УДК 620.179.14
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
СТАЛЕЙ ПРИ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА ТЕРМООБРАБОТАННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Г. В. Вида, А. Н. Сташков
Рассчитаны выражения, связывающие твердость ряда низколегированных сталей, а также высокохромистых сталей 14Х17Н2А, 20X13, 30X13 и 40X13 после закалки и последующего отпуска в широком интервале температур с их магнитными свойствами, а также твердость сталей 60С2А, 50Г и У8 — с показаниями магнитного структуроскопа МС-2. Для ряда марок сталей приведена таблица с интервалами температур отпуска, где монотонно изменяются коэрцитивная сила, релаксационные намагниченность и магнитная восприимчивость, даны пределы изменения величин этих характеристик и пределы изменения твердости.
Чаще всего для неразрушающего контроля механических свойств стального проката, твердости деталей из конструкционных сталей после закалки, глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев на деталях и др. используется одна магнитная характеристика — коэрцитивная сила Нс [1]. Уже первые исследования зависимости Нс и других магнитных свойств от температур нагрева при закалке Гзак и отпуске Тот [2—6] показали порой существенную зависимость этих свойств от исходного химического состава (колебания содержания химических элементов в пределах марочного состава), исходной перед закалкой структуры (зернистый перлит, пластинчатый перлит, их модификации) и др., что свидетельствовало о необходимости применения при контроле дополнительных параметров.
Твердость деталей подшипников качения, инструмента, качество деталей, полученных методом порошковой металлургии, нельзя проконтролировать по одной Нс, поскольку при повышении температуры Гзак (перегрев) подшипниковых и инструментальных сталей вследствие увеличения количества неферромагнитного остаточного аустенита коэрцитивная сила изменяется немонотонно: возрастает и, достигнув максимума, убывает. При этом твердость возрастает и лишь слабо уменьшается при высоких Гзак. У деталей, полученных методом порошковой металлургии кроме изменений структуры имеет место колебание удельного объема пористости. Здесь в качестве второго параметра используют намагниченность насыщения М3 [7—12], которая при Тзак > 750 °С подшипниковых и инструментальных сталей лишь убывает. Она же уменьшается при увеличении пористости в спеченных сталях.
При контроле прочностных, пластических и вязких свойств проката из углеродистых и низколегированных сталей в горячекатаном состоянии используют коэрцитивную силу с учетом контролируемых параметров технологического процесса производства (толщина листа, номер балки, процентное содержание плавочного химического состава, и др.) [13—19].
При решении отдельных задач неразрушающего контроля качества отпуска технологическая температура последнего изменяется в достаточно узком интервале. Здесь во многих случаях также можно обойтись одной магнитной характеристикой — релаксационной намагниченностью или ее практически используемым аналогом вторичной остаточной намагниченностью (магнитной индукцией) после специального перемаг-ничивания [20]. Однако и здесь имеется немало задач, где одной магнитной характеристикой обойтись невозможно.
В последние годы для приборного контроля качества закаленных и отпущенных деталей преимущественно из среднеуглеродистых сталей (трубы нефтяного сортамента, рельсы, вагонные колеса и бандажи и другие изделия) кроме коэрцитивной силы (показание коэрцитиметра /рс) были использованы еще одна-две магнитные характеристики — частные остаточные намагниченности после перемагничивания деталей до одного-двух значений перемагничивающего тока [21—25]. В предлагаемой работе исследуется возможность применения для неразруша-ющего контроля твердости отпущенных сталей традиционно используемой в магнитной структуроскопии коэрцитивной силы Нс — магнитной характеристики, обусловленной задержкой необратимых процессов при перемагничивании ферромагнитных материалов, наряду с дополнительными параметрами — релаксационной намагниченностью МНг (определяющейся величиной обратимых смещений доменных границ) и релаксационной магнитной восприимчивостью %г = MнJHr « МН;УЯС (где Я,. — релаксационная коэрцитивная сила) — магнитной характеристикой, зависящей как от обратимых, так и от необратимых процессов при перемагничивании [20, 24, 26]. При рассматриваемом корреляционном анализе указанные характеристики используются как
Таблица 1
Коэффициенты уравнений типа (1) при магнитных параметрах различных марок сталей
Марка стали Коэффициент при магнитном параметре R HRC
Свободный член Не м„г Хг H¡ Хг2 %№н.
