RU2525320C1 - Timely determination of microstructure quality for resilient element titanium alloy - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: tested resilient element is strained several times to maximum deformation with registration of acoustic emission signals at every straining. Note here that tested element is strained two times and for short term by reduction while acoustic emission signals are registered continuously during second straining to define total quantity of pulses of total acoustic emission N₂. Resilient element titanium alloy microstructure is evaluated by nine-point scale of grain size divided into three sets of point 4-5, 6-7 and 7-8 each corresponding to s separate range of the number of pulses of total acoustic emission A1, A2, A3. Microstructure quality are defined by pints of said scale from the following relationship: N₂≤A1, or N₂≤A2, or N₂≤A3.

EFFECT: fast and simplified process for control over plate spring heat treatment conditions.

12 dwg, 3 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к области испытаний материалов и изделий и касается способа неразрушающего контроля тарельчатых пружин на стадии изготовления изделия.The present invention relates to the field of testing materials and products and relates to a method for non-destructive testing of Belleville springs at the stage of manufacture of the product.

Контролю режимов термической обработки отводится большое значение при производстве упругих элементов. Для определения правильности выполнения операций термообработки проводят испытания образцов-свидетелей, которые термообрабатываются совместно с упругими элементами. После изготовления образцы-свидетели подвергаются механическим испытаниям и исследованию микроструктуры сплава. Процесс занимает очень длительное время, что требует значительных временных и материальных затрат в условиях массового производства.The control of heat treatment modes is of great importance in the production of elastic elements. To determine the correctness of the heat treatment operations, test witnesses are tested, which are heat treated together with elastic elements. After manufacturing, the witness samples are subjected to mechanical tests and the study of the microstructure of the alloy. The process takes a very long time, which requires significant time and material costs in conditions of mass production.

Качество конструкционного материала определяется безотказностью его работы. С этой точки зрения отказ означает либо разрушение, ограниченное повреждение, потерю герметичности либо накопление чрезмерных деформаций. Важнейшими показателями качества материала являются характеристики сопротивления деформированию и разрушению. К ним относятся, в первую очередь, такие характеристики, как предел текучести материала, временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва. В то же время установить зависимость поведения материала в условиях эксплуатации от указанных механических характеристик расчетным путем можно лишь в грубом приближении. Объясняется это следующими причинами. Механические характеристики носят условный характер и определяются в упрощенных условиях, не соответствующих эксплуатационным по геометрии объектов испытания, законам нагружения, видам напряженно-деформированного состояния, количеству и законам изменения различных внешних факторов и фактора времени. Естественные колебания химического состава и структуры, а также их изменения в процессе эксплуатации приводят к тому, что экстраполяция результатов измерения механических характеристик при выборочных разрушающих испытаниях образцов на материал рабочих деталей, узлов, агрегатов не может быть выполнена с большой точностью. И, наконец, случайный характер внешних воздействий приводит к невозможности точного описания эксплуатационного поведения материала или конструкции даже при точно известных механических характеристиках материала.The quality of the structural material is determined by the reliability of its work. From this point of view, failure means either destruction, limited damage, loss of tightness or the accumulation of excessive deformations. The most important indicators of material quality are the characteristics of resistance to deformation and fracture. These include, first of all, such characteristics as the yield strength of the material, tensile strength, true tensile strength, elongation after rupture. At the same time, it is possible to establish the dependence of the behavior of the material under operating conditions on the indicated mechanical characteristics by calculation only in a rough approximation. This is explained by the following reasons. The mechanical characteristics are conditional in nature and are determined under simplified conditions that do not correspond to the operational geometry of the test objects, the laws of loading, types of stress-strain state, the number and laws of variation of various external factors and the time factor. Natural fluctuations in the chemical composition and structure, as well as their changes during operation, lead to the fact that the extrapolation of the results of measuring mechanical characteristics during selective destructive testing of samples on the material of work parts, assemblies, units cannot be performed with great accuracy. And finally, the random nature of external influences makes it impossible to accurately describe the operational behavior of the material or structure even with the well-known mechanical characteristics of the material.

