Ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей
М.
С. ЕгоровБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Егоров
М.
С. Ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
3651–3655. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54994.htm.
Аннотация. В статье рассматривается ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей.
Текст статьи
Егоров Максим Сергеевич,кандидат технических наук, доценткафедры «Технический сервис»филиал ДГТУ в г. Волгодонскaquavdonsk@mail.ru
Ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей
Аннотация. В статье рассматривается ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей.Ключевые слова: ультразвуковая диагностика, порошковые детали, горячая штамповка.
Изготовление деталей сложной формы методом горячей штамповки из заготовок цилиндрической формы сопровождается развитием бочкообразности на периферийнойповерхности[1].Деформация и распределение материала цилиндрического пористого порошкового образца в случае его свободной осадки протекает крайне неравномерно собразование зон затрудненной деформации, зон максимальной осевой деформации и зон действия тангенциальных растягивающих напряжений.Следует отметить некоторые особенности действия напряжений, возникающих при свободной осадке нагретых порошковых образцов, которые заключаются в следующих тезисах.Для образцов из порошковых материалов необходимо учитывать, что поперечная деформация образца, приводящая к увеличению его параметра в средней части, обусловлена двумя видами напряжений: основными и дополнительными[1].Основные (сжимающие) напряжения для любого типа образцов вызываются деформирующими усилиями и для порошковых (состоящих из частиц, связанных между собой металлическими связями), эти напряжения будут вызывать не только деформацию частиц по направлению действия деформирующих усилий, но и поперечные деформации, так что некоторые из них будут способствовать увеличению периметра образца при его осадке. Основные напряженияне могут вызывать разрушение пористого материала, так как их действие в этой зоне способствует сжатию пористого материала, а следовательно, предельные растягивающие напряжения на контактных поверхностях частиц возникнуть не могут.Дополнительные напряжения являются растягивающими (тангенциальными относительно образца). Следует отметить, чтопоперечная деформация центральной зоны возможна после приобретения ее некоторой «предельной» плотности. Возникающие дополнительные напряжения действуют на периферийные частицы порошка как на миниатюрные образцы, вызывая изменение их размеров, приводящее кувеличению периметра образца. При достижениипорошкового материала предельных значений дополнительных растягивающих напряжений происходит его разрушение, что выражается в появлении продольных трещин на бочкообразной поверхности осаживаемого образца[2].Возможность порошковых образцов уплотняться в процессе деформации приводит к меньшей степени бочкообразования, чем при деформации образцов из монолитных материалов, но материал первых менее пластичен ввиду наличия пор, которые действуют как концентраторы дополнительныхрастягивающих напряжений, что приводит к разрушению порошковых образцов при меньших показателях деформации, чем монолитных.Таким образом, проведенный анализ напряженнодеформированного состояния при свободной осадке пористых порошковых образцов показывает, что при оценке пластичности пористого материала нужно учитывать его деформацию от действия основных и дополнительных напряжений. Принимая за основу описанный механизм действия разрушающих дополнительных напряжений необходимо, по всей видимости, учитывать его при исследовании влияния на пластичность основных факторов штампованных порошковых заготовок, что позволит правильно прогнозировать свойства пористых материалов и конструирование заготовок для изготовления деталей сложной формы, требующих значительной поперечной деформации.Большинство механических и физических свойств порошковых материалов, испытываемых различными способами, зависят от их исходной пористости. Распределение плотности при изготовлении деталей сложной формы имеет первостепенное значение, так как от этого зависит прочность всего изделия. При неравномерном распределении плотности в теле материала могут возникать микродефекты, которые приводят к появлению микротрещин, представленных на рис. 1[3].
а)
б)Рис. 1 Развитие трещины в деформированной порошковой деталис пористостью а) 5%; б) 10%Одним из наиболее распространенных методов определения дефектов в порошковом материале является ультразвуковой метод диагностики структуры и состояния материала. Он основан на анализе характеристик ультразвуковых волн, распространяющихся в объекте контроля. Для исследования неоднородностей и дефектов структуры материалов применяют методы ультразвуковой спектроскопии и дефектоскопии, основанные на анализе частотных зависимостей коэффициента затухания и фазовой скорости акустических волн в исследуемом материале [4]. Поизмерениям фазовых скоростей акустических волн в широком частотном диапазоне проводится расчет упругих модулей твердых тел, в частности анизотропных композиционных материалов [5].
Для исследования упругих характеристик образцов были выбраны два материала шведской фирмы «Hoganas» : Astaloy0,85 Moи NC100.24.
