В качестве исследуемого материала выбрали конструкционную сталь 19Г (0,16−0,22 % C; 0,20−0,40 % Si; 0,7−1,00 % Mn; ≤ 0,30 % Cr; ≤ 0,30 % Cu и ≤ 0,30 % Ni) и 20X13 (0,23 % C; 0,45 % Mn; 0,27 % Si; 0,013 % P; 0,008 % S; 12,8 % Cr; 0,18 % Ni; 0,1 % Cu). Из стали 19Г производят трубы для магистральных трубопроводов, а сталь 20X13 широко применяется в ответственных конструкциях (в частности, из нее изготавливают лопатки турбин энергетических установок). Из этих сталей изготовляли плоские образцы длиной 50 мм, шириной 10 мм и толщиной 10 мм. Образцы из стали 19Г вырезали непосредственно из труб диам. 720 мм и толщиной стенки 10 мм.

Сталь 19Г имела следующие механические свойства: σ_В = 505 МПа; σ_0,2 = 379 МПа; δ = 30,1 %, и феррито-перлитную структуру с вытянутыми строчечными включениями сульфида марганца (рис. 1, a).

Образцы из стали 20X13 подвергали механической обработке, шлифовке, отжигу в течение 30 мин при 720 °С, охлаждению на воздухе. Исходные образцы имели следующие механические свойства: σ_В = 532 МПа; σ_0,2 = 300 МПа; δ = 23 %. Перед испытаниями рабочую часть образцов для устранения поверхностной шероховатости и механического наклепа обработали в электролите, содержащем 65 % фосфорной кислоты, 15 % серной кислоты, 6 % хромового ангидрида и 14 % воды, током плотностью 80−100 А/см². Удалили поверхностный слой глубиной 200 мкм. Для исследования структуры поверхность металла подвергли химическому травлению в реактиве Виллела. Сталь имела структуру грубого бейнита с частицами цементита (рис. 1, б). Некоторые участки микроструктуры отличались по контрасту, что, повидимому, связано с ликвацией легирующих элементов. Наблюдали также карбиды различной величины. Дополнительное травление реактивом Мураками позволило выявить распределение карбидов в виде сетки и преимущественно в области границ зерен.

рис. 1.  Микроструктура стали 19Г(а) и 20X13 (б)

Часть образцов подвергали статическому растяжению со скоростью . Одновременно регистрировали АЭ с помощью установки INSTRON, имеющей низкий уровень механических шумов. Монитор СДС1008 позволял получать амплитудные, энергетические и спектральные характеристики сигналов АЭ в реальном времени. Испытания на усталость в условиях гармонического циклического растяжения (R = 0,1) с частотой 20 Гц проводили на сервогидравлической установке ШЕНК-PSB-100 на базе 107 циклов.

Другую часть образцов исследовали с использованием метода кинетической твердости (разработчик ВНИИАЭС) с одновременной записью акустико-эмиссионных характеристик (разработчик акустико-эмиссионной аппаратуры ЗАО «Специальные диагностические системы»). Упругопластическое деформирование осуществляли вдавливанием шарового индентора диам. 10 мм со скоростью 15 мкм/с (рис. 2). При достижении максимальной нагрузки (450 кгс) проводили выдержку в течение 3 с и последующую разгрузку со скоростью 6 мкм/с. В процессе вдавливания индентора регистрировали акустико-эмиссионные характеристики. Преобразователь АЭ (ПАЭ) устанавливали на поверхности образца на расстоянии 20−35 мм от индентора. Акустический контакт ПАЭ с образцом создавался с помощью специальной смазки, обеспечивающей согласование их волновых сопротивлений.

рис. 2.  Схема упругопластического деформирования образца шаровым индентором с регистрацией характеристик акустической эмиссии