«АКУСТОУПРУГИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕРЖНЕВЫХ ВОЛН ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ СТАЛЬНЫХ ПРОВОЛОК ...»

1

ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова» (ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)

На правах рукописи

Платунов Андрей Валерьевич

АКУСТОУПРУГИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕРЖНЕВЫХ ВОЛН ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ СТАЛЬНЫХ ПРОВОЛОК

специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Муравьев Виталий Васильевич доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации Ижевск Оглавление Введение…………………………………………………………………….…………. Глава 1 Акустические методы контроля качества металлических проволок…….. Технология производства и дефекты стальных проволок………....……….. 1.1.

1.1.1 Волочение проволоки. ……………………………………….……………...... 1.1.2 Дефекты волочения.

1.1.3 Дефекты термической обработки проволоки ………………….…………..... 1.1.4 Остаточные напряжения в прутках и проволоке

1.2 Методы структуроскопии проволоки

1.2.1 Оптико-физические методы оценки напряжений

1.2.2 Электрические и вихретоковые методы оценки напряжений……………..... 1.2.3 Магнитный метод

1.3 Акустические методы контроля проволоки

Выводы по 1 главе. Постановка задач

Глава 2 Моделирование распространения сигнала в проволоке……………..….... 2.1 Искажение импульсов стержневой волны с учетом затухания и дисперсии скорости

2.2 Моделирование акустического тракта стержневых волн для произвольной формы импульса в тонких проволоках…………………………………………….... Выводы по главе 2

Глава 3 Разработка экспериментальной установки и методических подходов для акустических исследований тонких проволок……………………………..…... 3.1 Установка для акустической структуроскопии и тензометрии проволок……. 3.1.1 Электронный блок генерации и усиления………………………………….... 3.1.2 Разработка эма-преобразователей. ……………………………………………. 3.1.3 Экспериментальная установка.

3.2 Методика исследований

3.2.1. Контроль с помощью раздельных ЭМАП

3.2.2 Метод многократных отражений……………………………………….……... 3.2.3 Эхо-метод для выявления дефектов структуры……………………………... 3.2.4 Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки при производстве…………………………………………………………………...... 3.2.5 Акустическая эмиссия в металлических проволоках при растяжении........... Выводы по главе 3

Глава 4 Анализ акустических характеристик при статическом растяжении термически обработанных проволок

4.1 Смещения частиц при распространении стержневой волны в проволоке........ 4.2 Физико-механические свойства исследуемых сплавов

4.3 Результаты исследований проволок при статическом растяжении после термической обработки ……………………………………...………………………. 4.4 Обсуждение результатов

Выводы по главе 4

Заключение

Основные обозначения и сокращения, используемые в диссертации……………. Список использованной литературы……………………………………………….. Приложение А Акт об апробации…………………………………………………. Приложение Б Акт об использовании в учебном процессе……………………… Приложение В Программа «Расчет процесса распространения акустического импульса в проволоке»……………………………………..……... Приложение Г Экспериментальные данные исследования проволоки из сплава викаллой ……………………………………….……………..……….…………….. Приложение Д Экспериментальные данные исследования проволоки из стали У9А …………………………………………………………………….…………….. Приложение Е Экспериментальные данные исследования проволоки из стали 65Г.. …………………………………………………………...……….…………….. отечественных предприятиях для упругих элементов, во многих случаях отличается неравномерностью свойств как внутри одной бухты, так и по разным партиям. Это явление характерно для проволок разных марок сталей, размеров и различных производителей. Поэтому результаты механических испытаний при окончательной приемке продукции и при повторных испытаниях, допускаемых стандартом, не вполне корректны, поскольку они определяются состоянием того характеризуют всю бухту в целом. Возможными причинами локальной неравномерности свойств термически обработанной проволоки могут быть:

- остаточные напряжения, накапливаемые при волочении, в т.ч. при нарушении технологии волочения и износе волок;

- структурная неоднородность, осложненная протекающими при нагреве холоднодеформированных сталей процессами рекристаллизации.

структурного и напряженно-деформированного состояния среди многочисленных методов структуроскопии и тензометрии (акустических, электрических, магнитных, оптических, рентгеновских и др.) не существует.

Перспективные варианты оценки структурного и напряженнодеформированного состояния металлов связаны с нелинейными акустическими контролируемой среде, таких как скорость распространения и затухание волн.

Обладая уникальным потенциалом, метод акустической тензометрии пока не нашел широкого использования в промышленности ввиду ряда теоретических и технических проблем, связанных с неоднозначной интерпретацией сложного напряженно-деформированного состояния реальных объектов, анизотропией их свойств, различием и неоднородностью структурного состояния, влиянием внешних воздействий на изменение параметров упругих волн, а также влиянием предыстории материала на коэффициенты акустоупругости. Расширение возможностей акустической структуроскопии связано с бесконтактным электромагнитно-акустическим (ЭМА) способом ввода и приема волн.

Степень разработанности темы. Веремеенко С.В. исследовал затухание симметричной волны в молибденовой проволоке, совместно с Игнатинским Я.Л.

он предложил способы определения модулей упругости в проволоке. Касаткин Б.А., Агасьев Г.Г., Лыско Е.М. рассчитывали уравнения Похгаммера-Кри для тонких стержней, сделали оценки величины смещений по поверхности и сечению проволоки, вывели рекомендации по способам возбуждения ультразвука. В работах Глухова Н.А., Боброва В.Т., Веремеенко С.В., Дружаева Ю.А., Колмогорова В.Н., Лебедевой Я.Л. описано применение бесконтактного ЭМА преобразования на объектах малого диаметра, в т.ч. на проволоке. Комаровым В.А. и Кононовым П.С. даны расчеты прямого и обратного ЭМА преобразования на тонких стальных и никелевых проволоках. Расчет и проектирование ЭМА преобразователей различного назначения описаны в работах Петрищева О.Н., Сучкова Г.М.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069; Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 г.г. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ мероприятия «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности»; задания № ГШ-2-14 на проведение НИР в рамках мероприятия 3.1.2 «Организация и проведение конкурсов в образовательной и научноисследовательской деятельности для аспирантов и молодых научнопедагогических работников вуза» Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016 гг.

Цель работы. Исследование акустоупругих и электромагнитноакустических характеристик волн Похгаммера при механическом растяжении термически обработанных ферромагнитных проволок.

Задачи исследования.

структуроскопии стальных проволок с учетом технологии производства.

Моделирование акустического тракта в тонких проволоках для стержневых волн.

параметров стержневых волн в ферромагнитных проволоках с обеспечением статической растягивающей нагрузки и бесконтактным электромагнитноакустическим способом ввода и приема волн.

Экспериментальные исследования влияния одноосных растяжений и режимов термической обработки тонких ферромагнитных проволок на информативные параметры стержневых волн. Экспериментальное определение акустоупругих коэффициентов по скорости и по амплитуде для тонкой ферромагнитной проволоки.

Разработка рекомендаций для реализации методики контроля тонкой стальной проволоки при изготовлении.

Объект исследования. Акустические методы исследований тонких ферромагнитных проволок из сталей 65Г, У9А и сплава 52К12Ф.

Предмет исследования. Информативные параметры стержневых волн в тонких ферромагнитных проволоках, методика неразрушающего контроля проволоки при производстве.

Методы исследования. Математическое моделирование, акустический импульсный метод, электромагнитно-акустический способ ввода и приема волн, метод многократных отражений акустического сигнала, термическая обработка, механические испытания; металлографический анализ; статистические методы обработки данных.

Научная новизна:

стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания для произвольной формы импульса в тонких проволоках.

Предложен метод определения скорости в области минимальной дисперсии для повышения точности измерений информативных параметров стержневых волн.

Впервые найден новый информативный параметр структурного состояния материала – акустоупругий коэффициент по амплитуде.

растягивающей нагрузки:

растягивающих напряжений для сталей 65Г и У9А в состоянии поставки и после отжига;

- увеличение скорости стержневой волны и увеличение акустоупругого коэффициента по скорости с ростом внешних растягивающих напряжений для сплава 52К12Ф после отжига до температур 600°C и их падение после отжига выше 800°C;

- увеличение амплитуды стержневой волны и амплитудного коэффицента акустоупругости в стальных проволоках 65Г и У9А с ростом внешних вследствие отжига.

Теоретическая и практическая значимость.

электромагнитно-акустическими многосекционными преобразователями.

информативных параметров, заключающиеся в увеличении базы прозвучивания и использовании области минимальной дисперсии скорости волн.

Даны рекомендации для реализации методики неразрушающего контроля ферромагнитной проволоки при изготовлении с использованием электромагнитно-акустического способа возбуждения-приема стержневых волн.

Методика неразрушающего контроля структурного и напряженнодеформированного состояния в тонких стальных проволоках по измерению параметров стержневых волн использована в учебном процессе ИжГТУ имени М.Т. Калашникова и апробирована на предприятии ООО «КУЗБАСС РИКЦ».

Положения, выносимые на защиту.

учитывающего явления дисперсии скорости и затухания при произвольной форме импульса, в тонких проволоках.

Закономерности изменения скорости и амплитуды стержневых волн в зависимости от величины одноосных нагрузок, прилагаемых к образцу.

Закономерности изменения скорости и амплитуды стержневых волн в зависимости от режимов термической обработки образцов.

Информативный параметр структурного состояния материала – акустоупругий коэффициент по амплитуде.

Достоверность полученных результатов измерений информативных параметров стержневых волн в тонких ферромагнитных проволоках подтверждена воспроизводимостью результатов экспериментов;

обоснованностью полученных зависимостей; согласованием найденных экспериментальных зависимостей с математической моделью, а также апробацией результатов в промышленности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: XVIII Всероссийская научнотехническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г. Нижний Новгород, 29 сентября – октября 2008 г.; IV международная научно-техническая конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», г. Тюмень, 9 – 10 декабря 2008 г.; 2-ая международная студенческая научно-техническая конференция «Новые направления развития приборостроения», г. Минск, 22 – 24 апреля 2009 г.; IX выставка-сессия инновационных проектов при министерстве экономики Удмуртской республики, г. Ижевск, 15 – 16 апреля 2010 г.; I Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика», г.

неразрушающему контролю «10th ECNDT», г. Москва, 7 – 11 июня, 2010 г.;

научная конференция «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики, г. Улан-Удэ, 19 – 22 июля 2010 г.; XIX Всероссийская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г. Самара, 6 – 8 сентября 2011 г.; VII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение в XXI веке», г.Ижевск, 17 ноября 2011 г.; XII выставка-сессия инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов аспирантов и молодых ученых, г. Ижевск, 22 – 23 ноября 2011 г.; VII Всероссийская научнотехническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», г. Ижевск, 15 – 17 ноября 2011 г.; II Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, г.