Целью контроля акустической эмиссией является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Акустико-эмиссионный контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников акустической эмиссии. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний. Неразрушающий контроль - контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации. Традиционные методы неразрушающего контроля (такие, как ультразвуковой, радиационный, токовихревой) обнаруживают геометрические неоднородности путем излучения в исследуемую структуру некоторой формы энергии. Акустическая эмиссия использует другой подход: во-первых, источником сигнала служит сам материал, а не внешний источник, т.е. метод является пассивным (а не активным, как большинство других методов контроля). Во-вторых, в отличие от других методов, акустистико-эмиссионный обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. метод акустической эмиссии обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты. Рост трещины, разлом включения, расслоения, коррозия, трение, водородное охрупчивание, утечка жидкости или газа и т.п. - это примеры процессов, производящих акустическую эмиссию, которая может быть обнаружена и эффективно исследована с помощью этой технологии.The purpose of acoustic emission control is to detect, coordinate and track (monitor) the sources of acoustic emission associated with discontinuities on the surface or in the volume of the vessel wall, welded joint and manufactured parts and components. Acoustic emission control of the technical condition of the objects under investigation is carried out only when a stress state is created in the structure, which initiates the work of acoustic emission sources in the material of the object. For this, the object is subjected to loading by force, pressure, temperature field, etc. The choice of the type of load is determined by the design of the object and its working conditions, the nature of the tests. Non-destructive testing - control of the properties and parameters of the object, in which the suitability of the object for use and operation should not be violated. Traditional non-destructive testing methods (such as ultrasonic, radiation, eddy current) detect geometric heterogeneities by emitting some form of energy into the structure under study. Acoustic emission uses a different approach: firstly, the source of the signal is the material itself, and not an external source, i.e. the method is passive (and not active, like most other control methods). Secondly, unlike other methods, acoustic emission detects the movement of the defect, and not the static inhomogeneities associated with the presence of defects, i.e. acoustic emission method detects developing, and therefore the most dangerous defects. Crack growth, inclusion break, delamination, corrosion, friction, hydrogen embrittlement, leakage of liquid or gas, etc. - These are examples of processes that produce acoustic emissions that can be detected and effectively investigated using this technology.

Метод контроля акустической эмиссией обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам - позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей миллиметра. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 1×10-6 мм², что соответствует выявлению увеличения длины трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм. В отличие от сканирующих методов неразрушающего контроля, метод АЭ не требует тщательной подготовки поверхности объекта контроля. Следовательно, выполнение контроля и его результаты не зависят от состояния поверхности и качества ее обработки.The acoustic emission control method has a very high sensitivity to growing defects - it allows to reveal, under operating conditions, a crack increment of the order of a millimeter. The ultimate sensitivity of acoustic emission equipment according to theoretical estimates is about 1 × 10-6 mm ² , which corresponds to the detection of an increase in the length of a crack with a length of 1 μm by 1 μm. Unlike scanning non-destructive testing methods, the AE method does not require careful preparation of the surface of the test object. Therefore, the implementation of the control and its results do not depend on the state of the surface and the quality of its processing.

Известен способ обнаружения развивающихся усталостных трещин в изделии методом акустической эмиссии (SU №781690, G01N 29/04, опубл. 23.11.1980), который заключается в предварительном нагружении изделия до рабочей нагрузки, которое затем снимают на некоторое время для релаксации остаточных напряжений в вершине трещины. Затем осуществляют повторное являющееся контрольным нагружение до значения первоначальной нагрузки, в процессе которого принимают сигналы акустической эмиссии и по ним судят о развитии трещины.A known method of detecting developing fatigue cracks in the product by acoustic emission method (SU No. 781690, G01N 29/04, publ. 11/23/1980), which consists in pre-loading the product to a working load, which is then removed for some time to relax residual stresses at the apex cracks. Then, repeated control loading is carried out to the value of the initial load, during which acoustic emission signals are received and the crack development is judged from them.

Этот способ не обладает достаточной точностью, т.к. не позволяет обнаружить концентраторы напряжений малой величины, а также не дает четкого представления о развитии релаксационных процессов в материале конкретного изделия и изменения релаксации изделия в течение длительного периода эксплуатации.This method does not have sufficient accuracy, because it does not allow detecting stress concentrators of small magnitude, and also does not provide a clear idea of the development of relaxation processes in the material of a particular product and changes in relaxation of the product over a long period of operation.

Известен из RU №2210766, G01N 29/14, опубл. 20.08.2003, способ проведения акустико-эмиссионного контроля с применением одноканальной аппаратуры. Этот способ заключается в том, что на поверхность объекта устанавливают преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), акустико-эмиссионный контроль проводят путем периодического опроса ПАЭ при помощи мультиплексора, подключенного к одноканальному прибору. Объект ступенчато нагружают пробной нагрузкой, превышающей рабочую нагрузку, предполагаемую для контролируемого изделия, выдерживают под ней и одновременно осуществляют последовательный опрос ПАЭ с периодом, не превышающим длительность серии сигналов акустической эмиссии (АЭ), сопровождающих развитие трещины. Длительность серии определяют при разрушении образца, изготовленного из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок объекта, во время контроля регистрируют параметры сигналов АЭ и классифицируют источник сигналов АЭ по степени опасности.Known from RU No. 2210766, G01N 29/14, publ. 08/20/2003, a method of conducting acoustic emission monitoring using single-channel equipment. This method consists in the fact that acoustic emission transducers (PAE) are installed on the surface of the object, acoustic emission monitoring is carried out by periodically polling the PAE using a multiplexer connected to a single-channel device. The object is stepwise loaded with a test load exceeding the workload expected for the controlled product, maintained under it and simultaneously conduct sequential polling of the PAE with a period not exceeding the duration of a series of acoustic emission signals (AE) accompanying the development of a crack. The duration of the series is determined by the destruction of a sample made of a material that is identical in chemical, phase and structural composition to the material of the object, and a thickness equal to the thickness of the walls of the object, during the control record the parameters of AE signals and classify the source of AE signals according to the degree of danger.

