^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.15'26'24-194:537.624
ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ
© 2015 г. Э. С. Горкунов*, Е. И. Якушенко**, С. М. Задворкин*, А. Н. Мушников*
*Институт машиноведения УрО РАН, 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, д. 34 **Военно-морской политехнический институт, Санкт-Петербург e-mail: mushnikov@imach.uran.ru Поступила в редакцию 13.03.2014 г.; в окончательном варианте — 06.08.2014 г.
Получены зависимости коэрцитивной силы, остаточной индукции, максимальной магнитной проницаемости и распределения критических магнитных полей хромоникелевых сталей 15ХН4Д и 11ХН3Д при упругом деформировании одноосным растяжением (сжатием), кручением, внутренним давлением и их комбинациями. Показано различие процессов перемагничивания в слабых и сильных магнитных полях. На серии предельных и частных петель гистерезиса обнаружены значения поля, при которых намагниченность слабо зависит от приложенных напряжений.
Ключевые слова: упругие напряжения, магнитный контроль. DOI: 10.7868/S0015323015020072
Разработка методов оценки напряжений в элементах стальных конструкций является одной из актуальных задач неразрушающего контроля, решение которой позволит значительно снизить риски техногенных катастроф. Определению влияния упругих и пластических деформаций на магнитные свойства сталей в последние годы посвящено достаточно много работ. Но лишь в сравнительно небольшой их части рассмотрены изменения магнитных характеристик материала непосредственно в процессе деформирования [1—14]. Кроме того, в этих работах рассматриваются, в основном, такие способы нагружения, как одноосное растяжение или сжатие, реже — кручение. Так, например, в [1] на стали АБТМ А36 проведена экспериментальная проверка линейной модели [2], связывающей приложенные упругие растягивающие напряжения с параметрами шумов Баркгаузена в углеродистых сталях. Однако такая модель применима только для узкого круга сталей и в небольшом интервале напряжений. В [3] представлена модифицированная модель гистерезиса Саблика—Джайлса, а также экспериментальные данные по влиянию кручения на форму петли магнитного гистерезиса. Использование такой модели на практике затруднено неоднозначностью определения коэффициентов.
Для многих сталей зависимость коэрцитивной силы и других гистерезисных свойств от упругих растягивающих напряжений является немонотонной. Это исключает возможность контроля напряженно-деформированного состояния по
одному параметру. Для оценки напряжений в этом случае обычно используют несколько магнитных характеристик, полученных при перемаг-ничивании исследуемого объекта в разных направлениях. В [4] проблема сравнительно малых изменений и немонотонности зависимостей отдельных магнитных параметров от напряжения растяжения решена путем измерения остаточной намагниченности в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. В работе [5] были получены корреляционные зависимости, описывающие изменение коэрцитивной силы, измеряемой вдоль и поперек направления приложения растягивающей нагрузки. Осуществлена проверка полученных соотношений на нескольких малоуглеродистых сталях. Однако данный метод неприменим в случаях, когда схема нагружения отлична от одноосной. В [6] показано, как по коэрцитивной силе, релаксационной намагниченности и релаксационной магнитной восприимчивости в многофакторной модели можно контролировать величину одноосных напряжений растяжения и сжатия при упругом нагружении. Иногда можно найти параметр, который монотонно зависит от прикладываемых напряжений. Так, в [7, 8] предлагается оценивать растягивающие напряжения по индукции возврата от коэрцитивной силы. Этот параметр является монотонным для исследованных сталях.
Одна из первых экспериментальных работ по исследованию магнитных характеристик в условиях двухосного растяжения (сжатия) была опуб-
ликована Лэнгманом [9]. На образце углеродистой стали были изучены зависимости максимальной магнитной индукции, остаточной индукции и коэрцитивной силы от механических напряжений. Стоит отметить, что в этой работе при двухосном нагружении образца прикладываемая нагрузка одинакова в обоих направлениях. Работа получила продолжение [10], где Лэнгманом в соавторстве с Сабликом был разработан микромагнитный подход к моделированию эффектов влияния двухосного напряженного состояния на магнитоупругие процессы в поликристаллических сталях. Другие примеры моделирования процессов намагничивания и перемагничивания в условиях сложного нагружения также встречаются в работах Саблика [3, 11], где для проверки разработанной теории используются данные из экспериментов по таким видам нагружения, как растяжение, растяжение перпендикулярно намагничиванию, кручение.
В работах [12, 13] приведены закономерности изменения коэрцитивной силы и локальной остаточной намагниченности ферромагнитных сталей СтЗ и 09Г2С при двухосном нагружении: растяжение + растяжение и растяжение + сжатие. Показана возможность использования коэрци-тиметрического метода и метода магнитоупруго-го размагничивания для оценки напряженно-деформированного состояния сложнодеформиро-ванных изделий из углеродистых сталей.
