научная статья по теме ВЫЯВЛЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ВЫЯВЛЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ»

Магнитные методы

УДК 620.179.14

ВЫЯВЛЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

В НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ

МЕТОДОМ

А.А. Лухвич, В.И. Шарандо, А.К. Шукевич, К.И. Янушкевич

Приведены результаты исследования аустенитных сталей типа 12Х18Н9 и 12Х18Н9Т, определены их кристаллическая структура, элементный состав, температура Кюри в поле 0,86 Тл и удельная намагниченность в интервале температур 80 < Т < 1100 К. Установлено, что основной ферромагнитной фазой является FeNi. Показана возможность измерения содержания ферромагнитной фазы магнитодинамическим методом, определена его разрешающая способность.

Ключевые слова: ферромагнитная фаза, удельная намагниченность, температура Кюри, магнитометр, магнитодинамический метод.

ВВЕДЕНИЕ

Контроль содержания ферромагнитной фазы в нержавеющих сталях ау-стенитного класса имеет важное значение, так как оно во многом определяет коррозионные, механические и другие свойства [1]. Наиболее целесообразно контроль качества нержавеющих сталей аустенитного класса проводить, используя магнитные методы [2, 3 и др.]. Следует отметить, что надежная интерпретация результатов контроля возможна только при полном соответствии между структурой и фазовым составом эталонов градуировки и объекта контроля. В настоящее время этот вопрос вызывает серьезные затруднения. Это связано с тем, что существующий ГОСТ Р 53689—2009 (ЙСО 8249:2000) отождествляет ферромагнитную фазу в рассматриваемых сталях с 5-ферритом, хотя эксперименты убедительно показывают и наличие других фаз [4, 5], магнитные свойства которых отличаются от 5-феррита. Поэтому применение существующих приборов контроля, проградуирован-ных по намагниченности насыщения 5-феррита [4], приводит к ошибочным результатам, если в исследуемом объекте содержатся другие ферромагнитные фазы. Для получения достоверных результатов необходимо заранее знать природу ферромагнитных фаз в объекте контроля и иметь соответствующие эталоны. Поэтому важное значение как при создании эталонов, так и проведении контроля имеют комплексные исследования фазового состава и структуры конкретных объектов с использованием современных методов и аппаратуры.

В ИПФ НАН Беларуси разработан магнитодинамический метод неразру-шающего контроля [6, 7], который основан на измерении потока индукции магнитного поля рассеяния от намагниченного участка объекта исследования. При этом информативный сигнал зависит только от значения индукции в конечных положениях преобразователя (контакт с объектом контроля и точка, где полем остаточной намагниченности объекта можно пренебречь)

Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, заведующий лабораторией металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-23-07. E-mail: Lukhvich@iaph.bas-net.by

Владимир Иванович Шарандо, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-24-16. E-mail: lab1@iaph.bas-net.by

Анатолий Киприянович Шукевич, старший научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-10-74. E-mail: lab1@iaph.bas-net.by

Казимир Иосифович Янушкевич, доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией физики магнитных материалов ГО "ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению", г. Минск. Тел. (017) 284-11-97. E-mail: kazimir@ifttp.bas-net.by

и не зависит от намагничивающего поля, траектории перемещения преобразователя (при условии, что время интегрирования сигнала не меньше времени перемещения), а также внешних полей, продолжительность действия которых меньше времени интегрирования информативного сигнала. Ясно, что информативный сигнал является функцией намагниченности в информативной области. Метод и соответствующие приборы обладают высокой чувствительностью к слабым вторичным полям и позволяют измерять, например, толщину металлокерамических покрытий (ц < 2) на немагнитной основе [8]. Это создает предпосылки для успешного применения метода при контроле малого содержания ферромагнитной фазы в аустенитных сталях. Ниже приведены результаты.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалом для исследований была выбрана широко используемая в атомном машиностроении сталь типа 18-9 в виде пластин размером 10x5 мм и толщиной 5, 6, 8 и 10 мм.

При исследовании свойств и структуры сталей использовали такие методы, как металлография, элементный анализ, дифракция обратно рассеянных электронов, рентгеноструктурный анализ, измерения удельной намагниченности в области температур 80—1100 К в поле 0,86 Тл, исследования параметров кривой намагниченности и петли гистерезиса в полях до 14 Тл при Т = 300 К, измерения намагниченности преобразователем магнитодина-мического типа, а также проводили расчеты на компьютерных моделях.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 приведены полученные на рентгенофлуоресцентном спектрометре ED 200 фирмы "Oxford Instruments Analytical" результаты по элементному составу исследуемых образцов. Они позволяют заключить, что образец 5.1 — сталь 12Х18Н9, остальные — 12Х18Н9Т (первая цифра в номере образца соответствует его толщине).