В отличие от способа обнаружения развивающихся усталостных трещин по SU №781690 способ по RU №2210766 позволяет делать вывод об опасности развития трещины по параметру длительности серии, но не дает представление о релаксационных процессах конкретного изделия на длительный период эксплуатации. Основным недостатком является проведение испытаний с изделиями с умышленно нанесенными дефектами из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок объекта с последующей классификацией по степени опасности. А также многократное нагружение силой, превышающее рабочую нагрузку в процессе эксплуатации, что недопустимо в процессе контроля упругих элементов.In contrast to the method for detecting developing fatigue cracks according to SU No. 781690, the method according to RU No. 2210766 allows us to conclude that there is a danger of crack development according to the series duration parameter, but does not give an idea of the relaxation processes of a particular product for a long period of operation. The main disadvantage is testing with products with intentionally caused defects from a material that is identical in chemical, phase and structural composition to the material of the object, and a thickness equal to the thickness of the walls of the object with subsequent classification according to the degree of danger. As well as multiple loading by force, exceeding the working load during operation, which is unacceptable in the process of controlling elastic elements.

Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является решение, описанное в RU №2210766, G01N 29/14, опубл. 20.08.2003), и касающееся способа прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, заключающегося в нагружении испытуемого образца (тарельчатой пружины) нагрузкой и регистрации сигналов акустической эмиссии в процессе нагружения, при этом нагружение испытуемого образца проводят в два этапа, на первом из которых испытуемый образец в процессе кратковременного обжатия троекратно нагружают до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении для установления зависимости N_1общ.>N_2общ.>N_3общ. иThe closest adopted as a prototype is the solution described in RU No. 2210766, G01N 29/14, publ. 08/20/2003), and relating to a method for predicting the relaxation resistance of disk springs, which consists in loading the test sample (disk spring) with load and recording acoustic emission signals during loading, the loading of the test sample is carried out in two stages, the first of which the test sample in during short-term compression three times load to maximum deformation with registration of acoustic emission signals at each load to establish the dependence N _{1 total.} > N _2total > N _3total and

$$\begin{array}{l}{N}_{\mathrm{2,3}общ.}\le \mathrm{1,5}{N}_{1общ.}\\ N_{\mathrm{2,3}общ.}\le 1000\end{array}\},$$

$$\begin{array}{l}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N"\; filenames="00000004.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}"><figure-callout\; id="3"\; label="N"\; filenames="00000004.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}">N</figure-callout></figure-callout>}}_{\mathrm{2,3}\mathrm{about}bu.}\le \mathrm{1,5}{N}_{\mathrm{one}\mathrm{about}bu.}\\ {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N"\; filenames="00000004.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}"><figure-callout\; id="3"\; label="N"\; filenames="00000004.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}">N</figure-callout></figure-callout>}}_{\mathrm{2,3}\mathrm{about}bu.}\le 1000\end{array}\},$$

где N_1общ. - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе первого кратковременного обжатия, N_2общ. - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе второго кратковременного обжатия, N_3общ. - общее количество импульсов суммарной акустической эмиссии, зарегистрированное в процессе третьего кратковременного обжатия, на втором этапе осуществляют нагружение испытуемого образца постоянной нагрузкой до максимальной деформации и выдерживают этот образец при этой нагрузке до 72 ч с регистрацией сигналов акустической эмиссии для установления зависимости Н_общ.72≤N_пор, где Н_общ.72 - общее количество импульсов акустической эмиссии в процессе выдержки испытуемого образца при постоянной силе, N_пор - пороговое значение импульсов акустической эмиссии, а о недостаточной релаксационной стойкости испытуемого образца судят по невыполнению указанных зависимостей, полученных на первом и втором этапах нагружения.where N _{1 total.} - the total number of pulses of the total acoustic emission recorded during the first short-term compression, N _2total. - the total number of pulses of the total acoustic emission recorded during the second short-term compression, N _3total. - the total number of pulses of the total acoustic emission recorded during the third short-term compression, at the second stage, the test sample is loaded with a constant load to maximum deformation and this sample is held at this load for up to 72 hours with the registration of acoustic emission signals to establish the dependence of H _{total 72} ≤ N _{long obsch.72} where H - the total number of pulses of acoustic emission during the exposure of the test specimen at a constant force, _then N - acu pulses threshold cal emission and insufficient relaxation of resistance of the test sample is judged by the non-fulfillment of said relationships obtained in the first and second stages of loading.

Этот способ трудоемок и требует высокой квалификации, также затратен по времени.This method is time-consuming and requires high qualification, also time-consuming.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в сокращении времени и упрощении процесса контроля режимов термообработки тарельчатых пружин за счет оценки микроструктуры этих пружин после термообработки.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in reducing the time and simplifying the process of controlling the heat treatment of plate springs by evaluating the microstructure of these springs after heat treatment.