ЗОХМЗФА -161,86 11,59 -0,0986 2,516 -0,1185 0 -0,0104 4-104 0,9994 0,91
38XH3MA 0 0 -0,04 0,777 0 -3,53-10-5 0 -3,53-10-4 0,9989 1,59
38ХГН -21,02 3,77 0 0,189 -0,0557 0 0 0 0,98 1,44
38ХМЮА 0 ^1,241 0,05687 1,214 0,063 0 -0,01194 0 0,996 0,82
38ХС 0 1,0927 0,0189 0 -0,03024 -3,7-10-6 0 0 0,9991 1,26
40Х -93,9 0 0,164 0 0,06355 -0,66-1 о-5 -0,0056 6,14-10"** 0,975 1,52
40ХФА 36,14 0 0,0734 -0,995 0 -0,22-104 0,00175 2-10"4 0,99 0,91
40ХН2МА 0 0 0,0575 -0,132 0 1,25-10-5 0 0 0,999 1,15
45X1 -19,39 2,91 0,0273 0 -0,0476 —5,3-10-6 0 0 0,997 0,53
45ХН 0 -11,9 0,219 0 0,159 3,93-го-5 -0,00466 0 0,995 2,83
45ХНМФА -24,45 5,129 0 0 -0,0745 -2,16-10-6 0,001299 0 0,993 0,63
50Г 128,96 -11,756 0,2115 -2,242 0,171 -5.57-10-5 0 6,15-Ю4 0,983 1,86
50ХНМ 31,3 -6,184 0,0805 0 0,1058 1.M0-5 -0,00177 0 0,99 0,99
60С2А 17,3 1,928 0 0 -0,0228 0 0 0 0,94 2,9
65С2ВА 0 0 0,1036 -0,506 -0,0188 2,5-10"5 9,8-10-* 0 0,9989 1,81
40Х92СА 84,75 -0,686 0,0182 -0,0943 0 0 -0,0032 0 0,96 2,9
30 -37,91 3,89 0 0,541 0 -2-10"5 -0,00378 3,86-104 0,997 0,53
35 -28,22 6,068 0 0 0,116 -5,06 1 СИ 0 1,3-104 0,989 1,33
45 0 -1,37 0,124 -0,576 0,0283 -3,49-10"5 0 0,0001 0,9999 0,47
У8 23,33 0 0 -0,17 0,0264 0 0 1,48-104 0,989 1,5
У10 0 0 0,0808 -1,398 0 -1,6-10"5 0,00348 2,39-104 0,977 2,32
У12 0 2,35 0 -0,4169 -0,0228 0 0 2,54-104 0,988 2,16
в линейной статистической модели, так и в моделях высших порядков. В большинстве случаев исследованы варианты, когда Готп изменялась от 20 (закаленное состояние) до 650 °С.
Отдельное внимание здесь будет уделено высокохромистым сталям после закалки и последующего отпуска, у которых второе превраще-
ние при отпуске — вторая стадия распада мартенсита и распад остаточного аустенита, а вслед за ними и наибольшие изменения магнитных и механических свойств, протекают в довольно узком интервале Тотп [27].
Исходная математическая модель связи НЯС с магнитными свойствами многих углеродистых и низколегированных сталей после закалки и последующего отпуска при различных температурах содержала слагаемые
НЯС = А0 + АХНС + А2МНг + А3Хг + Л,НС2 + +
+ А6Хг2 + Л7МН1Хг
(1)
В процессе расчета по стандартной программе оставались только значимые коэффициенты уравнений типа (1). Для различных марок сталей они приведены в табл. 1. Там же даны значения коэффициентов множественной корреляции Я и стандартные ошибки расчета твердости 5СТ по
о ££ а;
70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15
д
■
V
V у V
V &
!_I
J_I_I
I_I
15 20 25 30 35 40 ННС
45 50 55 60 65 70
расч
Рис. 1. Корреляционное поле фактических и рассчитанных по выражениям (1)—(3) значений твердости сталей 60С2А (О), 65С2ВА (А), 40Х92СА (V) и по (4)—(6) сталей 60С2А (•), 50Г (■), У8 (А).
