Помощь студентам в учебе
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТЕНД КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ТИТАН-ВОДОРОД)
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ
КОНТРОЛЯ ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ 9
1.1 Титан и его сплавы 9
1.2 Водородная хрупкость титана 13
1.3 Система титан - водород 15
1.4 Влияние водорода на механические характеристики
титана 22
1.5 Классификация акустических методов неразрушающего контроля и
области их применения 28
1.6 Физические основы и закономерности распространения
ультразвуковых волн в металлах 32
1.7 Волны Рэлея. Уравнения движения, граничные условия,
характеристическое уравнение 43
1.7.1 Затухание рэлеевских волн 46
1.7.2 Влияние дефектов поверхности на распространение рэлеевских
волн 47
1.7.3 Методы возбуждения и приема рэлеевских волн 48
1.8 Применение рэлеевских волн для контроля механических свойств
металлов и сплавов 50
1.9 Влияние водорода на параметры распространения ультразвуковых волн
в металлах и сплавах 52
1.10 Выводы 59
ГЛАВА 2. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТЕНД КОНТРОЛЯ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ВОДОРОД 62
2.1 Разработка ультразвукового стенда контроля 62
2.2 Методика определения скорости распространения рэлеевской
волны 68
2.3 Методика определения скорости распространения рэлеевской волны
разностным методом 69
2.4 Определение рабочих характеристик ультразвукового стенда
контроля 70
2.5 Методика определения коэффициента затухания рэлеевской волны.. .75
2.6 Выводы 81
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТИТАН-ВОДОРОД НА УЛЬТРАЗВУКОВОМ СТЕНДЕ КОНТРОЛЯ 82
3.1 Подготовка образцов 82
3.1.1 Наводороживание из газовой среды 83
3.1.2 Металлографический анализ 86
3.1.3 Рентгеноструктурный анализ 92
3.2 Исследование влияния водорода на скорость распространения
рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ1-0 95
3.3 Исследование влияния водорода на коэффициент затухания рэлеевской
волны в титановом сплаве ВТ1-0 99
3.4 Механические испытания образцов 104
3.5 Выводы 106
Заключение 108
Список использованных источников 110
Приложения 125
ГЛАВА 1 ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ
КОНТРОЛЯ ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ 9
1.1 Титан и его сплавы 9
1.2 Водородная хрупкость титана 13
1.3 Система титан - водород 15
1.4 Влияние водорода на механические характеристики
титана 22
1.5 Классификация акустических методов неразрушающего контроля и
области их применения 28
1.6 Физические основы и закономерности распространения
ультразвуковых волн в металлах 32
1.7 Волны Рэлея. Уравнения движения, граничные условия,
характеристическое уравнение 43
1.7.1 Затухание рэлеевских волн 46
1.7.2 Влияние дефектов поверхности на распространение рэлеевских
волн 47
1.7.3 Методы возбуждения и приема рэлеевских волн 48
1.8 Применение рэлеевских волн для контроля механических свойств
металлов и сплавов 50
1.9 Влияние водорода на параметры распространения ультразвуковых волн
в металлах и сплавах 52
1.10 Выводы 59
ГЛАВА 2. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТЕНД КОНТРОЛЯ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ВОДОРОД 62
2.1 Разработка ультразвукового стенда контроля 62
2.2 Методика определения скорости распространения рэлеевской
волны 68
2.3 Методика определения скорости распространения рэлеевской волны
разностным методом 69
2.4 Определение рабочих характеристик ультразвукового стенда
контроля 70
2.5 Методика определения коэффициента затухания рэлеевской волны.. .75
2.6 Выводы 81
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТИТАН-ВОДОРОД НА УЛЬТРАЗВУКОВОМ СТЕНДЕ КОНТРОЛЯ 82
3.1 Подготовка образцов 82
3.1.1 Наводороживание из газовой среды 83
3.1.2 Металлографический анализ 86
3.1.3 Рентгеноструктурный анализ 92
3.2 Исследование влияния водорода на скорость распространения
рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ1-0 95
3.3 Исследование влияния водорода на коэффициент затухания рэлеевской
волны в титановом сплаве ВТ1-0 99
3.4 Механические испытания образцов 104
3.5 Выводы 106
Заключение 108
Список использованных источников 110
Приложения 125
Создание новых технологий и производств требует применения конструкционных материалов, стойких к агрессивным средам. Традиционно большой интерес в этом плане представляет титан и его сплавы.
