Wykorzystanie współczynnika odbicia fal ultradźwiękowych do oceny kontaktu powierzchni chropowatych

• Autorzy: Starzyński G. , Mackiewicz S. , Szelążek J.

Warianty tytułu

EN

Ultrasonic evaluation of contact between rough surfaces

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dla zrozumienia wielu procesów zachodzących na styku dwóch elementów (tarcia, zużycia, połączeń skurczowych) niezbędna jest możliwość wyznaczenia lub obliczenia rzeczywistej powierzchni styku oraz sztywności kontaktowej. Jedną z technik stosowanych w badaniach kontaktu jest badanie odbicia fal ultradżwiękowych od kontaktujących się pod obciążeniem powierzchni. Gdy fala ultradźwiękowa pada na granicę kontaktujących się chropowatych powierzchni, część jej energii przechodzi do drugiego ośrodka, a część odbija się od pustych przestrzeni. Z literatury znana jest zależność miedzy współczynnikiem odbicia fali ultradźwiękowej a sztywnością kontaktową. W pracy przedstawiono unikatowe W Polsce urządzenie do jednoczesnego mierzenia odkształcenia stykowego i współczynnika odbicia dla fali podłużnej (L), jak i fali poprzecznej (T), padającej na kontaktujące się powierzchnie. Korzystając z niego, można obliczyć sztywność normalną (na podstawie wyników pomiarów za pomocą fal podłużnych) oraz styczną (na podstawie pomiarów za pomocą fal poprzecznych) w funkcji stykowego obciążenia normalnego. W pierwszym etapie badań współczynnik odbicia fali ultradźwiękowej był mierzony na próbkach ze stali 45 po trzech różnych obróbkach powierzchniowych: kulowanych (Sa = 5,2 um), frezowanych (Sa = 2,6 um) i piaskowanych (Sa = 0,65 um). Powierzchnie te były obciążane w granicach od 0 do 800 MPa przez sztywną, bardzo gładką powierzchnię stempla, a następnie odciążane. Pomiary dla fali poprzecznej i podłużnej prowadzono zarówno podczas obciążania, jak i odciążania. Z pomiarów i późniejszych obliczeń uzyskano zależności sztywności kontaktowej w funkcji normalnego obciążenia i odciążenia powierzchni. Sztywność kontaktowa rośnie z obciążeniem i osiąga największe Wartości (rzędu 6 GPa/um) dla najmniej chropowatej powierzchni piaskowanej i jest ponad 10 razy większa od sztywności powierzchni kulowanej. Kolejna część eksperymentu dotyczyła oceny wpływu rodzaju materiału na sztywność kontaktową. Wykonano próbki z trzech różnych stali: węglowej 45, chromowo manganowej 40HM oraz konstrukcyjnej S235 o znacząco różniących się granicach plastyczności. Badania wykazały, że fale poprzeczne nie reagują na zmianę właściwości wytrzymałościowych stali, a fale podłużne są wyraźnie wrażliwe na zmianę granicy plastyczności i wytrzymałości materiału próbek. Różne przebiegi sztywności kontaktowej dla fali podłużnej i poprzecznej, uzyskane na próbkach o takiej samej chropowatości, ale różnej granicy plastyczności, dowodzą możliwości wykorzystania techniki ultradżwiękowej do przybliżonej, nieniszczącej oceny tego ważnego parametru materiałowego.

EN

The ability to determine or calculate the real contact area and interfacial (contact) stiffness to understand many of the processes taking place at the interface between two elements (friction, wear, Shrink connections) is required. One of the techniques used in the study of contact is monitoring of the ultrasonic wave reflection coefficient from the contacting surfaces under load. When the ultrasonic waves strikes the border contacting rough surfaces, part of its energy is transmitted into a second medium and the other part is reflected from the cavities. From the literature the dependence reflection coefficient - interfacial stiffness is known. The paper presents a device unique in Poland for simultaneous measurement of the contact strain and reflection coefficient of longitudinal waves (L) and transverse wave (T) striking the surfaces of two solids in contact. The normal stiffness can be calculated (from longitudinal waves measurement) and tangential stiffness (from transverse waves measurement) as a function of the contact normal load. In the first stage of the study, an ultrasonic wave reflection coefficient was measured on the samples of steel 45 after three different surface treatments: shot peened (Sa = 5.2 um), mifled (Sa = 2.6 um), and sandblasted (Sa = 0.65 um). These surfaces were loaded up to 800 MPa by a rigid, very smooth stamp surface and then unloaded. Measurements of the transverse and longitudinal waves reflection were realized during both loading and unloading. The interfacial stiffnesses were obtained from the measurements and subsequent calculations as a function of normal loading and unloading. The interfacial stiffness increases with load and reaches the highest value (about 6 GPa/um) for the sandblasted surface and is 10 times higher compared to the stiffness of the shot peened surface. In the second stage of the experiment, the infiuence of the material mechanical properties on the contact stiffness was evaluated. Three types of samples were manufactured ofdifferent steel: carbon 45, chrome and manganese 40HM and construction steel S235 with significantly different yield limits. The studies have shown that transverse waves do not respond to changes in the mechanical properties of steel, but the longitudinal waves are sensitive to changes in the yield strength of the samples. Different values of interfacial stiffness for longitudinal and transverse waves, obtained from samples of the same roughness but different yield show the possibility of ultrasonic evaluation of this important material parameter in a non-destructive way.

