Структуроскопия витков пружин после высокотемпературной механической обработки на основе измерения скорости рэлеевских волн

Для изготовления рессорных пружин подвижного состава (вагонов, локомотивов, автомобилей) применяют прутки из пружинных сталей. При высокотемпературной механической обработке при навивке пружин и их закалке возникает различие в скоростях охлаждения внутренней и наружной сторон витков пружины, что приводит к различию в структурном состоянии и сказывается на долговечности пружин. Цель работы – исследование влияния структурных изменений в наружной и внутренней поверхности витков пружин рессорной стали после операций навивки и высокотемпературной механической обработки на измеряемые характеристики рэлеевских акустических волн.

Исследованы скорости распространения рэлеевских волн в рессорно-пружинной стали 60С2А после операций навивки и высокотемпературной механической обработки. Для исследований использованы теневой метод и метод автоциркуляции с пьезоэлектрическими преобразователями ЦТС-19 частотой 5 МГц с конструкцией специального блока. Преобразователи обеспечивают ввод и приём рэлеевской волны по внутренней и наружной образующей поверхности пружины. Показано, что метод сравнения результатов измерения скорости рэлеевских волн на фиксированной базе по образующей витка на внутренней и внешней поверхностях пружины чувствителен к нарушениям в структуре материала и появлениям дефектов. Найдена однозначная связь структурных состояний на внешней и внутренней стороне пружины со скоростью рэлеевской волны.

В результате проведённых измерений сделан вывод о значимой чувствительности рэлеевских волн к структурному состоянию исследуемой стали. Обнаружен рост скорости волны на внутренней поверхности витка в зоне контакта с оправкой относительно внешней стороны витка, сигнализирующий о неполной закалке стали в этой зоне в процессе высокотемпературной механической обработки. Относительная разница скоростей в разных образцах пружин составляет приблизительно до 1 % (≈ 30 м/c), что является значительной величиной для оценки качества высокотемпературной механической обработки.

1. Орлова А.М. Подходы к оценке напряженнодеформированного состояния пружин рессорного подвешивания грузовых вагонов / А.М. Орлова [и др.] // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2020. – Т. 17, № 2. – С. 221–232. DOI: 10.20295/1815-588X-2020-2-221-232

2. Сунь Х. Анализ остаточных напряжений в винтовых цилиндрических пружинах при высокой температуре / Х. Сунь, В.Л. Данилов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2015. – № 6. – С. 384–396. DOI: 10.7463/0615.0778617

3. Del Llano-Vizcaya L., Rubio-Gonzales C., Mesmacqueb G., Banderas-Hernándeza A. Stress relief effect on fatigue and relaxation of compression springs // Materials and Design, 2007, vol. 28, no. 4, pp. 1130–1134. DOI: 10.1016/j.matdes.2006.01.033

4. Ulrike Karr, Yusuke Sandaiji, Ryota Tanegashima, Shogo Murakami, Bernd Schönbauer, Michael Fitzka, Herwig Mayer. Inclusion initiated fracture in spring steel under axial and torsion very high cycle fatigue loading at different load ratios // International Journal of Fatigue, 2020, vol. 134, p. 105525. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105525

5. Лавриненко Ю.А. Исследование напряженнодеформированного состояния при навивке пружин под воздействием комбинированного нагружения / Ю.А. Лавриненко // Заготовительные производства в машиностроении. – 2017. – Т. 15. – № 9. – С. 399–404.

6. Околович Г.А. Термическая обработка пружин железнодорожного транспорта / Г.А. Околович, Д.В. Кураков, Т.Г. Шарикова, С.А. Чекалина // Ползуновский альманах. – 2015. – № 2. – С. 141–145.

7. Титов А.В. Влияние режимов термической обработки на микроструктуру пружин ответственного назначения из стали 60с2а и титанового сплава ВТ16 / А.В. Титов // Металлообработка. – 2015. – № 5 (89). – С. 43–49.

8. Орлова А.М. Анализ методик расчета горизонтальной жесткости пружин рессорного подвешивания грузовых вагонов / А.М. Орлова [и др.] // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2019. – Т. 16. – № 2. – С. 191–201. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-191-201

9. Григорьев В.М. Анализ разрушений пружин пассажирского вагона / В.М. Григорьев, В.М. Макиенко, П.В. Соколов // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. – 2015. – № 1 (2–3). – С. 94–97.

10. Марков А.М. Пружины рессорного комплекта тележек грузовых вагонов / А.М. Марков [и др.] // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2016. – № 3. – С. 194–198.

11. Злобин Д.В. Особенности построения аппаратуры электромагнитно-акустической дефектоскопии пруткового проката с использованием стержневых волн / Д.В. Злобин, О.В. Муравьёва // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2012. – № 4. – С. 99–104.

12. Муравьева О.В. Влияние глубины залегания дефекта на параметры многократно-теневого электромагнитно-акустического метода контроля прутков / О.В. Муравьева, М.Ю. Соков // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2016. – Т. 19. – № 3. – С. 46–50.

13. Петров К.В. Влияние конструктивных особенностей проходного электромагнитно-акустического преобразователя на результаты контроля цилиндрических объектов / К.В. Петров, М.Ю. Соков, О.В. Муравьева // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2018. – Т. 21. – № 2. – С. 135–146. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-135-146

14. Баев А.Р. Ультразвуковой метод анализа поверхностного упрочнения металлических изделий / А.Р. Баев, А.Л. Майоров, М.А. Тищенко // Литье и металлургия. – 2010. – № 4. – С. 267–271.

15. Волкова Л.В. Использование многократного зеркально-теневого метода при ультразвуковом контроле пера подошвы рельса / Л.В. Волкова, А.В. Платунов // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2019. – Т. 22. – № 4. – С. 38–45. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-38-45

16. Муравьев В.В. Скорость звука и структура сталей и сплавов / В.В. Муравьев, Л.Б. Зуев, K.Л. Комаров // Новосибирск: Наука, 1996. – 184 с.