Магнитные методы
УДК 620.179.14
МНОГОПАРАМЕТРОВЫЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРОСКОПИИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА
В.И. Костин, А.А. Осинцев, А.Н. Сташков, Т.П. Царъкова
Показаны возможности многопараметрового магнитного контроля физико-механических свойств стальных изделий по магнитным характеристикам вещества. Определены наиболее вероятные параметры контроля. Приведены сведения о малогабаритном мобильном магнитном мультитестере ММТ-2, позволяющем экспрессно измерять относительные значения магнитных свойств вещества.
В современном развитии магнитных методов контроля и диагностики можно выделить два основных направления:
1) поиск новых параметров контроля и разработка соответствующих методик измерения и измерительных преобразователей;
2) многопараметровый контроль с использованием одновременно двух или более магнитных характеристик.
Возможности первого направления во многом уже реализованы, а развитие многопараметровой структуроскопии стимулируется не только усложнением задач контроля, но и бурным развитием компьютерных технологий сбора и обработки измерительной информации [1—4]. Причем для контроля могут быть использованы как магнитные свойства тела, так и свойства вещества.
Целью настоящей работы является анализ возможностей многопараметровой магнитной структуроскопии с использованием свойств вещества (ММСВ).
1. Возможности многопараметровой структуроскопии с использованием магнитных свойств вещества
Работа большинства современных приборов магнитной структуроскопии основана на измерении магнитных свойств тела1 [1—3]. Это обусловлено большей простотой измерения таких свойств. Однако существует принципиальное различие между магнитными свойствами тела и вещества ферромагнетиков не только с точки зрения магнитных измерений [5], но и с точки зрения структурной чувствительности этих свойств [1, 6, 7]. Для примера на рис. 1а приведены фрагменты петель гистерезиса и кривых возврата вещества двух различающихся материалов. Видно, что при имеющемся различии в значениях остаточной намагниченности вещества (М,.), а также намагниченности вещества, полученной после уменьшения до нуля коэрцитивного поля (Мн) при некоторых определенных значениях коэффициента размагничивания N1 различие между соответствующими свойствами тела (Вг, и ВНа) исчезает. С другой стороны, при одинаковых, например, значениях остаточной намагниченности вещества (см. рис. 1 б) значения остаточной намагниченности тела могут существенно различаться вследствие различия нисходящих ветвей петель гистерезиса вещества (при больших значениях коэффициента размагничивания остаточная намагниченность тела ведет себя подобно коэрцитивной силе [1]). Следует заметить, что различие в свойствах тела всегда является следствием различия соответствующих участков кривых намагничивания и петель гистерезиса вещества. Измерение свойств вещества
'Исключением является коэрцитивная сила, которая практически не зависит от размеров и формы ферромагнетиков [1, 5—7].
позволяет получать наиболее достоверную информацию о структуре и физико-механических свойствах контролируемых изделий, а также позволяет избавиться от влияния формы и размеров контролируемых изделий на результаты контроля.
Рис. 1. К объяснению различий магнитных свойств тела и вещества как параметров контроля структурного состояния материалов.
Многопараметровые методы магнитной структуроскопии предлагались, например, в работах [1, 2, 8]. Многопараметровые методы структуроскопии с использованием магнитных свойств вещества были предложены в работах [9—12]. В [9] показана возможность оценки прочностных свойств стали 38ХС по совокупности ее магнитных свойств. В [10] проведен анализ взаимосвязей физико-механических свойств и содержания химических элементов, существенно различающихся по составу сталей при вариациях температур закалки Гзак и отпуска Готп. Полученные регрессионные модели [13] позволяют по содержанию основных химических элементов и температуре закалки сталей прогнозировать характер изменения от температуры отпуска коэрцитивной силы Нс, остаточной намагниченности Мг (или индукции Вг) и релаксационной намагниченности МНу. Моделирование позволило также предложить трехпараметро-вые методики оценки содержания в сталях углерода и хрома.
