129

dr inŜ. Zbigniew ŁAPIŃSKI mgr inŜ. Janusz ŁUKASZEWICZ Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia

BADANIE METODĄ EMISJI AKUSTYCZNEJ NORMALIZOWANYCH, HARTOWANYCH I

WODOROWANYCH PRÓBEK STALOWYCH Z KARBEM, PODCZAS PRÓB ROZCIĄGANIA. EFEKT KAISERA

W artykule przedstawiono rezultaty badania metodą Emisji Akustycznej normalizowanych i hartowanych próbek stalowych z karbem oraz badanie efektu Kaisera.

1. Wstęp

Istnieje ciągłe i naturalne zapotrzebowanie na metody umoŜliwiające dokładny pomiar procesów zachodzących przy obciąŜaniu materiałów, a takŜe monitorowanie stanu technicznego eksploatowanych obiektów.

Jedną z wielu metod słuŜącym tym celom jest metoda emisji akustycznej (EA). Terminem emisja akustyczna określa się zjawisko generacji fal spręŜystych

w ośrodkach stałych i cieczach. Źródłem generacji tych fal są zarówno procesy rozwoju mikropęknięć, generacja

i anihilacja dyslokacji lub wzajemne przemieszczanie się fragmentów badanego ośrodka połączone z tarciem.

Podstawową zaletą EA jest to, Ŝe sygnalizuje ona wczesne, bardzo wolno powiększające się defekty obiektów technicznych.

Głównym źródłem EA w metalach są ruchy dyslokacji, powstające przy określonym poziomie obciąŜeń oraz powstawanie i wzrost pęknięć. Istotne znaczenie mają czynniki wpływające na moŜliwość przemieszczeń dyslokacji, tzn. obok wartości napręŜeń zewnętrznych, wielkość ziaren, gęstość juŜ istniejących dyslokacji oraz wielkość i rozkład cząstek fazy obcej.

WaŜne jest równieŜ, czy materiał był juŜ wcześniej obciąŜany i do jakiego poziomu. Zwykle bowiem efekt akustyczny nie występuje, zanim napręŜenia zewnętrzne nie przekroczą poziomu osiągniętego podczas poprzednich obciąŜeń – efekt Kaisera.

WaŜnym czynnikiem zwiększającego się zakresu uŜytkowania tej metody jest stosunkowo niska cena i łatwość obsługi EA.

2. Przedmiot i przebieg badań

Badania przeprowadzono na płaskich próbkach stali gat. 30HGSA wyciętych z taśmy o grubości 4 mm.

Stan wyjściowy materiału: surowy. Obróbka cieplna i oznaczenie badanych próbek:

130

1. W stanie wyŜarzonym (880° C) - normalizowane. 2. Po hartowaniu w temp. 880° C w oleju i odpuszczeniu w temp. 600° C

w wodzie. Kształt badanych próbek przedstawiono na rys. 1. Do pomiarów zastosowano przetwornik szerokopasmowy prod. PHYSICAL

ACOUSTIS CORP., typ WD o wysokiej czułości i paśmie przenoszenia sygnału EA: 100 - 1000 kHz. W paśmie tym amplituda sygnału jest tłumiona nie więcej niŜ 10 dB.

Sygnał EA był następnie poddany wzmocnieniu i filtracji górnoprzepustowej (redukcja zakłóceń z pasma wibroakustycznego) za pomocą filtru elektronicznego ósmego rzędu o częstotliwości odcięcia 25 kHz.

Obróbka sygnału została dokonana za pomocą analizatora EA SIGNAL CONDITIONER produkcji EA SYSTEM. Wartość skuteczna napięcia szumów odniesiona do wejścia analizatora wynosiła 10 µV. Całkowite wzmocnienie sygnału w analizatorze wynosiło 74 dB. Zastosowano zapis za pośrednictwem wejścia liniowego karty dźwiękowej komputera IBM THINKPAD 370. Częstotliwość próbkowania rejestrowanego sygnału wynosiła 11.025 kHz, a zatem kaŜde zdarzenie EA o czasie trwania dłuŜszym od 100µs było rejestrowane. Do obróbki zarejestrowanych danych zastosowano oprogramowanie o nazwie Look, będące na wyposaŜeniu zastosowanego analizatora EA. W celu wyznaczenia maksymalnych amplitud sygnału EA w obrębie zdarzeń oraz czasu ich trwania, opracowano specjalny program umoŜliwiający przeglądanie plików z zarejestrowanym sygnałem EA i generujący raport, dotyczący wykrytych zdarzeń. Przed rejestracją sygnałów EA dokonano kalibracji toru pomiarowego.

Próby rozciągania przeprowadzono przy uŜyciu maszyny wytrzymałościowej firmy INSTRON o zakresie 100 00 N, z napędem mechanicznym.

Rozciąganie przeprowadzono od tych samych poziomów obciąŜenia wstępnego, wynoszącego 5kN.

Rys.1. Kształt i wymiary próbek do rozciągania

131

Próbki normalizowane

Próbki o kształcie jak na rys.1. poddano hartowaniu w oleju w temperaturze 880°C, a następnie normalizowaniu.

PoniŜej przedstawiono wyniki badań metodą emisji akustycznej dwóch tak przygotowanych próbek: N-11 i N-12.

Rys.2. Próbka normalizowana N-12: R i Ls

132

Rys.3. Próbka normalizowana N-11: R i Ls

133

Próbki hartowane z karbem

Badaniom poddano próbki o kształcie jak na rys.1. z karbem w postaci dwóch nacięć o kształcie litery V po obu stronach próbki.

