32/19
Solidirikation of Metais and Alloys, No. 32, 1997 Krzepnięcie
PAN-
Metali i Stopów, Nr· 32, 1997
Oddział I~atowice
PL ISSN t12t18-938G
VYUŻITi AKUSTIC:K.E EMISE PRO JAKOST ODLITKU
HA VI.iĆEK Frantisek
VSB-TU Ostrava-Poruba, tf. 17.listopadu
Strucna anotace
Kvalita odlitku je ovlivnena procesem liti, tuhnuti, chladnuti a nasJednym tepelnym zpracovanim. Poznani, ovlivnovani a i'izeni techto tepele-fyzikalnich procesu je cesta k dosaieni vyssi kvality a ekonomie v}'roby. Jednou z perspektivnich merleich metod k poznani techto deju je akusticka ernise. Princip je zalozen na detekovani a snimani elasticlcYch vln napeti ve ferkvencnim pasmu do 50 kHz do 2mhz. Elasticke vlny napeti vznikaji v dusledku uvolnene energie v prubehu tyzikalne-metalurgickych procesu diskontinualniho charakteru a projevuji se jako vibrace na povrchu odlitku. Temito procesy jsou fazove transformace, cleformace mateiralu, zmeny teplotniho pole odlitku, vnitfniho pnuti, vznik a sil'eni trhlin.
Nase dosavadni experimenty potvrzuji /7,8,9/, ze metodou AE !ze pi'iblizne urcit dobu tuhnuti odlitku, coz ma zvlaste ryznam u tezlcYch odlitkU a ingot\J, kde stanoveni teto duleZite veli~iny je znacne nakladne, rizikove a v mnohych pi'ipadech ani neproveditelne. Zcela prukazne je ernitovan vznik a v}'voj napeti v kaidem odlitku v dobe chladnuti a pi'i tepelnem zpracovani. Pi'edevsim se vsak na ki'ivce ernisni ćinnosti zi'etelne projevi vznik a sireni poruch souvislosti materialu (trhlin a prasklin) Tato zavislost je stanovena V case, pl'i kterem k procesu nebo vade doch!tzi a to v jakekoliv v}'robni fazi /5,6,8/ podle ki'ivky ~etnosti ernisnich pulsu ve stanavenem ćasovem intervalu (kroku) !ze usuzovat co do kvantity na intenzitu prubehu f)tzikalne-metalurgickeho procesu diskontualniho charakteru, v}'voje napeti ci vzniku vady (poruseni souvislosti) Metoda AE neudava ciselne hodnoty techto procesu, ale podle Ciselne hodnoty emisnich impulsu udava jejich intenzitu a prubeh ernisni ki'ivky pak jejich charakter. Ziskane poznatky jsou velmi cenne k teoretickemu· objasneni slevarenskych procesu, jejich prilbehu, dale ke kontrole jakosti odlitku, zjisteni poruchy v materialu ve v}'robnim cyklu, pi'i obrabeni a pod .
147 Experimentalni zarizeni Mei'eni se provadela na zafizeni fy DUNEGAN-ENDEVCO, system 3000 a jeho schema je uvedeno na obr. l. Sestava z jednoho nebo dvou piezoelektriclcYch snimacu AE (kanal A a B), typ D 750 (3), ktere se pnpevni na odlitek (l) nebo na tyć pi'ivafenou k odlitku (2). SignaJ ze silimacli je ve frekvencnim pasmu 100 a2 350 kHz. zesilen o 40dB v zesilovacich typu 1801 (4) a dale je signaJ digitalizovan v jednotce 302 A Dual Conditioner. Ceikave zesileni dosahovalo u kaniilu A 96 dB, u kanaJu B 86 dB, coz umoznilo provadet amplitudovou analyzu zmefenych signruu na dvou urovnich. Alcusticke pulsy se sćitaji na dvojitem ćitaci typu 303 (5) ve zvolenych casorych intervalech (v laboratornich pokusech v s, u provoznich, dlouhotrvajicich pokusu v lOti min. intervalech). Tak była vyhodnocovana ćetnost emisnich pulsu (Udajii) nad stanovenou urovei'i. Ziskane udaje se zaznamenavaji na magnetopaskovou pamet' Solartron-Logge (6) nebo v analogove forme na zapisovac Polycomp 2 (7) . Vysledky vyhodnocuje poćitac.