Ультразвуковые исследования порошковых сталей проводились в два этапа. Измерения проводились при комнатной температуре в диапазоне частот 0,2 –50 МГц. На исследуемых образцах первоначально измеряли скорость звука в продольном направлении универсальным толщинометромKrautkramerDMS2, а на следующем этапе производили замеры скорости звука в поперечном направлении дефектоскопом KrautkramerUSM25.В качестве контактной смазки использовался глицерин. Результатыизмерений скоростей и в исследуемых образцах занесены в табл. 2 используя значения табл.1
Табл.1Исходные характеристики осаженных образцовНачальная пористость П0,%Удельная работа деформации W, МДж/м3Исходный материалПлотность после осадки Толщина после осадки 3070
Astaloy0,85 Mo
6,16820806,997,5101357,35,63072
NC100.246,17820756,937,7101307,35,9
Методика определение значений и рассмотрена в работах [5,6] и определяется по формулам
,,(1)где ,
плотность кварцевого датчика и образца; ,
длины кварцевого датчика и образца; ,
средние разности частот между соседними гармониками. Модули упругости определялись по соотношениям [7].
, , ,
(2)
Максимальная относительная погрешность определения модуля Юнга в применяемом оптикоакустическом методе составляет , модуля сдвига , коэффициента Пуассона .
Результаты измерений фазовых скоростейпродольных и сдвиговых ультразвуковых волн, а также рассчитанные по формулам (2) значения модулей Юнга, сдвига и коэффициента Пуассона, а также значения пористости в центре (Ц) и на периферии (П) всех исследованных образцовпредставлены в табл.2. Определение объемной пористости Pпо теоретически расчетным и экспериментально измеренным значениям скоростей продольных ультразвуковых волн [6,7] в исследованных участках образцов дает величины представленные в табл.2.Распределение и скоростьраспространенияультразвуковых волн тем выше, чем плотнее исследуемый материал в центральной зоне и,разуплотнение, наблюдаемое на периферии, обуславливает меньшие скорости ультразвуковых волн, что указывает на большое количество микрои макродефектов образованных канальными соединениями пор в местахдеформационного течения материала. Однако, одинаковые значения продольных скоростей в центре и на периферии, а также незначительно большиезначения продольных скоростей на периферии относительно центра свидетельствуют о нелинейном распределении деформируемого материала в объеме исследуемого образца.
Табл. 2 Результаты оптикоакустических измерений для исследованных образцов порошковых материалов
П0,%Удельная работа деформации W, МДж/м3Модуль Юнга
Модуль сдвига
Коэффициент Пуассона Пористость,P,%ЦПЦПЦПЦП30701174,91085,1471,2401,30,2560,010,3550,01200,5260,520801525,51285,2581,3471,30,320,010,3440,01100,5170,5101351895,21814,9721,2681,30,3160,010,3140,0160,580,530721234,91084,9441,3401,20,3710,010,3530,0119,50,525,60,520751565,11204,7581,3451,30,320,010,3390,01100,5160,5101302025,11504,8781,2581,20,2920,010,2970,015,70,57,40,5
Как показали результаты, ультразвуковой метод дает возможность измерения локальных значений упругих модулей неоднородных твердых тел, в случаях, когда классические методыконтроля являются трудновыполнимыми, так как изготовление образцов сложной фигурной формы с высокой пористостью затруднительно.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что полученные значениямодулей упругости подтверждают неравномерное распределение плотности композиционных материалов. Сопоставив значения модулей упругости центральной и периферийной зон исследуемых образцов,следует отметить нелинейный характерраспределения деформируемого материала в объеме исследуемого образца.
Ссылки на источники1.Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. М.:Металлургия, 1977.216с.2.Егорова Р.В., Егоров М.С., Скориков А.В. Свободная осадка нагретых цилиндрических образцов порошковых материалов Astaloy 85./ Металлург. − 2013. − № 5.С.82 86.3.Егорова Р.В. Микроструктурный анализ поверхностей деталей ступенчатой формы./ Металлург. − 2009. − № 6. − С. 6567.4.А.А.Карабутов, Л.И.Кобелева, Н.Б. Подымова, Т.А. Чернышова Измерение упругих модулей композиционных материалов, упрочненными частицами, лазерным оптикоокустическим методом./ Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №3. 2009. Т.75. –С. 27 –33.5.Акимов В.В., Иванов Н.А. Применение ультразвукового резонансного метода для определения упругих и пластических характеристик сплавов TiC–TiNi/ Прикладная механика и техническая физика. 2002. Т. 43. №2. С. 203 –207.6.Layman C., Murhy N.S., Yang R.B., Wu J. The interaction of ultrasound with particulate composites / J. Acoust. Soc. A. 2006. V. 119. №3. P. 1449 –1456.7.Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении /СПб: Издательство СВЕН 2007. –296 с.
Maxim Egorov Ph.D., dotsentkafedry "Technical Services" branch in Dstu Volgodonsk aquavdonsk@mail.ru Ultrasound diagnosis of hot powder sinteredpartsAbstract. The article deals with ultrasound sintered powder of hot items.
