ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) широко применяется в инженерных конструкциях благодаря его высоким механическим свойствам, которые в значительной мере определяются степенью сфероидизации графитных включений. Традиционная металлографическая оценка сфероидизации обеспечивает высокую точность, однако является разрушающей и трудоемкой процедурой. В связи с этим существует потребность в надежном неразрушающем подходе для оперативной оценки качества отливок, особенно в условиях мелкосерийного литейного производства. Цель настоящей работы: разработка методологической основы прогнозирования сфероидизации и механических свойств отливок из ЧШГ на базе ультразвукового контроля. Методы исследования. Были изготовлены отливки из трех марок ЧШГ (ВЧ 400/12, 500/7 и 600/3) в соответствии с планом экспериментов Taguchi L27. В качестве управляемых параметров рассматривались температура заливки (1380…1420 °C), углеродный эквивалент (4,0…4,6) и толщина стенки отливки (5…15 мм). Ультразвуковой контроль выполнялся с помощью дефектоскопа с преобразователем частотой 4 МГц для измерения скорости продольных ультразвуковых волн в образцах. Сфероидизация определялась по результатам ультразвуковых измерений с использованием внутренней калибровочной базы прибора и соответствующей зависимости скорости распространения ультразвуковых колебаний. Предел прочности при растяжении и твердость определяли стандартными методами механических испытаний. Были разработаны модели множественной линейной регрессии, связывающие технологические параметры и скорость распространения ультразвуковых колебаний со сфероидицацией, пределом прочности при растяжении (σ_в) и твердостью по Бринеллю. Результаты и обсуждение. Разработанные модели продемонстрировали высокую прогностическую способность с коэффициентами детерминации R² = 0,8955 для сфероидизации, R² = 0,9954 для σ_в и R² = 0,8135 для твердости. Углеродный эквивалент идентифицирован как наиболее значимый параметр, влияющий на все отклики. Скорость распространения ультразвуковых колебаний демонстрирует выраженную положительную корреляцию со сфероидизацией и механическими свойствами. Валидация с привлечением металлографического анализа подтвердила хорошую сходимость с ультразвуковыми оценками при отклонениях в пределах 2…3 %. Исследование показало, что скорость распространения ультразвуковых колебаний может быть эффективно использована для прогнозирования микроструктурных характеристик и механических свойств ЧШГ. Разработанные регрессионные модели представляют собой простой и практичный инструмент для неразрушающей оценки, обеспечивающий оперативный контроль качества в литейном производстве, в особенности для малых предприятий.

1. Sangame B.B., Reddy Y.P. Investigation on effect of different types of inoculants on the solidification of ductile cast iron using thermal analysis // Multidiscipline Modeling in Materials and Structures. – 2024. – Vol. 20 (6). – P. 995–1012. – DOI: 10.1108/MMMS-03-2024-0084.

2. Evaluation of austempered ductile iron end milling by magnetic Barkhausen noise and x-ray diffraction methods / L. Benini, P.P.R. de Paula, S.S.M. Tavares, F. de Sá Carnerio, L.F. Noris, B.M. da Conceição, J.M.M. Júnior // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2025. – Vol. 34. – P. 9026–9036. – DOI: 10.1007/s11665-025-10794-6.

3. Microstructure and tribological property correlations of die cast and spray formed Al-30 wt.% Si alloy / H.K.C. Mohan, S. Devaraj, K.S.N. Swamy, B.K. Venkatesh // Journal of Mines, Metals and Fuels. – 2022. – Vol. 70 (10A). – P. 307–313. – DOI: 10.18311/jmmf/2022/32772.

4. Kadam S., Kabnure B., Mhamane D. Computer-aided simulation of railway insert for defect analysis and yield improvement // Journal of the Institution of Engineers (India): Series C. – 2021. – Vol. 102. – P. 651–656. – DOI: 10.1007/s40032-021-00680-0.

5. Nondestructive characterization of microstructures and determination of elastic properties in plain carbon steel using ultrasonic measurements / V.L. de A. Freitas, V.H.C. de Albuquerque, E. de M. Silva, A.A. Silva, J.M.R.S. Tavares // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527 (16–17). – P. 4431–4437. – DOI: 10.1016/j.msea.2010.03.090.

