Чугун - это сплав железа с углеро­дом, в котором доля углерода превышает 4,13 %. Различают белый чугун, в котором углерод входит в химическое соединение с железом (цементит), и чугун, в котором углерод выпадает в виде графита. Чаще всего в промышленности применяют именно такой чугун, но иногда использу­ют также белый чугун, обладающий по­вышенной твердостью.

Контроль структуры чугуна УЗ по­зволяет определить количество и форму графитных включений. В структуре чугу­на может присутствовать графит различ­ных форм. Наиболее высокая прочность у чугуна с мелким шаровидным графитом. Меньше прочность, когда графит имеет хлопьевидную форму (вермикулярный графит), еще меньше при пластинчатом графите (серый чугун).

Структуру чугуна оценивают по ско­рости и затуханию продольных УЗ-волн [73]. Установлено, что в чугуне с выпав­шим графитом скорость УЗ увеличивается с уменьшением содержания графита, уменьшением размеров графитовых вклю­чений, изменением их формы от пластин­чатой к шаровидной, увеличением количе­ства шаровидных графитных включений к общему содержанию графита, увеличени­ем содержания цементита в металличе­ской основе. Предельно высокое значение

Содержание шаровидного графита, %

скорости УЗ приближается к скорости в стали.

Затухание УЗ обычно уменьшается, когда скорость увеличивается. На рис. 7.54 (шкала справа) приведен пример влияния на скорость УЗ-волн процентного содержания шаровидного графита при постоянстве других параметров чугуна.

Путем исследований выбирают аку­стические характеристики, наиболее тесно корреляционно связанные с исследуемым структурным параметром чугуна. С уче­том этого информацию о графите (со­держание, форма, размер) обычно полу­чают по скорости УЗ, а информацию о металлической основе (матрице) - по его затуханию.

Структура и химический состав чу­гуна определяют его механические свой­ства: прочность (временное сопротивле­ние при растяжении), твердость (исполь­зуют обычно твердость по Бринеллю НВ), модуль нормальной упругости. Во многих

случаях практически важен контроль именно этих свойств, а не структурных характеристик, лежащих в их основе. С учетом этого исследовали корреляцион­ные связи акустических и физико­механических свойств.

Модуль нормальной упругости про­порционален квадрату скорости Е = Ас2 (см. разд. 1.1.1). Коэффициент А опреде­ляют эмпирически, на него влияют плот­ность и коэффициент Пуассона материала. В отношении твердости известно, что с ее увеличением скорость звука возрастает (в стали - наоборот), а затухание уменьшает­ся, однако для каждого вида чугуна эта связь в количественном отношении инди­видуальна.

Временное сопротивление чугуна при растяжении обычно определяют формулой o6 = а ЕНВ = Р с2 НВ, здесь аир - эмпи­рические коэффициенты, которые опреде­ляют на основе прямых испытаний для каждой марки чугуна и даже с учетом особенности технологии выплавки на дан­ном предприятии. Для чугуна с шаровид­ным графитом установлено, что р = 0,062 ... 0,114, а с пластинчатым - р = 0,032 ... 0,077 при измерении аь в МПа, а скорости с в км/с. Погрешность не превышает 7 %.

Для точного измерения скорости и затухания УЗ необходимо иметь два дон­ных сигнала. Между тем большое затуха­ние УЗ в чугуне нередко затрудняет на­блюдение второго донного сигнала.

Л. В. Воронковой было предложено измерение такой акустической величины, как отношение донный сигнал - структур­ная помеха [73]. Для этого наблюдают уровень помех вблизи донного сигнала (в зоне протяженностью не более двух длин волн) и измеряют этот уровень Рп по от­ношению к амплитуде донного сигнала Рд (рис. 7.55.) Важное достоинство этой ве­личины состоит в том, что для ее измере­ния достаточно наблюдать один донный сигнал.

Отношение донный сигнал - помеха в дальней зоне определяется формулой, приведенной в табл. 2.4. Оно не зависит от толщины ОК, что очень удобно. В то же время предложенная характеристика не является независимой от ранее рассмот­ренных. Она сильно зависит от скорости с ультразвука и слабее - от коэффициента рассеяния 5Р, который составляет основ­ную часть коэффициента затухания в чу­гуне. Отношение донный сигнал-помеха зависит также от качества акустического контакта (см. разд. 2.2.3.4). Предложенное отношение рекомендуется использовать вместо измерения скорости ультразвука для оценки степени шаровидности (рис. 7.54, шкала слева).

