pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-1-69-79pimi-426Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsОсобенности распространения поверхностных и подповерхностных волн в объектах со слоистой структурой. Ч. 2. Упрочненный неоднородный поверхностный слойFeatures of the Surface and Subsurface Waves Application for Ultrasonic Evaluation of Physicomechanical Properties of Solids. Part 2. Strenghtned Inhomogeneous Surface LayerБаевА. Р.BaevA. R.

Адрес для переписки: А.Р. Баев – Ин-т прикладной физики Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 16, г. Минск 220072, Беларусь.    e-mail: baev@iaph.bas-net.by

Address for correspondence: A.R. Baev – Institute of Applied Physics of the National Academy of Science of Belarus,Akademicheskaya str., 16, Minsk 220072, Belarus.     e-mail: baev@iaph.bas-net.by

baev@iaph.bas-net.byМайоровА. Л.MayorovA. LЛевковичН. В.LevkovichN. V.АсадчаяМ. В.AsadchayaM. V.Институт прикладной физики Национальной академии наук БеларусиБеларусьInstitute of Applied Physics of the National Academy of Science of BelarusBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus2019150320191016979Copyright © Баев А.Р., Майоров А.Л., Левкович Н.В., Асадчая М.В., 20192019Баев А.Р., Майоров А.Л., Левкович Н.В., Асадчая М.В.Baev A.R., Mayorov A.L., Levkovich N.V., Asadchaya M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/426

Распространение импульсного сигнала поверхностной волны по объекту с неоднородным поверхностным слоем, полученным, например, в результате поверхностного упрочнения, структурной поврежденностью, сопровождается дисперсией скорости волны, несущей важную информацию о параметрах такого слоя. Цель работы заключалась в изучении взаимосвязи между акустическими параметрами импульсного акустического сигнала поверхностной и подповерхностной волн и поверхностного слоя стальных образцов, упрочненных закалкой токами высокой частоты (ТВЧ), и серого чугуна, упрочненного отбелом.

Проведен краткий анализ известных работ по определению глубины упрочненных поверхностных слоев различными методами, включая ТВЧ закалку, цементацию и др. На основе интегрального выражения Оулдера. выполнен расчет зависимости, связывающей скорость волны, ее частоту, глубину упрочненного слоя и пространственное распределения твердости, представляемой в виде ступеньки с изменяющимся наклоном ее боковой поверхности, моделирующей переходную зону упрочненного слоя.

Импульсным методом с использованием малоапертурных преобразователей частотой 1–3,8 МГц получены зависимости скорости поверхностной волны от высоты среза упрочненного ТВЧ закалкой слоя. Проведенное сравнение данных эксперимента и расчетов теоретической модели показало хорошее качественное соответствие между ними, высокую «чувствительность» метода по отношению к характеру изменения твердости по глубине упрочненного слоя. Показана перспективность предложенного подхода для решения обратной задачи восстановления пространственного распределения твердости на основе данных эксперимента.

На стальных образцах и образцах серого чугуна апробирован метод гониометра для определения глубины упрочненного слоя по данным угла, соответствующего минимуму амплитуды отраженной волны или максимуму амплитуды возбуждаемой в образце поверхностной моды. Показано, что с увеличением толщины упрочненного ТВЧ закалкой слоя этот угол уменьшается на 24–26', а глубина отбеленного чугуна на ≈ 6°. Даны рекомендации по использованию результатов исследований на практике.

The propagation of a pulsed signal of a surface wave over an object with a non-uniform surface layer, obtained, for example, as a result of surface hardening, with structural damage, is accompanied by the dispersion of the velocity of the wave carrying important information about the parameters of such a layer. The aim of the work is to study the relationship between the acoustic parameters of a pulsed acoustic signal of a surface and subsurface waves and the surface layer of steel specimens hardened by high-frequency hardening, and gray iron-chill. Features of the surface and subsurface waves application for ultrasonic evaluation of physicomechanical properties of solids. Strenghtned inhomogeneous surface layer.

A brief analysis of the known works on determining the depth of hardened surface layers by various methods, including high-frequency hardening, cementation, etc., is carried out. Based on the Oulder integral expression. The dependence connecting the wave velocity, its frequency, the depth of the hardened layer and the spatial distribution of hardness represented as a step with a changing slope of its side surface simulating the transition zone of the hardened layer are calculated.

Using the pulse method and low-aperture transducers with a frequency of 1−3.8 MHz, the dependences of the surface wave velocity on the cutting height of a layer hardened by HDTV hardening are obtained. A comparison of experimental data and calculations of the theoretical model showed a good qualitative correspondence between them, demonstrate a high «sensitivity» of the method in relation to the nature of the change in hardness over the depth of the hardened layer. It is shown that the proposed approach is promising for solving the inverse problem of restoring the spatial distribution of hardness based on experimental data.

The goniometric method was approbated to determine the dependence between amplitude-angle characteristics and depth of the surface steel layers hardened by high-frequency hardening and depth of hardened gray iron specimens layer – with chill. It is shown that the optimal angle corresponding maximum of excited surface wave amplitude in steel specimens is decreasing up to 24–26' vs. hardened depth layer. But when the tested specimens from cast iron this angle decreasing is nearly of 6°. Recommendations on the use of research results in practice are given.

