ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2012, том 50, № 4, с. 600-608
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ, КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА И ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
© 2012 г. В. В. Рощупкин, А. Г. Кольцов, М. М. Ляховицкий, М. А. Покрасин, А. И. Чернов, Н. А. Минина
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Москва
E-mail: vvro@mail.ru Поступило в редакцию 11.11.2011 г.
Приведены результаты экспериментального исследования акустических и акустико-эмиссионных свойств конструкционных сталей ЭП-912-ВД и ЧС-139 в диапазоне температур от комнатной до 1040°С. Получены аппроксимирующие уравнения для температурных зависимостей ряда свойств исследованных материалов. По результатам исследований рассчитаны значения модуля Юнга.
ВВЕДЕНИЕ
Работоспособность оборудования, используемого в энергетическом (обычном и ядерном), нефтехимическом и других производствах, зависит от гарантированной надежности материалов и изделий, которые находятся под воздействием механических и температурных нагрузок, окружающей и агрессивных сред. Использование в энергомашиностроительной отрасли новых перспективных материалов, в частности материалов, предназначенных для работы в условиях активных зон реакторов на быстрых нейтронах, предполагает всестороннее исследование их теплофизиче-ских и механических свойств. Одним из перспективных методов оценки физико-механических параметров и структуры материалов являются акустические методы. В связи с развитием вычислительных средств стало возможным получение более точных параметров акустической информации, прямо или косвенно связанной со свойствами материалов.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования были выбраны стали ЭП-912-ВД и ЧС-139 в виде проволочных образцов.
Сталь ЭП-912-ВД (ХН35ВБ) относится к жаропрочным высоконикелевым сплавам для термоэмиссионных и термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую, способным работать в условиях активных зон ядерных реакторов. Химический состав стали ЭП-912-ВД представлен в табл. 1.
Сталь ЧС-139 является конструкционным материалом для реакторов на быстрых нейтронах и от-
1 По материалам XIII Российской конференции по тепло-физическим свойствам веществ. Новосибирск. Июнь 2011 г.
носится к ферритно-мартенситному классу. Химический состав стали ЧС-139 представлен в табл. 2.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Измерения акустических параметров (скорости и коэффициента затухания ультразвука) проводились на коротких (50—70 мм) проволочных (диаметром 2.5 мм) образцах в частотном диапазоне 300—320 кГц на акустико-эмиссионном комплексе, в состав которого входят акустическая измерительная система "АКПАР" [1, 2] и универсальная диагностическая система СДС1008 [3] с адаптированным для научных исследований программным обеспечением по двухканальной версии. Диагностическая система СДС1008 представляет собой аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки и анализа параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ) при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля. Каждый канал АЭ-системы имеет частотный диапазон от 50 кГц до 2.5 МГц, динамический диапазон 84 дБ и чувствительность 5 мкВ.
Акустико-эмиссионный комплекс включает в себя также измерительную ячейку, вакуумную систему, инфракрасную отражательную печь фирмы иЬУЛС с программатором НЯС-500, позволяю-
Таблица 1. Химический состав стали ЭП-912-ВД
Элемент Содержание, мас. % Элемент Содержание, мас. %
С 0.03 W 9ЛЗ
Si 0.32 Ni 35.07
Mn 0. 06 Nb 0.93
S 0.05 Fe остальное
Р 0.05
щим производить нагрев образцов по заданной программе в широком диапазоне скоростей нагрева и поддерживать температуру на заданном уровне. В систему автоматического регулирования программатора НЯС-500 вместо тиристорного регулятора мощности, вносящего помехи в акустический тракт регистрирующей аппаратуры, встроен сервопривод СПШ20, управляющий однофазным регулятором напряжения РНО-250-10.
Следует отметить, что при комнатной температуре эхо-импульсным методом [4] на проволочных образцах определялись значения акустических (скорость и коэффициент затухания) параметров в качестве реперных значений для привязки их температурных зависимостей. Полученные значения скорости звука представляют собой скорость ультразвука продольной волны, удовлетворяющую условию: X > ё, где X — длина звуковой волны, ё — диаметр стержня. Скорость звука в бесконечной среде может на 15—20% отличаться от полученных результатов для проволочных образцов [5].
Для учета температурного линейного расширения образцов при расчете значений скорости и коэффициента затухания ультразвука были проведены предварительные исследования на высокоскоростном термическом дилатометре DL-1500-ЯН в том же температурном интервале при такой же скорости изменения температуры. Полученные в результате этих исследований опытные данные позволили рассчитать температурную зависимость плотности исследованных материалов. Плотность материалов при комнатной температуре определялась методом гидростатического взвешивания.
Опытные данные о скорости звука и плотности позволяют рассчитать по известному соотношению модуль Юнга Е = рс2, где Е — модуль Юнга, р — плотность, с — скорость звука.