Ижевск, 14 – 16 мая 2012 г.; XXI Петербургская конференция «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций «УЗДМ-2013: От теории к практике и повышению эффективности ультразвукового контроля», г. Санкт-Петербург, 28мая 2013 г.

Личный вклад автора заключается в разработке модели процесса распространения стержневых волн в проволоках, разработке и изготовлении вспомогательных устройств и средств сопряжения аппаратурных комплексов при выполнении экспериментов, создании методик обработки сигналов, планировании экспериментов, в анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Соответствие диссертации паспорту специальности. П.1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 15 публикациях, в т.ч. 3х статьях по списку ВАК и материалах конференций.

1 АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК

Технология производства и дефекты стальных проволок 1.1.1 Волочение проволоки. Волочение характеризуется постепенным однократным или многократным протягиванием проволоки через специальный волочильный инструмент, предназначенный для поэтапного уменьшения поперечного сечения исходной заготовки [28,37]. В результате волочения поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Волочение проволоки значительно экономнее других способов обработки металлов, т.к. при волочении отсутствуют потери металла в стружку, можно получить проволоку определенного диаметра с заданными свойствами. В качестве заготовки для волочения применяется продукция прокатного производства – катанка, получаемая прокатом литых заготовок определенного сечения. Принципиальная схема волочения приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Принципиальная схема волочения:1 – волока; 2 – проволока; FН – площадь поперечного сечения на входе в волоку; FК – площадь поперечного сечения на выходе из волоки; P – приложенная При волочении значительная часть энергии (по некоторым данным, до 90%), затрачиваемой на процессе волочения в результате внешнего трения и пластической деформации, превращается в тепло, которое значительно нагревает деформируемый металл, волоку и смазку. Чрезмерный нагрев протягиваемого металла (>150-200°С) ухудшает условия волочения из-за выгорания смазки, а у стальной проволоки может вызвать деформационное старение металла и соответствующее локальное изменение структуры. Также отрицательное влияние оказывает высокая температура на стойкость волочильного инструмента, который нагревается значительно выше, чем проволока [113].

Условия работы и связанные с ними требования к изделиям из проволоки весьма разнообразны. В канате, например, проволока не должна разрушаться от воздействия знакопеременных нагрузок и истираться; в пружине она должна быть достаточно упругой, чтобы пружина выдерживала прикладываемые нагрузки без изменения размеров; в нагревательном элементе необходима устойчивая работа проволоки при высоких температурах. Очень часто от проволоки требуется высокая коррозионная стойкость, хорошая электропроводность и способность сопротивляться сложным нагрузкам. В ряде случаев проволока должна обладать целым комплексом различных свойств.

Качество готовой проволоки определяется свойствами выбранного для волочения металла, а также изменениями его свойств и структуры в процессе переработки. Процесс волочения сопровождается не только изменением геометрической формы и размеров заготовки, но и существенными изменениями физико-механических свойств и структуры обрабатываемого металла.

Упрочнение металла, возникающее вследствие пластической деформации при волочении, называется наклепом, а структура металла в виде вытянутых по направлению волочения зерен - текстурой. Степень влияния деформации при волочении на физико-механические свойства протягиваемого металла во многом зависит от свойств металла, величины этой деформации и других причин, но можно выделить общие тенденции этого явления: повышаются прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость); снижаются (неравномерно) пластические свойства (относительное сужение, относительное удлинение, число перегибов и скручиваний); плотность металла незначительно повышается (0,5-1,0 %); антикоррозионная стойкость несколько снижается;

возрастает электрическое сопротивление (у аустенитной стали рост составляет до 30%); изменяются магнитные свойства металла [116].

В ходе пластической деформации при волочении структура металла претерпевает значительные изменения - зерна перлита вытягиваются по направлению волочения, возрастает число дефектов структуры (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), что приводит к увеличению прочности, твердости и снижению пластичности. Дальнейшая деформация приводит к образованию микротрещин, которые растут и при превышении определенной степени обжатия приводят к обрывам проволоки [117].

Чтобы иметь возможность продолжить волочение, необходимо снять наклеп проволоки методами термической обработки. Для этого применяют отпуск, нормализацию, отжиг или патентирование в зависимости от условий поставки и марки стали. При термической обработке снижается число дефектов структуры, при дальнейшем нагреве происходит образование из деформированных (вытянутых) небольших равноосных зерен с недеформированной структурой металла, которые растут и постепенно занимают весь объем материала. Это явление называется рекристаллизацией, в процессе которой снижается прочность и твердость, увеличивается пластичность. Однако для углеродистых сталей, особенно при высоких степенях обжатий рекристаллизации при волочении недостаточно для нормального волочения в дальнейшем. Сталь подвергают нагреву выше температуры аустенитного превращения, чтобы добиться измельчения перлитной структуры и залечивания микротрещин. На поточных агрегатах нагрев стальной проволоки должен составлять 900 - 960°С, чтобы за короткое время выдержки в печи успели произойти эти изменения в структуре [11].

Процесс трения при волочении во многом отличается от обычного трения скольжения, возникающего в традиционных трущихся парах, и значительно усложняется следующими причинами [116]:

- весьма большие удельные давления, а поэтому подача смазки в зону деформации с целью создания условий жидкостного или даже полужидкостного трения весьма затруднена;

- значительные пластические деформации протягиваемого металла;

труднодеформируемых металлов с предварительным нагревом заготовки перед волочением.

Все это вместе взятое предъявляет особые требования как к самим смазочным материалам, а так и к методам их подачи в зону деформации. И, поскольку процессы нагрева влияют на структуру металла, необходим контроль структурного состояния.

1.1.2 Дефекты волочения. При волочении стальных проволок наиболее характерны следующие дефекты [67,111]:

Волосовины представляют собой мелкие внутренние или выходящие на поверхность трещины, образовавшиеся из газовых пузырей или неметаллических включений при прокате или ковке. Они направлены вдоль волокон металла и в поперечном изломе видны как точки или линии. Шлаковые и песчаные включения не способны пластически деформироваться и при обжатии слитка распадаются на большое число обломков с острыми углами, образуя при вытяжке цепочки вдоль волокон. Силикаты железа, марганца и других элементов при температуре прокатки могут быть пластичны, поэтому вытягиваются вдоль волокон прокатанного металла. Длина волосовин 20 мм, а иногда 100 мм.

Встречаются волосовины во всех конструкционных сталях.

Расслоения – нарушения сплошности внутри прокатанного металла, представляющие собой раскатанные крупные дефекты слитка (глубокие усадочные раковины, усадочная пористость, скопления пузырей или неметаллических включений). Характерным для расслоения является то, что поверхность нарушения сплошности параллельна плоскости прокатки. Так, раскатанные скопления неметаллических включений дают внутреннюю прослойку, разделяющую лист или профиль на две, три или несколько частей [57]. Под расслоением на пружинной проволоке понимаются трещины, идущие по винтовой линии на поверхности образца [1].

Внутренние разрывы – сравнительно крупные нарушения сплошности внутренней части заготовки, периодически повторяющиеся по ее длине.

Поверхность излома по разрыву – крупнокристаллическая. Разрывы возникают под влиянием сил растяжения вследствие неодинаковой деформации наружных и внутренних слоев прокатываемого металла с малой пластичностью. Наблюдаются при волочении высоколегированных сталей. Разрывы, возникшие в начальной стадии волочения, при дальнейшей значительной деформации могут образовать расслоения.

Плены – представляют собой сравнительно тонкие плоские отслоения на поверхности деформированного металла. В большинстве случаев плены имеют вид «языка», у которого уширенный и утолщенный конец составляет одно целое с основной массой металла. По размерам плены бывают от мелких едва заметных чешуек (чешуйчатость) до 100 мм и более по длине и ширине (в толстых листах);

толщина плен колеблется от десятых долей миллиметра до 3 мм и более.

Причинами образования плен могут быть неудовлетворительное качество слитков (наличие на поверхности отливки плен, плохая раскисленность и пузырчатость металла) и нарушение режимов волочения [57].

Согласно ГОСТ 9389-75 на поверхности проволоки не должно быть трещин, плен, закатов, волосовин, раковин и ржавчины. Допускаются риски глубиной не более половины поля допуска по диаметру, а также остатки технологических покрытий, наносимых на поверхность проволоки для подготовки проволоки к волочению [1]. В технологическом процессе производства проволоки должен быть обеспечен неразрушающий контроль дефектов.

1.1.3 Дефекты термической обработки проволоки. Многообразие дефектов сталей и сплавов, не всегда резко различающихся по внешнему виду, создает значительные трудности при их идентификации в практической работе заводов. Эти трудности нередко возрастают в связи с тем, что металл после возникновения дефекта подвергается горячей обработке давлением или термической обработке. Особенно сложно определить происхождение дефектов поверхности, на которые при нагревах воздействует воздух или атмосфера печи, что приводит к изменению химического состава поверхностного слоя, окислению, обезуглероживанию, образованию в зоне дефекта оксидов, нитридов и других фаз. Достоверно определить вид и источник образования поверхностного дефекта удается лишь непосредственно после его возникновения [91].

При анализе качества проволоки разнообразие технологических процессов производства, кроме металлургического передела (производство стали, разливка, горячая прокатка), также и метизного (термообработка, подготовка поверхности, волочение, нанесение специальных покрытий, плющение и т.д.) резко усложняет анализ причин дефектов (природу и момент образования) с учетом их трансформации.

Нагрев металла до температур горячего деформирования и термической обработки, а также последующее охлаждение приводят к образованию на его поверхности слоя окалины. Вопросы подготовки поверхности перед волочением всегда остаются актуальными. Качество травления и нанесения подсмазочного слоя обеспечивают стабильность процесса волочения и состояние поверхности.

Процесс травления находится в полной зависимости от состава и массы окалины, от ее равномерного распределения по длине проволоки, что, в свою очередь, определяется условиями окисления.

Равномерность толщины слоя окалины и ее структура в значительной степени зависят от условий термической обработки. Отклонение от температурных режимов, неравномерность нагрева, изменение атмосферы печи приводят к тому, что на поверхности катанки, проходящей одновременно через печь, и даже на отдельных ее прядях образуется окалина разной толщины и состава [102].