Применение титана как конструкционного материала в различных отраслях промышленности обусловлено благоприятным сочетанием его высокой механической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и малой плотности [1].Титан и его сплавы широко используются в ракетной и авиационной технике, химической промышленности.
При эксплуатации изделий из титана и его сплавов в условиях контакта с водородсодержащими средами (водяной пар, углеводородные соединения) в них проникает водород [2, 87]. Наводороживание изделий из титана и титановых сплавов приводит к охрупчиванию материалов и способствует раннему возникновению макротрещин и деградации механических характеристик при их эксплуатации [3, 4].
Нерешенные до настоящего времени проблемы ухудшения свойств металлов, содержащих водород, с одной стороны, и повышение роли водорода для решения технических задач, получения материалов с заданными свойствами с помощью водородной обработки с другой, вызывают необходимость разработки новых и усовершенствования известных метод анализа водорода и дефектов, внесенных при наводороживании [4, 7, 8].
В настоящее время слабо разработаны экспрессные неразрушающие методы для оценки содержания водорода в титановых сплавах, что делает актуальным поиск метода неразрушающего контроля, позволяющего решить эту задачу.
Поиск и разработка методов неразрушающего контроля и исследования конструкционных материалов, склонных к водородному охрупчиванию, является одной из важнейших задач для химической промышленности, нефтегазовой отрасли и ядерной энергетики. Разработка и освоение этих методов позволит отслеживать техническое состояние конструкций и оборудования, контактирующих с водородсодержащими средами, контролировать их соответствие механическим и прочностным параметрам, и прогнозировать время их отказа и разрушения.
Перспективность применения акустических методов для контроля физико-механических свойств металлов и сплавов, исследования систем металл-водород была показана в работах широкого круга авторов: И.А. Викторов, А.А. Ботаки, В.Л. Ульянов, T. Gomez Alvarez-Arenas, И.М. Полетика, P.M. Gomes, Chunjie Ye, Yebo Lu, A. Bleuze, S. Hirsekorn, В.В. Муравьев, Л.Б. Зуев, И.П. Чернов, Ю.П. Черданцев, А.М. Лидер, В.В. Ларионов, Che-Hua Yang, Z. Cherrouf, S.I. Kwun и др. Дальнейшее развитие ультразвуковых методов контроля свойств и характеристик материалов направленно в области применения многоэлементных преобразователей, совершенствования методов ультразвуковой томографии [5, 6], что ставит задачи по уточнению значений акустических параметров контролируемых материалов, определению поверхностной и объемной неоднородностей распределения значений акустических параметров материалов.
Таким образом, для исследования систем металл-водород ультразвуковыми методами контроля необходима разработка экспериментального оборудования и методик, позволяющих с высокой точностью определять параметры распространения упругих волн в металлах и сплавах при их насыщении водородом.
Целью настоящей работы являлась разработка аппаратной и методической частей ультразвукового стенда для контроля параметров распространения рэлеевских волн в системах металл-водород.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Разработать и реализовать ультразвуковой стенд для исследования и контроля процесса водородного охрупчивания в металлах и сплавах.
2. Провести лабораторные исследования с применением разработанного стенда по контролю параметров распространения рэлеевской волны в системе металл-водород.
3. Определить зависимости параметров распространения рэлеевской волны от содержания водорода на примере титанового сплава ВТ 1-0, насыщенного водородом из газовой среды.
Положения, выносимые на защиту
1. Ультразвуковой стенд для исследования и контроля процесса водородного охрупчивания в металлах и сплавах, позволяющий проводить комплексное определение параметров распространения рэлеевской волны.
2. Результаты исследования образцов из титанового сплава ВТ 1-0, исходных и насыщенных водородом из газовой среды при температуре 873 К до концентраций в диапазоне (0,002 - 0,5) мас.%.
3. Способ неразрушающего определения содержания водорода в титановом сплаве ВТ1-0.
4. Способ идентификации водородного охрупчивания сплавов на основе титана.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые:
- на основе современной приборной базы разработана и реализована установка акустического контроля с высокоточной системой позиционирования датчиков и образца;
- изучены закономерности влияния водорода на параметры распространения
рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ 1-0;
- разработан способ контроля содержания водорода в сплавах на основе титана по изменению скорости распространения рэлеевской волны.
