Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет42443510.17212/1994-6309-2026-28.2-179-195EQUIPMENT. INSTRUMENTSОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫResearch ArticleUltrasonic non-destructive property prediction framework for spheroidal graphite iron castingsУльтразвуковая неразрушающая система прогнозирования свойств отливок из чугуна с шаровидным графитомhttps://orcid.org/0000-0002-3277-044357213596265МхаманеДигвиджайMhamaneDigvijay
India

Аспирант

Ph.D. (Engineering) student

digvijay.ndt@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9329-380757194031231ABB-3298-2020BewoorAnandБевурАнанд
India

доктор техн. наук, профессор

D.Sc. (Engineering), Professor

anand.bewoor@cumminscollege.inDepartment of Mechanical Engineering, Zeal College of Engineering and Research, Narhe Pune, Savitribai Phule Pune UniversityИнженерно-исследовательский колледж Зил, Хархе Пуне, Университет Савитрибай ПхулеИнженерный колледж для женщин им. КамминсCummins College of Engineering for Womenruen282ТОМ 28, №2 (2026)VOL 28, NO2 (2026)17919502062026Copyright ©; 2026, Mhamane D., Bewoor A.Copyright ©; 2026, Мхамане Д., Бевур А.2026Mhamane D., Bewoor A.Мхамане Д., Бевур А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/424435

Introduction. Spheroidal graphite (SG) iron is widely used in engineering structures due to its high mechanical properties, which are largely determined by the degree of spheroidization (nodularity) of the graphite inclusions. Conventional metallographic evaluation of nodularity provides high accuracy but is a destructive and time‑consuming procedure. Therefore, there is a need for a reliable non‑destructive approach for rapid quality assessment of castings, especially in small‑batch foundry production. The purpose of this work is to develop a methodological framework for predicting nodularity and mechanical properties of SG iron castings based on ultrasonic testing. Methods. Castings of three SG iron grades (SGI 400/12, 500/7, and 600/3) were manufactured according to a Taguchi L27 experimental design. The controlled process parameters were: pouring temperature (1,380–1,420 °C), carbon equivalent (4.0–4.6), and section thickness (5–15 mm). Ultrasonic testing was performed using a flaw detector with a 4 MHz transducer to measure the longitudinal ultrasonic wave velocity in the samples. Nodularity was determined from the ultrasonic measurements using the instrument's internal calibration and the corresponding velocity relationship. Ultimate tensile strength (UTS, σu) and Brinell hardness were determined by standard mechanical testing methods. Multiple linear regression models were developed relating the process parameters and ultrasonic velocity to nodularity, UTS (σu), and hardness. Results and Discussion. The developed models demonstrated high predictive capability, with coefficients of determination of R2 = 0.8955 for nodularity, R2 = 0.9954 for UTS (σu), and R2 = 0.8135 for hardness. Carbon equivalent was identified as the most significant parameter affecting all responses. Ultrasonic velocity showed a clear positive correlation with nodularity and mechanical properties. Validation using metallographic analysis confirmed good agreement with ultrasonic predictions, with deviations within 2–3%. The study demonstrates that ultrasonic velocity can be effectively used to predict the microstructural and mechanical characteristics of SG iron. The developed regression models provide a simple and practical tool for non‑destructive evaluation, ensuring rapid quality control in foundry production, especially for small‑scale enterprises.

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 (σв) 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 σв 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.

Чугун с шаровидным графитомНеразрушающий контрольСкорость распространения ультразвуковых колебанийПрогнозирование свойствSpheroidal graphite ironNon-destructive testingUltrasonic velocityProperty predictionSangame 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.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.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.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.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.Nanekar P.P., Shah B.K. Characterization of material properties by ultrasonic // BARC Newsletter. – 2003. – N 249. – P. 25–38.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Brown J.R. Foseco ferrous foundryman’;s handbook. – 10th ed. – Butterworth-Heinemann, 2000.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.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.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.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).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.ASTM E8/E8M-16a: Standard test methods for tension testing of metallic materials. – ASTM International, 2020. – DOI: 10.1520/E0008_E0008M-16A.ASTM E10-18: Standard test method for Brinell hardness of metallic materials. – ASTM International, 2023. – DOI: 10.1520/E0010-18.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.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.Montgomery D., Cahyono St. Design and analysis of experiments. – 9th ed. – John Wiley & Sons, 2022.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).Stefanescu D.M. Science and engineering of casting solidification. – 2nd ed. – Springer, 2015. – DOI: 10.1007/978-3-319-15693-4.Campbell J. Complete casting handbook. – 2nd ed. – Butterworth-Heinemann, 2015. – DOI: 10.1016/C2014-0-01548-1.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).