Strucna ch:trakteristika vfvoje napeti v odlitku jako pi'icina vzniku
trhłin
a prasklin
Tento dej muzeme velmi strucne objasnit na pastupu tuhnuti a chladnuti odlitku vitlce 0 550 mm, jak je uveden na obr. 2. V leve casti obnizku jsou teplotni gradienty v prufezu Odiitku a kOVOVe formy, V prave Ćasti zavisiost tepioty na case V 5ti mistech prufezu V odlitku a tfi rnist ve stene formy. Ze zavislosti vyplyva, ze V prve fazi po odliti chladnou a tuhnou rychleji povrchove vrstvy nez stfed odlitku . Tato doba cini 45 min. a !ze ji pi'iblizne urćit tangentou ve stejne dobe "Cx ke kfivkam l a 5 (povrch , sti'ed). Po tu dobu stahuji (sviraji) povrchove, ztuhle vrstvy tekute jadro odlitku a samy jsou narnilbany tahorym pnutim. V te dobe doch8.zi k povrchorym podelnym trhlinam v odlitku. V dalsi dobe kiesa intenzita pi'estupu tepla z odlitku do formy a v dusledku velkeho tepelneho gradientu ve stene stoupa tepelny tok ze stfedu k povrchu odlitku. Tim (i zmenou objemu a povrchu jadra) se urychluje ochlazovaru i tuhnuti sti'edorych ćasti odlitku . Dochazi ke zmene znamenka napeti: V osorych castech odlitku je napeti tahove, V povrchorych vrstvach napeti tlakove. To je doba vzniku vniti'nich trhlin . Tento charakter pfenosu tepla i napeti se zachova a2: do jeho uplneho vychladnuti. Pfi dosa2:eni fazove premeny y--KL (u zeleznych slitin) se pfidrufuje V dusledku objemove zmeny (zryseni objemu) filzove pnuti. Take tato zmena se zachyti na zilznamu AE. Od okarnZiku pakiesu teploty odlitku v celem jeho prufezu po kritickou teplotu, urcujici hranici pru2:neho a plastickeho stavu, vznika v odlitku vnitfni, trvale (rezidualni napeti) To je potom pi'icinou vzniku prasklin nebo cleformace odlitku. Urcujfc,i velicinou trvaleho napeti je teplotni gradient v odlitku. Napeti je dano vztahem:
u o =E · a·t"T
kde: E -
moduł
pruznosti materialu odlitku
ex. - soucinitel tepelneho smrsteni L\ T- teplotni gradient v odlitku
.oo
1
VAtEC 8 -2 .
E06 1~
.,
-i
E&S
c
<'GI
il - x
q6 D8
0 .80 1- c
] { -~
~
§
,, l
:E
1
Obr. f
8_..~--- -- -- -- -- - -=-=----=-== =.-::. =----JJ1
....... ~
0820
1 - kłivka tuhnult'povrcbori vrslvy
~
f' - obj<mavÓ. zm
160(
1'00 1200
l1l1 [1!S.}}~ ~STRED''T'" '
oDLo ;'v 1
l l
l
1\/Y\
l
/1/ ł:C '
l
l
odrovrdo;'c' l
fi
l
!
1
0..:::. l
J:M~11:1 200
""?t 1000
;? Bo o
800
'C
p_i'emlny r-t.r{;df!olt"sovdflo) 1,• - Pnl bl.'r AE (sf~dn , :-n mo.rt"m~rn)
l;.
1000
•c
00
loo
1--+'l l "~;.:
;---r--.~~'-"-- l
· "___;:=-.
60 0
krt;,-ca:~ . 12 1
·-
'
. T.
;_
.
~ 'LwJ.
. Af
l l l l l
•c
!
l;>
.