Указанный технический результат достигается тем, что способ оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины заключается в более чем одном нагружении исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении, нагружение исследуемого упругого элемента проводят два раза и кратковременно путем обжатия этого упругого элемента, а сигналы акустической эмиссии регистрируют непрерывно в процессе второго нагружения для определения общего количества импульсов суммарной акустической эмиссии N₂, при этом микроструктуру титанового сплава упругого элемента оценивают по девятибалльной шкале размерности зерна, разделенной на три группы баллов 4-5, 6-7 и 7-8, каждой из которых соответствует отдельный диапазон количества импульсов суммарной акустической эмиссии A1, A2 и A3, и качество микроструктуры по баллам указанной шкалы определяют по следующей зависимости N₂≤A1, или N₂≤A2, или N₂≤A3.The specified technical result is achieved by the fact that the method for quickly determining the microstructure quality of a titanium alloy of an elastic element like a Belleville spring consists of more than one loading of the studied elastic element with a load to maximum deformation with registration of acoustic emission signals at each loading, loading of the studied elastic element is carried out twice and for a short time by compressing this elastic element, and acoustic emission signals are recorded continuously during the WTO loading to determine the total number of pulses of the total acoustic emission N ₂ , while the microstructure of the titanium alloy of the elastic element is evaluated on a nine-point scale of grain dimension, divided into three groups of points 4-5, 6-7 and 7-8, each of which corresponds to a separate range the number of pulses of the total acoustic emission A1, A2 and A3, and the quality of the microstructure according to the points of this scale are determined by the following dependence N ₂ ≤A1, or N ₂ ≤A2, or N ₂ ≤A3.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is illustrated by specific examples, which clearly demonstrate the ability to achieve the desired technical result.

На фиг.1 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 3 (закалка 850°C, старение 450°C) (увеличение х500);Figure 1 - photograph of the microstructure of the alloy VT23 group 3 (hardening 850 ° C, aging 450 ° C) (magnification x500);

фиг.2 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.1;figure 2 is an explanatory diagram for a photograph of the microstructure of figure 1;

фиг.3 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 4 (закалка 850°C, старение 550°C), (увеличение х500);figure 3 is a photograph of the microstructure of the alloy VT23 group 4 (hardening 850 ° C, aging 550 ° C), (increase x500);

фиг.4 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.3;figure 4 is an explanatory diagram for a photograph of the microstructure of figure 3;

фиг.5 - фотоснимок микроструктуры сплава ВТ23 группы 4 (нарушение режима закалки 850°C, старение 550°C), (увеличение х500);figure 5 is a photograph of the microstructure of the alloy VT23 group 4 (violation of the quenching 850 ° C, aging 550 ° C), (increase x500);

фиг.6 - пояснительная схема к фотоснимку микроструктуры по фиг.5;6 is an explanatory diagram to a photograph of the microstructure of figure 5;

фиг.7 - схема оснастки для кратковременного обжатия с регистрацией сигналов акустической эмиссии;Fig.7 is a diagram of a snap for short-term compression with registration of acoustic emission signals;

фиг.8 - фотоснимок системы «Ранис-11»;Fig. 8 is a photograph of the Ranis-11 system;

фиг.9 - графики суммарной акустической эмиссии (АЭ) при троекратном нагружении образца;Fig.9 is a graph of the total acoustic emission (AE) when triple loading the sample;

фиг.10 - зависимости суммарной АЭ (ТУ) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 3;figure 10 - dependence of the total AE (TU) from time (t) in the process of compression of Belleville springs of group 3;

фиг.11 - зависимости суммарной АЭ (N) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 4;11 is a plot of the total AE (N) versus time (t) in the process of compressing plate springs of group 4;

фиг.12 - зависимости суммарной АЭ (N) от времени (t) в процессе обжатия тарельчатых пружин группы 5.Fig - dependence of the total AE (N) from time (t) in the process of compression of the Belleville springs of group 5.

Согласно настоящему изобретению предлагается оперативный способ определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины методом акустической эмиссии.The present invention provides an operational method for determining the microstructure quality of a titanium alloy of an elastic element of a disk spring type by acoustic emission.

