Annex 1 - Instytut Transportu Samochodowego

Katarzyna Makowska
Zbigniew L. Kowalewski
Instytut Transportu Samochodowego
OCENA STOPNIA USZKODZENIA STALI 40HNMA METODAMI
NIENISZCZĄCYMI I NISZCZĄCYMI
W artykule przedstawiono próbę oceny stanu degradacji mechanicznej i strukturalnej stali
40HNMA, stosowanej m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, metodami nieniszczącymi
i niszczącymi. Szczególny nacisk położono na nowoczesne badania ultradźwiękowe
i magnetyczne.
EVALUATION OF DAMAGE DEGREE OF THE 40HNMA STEEL
BY MEANS OF NON-DESTRUCTIVE AND DESTRUCTIVE METHODS
This work presents an attempt to evaluate a stage of mechanical and structural
degradation of 40HNMA steel, used for example in automotive industry, by means of nondestructive and destructive methods. The modern ultrasonic and magnetic investigation
were mainly applied.
Ocena stanu uszkodzenia...
1. Wprowadzenie
Obecnie znanych jest wiele metod badań niszczących i nieniszczących, których wyniki
określają stan uszkodzenia różnych elementów czy urządzeń. Do badań niszczących należą
na przykład mikroskopia świetlna i testy wytrzymałościowe, natomiast do metod
nieniszczących między innymi badania ultradźwiękowe i metoda prądów wirowych.
Wspólną cechą dużej części badań nieniszczących jest fakt, że określają one zwykle
ostatnie stadium zniszczenia materiału. Dlatego też prowadzi się ciągle prace nad
metodami, które pozwoliłyby na określanie degradacji materiału, z którego zbudowany jest
dany element, już we wczesnym etapie procesu jego niszczenia. Metody te oparte są na
pomiarze anizotropii akustycznej oraz na badaniach magnetycznych szumów Barkhausena
i emisji magnetoakustycznej.
Dwójłomność akustyczna stanowi miarę anizotropii sprężystej materiału. Cechę tę
określa się na podstawie pomiarów czasów przejścia przez grubość próbki fal
poprzecznych spolaryzowanych w kierunku odkształcenia trwałego tej próbki i w kierunku
do niego prostopadłym.
Polowy efekt Barkhausena polega na wymuszeniu skokowych ruchów granic
domenowych typu 180º i 90º poprzez zmianę natężenia pola magnetycznego. Defekty
struktury takie, jak granice ziaren, dyslokacje czy wydzielenia faz niemagnetycznych,
blokują ruch granic domenowych wymuszony przez narastające zewnętrzne pole
magnetyczne. Gdy granice domenowe odblokowują się, następuje skokowy ruch domen
(tzw. skok Barkhausena), który można identyfikować jako sygnał napięciowy indukowany
w cewce zbliżonej do powierzchni ferromagnetyka albo nawiniętej na magnesowany
materiał. Zjawisko emisji magnetoakustycznej polega natomiast na wygenerowaniu fali
dźwiękowej przez skokowy ruch granicy domenowej typu 90o w materiale o niezerowej
magnetostrykcji.
Celem niniejszej pracy było oszacowanie stopnia degradacji mechanicznej
i strukturalnej stali 40HNMA na podstawie analizy wybranych parametrów otrzymanych
z badań nieniszczących (ultradźwiękowych i magnetycznych) oraz niszczących
(mechanicznych i strukturalnych).
2. Metodyka badań
Badany materiał stanowiła stal 40HNMA o składzie chemicznym podanym w tabeli 1,
z której wykonano płaskie próbki wytrzymałościowe. Poddano je procesowi pełzania
przy naprężeniu 250MPa w temperaturze 500ºC, przy czym każdą z próbek zdeformowano
do innego poziomu odkształceń ε: 0,36% (100h), 0,81% (241h), 1,13% (452h), 1,2%
(550h), 2,3% (792h), 4% (929h), 6,51% (988h). Następnie na próbkach przeprowadzono
nieniszczące badania ultradźwiękowe i magnetyczne.
