Acoustic Structural Analysis of Steel Samples Loaded with Rotational Bending During Fatigue Tests

Abstract

С целью исследования влияния накопленной поврежденности металла на скорость ультразвуковых сдвиговых и рэлеевских волн образцы стального пруткового проката подвергли циклическому нагружению по схеме консольного изгиба с вращением. Представлены результаты измерения скорости ультразвуковых волн (сдвиговых и рэлеевских) в стальных прутках при малоцикловой усталости под воздействием циклических нагрузок. Исследованы образцы прутков марки стали 40Х в состоянии поставки и после отжига при температуре 700 оС в течение 30 мин. Длина прутков - 270 мм, диаметр - 10 и 19 мм. Циклические нагружения консольным изгибом обеспечивались с помощью специально разработанной установки для испытаний на усталость, в которой пруток одной стороной зажимался в патроне машины, обеспечивающей вращение, на другой стороне через подшипник подвешивался груз. Оценивались скорости сдвиговых волн в направлениях поперечного сечения прутка и рэлеевских волн по огибающей цилиндрической поверхности прутка в зоне максимальных напряжений. Возбуждение и прием волн осуществляли электромагнитно-акустическим способом. Для оценки скорости сдвиговых (поперечных) и рэлеевских волн использовался метод многократных отражений, соответственно, по сечению и огибающей прутка. Представлены результаты изменения скорости в прутках при увеличении консольной нагрузки и числа циклов. Найдено, что скорость сдвиговой волны в прутке максимально уменьшается в зоне максимальных напряжений. При нагрузках, составляющих 60 % от предела текучести, в образцах наблюдается резкое снижение скорости при 300000 циклах. Изменение структуры металла после отжига приводит к снижению числа циклов, после которого происходит резкое изменение скорости волн. Коэффициент Пуассона, рассчитанный по скоростям сдвиговых и рэлеевских волн, также изменяется с ростом числа циклов и позволяет учесть изменение диаметра прутка в процессе испытаний. Проведенные эксперименты по исследованию влияния циклических нагрузок прутков дают хорошие информативные данные по усталости в зависимости от термической обработки и структурных изменений материала. Возможность реализации электромагнитно-акустического метода контроля на многократных отражениях позволяет существенно повысить чувствительность к микродефектам при анализе сигнала на дальних отражениях и обеспечить высокую точность определения скорости волн.