zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-9-30-36zldm-1276Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLКонтроль остаточных напряжений в образцах из стали 5ХНМ акустическим методомAcoustic control of the residual stresses in steel 5KhNM samplesХлыбовА. А.KhlybovA. A.

Александр Анатольевич Хлыбов

603155, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

Alexander A. Khlybov

24, ul. Minina, Nizhny Novgorod, 603155

hlybov_52@mail.ruРябовД. А.RyabovD. A.

Дмитрий Александрович Рябов

603155, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

Dmitry A. Ryabov

24, ul. Minina, Nizhny Novgorod, 603155

МинковК. А.MinkovK. A.

Константин Александрович Минков

Konstantin A. Minkov

24, ul. Minina, Nizhny Novgorod, 603155

Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. АлексееваРоссияR.E. Alekseev State Technical UniversityRussian Federation2020130920208693036Copyright © Хлыбов А.А., Рябов Д.А., Минков К.А., 20202020Хлыбов А.А., Рябов Д.А., Минков К.А.Khlybov A.A., Ryabov D.A., Minkov K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1276

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.

Heat treatment (HT) is one of the main and most important stages of the technological cycle of manufacturing metal products. Residual stresses (RS) arising in metals upon their heat treatment significantly affect the service life of the products. The goal of the study is developing a technique for non-destructive acoustic testing of the residual stresses in steel samples. The method is based on the phenomenon of acoustoelasticity, i.e., the dependence of the acoustic characteristics on the parameters of the environment under study. The fields of residual stresses in rectangular samples made of die steel 5KhNM were formed using various HT modes, including cooling both in traditional media (water, oil, air) and using a water-air mixture (WAM). Control of the ratio of water-air parameters as well as the direction of the WAM flow provided the desired cooling rate and locality of the process. It is shown that the level of residual stresses decreases with the distance from the cooling plane, the microstructure and elastic characteristics of the material also change. The effect of cooling on the formation of temperature fields and the value of residual stresses was analyzed using computer simulation (CAE ANSYS program). The values of the characteristics of 5KhNM steel formed a set of input parameters in simulation. The simulation results proved the experimental data. Acoustic measurements carried out on the measuring and computing complex «ASTRON», provided determination of the velocities of elastic (longitudinal and transverse) waves and the elastic moduli of the material under study. The RS values obtained by the acoustic method were compared with the data obtained by the X-ray method. It is shown that the differences between the values measured by acoustic and X-ray methods do not exceed 10%. The results can be used in a production environment when measuring the residual stresses by the acoustic method in large-sized dies made of 5KhNM steel.