двухстадийному охлаждению, зависят от температуры, скорости и способа охлаждения проката после его выхода из чистовой клети. Печной нагрев исходной заготовки перед прокаткой имеет значение лишь с точки зрения обезуглероживания. При выходе из чистовой клети на катанке почти нет окалины, и чем выше температура конца прокатки, больше длительность намотки и охлаждения, тем толще слой образующейся вторичной окалины. При окислении стали также образуются пузыри, особенно при температуре выше 850°С [40,102,104].

В первоначально образующемся слое окалины возникают напряжения, искажающие кристаллическую решетку окислов и вызывающие образование трещин, а также частичное отслаивание окалины. На отслоившихся участках поверхности в печи образуется вторичная окалина с составом, отличным от первоначального. Травление этих слоев будет проходить по-разному, с разной скоростью. Качество поверхности металла после травления определяет успех дальнейшего волочения.

Недотравленный металл имеет на поверхности остатки окалины, которая способствует быстрому износу волок или делает процесс волочения совсем невозможным. При неравномерном травлении кислотой некоторых мест (места соприкосновения витков проволоки в бунте), при плохом перемешивании травильного раствора, при травлении в отработанном травильном растворе либо при слишком низкой температуре травильного раствора или малой длительности травления на поверхности проволоки наблюдаются дефекты поверхности в виде темных пятен или полос, образовавшихся из-за остаточной окалины [103].

Дефекты поверхности в виде язв и пор вследствие длительного травления (перетрава) образуются на отдельных участках или всей поверхности проволоки.

При перетраве язвы на поверхности проволоки имеют удлиненную форму в направлении волочения. Повышенное содержание в стали неметаллических включений приводит к растравам поверхности при подготовке металла к волочению.

Таким образом, процесс подготовки поверхности горячекатаного металла к волочению и качество полученной из него проволоки находятся в прямой зависимости от качества окалины: массы и фазового состава, определяемых условиями термообработки и последующего охлаждения [102].

Качество поверхности и остатки окалины влияют на выделение тепла при волочении и, соответственно, на процессы рекристаллизации и неоднородности структурного состояния проволоки.

1.1.4 Остаточные напряжения в прутках и проволоке. В условиях волочения круглого профиля при полной симметрии деформаций и напряжений относительно продольной оси профиля и гомогенности металла, неравномерность деформаций и напряжений возникает вследствие трех причин [95]:

1) конусообразной формы очага деформации, при которой нормальные силы, возникающие на контактной поверхности даже при полном отсутствии сил трения (абстрактно предполагаемый случай), вызывают отставание периферийных слоев от центральных и приводят к искривлениям ранее плоских поперечных сечений;

2) действия сил трения на контактной поверхности волочильного канала, усиливающего отставание периферийных слоев от центральных; поэтому периферийные слои испытывают большие удлинения, чем центральные;

3) неравномерности передачи радиальных напряжений от волоки на металл и в обратном направлении так же, как и окружных, аналогично тому, как это имеет место при передаче напряжений, приложенных к внешней или внутренней поверхности трубы.

Во время процесса волочения периферийные слои подвергаются большим деформациям сдвига в продольном направлении, чем центральные. Поэтому после окончания процесса волочения периферийные слои вследствие упругого последействия укорачиваются больше, чем центральные. Целостность металла выравнивает эти укорочения, поэтому неизбежно появление остаточных напряжений, растягивающих в периферийных и сжимающих в центральных слоях сплошного круглого протянутого прутка. В соответствии с этим характер распределения продольных напряжений в протянутом круглом прутке может быть представлен схемой, изображенной на рисунке 1.2 [95]. Наличие остаточных продольных растягивающих напряжений на поверхности протянутого профиля подтверждает форма пленок, иногда встречающихся на этих поверхностях, обычно отстающих от поверхности в виде изогнутых чешуек (рисунок 1.2,а).

Вследствие явления упругого последействия все кольцевые слои круглого профиля увеличиваются по диаметру, однако этому в какой-то мере противодействует соседний, обволакивающий его слой. Поэтому в радиальном направлении все концентрические кольцевые слои подобно трубам, нагруженным внутренним равномерным давлением, находятся под напряжениями сжатия, снижающимися до нуля у самого поверхностного слоя. Эпюры продольных, радиальных и окружных остаточных напряжений протянутого круглого прутка при отсутствии какой-либо дальнейшей обработки показаны на рисунке 1.2,б [95].

Рисунок 1.2 Эпюры остаточных напряжений протянутого круглого Характер остаточных радиальных напряжений круглого протянутого прутка представлен схемой, изображенной на рисунке 1.2(б). Остаточные напряжения при всех условиях взаимно уравновешиваются. Этому на первый взгляд не соответствует характер эпюры напряжений, изображенной на рисунке 1.2(б), которая показывает наличие только сжимающих радиальных напряжений. Но эти напряжения симметричны относительно оси прутка, поэтому создаваемые ими элементарные сжимающие силы попарно уравновешиваются, чем соблюдается условие взаимного уравновешивания остаточных напряжений.

После окончания процесса волочения и осуществления упругого последействия силы, вызываемые остаточными напряжениями, приходят во временное равновесие. Поэтому в каждом протянутом, но дополнительно не обработанном профиле, одни участки находятся под напряжениями сжатия, другие - под напряжениями растяжения. Механическое испытание такого профиля показывает уменьшение его прочности, так как напряжение от этого испытания обязательно складывается с одноименным остаточным напряжением, а полученные показатели прочности уменьшаются на величину одноименных остаточных напряжений. Переход упругих деформаций в остаточные происходит во времени. Поэтому каждый объем металла, находящийся под действием остаточных напряжений, непрерывно изменяет свои размеры, а иногда и форму.

Известны, например, случаи появления дополнительного продольного изгиба вольфрамовой проволоки примерно через 1 - 1,5 года после окончания ее механической обработки [11].

Ранее также было показано [29,103,104], что профили, находящиеся под остаточными напряжениями, хуже сопротивляются газовой коррозии. Поэтому необходимо применять мероприятия для снижения остаточных напряжений. К таким мероприятиям относятся:

- уменьшение неравномерности деформации при волочении, получающееся в результате снижения суммарной деформации (частые отжиги) и дробности деформации, уменьшение неравномерности вытяжек по отдельным участкам поперечного сечения, обеспечение лучшего совпадения направления входа металла в волоку и выхода из нее с осью волочильного канала, возможного уменьшения наклона образующих канала к его оси и уменьшения трения на контактной поверхности;

- перевод упругих деформаций, вызываемых остаточными напряжениями, в пластические путем дополнительной обработки давлением с малыми пластическими деформациями, например, правки круглых профилей, волочения с обжатиями порядка 1 - 2%. Эти мероприятия приводят к переходу упругих деформаций поверхностных слоев профиля в пластические, в результате чего на профиле образуется замкнутый поверхностный слой со значительно уменьшенными остаточными напряжениями, который немного улучшает среднюю прочность профиля и заметно улучшает его стойкость против газовой коррозии;

- применение низкотемпературного отпуска, т.е. нагрева до температуры, заметно меньшей температуры рекристаллизации [12].

Таким образом, из-за неоднородности структуры вследствие изменяющихся условий волочения, неравномерности травления, при снятии окалины и других воздействий возможны неоднородности остаточных напряжений в процессе производства проволоки, поэтому необходимо контролировать структуру, ее однородность и остаточные напряжения.

Структурное и напряженное состояние металлов и сплавов исследовались разными авторами с применением различных методов неразрушающего контроля [4,13,31,54,60,85,106,111].

1.2.1 Оптико-физические методы оценки напряжений. Можно отметить следующие методы оценки механических напряжений:

1. Рентгеновское определение напряжений. Применение рентгеновских лучей для исследования напряженного состояния в металлах и сплавах основано на явлении дифракции рентгеновских лучей характеристического спектра при прохождении их через кристаллическую решетку исследуемого материала.

Рентгеновский луч, падающий на кристалл, рассеивается его атомами. Рассеянные вторичные волны интерферируют между собой и в направлениях, для которых разность хода лучей оказывается равной целому числу длин волн, возникают дифракционные максимумы. Направление максимумов определяется формулой Брэгга-Вульфа:

где d – период идентичности кристалла в направлении, перпендикулярном исследуемым атомным слоям, – угол, дополнительный к углу падения и названный углом скольжения падающих лучей, – длина волны.

Металлы и сплавы в большинстве случаев являются поликристаллами, то есть состоят из большого количества отдельных кристаллов (кристаллитов), Рентгенограмма металлического образца будет содержать набор дифракционных линий, соответствующих разным межплоскостным расстояниям. Действие межплоскостные расстояния уменьшаются или увеличиваются, что приводит к изменению угла дифракции. Поэтому о наличии напряжений в материале можно судить по смещению максимума дифракционной линии [56]. Погрешность определения напряжений в производственных условиях рентгеновским методом составляет ±10 МПа [114]. Недостатком метода является сильная зависимость использования только в лабораторных условиях.

2. Оптический метод определения внутренних напряжений. Многие оптически прозрачные материалы (стекло, полимеры, кристаллы), изотропные в обычных условиях, становятся анизотропными после механического нагружения [106]. При прохождении света в них возникает двойное лучепреломление, контролируемого объекта. Оптические методы исследования напряжений широко электровакуумных приборов, химической, в производстве полимеров, алмазных инструментов, различных искусственных кристаллов (в том числе лазерных) и др.

проволоки для нанесения оптически прозрачного материала.

3. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений основан на явлении поляризации света и свойстве большинства прозрачных изотропных материалов приобретать под действием нагрузки способность двойного лучепреломления. Метод позволяет находить поля деформации и напряжений с применением плоских или объемных прозрачных моделей, выполненных подобными по форме и нагрузке исследуемой детали или узла конструкции и просвечиваемых поляризованным светом. Нагрузка к модели прилагается статически или динамически. Внутреннее напряжение определяют с помощью полярископа. Преимущество метода – возможность получать поля напряжений по сечениям и внутри объема модели и вести измерения в зонах концентрации на весьма малых базах, а также высокая точность, наглядность метода и простота измерений [26].

4. Голографическая интерферометрия. Суть метода состоит в возможности записи на голограмме различных состояний объекта, путем облучения светом лазера. Объект подвергается многократной экспозиции, а на голограмме записывается несколько изображений объекта, по которым сравнивают интерференционные картины с голограммой эталонного образца. Появление полос интерференции свидетельствуют о появлении поверхностных напряжений [6].