Ich obróbka cieplna polegała na hartowaniu w oleju w temperaturze 880°C i odpuszczaniu w wodzie w temp. 600°C.

Badaniom metodą emisji akustycznej poddano dwie próbki: H-13KR i H-14KR.

Rys.4. Próbka hartowana z karbem H-13KR; R i Ls

134

Rys.5. Próbka hartowana z karbem H-14KR; R i Ls

135

Analiza sygnałów EA próbek normalizowanych Charakter zmian aktywności akustycznej wraz ze wzrostem obciąŜenia jest

podobny dla obu próbek. Dla zarejestrowanego zakresu ich obciąŜenia zaobserwowano dwie fazy:

- intensywnej aktywności akustycznej o charakterze zanikającym, kończącej się przed granicą plastyczności;

- aktywności akustycznej na stałym poziomie, występującej w całym zakresie plastycznej deformacji próbki w postaci pojedynczych, wysokoenergetycznych sygnałów.

Z analizy rozkładu energii i czasów trwania zdarzeń EA wynika, Ŝe akustyczny efekt normalizacji jest najbardziej widoczny poprzez radykalny spadek ilości zdarzeń EA o najwyŜszych energiach i najdłuŜszym czasie trwania. Z tego powodu powyŜszy parametr moŜe być stosowany jako wskaźnik skuteczności procesu normalizacji.

Dla próbek z karbem, w porównaniu do tak samo obrobionych cieplnie próbek, ale bez karbu, zestawiono poniŜej podstawowe parametry aktywności akustycznej, towarzyszącej ich rozciąganiu:

Oznaczenie próbki

Liczba zdarzeń powyŜej progu 120 jednostek umownych (j.u.)

Liczba zdarzeń o energii

przekraczającej 1000 j.u.

Maksymalna energia zdarzenia zarejestrowana w

próbce [j.u.]

Maksymalny czas trwania zdarzenia

zarejestrowany w próbce [ms]

H13kr 50 25 50067 103

H14kr 67 39 52371 118

H11 60 32 29097 73

H12 56 24 28233 71

Z powyŜszego zestawienia wynika, Ŝe próbki z karbem charakteryzują się

zdecydowanie większą (ok.50%) maksymalną energią zdarzeń EA, przy jednoczesnym wzroście maksymalnego czasu trwania rejestrowanych sygnałów o ok. 30% - rys.4 i 5. Efekt Kaisera

Zjawisko to związane jest z faktem, Ŝe przy następnym cyklu obciąŜenia nie

przekraczającym poprzedniej wartości, emisja akustyczna nie powinna wystąpić. Obecność efektu Kaisera zbadano obciąŜając próbkę siłą 5000N, a następnie

zdejmując obciąŜenie i obciąŜając ją powtórnie.Badania przeprowadzono dla próbki normalizowanej (N-10K) i surowej (S-13K), ich wyniki przedstawiono na poniŜszych wykresach.

136

Rys.6. Próbka normalizowana i wyŜarzana N-10WK. Efekt Kaisera – przebieg

obciąŜenia ; R i Ls

137

Rys.7. Próbka normalizowana i wyŜarzana N-10WK. Efekt Kaisera – przebieg

obciąŜenia ; R i Ls

138

Rys.8. Próbka normalizowana i wyŜarzana N-10WK. Efekt Kaisera – trzykrotne obciąŜenie siłą 1000 kG ; Ls

139

Rys.9. Próbka surowa S-13K. Efekt Kaisera; R i Ls

140

Rys.10. Próbka surowa S-13K. Efekt Kaisera; R i Ls

141

Rys.11. Próbka surowa S-13K. Efekt Kaisera – dwukrotne obciąŜenia do 2000 kG

3. Podsumowanie wyników i wnioski

Wyniki badań przedstawiono na rys.6 do rys.11, dla próbki normalizowanej i wyŜarzanej (N-10WK) oraz surowej (S-13K). Próbka normalizowana obciąŜana była trzykrotnie, natomiast surowa dwukrotnie.

Obserwuje się, dla kolejnych obciąŜeń, wyraźny zanik sygnałów akustycznych (rys.6 i 9), co potwierdzają przebiegi skumulowanych amplitud sygnałów Ls (rys.7 i 8 oraz rys.10 i 11).

Współczynniki tłumienia α, informujące o spadku intensywności emisji akustycznej dla kolejnych obciąŜeń wynoszą:

- dla próbki normalizowanej:

142

- dla drugiego obciąŜenia: α1/2=11,5 - dla trzeciego obciąŜenia: α1/3=23

- dla próbki surowej: α1/2=4,14. Literatura

1. Emisja akustyczna; KBN, Warszawa 1994. 2. Określanie parametrów akustycznych materiałów konstrukcyjnych; KBN, WITU

Zielonka 2001. 3. Sprawozdanie z pracy nt. „Przeprowadzenie badań zjawiska emisji akustycznej

towarzyszącej rozciąganiu próbek stalowych”; IPPT 2001. 4. Sprawozdanie z pracy nt. „Badanie zjawiska emisji akustycznej w trakcie prób

rozciągania przygotowanych próbek ze stali 30HGS”; PW Wydział InŜynierii Materiałowej 2001

5. Adamczyk E., Ranachowski J., Ranachowski Z., Szachnowski W. Badanie procesów korozji napręŜeniowej stali konstrukcyjnych dla lotnictwa

metodą EA. Elektryczne i akustyczne metody badań materiałów. Materiały z Seminarium w Jabłonnej, grudzień 1983, wyd. IPPT, Warszawa 1984.