Практическая значимость представляемой работы состоит в том, что разработанный ультразвуковой стенд контроля применим для проведения высокоточных измерений и исследования металлов и сплавов. Результаты экспериментального исследования параметров распространения рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ 1-0 с различным содержанием водорода являются основой для разработки неразрушающих методов контроля систем металл-водород и дефектов водородного происхождения.
Результаты работы внедрены в Международной научнообразовательной лаборатории неразрушающего контроля, а также в учебный процесс кафедры общей физики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Практическая значимость подтверждается выполнением автором в качестве соисполнителя следующих научно-исследовательских работ, посвященных разработке и применению метода ультразвукового неразрушающего контроля водородного охрупчивания в металлах и сплавах:
1. Грант по постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 № 220. Направление научных исследований - «Неразрушающий контроль и диагностика в производственной сфере» (2010-2013 гг.). Договор № 11.G34.31.0002 от 30 ноября 2010 г.
2. Государственное задание «Наука» Министерство образования и науки Российской Федерации, тема № 0.1146.2013
3. Государственное задание «Наука» Министерство образования и науки Российской Федерации, тема № 0.1325.2014.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, применением комплексного подхода и современной приборной базы при создании стенда ультразвукового контроля, большим объемом экспериментальных данных и корректностью их обработки с использованием вычислительной техники и современного программного обеспечения, непротиворечивостью данных, полученных в
исследовательской части работы с результатами, полученными другими исследователями (там, где таковые имеются).
Личный вклад автора заключается в участии в постановке задачи, разработке и реализации схемы ультразвукового стенда для контроля водородного охрупчивания в системах металл-водород, а также в проведении большинства экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и их анализе.
Апробация работы и публикации: материалы диссертации были представлены на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2006; ХХХ1Х Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2009; International Congress on Energie Fluxes and Radiation Effects, Томск, 2014.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в журналах из списка ВАК, в 4 статьях в нерецензируемых журналах, а также в 7 сборниках трудов и материалов российских и международных конференций, получен 1 патент РФ. Полный список публикаций автора по теме диссертации приведен в списке литературы [57 - 59, 87, 88, 90 - 113].
Объем и структура работы: диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Общий объем диссертации 126 страниц, включая 45 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 129 наименований.
Применение титана как конструкционного материала в различных отраслях промышленности обусловлено благоприятным сочетанием его высокой механической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и малой плотности [1].Титан и его сплавы широко используются в ракетной и авиационной технике, химической промышленности.
При эксплуатации изделий из титана и его сплавов в условиях контакта с водородсодержащими средами (водяной пар, углеводородные соединения) в них проникает водород [2, 87]. Наводороживание изделий из титана и титановых сплавов приводит к охрупчиванию материалов и способствует раннему возникновению макротрещин и деградации механических характеристик при их эксплуатации [3, 4].
Нерешенные до настоящего времени проблемы ухудшения свойств металлов, содержащих водород, с одной стороны, и повышение роли водорода для решения технических задач, получения материалов с заданными свойствами с помощью водородной обработки с другой, вызывают необходимость разработки новых и усовершенствования известных метод анализа водорода и дефектов, внесенных при наводороживании [4, 7, 8].
В настоящее время слабо разработаны экспрессные неразрушающие методы для оценки содержания водорода в титановых сплавах, что делает актуальным поиск метода неразрушающего контроля, позволяющего решить эту задачу.
Поиск и разработка методов неразрушающего контроля и исследования конструкционных материалов, склонных к водородному охрупчиванию, является одной из важнейших задач для химической промышленности, нефтегазовой отрасли и ядерной энергетики. Разработка и освоение этих методов позволит отслеживать техническое состояние конструкций и оборудования, контактирующих с водородсодержащими средами, контролировать их соответствие механическим и прочностным параметрам, и прогнозировать время их отказа и разрушения.
