Институт физики прочности и материаловедения им. В.Е. Панина Сибирского отделения Российской академии наук (Томск, Россия)

С. А. Баранникова, ведущий научный сотрудник, докт. физ.-мат. наук, профессор, bsa@ispms.ru
Г. В. Шляхова, научный сотрудник, канд. техн. наук, shgv@ispms.ru

Приведены исследования механических характеристик и изменения скорости распространения ультразвука (волн Рэлея) при пластической деформации листовой низкоуглеродистой стали 20. Перед испытанием на одноосное растяжение образцы подвергались отпуску при 600 ^оС в течение трех часов, после чего охлаждались с печью. Целью работы является изучение влияния температуры испытаний (от +20 °С до –80 °С) на деформационное поведение стали с использованием in situ методов ультразвукового контроля и двухэкспозиционной спеклфотографии. Скорость ультразвука измеряли методом автоциркуляции импульсов. Установлены корреляционные зависимости между скоростью распространения ультразвука, пределами прочности, текучести и ударной вязкостью. Показано, что параметры рэлеевских волн зависят от температуры как в ненагруженном, так и в нагруженном состоянии, начиная с предела текучести и вплоть до разрушения. Кинетику деформационных процессов на площадке текучести фиксировали спекл-фотографическим методом, позволяющим регистрировать области, в которых при заданном приросте общего удлинения образца локализуется деформация материала. Понижение температуры приводит к возрастанию накапливаемой на площадке текучести деформации, повышению напряжения течения и скорости волн Рэлея. Для всех исследуемых температур наблюдается гладкая площадка текучести и непрерывное движение фронта локализации. Установлена связь между скоростью распространения фронтов Людерса и изменением скорости распространения ультразвука на площадке текучести. Рассчитаны значения скоростей распространения рэлеевских волн для критических точек, указывающих на начало пластичности, а также для выявления предельных состояний и предразрушения стали 20 в исследуемом интервале температур.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект FWRW-2026-0006.

1. Оленин М. И., Горынин В. И., Махорин В. В. Повышение хладостойкости стали марки 09Г2С за счет программного упрочнения, совмещенного с дополнительным среднетемпературным отпуском // Вопросы материаловедения. 2020. № 1(101). С. 27-34. DOI: 10.22349/1994-6716-2019-100-4-27-34
2. Попов К. В., Савицкий В. Г. Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин. – М. : Машиностроение, 1969. – 192 с.
3. Махутов Н. А. Спектральный акусто-эмиссионный анализ процесса деформирования и повреждения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84, № 10. С. 53-58. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-53-58
4. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. – М. : Мир, 1972. – 307 с.
5. Wang P., Zhang Y., Yao E. Method of measuring the mechanical properties of ferromagnetic materials based on magnetostrictive EMAT characteristic parameters // Measurement. 2021. Vol. 168. P. 108187. DOI: 10.1016/j.measurement.2020.108187
6. Guz A. N., Makhort F. G. The physical fundamentals of the ultrasonic nondestructive stress analysis of solids // International Applied Mechanics. 2000. Vol. 36. No. 9. P. 1119–1149. DOI: 10.1023/A:1009442132064
7. Муравьев В. В., Зуев Л. Б., Комаров К. Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. – Новосибирск : Наука, 1996. – 184 с.
8. Муравьев В. В., Муравьева О. В., Байтеряков А. В. Структурно-чувствительные акустические параметры конструкционных сталей. – Ижевск : Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, 2020. – 152 с.
9. Sheng H., Wang P. Evaluation of pipeline steel mechanical property distribution based on multi-micromagnetic NDT method // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2023. Vol. 72. P. 6001715. DOI: 10.1109/TIM.2023.3241060
10. Хлыбов А. А., Углов А. Л. Об использовании параметров структурного шума при контроле поверхностными акустическими волнами Рэлея стали 20ГЛ в процессе упругопластического деформирования // Дефектоскопия. 2021. № 7. С. 3–10. DOI: 10.31857/S0130308221070010
11. Kowalczyk J., Jósko M., Wieczorek D., Sedłak, K., Nowak M. The influence of the hardness of the tested material and the surface preparation method on the results of ultrasonic testing // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. No. 17. P. 9904. DOI: 10.3390/app13179904
12. Мишакин В. В., Гончар А. В., Клюшников В. А., Курашкин К. В. Исследование влияния пластического деформирования на кристаллографическую текстуру и ультразвуковые характеристики низколегированной стали // Проблемы прочности и пластичности. 2021. Т. 83, № 3. С. 255-264. DOI: 10.32326/1814-9146-2021-83-3-255-264
13. Березин А. В., Козинкина А. И., Рыбакова Л. М. Акустическая эмиссия и деструкция пластически деформированного металла // Дефектоскопия. 2004. № 3. С. 9–14.
14. Баранникова С. А., Бочкарева А. В., Лунев А. Г., Шляхова Г. В., Зуев Л. Б. Изменение скорости ультразвука при пластической деформации высокохромистой стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59, № 8. С. 558-564. DOI: 10.17073/0368-0797-2016-8-558-564
15. Carvajal L., Artigas A., Monsalve A., Arévalo E. Monitoring heat treatments in steels by a non-destructive ultrasonic method // Materials Research. 2017. Vol. 20(2). P. 347–352. DOI: 10.1590/1980-5373-mr-2016-1083
16. Freitas V. L. A., Albuquerque V. H. C., Silva E. M., Silva A. A., Tavares J. M. R. S. Nondestructive characterization of microstructures and determination of elastic properties in plain carbon steel using ultrasonic measurements // Materials Science and Engineering A. 2010. Vol. 27(16-17). P. 4431–4437. DOI: 10.1016/j.msea.2010.03.090
17. Fujita M., Kuki K. An evaluation of mechanical properties with the hardness of building steel structural members for reuse by NDT // Metals. 2016. Vol. 6. P. 247. DOI: 10.3390/met6100247