Этот способ заключается в более чем одном нагружении исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении. Нагружение исследуемого упругого элемента проводят два раза и кратковременно путем обжатия этого упругого элемента, а сигналы акустической эмиссии регистрируют непрерывно в процессе второго нагружения для определения общего количества импульсов суммарной акустической эмиссии N₂. Микроструктуру титанового сплава упругого элемента оценивают по девятибалльной шкале размерности зерна, разделенной на три группы баллов 4-5, 6-7 и 7-8, каждой из которых соответствует отдельный диапазон количества импульсов суммарной акустической эмиссии A1, A2 и A3, и качество микроструктуры по баллам указанной шкалы определяют по следующей зависимости N₂≤A1, или N₂≤A2, или N₂≤A3.This method consists in more than one loading of the studied elastic element by the load to maximum deformation with the registration of acoustic emission signals at each loading. The loading of the investigated elastic element is carried out twice and briefly by compressing this elastic element, and the acoustic emission signals are recorded continuously during the second loading to determine the total number of pulses of the total acoustic emission N ₂ . The microstructure of the titanium alloy of the elastic element is evaluated on a nine-point scale of grain dimension, divided into three groups of points 4-5, 6-7 and 7-8, each of which corresponds to a separate range of the number of pulses of the total acoustic emission A1, A2 and A3, and the quality of the microstructure according to points of the specified scale is determined by the following dependence N ₂ ≤A1, or N ₂ ≤A2, or N ₂ ≤A3.

Исследования, которые легли в основу этого способа, проводились на контрольных образцах. Изначально исследовались 3 различные группы пружин из титанового сплава ВТ23 с различными режимами термообработки. Исследования проводились без применения метода регистрации акустической эмиссии.The studies that formed the basis of this method were carried out on control samples. Initially, 3 different groups of springs made of VT23 titanium alloy with various heat treatment modes were investigated. The studies were carried out without using the method of recording acoustic emission.

Группа 3 - (ТП-3) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве пружины до 850°C, выдержке, при этой температуре, в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП-3 в течение 10 часов при температуре 450°C. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП-3 путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 1 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 3).Group 3 - (TP-3) made of alloy VT23. The heat treatment mode in the Quenching operation consisted in heating the spring to 850 ° C, holding it at this temperature for 60 minutes and cooling in water. The operation "Aging" consisted in holding TP-3 for 10 hours at a temperature of 450 ° C. The physicomechanical characteristics of the VT23 TP-3 titanium alloy were determined by conducting mechanical tensile tests (Table 1 — physicomechanical characteristics of the VT23 material of group 3).

Таблица 1Table 1 № образцаSample No. Режим термообработки (закалка+старение)Heat treatment mode (hardening + aging) Физико-механические характеристикиPhysical and mechanical characteristics σ_0,2, МПаσ _0.2 , MPa σ_в МПаσ _in MPa δ, %δ,% ψ, %ψ,% KCU, Дж/см² KCU, J / cm ² HRCHRC 1one 850°C, 60 мин, вода + 450°С, 10 час850 ° C, 60 min, water + 450 ° C, 10 hours 14351435 15401540 обрыв 2-х головcliff of 2 goals обрыв 2-х головcliff of 2 goals 1one 48,5÷49,048.5 ÷ 49.0 22 850°C, 60 мин, вода + 450°C, 10 час850 ° C, 60 min, water + 450 ° C, 10 hours 15701570 15901590 обрыв 2-х головcliff of 2 goals обрыв 2-х головcliff of 2 goals 1one 48,5÷49,048.5 ÷ 49.0

Металлографический анализ выполняли на продольных и поперечных микрошлифах после травления в 10% водном растворе плавиковой кислоты (фиг.1). Размер зерна оценивали по шкалам ГОСТ 5639, микроструктуру - по 9-балльной шкале ОСТ 92-9465-81. Исследование микроструктуры материала ТП-3 показал, что структура сплава является двухфазной (α+β), структура однородна, глобулярного типа. Размер первичного α-зерна 1 в сплаве соответствует 4÷5 баллам по ГОСТ 5639. При температуре старения 450°C, в условиях заторможенной диффузии и большого числа мест зарождения вторичной α-фазы 2, частицы ее выделяются по промежуточному механизму и являются очень дисперсными. Позицией 3 обозначена β-фаза (фиг.2). Выделение продуктов распада в этом случае происходит, как правило, по дислокациям и дефектам упаковки, что приводит к значительному росту уровня внутренних напряжений. Размер выделяющихся частиц при температуре старения 450° соответственно составляет <0,1 мкм. Прочностные характеристики сплава выше, а пластические - ниже.Metallographic analysis was performed on longitudinal and transverse microsections after etching in a 10% aqueous solution of hydrofluoric acid (Fig. 1). Grain size was evaluated according to the GOST 5639 scales, microstructure - according to the 9-point scale OST 92-9465-81. The study of the microstructure of TP-3 material showed that the alloy structure is two-phase (α + β), the structure is homogeneous, globular type. The size of the primary α-grain 1 in the alloy corresponds to 4–5 points according to GOST 5639. At an aging temperature of 450 ° C, under conditions of inhibited diffusion and a large number of nucleation sites of the secondary α-phase 2, its particles are released by an intermediate mechanism and are very dispersed. Position 3 denotes the β-phase (figure 2). The separation of decomposition products in this case occurs, as a rule, due to dislocations and stacking faults, which leads to a significant increase in the level of internal stresses. The size of the released particles at an aging temperature of 450 °, respectively, is <0.1 μm. The strength characteristics of the alloy are higher, and the plastic ones are lower.