неразрушающий контрольтехническая диагностикаультразвуковой методтермическая обработкаостаточные напряжениясталь 5ХНМnon-destructive testingtechnical diagnosticsultrasonic methodheat treatmentresidual stresses5KhNM steelРабота выполнена по гранту РНФ № 19-19-00332ReferencesСамохоцкий А. И., Парфеновская Н. Г. Технология термической обработки металлов. — М.: Машиностроение, 1976. — 311 с.Samokhotsky A. I., Parfenovskaya N. G. Technology of heat treatment of metals. — Moscow: Mashinostroenie, 1976. — 311 p. [in Russian].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.Ryabov D. A., Khlybov A. A., Minkov K. A. On the prospect of using a water-air mixture for cooling hammer dies / Proceedings of NGTU. 2018. N 1(120). P. 196 – 203 [in Russian].Борисов И. А., Борисов А. И. Разработка технологии спреерной закалки опорных валков прокатных станов / МиТОМ. 1997. № 8. С. 2 – 4.Borisov I. A., Borisov A. I. Development of technology for spray hardening of the support rolls of rolling mills / MiTOM. 1997. N 8. P. 2 – 4 [in Russian].Пышминцев И. Ю., Эйсмондт Ю. Г., Юдин Ю. В. и др. Закалка крупных поковок в водно-воздушной смеси / МиТОМ. 2003. № 3. С. 24 – 28.Pyshmintsev I. Yu, Eismondt Yu. G., Yudin Yu. V., et al. Hardening of large forgings in a water-air mixture / Metalloved. Term. Obrab. Met. 2003. N 3. P. 24 – 28 [in Russian].Гуляев А. П. Термическая обработка стали. — М.: Машгиз, 1960. — 495 с.Gulyaev A. P. Heat treatment of steel. — Moscow: Mashgiz, 1960. — 495 p. [in Russian].Соколов К. Н. Технология термической обработки стали. — М.: Машгиз, 1954. — 302 с.Sokolov K. N. Technology of heat treatment of steel. — Moscow: Mashgiz, 1954. — 302 p. [in Russian].Гузь А. Н., Махорт Ф. Г., Гуща О. И. Введение в акустоупругость. — Киев: Наукова думка, 1977. — 162 с.Guz’ A. N., Makhort F. G., Gushcha O. I. Introduction to acoustoelasticity. — Kiev: Naukova Dumka, 1977. — 162 p. [in Russian].Неразрушающий контроль. Справочник / Под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 2004. — 226 с.Non-destructive testing. Handbook / V. V. Klyuev, ed. — Moscow: Mashinostroenie, 2004. — 226 p. [in Russian].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/s11041-019-00385-3Khlybov A. A., Ryabov D. A. Assessment of residual stresses in samples of ferritic-pearlite steel with austenitic surfacing / Metal Science and Heat Treatment. 2019. Vol. 61. N 2. P. 114 – 119. DOI: 10.1007/s11041-019-00385-3.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.Khlybov A. A., Ryabov D. A., Nuzhdina T. V., Minkov K. A. Investigation of the influence of heat treatment on the formation of residual stresses and the development of methods for their determination in samples of 5KhNM steel / Cher. Met. 2019. N 5. P. 17 – 24 [in Russian].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.Nikitina N. Ye., Kazachek S. V. Advantages of the acoustoelasticity method for non-destructive testing of mechanical stresses in machine parts / Vestn. Nauch.-Tekhn. Razvit. 2010. N 4(32). P. 18 – 28 [in Russian].Камышев А. В., Никитина Н. Е., Смирнов В. А. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости / Дефектоскопия. 2010. № 3. С. 50 – 54.Kamyshev A. V., Nikitina N. E., Smirnov V. A. Measurement of the residual stresses in the treads of railway wheels by the acoustoelasticity method / Rus. J. Nondestr. Test. 2010. Vol. 46. N 3. P. 189 – 193.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.Muravyov V. V., Muravyova O. V., Strizhak V. A., Pryakhin A. V., Balabanov E. N., Volkova L. V. Estimation of residual stresses in rims of wagon wheels by the electromagnetic-acoustic method / Defektoskopiya. 2011. N 6. P. 16 – 28 [in Russian].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.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. P. 541 – 552.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.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.Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А. Н., Расторгуев Л. Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 2012. — 632 с.Umansky Ya. S., Skakov Yu. A., Ivanov A. N., Rastorguev L. N. Crystallography, radiography and electron microscopy. — Moscow: Metallurgiya, 2012. – 632 p. [in Russian].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.Muravyov V. V., Muravyova O. V., Petrov K. V. Connection between the properties of 40kh-steel bar stock and the speed of bulk and rayleigh waves / Rus. J. Nondestr. Test. 2017. Vol. 53. N 8. P. 560 – 567.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.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.Муравьев В. В., Зуев Л. Б., Комаров К. Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. — Новосибирск: Наука, 1996. — 184 с.Muravyov V. V., Zuev L. B., Komarov K. L. The speed of sound and the structure of steels and alloys. — Novosibirsk: Nauka, 1996. — 184 p. [in Russian]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.Elmanov G. N., Zasluzhny A. G., Skrytny V. I., Smirnov E. A., Perlovich Yu. A., Yaltsev V. N. Solid State Physics. — Moscow: NRNU MEPhI, 2012. — 764 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.