Tabela 1
Skład chemiczny stali 40HNMA
Table 1
Chemical composition of the 40HNMA steel
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
V
W
Ti
Cu
As
Fe
0.40
0.65
0.2
0.03
0.025
0.70
1.40
0.22
0.04
0.16
0.03
0.21
0.06
reszta
92
Transport Samochodowy 4-2010
2.1. Badania nieniszczące
2.1.1. Badania ultradźwiękowe
Nieniszczące badania ultradźwiękowe polegały
akustycznej B , którą wyznaczano na podstawie [3]:
B  2
na
pomiarach
dwójłomności
tl  t p
(1)
tl  t p
gdzie:
t l [s] - czas przejścia fali spolaryzowanej w kierunku osi próbki (w kierunku obciążenia),
t p [s] - czas przejścia fali spolaryzowanej w kierunku prostopadłym do obciążenia próbki.
Pomiary czasu przejścia fal wykonywano metodą echa w środkowych częściach
pomiarowych płaskich próbek wytrzymałościowych. Do badań wykorzystano głowicę
normalną wprowadzającą do materiału fale poprzeczne, wyposażoną w przetwornik
o średnicy 8mm i częstotliwości ƒ = 5MHz. Ośrodek sprzęgający, umożliwiający
przeniesienie drgań ścinania z głowicy do materiału próbki, stanowiła żywica epoksydowa
o wysokiej lepkości (bez utwardzacza). Pomiary ultradźwiękowe wykonywano metodą
różnicową – różnicę czasów mierzono między trzecim a pierwszym odbiciem fal
od przeciwległej powierzchni próbki. W ten sposób wyeliminowano wpływ czasu przejścia
fali przez warstwę żywicy epoksydowej.
2.1.2. Badania magnetyczne
W przypadku badań magnetycznych wykonywanych na wstępnie odkształconych
próbkach poszukiwano maksymalnej różniczkowej przenikalności magnetycznej μdif·norm
oraz efektu histerezy magnetycznej, efektu Barkhausena (HEB) i efektu emisji
magnetoakustycznej (MAE). Pomiary magnetyczne wykonywano za pomocą urządzenia
przedstawionego na rys. 1.
5
2
3
1
4
Rys. 1. Schemat urządzenia do pomiarów właściwości magnetycznych;
1 – próbka, 2 – cewka detekcyjna, 3 – solenoid, 4 – zwora, 5 – przetwornik piezoelektryczny
Fig. 1. The scheme of the measuring set for measuring magnetic properties;
1 – sample, 2 – pick-up coil, 3 – selenoid, 4 – core,
5 – piezoelectric sensor
93
Ocena stanu uszkodzenia...
Próbka (1) była magnetyzowana przez solenoid (3). Magnesowanie realizowano
przepuszczając przez cewkę magnesującą prąd liniowo zmienny w czasie. Do zamknięcia
strumienia magnetycznego zastosowano zworę typu C ze stali krzemowej (4). Do
zobrazowania pętli histerezy B(H ) i oceny natężenia polowego efektu Barkhausena
wykorzystano indukowany w cewce detekcyjnej (2) sygnał napięciowy U 0 . Pętlę histerezy
B(H ) wyznaczano z sygnału U 0 metodą całkowania tego napięcia po czasie [1].
Z szerokości pętli histerezy magnetycznej wyznaczano wartość pola koercji Hc . W celu
oszacowania polowego efektu Barkhausena (HEB) wydzielano z U 0 za pomocą filtra
górno-przepustowego składową szybkozmienną, dla której określano za pomocą układu
analogowego typu „rms” chwilową wartość napięcia skutecznego U b . Zjawisko emisji
magnetoakustycznej (EMA) badano za pomocą przetwornika piezoelektrycznego (5).
Obwiednię chwilowego napięcia skutecznego na wyjściu z cewki wyznaczano ze wzoru
[1]:

 U tb1 (t )dt
2
Ub 
0

(2)
gdzie:
U tb1 [V] - składowa szybkozmienna definiująca napięcie wydzielone za pomocą filtra
górnoprzepustowego z napięcia indukowanego na cewce detekcyjnej,
 [ms] - czas całkowania.
Całkę z obwiedni napięcia skutecznego efektu Barkhausena CHBN, po korekcji „tła”
szumu układu pomiarowego, określono jako:
Ug max
C HBN 

U sb dU g
Ug max
(3)
przy czym:
U sb  U b2  U tb2
(4)
gdzie:
U sb [V] - chwilowe napięcie skuteczne Barkhausena (po korekcie),
U b [V] - chwilowe napięcie skuteczne Barkhausena na wyjściu z cewki,
U tb [V] - chwilowe napięcie skuteczne tła.