Перспективность применения акустических методов для контроля физико-механических свойств металлов и сплавов, исследования систем металл-водород была показана в работах широкого круга авторов: И.А. Викторов, А.А. Ботаки, В.Л. Ульянов, T. Gomez Alvarez-Arenas, И.М. Полетика, P.M. Gomes, Chunjie Ye, Yebo Lu, A. Bleuze, S. Hirsekorn, В.В. Муравьев, Л.Б. Зуев, И.П. Чернов, Ю.П. Черданцев, А.М. Лидер, В.В. Ларионов, Che-Hua Yang, Z. Cherrouf, S.I. Kwun и др. Дальнейшее развитие ультразвуковых методов контроля свойств и характеристик материалов направленно в области применения многоэлементных преобразователей, совершенствования методов ультразвуковой томографии [5, 6], что ставит задачи по уточнению значений акустических параметров контролируемых материалов, определению поверхностной и объемной неоднородностей распределения значений акустических параметров материалов.
Таким образом, для исследования систем металл-водород ультразвуковыми методами контроля необходима разработка экспериментального оборудования и методик, позволяющих с высокой точностью определять параметры распространения упругих волн в металлах и сплавах при их насыщении водородом.
Целью настоящей работы являлась разработка аппаратной и методической частей ультразвукового стенда для контроля параметров распространения рэлеевских волн в системах металл-водород.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Разработать и реализовать ультразвуковой стенд для исследования и контроля процесса водородного охрупчивания в металлах и сплавах.
2. Провести лабораторные исследования с применением разработанного стенда по контролю параметров распространения рэлеевской волны в системе металл-водород.
3. Определить зависимости параметров распространения рэлеевской волны от содержания водорода на примере титанового сплава ВТ 1-0, насыщенного водородом из газовой среды.
Положения, выносимые на защиту
1. Ультразвуковой стенд для исследования и контроля процесса водородного охрупчивания в металлах и сплавах, позволяющий проводить комплексное определение параметров распространения рэлеевской волны.
2. Результаты исследования образцов из титанового сплава ВТ 1-0, исходных и насыщенных водородом из газовой среды при температуре 873 К до концентраций в диапазоне (0,002 - 0,5) мас.%.
3. Способ неразрушающего определения содержания водорода в титановом сплаве ВТ1-0.
4. Способ идентификации водородного охрупчивания сплавов на основе титана.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые:
- на основе современной приборной базы разработана и реализована установка акустического контроля с высокоточной системой позиционирования датчиков и образца;
- изучены закономерности влияния водорода на параметры распространения
рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ 1-0;
- разработан способ контроля содержания водорода в сплавах на основе титана по изменению скорости распространения рэлеевской волны.
Практическая значимость представляемой работы состоит в том, что разработанный ультразвуковой стенд контроля применим для проведения высокоточных измерений и исследования металлов и сплавов. Результаты экспериментального исследования параметров распространения рэлеевской волны в титановом сплаве ВТ 1-0 с различным содержанием водорода являются основой для разработки неразрушающих методов контроля систем металл-водород и дефектов водородного происхождения.
Результаты работы внедрены в Международной научнообразовательной лаборатории неразрушающего контроля, а также в учебный процесс кафедры общей физики Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Практическая значимость подтверждается выполнением автором в качестве соисполнителя следующих научно-исследовательских работ, посвященных разработке и применению метода ультразвукового неразрушающего контроля водородного охрупчивания в металлах и сплавах:
1. Грант по постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 № 220. Направление научных исследований - «Неразрушающий контроль и диагностика в производственной сфере» (2010-2013 гг.). Договор № 11.G34.31.0002 от 30 ноября 2010 г.
2. Государственное задание «Наука» Министерство образования и науки Российской Федерации, тема № 0.1146.2013
3. Государственное задание «Наука» Министерство образования и науки Российской Федерации, тема № 0.1325.2014.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, применением комплексного подхода и современной приборной базы при создании стенда ультразвукового контроля, большим объемом экспериментальных данных и корректностью их обработки с использованием вычислительной техники и современного программного обеспечения, непротиворечивостью данных, полученных в
исследовательской части работы с результатами, полученными другими исследователями (там, где таковые имеются).
Личный вклад автора заключается в участии в постановке задачи, разработке и реализации схемы ультразвукового стенда для контроля водородного охрупчивания в системах металл-водород, а также в проведении большинства экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и их анализе.
Апробация работы и публикации: материалы диссертации были представлены на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2006; ХХХ1Х Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2009; International Congress on Energie Fluxes and Radiation Effects, Томск, 2014.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в журналах из списка ВАК, в 4 статьях в нерецензируемых журналах, а также в 7 сборниках трудов и материалов российских и международных конференций, получен 1 патент РФ. Полный список публикаций автора по теме диссертации приведен в списке литературы [57 - 59, 87, 88, 90 - 113].
Объем и структура работы: диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Общий объем диссертации 126 страниц, включая 45 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 129 наименований.
Диссертационная работа посвящена разработке и применению ультразвуковых неразрушающих методов для исследования и контроля явления водородного охрупчивания в металлах и сплавах.
На основании проведенного обзора литературных источников были определены направления развития ультразвуковых методов контроля физико-механических свойств материалов, заданы основные требования к ультразвуковому стенду контроля для решения задач исследования взаимодействия систем металл-водород, выбрано использование рэлеевских поверхностных волн для решения задачи контроля плоских объектов малой толщины, а также предложены и обоснованы методики измерения параметров распространения рэлеевской волны в металлах и сплавах.
В соответствии с определенными требованиями, на основе современной приборной базы, разработан и реализован ультразвуковой стенд, предназначенный для измерения параметров распространения рэлеевской волны в металлах и сплавах. Стенд состоит из приборной части, реализующей акустический тракт стенда, и системы позиционирования, обеспечивающей высокоточное определение расстояния между излучательным и приемным пьезопреобразователями. Достигнутые на практике характеристики ультразвукового стенда соответствуют решаемым задачам, и требованиям предъявляемым к экспериментальным установкам для исследования влияния водорода на физико-механические свойства металлов и сплавов.
Для апробации возможностей разработанного ультразвукового стенда контроля было проведено экспериментальное исследование влияния водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 на скорость и коэффициент затухания рэлеевской волны. Определены зависимости скорости распространения и коэффициента затухания рэлеевской волны в диапазоне концентраций водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 от 0 (состояние поставки) до 0,3 массовых процентов. Комплексное применение полученных зависимостей параметров распространения поверхностной волны позволяет оценить содержание водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 и определить момент начала процесса водородного охрупчивания.
Выводы, сделанные на основании результатов исследований полученных ультразвуковыми методами, о влиянии водорода на изменение структурно-фазового состояния, акустические и физико-механические свойства титанового сплава ВТ 1-0 подтверждаются результатами микроскопического, рентгеноструктурного исследований, а также механическими испытаниями исследованных образцов
На основании проведенного обзора литературных источников были определены направления развития ультразвуковых методов контроля физико-механических свойств материалов, заданы основные требования к ультразвуковому стенду контроля для решения задач исследования взаимодействия систем металл-водород, выбрано использование рэлеевских поверхностных волн для решения задачи контроля плоских объектов малой толщины, а также предложены и обоснованы методики измерения параметров распространения рэлеевской волны в металлах и сплавах.
В соответствии с определенными требованиями, на основе современной приборной базы, разработан и реализован ультразвуковой стенд, предназначенный для измерения параметров распространения рэлеевской волны в металлах и сплавах. Стенд состоит из приборной части, реализующей акустический тракт стенда, и системы позиционирования, обеспечивающей высокоточное определение расстояния между излучательным и приемным пьезопреобразователями. Достигнутые на практике характеристики ультразвукового стенда соответствуют решаемым задачам, и требованиям предъявляемым к экспериментальным установкам для исследования влияния водорода на физико-механические свойства металлов и сплавов.
Для апробации возможностей разработанного ультразвукового стенда контроля было проведено экспериментальное исследование влияния водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 на скорость и коэффициент затухания рэлеевской волны. Определены зависимости скорости распространения и коэффициента затухания рэлеевской волны в диапазоне концентраций водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 от 0 (состояние поставки) до 0,3 массовых процентов. Комплексное применение полученных зависимостей параметров распространения поверхностной волны позволяет оценить содержание водорода в титановом сплаве ВТ 1-0 и определить момент начала процесса водородного охрупчивания.
Выводы, сделанные на основании результатов исследований полученных ультразвуковыми методами, о влиянии водорода на изменение структурно-фазового состояния, акустические и физико-механические свойства титанового сплава ВТ 1-0 подтверждаются результатами микроскопического, рентгеноструктурного исследований, а также механическими испытаниями исследованных образцов