УДК 620.179
О ВЛИЯНИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ СТАЛЕЙ НА ЗАВИСИМОСТИ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ ОТ УПРУГИХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
В.Г. Кулеев, Т.П. Царькова
Исследовано влияние сжимающих напряжений ст на коэрцитивную силу Нс отожженных изотропных малоуглеродистых сталей, предварительно подвергнутых пластическому растяжению 8+1л различной величины. Показано, что форма петель гистерезиса Нс(ст- ) и их изменение с ростом 8+1л связаны с возникшими в результате пластического растяжения остаточными сжимающими и растягивающими напряжениями, а также с появлением пластических сжимающих деформаций 8ш вследствие эффекта Баушингера. Рассмотрены причины разомкнутости первого цикла зависимости Нс(ст" ), а также появления максимума функции Нс(ст" ) на восходящей ветви этого цикла. Предложен и реализован экспериментально способ определения остаточных растягивающих напряжений, возникших в результате предварительного пластического растяжения. Показано, что магнитоупругое изменение намагниченности, наблюдавшееся при появлении пластического сжатия, может служить индикатором этих деформаций 8ш.
Ключевые слова: упругие и пластические напряжения и деформации, коэрцитивная сила, петли гистерезиса, остаточные растягивающие и сжимающие напряжения.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что пластические деформации первоначально изотропных ферромагнитных сталей вызывают в них остаточные напряжения значительной величины (см., например, [1—5]). Это приводит к существенному изменению в них доменной структуры (ДС) и проявляет себя в значительных изменениях величин магнитных параметров сталей [5, 8—10]. В настоящей работе исследовано влияние упругих сжимающих напряжений с на величину коэрцитивной силы Нс стали Ст3 после ее предварительного
пластического растяжения s+ .
1 пл
В исходном недеформированном состоянии поликристаллической изотропной стали всегда имеются остаточные напряжения, так что все зерна стали либо сжаты, либо растянуты [6]. Средние величины этих напряжений с+(0) и с-(0) представляют собой макронапряжения, которые действуют на ДС так же, как и внешние напряжения с+ и с-. При наложении на такую сталь упругих растягивающих напряжений они при с+ = |с-| в наибольшей степени компенсируют остаточные сжимающие напряжения, в результате чего коэрцитивная сила достигает своего минимального значения (объяснения этого см., например, в [7]).
Ситуация меняется после пластического растяжения s^, когда в результате разгрузки появляется ансамбль сильно сжатых зерен с c-(s+in) > с-(0) [8]. В результате в этих зернах возникает ДС типа легкой плоскости (ЛП), что приводит к резкому изменению коэрцитивной силы стали. Механизмы такого поведения рассмотрены в [5, 8—10]. Как показано в [9], число оста-точно сжатых зерен после пластической деформации составляет примерно половину их общего числа (например, для отожженной изотропной стали Ст3 при s+in = 4,5 % таких зерен было 45 %). В большинстве остальных зерен остаточные напряжения первого рода [9] были растягивающими c+(s+in), вызванными пластической деформацией, либо неравными им исходными с+(0); в небольшой части этих зерен (не более 5 % для вышеприведенного случая с s+in = 4,5 %) имели место небольшие остаточные сжимающие на-
Владимир Гайнитдинович Кулеев, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-12. E-mail: kuleevv@imp.uran.ru
Татьяна Павловна Царькова, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-37-46.
пряжения, меньшие исходных с-(0), в которых ДС не изменялась при разгрузке по сравнению с недеформированным состоянием.
По аналогии со случаем, рассмотренным в [8], остаточные растягивающие напряжения с+(8+л) должны повлиять на величину Нс(с ) при упругом сжатии в условиях компенсации, когда внешние сжимающие напряжения с сравниваются с внутренними остаточными растягивающими |с | = с+(8+Лл). Однако трудность состоит в том, что этот эффект в значительной мере маскируется резким ростом коэрцитивной силы при упругом сжатии за счет увеличения среднего угла 0 между направлением сжимающей нагрузки Е и магнитных моментов в зернах с ДС типа ЛП в силу закона Вейсса.
Тем не менее выделить эффект компенсации внешними сжимающими упругими напряжениями с внутренних остаточных растягивающих с+(8+1л) — вполне экспериментально разрешаемая задача, если суметь отстроиться от указанного эффекта резкого увеличения 0 при упругом сжатии. Решению этой задачи в основном и посвящена настоящая работа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерения зависимостей Нс(с- ) проводили на установке, описанной в [10], на отожженных образцах стали Ст3 с исходными размерами: длина 260 мм; поперечное сечение = 2 х 3 мм2. Линейные размеры образца измеряли с погрешностью, не превышающей 0,5 %, коэрцитивную силу — магнитометрическим методом [5] с погрешностью, не превышающей 1 %, деформирующую силу Е определяли по показаниям динамометра с погрешностью 2,5 %.