Analogicznie wyznaczono całkę z obwiedni napięcia skutecznego CMAE, po korekcji
„tła” szumu układu pomiarowego emisji magnetoakustycznej.
Następnie wartości CHBN i CMAE znormalizowano, uzyskując CHBNnorm i CMAEnorm
(wartości całek CHBN i CMAE próbek o danych odkształceniach wstępnych podzielono przez
odpowiednie wartości całek CHBN i CMAE próbki nieodkształconej).
Na podstawie pomiaru efektu Barkhausena wyznaczono parametr Uapp stanowiący
różnicę napięcia między wysokością piku Ub (maksimum Ub) a poziomem tła Utb, [V].
Na podstawie pomiarów emisji magnetoakustycznej wyznaczono także parametr Uapp,
stanowiący różnicę napięcia między wysokością najwyższego piku Ua (wartością
maksimum Ua) a poziomem tła Uta, [V].
Wartości parametrów Ubpp i Uapp
znormalizowano (jak w przypadku wartości całek) w celu przedstawieniu ich względnych
94
Transport Samochodowy 4-2010
zmian.
Przebadano również pola koercji wszystkich próbek, wyznaczając parametr H cnorm
(znormalizowane pole koercji) stanowiący stosunek pola koercji danej próbki do pola
koercji próbki nieodkształconej.
Ponadto, wyznaczono parametr  dif  norm (znormalizowaną maksymalną różniczkową
przenikalność magnetyczną) jako stosunek maksymalnej różniczkowej przenikalności
magnetycznej danej próbki do wielkości analogicznej dla próbki o odkształceniu ε = 0%.
Pętlę histerezy B(H ) wyznaczano z sygnału U 0 metodą całkowania tego napięcia po
czasie:
dB
dt
(5)
U
dB  0  dt
N S
(6)
U0  N  S 

1

 dB  N  S U dt
0
0
B( ) 
0
(7)

1
U 0 dt
N  S 0
(8)
gdzie:
U 0 [V] - napięcie indukowane w cewce,
N
S [m2]
- liczba zwojów,
- przekrój próbki.
Maksymalną
różniczkową
na podstawie:
U0  N 
przenikalność
magnetyczną
d
d dH
dH dB
N

 N S 

dt
dH dt
dt dH
Zatem  dif  norm wyznaczono z zależności:
U0  N  S 
dH
  dif
dt
 dif  norm wyznaczono
(9)
(10)
gdzie:
 [Wb] - strumień magnetyczny.
2.2. Badania niszczące
2.2.1. Ocena degradacji stali 40HNMA za pomocą badań mechanicznych
Kolejny etap badań stanowiło przeprowadzenie na próbkach poddanych wstępnemu
pełzaniu statycznej próby rozciągania w temperaturze pokojowej i wyznaczenie typowych
jej parametrów: granicy plastyczności i wytrzymałości, wydłużenia względnego oraz
modułu Younga. Do tego celu wykorzystano maszynę wytrzymałościową MTS 810.23.
2.2.2. Ocena degradacji strukturalnej stali 40HNMA
W celu dokonania oceny stopnia degradacji strukturalnej wykonano zdjęcia przełomów
95
Ocena stanu uszkodzenia...
próbek za pomocą mikroskopu skaningowego JEOL 6360LA. Następnie z zerwanych
próbek wytrzymałościowych odcięto ich fragmenty i wykonano na nich zgłady
metalograficzne w ten sposób, aby dokonać obserwacji przy użyciu mikroskopu
świetlnego wzdłuż osi próbki wytrzymałościowej. Wykonano także badania metodami
metalografii ilościowej, polegające na pomiarach średniego udziału powierzchniowego
pustek AA [%] i średniej liczby pustek przypadającej na 1mm2 zgładu metalograficznego
NA [1/mm2]. Przykładową mikrostrukturę stali 40HNMA, z efektami degradacji (pustki
materiałowe), ilustruje rys. 2a. Wszystkie pomiary wykonywano po uprzedniej detekcji
obrazu w celu otrzymania obrazu binarnego, stanowiącego przedmiot analiz ilościowych
(rys. 2b).
