Исследование возможности оценки состояния стальных образцов с применением динамических спектрограмм акустических сигналов

ВЕСТНИК ПНИПУ. МЕХАНИКА № 3, 2018PNRPU MECHANICS BULLETIN

Снижение исходных прочностных характеристик материала стальных элементов и конструкций является одной из важнейших проблем современной промышленности. Неразрушающие методы контроля деградации свойств материала в процессе эксплуатации являются перспективным направлением, так как позволяют своевременно выявить переход элементов в предельное состояние и во многих случаях продлить эксплуатацию оборудования без увеличения риска аварийности.

Основными причинами перехода стальных элементов в предельное состояние являются процессы деградации исходной структуры, вызванные комплексом механических нагрузок, термических воздействий и влияния коррозионно-активных сред. Структурная поврежденность материала приводит, в частности, к явлению увеличения внутреннего трения, проявляющегося при колебаниях малой амплитуды в упругой области [1]. Связь характера воздействия на материалы с параметрами распространения упругих волн в настоящее время широко исследована [2, 3, 4, 5]. Изучается возможность применения данной корреляции в акустических методах неразрушающего контроля при оценке структурных изменений материала, приводящих к критическому состоянию конструктивных элементов [6, 7, 8, 9], в частности в акустических резонансных методах [10, 11]. Д.С. Бурцев в работе [12] исследовал возможность применения упомянутой связи в технологии изготовления колоколов с целью обеспечения заданных акустических свойств.

Целью данного исследования являлось изучение возможности выявления прочностных и структурных изменений в стали через сравнение спектральных характеристик возбуждаемых резонансных колебаний образцов, выявление наиболее индикативных спектральных параметров и сопоставление их с результатами анализа микроструктуры и измерений твердости.

1.    Эксперимент

Для исследования зависимости спектральных характеристик от структурных изменений материала в качестве образцов были выбраны кольца упорных подшипников диаметром 110 мм и толщиной 7 мм из стали ШХ15, разделенные на две группы – новые и бывшие длительное время в эксплуатации. Конструктивные элементы для подшипников из стали ШХ15 поставляются в состоянии закалки по следующему режиму: нагрев до 830 °С с выдержкой 30 мин, охлаждение в масле при температуре 30 °С, отпуск при 150 °С в течение 1,5 ч, охлаждение на воздухе. Для изменения механических свойств и микроструктуры материала в целях настоящего исследования образцы подвергались отпуску при температурах 360, 460 и 560 °C с выдержкой 20 мин и при температуре 560 °C с выдержкой 4 ч. Указанные режимы были выбраны с учетом необходимости обеспечить внесение прогнозируемых изменений в прочностные свойства и микроструктуру материала в соответствии с уже хорошо изученным поведением стали ШХ15 при различных режимах термообработки [13].

Возбуждение акустических колебаний производилось точечным ударным воздействием на образцы в одной и той же точке. Запись колебаний производилась посредством направленного измерительного микрофона и внешнего аудиоинтерфейса, подключенного к компьютеру. Ранее были проведены эксперименты по сходной методике, позволившие выявить снижение добротности балочных образцов как колебательных систем в результате эксплуатационной структурной поврежденности материала [14]. Аналогичный подход предлагается в [15].

В настоящем исследовании для обработки акустических сигналов применялись методы частотно-временного спектрального анализа [16, 17], которые используются в акустических методах диагностики конструктивных элементов [18, 19, 20, 21]. Для определения различий спектральных характеристик образцов до и после термообработки применен метод визуализации спектральной информации посредством так называемых сонограмм – динамических спектрограмм, которые отображают изменение амплитудного спектра во времени. Как показано в [22, 23], сравнение сонограмм облегчает выявление наиболее индикативных параметров, принимаемых в дальнейшую обработку. Визуализация с помощью сонограмм успешно применяется при анализе сигналов различных процессов при неразрушающем контроле [24, 25].

2.    Результаты 2.1.    Термообработка образцов

Две группы образцов (группа 1 – новые и группа 2 – бывшие в эксплуатации) были подвергнуты термообработке в соответствии с табл. 1. Исходное значение твердости у исследованных новых образцов находилось в диапазоне 62,5–63,5 HRC, у бывших в эксплуатации 60,0–61,5 HRC. Результат термообработки контролировался измерением твердости методом Роквелла по шкале HRC. Полученные изменения твердости согласуются с результатами по [26].