Таблица 1

Элементный состав образцов

№ образца C, % S, % Cr, % Ni, % Mn, % Si, % Mo, % Ti, % Основа

5.1 0,08 0,006 18,2 7,9 1,7 0,5 0,2 <0,02 Fe

6.1 0,08 0,06 17,9 9,2 1,3 0,6 0,26 0,3 Fe

8.1 0,08 0,01 17,9 9,2 1,3 0,6 0,29 0,4 Fe

10.1 0,12 0,011 18,2 8,9 0,7 0,6 0,25 0,6 Fe

Высоколегированные стали, как правило, имеют сложную кристаллическую структуру и поэтому могут характеризоваться микро- или макронеод-нородностями. Макронеоднородность структуры в магнитном отношении можно исследовать, используя магнитодинамический метод. В связи с этим был изготовлен специальный макет магнитодинамического преобразователя и проведены измерения вдоль средней линии поверхности заготовок с двух сторон — всего по 10 измерений с каждой стороны в равномерно распределенных точках. В табл. 2 приведены значения информативного сигнала как усредненного по 10 точкам с каждой стороны, так и его максимальное ) и минимальное (^тт) значения для двух пластин каждой толщины. При этом повторные измерения в любой точке отличались не более чем на 3—4 единицы. Так как информативная область — цилиндр радиусом примерно 1 см, то результаты говорят о значительной макронеоднородности структуры

Таблица 2

Распределение информативного сигнала (намагниченности)

№ образца Лицевая сторона Обратная сторона

Я . тт Я тах Я Я . тт Я тах Я

5.2 200 220 208 178 206 189

5.3 174 198 184 193 222 198

6.2 53 63 57 43 67 58

6.3 45 80 58 53 66 59

8.2 115 164 139 105 167 132

8.3 121 172 142 104 160 138

10.2 102 115 114 108 127 115

10.3 116 129 123 113 132 120

материала. В этом случае результаты, полученные различными методами, можно сопоставлять, если они относятся к одному и тому же образцу. Поэтому были изготовлены специальные образцы из пластин размером 4x4x4 мм (это максимальный размер образцов, который позволит использовать их при всех исследованиях).

На указанных образцах были проведены измерения макетом с магни-тодинамическим преобразователем при последовательной установке его на каждую из 6 граней. При этом нормали к двум парам граней (1—1* и 2—2*) лежат в плоскости прокатки, а к одной паре (3—3*) — перпендикулярны ей.

Полученные средние значения для каждой пары граней в качестве примера приведены в табл. 3 для пяти образцов, изготовленных из пластины толщиной 5 мм. Как следует из приведенных результатов, имеет место анизотропия намагниченности. При этом существенно больший сигнал соответствует случаям, когда преобразователь устанавливается на гранях, нормали к которым лежат в плоскости прокатки.

Используя магнитометр пондеромоторного принципа действия (намагничивающее поле — 8,6 кЭ, чувствительность к измерению магнитной восприимчивости — порядка 1011 при массе образца 2—3 г), на тех же образцах определена удельная намагниченность в трех взаимно перпендикулярных направлениях (табл. 3). Очевидна анизотропия намагниченности,

Таблица 3

Анизотропия магнитных свойств

№ образца Сигнал магнитодинамического преобразователя при установке на указанной грани Данные магнитометра, Ам2кг 1

1—1* 2—2* 3—3* 1—1* 2—2* 3—3*

5.4 130 99 29 2,066 2,068 2,099

5.5 133 100 30 2,029 2,032 2,042

5.6 127 99 30 1,980 2,007 2,048

5.7 135 106 36 2,014 2,044 2,075

5.8 133 102 35 1,997 2,002 2,022

при этом в двух направлениях различие существенно меньше по сравнению с намагниченностью в третьем направлении. Однако в данном случае максимальное значение намагниченности соответствует грани, которая имеет минимальный сигнал магнитодинамического преобразователя.

Это различие находит свое объяснение при компьютерном моделировании.

Обычно считают, что ферромагнитные области значимых размеров представляют собой объединение некоторых малых областей в сплошную цепочку, которые металлография выявляет в виде линий [9]. Так как это положение многократно подтверждено, то его можно использовать при моделировании. Была создана компьютерная модель образца, которая состояла из неферромагнитной матрицы, в которой равномерно и параллельно друг другу располагались 100 ферромагнитных стержней, кривая намагничивания которых соответствовала Fe-a. Используя метод конечных элементов и программу COMSOL 3.5 вычисляли информативный сигнал магнитодинамическо-го преобразователя в двух положениях — ось преобразователя параллельна осям стержней или перпендикулярна им. Общий объем неферромагнитной матрицы — 4x4x4 мм. Оказалось, что в случае объемного содержания ферромагнитной фазы a = 0,01 информативный сигнал составляет 2,67-10-7 Вб, если оси стержней параллельны оси преобразователя, и 5,19-10-7 Вб — при перпендикулярном расположении. Следовательно, выявленный характер анизотропии можно связать с преимущественным расположением ферромагнитных линейных областей в плоскости прокатки. Естественно, результаты моделирования не претендуют на полное соответствие эксперименту, так как в реальных условиях имеет место неоднородное пространственное распределение ориентации фе

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»