Магнитные методы
УДК 620.179.14
КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ МАГНИТНЫХ ШУМОВ
В.В. Филинов, В-Е. Шатерников, П.Г. Аракелов
Изложен опыт использования метода магнитных шумов, основанного на регистрации скачков перемагничивания (Баркгаузена), для неразрушающего контроля напряженного состояния металлических стальных изделий на следующих примерах: торсионные валы гусеничных машин; подшипники; сборочные корпуса стоек шасси летательных аппаратов; труб нефтегазовой промышленности. Показано, что метод магнитных шумов полезен при отладке и совершенствовании технологии производства металлоизделий, при пооперационном контроле остаточных напряжений в процессе производства.
Ключевые слова: структуроскопия, технология обработки металла, трубопроводы, магнитные шумы, сканер, поверхностно-пластическое деформирование.
Проблема повышения надежности и долговечности работы ответственных изделий связана с возможностью управления и оценки остаточных напряжений (ОН) на всех этапах технологического процесса их производства. Проработка вопросов, связанных с ОН, включает в себя анализ влияния ОН на эксплуатационные характеристики изделий; изучение причин возникновения и динамики изменения ОН в заготовках от одной технологической операции к другой; создание и применение методов и средств контроля ОН, адекватных по чувствительности доступным отклонениям от регламентируемой величины; разработку способов воздействия на величину и распределение ОН с целью снижения их негативного влияния на эксплуатационные характеристики изделий [1].
Остаточные напряжения связаны с деформациями, существующими в изделии после полного прекращения внешних технологических воздействий, являются следствием реализации неоднородностей и неравномерно-стей разных видов и масштабов, присущих практически всем способам металлообработки, и участвуют в той или иной мере во всех процессах и явлениях, происходящих в металле на макро- и микроуровнях.
В технологии производства заготовки деталей предварительно могут подвергаться термообработке и разным видам механообработки. После термообработки остаточные явления в поверхностных слоях могут быть в виде окисления, обезуглероживания (при недостаточном раскислении соляных ванн) и науглероживания (в результате значительного повышения температуры отжига). В зависимости от методов и режимов металлообработки, состояния инструмента, типа и способа охлаждения, физико-механических свойств обрабатываемого металла и ряда других причин доминирующим может быть силовой фактор (тогда на поверхности возникают ОН сжатия) или тепловой, под воздействием которого на поверхности возникают ОН растяжения. Фазовые превращения усложняют этот процесс, так как вызываемое ими изменение кристаллической структуры металла приводит к созданию дополнительных ОН того или иного знака.
Владимир Викторович Филинов, доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры ПР-4 "Электротехника и Электроника" Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ). Тел. 8 (499) 268-00-01. E-mail: mgupipr-4@mail.ru
| Виктор Егорович Шатерников |, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой ПР-4 "Электротехника и Электроника" Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ).
Павел Георгиевич Аракелов, канд. техн. наук, лаборант НУЦ "КАСКАД" Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ). Тел. +7 905 553 7175. E-mail: wargod_venom@mail.ru
Например, после токарной обработки, как правило, образуются сжимающие напряжения. Однако однозначность ОН при этом не гарантирована, так как с увеличением износа инструмента, скорости резания и изменением режима охлаждения может наблюдаться тенденция к появлению и росту растягивающих напряжений, что связано с возрастающим действием теплового фактора. К тому же на этот процесс могут оказать воздействия фазовые изменения (например, при прижоге). При скоростном резании с большими отрицательными углами у сталей, хорошо воспринимающих закалку, в поверхностном слое наблюдается переход аустенита в мартенсит. Такой переход, сопровождающийся увеличением объема кристаллической решетки, способствует образованию сжимающих ОН и может компенсировать влияние теплового фактора [1].
На стадии финишной технологии металлообработки часто деталь подвергают упрочняющим операциям. Так, возникающие при некоторых видах обработки поверхностным пластическим деформированием сжимающие ОН способствуют повышению малоцикловой выносливости конструкционных сталей в 3—8 раза, износостойкости в 1,5—2,5 раза, сопротивлению коррозийной усталости в 1,5—2 раза [1].
При шлифовании решающее влияние на образование ОН оказывает тепловой фактор, что, как правило, приводит к появлению растягивающих ОН в поверхностном слое. Структурные превращения, особенно характерные для высоколегированных сталей, проявляются в основном образованием мартенситного слоя. Сопутствующие ему сжимающие напряжения не оказывают существенного влияния на формирование результирующих ОН в силу доминирования теплового воздействия. Растягивающие ОН достигают величины того же порядка, что и при токарной обработке, но распространяются на меньшую глубину, а затем переходят в сжимающие [1]. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие поверхностные напряжения.