5. Метод спекл-интерферометрии состоит в оценке смещения или деформации поверхности объекта по пространственному перемещению спеклструктуры. Для оценки смещений наблюдают интерференционные картины от двухэкспозиционной регистрации спекл-структур, соответствующих начальному, и изменнному состоянию объекта [44]. Направление и величину вектора смещения спеклов на спеклограмме устанавливают по ориентации и периоду полос Юнга, по которым судят о смещении соответствующих точек поверхности объекта [31].

Электронная спекл-интерферометрия заключается в регистрации и сравнении двух видеосигналов, соответствующих спекл-структуре изображения несмещнного и смещенного объекта. Оба сигнала подвергаются обработке и представляются в виде картин полос корреляции, что позволяет в наглядной графической форме получить количественную информацию о пространственном распределении смещений [44]. Видео-спекл-интерферометрия позволяет оценивать участки локализации напряжений на специально подготовленных стальных образцах, а использование видео-фиксации с низким разрешением позволяет получить информацию с высокой скоростью [31].

исследований микродеформаций и напряжений на поверхности изделия из любого материала. Диапазон измерений методом спекл-интерферометрии простирается от единиц до сотен микрометров [108].

1.2.2 Электрические и вихретоковые методы оценки напряжений.

Электрический метод основан на использовании тензорезисторов. Принцип измерения состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление [48]. Тензорезистор конструктивно представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для включения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Среди недостатков данного метода можно отметить влияние внешних факторов (температуры, времени измерения) а также необходимость доступа к поверхности исследуемого образца для наклейки датчика.

поверхностных дефектов [38,53,88]. Метод основан на зависимости между прочностью и удельной электрической проводимостью детали. Среди достоинств можно отметить простоту, высокую производительность, возможность определения остаточных напряжений в тонком поверхностном слое. Недостаток – низкая точностью измерений, необходимость сочетания с механическими или рентгеновскими методами для определения различных составляющих присутствующих напряжений. [108].

Известно устройство для неразрушающего контроля металлической проволоки Eddychek LAB2, содержащее устройство перемотки проволоки, размагничивающее устройство, измерительный специализированный датчик, блок регистрации, блок маркировки дефектных участков [53,88].

Недостатком подобных решений, использующих в качестве метода контроля металлической проволоки по изменению параметров вихревых токов, возникающих в проволоке, являются: ограничение по минимально возможному диаметру контролируемой проволоки (1 мм), низкая чувствительность к структурным неоднородностям и механическим напряжениям. Ограничения касаются и минимальных размеров выявляемых дефектов – не более 0,15 мм.

Определение истинных напряжений является одним из важных условий для оценки эксплуатационных возможностей деталей и конструкций. Широко применяемый тензометрический метод часто не позволяет получить действительную картину распределения напряжений из-за наличия в материале остаточных напряжений, возникающих в результате различных технологических операций [107]. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется разработке новых методов оценки механических напряжений, в частности, основанных на магнитоупругом эффекте. Перспективность этих методов заключается в возможности создания относительно простых неразрушающих средств контроля напряженного состояния реальных изделий.

Значительное число работ исследователей посвящено магнитным и акустическим методам [16,17,41,64,69,76,78,79,80,82,83,86,89,90,107,112].

1.2.3. Магнитный метод. Большая часть публикаций, касающихся магнитного вида неразрушающего контроля, посвящена разработке методов контроля дефектов типа несплошностей [41,86,107,118]. Например, в работе [107] описан контроль методом магнитного потока рассеяния на ферромагнитных заготовках с горячекатаным качеством поверхности и с круглым поперечным сечением (в т.ч. на прутках, проволоках). Метод используется для высокочувствительного обнаружения продольных поверхностных дефектов при этом используются современные компьютеризированные автоматические системы. Обычная разрешающая способность таких систем по глубине дефектов мм. В некоторых случаях до 0,1 мм. Сменные вращающиеся головки позволяют контролировать различные диаметры прутков. Скорость контроля до 3,75 м/с.

Один из методов магнитного контроля - магнитная тензометрия – основывается на определении механических напряжений по величине магнитной анизотропии, вызываемой напряжениями в изотропном ферромагнитном материале [14].

Известно, что механические, физические, в том числе и магнитные, свойства сталей зависят от их фазового состава и структурного состояния. Кривая намагничивания, форма и площадь петли магнитного гистерезиса, а также основные параметры, характеризующие их, существенным образом зависят от структурного состояния и фазового состава ферромагнетика. Структурночувствительными характеристиками, величины которых в основном зависят от структурного состояния сталей, являются: коэрцитивная сила, остаточная намагниченность или индукция, практически все виды магнитной проницаемости, а также отдельные точки на кривых намагничивания и петель магнитного гистерезиса [10].

В области магнитной структуроскопии выполнено значительное число исследований под руководством Э.С. Горкунова. В [62] авторами приводится взаимосвязь магнитных характеристик от режима термической обработки на примерах различных марок сталей, рассмотрены приборы для контроля качества упрочнения поверхности, структуры образца и фазового анализа. В качестве параметров неразрушающего контроля напряжений и деформаций автор рекомендует коэрцитивную силу, величину остаточной индукции по предельной петле магнитного гистерезиса и максимальную магнитная проницаемость [32].

Так, в работе [33] Горкунов Э.С. с соавторами экспериментально исследовали зависимости коэрцитивной силы от деформации при нагружении и после разгрузки образцов из углеродистой стали при одноосном растяжении, при этом получены диаграммы напряжение-деформация, на основании которых предложена методика определения напряжений, действующих в элементах конструкции, по значению коэрцитивной силы в нагруженном состоянии, а также способ оценки максимальных ранее действовавших напряжений по значениям коэрцитивной силы, измеренной в разгруженном состоянии.

В [34] авторами рассмотрена взаимосвязь между одноосными напряженнодеформированным состоянием и магнитными характеристиками. Проведенные исследования показали, что коэрцитивная сила, измеренная вдоль оси растяжения, существенно возрастает с увеличением степени пластической деформации.

Отмечены изменения шумов Баркгаузена при приложении растягивающих нагрузок - среднеквадратичные значения напряжения при измерениях вдоль оси деформации падают, в перпендикулярном направлении – растут, а значения полуширины огибающей магнитных шумов увеличиваются при измерениях вдоль оси деформации и снижаются в перпендикулярном оси растяжения направлении.

В работе [35] авторами показана возможность магнитного контроля напряженнодеформированного состояния сварных соединений.

Однако, описанные методы и устройства имеют недостатки при решении задач структуроскопии тонких металлических проволок. Наиболее широко используемый метод магнитного контроля – дефектоскопия – серьезно ограничен в применении, поскольку заявленная разрешающая способность соизмерима с размерами контролируемого объекта. По этой же причине усложняется и использование датчиков коэрцетиметрии, на результаты измерений влияет их расположение и ориентация относительно тонкой металлической проволоки. Это затрудняет измерение магнитных характеристик проволоки и анализ полученных результатов.

Большое число работ по акустической структуроскопии металлов и сплавов выполнено В.В. Муравьевым с соавторами [64,69,76,78,79,80,82,112], где обосновывается связь скорости ультразвуковых волн (объемных и волн Рэлея), распространяющихся в материалах, с различными факторами, характеризующими структуру этих материалов – соотношением фаз и структурных составляющих, химическим составом, деформацией и напряженным состоянием. В качестве исследуемых материалов выбирались различные марки стали и алюминиевые сплавы в разных состояниях – после поставки, различных видов и режимов термической обработки, а также после эксплуатации.

Автор отмечает, что чем более отличается структура стали от равновесной, тем ниже в ней скорость ультразвука. По мере уравновешивания структуры при отпуске и снятии закалочных напряжений скорость ультразвука возрастает.

Своего максимума она достигает после высокотемпературного отжига, ведущего к полному уравновешиванию структуры. Значение скорости при всех операциях термической обработки в зависимости от марки сплава меняется в пределах от до 2% от начального значения.

В работе [82] предложен метод автоциркуляции импульсов для измерения относительного изменения скорости ультразвука с возбуждением объемных или поверхностных волн в исследуемом объекте с помощью пьезопреобразователей.

Предлагаемый метод реализован в приборе ИСП-12, погрешность измерения скорости составила 0,2% [83]. Описываемое устройство возможно использовать для объемных объектов и достаточно затруднительно для контроля тонких металлических проволок – сложность ввода волны в объект, недостаточная точность измерения.

Способами акустической тензометрии, основанными на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений, занимался ряд ученых. Немалый вклад сделан Бобренко В.М., в [16,17] предложены методики и аппаратура контроля внутренних напряжений в шпильках с помощью ультразвука.

Ряд авторов занимались расчетами значений скорости для объектов малого диаметра. Так, например, в работах Б.А. Касаткина [46,47] предложена методика расчета дисперсионных кривых уравнения Похгамера—Кри для продольных колебаний стержня со свободными границами и для нормальных колебаний бесконечного стержня, погруженного в жидкость. По этой методике могут быть найдены приближенные значения корней дисперсионного уравнения, которые можно рассматривать в качестве исходных данных для более точных расчетов.

Однако, данная методика не дает ответа о зависимости скорости волны от структурного или напряженно-деформированного состояния.

В работе С.В. Веремеенко и др. [21] проведены численные расчеты распределения нормальных и касательных смещений как на поверхности стержня, так и по сечению для первых четырех мод симметричных и нулевой моды антисимметричных колебаний. Даны практические рекомендации по эффективному возбуждению различных мод колебаний в цилиндрических стержнях.

Ряд работ посвящен исследованию возбуждения ультразвука в проволоке и тонких стержнях с помощью ПЭП. Так, в работе С.В. Веремеенко [22] проводились исследования затухания осесимметричных колебаний в молибденовой проволоке. При измерениях был использован ультразвуковой импульсный теневой метод. Прием и ввод волн осуществялся пьезоэлектрической пластиной с фокусировкой водяным клином. Автором были получены значения амплитуд волны и коэффициентов затухания.

В работе С.В. Веремеенко и Я.Л. Игнатинского [23] разработана методика определения динамических модулей упругости тонкой проволоки с помощью бегущих нормальных волн. Приведены результаты измерений модуля Юнга тонких медных проводов и стальной проволоки.