6. Nanekar P.P., Shah B.K. Characterization of material properties by ultrasonic // BARC Newsletter. – 2003. – N 249. – P. 25–38.

7. On the correlation between microstructural evolution and ultrasonic properties: A review / M. Toozandehjani, K.A. Matori, F. Ostovan, F. Mustapha, N.I. Zahari, A. Oskoueian // Journal of Materials Science. – 2015. – Vol. 50 (7). – P. 2643–2665. – DOI: 10.1007/s10853-015-8855-x.

8. Kim S.A., Johnson W.L. Elastic constants and internal friction of martensitic steel, ferritic-pearlitic steel, and α-iron // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 452–453. – P. 633–639. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.11.147.

9. Kumar A., Jayakumar T., Raj B. Influence of precipitation of intermetallics on Young’s modulus in nickel and zirconium base alloys // Philosophical Magazine Letters. – 2006. – Vol. 86 (9). – P. 579–587. – DOI: 10.1080/09500830600936401.

10. Thickness and grain size monitoring in seamless tube making process using laser ultrasonics / D. Lévesque, S.E. Kruger, G. Lamouche, R. Kolarik, G. Jeskey, M. Choquet, J.-P. Monchalin // NDT & E International. – 2006. – Vol. 39 (8). – P. 622–626. – DOI: 10.1016/j.ndteint.2006.04.009.

11. Badidi Bouda A., Benchaala A., Alem K. Ultrasonic characterization of materials hardness // Ultrasonics. – 2000. – Vol. 38 (1–8). – P. 224–227. – DOI: 10.1016/S0041-624X(99)00081-5.

12. Aghaie-Khafri M., Honarvar F., Zanganeh S. Characterization of grain size and yield strength in AISI 301 stainless steel using ultrasonic attenuation measurements // Journal of Nondestructive Evaluation. – 2012. – Vol. 31 (3). – P. 191–196. – DOI: 10.1007/s10921-012-0134-z.

13. Vasudevan M., Palanichami P. Characterization of microstructural changes during annealing of cold worked austenitic stainless steel using ultrasonic velocity measurements and correlation with mechanical properties // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2002. – Vol. 11 (2). – P. 169–179. – DOI: 10.1361/105994902770344231.

14. Ultrasonic non?destructive evaluation of composites: A review / J. Jodhani, A. Handa, A. Gautam, R. Rana // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 78. – P. 627–632. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.12.055.

15. Influence of structural parameters – the shape of graphite and matrix on change of ultrasonic wave propagation rate and value of attenuation in graphitic cast irons / J. Belan, E. Tillová, M. Uhrícik, L. Pastierovicová // Production Engineering Archives. – 2023. – Vol. 29 (1). – P. 23–27. – DOI: 10.30657/pea.2023.29.4.

16. Determination of microstructure changes by eddy-current methods for cold and warm forming applications / S. Hütter, R. Lafarge, J. Simonin, G. Mook, A. Brosius, T. Halle // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100042. – DOI: 10.1016/j.aime.2021.100042.

17. Hatate M., Nobuki T., Komatsu S. Accuracy improving methods in estimation of graphite nodularity of ductile cast iron by measurement of ultrasonic velocity // Science and Technology of Casting Processes. – InTech, 2012. – DOI: 10.5772/50596.

18. Methodology for determination of degree of nodularity in a ductile cast iron GGG 40 by ultrasonic velocity test / D. Agnoletto, G.V.B. Lemos, A.B. Beskow, C.R. de L. Lessa, A. Reguly // Southern Brazilian Journal of Chemistry. – 2018. – Vol. 26. – P. 10–16. – DOI: 10.37633/SBJC.26(26)2018.10-16.

19. Yadav A., Prajapati K.K., Mitra M. Deep learning-assisted prediction of mean grain size of polycrystalline materials from ultrasonic wave response // Mechanics of Materials. – 2025. – Vol. 207. – P. 105367. – DOI: 10.1016/j.mechmat.2025.105367.