18. Kumar A., Jayakumar T., Raj B., Ray K. K. Correlation between ultrasonic shear wave velocity and Poisson’s ratio for isotropic solid materials // Acta Materialia. 2003. Vol. 51. P. 2417–2426. DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00054-5
19. Hamidnia M., Honarvar F. Measurement of elastic properties of AISI 52100 alloy steel by ultrasonic nondestructive methods // Journal of Mechanics of Materials and Structures. 2013. Vol. 7(10). P. 951–961. DOI: 10.2140/jomms.2021.7.951
20. Pham T. V., Kien D. T. Influence of temperature on mechanical characteristics of 1018 low carbon steel estimated by ultrasonic non-destructive testing method // Indian Journal of Pure and Applied Physics. 2017. Vol. 55. P. 431–435.
21. Муравьев В. В., Муравьева О. В., Баранникова С. А. и др. Перспективные методы структуроскопии и дефектоскопии материалов и изделий. – Ижевск : Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, 2025. – 300 с.
22. Фетисов В. П. Локализация пластической деформации при деформировании низкоуглеродистой стали // Литье и металлургия. 2022. № 4. С. 51–54. DOI: 10.21122/1683-6065-2022-4-51-54
23. Терентьев В. Ф., Орлов Л. Г., Пойда В. Г. Особенности протекания пластической деформации ОЦК металлов в области микротекучести // Проблемы прочности. 1972. № 9. С. 34–37.
24. Nagarajan S., Narayanaswamy R., Balasubramaniam V. Study on local zones constituting to band growth associated with inhomogeneous plastic deformation // Materials Letters. 2013. Vol. 105. P. 209–212. DOI: 10.1016/j.matlet.2013.04.014
25. Баранникова С. А., Надежкин М. В., Лунев А. Г., Горбатенко В. В., Шляхова Г. В., Зуев Л. Б. Изучение локализованного пластического течения в горячекатаной стали 08пс // Деформация и разрушение материалов. 2014. № 4. С. 34–39.
26. Danilov V. I., Orlova D. V., Gorbatenko V. V., Zuev L. B. Kinetics and morphology of Lüders deformation in specimens with homogeneous structure and with a weld joint // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 714. P. 160–166. DOI: 10.1016/j.msea.2017.12.100
27. Типалин С. А., Гневашев Д. А., Борисов Н. Д., Боднар М. В., Климов В. А. Изменение свойств листовой стали 20 в зависимости от толщины проката // Черные металлы. 2025. № 12. С. 79–83.
28. Иляхинский А. В., Родюшкин В. М., Рябов Д. А., Хлыбов А. А., Ерофеев В. И. Исследование сигналов акустической эмиссии при испытании на растяжение стали 20 // Проблемы прочности и пластичности. 2021. T. 83. № 2. C. 188–197.
29. Каравайцева А. А., Квеглис Л. И., Герт С. С., Анфилофьев В. В. Поглощение ультразвука в марганцовистой стали 20ГЛ // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 12, № 3. С. 356–365. DOI: 10.17516/1999-494X-0143
30. Новиков И. И., Рощупкин В. В., Ляховицкий М. М. и др. Экспериментальное исследование акустических свойств стали 20 // Оптический журнал. 2014. T. 81. № 6. C. 79–84.
31. Зуев Л. Б., Семухин Б. С., Бушмелева К. И. Скорость ультразвука в низкоуглеродистой стали, деформируемой на нижнем пределе текучести // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. № 3. С. 197-201.
32. Pelleg J. Mechanical Properties of Materials. – Dordrecht : Springer, 2013. – 634 p.
33. Зуев Л. Б., Хон Ю. А., Горбатенко В. В. Физика не однородного пластического течения. – М. : Физматлит, 2024. – 316 с.
34. Шляхова Г. В., Баранникова С. А., Зуев Л. Б. Об использовании атомносиловой микроскопии в металлографии // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 1. С. 32–36. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-1-32-36
35. Caillard D., Martin J. L. Thermally Activated Mechanisms in Crystal Plasticity. – Oxford : Elsevier, 2003. – 433 p.
36. Судзуки Т., Ёсинага Х., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. – Москва : Мир, 1989. – 294 с.
37. Петров Ю. В., Бородин И. Н. Релаксационный механизм пластического деформирования и его обоснование на примере явления зуба текучести в нитевидных кристаллах // ФТТ. 2015. Т. 57, № 2. С. 336–341.
38. Иванова В. С., Гордиенко Л. К., Геминов В. Н. и др. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов. – М. : Наука, 1965. – 180 с.
39. Фарбер В. М., Селиванова О. В., Морозова А. Н., Хотинов В. А., Хадыев М. С., Жиляков А. Ю. Дислокационная структура в полосе локализованной деформации, формирующейся при растяжении нормализованного образца стали 09Г2С // Физическая мезомеханика. 2023. Т. 26, № 5. С. 53–60. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_5_53
40. Maurel A., Pagneux V., Barra F., Lund F. Wave propagation through a random array of pinned dislocations: velocity change and attenuation in a generalized Granato and Lücke theory // Physical Review B. 2005. Vol. 72. P. 174111. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.174111