Группа 4 - (ТП-4) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве тарельчатой пружины до 850°C, выдержке при этой температуре в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП-4 в течение 10 часов при температуре 550°C. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП-4 путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 2 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 4).Group 4 - (TP-4) made of VT23 alloy. The heat treatment mode in the Quenching operation consisted in heating the disk spring to 850 ° C, holding it at this temperature for 60 minutes, and cooling in water. The operation "Aging" consisted in holding TP-4 for 10 hours at a temperature of 550 ° C. The physicomechanical characteristics of the VT23 TP-4 titanium alloy were determined by conducting mechanical tensile tests (Table 2 — physicomechanical characteristics of the VT23 material of group 4).

Таблица 2table 2 № образцаSample No. Режим термообработки (закалка+старение)Heat treatment mode (hardening + aging) Механические свойстваMechanical properties σ_0,2, МПаσ _0.2 , MPa σ_в, МПаσ _in , MPa δ, %δ,% ψ, %ψ,% KCU, Дж/см² KCU, J / cm ² HRCHRC 1one 850°C, 60 мин, вода + 550°C, 10 час850 ° C, 60 min, water + 550 ° C, 10 hours 12101210 13201320 88 1919 2626 38,5÷39,538.5 ÷ 39.5 22 850°C, 60 мин, вода + 550°C, 10 час850 ° C, 60 min, water + 550 ° C, 10 hours 12301230 13251325 1010 2727 2828 39,0÷39,539.0 ÷ 39.5

Металлографический анализ выполняли на продольных и поперечных микрошлифах после травления в 10% водном растворе плавиковой кислоты. Размер зерна оценивали по шкалам ГОСТ 5639, микроструктуру - по 9-балльной шкале ОСТ 92-9465-81. Исследование микроструктуры материала ТП группы 4 показал, что структура сплава двухфазная (α+β), сплав имеет благоприятную однородную (α+β)-структуру глобулярного типа. В сплаве формируется более мелкозернистая структура - размер первичного β-зерна соответствует 6 баллу по ГОСТ 5639, причем как в продольном, так и в поперечном направлениях листа. При более высокой температуре старения - 550°C диффузионный распад происходит по гетерогенному механизму зарождения вторичных выделений. Новая фаза выделяется преимущественно на границах зерен бывших β-зерен и субзерен, а также на уже имеющейся в структуре остаточной (первичной) α-фазе, в результате чего ее размеры несколько увеличиваются, а форма включений становится более равноосной (глобулярной). Размер выделяющихся частиц при этих температурах соответственно ≥0,1 мкм - при 550°C.Metallographic analysis was performed on longitudinal and transverse microsections after etching in a 10% aqueous solution of hydrofluoric acid. Grain size was evaluated according to the GOST 5639 scales, microstructure - according to the 9-point scale OST 92-9465-81. The study of the microstructure of the TP material of group 4 showed that the alloy structure is two-phase (α + β), the alloy has a favorable homogeneous (α + β) -structure of a globular type. A finer-grained structure is formed in the alloy — the size of the primary β-grain corresponds to 6 points according to GOST 5639, both in the longitudinal and transverse directions of the sheet. At a higher aging temperature of 550 ° C, diffusion decomposition occurs according to the heterogeneous mechanism of nucleation of secondary secretions. The new phase is predominantly distinguished at the grain boundaries of the former β-grains and subgrains, as well as at the residual (primary) α-phase that already exists in the structure, as a result of which its dimensions slightly increase, and the shape of the inclusions becomes more equiaxed (globular). The size of the released particles at these temperatures, respectively, ≥0.1 μm - at 550 ° C.

Группа 5 - (ТП-5) изготовлены из сплава ВТ23. Режим термообработки на операции «Закалка» заключался в нагреве пружины до 850°C, выдержке, при этой температуре, в течение 60 мин и охлаждении в воде. Операция «Старение» заключалась в выдержке ТП, в течение 10 часов, при температуре 550°C, но следует сказать, что режимы термообработки не были выдержаны. Предположительно на каком-то из режимов термообработки произошли отклонения от заданных режимов. Определяли физико-механические характеристики титанового сплава ВТ23 ТП группы 5, путем проведения механических испытаний на растяжение (Таблица 3 - физико-механические характеристики материала ВТ23 группы 5).Group 5 - (TP-5) made of alloy VT23. The heat treatment mode in the Quenching operation consisted in heating the spring to 850 ° C, holding it at this temperature for 60 minutes and cooling in water. The operation "Aging" consisted in curing TP for 10 hours at a temperature of 550 ° C, but it should be said that the heat treatment modes were not maintained. Presumably, at some of the heat treatment modes, deviations from the specified modes occurred. The physicomechanical characteristics of the VT23 TP titanium alloy of group 5 were determined by conducting mechanical tensile tests (Table 3 — physicomechanical characteristics of the VT23 material of group 5).