Ход измерений был следующим: разгруженный образец с исходной пластической деформацией 8+^ (0 < 8+1л < 3 — 4 %) нагружали сжимающими напряжениями от нуля до максимально возможной величины |с~|. Значения Нс(с ) замеряли в 15—16 точках в интервале 0 > с > ст, что позволяло строить плавные кривые Нс(с ). После достижения значения с = ст нагрузку уменьшали до нуля (при этом проводили такое же количество измерений Нс, как и при росте |с-|). Это давало первый цикл измерений; далее проводили еще от одного (образец № 1) до четырех (образец № 2) циклов измерений. После первого цикла образец вынимали из установки для измерения его длины, так как из-за эффекта Баушингера [12] предел текучести при сжатии после пластического растяжения снижался: ст (8+Лл) < ст (0). Это проявилось и в наших экспериментах. Отметим, что для случая недеформиро-ванной изотропной поликристаллической малоуглеродистой стали с (0) = = ст+(0) ^ ст(0) [13, 14]. т
Пределы изменений величин 8+л и с = ст были обусловлены двумя причинами: 1) наша установка при наличии специальных накладок [7] позволяла упруго сжимать образцы стали, растянутые до величины не более 4 %; 2) при |с | > |с | образцы при сжатии могли терять устойчивость в полном соответствии с формулой Эйлера [11], что ограничивало область сжимающих нагрузок величинами, не превышающими 250 МПа.
Измерения проводили на двух отожженных образцах стали Ст3 № 1 и 2 с близкими магнитными и механическими свойствами: Н (0) = 3,15 А/см (образец № 1); ст = 375 МПа (образцы № 1, 2); Нс (0) = 3,2 А/см (образец № 2).
На рис. 1а представлены зависимости Нс(8+1л) в нагруженном и разгруженном состояниях. Переходная область резкого роста Нс с 8+1л, в которой в направлении нагрузки Е сосуществуют как исходные остаточные напряжения (и сжимающие с-(0), и растягивающие с+(0)), так и вновь появляющиеся с±(8+Лл), обусловленные пластическим растяжением стали [5, 8, 10], имеет место в диапазоне 0 < 8+л < 1 %. Хотя подобные этим кривые наблюдались нами ранее на других сталях [5, 8, 10], здесь они приведены, чтобы обратить внимание на различия зависимостей Н (8+ ) в переходной области
7
6
<
г 5 -
4
3,4 3,3 3,2
£
< 3,1 3,0 2,9 2,8
е+ , %
пл5
100 с+
200 , МПа
300
Рис. 1. Кривые зависимости коэрцитивной силы: а — от предварительных деформаций в+пл; б — от упругого растягивающего напряжения с+ в недеформированном состоянии; Нс — коэрцитивная сила под нагрузкой (• — образец № 1; ▲ — образец № 2); Нс° — коэрцитивная сила после разгрузки (о — образец № 1; А — образец № 2).
0 < в+ < 1 %, которые сказались и на форме кривых Н (с+), приведенных на рис. 1б, из-за отличия в распределении исходных (до пластической деформации в+1л) остаточных сжимающих напряжений С-(0) в образцах № 1 и 2: у образца № 1 степень компенсации исходных остаточных сжимающих напряжений С-(0) внешними растягивающими с+ оказалась выше, чем у образца № 2, что привело к меньшей величине минимума функции Нс(с+), а также к его протяженности (площадке) от с+ = 75 МПа до с+ = 125 МПа. У образца № 2 минимум Нс(с+) находится в точке с+ = с+(0) = 100 МПа.
На рис. 2 приведены семейства кривых, полученных при циклическом сжатии с последующей разгрузкой образца № 1, после предварительного пластического растяжения разной величины 0 < в+ш < 2,85 %. На каждом семействе Н (с ) представлены два цикла нагружения при с ~ = -260,5 МПа (|аи|/ат(0) = 0,7). т
Характерными чертами этих семейств кривых являются следующие:
а) разомкнутость (АНс (0) = 100(Нс нагр(0) - Яразгр(0))/Я нагр) первого цикла гистерезиса Нс(с- ), которая явно выражена при в+ш > 1 %;
б) вторые и последующие циклы всегда повторяют друг друга и не зависят от числа циклов, а их гистерезис выражен слабо;
в) с ростом е+ш наблюдаются закономерные изменения во взаиморасположении восходящей и нисходящей ветвей первого цикла гистерезиса: при в+1л = 0; 0,25 % восходящая ветвь лежит ниже нисходящей; при в+ш = 0,45 % петля имеет форму восьмерки; при в+ш > 1 % восходящая ветвь всегда лежит выше нисходящей. Эти закономерности для образца № 1 отражены в табл. 1.
Знак перед АЯт (АЯт = 100(ЯнагР - Н/азгР)/Я на1?) отражает взаиморасположение восходящей и нисходящей ветвей Н(С) на первом цикле сжатия. В диапазоне 0,95 % < в < 2,85 % среднее значение АНст составляет (7,8±1,7) % и с учетом погрешности (не более 2 %) ее можно считать постоянной.
Отметим еще, что разомкнутость первого цикла возникает всегда в случае, когда наблюдается пластическая деформация сжатия. При этом кроме изменения размеров образца наблюдается также магнитоупругий эффект: в поле коэрцитивной силы Н = -Н (с ) изменяется намагниченность стали, что
б
3
0
ст, МПа ст, МПа
Рис. 2. Зависимости коэрцитивной силы образца № 1 от сжимающих напряжений на первом (•, о) и втором (▲, А) циклах нагружения: • , ▲ — наложение нагрузки; о, А — снятие нагрузки.
Таблица 1
Величины £+пл, пластического сжатия Де-, максимального раскрытия петли гистерезиса ДНст и разомкнутости ДНс(0) на первом цикле сжатия для образца № 1
8+ , % пл' АН", % С ' АН(0), % Ав-, %
0 -3,7 0 0
0,25 -7,5 0 0
0,45 2,6 4,0 0
0,61 4,9 6,6 -0,08
0,95 8,7
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.