + а1„р + с/точ, (1)
где а и с — постоянные коэффициенты для интенсивности загрязнения соответственно строчечными и точечными включениями.
По результатам многофакторного корреляционного анализа определены: коэффициент множественной корреляции Л, константы Со> а и с уравнения (1) и максимальное изменение скорости у. з. волны при увеличении интенсивности загрязнения строчечными яД/стр и точечными сД/точ включениями (табл. 4). При этом связь между признаками считалась не случайной, если значение критерия надежности коэффициента корреляции ц было больше 2,6.
Вклад точечных включений в изменение скорости у. з. волны сД/Т0Ч на порядок ниже, чем строчечных аД/стр, и не превышает погрешности измерения 2,0 м/с (см. табл. 2).
Таблица 4
Коэффициент уравнения (1)
Тип у. з. волны Константы аД/^СДС, м/с) сД/точ /г
Со а С
С, 5908 678 -558 20,1 (36) -0,7 0,88
С,1 3248 1377 1673 40,9 (42) 2,0 0,96
с," 3244 966 1728 28,7 (31) 2,1 0,95
В результате рассмотрения связи трех переменных установлено, что изменение скорости у. з. волны связано с изменением содержания строчечных в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.