Słowa kluczowe

PL

fale ultradźwiękowe; współczynnik odbicia; sztywność kontaktowa; chropowatość; powierzchnia kontaktu

EN

ultrasonic waves; reflection coefficient; contact stiffness; roughness; contact surface

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 2
• Strony: 71--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Starzyński G.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

autor

Mackiewicz S.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

autor

Szelążek J.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

Bibliografia

• [1] Obraz J.: Ultradźwięki w technice pomiarowej. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa (1983).
• [2] Brotherhood C. J., Drinkwater B. W., Dixon S.: The detectability of kissing bonds in adhesive joints using ultrasonic techniques. Ultrasonics 41 (2003) 521÷529.
• [3] Palmer D. D., Rehbein D. K., Smith J. F., Buck O.: Nondestructive characterization of the mechanical strength of diffusion bonds. II. Application of a quasi-static spring model. Journal of Nondestructive Evaluation 7 (1988) 167÷174.
• [4] Quin A. M., Drinkwater B. W., Dwyer-Joyce R. S.: The measurement of contact pressure in machine elements using ultrasound. Ultrasonics 39 (2002) 459÷502.
• [5] Królikowski J., Szczepek J.: Prediction of contact parameters using ultrasonic method. Wear 184 (1991) 181÷195.
• [6] Dwyer-Joyce R. S., Drinkwater B. W., Quin A. M.: The use of ultrasound in the investigation of rough surface interfaces. Transactions of the ASME 123 (2001) 8÷16.
• [7] Rehbein D. K., Skillings B. J., Smith J. F., Thompson D. O.: Ultrasonic reflection from a stressed interface. Journal of Nondestructive Evaluation 4 (1) (1984) 3÷12.
• [8] Marhsall M. B., Lewis R., Dwyer-Joyce R. S., Demilly F., Flament Y.: Ultrasonic characterisation of wheel hube/axle interference fit pressures. Proc. Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 225 (2011) 287÷298.
• [9] Jen C. K., Cao B., Nguyen K. T., Loong C. A, Legoux J. G.: On-line ultrasonic monitoring of a die-casting process using buffer rods. Ultrasonics 35 (1997) 335÷344.
• [10] Starzyński G., Mackiewicz S., Szelążek J.: Pomiary współczynnika odbicia fal ultradźwiękowych od styku powierzchni chropowatych pod obciążeniem normalnym. Wyd. Narodowa Akademia Nauk Ukrainy, seria „Fizyczni metody ta zasobu kontroluj seredowiszcz, materialik ta wyrobiw”, nr 13, Lwów (2008) 144÷151.
• [11] Starzyński G.: Relation between material parameters and contact loading process. The Arch. of Mech. Eng. XLVI 3 (1999) 201÷220.
• [12] Szelążek J., Mackiewicz S., Starzynski G.: Zastosowania pomiarów współczynnika odbicia fal ultradźwiękowych od granicy metal-metal w technice. Wyd. IPPT PAN Biuro Gamma, Mat. XVI Seminarium „Nieniszczące Badania Materiałów”, Zakopane, 9÷12 marca (2010) 67÷82.
• [13] Greenwood J. A., Williamson J.: Contact of nominally flat rough surfaces. Proc. Roy. Soc., London, Ser. A295 (1966) 300÷319.
• [14] Sherif H. A., Kossa S. S.: Relationship between normal and tangential contact stiffness of nominally flat surfaces. Wear 151 (1991) 49÷62.
• [15] Nagy P. B.: Ultrasonic classification of imperfect interfaces. J. Nondestr. Eval11 (1992) 127÷139.