поверхностные волныупрочненный слой металла: surface waveshardened metal layerБелорусский республиканский фонд фундаментальных исследований (контракт Т17-159 от 18.04.2017)Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (contract No. Т17-159 of 18.04.2017)ReferencesCuffe, J. Eddy Current Measurement of Case Hardened Depth of Steel Components / J. Cuffe [et al.] // 17th World Conference on Nondestructive Testing, Shanghai, China, Oct. 25−28. − 2008. − Р. 5.Cuffe J., Sun H., Plotnikov Y., Nath S., SheilaVadde A. Eddy Current Measurement of Case Hardened Depth of Steel Components. 17th World Conference on Nondestructive Testing, Oct. 25−28, Shanghai, China, 2008, 5 p.Moorthy, V. Important factors influencing the magnetic Barkhausen noise profile / V. Moorthy // IEEE Transactions on Magnetics. − 2016. − Vol. 52, iss. 4. − Р. 221−227.DOI:10.1109/TMAG.2015.2502222Moorthy V. Important factors influencing the magnetic Barkhausen noise profile. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, vol. 52, iss. 4, рр. 221−227. DOI: 10.1109/TMAG.2015.2502222Баев, А.Р. О возбуждении ПАВ в металлах с поверхностным упрочненным слоем / А.Р. Баев [и др.] // Неразрушающий контроль и диагностика. – 2012, № 3. – C. 11–18.Baev A.R., Majorov A.L., Asadchaja M.V., Sergeeva O.S., Konovalov G.E. [On the excitation of surfactants in metals with a surface hardened layer] Nerazrushajushhij kontrol' i diagnostika [Non-Destructive Testing and Diagnostics], 2012, no. 3, pp. 11–18 (in Russian).Кондратьев, А.И. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов / А.И. Кондратьев, А.Н. Иванов, С.Н. Химунин // Дефектоскопия. – 2006. − № 3. – С. 28−31.Kondrat'ev A.I., Ivanov A.N., Himunin S.N. Effect of thermal treatment on acoustic characteristics of materials. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2006, vol. 42, no. 3, pp. 167−173.Гурченко, П.С. Ультразвуковой метод измерения глубины упрочненных слоев / П.С. Гурченко, А.А. Солонович, А.Л. Майоров // Индукционный нагрев. − 2009. − № 7. − С. 11−14.Gurchenko P.S., Solonovich A.A, Majorov A.L. [Surface acoustic waves in inhomogeneous media] / «Induktsionnyj nagrev» [Induction heating], 2009, no. 7, pp. 11−14 (in Russian).Гуляев, Ю.В. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах / Ю.В. Гуляев [и др.] // Москва : Наука, 1991. − 10 с.Guljaev JU.V., Krylov V.V., Birjukov S.V., Plesskij .P. Poverkhnostnye akusticheskie volny v neodnorodnykh sredakh [Surface acoustic waves in inhomogeneous media]. Moscow, Nauka Publ., 1991, 210 p.Good, M.S., Schuster, G.J., Skorpik, J.R. Ultrasonic Material Hardness Depth Measurement. United States Patent, Patent No. 5646351, 1997.Good M.S., Schuster G.J., Skorpik J.R. Ultrasonic Material Hardness Depth Measurement. United States Patent, Patent no. 5646351, 1997.Baqeri, R. Case Depth Profile Measurement of Hardened Components Using Ultrasonic Backscattering Method / R. Baqeri, F. Honarvar, R. Mehdizad // 18th World Conference on Nondestructive Testing, Durban, South Africa, April 16−20. − 2012.Baqeri R., Honarvar F., Mehdizad R. Case Depth Profile Measurement of Hardened Components Using Ultrasonic Backscattering Method. 18th World Conference on Nondestructive Testing, April 16−20, Durban, South Africa, 2012.Theiner, W. Process Integrated Nondestructive Testing of Ground and Case Depth Hardened Parts / W. Theiner, R. Kern, M. Stroh // European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT2002), Barcelona, Spain, June 17−21. − 2002.Theiner W., Kern R., Stroh M. Process Integrated Nondestructive Testing of Ground and Case Depth Hardened Parts. European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT2002), June 17−21, Barcelona, Spain, 2002.Басацкая, Л.В. Дифракция ультразвуковых волн в поверхностно-закаленном слое металлов и метод измерения глубины закаленного слоя / Л.В. Басацкая, А.Ч. Вопилкин, А.П. Шишов // Дефектоскопия. – № 7. – 1988. – С. 54–65.Basackaja L.V., Vopilkin A.Ch., Shishov A.P. [Ultrasonic waves diffraction in a surface-quenched metal layer and a method for measuring the depth of a quenched layer]. Defektoskopiya [Defectoscopy], 1988, no. 7, pp. 54–65 (in Russian).Способ ультразвукового контроля поверхности твердого тела / А.Р. Баев, А.Л. Майоров, М.А. Тищенко, М.В. Асадчая, Г.Е. Коновалов. − Патент РБ на изобретение № 1475, Б.И. № 4, 2011. – С. 130−131.Baev A.R., Majorov A.L., Tishhenko M.A., Asadchaja M.V., Konovalov G.E. Sposob ul'trazvukovogo kontrolya poverkhnosti tverdogo tela [Method for ultrasonic testing of a solid surface]. Patent RB no. 1475, B.I. No. 4, 2011, pp. 130−131.Воронкова, Л.В. Контроль чугунных отливок ультразвуком. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 25 c.Voronkova L.V. Kontrol' chugunnykh otlivok ul'trazvukom [The control of iron castings by ultrasound]. Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2005, 25 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.