Badania metalograficzne w zakresie mikroskopii świetlnej wykonano wykorzystując
mikroskop OLYMPUS PMG3 sprzężony on-line z komputerowym analizatorem obrazu
CLEMEX. W celu określenia mikrostruktury wytrawiono próbki nitalem.
Rys. 2a. Obraz rzeczywisty stali 40HNMA z
pustkami (ε = 6,51%), światło zwykłe,
pow. 200x
Fig. 2a. Real image of 40HNMA steel with
voids (ε = 6,51%), simple light, magn. 200x
Rys. 2b. Obraz binarny stali 40HNMA
z pustkami (ε = 6,51%), przygotowany
do analizy ilościowej, pow. 200x
Fig. 2a. Binary image of 40HNMA steel with
voids (ε = 6,51%) , prepared to quatitative
analysis, magn. 200x.
3. Wyniki badań
3.1. Wyniki badań nieniszczących
3.1.1. Wyniki badań ultradźwiękowych
Z wykresu przedstawionego na rys. 3 wynika, że dwójłomność akustyczna stali
40HNMA ulega wyraźnej zmianie dopiero przy odkształceniu ok. 4%. Jest to trzeci etap
pełzania, w którym pojawiają się w materiale mikropęknięcia o wymiarach podobnych do
wielkości ziaren. Jest to zaawansowany proces degradacji, odpowiadający ok. 80÷90%
wyczerpaniu żywotności tego materiału. Obniżenie wartości dwójłomności akustycznej
wynika z faktu, że na tym etapie degradacji materiału różnicują się prędkości fal
spolaryzowanych równolegle i prostopadle do kierunku działania obciążeń i tym samym
różnicują się czasy przejścia tych fal [5].
96
Transport Samochodowy 4-2010
krzywa pelzania
dwojlomnosc akustyczna
4
0,0
-0,2
-0,2
-0,4
-0,6
2
0
0
200
400
600
B [%]
 [%]
6
0,0
B [%]
8
-0,4
-0,6
-0,8
-0,8
-1,0
-1,0
0
800 1000
t [h]
Rys. 3. Zależność pomiędzy czasem pełzania
a trwałymi odkształceniami wstępnymi oraz
czasem pełzania a dwójłomnością stali 40HNMA
Fig. 3. Dependence between creep time and prestrain and creep time and the acoustic
birefringence of the 40HNMA steel
1
2
3
4
5
6
7
 [%]
Rys. 4. Zależność pomiędzy trwałymi
odkształceniami wstępnymi a dwójłomnością
stali 40HNMA
Fig.4. Dependence between creep pre-strains
and the acoustic birefringence of the 40HNMA
steel
3.1.2. Wyniki badań magnetycznych
10
6





= 0%
= 0,36%
= 0,81%
= 1,13%
= 6,51%
Ua [V]
Ub [V]
8
4
2
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-6
10





-4
= 0%
= 0,36%
= 0,81%
= 1,13%
= 6,51%
-2
0
2
4
6
8
10
H [ kA/m ]
H [kA/m]
Rys. 5. Obwiednie impulsów Barkhausena
w funkcji natężenia pola magnetycznego
dla próbek o różnym stopniu odkształcenia
Fig. 5. Envelopes of MEB intensity as a function
of magnetic field intensity for samples with
different strain level
Rys. 6. Obwiednie emisji magnetoakustycznej
w funkcji natężenia pola magnetycznego dla
próbek o różnym stopniu odkształcenia
Fig. 6. Envelopes of MAE intensity as
a function of magnetic field intensity for
samples with different strain level
Obwiednie utworzone z wartości skutecznych napięcia impulsów efektu Barkhausena
(rys. 5) charakteryzują się niewielkimi zmianami dla próbek o różnych stopniach
odkształcenia.
W początkowej fazie odkształcenia (do ok. 1% odkształcenia) wysokości obwiedni
wartości skutecznych napięcia impulsów efektu Barkhausena nieznacznie obniżają się,
natomiast dla próbki o odkształceniu 6,51% zaobserwowano niewielki wzrost wysokości
tej obwiedni. Z przeglądu literaturowego wiadomo, że maksimum efektu Barkhausena
występuje wtedy, gdy wydzielenia osiągają wymiar porównywalny z szerokością granicy
typu 180º (d ≈ 0,1μm) [1].