Таблица 3Table 3 № образцаSample No. Режим термообработки (закалка+старение) Heat treatment mode (hardening + aging) Механические свойстваMechanical properties σ_0,2, МПаσ _0.2 , MPa σ_в, МПаσ _in , MPa δ, %δ,% ψ, %ψ,% KCU, Дж/см² KCU, J / cm ² HRCHRC 1one 850°C, 60 мин, вода + ~550°C, ~10 час850 ° C, 60 min, water + ~ 550 ° C, ~ 10 hours 10501050 11001100 -- -- -- 3434 22 850°C, 60 мин, вода + ~550°C, ~10 час850 ° C, 60 min, water + ~ 550 ° C, ~ 10 hours 10701070 11501150 -- -- -- 34,534.5

Микроструктура исследованных образцов состоит из первичной α-фазы в виде глобулей и пластин, равновесной δ-фазы 3 и вторичной α-фазы 2. В структуре ТП-5 степень коагулированности вторичной α-фазы выше, т.е. при старении после распада мартенситной фазы происходил процесс укрупнения выделившейся вторичной α-фазы. Это привело к снижению твердости материала (Таблица 3). Можно предположить, что время старения тарельчатых пружин было больше 10 час, либо охлаждение после старения было замедленно.The microstructure of the samples studied consists of the primary α-phase in the form of globules and plates, the equilibrium δ-phase 3 and the secondary α-phase 2. In the TP-5 structure, the degree of coagulation of the secondary α-phase is higher, i.e. during aging, after the decay of the martensitic phase, enlargement of the released secondary α-phase took place. This led to a decrease in the hardness of the material (table 3). It can be assumed that the aging time of the Belleville springs was more than 10 hours, or the cooling after aging was slowed down.

Проведенные исследования качества микроструктуры по микрошлифам позволили прийти к выводу о зависимостях, которые легли в основу нового способа качественного определения микроструктуры сплава упругого элемента.The studies of the quality of the microstructure by microsections led to the conclusion about the dependencies that formed the basis of a new method for the qualitative determination of the microstructure of an alloy of an elastic element.

Были проведены исследования с использованием прибора акустической эмиссии «Ранис-11» (фиг.8). На фотоснимке представлен основной электронный блок системы акустической эмиссии, внешний усилитель, датчик регистрации сигналов, магнитный прижим. Прибор «Ранис-11» применяется для регистрации и измерения сигналов акустической эмиссии с целью поиска дефектов в трубопроводах, сосудах давления, резервуарах, деталях и узлах машин и механизмов с шероховатостью поверхности в местах установки преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) не более 40 мкм, радиусом кривизны в местах установки ПАЭ не менее 100 мм, скоростью распространения акустического сигнала АЭ 1000…6000 м/с, затуханием акустического сигнала в зоне контроля, соответствующей расстоянию между ПАЭ, не более 70 дБ. Диапазон измерения амплитуды сигнала АЭ 0,3 мВ…10 В (4…100 дБ) (http://www.ooo-pribor.ru/equipment/id23026/).Studies were conducted using the acoustic emission device "Ranis-11" (Fig. 8). The photograph shows the main electronic unit of the acoustic emission system, an external amplifier, a signal recording sensor, a magnetic clip. The Ranis-11 device is used for recording and measuring acoustic emission signals in order to search for defects in pipelines, pressure vessels, reservoirs, parts and units of machines and mechanisms with a surface roughness in the places of installation of acoustic emission transducers (PAE) of not more than 40 microns, radius the curvature at the installation site of the PAE is not less than 100 mm, the propagation speed of the acoustic signal AE 1000 ... 6000 m / s, the attenuation of the acoustic signal in the control zone corresponding to the distance between the PAE, not more than 70 dB. The range of measuring the amplitude of the AE signal is 0.3 mV ... 10 V (4 ... 100 dB) (http://www.ooo-pribor.ru/equipment/id23026/).

На фиг.7 изображена схема нагружения тарельчатой пружины в стенде с регистрацией сигналов акустической эмиссии. Этот стенд включает в себя систему 4 акустической эмиссии, подключенную к персональному компьютеру 5 с установленным специальным программным обеспечением. Датчик акустической эмиссии 6 устанавливается на тарельчатую пружину 7 (датчик акустической эмиссии 6 устанавливается на верхнюю кромку пружины при ее максимальной деформации), которая в свою очередь находится в приспособлении для силового нагружения, состоящим из основания со стержнем 8, прижимной трубы 9 и прижимной плиты 10.In Fig.7 shows a diagram of the loading of a Belleville spring in the stand with the registration of acoustic emission signals. This stand includes an acoustic emission system 4 connected to a personal computer 5 with special software installed. The acoustic emission sensor 6 is installed on a disk spring 7 (the acoustic emission sensor 6 is installed on the upper edge of the spring at its maximum deformation), which in turn is located in the device for power loading, consisting of a base with a rod 8, a pressure pipe 9 and a pressure plate 10 .