Keywords:Ultrasound, powder parts, hot stamping.
Ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей
Аннотация. В статье рассматривается ультразвуковая диагностика спеченных горячедеформированных порошковых деталей.Ключевые слова: ультразвуковая диагностика, порошковые детали, горячая штамповка.
Изготовление деталей сложной формы методом горячей штамповки из заготовок цилиндрической формы сопровождается развитием бочкообразности на периферийнойповерхности[1].Деформация и распределение материала цилиндрического пористого порошкового образца в случае его свободной осадки протекает крайне неравномерно собразование зон затрудненной деформации, зон максимальной осевой деформации и зон действия тангенциальных растягивающих напряжений.Следует отметить некоторые особенности действия напряжений, возникающих при свободной осадке нагретых порошковых образцов, которые заключаются в следующих тезисах.Для образцов из порошковых материалов необходимо учитывать, что поперечная деформация образца, приводящая к увеличению его параметра в средней части, обусловлена двумя видами напряжений: основными и дополнительными[1].Основные (сжимающие) напряжения для любого типа образцов вызываются деформирующими усилиями и для порошковых (состоящих из частиц, связанных между собой металлическими связями), эти напряжения будут вызывать не только деформацию частиц по направлению действия деформирующих усилий, но и поперечные деформации, так что некоторые из них будут способствовать увеличению периметра образца при его осадке. Основные напряженияне могут вызывать разрушение пористого материала, так как их действие в этой зоне способствует сжатию пористого материала, а следовательно, предельные растягивающие напряжения на контактных поверхностях частиц возникнуть не могут.Дополнительные напряжения являются растягивающими (тангенциальными относительно образца). Следует отметить, чтопоперечная деформация центральной зоны возможна после приобретения ее некоторой «предельной» плотности. Возникающие дополнительные напряжения действуют на периферийные частицы порошка как на миниатюрные образцы, вызывая изменение их размеров, приводящее кувеличению периметра образца. При достижениипорошкового материала предельных значений дополнительных растягивающих напряжений происходит его разрушение, что выражается в появлении продольных трещин на бочкообразной поверхности осаживаемого образца[2].Возможность порошковых образцов уплотняться в процессе деформации приводит к меньшей степени бочкообразования, чем при деформации образцов из монолитных материалов, но материал первых менее пластичен ввиду наличия пор, которые действуют как концентраторы дополнительныхрастягивающих напряжений, что приводит к разрушению порошковых образцов при меньших показателях деформации, чем монолитных.Таким образом, проведенный анализ напряженнодеформированного состояния при свободной осадке пористых порошковых образцов показывает, что при оценке пластичности пористого материала нужно учитывать его деформацию от действия основных и дополнительных напряжений. Принимая за основу описанный механизм действия разрушающих дополнительных напряжений необходимо, по всей видимости, учитывать его при исследовании влияния на пластичность основных факторов штампованных порошковых заготовок, что позволит правильно прогнозировать свойства пористых материалов и конструирование заготовок для изготовления деталей сложной формы, требующих значительной поперечной деформации.Большинство механических и физических свойств порошковых материалов, испытываемых различными способами, зависят от их исходной пористости. Распределение плотности при изготовлении деталей сложной формы имеет первостепенное значение, так как от этого зависит прочность всего изделия. При неравномерном распределении плотности в теле материала могут возникать микродефекты, которые приводят к появлению микротрещин, представленных на рис. 1[3].
а)
б)Рис. 1 Развитие трещины в деформированной порошковой деталис пористостью а) 5%; б) 10%Одним из наиболее распространенных методов определения дефектов в порошковом материале является ультразвуковой метод диагностики структуры и состояния материала. Он основан на анализе характеристик ультразвуковых волн, распространяющихся в объекте контроля. Для исследования неоднородностей и дефектов структуры материалов применяют методы ультразвуковой спектроскопии и дефектоскопии, основанные на анализе частотных зависимостей коэффициента затухания и фазовой скорости акустических волн в исследуемом материале [4]. Поизмерениям фазовых скоростей акустических волн в широком частотном диапазоне проводится расчет упругих модулей твердых тел, в частности анизотропных композиционных материалов [5].
Для исследования упругих характеристик образцов были выбраны два материала шведской фирмы «Hoganas» : Astaloy0,85 Moи NC100.24.