указанным уравнениям. Видно, что для рассчитанных выражений коэффициенты множественной корреляции достаточно высоки, а стандартные ошибки расчета твердости имеют тот же уровень, что и ошибки прямого метода определения НЯС.
На рис. 1 в качестве примера приведены корреляционные поля фактических (измеренных) и рассчитанных по данным таблицы значений твердости лишь для сталей трех марок — 60С2А, 65С2ВА и 40Х9СА; для остальных марок сталей, представленных в табл. 1, они имеют аналогии-
ный вид. Там же приведены аналогичные корреляционные поля для твердости образцов из сталей 60С2А, 50Г и У8, рассчитанной по выражениям (2)—(4), где уже использованы показания магнитного структуро-скопа МС-1 ИФМ: для стали 60С2А
НЯС = 68,45 - 0,509/ре - 0,356/ю60 при Я = 0,991, 5СТ = 1,18 ед; (2) для стали 50Г
НЯС = 1,82457/рс + 4,58485/,а60 - 0,062533(/,ю60)2 + 0,031252(/рс/К)60) при Я = 0,991,5СТ= 1,18 ед; (3)
для стали У8
НЯС = 1,78389/рс + 0,0097/2рс + 0,009607(/ю60)2 + 148,677(/ю60//рс)
при Я — 0,998, 5СТ = 1,83 ед. (4)
Здесь 1рс — показание прибора, соответствующее коэрцитивной силе; 1Го60 — показание прибора в режиме измерения остаточной магнитной индукции после тока перемагничивания /рп = 60 мА.
НИС факт
Рис. 2. Корреляционное поле фактических и рассчитанных по выражениям (7)—(10) значений твердости сталей 14Х17НА (•), 20X13 (V), 30X13 (О) и 40X13 (Д).
Как следует из [27], магнитные свойства и твердость высокохромистых сталей при отпуске резко изменяются лишь в интервале -450 °С < Тотп < -600 °С; при более низких и высоких Тотп они изменяются слабо или немонотонно. Тем не менее уравнения связи твердости с магнитными
свойствами во множественной модели в ряде случаев дают удовлетворительные результаты.
Таблица 2
Интервалы температур отпуска сталей, в которых коэрцитивная сила и релаксационная намагниченность изменяются монотонно, пределы изменения Нс
и МНг> а также твердости
Коэрцитивная сила Релаксационная намагниченность
Марка стали Интервал Т^, в котором Пределы изменения //,. А/см Пределы изменения твердости, ед. Интервал Т^,, в котором Пределы изменения Мн , А/см Пределы изменения твердости, ед.
уменьшается нс, °с уменьшается м„г, °С
09 Г2 150'—650 17,1—4,1 33,0—9,0 450—600 1580—470 23,0—9,0
10ХНСД 100—700 20,0—4,0 36,6—13,0
12ХНЗА 20—600 18,0—4,8 38,5—19,0 400—650 2050—470 40,0—19,0
15ХНСД 200*—650 19,4—5,7 39,2—13,7 350—650 2100—800 36,1—13,7
15ХН5МФ 20—700 20,1—5,6 40,0—14,1
20ХНЗА 150'—650 18,4—4,9 39,0—15,5 400—650 1900—690 35,0—15,5
20Н2М 150'—650 16,6—5,0 44,5—15,8 350—650 1810—580 37,5—16,0
20ХМА 100—550 18,8—8,6 46,0—29,0 250—600' 2160—645 46,0—27,5
30ХМА 100—550 23,0—9,5 49,0—32,0 150—650* 2400—630 49,0—23,0
ЗОХЗМФА 20—300 350—725 30,9—7,6 45,5—16
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.