Таблица 1

Режимы термообработки и значения твердости

Table 1

Heat treatment parameters and hardness values

Номер образца	Температура отпуска, °C	Продолжительность выдержки, мин	Твердость, HRC
Новые:
1-1	360	20	54,0
1-2	460	20	46,5
1-3	560	20	36,0
1-4	560	240	30,5
Бывшие в эксплуатации
2-1	360	20	53,0
2-2	460	20	45,0
2-3	560	20	35,5
2-4	560	240	28,0

• 2.2.    Анализ изменений микроструктуры после отпуска

Микроструктура исследовалась оптическим методом на шлифах, выполненных на образцах, подвергнутых термообработке, и на образцах, оставленных в исходном состоянии. После термообработки наблюдаются следующие изменения (рис. 1):

• –    изменилась кристаллическая решетка с тетрагональной ОЦК на кубическую ОЦК;

• –    произошел разрыв когерентности карбидов (ε-карбид превратился в цементит);

• –    снизился уровень остаточных напряжений, распался остаточный аустенит на феррит и цементит;

• –    в процессе термообработки имели место диффузионные процессы сфероидизации и коагуляции, карбидов стало больше и размеры их увеличились.

• 2.3.    Анализ изменений спектральных характеристик

  До и после проведения термообработки для каждого образца записывался акустический отклик на точечное ударное воздействие. Механическими средствами обеспечивалось постоянство силы и направления удара и точки ударного воздействия на образцах. Оцифровка сигнала выполнялась с частотой дискретизации 44100 Гц и разрешением по вертикали 16 бит. Записанные сигналы обработаны программным спектроанализатором с применением БПФ с оконными функциями Хеннинга, Хэмминга, Блэкмана и Гаусса, которые детально описаны в [27], размером от 256 до 8192 отсчетов. Для пред-

• варительного анализа сигналов и нахождения показательных спектральных характеристик, которые могут служить индикаторами изменений свойств материала в результате термообработки, были сформированы сонограммы, на которых амплитуда отображается изменением цветового оттенка (или яркости в градациях серого) каждой частотной компоненты. Пример сонограмм образца до и после термообработки показан на рис. 2.

а                        б

Рис. 1. Микроструктура образцов стали ШХ15, увеличение х2000: а – в исходном закаленном состоянии;

б – после отпуска при 560 °C и выдержке 20 мин Fig. 1. The microstructure of the steel specimens 52100, image amplification x2000: a – is in the original quenched state;

b – after tempering at 560 °C and holding for 20 minutes

Превращения до конца не прошли, указанные изменения имеют промежуточный характер, что обусловлено выбранным режимом термообработки. Как показали исследования микроструктуры, полнота изменений увеличивается с повышением температуры отпуска и продолжительностью выдержки при температуре отпуска, что согласуется с данными, приведенными в [27].

Предварительный анализ спектров сигналов показал, что исследуемые образцы как колебательные системы имеют относительно высокую добротность и четко выраженные резонансные гармоники, частоты которых в процессе затухания остаются практически неизменными в пределах погрешности разрешения по частоте вплоть до размера окна 8192 отсчета. Амплитуда шумовой составляющей сигнала спадает на более чем 100 дБ в течение менее чем 0,05 с, затем в спектре сигнала за исключением помех остаются резонансные гармоники, которые затухают на 100 дБ в течение порядка нескольких секунд.

Данное обстоятельство позволило предложить вариант исследования записанных сигналов одновременно в двух режимах: 1) с размером окна 8192 отсчета для обеспечения более высокого разрешения по частоте и, соответственно, более точного измерения частот резонансных гармоник (жертвуя разрешением по времени, что допустимо, так как мы уже определили, что частоты можно считать неизменными по всей длительности сигнала); 2) с размером окна 512 отсчетов для обеспечения более высокого разрешения по времени с целью оценки относительного изменения декремента затухания для основных резонансных гармоник, измеренных в первом режиме.

После проведенного сравнения по аналогии с выполненным в [29] оказалось, что в режиме 1 предпочтительнее использовать окно Хеннинга по сравнению с окном Блэкмана, так как, несмотря на более заметные утечки в боковые лепестки спектра, центральный лепесток более узкий (рис. 3), что позволяет точнее определить частоту гармоники.

Рис. 2. Сонограммы образца 1–2: а – до отпуска; б – после отпуска

Fig. 2. Sonograms of the specimen 1-2: a – is before tempering; b – is after tempering

б

а

б

Рис. 3. Сравнение участка спектра сигнала, обработанного с применением окна размером 8192 отсчета: а – окно Хеннинга; б – окно Блэкмана

Fig. 3. Comparison of a part of the signal spectrum processed using a window of 8192 size specimen: a – is Hanning window; b – is Blackman window

Таблица 2

Значения сдвига частот основных резонансных гармоник образца 1–1

Table 2

The shift in frequency values of the main resonance harmonics of the specimen 1-1

№ п/п	Частота, Гц		Сдвиг частоты, %
	до отпуска	после отпуска
1	2405	2427	0,96
2	5300	5353	1,04
3	6545	6610	0,99
4	7645	7720	0,98
5	11540	11660	1,04
6	12080	12200	0,99
7	18750	18940	1,01
8	19080	19275	1,02

а

б

Рис. 4. Сравнение участка спектра по сонограммам образца 1–2 до отпуска (слева) и после отпуска (справа):

а – размер окна 8192 отсчета; б – размер окна 512 отсчетов. По оси абсцисс–время в секундах, по оси ординат – частота в кГц Fig. 4. Comparison of the spectral range according to the sonograms of the specimen 1-2 before tempering (on the left) and after tempering (on the right): a – is the window size of 8192 specimens; b – is the window size of 512 specimens.