Практика магнитного контроля показывает, что во многих случаях измерения одной лишь коэрцитивной силы недостаточно для получения достоверных сведений о прочностных свойствах стальных изделий. В [11] установлено, что неконтролируемые вариации температуры предварительного нагрева при редуцировании трубных заготовок из стали 37Г2С приводят к нарушению корреляции между коэрцитивной силой и твердостью (НЕ). Повысить достоверность определения прочностных свойств труб можно путем привлечения дополнительного параметра, который был бы чувствителен к нарушающим корреляцию НС{НВ) факторам, но обладал бы отличной от коэрцитивной силы чувствительностью к твердости. Исследование ряда магнитных свойств показало, что такими параметрами могут быть остаточная индукция Вг и остаточная индукция, полученная после уменьшения до нуля коэрцитивного поля Вн . С учетом возможных отклонений температур нагрева при деформировании от технологически заданных были построены корреляционные зависимости магнитных свойств от твердости образцов, отожженных в диапазоне температур (800 < Тотж < 1000) °С. Установлено, что используемая в качестве параметра контроля прочностных свойств коэрцитивная сила
м
м
н
действительно коррелирует с твердостью образцов (коэффициент корреляции ЯНс = 0,72). Однако имеются существенные отклонения от корреляционной линии, обусловленные особенностями структурных превращений в образцах, отожженных при температуре порядка 1000 °С. Расчет и сравнение различных многопараметровых корреляционных моделей показало, что наиболее надежную оценку прочностных свойств труб дает двухпараметровый контроль с использованием коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции (коэффициент множественной регрессии Я„сЛ = 0,97).
Рис. 2. Магнитные и механические свойства стали 11ЮА после холодной пластической деформации и последующего отжига:
О — холодная пластическая деформация; • —деформация и отжиг при 300 °С.
В работе [12] было установлено, что для определения степени пластической деформации стали 11ЮА и соответствующих прочностных свойств помимо коэрцитивной силы необходимо измерять также магнитную проницаемость на кривой возврата от коэрцитивной силы Из приведенных на рис. 2 графиков видно, что при высоких степенях обжатия (от 65 % и выше) проницаемость ргс практически не меняется. Отжиг при 300 °С вызывает существенное изменение коэрцитивной силы Нс и проницаемости (1,г. Временное сопротивление разрушению ав и твердость НЯВ при отжиге практически не меняются. После отжига проницаемость |Л,Г по-прежнему нечувствительна к степени деформации. Очевидно, что по изменению уровня проницаемости \\.гс можно судить об от-
клонениях значений Нс от градуировочной линии и выделять изменения коэрцитивной силы, связанные только с вариациями механических свойств. При производственных испытаниях на выборке из 130 изделий было установлено, что коэффициент корреляции между величинами Нс и ав для однопараметрового способа контроля равен г = 0,3, а коэффициент множественной корреляции для двухпараметровой регрессии при контроле по Нс и оказался равен /? = 0,72. Двухпараметровый метод был реализован при помощи прибора СКИФ-0286 и внедрен на Орском механическом заводе.
Приведенных примеров достаточно для подтверждения перспективности многопараметровых методов структуроскопии с использованием таких параметров, как остаточная индукция Вг (остаточная намагниченность М,.), остаточная индукция, полученная после снятия коэрцитивного поля Внс (или соответствующая намагниченность релаксационная магнитная проницаемость (Хгс и других магнитных свойств вещества.
2. Проблемы практической реализации ММСВ
Разработка любого нового способа многопараметрового контроля требует решения двух главных вопросов: 1) выбор оптимального набора параметров контроля; 2) разработка (или выбор из имеющихся) соответствующих измерительных средств.
Выбор оптимального набора параметров контроля. Оптимальный набор должен включать минимально необходимое для достоверного контроля число легко измеряемых параметров. Требование минимальности числа параметров вытекает из необходимости минимизации погрешности оценки контролируемого свойства и уменьшения трудоемкости контроля. Поиск оптимального набора параметров контроля может быть осуществлен путем последовательного отсеивания неподходящих параметров или путем первоначального выбора из группы наиболее вероятных (далее будем называть их "основными") параметров контроля с возможностью последующего привлечения при необходимости дополнительных параметров [14, 15].
При реализации метода отсеивания на этапе планирования исследований список предполагаемых параметров контроля (список подлежащих исследованию магнитных свойств) должен быть максимально полным. На основе анализа априорной информации из списка в первую очередь исключаются параметры, определение которых на контролируемом объекте принципиально невозможно (например, температура Кюри, при измерении которой могут произойти необратимые структурные и фазовые превращения). Затем должны быть исключены параметры, которые заведомо не чувствительны ни к контролируемому параметру, ни к мешающим его определению факторам. Однако имеющаяся в настоящее время априорная информация о чувствительности конкретных магнитных свойств к тем или иным структурным или фазовым превращениям представляет собой лишь некоторое число приближенных качественных моделей и большой объем разрозненных и зачастую противоречивых экспериментальных данных. Поэтому при априорном отсеивающем анализе существует достаточно большая вероятность отбрасывания нужного параметра, а для существенного сокращения числа подлежащих исследованию параметров оснований недостаточно.
Более перспективным представляется метод первоначального выбора из некоторого числа "основных" (то есть
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.