Анализ показал, что в подавляющем большинстве случаев технологической пооперационной металлообработки сопутствующие изменения свойств возникают в поверхностных слоях глубиной до 300 мкм, при этом ОН могут достигать величины до 1 ГПа [1, 4].
Разрушение изделий при циклически изменяющихся напряжениях (например, стоек шасси летательных аппаратов) или при действии внешних механических напряжений (например, в зоне металла трубопровода) также начинается с поверхности.
В таких условиях одной из ключевых задач оценки технологических ОН в поверхностных слоях металлоизделий является использование нераз-рушающего метода контроля, избирательно чувствительного к изменению физико-механических свойств в тонких слоях. Таким методом является метод магнитных шумов (МШ) [2—4, 7]. Энергетические и эмиссионные характеристики МШ определяются перестройкой магнитной текстуры поверхностного слоя ферромагнетика скачками Баркгаузена при его циклическом перемагничивании и зависят от уровня ОН, порождаемых тепловым воздействием, структурно-фазовыми изменениями и пластической деформацией, в ходе технологического процесса металлообработки, а также внешними приложенными воздействиями.
В МГУПИ совместно с отраслевыми институтами разработана серия приборов типа "ПИОН", "АФС", "М1Р", "МШ", основанных на использовании различных характеристик ЭДС МШ [4—6, 8—10].
Проведены исследования для широкого класса сталей: углеродистых конструкционных (3, 20, 35, 45); легированных углеродистых конструкционных (35Х3НМ, 30ХГСН2А, 45ХН2МФА, 45Х1, ШХ15); высокопрочных безуглеродистых (03Н17К10МТ, ЧС-98 [4—6]).
Изменение уровня микронапряжений обеспечивали упрочняющей термообработкой сталей: закалкой и отпуском — в случае углеродистых; старением — в случае 03Н17К10МТ, ЧС-98.
Уровень макронапряжений изменяли приложением механических напряжений путем одноосного растяжения плоских образцов по ГОСТ 1497—84 или расклиниванием колец.
Характер зависимости Е = /(а) (средневыпрямленного значения ЭДС МШ от величины напряжений а) для разных марок сталей одинаков. На рис. 1 приведены градуированные графики шкалы прибора "ПИОН" [4] при контроле технологических ОН в изделиях из стали 03Н17К10МТ. На графиках видна близкая к линейной зависимость между величинами механических напряжений а и сигнала Е. Она лучше наблюдается при растягивающих напряжениях. При небольших сжимающих напряжениях (порядка 100—200 МПа) наблюдается излом графика с переходом к другой линейной зависимости. При этом чувствительность К к изменению напряжений ДЕ , , мВ
составляет: К = д— «(4-5^ — при растягивающих напряжениях;
К = д— « (1,2 -1,8) мп — при сжимающих напряжениях (далее Е будет
определяться в условных единицах (усл. ед.), так как характеристики измерительных каналов разных магнитошумовых приборов несовместимы).
Рис. 1. Зависимость Е от величины механических напряжений при расклинивании и сжатии колец из стали 03Н17К10МТ с различной термообработкой:
1 — закаленное; 2, 3 — состаренное с разным режимом.
Эксперименты на разных сталях показали, что амплитуда ЭДС МШ в направлении действия нагрузки (вдоль оси намагничивания) возрастает при росте этой нагрузки и убывает в направлении, перпендикулярном направлению действия нагрузки. При этом относительное изменение величины амплитуды ЭДС МШ при регистрации в образце поперек его оси на-гружения составляет примерно 0,3 от такого же изменения при регистрации вдоль оси нагружения.
Учитывая то, что при одноосном нагружении деформации вдоль и поперек оси нагружения связаны между собой коэффициентом Пуассона (V), величина которого близка к 0,3, можно сделать вывод, что именно деформация кристалла влияет на доменную структуру ферромагнетика и приводит к изменению параметров МШ. Эти выводы проиллюстрированы на рис. 2 (упругие деформации растяжения в направлении перемагничивания приводят к возрастанию ЭДС МШ — Е а деформации сжатия — к уменьшению ЭДС МШ — Е2).
Рис. 2. Зависимость ЭДС МШ в Ст.35 от приложенных напряжений.
С использованием МШ удалось решить ряд производственных вопросов по усовершенствованию технологий изготовления ответственных металлоизделий на основе пооперационного контроля технологических ОН, методические приемы которых могут быть полезны для решения производственных задач и интересны специалистам.
Рассмотрим это на примерах.
Пример 1. Сжимающие ОН существенную роль играют в технологии производства и в эксплуатации торсионных валов системы подрессорива-ния гусеничных машин, работающих в тяжелых условиях циклического и повторно-статического нагружения.
Применение торсионных валов из стали 45ХН2МФА—III мартенситной структуры находит наибольшее распространение, так как позволяет принимать максимальные рабочие напряжения, близкие к значениям преде
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.