. ~flt
OBR . 2
Obr3
0
<
r,
'"' Do ba- [m •n)
149 Aplikace Al: nn procesy tuhnuti, chladnuti, TZ a vznik
trhłin
a prasklin
Jednim z hlavnich problemu pouiiti AE na snim{mi prubehu slevarensk)'ch procesu je zpusob umisten:i snimaću pulsu k odlitku, nebot' vsechny uvedene procesy probihaji pl'i vysolcych teplotach v uzavl'ene slevarenske fonne nebo v Zihaci peci . Vyfesil se tim, ze se v nitlitku (v jeho povrchove vrstve) nechala zatuhnout kovova tyc jako zvukovod. Tlm se dosałuo jejiho dokonaleho spojeni s odlitkem a moznosti mereni AE od pocatku tuhnuti ai do uplneho vychladnuti odlitku ve forme /8/. Krome toho se tim take dosałlla nizka teplota na konci tyce, kter)r se chladil. Na zabrousenych płochach byly. umisteny snimace. Pro mefeni AE pi'i tepelnem zpracoviuń se zvukovodna tyc k odlitku pi'ivai'ila (2 na obr. l) a druhy konec vyi1st'oval z pece. Casov}' rozsah mefeni trval od 30 min. (u malych odlitkU) do 20 dni pi'i mefeni teZk)'ch odlitkU V provoze. Soucasne s mefenim AE se snimala teplota na povrchu nebo i v prufezu steny odlitku. Na obr. 3 je zavislost AE na dobe tuhnuti a chladnutiu odlitku vitlce. V dobe tuhnuti je ernisni klid. Emisni aktivita vlivem pnuti zacina ai v dobe chladnuti. Poklesy AE v bode y~a . V bode C odpovida jeji zacatek v osove oblasti odlitku, kde dochazi na kfivce teplot (2) k v}'razne prodleve a ke zvetSeni objemu (2'). Tim se napet'ov}' stav v odlitku snizi, coz vyjadfuje pokles AE. Dalsijeho vzestup je vyvolan rychlejsim chladnutim sti'edu odlitku pod teplotarni fil2:ove pi'emeny a v oblasti prumych cleformaci s v}'raznym maximem II .
A, B a C jsou vyvolany zvetSenim objemu a snizenim napeti fazovou pl'emenou
Dalsi pnklad prtibehu AE v dobe liti (s doleviuńm taven.iny do m\.litkU), tuhnuti a chladnuti ztuhleho bezporuchoveho prstencoveho odlitku je na obr. 4. Pokles AE za I. maximem je vyvolan prtibehern fazove pi'erneny y-+a faze ve stfedni casti prufezu odlitku (cca 720°C), II. max. AE nasHtva rychłym chladnutim vnitrnich oblasti po fazove pl'emene (CCa 500°C) a tirn zvYSeni napeti V od)itku. Pfiklad identifikace poruchy-trhliny v tezkem odlitku ukazuje obr. 5. Vada vznikla po odstraneni nitlitku upalenim kysliko-acetylenov}'m hofakem, pl'i chladnuti odlitku ve forme, kdy mezi povrchem odlitku a jeho stredem był rozdil teplot cca 450°C (viz kfivka 1 a 2, obr. 5). Upalena (i'ezna) plocha chladla hlavne ve sti'edove ćasti i po zasypani izolacni smesi velrni rychle (kfivka 2), tak ze se vyvinulo nebezpecne tahove pnuti, ktere vyvolalo vnitfni trhlinu. Ta je zaznamenana ernisni aktivitou (piky A ai E). Pro vznik a zaznam trhliny je charakteristicke, ze ernisni aktivita pfed vznikem trhliny nekoresponduje s prubehem teploty na kfivce 2. Jak je zrejrne, v dobe chladnuti je pokles teploty ve stfedu odlitku (kfivka 2) nahly, ale ernisni aktivita je klidova, a2: nałlle dojde k vysoke aktivite AE, jejiz bodnota dosahovala ai 963 000 p/min. Trhlina byla dlouha 2 400 mm, hluboka l 600 mm a vzn.ikala 6 hoclin 30 min. v nekolika razech (A ai E), z nichi nejsilnejsi byl prv}' (A) a posledni dva (D a E). Velmi casto vznikaji trhliny nebo praskliny pri tepelnem zpracovani, jelikoz zde nastavaji nałde teplotni zmeny. z toho plyne, ze neintenzivnejsi ochlazeru odlitku nastava pl'i normalizaćnim zihani a kaleni . Na obr. 6 je pnklad enormne zv)'sene emisni aktivity pi'i ochlazeru odlitku va.lce na vzduchu (3 377 000 p/h) a vznik pi'icne praskliny v celem prtii'ezu odlitku. Nebezpecne je ochlazeru odlitku na vzduchu do nizk)'ch teplot. To vede ke zv)'seni tahoveho napeti uvnitf odlitku.