В работе Н.А. Глухова и др. [30] рассмотрены схемы возбуждения ультразвуковых колебаний в пластинах и проволоках электромагнитноакустическими преобразователями, работающими на основе магнитострикционного эффекта. Бесконтактный метод ультразвуковой дефектоскопии проволоки из ферромагнитных материалов применен в установке «Ферротрон». Проведено экспериментальное изучение параметров и конструкций ЭМАП для возбуждения и приема нормальных волн. Омечено, что минимальный диаметр проволоки, подлежащей контролю – 2 мм.

Недостатком выше указанных методик является контактный способ приема волны с помощью пьезопреобразователей. В случае использования бесконтактных методов, большинство работ проделано в области дефектоскопии.

Большой пласт работ посвящен исследованию электромагнитоакустическому (ЭМА) способа ввода и приема волны. Большая часть посвящена вводу-приему волн ЭМА способом в объемные тела. Следует отметить исследования Буденкова Г.А. [18-20], Сучкова Г.М. [109,110], Комарова В.А. [50Ильясова Р.С. [7] и других авторов.

Вопросы ЭМА преобразования на тонких стержнях затронуты в работе В.А.

Комарова и П.С. Кононова, где описана методика изучения изолированно прямого и обратного электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования на экспериментальные зависимости амплитуд возбуждаемых упругих колебаний при прямом ЭМА преобразовании от напряженности поляризующего магнитного поля в стержневых образцах никеля, сталей Ст3 и У10. Указаны различия в закономерностях прямого и обратного ЭМА преобразования в ферромагнитных материалах. Вопросов структуроскопии тонких проволок описываемые исследования не касаются.

Особенностям ЭМА-преобразования на стержнях посвящены работы В.А.

Шульгина и В.Г. Кулеева [58,120,121]. Авторами исследовано влияние упругих нагрузок на возбуждение первой и второй гармоник продольного ультразвука в стержнях из никеля, помещенных в постоянное магнитное поле [33].

магнитополяризованных металлических стержнях проведен в [34]. Получены общие выражения для амплитуд бегущих вдоль стержня упругих волн, возбуждаемых катушками конечных размеров. Полученные аналитические выражения позволяют выбирать оптимальные размеры возбуждающих катушек.

О.Н. Петрищев и Г.М. Сучков в своих работах [96-98] рассматривали новый концептуальный подход решения проблемы возбуждения акустических колебаний в электропроводных ферромагнитных металлах с учетом параметров преобразователя, свойств материала, характеристик возбуждающего сигнала, содержащий уравнение движения частиц металла, уравнения Максвелла и обобщенный закон Ома в дифференциальной форме для проводников с усложненными свойствами. Показан способ расчета параметров преобразователя электромагнитного типа.

В работе [97] решена неоднородная граничная задача о возбуждении системой объемных и поверхностных нагрузок гармонических ультразвуковых волн в полых и сплошных изотропных цилиндрах кругового поперечного сечения.

На основе полученных решений, представленных в форме разложений по нормальным волнам, построена математическая модель ультразвукового преобразователя электромагнитного типа. Исследованы особенности процесса возбуждения нормальных волн в металлических стержнях в широком диапазоне частот.

В работе [98] построена математическая модель ультразвукового преобразователя электромагнитного типа. Представленные аналитические и количественные результаты формируют теоретическую основу для расчета и проектирования ультразвуковых преобразователей электромагнитного типа, применяемых в системах различного назначения.

В работе А.И. Экономова [122] описан автоматизированный ультразвуковой диагностический комплекс для исследований упругих и акустических свойств медных проволок. Установлена связь упругих и акустических характеристик образцов с особенностями их внутренней структуры. Предложена методика и программное обеспечение расчета изменений упругих модулей и нелинейных акустических параметров в зависимости от величины их деформации.

В [55] описаны эксперименты и представлены результаты исследований упругих и акустических свойств статическим и квазистатическим методами на медных проволоках диаметров 0,75 – 0,9 мм в состоянии поставки, после закалки и отжига с помощью стержневой волны в области минимальной дисперсии скорости (на частоте генерации f = 160 КГц).

Авторами установлена корреляция между акустическими свойствами медной проволоки и ее внутренней структурой по проведенным металлографическому и рентгеноструктурному анализам, по результатам которых установлены характерные особенности микроструктур их исходного состояния:

обычные образцы имеют столбчатую мелкозернистую структуру (размер зерен ~5-10 мкм) с текстурой типа и сильно напряженное состояние приграничных зон; у отожженных и закаленных образцов крупнозернистая структура (с немного отличающимся размером зерен: (35-150) мкм и (50-100) мкм соответственно), хаотичная ориентация кристаллитов и существенно различное состояние межзеренных границ: равновесные, слабо напряженные у Металлографический и рентгеноструктурный анализы проволок после их разрыва показали [122], что в материале обычной проволоки размер зерен практически не меняется, а структура отожженного образца становится мелкозернистой (размер зерен ~ 3 – 40 мкм). Кроме того, в обоих материалах обнаружено наличие текстуры типа.

экспоненциальное уменьшение относительного изменения скорости акустических волн С/С0, поскольку при растяжении в нем постепенно происходят лишь внутризеренная деформация, зернограничное проскальзывание, разворот кристаллитов и рост микротрещин без качественных изменений микроструктуры (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Зависимость относительного изменения скорости акустических волн от деформации образцов: 1- отожженная проволока, 2 - закаленная Однако, рассмотренные методы и устройства не дают возможности определения акустоупругих коэффициентов по скорости и по амплитуде для тонкой ферромагнитной проволоки, оценки их структуры, выявления зависимостей акустических характеристик от механических напряжений.

Процессы нагрева из-за неравномерной подачи смазки в фильеру, не полностью удаленная окалина при травлении приводят к незавершенности рекристаллизации и соответственно к неоднородностям структуры по длине проволоки.

Условия волочения, скорость подачи, степень деформации за один цикл волочения, температура, качество поверхности проволоки влияют на величину и равномерность в ней остаточных напряжений продольного, радиального и окружного характера.

Рассмотренные методы НК проволок в основном направлены на выявление дефектов типа несплошностей. Вопросам структуроскопии и тензометрии проволок посвящены лишь отдельные работы лабораторного характера.

исследовались. Наиболее перспективным представляется использование волн Похгаммера для исследования зависимости акустических характеристик от механических напряжений и структурного состояния металла стальных проволок.

На основе анализа рассмотренных работ сформулированы задачи исследования:

Аналитический обзор методов и средств акустической структуроскопии Стальных проволок с учетом технологии производства.

Моделирование акустического тракта в тонких проволоках для стержневых волн.

Разработка экспериментальной установки для исследования параметров стержневых волн в ферромагнитных проволоках с обеспечением статической растягивающей нагрузки и бесконтактным электромагнитноакустическим способом ввода и приема волн.

Экспериментальные исследования влияния одноосных растяжений и режимов термической обработки тонких ферромагнитных проволок на информативные параметры стержневых волн. Экспериментальное определение акустоупругих коэффициентов по скорости и по амплитуде для тонкой ферромагнитной проволоки.

Разработка рекомендаций для реализации методики контроля тонкой стальной проволоки при изготовлении.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛА В ПРОВОЛОКЕ

2.1 Искажение импульсов стержневой волны с учетом затухания и При распространении симметричной моды s0 волны Похгаммера в тонких металлических проволоках существенное влияние на форму прошедшего поглощением, и дисперсия групповой и фазовой скоростей. В области малых произведений fd (где f – частота, d – диаметр стержня) фазовая и групповая скорости продольной волны нулевого порядка СS0 стремятся к общему пределу – стержневой скорости волн C0 – и определяются выражением где E- модуль Юнга, - плотность среды.

Наличие дисперсии скорости и существования нескольких мод приводит к искажению, ослаблению сигналов и к сложности их интерпретации. Учет искажений формы прошедшего импульса имеет практическое значение для структуроскопии проволоки акустическими методами.

инструментальная точность измерения информативных параметров стержневой волны, однако за счет возрастающего с расстоянием затухания уменьшается амплитуда принимаемого сигнала, в результате дисперсии скорости изменяется фаза.

акустического тракта требуется исследование акустического тракта стержневой волны в тонкой проволоке.

Известно дисперсионное уравнение для продольных нормальных волн в стержнях, которое в различных источниках называется уравнением ПохгаммераКри [73, 115]:

где k – волновое число нормальной волны в стержне;

Jb(x) – функция Бесселя первого рода b-го порядка, b 0 ;

p и q определяются из следующих соотношений:

Поиску решения уравнения Похгаммера – Кри посвящены работы [24,25,39]. Уравнение сложно для анализа, что ограничивает его применение. В связи с этим применяются приближенные расчеты.

Рассмотрим модель акустического тракта, используя поправку Рэлея.

Данное приближенное соотношение возможно использовать в случаях, когда длина волны велика по сравнению радиусом a проволоки. Согласно поправке Рэлея, изменение групповой скорости при увеличении fd запишется формулой [115]:

где – коэффициент Пуассона; f = 1 МГц – частота импульса; С0 – начальная скорость; r – радиус образца.

Рисунок 2.1. Значение скорости волны в проволоке марки стали У9А, 0, Уменьшение групповой скорости стержневой волны в результате дисперсии в модельной стальной проволоке диаметром d = 0,5 мм, начальной скоростью распространения нулевой моды CgS0 = 5233 м/с показано на рисунке 2.1. В области низких частот дисперсия минимальна, с увеличением частоты скорость CgS0 падает (дисперсия составляет не более 50 м/c на 1ммМГц). Так, при диаметре проволоки 0,5 мм на частоте 1 МГц (fd =0,5 ммМГц) скорость стержневой волны уменьшается на ~50 м/с в сравнении со значением, рассчитанным по формуле (2.1).

Зависимость относительного изменения скорости для проволок различных диаметров показана на рис. 2.2, при этом за начальную скорость C0 принято значение скорости при отсутствии дисперсии. Отклонение скорости достигает наибольших значений для образцов с большим диаметром (0,5 мм) и с увеличением частоты, что может влиять на методическую погрешность измерения скорости в условиях эксперимента. Так, для частоты ультразвука f1 = 1,05 МГц девиация скорости составит 0,23%, для f2 = 1,2 МГц – 0,31%.

Рисунок 2.2. Оносительное изменение скорости стержневой волны с ростом частоты ультразвука для различных проволок (1 – У9А, 0,5 мм; 2 – 65Г, 0,4 мм; 3 – викаллой, 0,3 мм) согласно поправке Рэлея Приведенные расчеты показывают изменение значения групповой скорости, но не говорят о трансформации формы сигнала в процессе распространения.