Погрешность измерения скорости ультразвука составляет 1%, коэффициента затухания — 5%, температурного расширения образца — 0.1%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены результаты экспериментального исследования акустических свойств стали ЭП-912-ВД.
Из рис. 1 видно, что температурные зависимости исследованных свойств представляют собой практически прямые линии во всем температурном интервале измерений. При этом значения этих свойств в пределах погрешности измерений совпадают между собой как при нагреве, так и при охлаждении. Это свидетельствует об отсутствии каких-либо структурных превращений в исследованной стали, за исключением магнитного перехода, о чем можно судить лишь по слабой
Таблица 2. Химический состав стали ЧС-139
Элемент Содержание, мас. % Элемент Содержание, мас. %
В 0.006 Мп 0..7
С 0.21 Со 0.01
А1 0. 08 N1 0.73
0.29 Си 0.01
Р 0.07 №> 0..
8 0.07 Мо 0.1
Т1 0.01 Та 0.07
V 0.1 ^^ Ю6
Сг 11.85 Се 0.1
акустической эмиссии в интервале температур 400—600°С.
На рис. 2 представлены результаты экспериментального исследования акустических и аку-стико-эмиссионных свойств стали ЧС-139.
Математическая обработка полученных опытных данных методом наименьших квадратов позволила получить аппроксимирующие уравнения
с, м/с 5000
4500
4000
(а)
3500 а, м 11 10 9 8 7
ДЬ/Ь, %
0
Е, 106, мВ2 с 10 8 6 4 2
(г)
и
1
I
0 200 400 600 800 1000
Температура, °С
Рис. 1. Температурные зависимости скорости (а), коэффициента затухания ультразвука (б), относительного температурного расширения (в) и акустической эмиссии (г) для стали ЭП-912-ВД.
1
602
РОЩУПКИН и др.
с, м/с 5000
4500
4000
3500 a, м
6 4
2
AL/Lq
1.0
0.5 0
106, мВ2 с
А
Нагрев
(г)
E, 106, мВ2 с 50 40 30 20 10
(д)
- L Охлаждение
- 1 1. .1 .. , 1 . 1 . . |
0 200 400 600 800 1000
Температура, °С
Рис. 2. Температурные зависимости скорости звука (а), затухания звука (б), относительного температурного расширения (в), акустической эмиссии (г), (д), полученные в процессе нагревания и охлаждения для стали ЧС-139.
для температурных зависимостей исследованных свойств в интервале температур 20—1040°С в виде Y = a0 + a1t + a2t2 + ... , где t — температура в °С. В табл. 3 и табл. 4 представлены коэффициенты аппроксимирующих уравнений для стали ЭП-912-ВД и ЧС-139 соответственно.
О процессах, происходящих в стали ЧС-139, можно судить по ее акустико-эмиссионным свойствам в процессах нагрева и охлаждения.
Нагрев. АЭ ниже 200°С связана как с деформационным возвратом по причине межзеренных напряжений в мартенситно-перлитной структуре нагреваемого образца, когда упругие волны возникают при аннигиляции встречно движущихся дислокаций [6], так и с превращением тетрагонального мартенсита в отпущенный, почти кубический (первое превращение при отпуске). При этом превращении происходит диффузионное выделение углерода из раствора. АЭ в интервале 200—300°С является результатом второго превращения при отпуске. При этом превращении остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит [7].
АЭ в области температур 600—650°С является результатом начала обратного мартенситного превращения (мартенсит ^ перлит) [7], в области 800°С — результатом превращения перлит ^ аустенит. Эта область отмечена аномалиями на температурных зависимостях скорости затухания ультразвука и теплового расширения образца (аустенит является структурой с минимальным объемом кристаллической решетки). Температура такого превращения в сильной степени зависит от скорости роста температуры. Расхождение температур начала аномалий акустических и дилатометрических кривых связано с тем, что скорость распространения ультразвука зависит не столько от фазового состава материала, сколько от количества межзеренных границ в нем. В данном случае температурная зависимость скорости ультразвука реагирует на рекристаллизацию аустенита, происходящую при температуре более высокой, чем температура аустенитного превращения [7].
Охлаждение. АЭ при охлаждении образца определяется процессами распада аустенита. В области температур 650 и 470°С проявляется слабая АЭ, что свидетельствует о распаде аустенита с образованием феррита и перлита. АЭ в области 200°С является результатом мартенситного превращения. Эта область отмечена также уменьшением плотности материала (рост размера образца при охлаждении, о чем свидетельствует аномальный ход обратной дилатометрической кривой ниже 200°С), так как мартенсит является структурой с наибольшим объемом кристаллической решетки.
Таблица 3. Коэффициенты аппроксимирующих уравнений для стали ЭП-912-ВД
Свойство а0 а1 а2
Скорость звука с, м/с 4817.80 -0.865 -
Коэффициент затухания звука а, м-1 8.016 4.498 х 10-4 2.157 х 10-6
Плотность р, кг/м3 8639.58 -0.43 -
Отн
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.