В рамках исследования методом акустической эмиссии качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента типа тарельчатой пружины производили троекратные нагружения образцов тарельчатых пружин групп 3, 4 и 5. Полученные результаты уровней сигналов АЭ представляются в виде графических зависимостей на фиг.10-12.As part of the acoustic emission study of the quality of the microstructure of a titanium alloy of an elastic element of a disk spring type, three times loading of disk spring samples of groups 3, 4 and 5 was performed. The results of AE signal levels are presented in the form of graphical dependences in Figures 10-12.

При каждом нагружении каждого образца групп 3, 4 и 5 проводили регистрацию сигналов акуститческой эмиссии для построения зависимостей (АЭ), гдеFor each loading of each sample of groups 3, 4, and 5, acoustic emission signals were recorded to construct dependences (AE), where

N₁ - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе первого обжатия,N ₁ - the maximum total AE recorded during the first compression,

N₂ - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе второго обжатия,N ₂ - the maximum total AE recorded during the second compression,

N₃ - максимальная суммарная АЭ, зарегистрированная в процессе третьего обжатия.N ₃ - maximum total AE recorded during the third compression.

В общем случае такой график максимальных значений сигналов АЭ при трех обжатиях представлен на фиг.9, где 1 - пружина, тип 1, 2 - пружина, тип 2, 3 - пружина, тип 3.In the general case, such a graph of the maximum values of AE signals for three reductions is shown in Fig. 9, where 1 is a spring, type 1, 2 is a spring, type 2, 3 is a spring, type 3.

Способ заключается в том, что уровень сигналов при втором обжатии ограничивается интервалом, в котором регистрируются сигналы для пружин с определенным состоянием микроструктуры. То есть, если:The method consists in the fact that the signal level during the second compression is limited to the interval in which signals are recorded for springs with a certain state of the microstructure. That is, if:

N₂≤A1, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 4-5 баллу по ГОСТ5639.N ₂ ≤A1, then the microstructure of the alloy corresponds approximately (qualitatively) to 4-5 points according to GOST5639.

N₂≤A2, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 6-7 баллу по ГОСТ5639.N ₂ ≤A2, then the microstructure of the alloy corresponds to approximately (qualitatively) 6-7 points according to GOST5639.

N₂≤A3, то микроструктура сплава соответствует приблизительно (качественно) 7-8 баллу по ГОСТ5639.N ₂ ≤A3, then the microstructure of the alloy corresponds approximately (qualitatively) to 7-8 points according to GOST5639.

Проведенные исследования микроструктуры по существующей методике изготовления микрошлифа подтвердили правильность нового способа качественного определения микроструктуры сплава упругого элемента. Более низкий БАЛЛ соответствует более низкому уровню сигналов, 4-5 балл - А1 - 200-250, 6-7 балл - А2 - 550-650,7-8 балл - A3 - 2000-2500.Studies of the microstructure according to the existing method of manufacturing a microsection confirmed the correctness of a new method for the qualitative determination of the microstructure of an alloy of an elastic element. A lower BALL corresponds to a lower signal level, 4-5 points - A1 - 200-250, 6-7 points - A2 - 550-650.7-8 points - A3 - 2000-2500.

Новый способ позволит оперативно в условиях массового производства качественно оценить микроструктуру готового изделия без проведения дополнительных испытаний.The new method will allow to quickly evaluate the microstructure of the finished product without any additional tests in mass production.

Claims (1)

Способ оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента, заключающийся в более чем одном нагружении исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении, отличающийся тем, что нагружение исследуемого упругого элемента проводят два раза и кратковременно путем обжатия этого упругого элемента, а сигналы акустической эмиссии регистрируют непрерывно в процессе второго нагружения для определения общего количества импульсов суммарной акустической эмиссии N₂, при этом микроструктуру титанового сплава упругого элемента оценивают по девятибалльной шкале размерности зерна, разделенной на три группы баллов 4-5, 6-7 и 7-8, каждой из которых соответствует отдельный диапазон количества импульсов суммарной акустической эмиссии A1, A2 и A3, и качество микроструктуры по баллам указанной шкалы определяют по следующей зависимости N₂≤A1, или N₂≤A2, или N₂≤A3. A method for quickly determining the quality of the microstructure of a titanium alloy of an elastic element, which consists in more than one loading of the studied elastic element with a load to maximum deformation with the registration of acoustic emission signals at each loading, characterized in that the loading of the studied elastic element is carried out twice and briefly by compressing this elastic element and acoustic emission signals are recorded continuously during the second loading process to determine the total number of imp lsov total acoustic emission N _2, wherein the microstructure of the titanium alloy of the elastic member was evaluated by nine-point scale grain dimension, divided into three groups of points 4-5, 6-7 and 7-8, each of which corresponds to a separate band total amount A1 acoustic emission pulses , A2 and A3, and the quality of the microstructure according to points of the specified scale is determined by the following dependence N ₂ ≤A1, or N ₂ ≤A2, or N ₂ ≤A3.

Images