Для оценки изменения амплитуды сигнала рассмотрим затухание в проволоке. Поглощение и рассеяние ультразвука в материале объекта контроля характеризует коэффициент затухания. Зависимость коэффициента затухания стержневой волны в модельной стальной проволоке диаметром d = 0,5 мм представлен на рисунке 2.3 [67].

Рисунок 2.3. Коэффициент затухания стержневой волны в Искажения импульса стержневой волны в результате дисперсии опишем переходной функцией H1(f):

где – круговая частота; r – расстояние, пройденное импульсом; С0 – начальная скорость стержневой волны; CgS0 – значение скорости на некоторой частоте f.

Амплитудное распределение функции H1(f) для любого значения r согласно тождеству Эйлера представляет собой значение, равное единице, поэтому можно сделать вывод, что амплитуда волны останется неизменной при любом значении частоты f. Фаза функции H1(f) будет изменяться с увеличением частоты f, и, чем выше будет f, тем значительнее искажается прошедший импульс.

Вводим переходную функцию H2(f), отображающую зависимость затухания амплитуды волны от частоты при вариации расстояния r, пройденного импульсом:

График функции H2(f) представлен на рис. 2.4.

Рис. 2.4 АЧХ функции H2(f)для различных значений пройденного Расчет влияния дисперсии и затухания проведем на модельном коротком импульсе с центральной частотой f0 ~ 1 МГц, форма зондирующего импульса дана на рисунке 2.5, математическое описание представлено следующей формулой:

где U0 – начальная амплитуда; – круговая частота; t – время; коэффициент Спектральную плотность зондирующего сигнала (рис. 2.6) находим быстрым прямым преобразованием Фурье:

На рисунке 2.6 представлена рассчитанная спектральная плотность (АЧХ) зондирующего сигнала.

Рисунок 2.6. Спектральная плотность (АЧХ) зондирующего сигнала Учитывая влияние затухания и дисперсии скорости стержневой волны регистрируемого приемным датчиком на расстоянии r от точки ввода волны:

Амплитудное распределение принятого импульса по частотам представлено на рис. 2.7, распределение фазы – на рис. 2.8.

Рисунок 2.5. АЧХ принятого импульса (б) для различных значений пройденного расстояния r: а) 0,1 м; б) 1 м; в) 3 м; г) 10 м Рисунок 2.8. ФЧХ принятого импульса, прошедшего расстояние r: а) 0, На рисунке 2.8. показаны рассчитанные ФЧХ принятого импульса, прошедшего разные расстояния r.

Восстанавливаем форму сигнала Uприн обратным преобразованием Фурье:

Форма импульса, принятого приемным датчиком, представлена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9. Влияние дисперсии групповой скорости и затухания на форму импульса, прошедшего расстояние r: а) 0,1 м; б) 1 м; в) 3 м; г) 10 м Из полученных результатов следует, что с ростом пройденного расстояния амплитуда принятого импульса уменьшается за счет затухания стержневой волны в материале объекта, длительность импульса увеличивается незначительно, увеличивается искажение фазы сигнала. Полученные данные дают обоснование для выбора основных технических характеристик при проектировании средств структуроскопии проволоки, описанных в [67].

Описанный выше и опубликованный в [73] расчет имеет несколько недостатков. Во-первых, использование поправки Рэлея, использованной в модели, приводит к накапливанию ошибки с ростом частоты ультразвука. Вовторых, модель построена на малом массиве точек, в связи с чем повышается вероятность ошибок Фурье преобразования. В-третьих, в качестве исходного был выбран импульс с нулевым значением фазы.

2.2 Моделирование акустического тракта стержневых волн для произвольной формы импульса в тонких проволоках распространения акустического импульса в проволоке с использованием среды MathCad.

описанному выше. Листинг программы представлен в приложении В.

Для моделирования дисперсии скорости волны и коэффициента затухания воспользуемся программой для исследования волноводного распространения акустических сигналов «Elastic Waveguide Tracer», разработанной коллективом авторов В.В. Муравьевым, О.В. Муравьевой, Д.В. Трефиловым [94]. Данная модель использует точное решение уравнения Похгаммера – Кри во всем диапазоне частот в отличие от приближенной поправки Рэлея для узкого диапазона частот.

По результатам расчета получено семейство графических зависимостей формы импульса (амплитуды, длительности, фазы) от величины пройденного импульсом расстояния и частоты генерации ультразвука. На рисунках 2.10 – 2. показаны исходный (зеленым) и регистрируемый сигнал (красным) после прохождения по проволоке расстояния r стержневой волной с частотой f. Для указанных графиков по оси абсцисс отложено время t, мкс; по оси ординат – амплитуда U, В.

Рисунок 2.10. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =0,8 МГц и пройденном расстоянии r =0,1 м Рисунок 2.11. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,0 МГц и пройденном расстоянии r =0,1 м Рисунок 2.12. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,2 МГц и пройденном расстоянии r =0,1 м Рисунок 2.13. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =2,0 МГц и пройденном расстоянии r =0,1 м Рисунок 2.14. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =0,8 МГц и пройденном расстоянии r =1,0 м Рисунок 2.15. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,0 МГц и пройденном расстоянии r =1,0 м Рисунок 2.16. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,2 МГц и пройденном расстоянии r =1,0 м Рисунок 2.17. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =2,0 МГц и пройденном расстоянии r =1,0 м Рисунок 2.18. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =0,8 МГц и пройденном расстоянии r =3,0 м Рисунок 2.19. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,0 МГц и пройденном расстоянии r =3,0 м Рисунок 2.20. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,2 МГц и пройденном расстоянии r =3,0 м Рисунок 2.21. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =2,0 МГц и пройденном расстоянии r =3,0 м Рисунок 2.22. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =0,8 МГц и пройденном расстоянии r =10,0 м Рисунок 2.23. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,0 МГц и пройденном расстоянии r =10,0 м Рисунок 2.24. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,2 МГц и пройденном расстоянии r =10,0 м Рисунок 2.25. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =2,0 МГц и пройденном расстоянии r =10,0 м Рисунок 2.26. Искажение импульса стержневой волны в проволоке с учетом дисперсии на частоте f =1,0 МГц и пройденном расстоянии r =0,25 м Анализ полученных результатов подтверждает увеличение длительности импульса, уменьшения его амплитуды с ростом пройденного волной расстояния и с увеличением частоты генерации. Разработка аппаратуры контроля с минимальной базой прозвучивания нецелесообразна по следующим соображениям – инструментальная точность измерения растет с увеличением пройденного расстояния r.

На основании этого были выбраны требования к параметрам зондирующих импульсов для проведения эксперимента: частота зондирующих импульсов f = МГц, база прозвучивания r = 0,25 м. Модель регистрируемого импульса показана на рисунке 2.26. Значение амплитуды значительно не меняется, сдвиг фазы за счет дисперсии скорости, составляет 38 нс. Данный результат хорошо сопоставляется с экспериментальными данными при исследовании проволок в состоянии поставки в ненагруженном состоянии, описанными в главе 4.

Выполнена оценка искажения импульсов стержневой волны с учетом дисперсии скорости при использовании поправки Рэлея.

Проведено моделирование акустического тракта для стержневых волн, учитывающего явления дисперсии скорости и затухания для произвольной формы импульса в тонких проволоках в широком диапазоне частот.

Выведены технические рекомендации к аппаратуре для проведения эксперимента: частота зондирующих импульсов f = 1 МГц, база прозвучивания r = 0,25 м.

3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ТОНКИХ ПРОВОЛОК

3.1 Установка для акустической структуроскопии и тензометрии информативности ультразвуковых методов контроля в тонких проволоках является использование электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей, возбуждающих и принимающих акустические волны за счет электромагнитного взаимодействия с объектом контроля.

3.1.1 Электронный блок генерации и усиления. Использование для исследований промышленных ультразвуковых дефектоскопов не является конструктивных ограничений, к числу которых можно отнести следующие:

пьезоэлектрическими преобразователями, поэтому генерируемый ими зондирующий импульс обладает параметрами, не оптимальными для ЭМАпреобразователей (высокое возбуждающее напряжение, низкий выходной ток);

- генератор УЗ дефектоскопа работает в режиме ударного возбуждения, что делает невозможным плавную подстройку длительности зондирующего импульса;

- усилитель УЗ дефектоскопа имеет фиксированный набор резонансных частот и неизменяемое значение добротности АЧХ, что во многих случаях является ограничивающим фактором, т.к. при исследованиях часто необходима плавная регулировка обоих параметров.

Для исследования информативных параметров стержневых волн в проволоке ЭМА способом был использован совмещенный генератор зондирующих импульсов и генератор, разработанный на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» [43,45]. Электронная схема и принцип работы описаны в [2,10,43,45,68]. Блок-схема установки представлена на рисунке 3.1.

Основные технические характеристики разработанной установки показаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Основные технические характеристики электронного блока.

Пределы регулировки длительности зондирующего 0,2… импульса, з.и., мкс Пределы регулировки рабочей частоты зондирующего 0,5… импульса, fр, МГц Пределы регулировки частоты работы усилителя, fу, МГц 0,7 … Генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) позволяет производить плавную подстройку длительности и частоты зондирующих импульсов, приемный усилитель (ПУ) имеет плавные регулировки коэффициента усиления.

Преимуществом использования данного электронного блока генерации и усиления является возможность оперативной регулировки всех важных для получения оптимального выходного сигнала параметров: коэффициента усиления, центральной частоты, добротности в широком диапазоне, что крайне важно при исследовании сигналов с использованием экспериментальных ЭМАпреобразователей; кроме того используемый генератор невосприимчив к короткому замыканию (разрабатываемые ЭМА-преобразователи имеют низкие активные сопротивления, порядка R 0,1…3 Ом) пьезоэлектрических преобразователей для исследований тонкой проволоки имеет (симметричной, крутильной, изгибной); сложность фокусировки, необходимость использования вспомогательных линз; необходимость использования контактной жидкости, качество и толщина слоя которой будет определять точность контроля.

Для контроля тонкой металлической проволоки были разработаны электромагнито-акустические (ЭМА) преобразователи, которые лишены перечисленных выше ограничений.

Акустический импульс симметричной моды so возникает в проволоке, размещенной внутри ЭМАП за счет эффекта Джоуля. Эффект Джоуля или эффект линейной магнитострикции состоит в линейной деформации стержня под воздействием магнитного поля и имеет место при одинаковом направлении постоянного и переменного магнитных полей. Регистрация импульса ЭМАП происходит за счет обратимости магнитострикционных эффектов – изменение намагниченности при деформации проволоки проходящими акустическими импульсами [27].