Z rys. 5 wynika natomiast, że obwiednie utworzone z wartości skutecznych napięcia
impulsów emisji magnetoakustycznej są zmienne dla różnych stopni odkształceń próbek.
Podwyższenie natężenia emisji magnetoakustycznej dla próbek odkształconych 0,81%
i 1,13% względem próbki nieodkształconej jest spowodowane, zwiększoną na skutek
97
Ocena stanu uszkodzenia...
obniżenia lokalnych naprężeń, ruchliwością granic domenowych typu 90º. Mikropęknięcia
powstające w dalszym etapie procesu pełzania, mogą stanowić miejsca powstania domen
domykających, których skokowy ruch pod wpływem narastającego zewnętrznego pola
magnetycznego przyczynia się także do wzrostu natężenia emisji magnetoakustycznej.
Obniżenie natężenia emisji magnetoakustycznej dla próbki odkształconej 6,51% wynika
z demagnetyzacji próbki na skutek powstałych w niej mikropęknięć [4].
W dalszej części artykułu przedstawiono wartości parametrów magnetycznych
wyznaczonych analitycznie z obwiedni utworzonych z wartości skutecznych napięcia
impulsów Barkhausena i emisji magnetoakustycznej (rys. 7-8). Parametrami bardziej
czułymi na zmianę wartości odkształceń są parametry charakteryzujące emisję
magnetoakustyczną – Uapp·norm (rys. 7), CMAEnorm (rys. 8) oraz Hc·norm i μdif.norm (rys. 10).
1,15
1,16
1,10
1,05
1,08
1,00
1,04
0,95
1,00
0,90
0,96
0,85
Ubpp norm [j.w.]
Uapp norm [j.w.]
0,80
0
1
2
3
4
0,92
0,88
5
6
0
7
0,6
0,2
0,0
-5
0
5
3
4
1,14
1,11
1,08
1,05
1,02
0,99
0,96
0,93
0,90
0,8
0,4
2
5
6
7
Rys. 8. Całka z półokresu sygnału napięciowego
efektu Barkhausena i emisji magnetoakustycznej
dla próbek o różnym wstępnym odkształceniu
trwałym
Fig. 8. Integral of half-period voltage signal of
Barkhausen effect and magnetoacoustic emission
for samples with different values of plastic
pre-strain
1,0





1
 [%]
 [%]
Rys. 7. Różnica napięcia między wysokością
piku efektu Barkhausena Ub a poziomem tła
Utb oraz wysokością piku emisji
magnetoakustycznej Ua a poziomem tła Uta
Fig. 7. The voltage difference between height
peak of Barkhausen effect Ub and backround
noise Utb and height peak of magnetoacoustic
emission Ua and background noise Uta
B[T]
CHBN norm [j.w.]
CMAE norm [j.w.]
1,12
= 0%
= 0,36%
= 0,81%
= 1,13%
= 6,51%
-1
10
H [kA/m]
Rys. 9. Zmienność kształtu pętli histerezy
magnetycznej dla próbek o różnych wartościach
wstępnego odkształcenia trwałego
Fig. 9. Shape variation of the hysteresis loops for
samples with different values of creep pre-strain
98
Hc norm [j.w.]
 dif norm [j.w.]
0
1
2
3
 [%]
4
5
6
7
Rys. 10. Pole koercji oraz różniczkowa
przenikalność magnetyczna dla próbek
o różnych wartościach wstępnego
odkształcenia trwałego
Fig. 10. Coercivity and differential
permeability for samples with different values
of plastic pre-strain
Transport Samochodowy 4-2010
Na rys. 9 zilustrowano wpływ wstępnego odkształcenia trwałego próbek na kształt pętli
histerezy. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem wstępnego odkształcenia trwałego próbek,
wartości indukcji nasycenia zmniejszają się (rys. 9). Z pętli histerezy wyliczono także pole
koercji i przedstawiono na rys. 10 wraz z maksymalną różniczkową przenikalnością
magnetyczną. Pole koercji wzrasta dla próbek o coraz to większym poziomie odkształceń,
ponieważ wydzielenia w materiale ulegają koagulacji pod wpływem działania temperatury
pełzania i w większym stopniu utrudniają ruch ścian domenowych [2].