Возможность оценки деформаций при двухосном растяжении аустенитных, мартенситных и фер-ритных нержавеющих сталей (808304, 808410 и 808430 соответственно) по плотности магнитного потока предложена Шимамото [14]. Показано, что в некоторых частных случаях возможно определение упругих напряжений, однако основной упор в статье сделан на оценку степени пластической деформации материала.
В реальных условиях почти никогда не встречаются случаи чистого одноосного растяжения, сжатия или кручения. Например, трубопроводы помимо напряжений, вызванных внутренним давлением, подвержены различным внешним воздействиям: температурным деформациям, деформациям грунта, сейсмическим явлениям и т.д. Механические напряжения в элементах конструкций кораблей вызваны не только весом самого судна и груза, но и такими внешними воздействиями как волны, перепады температуры. Поэтому изучение воздействий комбинированных нагрузок на магнитные характеристики ферромагнитных материалов особенно актуальны.
В некоторых случаях напряженное состояние можно разделить на известную и неизвестную составляющие. Так напряжения, вызванные внутренним давлением в трубе, могут быть легко определены, так как зависят только от известных величин: внутреннего давления, толщины стенки и
диаметра трубы. В [15] рассмотрены зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины внутреннего давления и показана возможность привести условия измерения коэрцитивной силы на трубе под давлением к случаю с нулевым внутренним давлением.
Коэрцитивная сила и такие структурочувстви-тельные магнитные характеристики, как остаточная индукция (намагниченность) и максимальная магнитная проницаемость отражают интегральные свойства ферромагнетика и характеризуют его общую устойчивость к внешним воздействиям [16]. Более точные сведения о протекании процессов намагничивания и перемагничивания, о взаимодействии доменных границ с дефектами в слабых и сильных полях можно получить при исследовании устойчивости конкретного магнитного состояния или ряда магнитных состояний к воздействиям магнитных полей и упругих деформаций.
В настоящей работе реализована схема нагружения, моделирующая работу реальных оболо-чечных конструкций. Было исследовано влияние упругого деформирования одноосным растяжением (сжатием) и кручением, одновременно с внутренним давлением, на характер распределения критических магнитных полей, вид петель гистерезиса и интегральные магнитные характеристики.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследований были изготовлены сплошные и полые цилиндрические образцы из двух близких по составу и свойствам конструкционных хромоникелевых сталей 15ХН4Д и 11ХН3Д. Испытания проводили на установке, с помощью которой возможно одновременно осуществлять растяжение (сжатие), кручение и создавать гидростатическое давление во внутренней полости образца. Кроме того, при испытаниях на кручение полые образцы имеют меньшую неоднородность сдвиговых деформаций по сечению, по сравнению со сплошными цилиндрами.
Магнитные измерения проводили в условиях приложения нагрузки по схеме пермеаметра. Испытания осуществляли в области упругой деформации. Нормальные и касательные напряжения не превосходили по модулю 250 МПа, давление во внутренней полости образца — 50 МПа.
Остаточную индукцию определяли по петле магнитного гистерезиса с напряженностью магнитного поля до 600 А/см. Максимальную магнитную проницаемость получали из кривой начального намагничивания. Коэрцитивную силу определяли на предельной петле магнитного гистерезиса и по частным циклам при намагничи-
(а) (б) (в) (г) (д) (е)
Рис. 1. Схематичное представление влияния напряжений на намагниченность при X > 0:
а — без нагрузки; б — растяжение; в — сжатие; г — растяжение перпендикулярно намагничиванию; д — кручение; е — комбинированный случай.
вании до максимальной магнитной индукции 0.05 Тл (Лс0 05).
Для изучения распределения критических полей в образцах при намагничивании и перемагни-чивании измеряли значения остаточных индукций с кривой намагничивания ВГ(Н) и нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса В-(Н). Кривые, полученные дифференцированием ВГ(Н) и В- (Н) по Н, отражают распределения критических полей данного ферромагнетика. Эти кривые иногда называют спектрами "магнитной жесткости" [17]. Площади под кривыми —— (Н) и ———й-(Н) ха-
ДНВгмакс 2—НВгмакс
рактеризуют относительные объемы ферромагнетика, намагниченного (первичный спектр "магнитной жесткости") или перемагниченного (вторичный спектр) в поле заданной напряженности Н. Положения максимумов на полевых зави-
симостях
АВ„
(Н) и
ДВ.
й
(Н) близки по
ЛНВгмакс 2ДНВгмакс
своим значениям к коэрцитивной силе и соответствуют магнитным полям, в которых происходят наиболее интенсивные процессы необратимого намагничивания или перемагничивания.
ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИИ НА РЕЗУЛЬТИРУЮЩУЮ НАМАГНИЧЕННОСТЬ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Рассмотрим вл
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.