Односекционный ЭМАП открытого типа приведен на рисунке 3.2.

Преобразователь включает в себя текстолитовую подложку 1, обеспечивающую прочность конструкции и возможность е крепления к раме экспериментальной установки; несущий конус 2, на который размещается излучающая обмотка 3, выполненная плотно виток к витку медным проводом марки ПЭВТЛК-ОС конструкции закреплен постоянный магнит М.

Рисунок 3.2. Односекционный ЭМАП открытого типа для проволоки Для выбора оптимальных характеристик возбуждающих и приемных ЭМАП были проведены экспериментальные исследования. Исследовались ЭМАП с различным числом витков при прочих равных условиях – материал объекта контроля, база прозвучивания, подмагничивание, заданные настройки электронного блока. Полученные значения приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Характеристики ЭМАП открытого типа.

Формы полученных в эксперименте импульсов представлены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3. Формы принятых сигналов для различных ЭМАП При увеличении числа витков N излучающего ЭМАП снижалась частота принятого сигнала, росла длительность импульса, длительность спадающего фронта, при этом амплитудные значения показали максимум при N = 15; 25, отношение сигнал-шум с/ш достигло максимальных значений при N = 10; 15.

Выбор приемных ЭМАП проводился из преобразователей двух вариантов – с числом витков N = 50 и N = 100. Лучшие соотношение сигнал-шум и абсолютное амплитудное значение были получены на катушке N = 50.

Основываясь на полученных результатах, были выбраны следующие ЭМАП на основе 10 витковой катушки для излучения и 50 витковой на прием.

На рисунке 3.4 представлен односекционный ЭМАП закрытого типа.

Отличительной его чертой является наличие экранирующего корпуса, предназначенного для снижения воздействия внешних помех на преобразователь.

Конструктивные размеры ЭМАП - a, b, d, l, k – выбираются исходя из диаметра контролируемой проволоки, е магнитных свойств и метода контроля (импульсный, эхо-метод). Постоянный магнит 1 и катушка 2 на несущем фторопластовом цилиндре 3 размещены внутри экранированного корпуса 4 и жестко зафиксированы [99]. Использование экранов позволило увеличить отношение сигнал-шум. Снижению шумов также способствовало уменьшение емкостной составляющей за счет уменьшения длины кабеля. Наилучшие результаты были достигнуты при выносе первого каскада усилителя в отдельный предусилительный блок и его размещение в непосредственной близости с ЭМАП.

Преобразователи описываемой конструкции использовались в экспериментах в раздельном и совмещенном режимах.

Рисунок 3.4. Односекционный ЭМАП закрытого типа: а – эскиз, б – Другим направлением работ по увеличению амплитуд снимаемых с проволоки сигналов стало проектирование многосекционных ЭМАП [66]. Пример такого преобразователя представлен на рисунке 3.5. Пять обмоток 1 с числом витков N = 50 каждая размещены на несущей конструкции 3 из полиамида-6, ко всей конструкции жестко прикреплен постоянный магнит 2.

Использование многосекционных преобразователей позволило значительно повысить амплитуду снимаемого сигнала до UMAX = 2,5В. Однако на максимальных значениях амплитуды сигнал искажается, появляется высокочастотная составляющая длительностью до 3…5 мкс, в связи с чем требовалась более тонкая настройка электронного блока. При регулировке настроек длительность импульса и высокочастотный шум уменьшились, но одновременно снизилась и амплитуда сигнала UMAX. Лучшее соотношение сигнал – шум такого ЭМАП было достигнуто на уровне с/ш = 9. Конструктивные размеры для многосекционного и односекционного типов представлены в таблице 3.3.

Рисунок 3.5. Пятисекционный приемный ЭМАП: а – эскиз, б – Таблица 3.3. Конструктивные параметры приемного ЭМАП.

Сравнение работы ЭМАП различных типов проведено на проволоке из сплава 52К12Ф диаметром d = 0,3 мм (рисунок 3.6). Проволока равномерно растягивалась, при этом наблюдалось уменьшение амплитуды волны.

Абсолютные амплитудные значения были максимальны для многосекционного преобразователя П413-1,0-(100*5), минимальны для односекционного датчика П413-1,0-(100). Рисунок 3.6. иллюстрирует изменение амплитуды U при приложении растягивающих напряжений для различных приемных ЭМАП.

Рисунок 3.6. Изменение амплитуды U при приложении растягивающих напряжений для различных приемных ЭМАП:

а) П413-1,0-(100*5); б) П413-1,0-(20*5); в) П413-1,0-(100) разработанных электромагнитно-акустических преобразователей: предлагаемые ЭМАП позволяют отстроиться от качества акустического контакта, а значит повысить точность структуроскопии проволоки. На экспериментальных данных были выбраны оптимальные конструктивные параметры излучающих, приемных и совмещенных ЭМАП.

фотография экспериментальной установки представлена на рисунке 3.7 [77].

Исследуемая проволока закрепляется верхним концом в зажиме устройства натяжения, другой конец крепится непосредственно к тензодатчику растяжений 5.

Тензодатчик соединен с электронным измерительным блоком 9. В проволоке 3 с помощью электромагнитно-акустического преобразователя 2, возбуждаются короткие акустические импульсы, которые после прохождения по проволоке регистрируются приемным ЭМАП 6, преобразующим акустические колебания в электрические импульсы, которые усиливаются усилителем 7 и наблюдаются на цифровом осциллографе 8. Генератор электрических импульсов 1, питающий ЭМАП 2, и развертка осциллографа 8 синхронизируются через линию синхронизации. Постоянный магнит служащий для повышения эффекта магнитострикции обозначен 4. База прозвучивания проволоки составляет 250 мм.

Рисунок 3.7. Схема (а) и внешний вид (б) экспериментальной установки: 1 генератор электрических импульсов, 2 - излучающий ЭМАП, 3 - проволока, 4 постоянный магнит, 5 - динамометр, 6 - приемный ЭМАП, 7 - усилитель, 8 осциллограф Для измерения величины механического растяжения проволоки был использован цифровой калиброванный динамометр ДОР-3-0,3И. Динамометр состоит из датчика силоизмерительного тензорезисторного (5 на рисунке 3.7,а) с силовыводящими элементами, вторичного измерительного преобразователя с цифровым отсчетным устройством (9 на рисунке 3.7,а) и соединительного кабеля.

Принцип действия динамометра состоит в том, что под действием приложенной нагрузки происходит деформация калиброванного упругого элемента, на котором нанесен тензорезисторный мост. Деформация упругого элемента вызывает разбаланс тензорезисторного моста. Электрический сигнал разбаланса моста поступает во вторичный измерительный преобразователь для аналого-цифрового преобразования, обработки и индикации результатов измерений. В таблице 3. приведены его технические характеристики [36].

Таблица 3.4. Технические характеристики цифрового динамометра ДОР-3-0,3И Дискретность вторичного измерительного преобразователя, кН 0, Габаритные размеры датчиков силы, мм, не более 78х51х Пределы допускаемой относительной погрешности, % ± 0, Размах показаний для возрастающих и убывающих нагрузок, % 0, Допускаемое относительное значение разности средних показаний при нагружении и разгружении при 50%-ной ± 0, нагрузке, % Исследование информативных параметров акустических волн в проволоках проводилось несколькими методами:

- импульсным методом с использованием двух раздельных ЭМАП, один из которых служил для ввода акустического импульса в объект, другой для приема;

- эхо-импульсным методом с использованием одного совмещенного ЭМАП, работающего и на излучение, и на прием.

- методом акустической эмиссии, где использовались два ЭМАП, оба работали на прием.

3.2.1 Контроль с помощью раздельных ЭМАП. Импульсным методом с помощью раздельных ЭМАП исследовалось влияние структурного и напряженнодеформированного состояний проволоки при е натяжении на скорость распространения и амплитуду стержневой волны.

С помощью осциллографа измеряется разность времен распространения ультразвукового импульса в проволоке с приложенными нагрузками и в ненагруженном состоянии (рисунок 3.8). Определение скорости стержневой волны производится с помощью импульсного времяпролетного метода на базе 250 мм между ЭМА излучателем (с числом витков в катушке N = 10) и ЭМА приемником (с числом витков N = 50). Относительное изменение скорости стержневой волны C / C0 рассчитывается по формуле:

в которой t = t – t0 - разница во времени распространения ультразвукового импульса при нагрузке и при ее отсутствии (рисунок 3.8, б).

Рисунок 3.8. Эхограммы контроля проволоки импульсным методом: а зондирующий и принятый импульсы, б - 1 – принятый импульс при отсутствии нагружения, 2 – принятый импульс в нагруженном состоянии По величине относительного изменения скорости С С рассчитывались значения акустоупругих коэффициентов по скорости хх :

где хх – приложенная нагрузка в направлении оси x.

рассчитывается по формуле:

где U0 и U – амплитуда принятого ультразвукового импульса при отсутствии нагружения и при нагрузке соответственно (рисунок 3.8,б).

Использование ЭМА метода позволило ввести новый дополнительный информативный параметр – акустоупругий коэффициент по амплитуде хх, характеризующий эффект возрастания амплитуды стержневой волны при воздействии напряжений и определяемый в основном эффективностью ЭМА преобразования:

Расчет приложенной нагрузки к проволоке произведен по формуле:

где F – показания цифрового динамометра, Н; S – площадь поперечного сечения образца, м2, d –диаметр исследуемой проволоки, м.

Нагружение проволоки происходит последовательно в сторону увеличения с шагом 5…10 Н в пределах зоны упругости. На каждом шаге проводились измерения разности времен t = t – t0 и разности амплитуд U=U – U0. Измерения при начальных нагрузках имеют дополнительную погрешность в силу того, что проволока невыпрямлена, соответственно база прозвучивания оказывается более гарантированной точностью не менее 30 Н. В связи с этим полученные экспериментальные данные следует подвергать анализу при нагрузках F > 30Н (xx > 425 МПа для проволоки диаметром d=0,3 мм; xx > 240 МПа для d=0,4 мм;

xx > 155 МПа для d=0,5 мм).

Оценка случайной погрешности эксперимента проведена с использованием t-критерия относительного изменения скорости и амплитуды:

Случайная погрешность для относительного изменения скорости запишется выражением:

где n-число измерений; tan – коэффициент Стьюдента (0,8).

Аналогично для относительного изменения амплитуды:

приложении максимальных растягивающих нагрузок и составляют не более 0,03% для проволок диаметром 0,3 мм и не более 0,04% для проволок диаметром 0,4 мм.