240
21
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
A [%]
1
2
3
4
5
6
220
15
7
210
12
200
9
190
6
180
3
170
0
0
230
18
Re
Rm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
E [GPa]
 [MPa]
3.2. Wyniki badań niszczących
3.2.1. Wyniki badań mechanicznych
160
 [%]
Rys. 12. Zmiany wydłużenia względnego
i modułu Younga
Fig. 12. Changes of relative elongation
and Young’s modulus
 [%]
Rys. 11. Zmiany granicy plastyczności
i wytrzymałości na rozciąganie
Fig. 11. Changes of yield point and ultimate
tensile stress
Z przeprowadzonej statycznej próby rozciągania na wcześniej odkształconych próbkach
wynika, że zarówno granica plastyczności, jak i wytrzymałość na rozciąganie maleją
niemal liniowo wraz z zadanym poziomem odkształceń (rys. 11). Zaobserwowano także,
że wraz z zadanym poziomem odkształceń obniżyły się wartości wydłużenia względnego
(rys. 12). Nie stwierdzono natomiast istotnych zmian modułu Younga (rys. 12).
3.2.2. Wyniki badań strukturalnych
Metodami SEM przeprowadzono obserwacje przełomów w stali 40HNMA po procesie
pełzania w 500°C i rozciąganiu do zerwania w temperaturze pokojowej. Wyniki
przeprowadzonych
obserwacji
udokumentowano
na fotografiach
przełomów
zamieszczonych w tabeli 2, wykonanych przy powiększeniach 23 i 1000x.
99
Ocena stanu uszkodzenia...
Tabela 2
Przełomy stali 40HNMA po procesie pełzania w 500°C i statycznej próbie rozciągania
w temperaturze pokojowej
Table 2
The fractures of the 40HNMA steel after creep at 500°C and static tensile test at room temperature
ε [%]
powiększenie 23×
powiększenie 1000×
0,36
0,81
1,13
6,51
Fotografie ilustrujące ciągliwe przełomy stali 40HNMA przedstawiają występowanie
dwóch stref - jednej względnie gładkiej, o grubości ok. 1mm (zdjęcia po lewej stronie
100
Transport Samochodowy 4-2010
w tabeli 2) i pozostałej, w obszarze której widoczne są liczne pustki materiałowe
(zorientowane w różnych kierunkach) oraz pęknięcia (zdjęcia po prawej stronie
w tabeli 2).
Na fotografiach wykonanych za pomocą mikroskopu świetlnego zaobserwowano
na wszystkich próbkach poddanych procesowi pełzania i rozciąganiu do zerwania pustki
materiałowe. Stwierdzono, że im większe odkształcenie próbki, tym jest więcej pustek
materiałowych. Na zdjęciu, na rysunku 13, widoczny jest silny efekt degradacji stali
40HNMA o wstępnym odkształceniu trwałym ε = 6,51% o kierunku prostopadłym do
pasm wtrąceń niemetalicznych. Przy obserwacjach mikroskopowych pod większym
powiększeniem (500x) spostrzeżono, że wtrącenia niemetaliczne uległy fragmentacji
(rys. 14). Po wytrawieniu próbek odczynnikiem chemicznym stwierdzono, że występuje
w nich struktura sorbityczna (rys. 15).
Rys. 13. Stal 40HNMA, ε = 6,51%, degradacja
materiału, światło zwykłe, stan nietrawiony,
pow. 25x
Fig. 13. The 40HNMA steel, ε= 6,51%,
material’s degradation, simple light,
not etched state, magn. 25x
Rys. 14. Stal 40HNMA, ε = 6,51%, degradacja
materiału, światło zwykłe, stan nietrawiony, pow.
500x
Fig. 14. The 40HNMA steel, ε = 6,51%,
material’s degradation, simple light,
not etched state, magn. 500x
Rys. 15. Stal 40HNMA, ε = 6,51%,
mikrostruktura sorbityczna, światło zwykłe,
stan trawiony, pow. 500x
Fig. 15. The 40HNMA steel, ε = 6,51%,
sorbite microstructure, simple light,
etched state, magn. 500x
Na rysunkach 16-19 przedstawiono przykładowe obszary zgładów metalograficznych
próbek poddanych wstępnemu odkształceniu trwałemu ε. Wartości wyznaczonych
parametrów geometrycznych licznych pustek materiałowych, zaobserwowanych
w próbkach, zamieszczono pod rysunkami 16 - 19.