Zaver Na zaklade nasich mei'eni a zkusenosti !ze metodu akusticke emise pouzit ve slevarenstvi ke kontrole fizeni technologickeho procesu pro dosa2:eni bezporuchove kvality vybranych odlitku. Dale urnoiiiuje sledovat proces tvorby odlitku od jeho tuhnuti az po
150
E
os
SH {f f f VELKY KROV~EK. 2ESfLENf 56 DB
1 .50
c
Hm.-1/iosł ' 122oooig s no/. /'lai~rlct/' lt2Zl.Z'f.S
E
T
N
o s
1. 20
T
U.
/r.
-~ ~
.
zvu;"..,d
E M 0.90 l
s ~
.
•
00
l
c
H 0.60
~
E
~
p.3e
I
T
(J
E 06 l. 20
-
E i.OO
t-
0.80
-
t
T.
~ o
60 -
l
8
ff- o 40 E
"" K.
o. 20
t-
E 04
151 vychladnuti s v}'vojem napet'oveho stavu v zavislosti na tepelnem procesu. Prokazatelne umoziiuje urcit vznik poruch souvisJosti, tzn. trhlin a prasklin V odJitcich. V soucasne dobe !ze ernisni zaznam deje sledovat i na monitoru, coz dale usnadnuje studovat v}'voj a vznik vady v casove souvislosti s fazi technologickeho procesu, ve ktere k poruse dochazi a provest ucinna opati'eni k jejimu zabraneni, napf zmenou rizeni tepelneho reżimu pi'i TZ.
LITERATURA 1/
DUNEGAN, H.L.-GREEN, A.T.: Factors Affeeting Acoustic Emission Response frorn Mateńlas, MTRSĄ 1981, vol. 11, C.3, s2l.
2/
POLLOCH, A.A.: Quantitative Evaluation of AE frorn Plastic Zone Growth, Technical Report DE 76-8, 1980.
3/
HARRIS, D.O.-DUNEGAN, H.L.: Aplications of Acustic Emission to Industrial Problems, Non-Destructive Testing, 1974, s.137.
4/
BOLOTIN, J.L.-DUOBOT, J.B. AJ.: Primencnie akusticeskoj ernisii dlja isledovanija defor. processov v svar. soedinenijach, Svarocnoje proizvodstvo, 1975, ć . 3, s.9.
5/
SPEICH, G.R.-FISCHER, R.M.: Acoustic Ernission During Martensite Formation, ASTM STP 505, s. 140/151 .
61
DAVIES, R. AJ.: Pfednaska na serninlin fY Dunegan-Endevco, duben 1980.
7/
HAVLIĆEK, F.-CRHA, J.: Akusticka emise valcu pi'i jejich v)lrobe, Konference o hutnich v{ticich, viTKOVICE, Ostrava 1983 .
8/
HA VLIĆEK, F.- CRHA, L METES 1., Plzen 1981.
9/
HAVLIĆEK, F.-CRHA, J.: Akusticka emise odlitkU, Slevarenstvi 1984,
Vyuziti AE ve slevarensk)'ch procesech, Konference
123
c.lO, s.408 .
Ocal ' ONG [f.
wo Ok.
6