Другая акустическая величина, пред­ложенная Л. В. Воронковой для оценки физико-механических свойств чугуна, - частота /т, соответствующая максималь­ной амплитуде спектра донного сигнала (или соответствующая циклическая часто­та еот). Для ее измерения используют ши­рокополосный преобразователь и дефек­тоскоп-спектроскоп, позволяющий на­блюдать спектр донного сигнала. Теоре­тический анализ показал, что значение fm связано с коэффициентом рассеяния. На него также влияет полоса пропускания преобразователя.

На рис. 7.56 показана зависимость от твердости EIB коэффициента затухания а,

скорости с и частоты максимальной ам­плитуды спектра еот = 2к fm. Коэффициент корреляции для частоты максимальной амплитуды спектра выше, чем для скоро­сти и затухания.

Достоинство измерения твердости по величине fm также в том, что ее измеряют по первому донному сигналу. Недостатки состоят в зависимости fm от индивидуаль­ных свойств преобразователя и качества акустического контакта, необходимости использования более сложного, чем де­фектоскоп, прибора - спектроанализатора.

Необходимо иметь в виду, что на из­меряемые УЗ параметры оказывает влия­ние целый комплекс свойств чугуна. На­пример, на рис. 7.57 показана зависимость скорости в чугуне и отношения донный сигнал - структурная помеха от содержа­ния шаровидного графита и средней вели­чины графитных включений. Из сравнения с рис. 7.54 видно, что на рис. 7.54 измере­ния выполняли на чугуне с крупными включениями.

В [422, с. 1102] предложена формула для расчета уровня структурных шумов Ps, возникающих в результате рассеяния УЗ в чугуне с шаровидным графитом в низко­частотной области, где длина волны го­раздо больше диаметра рассеивающих частиц. Формулы качественно совпадают с экспериментальными результатам и с фор-мулами в п. 1.1.3. При увеличении диаметра графитных включений макси­мум спектра рассеяния смещается в сто­рону низких частот. Когда длина волны гораздо больше диаметра рассеивающих частиц форма графитных включений не­существенна.

В [425, с. 418/035] сообщается о влиянии содержания шаровидных графит­ных включений в чугуне к общему содер­жанию графита на скорость и затухание УЗ. С увеличением содержания шаровид­ного графита скорость увеличивается и приближается к скорости звука в стали, а затухание уменьшается. Кроме того, ско­рость зависит от структуры матрицы. Это совпадает с ранее рассмотренными ре­зультатами.

Для определения свойств чугуна по скорости УЗ (в частности, формы графит­ных включений) в ЦНИИТмаш разработан портативный прибор УСЦ-1. Измерение выполняется при одностороннем доступе. Измеряется скорость головной волны на базе 70 мм с погрешностью 0,4 %. Изме­ренный временной интервал преобразует­ся в величину процентного содержания шаровидной фазы графита и изображается на цифровом дисплее. Коэффициент связи скорость - процент шаровидного графита можно учитывать при настройке. Поверх­ность отливки не нуждается в обработке при литье в кокиль, а после литья в земля­ную форму требуется дробеструйная об­работка.

Иногда применяют отливки из серого чугуна, в которых верхний слой состоит из отбеленного чугуна, для придания по­верхности необходимой твердости. Струк­туру этого слоя (наличие включений серо­го чугуна) проверяют по скорости УЗ, ко­торая в белом чугуне значительно больше (5,6 мм/мкс). Толщину отбеленного слоя проверяют, направляя УЗ-лучи по различ­ным траекториям на различной глубине

[47]. Например, при контроле изделий цилиндрической формы - по разным хор­дам.

Для контроля твердости изделий из чугуна в [170] использовали метод, осно­ванный на измерении скорости распро­странения головной волны. Излучающий и приемный наклонные преобразователи с углом ввода, равным первому критиче­скому, располагали в общем корпусе на расстоянии 35 мм друг от друга. Преобра­зователи устанавливали на ОК и подклю­чали к импульсному прибору ИСП-12, основанному на методе автоциркуляции.

Как отмечалось ранее, в отличие от сталей, где повышение твердости умень­шает скорость звука, в чугунах наблюда­ется обратная зависимость. При испыта­ниях метода на чугуне С420 коэффициент корреляции показаний прибора с твердо­стью оказался равным 0,93.

Г. А. Буденков и др. [46] разработали способ и установку для контроля твердо­сти массовых чугунных деталей (коро­мысло клапана двигателя М-412). Детали контролировали в области рабочей "пяты" путем измерения скорости распростране­ния продольных УЗ-волн.

Использовали иммерсионный им­пульсный метод прохождения. Расстояние между ЭМА-преобразователями было по­стоянным, поэтому время прохождения УЗ-импульсов определялось только вре­менем задержки в ОК. Для настройки применяли контрольные образцы, служа­щие "проходным" и "непроходным" ка­либрами. Применение установки в 9 ... 10 раз увеличило производительность кон­троля.