Ультразвуковые исследования порошковых сталей проводились в два этапа. Измерения проводились при комнатной температуре в диапазоне частот 0,2 –50 МГц. На исследуемых образцах первоначально измеряли скорость звука в продольном направлении универсальным толщинометромKrautkramerDMS2, а на следующем этапе производили замеры скорости звука в поперечном направлении дефектоскопом KrautkramerUSM25.В качестве контактной смазки использовался глицерин. Результатыизмерений скоростей и в исследуемых образцах занесены в табл. 2 используя значения табл.1
Табл.1Исходные характеристики осаженных образцовНачальная пористость П0,%Удельная работа деформации W, МДж/м3Исходный материалПлотность после осадки Толщина после осадки 3070
Astaloy0,85 Mo
6,16820806,997,5101357,35,63072
NC100.246,17820756,937,7101307,35,9
Методика определение значений и рассмотрена в работах [5,6] и определяется по формулам
,,(1)где ,
плотность кварцевого датчика и образца; ,
длины кварцевого датчика и образца; ,
средние разности частот между соседними гармониками. Модули упругости определялись по соотношениям [7].
, , ,
(2)
Максимальная относительная погрешность определения модуля Юнга в применяемом оптикоакустическом методе составляет , модуля сдвига , коэффициента Пуассона .
Результаты измерений фазовых скоростейпродольных и сдвиговых ультразвуковых волн, а также рассчитанные по формулам (2) значения модулей Юнга, сдвига и коэффициента Пуассона, а также значения пористости в центре (Ц) и на периферии (П) всех исследованных образцовпредставлены в табл.2. Определение объемной пористости Pпо теоретически расчетным и экспериментально измеренным значениям скоростей продольных ультразвуковых волн [6,7] в исследованных участках образцов дает величины представленные в табл.2.Распределение и скоростьраспространенияультразвуковых волн тем выше, чем плотнее исследуемый материал в центральной зоне и,разуплотнение, наблюдаемое на периферии, обуславливает меньшие скорости ультразвуковых волн, что указывает на большое количество микрои макродефектов образованных канальными соединениями пор в местахдеформационного течения материала. Однако, одинаковые значения продольных скоростей в центре и на периферии, а также незначительно большиезначения продольных скоростей на периферии относительно центра свидетельствуют о нелинейном распределении деформируемого материала в объеме исследуемого образца.
Табл. 2 Результаты оптикоакустических измерений для исследованных образцов порошковых материалов
П0,%Удельная работа деформации W, МДж/м3Модуль Юнга
Модуль сдвига
Коэффициент Пуассона Пористость,P,%ЦПЦПЦПЦП30701174,91085,1471,2401,30,2560,010,3550,01200,5260,520801525,51285,2581,3471,30,320,010,3440,01100,5170,5101351895,21814,9721,2681,30,3160,010,3140,0160,580,530721234,91084,9441,3401,20,3710,010,3530,0119,50,525,60,520751565,11204,7581,3451,30,320,010,3390,01100,5160,5101302025,11504,8781,2581,20,2920,010,2970,015,70,57,40,5
Как показали результаты, ультразвуковой метод дает возможность измерения локальных значений упругих модулей неоднородных твердых тел, в случаях, когда классические методыконтроля являются трудновыполнимыми, так как изготовление образцов сложной фигурной формы с высокой пористостью затруднительно.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что полученные значениямодулей упругости подтверждают неравномерное распределение плотности композиционных материалов. Сопоставив значения модулей упругости центральной и периферийной зон исследуемых образцов,следует отметить нелинейный характерраспределения деформируемого материала в объеме исследуемого образца.
Ссылки на источники1.Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. М.:Металлургия, 1977.216с.2.Егорова Р.В., Егоров М.С., Скориков А.В. Свободная осадка нагретых цилиндрических образцов порошковых материалов Astaloy 85./ Металлург. − 2013. − № 5.С.82 86.3.Егорова Р.В. Микроструктурный анализ поверхностей деталей ступенчатой формы./ Металлург. − 2009. − № 6. − С. 6567.4.А.А.Карабутов, Л.И.Кобелева, Н.Б. Подымова, Т.А. Чернышова Измерение упругих модулей композиционных материалов, упрочненными частицами, лазерным оптикоокустическим методом./ Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №3. 2009. Т.75. –С. 27 –33.5.Акимов В.В., Иванов Н.А. Применение ультразвукового резонансного метода для определения упругих и пластических характеристик сплавов TiC–TiNi/ Прикладная механика и техническая физика. 2002. Т. 43. №2. С. 203 –207.6.Layman C., Murhy N.S., Yang R.B., Wu J. The interaction of ultrasound with particulate composites / J. Acoust. Soc. A. 2006. V. 119. №3. P. 1449 –1456.7.Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении /СПб: Издательство СВЕН 2007. –296 с.
Maxim Egorov Ph.D., dotsentkafedry "Technical Services" branch in Dstu Volgodonsk aquavdonsk@mail.ru Ultrasound diagnosis of hot powder sinteredpartsAbstract. The article deals with ultrasound sintered powder of hot items.
Keywords:Ultrasound, powder parts, hot stamping.