The abscissa is the time in seconds; the ordinate is the frequency in kHz

На рис. 4, показано сравнение сонограмм до и после отпуска, а также наглядно продемонстрирован сдвиг частот, на рис. 4, б – снижение декремента затухания.

Характер изменения спектрограмм после термообработки у всех образцов идентичный. Зарегистрированы сдвиг частот вверх и снижение декремента затухания основных резонансных гармоник, результаты приведены в табл. 3. Причем величина сдвига частоты примерно равна для всех основных резонансных гармоник, разброс значений сдвига частоты для разных гармоник составляет ±4 % от средней величины сдвига. Установлена зависимость указанных из- менений от параметров термообработки – температуры и длительности выдержки (рис. 5). Установлено, что влияние термообработки на спектральные характеристики образцов, бывших в эксплуатации, несколько больше, чем новых.

За исключением опубликованных данных по результатам многолетних исследований церковных колоколов [30], других источников, как отечественных, так и зарубежных, указывающих на сдвиг частот резонансных гармоник образцов при структурных изменениях после длительной эксплуатации, не найдено. В работе [30] обнаружено понижение частот основных обертонов и увеличение

Рис. 5. Зависимость сдвига частот резонансных гармоник на примере гармоники № 4 по табл. 2 (в диапазоне от 7600 до 7700 Гц) для колец подшипников новых и бывших в эксплуатации.

По оси ординат – значение относительного изменения частоты в %

Fig. 5. Dependence of the frequency shift of resonant harmonic No. 4 according to table 2

(in the range from 7600 to 7700 Hz) for new and long-term used bearing rings.

The ordinate represents the relative change of frequency in percent

декремента затухания в процессе длительной эксплуатации колоколов. Эти изменения связаны с накоплением эксплуатационной структурной поврежденности материала, что, в свою очередь, вызывает повышение внутреннего трения, которое проявляется при затухании акустических колебаний малой амплитуды в упругой области. Другим фактором при длительной эксплуатации, который необходимо принимать во внимание в случае конструктивных элементов, подвергающихся циклическим нагрузкам, таких как элементы подшипников, является накопление внутренних напряжений. В работе [31], где предлагается способ восстановления исходных механических свойств металла сварных труб, бывших длительное время в эксплуатации, исследовано влияние определенных режимов термообработки на снижение структурной поврежденности.

Таблица 3

Средние значения сдвига частот и относительного изменения декремента затухания основных резонансных гармоник после отпуска

Table 3

The shift in frequency values and relative change in the damping decrement of main resonance harmonics after tempering

Номер образца	Средние значения сдвига частот, %	Относительное изменение декремента затухания гармоники 7,6–7,7 кГц
1-1	0,99	0,56
1-2	1,56	0,44
1-3	1,85	0,38
1-4	1,96	0,34
2-1	1,07	0,53
2-2	1,63	0,42
2-3	1,90	0,36
2-4	2,00	0,33

После анализа данных образцы 1–1, 1–2 и 1–3 были подвергнуты закалке по следующему режиму: нагрев до 830 °С с выдержкой 30 мин, охлаждение в масле при температуре 30 °С, отпуск при 150 °С в течение 1,5 ч, охлаждение на воздухе. Ввиду того что точное воспроизведение в лабораторных условиях режима закалки, соответствующего режиму при промышленном изготовлении деталей, не представляется возможным, в ходе данного исследования получена лишь приближенная оценка изменений. Анализ акустических спектральных характеристик после закалки показывает, что происходят изменения, обратные изменениям после отпуска – снижение частот основных резонансных гармоник и увеличение декремента затухания приблизительно до исходного уровня. Дальнейшие исследования образцов с чередованием отпуска и закалки в лабораторных условиях на одном и том же оборудовании, возможно, позволят получить более точные результаты.

Выводы

Подтверждена повторяемость изменений акустических спектральных характеристик сигналов акустического отклика на точечное ударное воздействие после термообработки и их соответствие изменениям микроструктуры образцов и твердости. Обнаружено изменение частот основных резонансных гармоник образцов в результате термообработки. Установлено, что влияние термообработки на акустические спектральные характеристики образцов, бывших в эксплуатации, несколько больше, чем новых.

Результаты спектрального анализа возбуждаемых колебаний стальных образцов, подвергаемых термообработке, с применением динамических спектрограмм позволяют сделать вывод об информативности данного подхода и возможности определения индикативных спектральных параметров для оценки структурных изменений материала. Результаты данной работы могут быть использованы