Для проведения экспериментов, был произведен отжиг образцов при различных температурах. Отжиг проводился в калиброванной трубчатой печи МТП-2М-50-500 с электронным программным управлением температурой. Время термической обработки – 2 минуты. Во избежание окисления проволоки и уменьшения е диаметра, проволоки помещались в тонкие керамические трубки, внутренний диаметр трубок не более 0,6 мм. Охлаждение образцов проходило при комнатной температуре без извлечения из керамических трубок. После отжига диаметр проволоки контролировался с целью исключения уменьшение диаметра объекта за счет образования и удаления окалины. Измерения проводились миниметром широкошкальным типа МШШ погрешностью 1 мкм.

3.2.2 Метод многократных отражений. Точность определения скорости стержневой волны в проволоке напрямую определяет точность оценки физикомеханических свойств объекта. Для повышения точности измерения скорости используют метод многократных отражений, способ синхрокольца или автоциркуляции импульса, импульсно-фазовый способ, гетеродинный способ, позволяющие достигнуть погрешность измерений не более 0,1% [3,5]. Точность измерений может быть повышена за счет увеличения базы прозвучивания, при этом необходимо устранить влияние акустического контакта преобразователя с объектом контроля и температуры среды. Увеличение базы прозвучивания, как и использование многократных отражений, как правило, затруднительно ввиду невозможности создания образцов больших размеров и существенного ослабления волн вследствие затухания и расхождения.

Низкое затухание стержневой волны и отсутствие расхождения в тонкой проволоке позволяет многократно увеличить базу прозвучивания по сравнению с объемными волнами. На рисунке 3.9 представлена функциональная схема экспериментальной установки, построенная и работающая по принципу, описанному в п.3.1.3, но отличающаяся наличием отражателей 10. Отражатели устанавливаются на проволоке на расстоянии l =50 мм от ЭМАП с целью обеспечивающие многократные переотражения сигнала (рисунок 3.10).

Рисунок 3.9. Функциональная схема экспериментальной установки: 1 – генератор зондирующих импульсов; 2 – излучающий ЭМАП; 3 – проволока;

4 – постоянный магнит; 5 – тензодатчик динамометра; 6 – принимающий ЭМАП; 7 – усилитель, 8 – цифровой осциллограф; 9 – электронный блок Амплитуда сигнала U при отражении меняется по закону:

где U 0 - амплитуда начального импульса, R - коэффициент отражения от отражателя, N - число наблюдаемых переотражений (от 2-х отражателей), коэффициент затухания стержневой волны.

Рис. 3.10 Зависимость амплитуды сигнала от количества Расчет зависимости амплитуды сигнала в проволоке из сплава викаллой от количества отражений по формуле (3.10) для значений U 0 =80 мВ, R =0,8, =0, м-1 представлен на рисунке 3.10. Максимально возможное число отражений ограничено уровнем шумов Uш и составляет N =4 при условии превышения уровня сигналов над уровнем шумов в 3 раза, что соответствует увеличению базы прозвучивания с 250 мм до 3000 мм.

Использование в качестве регистратора цифрового осциллографа с частотой дискретизации 250 МГц позволяет обеспечить инструментальную точность измерения скорости распространения волн ~0,5 м/с или 0,01% на базе прозвучивания 250 мм и повысить ее до ~0,035 м/с (0,0007%) при использовании отражателей. Расчеты приведены без учета методических погрешностей [100].

3.2.3 Эхо-метод для выявления дефектов структуры. На ряде образцов были получены дефекты структуры отжигом ограниченной зоны проволоки на локальных участках. Образцы исследовались эхо-импульсным методом. По отражениям стержневой волны от локальной зоны можно определить координаты расположения участка:

и протяженность участка:

где C0 – скорость волны в проволоке в состоянии поставки (с текстурой волочения); C1 - скорость волны в отожженном участке (феррито-перлитная структура); t1 - временная координата первого эхо-импульса от начала участка; t2 временная координата второго эхо-импульса от конца участка.

На рисунке 3.11 представлена функциональная схема для измерения параметров волн Похгаммера эхо-импульсным методом [99]. В проволоке 1 с помощью ЭМАП 3 возбуждаются короткие акустические импульсы, которые после прохождения по проволоке и их отражения от краев образца и локального структурного дефекта 2, регистрируются этим же ЭМАП 3, преобразующим акустические колебания в электрические импульсы, которые усиливаются усилителем 5 и наблюдаются на цифровом осциллографе 6.

Рисунок 3.11. Схема экспериментальной эхо-импульсной установки; 1 – проволока, 2 – дефект структуры, 3 – ЭМАП, 4 – генератор, 5 - усилитель, 6 – осциллограф, l – расстояние от датчика до При измерениях на установке принята погрешность определения координат Минимальная протяженность локального отожженного участка, разрешаемого аппаратурой составила 25 мм.

Рисунок 3.12 иллюстрирует эхограмму отражения волны Похгаммера от локального участка дефекта структуры. Зона а - текстура волочения, зона б – феррито-перлитная структура отожженного участка; зона в – текстура волочения;

t1 - временная координата первого эхо-импульса от начала участка ферритоперлитной структуры; t2 - временная координата второго эхо-импульса от конца феррито-перлитного участка.

Рисунок 3.12. Эхограмма отражения волны Похгаммера локального дефекта структуры (зона а - текстура волочения, зона б – феррито-перлитная структура отожженного участка; зона в – текстура волочения) 3.2.4 Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки при производстве. Предлагаемое устройство (рисунок 3.13) содержит механизм перемотки проволоки, состоящий из ведущей (наматывающей) катушки 1, ведомой катушки 2 и направляющих роликов 3, излучающий электромагнитноакустический преобразователь (ЭМАП) 4, соединенный с генератором зондирующих импульсов, приемный ЭМАП 6, соединенный с усилителем 7, и регистратор 8 (например, цифровой осциллограф либо АЦП, подключаемый к персональному компьютеру), подключенный к выходу усилителя. Излучающий (4) и приемный (6) ЭМАП, расположенные между направляющими роликами 3, могут быть выполнены проходными одноэлементными, при этом контролируемая проволока 9 пропускается через ЭМАП.

Параметры преобразователей выбраны согласно п. 3.1.2. Кроме того, электромагнитно-акустические преобразователи могут быть выполнены многосекционными, благодаря чему удается достичь большего отношения сигнал/шум снимаемого сигнала, что позволяет повысить чувствительность контроля, а также обеспечить контроль проволок с меньшей эффективностью электромагнитно–акустического преобразования (контроль проволок из магнитомягких материалов).

Рисунок 3.13. Схема устройства ультразвукового контроля металлической проволоки при производстве Устройство работает следующим образом. При перемотке проволоки с катушки 2 (рисунок 3.13) на катушку 1 через направляющие ролики 3 генератор вырабатывает короткие электрические импульсы высокой амплитуды, которые с помощью ЭМАП 4 преобразуются в акустические импульсы в проволоке.

преобразующий акустические колебания в электрические импульсы, проходящие через усилитель 7 в регистратор 8. По параметрам электрического сигнала определяются механические свойства (модуль упругости) проволоки 9.

Модуль упругости Е проволоки определяется по формуле где – плотность материала, C – скорость стержневой волны в проволоке.

Изменение скорости волны Похгаммера, распространяющейся вдоль продольной оси проволоки с поляризацией в направлении продольной оси проволоки в условиях одноосных растяжений может быть описано с помощью акустоупругого коэффициента С согласно формуле (3.2). Методика измерения изменения скорости по значениям временных интервалов аналогична описанной в п. 3.2.1.

Предлагаемое устройство не зависит от качества контакта, в отличие от известных аналогов, построенных на пьезопреобразователях [23]; не требует применения фокусирующих линз и контактной жидкости, имеет большую чувствительность, чем известные аналоги при контроле металлических проволок малых диаметров.

По описанному устройству подана заявка на полезную модель «Устройство ультразвукового контроля металлической проволоки» № 2014129659/28(047842), дата подачи заявки/поступления 18.07.2014.

растяжении. С использованием двух ЭМАП растягиваемые образцы проволоки исследованы на предмет возникновения сигналов акустической эмиссии (АЭ). В качестве исследуемых образцов были выбраны металлические проволоки без видимых или обнаруженных эхо-импульсным методом дефектами, проволоки с перегибами, созданными в результате неправильной намотки или хранения, а так же образцы с искусственно нанесенными локальными дефектами (вмятины).

Дискретные сигналы АЭ регистрировались с помощью установки, схема которой показана на рисунке 3.14. При приложении одноосной растягивающей нагрузки xx присутствующий в образце склонный к росту внутренний или поверхностный дефект становится источником АЭ. Сигналы от источника распространяются по объекту контроля на преобразователи акустической эмиссии - ПАЭ1 и ПАЭ2, в роли которых выступают экранированные ЭМАП с числом витков N=200 (параметры согласно таблице 3.3).

Рисунок 3.14. Схема экспериментальной установки для исследования сигналов акустической эмиссии в проволоке Снимаемые сигналы поступают на АЦП (производство ООО «Л Кард»), где преобразуются в цифровую форму. Параметры и тип использованного АЦП указаны в таблице 3.5. Модуль АЦП подключается к персональному компьютеру через интерфейс USB. Для обработки сигналов на компьютере использовано программное обеспечение PowerGraph демонстрационной версии.

Таблица 3.5. Основные технические характеристики АЦП.

Количество каналов (в т.ч. используемых каналов) 4 (2) Входное сопротивление аналогового входа АЦП, МОм Максимальная частота преобразования, МГц Полоса пропускания сигнала каждого канала, МГц 1, регистрировались сигналы на обоих каналах. При этом экспериментальная погрешность локализации составила не более ±2 мм для участков проволоки мм и случайного расположения источника АЭ. Общий вид регистрируемых сигналов показан на рисунке 3.15.

Uпорог Рисунок 3.15. Сигналы АЭ в проволоке с разницей времен прихода Сигнал считался зарегистрированным при превышении определенного порогового уровня Uпорог, выбираемого экспериментально. Если t1 – время регистрации сигнала АЭ на первом канале, t2 – время регистрации сигнала АЭ на втором канале, расстояние от ПАЭ1, взятого за начало координат, до источника АЭ - x, а расстояние между двумя ПАЭ составляет L, справедлива запись:

Разница t1 – t2 называется величиной РВП (разницей времен прихода), с учетом этого расчетная формула координаты источника АЭ запишется: