Тема: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТЕНД КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ТИТАН-ВОДОРОД)

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.

Купить

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
Купить