ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛАХ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОЙ

ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛАХ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОЙ
ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
Подымова Н.Б., Карабутов А.А.
Россия, Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М.В.Ломоносова
[email protected]
LASER OPTOACOUSTIC METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING OF RESIDUAL STRESS
IN METALS AFTER PLASMA SURFACE TREATMENT
Podymova N.B., Karabutov A.A.
In the present work the method of the ultrasonic nondestructive testing of the residual stress distribution in
the plasma-treated steel specimens is proposed. It is based on the effect of acoustoelasticity establishing a
linear relationship between the residual stress and the relative variation of ultrasonic wave velocity in a
treated specimen. We employed the laser thermooptical generation of nanosecond ultrasonic pulses in a
specimen under study and their piezoelectric detection with a high temporal resolution. The specimens
studied were manufactured from steel used for wheel treads and were subjected to the plasma surface
treatment. The results showed the presence of the non-uniform compression residual stress in the subsurface
layer of the specimen in the area of the maximum action of the plasma jet.
Плазменное поверхностное упрочнение является процессом химико-термической обработки с
целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Известно, что при плазменном
воздействии на поверхность металла образуется зона термического влияния (ЗТВ), фазовоструктурные превращения в которой приводят к возникновению остаточных напряжений. Эти
напряжения могут влиять на прочность и износостойкость поверхностного слоя. Поэтому изучение
особенностей распределения остаточных напряжений является актуальной задачей для выработки
оптимальных параметров процесса плазменной обработки.
Целью настоящей работы являлась разработка ультразвукового неразрушающего метода
диагностики остаточных напряжений в плазменно-упрочненных стальных образцах. Принципиальная
возможность такого метода основана на акустоупругом эффекте, устанавливающим линейную связь
между остаточными напряжениями и относительным изменением скорости ультразвуковых волн в
участках образца, подвергнутых воздействию, по сравнению с исходным состоянием [1].
Исследовались образцы колесной стали 60Г
(рис.1), подвергнутые плазменной поверхностной
обработке
с
целью
повышения
их
износостойкости с использованием генератора
низкотемпературной плазмы с расширяющимся
каналом выходного электрода [2]. Движение
щелевого преобразователя шириной 40 мм,
формирующего плазменную струю, происходило
со скоростью 5 мм/с в направлении X 1 вдоль всей
поверхности образца, поэтому мы считали, что
тепловое воздействие на эту поверхность было
равномерным. Таким образом, градиенты
температурного поля имели место только в
Рис.1
направлении X 2 (их распределение повторяет
поперечное распределение теплового потока в плазменной струе и симметрично относительно
середины образца) и в направлении X 3 за счет спадания температуры в глубину образца.
В данной задаче рассматривается изотропное твердое тело, для которого тензор остаточных
напряжений в системе координат X1 , X 2 , X 3  имеет только две диагональные компоненты  22 и
 33 , а «зондирующая» продольная ультразвуковая волна бежит вдоль оси X 1 со скоростью V x1 . В
этом случае относительное изменение скорости этой волны пропорционально сумме ненулевых
компонент тензора напряжений [1, 3]:
(Vx1  V0 )
  Vx1  A 22   33  ,
(1)
V0
2 ( a  b)   ( 2  4  2b  c )
6K (  2 
определяется константами Ламе  и  и нелинейными модулями упругости a, b, c третьего порядка;

K     - модуль всестороннего сжатия, V0 - фазовая скорость продольных акустических волн в
3
ненапряженном материале. Основной сложностью метода акустоупругости является малость
величины относительного изменения фазовой скорости ультразвука, например, для остаточных
напряжений на уровне предела текучести относительное изменение скорости продольных
акустических волн составляет порядка 6·10-4 [1].
Для преодоления этих сложностей предлагается использовать лазерный оптико-акустический
метод, основанный на лазерном возбуждении мощных ультразвуковых импульсов наносекундной
длительности (ОА сигналов) и их пьезоэлектрической регистрации с высоким временным
разрешением [3]. Методика аналогична времяпролетным измерениям скорости ультразвука.
Основное преимущество заключается в малой длительности ОА сигналов, что позволяет добиться
высокой точности определения относительного изменения фазовой скорости ультразвуковых волн.
Исследуемый образец условно разбивался на участки с шагом 5 мм по оси X 2 симметрично
относительно середины образца от -20 мм до +20 мм. В каждом участке измерялась скорость
V x1 продольной ультразвуковой волны, распространяющейся вдоль оси X 1 , в зависимости от
где коэффициент акустоупругости исследуемого материала
A
расстояния x3 от обработанной поверхности ( x3 = 0). Таким образом были получены зависимости
 V x1 ( x3 ) (1) для каждого участка разбиения по оси X 2 . Измеренная фазовая скорость в образце до
воздействия V0 = (5917±3) м/с. Принципиальным требованием является плоскопараллельность граней
образца, параллельных плоскости (X2X3). Это обеспечивает необходимую точность измерений
абсолютной скорости Vx1 для достоверной регистрации малых относительных изменений  V x1 .
Координата х2 , мм:
0.4
-20
-15
-10
-5
0.3
 Vx1 , %
0.2
x 2= 0
20
15
10
5
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
Глубина х3, мм
Рис.2
На рис.2 показаны зависимости  Vx1 x3  ,
полученные при усреднении экспериментальных
данных для трех образцов. В области максимального
воздействия плазменной струи ( x 2 меняется от -10мм
до +10 мм) на глубинах до x3  6-7 мм значение
 Vx1  0 . Это означает присутствие сжимающих
остаточных напряжений [1] под обработанной
поверхностью x3 = 0, причем их абсолютная
величина уменьшается при удалении от этой
поверхности.
В
краевых
участках
образца
( x 2 = ±20мм)
наблюдаются
неоднородные
растягивающие напряжения (  Vx1  0 ) до глубины
x3  9-10 мм. Это может объясняться совместным
влиянием слабого нагрева со стороны краев плазменного пучка и относительно быстрого остывания
торцов образца. В участках x 2 =±15 мм наблюдаются знакопеременные остаточные напряжения: на
глубине 1-2 мм под обработанной поверхностью – сжимающие, на больших глубинах вплоть до
x3  9-10 мм – растягивающие. Для определения абсолютных величин остаточных напряжений
необходима калибровка метода – измерение относительного изменения скорости ультразвука при
известной нагрузке для определения коэффициента A акустоупругости исследуемого материала [1, 3].
Таким образом, предложенный лазерный оптико-акустический метод позволяет осуществлять
неразрушающую диагностику наличия и распределения остаточных напряжений в приповерхностных
слоях металлических образцов после их плазменной обработки. Полученные результаты могут быть
использованы в сочетании с измерениями твердости и износостойкости для оптимизации
технологических параметров плазменного воздействия.
1. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: Наук. Думка, 1977. 162 с.
2. Исакаев М.Э.Х., Синкевич О.А. и др. // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. С.105.
3. Ивочкин А.Ю., Карабутов А.А. и др. // Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 4. С.540.