101
Ocena stanu uszkodzenia...
Rys. 16. Degradacja stali 40HNMA,
ε = 0,36%, AA= 0,16 %,
NA = 281 [1/mm]2
Fig. 16. Degradation of 40HNMA steel,
ε = 0,36%, AA= 0,16 %,
NA = 281 [1/mm] 2
Rys. 17. Degradacja stali 40HNMA,
ε = 0,81%, AA= 0,19%,
NA = 591 [1/mm]2
Fig. 17. Degradation of 40HNMA steel,
ε = 0,81%, AA= 0,19%,
NA = 591 [1/mm] 2
Rys. 18. Degradacja stali 40HNMA,
ε = 1,13%, AA = 0,17%,
NA = 197 [1/mm]2
Fig.18. Degradation of 40HNMA steel,
ε = 1,13%, AA = 0,17%,
NA = 197 [1/mm] 2
Rys. 19. Degradacja stali 40HNMA,
ε = 6,51%, AA = 0,42%,
NA = 715 [1/mm]2
Fig. 19. Degradation of 40HNMA steel,
ε = 6,51%, AA= 0,42%,
NA = 715 [1/mm] 2
Następnie parametry strukturalne przeanalizowano pod kątem ich korelacji
z parametrem ultradźwiękowym. Z wykresów przedstawionych na rys. 20-21 wynika, że
dwójłomność akustyczna jest parametrem czułym na udział oraz liczbę zorientowanych
pustek w materiale i może być stosowana do oceny degradacji strukturalnej stali 40HNMA
poddanej pełzaniu.
102
0,0
0,0
-0,2
-0,2
-0,4
-0,4
B [%]
B [%]
Transport Samochodowy 4-2010
-0,6
-0,8
-0,6
-0,8
-1,0
-1,0
-1,2
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0
200
400
600
800
2
NA [1/mm ]
AA sr [%]
Rys 20. Zależność pomiędzy dwójłomnością
akustyczną i średnią liczbą pustek
Fig. 20. Dependence between acoustic
birefringence and mean area fraction of holes
Rys. 21. Zależność pomiędzy dwójłomnością
akustyczną i liczbą pustek
Fig. 21. Dependence between acoustic
birefringence and mean quantity of holes
4. Wnioski
Z przeprowadzonych badań wynika, że dwójłomność akustyczna oraz wyznaczone
parametry magnetyczne, podobnie jak parametry mechaniczne (z wyjątkiem modułu
Younga), są wrażliwe na stopień odkształcenia i umożliwiają oszacowanie degradacji stali
40HNMA poddanej procesowi pełzania w temperaturze 500°C, przy naprężeniu 250MPa.
Nie oznacza to jednak, że badane parametry metod nieniszczących i niszczących,
zachowują się podobnie w przypadku innych materiałów metalicznych. Zaleca się zatem
przeprowadzenie analogicznych badań dla innych materiałów, którym zadano
odkształcenie wstępne w inny sposób niż poprzez pełzanie, np. przez deformację
plastyczną, zmęczenie, deformację w złożonym stanie naprężeń.
Podziękowania
Autorzy artykułu składają podziękowanie Panu dr hab. inż. Jackowi Szelążkowi oraz
Panu dr hab. inż. Bolesławowi Augustyniakowi, prof. nadzw. PG, za udostępnienie wykorzystanych
w niniejszej pracy wyników badań ultradźwiękowych i magnetycznych.
LITERATURA:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Augustyniak B. – Zjawiska magnetosprężyste i ich wykorzystanie w nieniszczących
badaniach materiałów, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2003
Jiles D. – Introduction to magnetism and magnetic materials, Taylor & Francis, USA, Iowa,
1998
Mackiewicz S. – Możliwości ultradźwiękowej oceny degradacji stali energetycznych w
wyniku długotrwałej eksploatacji, 2005, http://www.ndtsoft.pl/artykuly/Ustron2005.pdf
Mohapatra J.N., Ray A.K., Swaminathan J., Mitra A. – Creep behaviour study of virgin and
service exposed 5Cr–0.5Mo steel using magnetic Barkhausen emissions technique, Journal
of Magnetism and Magnetic Materials 320 (2008) 2284– 2290.
Nanekar P.P, Shah B.K. – Characterization of material properties by ultrasonics, BARC
Newsletter, Issue No. 249
103