20. Yusubov F. Wear studies on phenolic brake-pads using Taguchi technique // Tribology in Industry. – 2021. – Vol. 43. – P. 489–499. – DOI: 10.24874/ti.1024.12.20.03.

21. Kabnure B.B., Shinde V.D., Kolhapure R.R. Optimization to develop multiple response microstructure and hardness of ductile iron casting by using GRA // Journal of the Institution of Engineers (India): Series D. – 2018. – Vol. 99. – P. 235–243. – DOI: 10.1007/s40033-018-0161-8.

22. Evolution of shrinkage with carbon equivalent and inoculation in ductile cast irons / A. Regordosa, N. Llorca-Isern, J. Sertucha, J. Lacaze // Materials Science Forum. – 2018. – Vol. 925. – P. 28–35. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.925.28.

23. Brown J.R. Foseco ferrous foundryman’s handbook. – 10th ed. – Butterworth-Heinemann, 2000.

24. McDonald M., Gaines S., Diederichs M. Interpreting ultrasonic pulse velocities and elastic properties of lac du bonnet granite under compression // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2023. – Vol. 1124. – P. 012035. – DOI: 10.1088/1755-1315/1124/1/012035.

25. Muthmari S., Singh A. Review of various ultrasonic techniques employed in modern industries // International Journal of Engineering Science and Technology. – 2011. – Vol. 3. – P. 3078–3085.

26. Ultrasonic calibration and certification of V1 and V2 type reference standard blocks for use in non-destructive testing / L.E. Maggi, C.E.R. Silva, A.V. Alvarenga, R.P.B. Costa-Felix // Journal of Physics Conference Series. – 2011. – Vol. 279 (1). – P. 012029. – DOI: 10.1088/1742-6596/279/1/012029.

27. Pitkänen J., Sarkimo M., Lonne S. Modeling of ultrasonic testing for inspection of nodular cast iron insert // 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components. – Budapest, Hungary, 2007. – URL: https://www.ndt.net/search/docs.php3?id=7016 (accessed: 09.04.2026).

28. Lee S.-C., Suen J.-M. Ultrasonic nondestructive evaluation of matrix structures and nodularity in cast irons // Metallurgical Transactions A. – 1989. – Vol. 20A. – P. 2399–2407. – DOI: 10.1007/BF02666675.

29. ASTM E8/E8M-16a: Standard test methods for tension testing of metallic materials. – ASTM International, 2020. – DOI: 10.1520/E0008_E0008M-16A.

30. ASTM E10-18: Standard test method for Brinell hardness of metallic materials. – ASTM International, 2023. – DOI: 10.1520/E0010-18.

31. Mhamane D., Bewoor A. A non-destructive approach to characterize nodularity in SG iron castings using ultrasonic testing // Journal of Mines, Metals and Fuels. – 2025. – Vol. 73 (11). – P. 3589–3598. – DOI: 10.18311/jmmf/2025/50001.

32. Process for predicting nodularity, material properties in SG iron castings using simulation and ultrasonic testing: Patent No. 202521031317 / Mhamane D.A., Bewoor A.K., Mhamane R.D., Bewoor L.A. – 2025.

33. Montgomery D., Cahyono St. Design and analysis of experiments. – 9th ed. – John Wiley & Sons, 2022.

34. Gür C.H., Aydinmakina B. Ultrasonic investigation of graphite nodularity in ductile cast irons // DGZfP Jahrestagungen 2001. ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung, Berlin, 21–23 Mai, 2001. – URL: https://www.ndt.net/article/dgzfp01/papers/p33/p33.htm (accessed: 07.04.2026).

35. Stefanescu D.M. Science and engineering of casting solidification. – 2nd ed. – Springer, 2015. – DOI: 10.1007/978-3-319-15693-4.

36. Campbell J. Complete casting handbook. – 2nd ed. – Butterworth-Heinemann, 2015. – DOI: 10.1016/C2014-0-01548-1.

37. ASTM A247-19: Standard test method for evaluating the microstructure of graphite in iron castings. – ASTM International, 2024. – DOI: 10.1520/A0247-19. – URL: https://store.astm.org/a0247-19.html (accessed: 09.04.2026).