Скорость звука и структура сталей и сплавов

Муравьев В.В.

Наука, 1996 г.

СКОРОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ

Влияние структурных изменений в металлических сплавах на скорость распространения ульразвуковых волн в последние годы активно изучается с целью установления границ применения этого метода для контроля как качества термической обработки, так и прочностных характеристик металлов. Некоторые работы [28—30] посвящены поиску корреляций между скоростью распространения ультразвука в алюминиевых сплавах и их механическими свойствами с целью осуществления неразрушающего контроля качества металла.

Используя алюминиевые сплавы как модельные, в которых хорошо изучены структура и механизмы распада,. можно найти закономерности в распространении скорости ультразвука и разработать представления о природе ее связи со структурными факторами. В термоупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавах наблюдается ожидаемый эффект изменения скорости звука, так как при распаде пересыщенного твердого раствора происходят дислокационные перестроения [31, 32] и могут изменяться модули упругости [33].

1.1. Физические основы связи скорости ультразвука в сплавах с их структурным состоянием

Скорость распространения ультразвуковых волн в сплавах функционально связана с их модулями упругости, которые в свою очередь определяются силой взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решетке. С изменением межатомных расстояний (искажением кристаллической решетки), например при образовании или распаде пересыщенных твердых растворов, а также при пластическом деформировании, изменяются силы взаимодействия между атомами и соответственно модули упругости, что влечет за собой изменение скорости ультразвука в этих сплавах.

Как известно, при высоких температурах растворимость углерода в аустените увеличивается с ростом температуры в соответствии с диаграммой железо — углерод. Закалка сплава фиксирует соответствующую концентрацию растворенного в аустените углерода. При этом аустенит превращается в мартенсит, кроме того, в сплаве остается некоторое количество аустенита. Такие фазы являются пересыщенными твердыми растворами внедрения (по углероду). Скорость ультразвука после закалки минимальна, поскольку искажения кристаллической решетки здесь наибольшие, причем значение скорости ультразвука тем меньше, чем больше содержится углерода в твердом растворе. Общее увеличение концентрации углерода в стали также увеличивает эффект изменения скорости звука после закалки, так как большее количество углерода попадает в твердый раствор.

Уменьшение скорости ультразвука после закалки наблюдается и в алюминиевых сплавах (см. результаты, описанные в [34, 35]). При этом изменения скорости ультразвука меньше, чем в сталях, потому что в твердых растворах замещения (алюминиевые сплавы) кристаллическая решетка менее искажена, чем в твердых растворах внедрения (стали). Наибольший эффект изменения скорости звука, так же как и в сталях, наблюдается при максимальной растворимости легирующих элементов в сплаве. Понятно, что с уменьшением скорости закалки в алюминиевом сплаве реализуется меньшая пересыщенность твердого раствора и соответственно меньше изменяется скорость ультразвука в этом сплаве после закалки. При самой низкой скорости охлаждения, отвечающей отжигу, отмечаются минимальные изменения скорости звука в процессе охлаждения, т.е. наиболее высокие значения скорости, поскольку кристаллическая решетка не искажена. Если перед отжигом, например после закалки, сплав имеет неравновесную структуру, то после отжига скорость звука становится выше. Это положение подтверждается и на сталях, и на алюминиевых сплавах [36, 37].

Как известно, в сталях при увеличении температуры отпуска происходят следующие структурные изменения: мартенсит сначала превращается в троостит, затем в ферритно-перлитную смесь, а остаточный аустенит распадается также на ферритно-перлитную смесь. Тетрагональность элементарной ячейки уменьшается за счет выхода углерода и образования цементита. Устраняются искажения кристаллической решетки, скорость ультразвука монотонно увеличивается. В алюминиевых сплавах с увеличением времени старения после закалки происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием зон Гинье — Престона, а с ростом температуры старения выделяются метастабильные и затем стабильные фазы, причем с уменьшением искажения кристаллической решетки увеличивается скорость звука в процессе зонного и (или) фазового старения. Но в алюминиевых сплавах эффект повышения скорости звука меньше, чем в сталях, поскольку, как уже отмечалось, кристаллическая решетка в твердых растворах замещения менее искажена, чем в твердых растворах внедрения. Скорость звука изменяется сильнее с ростом температуры отпуска (старения) и с увеличением времени выдержки при данной температуре. Максимальный эффект повышения скорости звука в сплавах по сравнению со свежезакаленным состоянием наблюдается при отжиге [38, 39].

В сложнолегированных сплавах данный эффект будет зависеть еще от образования и распада разных твердых растворов, различных соединений металлов и неметаллов, полиморфных и структурных превращений. Но характер изменения скорости распространения ультразвука при термообработках и структурных превращениях должен остаться таким же, как и для сплавов на основе Feи Аl. При неравновесной структуре после жесткой термообработки скорость ультразвука в сплаве минимальна: процессы уравновешивания структуры, соответствующие смягчающим термообработкам, ведут к монотонному увеличению скорости звука, а в случае равновесной структуры — мягкой термообработки — скорость звука в сплаве максимальна [40, 41].