УДК 620.179.14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ КРИТИЧЕСКИХ
ПОЛЕЙ СМЕЩАЮЩИХСЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ РАСТЯЖЕНИЕМ ПРОВОЛОКАХ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
А.П. Ничипурук, Е.В. Розенфельд, М.С. Огнева, А.Н. Сташков, А.В. Королев
Экспериментально определены изменения проекции намагниченности на ось проволочных образцов из низкоуглеродистой стали Ст1кп при перемагничивании их циркулярным полем в зависимости от величины поляризующего поля в соленоиде. Измерения проведены на отожженных и пластически деформированных растяжением образцах. Показано, что предложенная экспериментальная методика позволяет оценить величину критических полей смещения 90-градусных доменных границ. Найден параметр, связанный с полем наведенной магнитной анизотропии, позволяющий оценить уровень остаточных напряжений в деформированном металле.
Ключевые слова: деформация, циркулярное магнитное поле, поляризующее поле, дифференциальная катушка.
Неразрушающие методы оценки остаточного ресурса стальных конструкций, таких как трубопроводы, подъемные механизмы, резервуары для хранения жидкостей и газов, объекты железнодорожного транспорта, разрабатываются многими научными группами в России и за рубежом [1—5]. Так как системы постоянного мониторинга начали внедряться относительно недавно, то зачастую неизвестна предыстория объекта контроля. Это, а также ряд других обстоятельств затрудняет применение известных методов неразрушающего контроля (акустических, рентгеновских, вихретоко-вых, магнитопорошковых, акустико-эмиссионных) для достоверного определения напряженно-деформированного состояния объекта. Для решения данной задачи перспективными являются локальные магнитные методы. Известно, что магнитные свойства сталей в значительной степени изменяются под действием упругой и пластической деформации [6—8]. Однако широко известные на сегодняшний день магнитные свойства, измеряемые на кривой намагничивания или петле гистерезиса, имеют недостаточную чувствительность или неоднозначное поведение в зависимости от приложенных или остаточных напряжений, особенно при больших растягивающих деформациях перед моментом разрушения материала. Одной из причин этого является то, что механические напряжения влияют в основном на движение 90-градусных доменных стенок, а вклад в изменение большинства "классических" магнитных свойств одновременно вносит движение 90- и 180-градусных доменных границ. Анализ работ [9—16] показывает, что перспективы селективного контроля упругих деформаций (напряжений) лежат в области изучения перераспределения обратимых и необратимых процессов перемагничивания и разделения вкладов в процессы пе-ремагничивания 90- и 180-градусных доменных границ. Особый интерес
Александр Петрович Ничипурук, доктор физ.-мат. наук, зав. лабораторией магнитного структурного анализа Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 374-44-90. E-mail: nichip@imp.uran.ru
Евгений Владимирович Розенфельд, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-35-70. E-mail: rosenfeld@imp.uran.ru
Мария Сергеевна Огнева, младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. 378-36-12. E-mail: manja_best@e1.ru
Алексей Николаевич Сташков, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. 378-36-12. E-mail: stashkov@imp.uran.ru
Александр Васильевич Королев, канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. 378-36-43. E-mail: korolyov@imp.uran.ru
представляет экспериментальное определение критических полей смещения 90-градусных доменных границ. Попытка такой оценки была сделана в [9], предпосылкой которой послужили [10—16], в которых был сделан вывод о том, что основную роль в появлении перегиба на петлях гистерезиса деформированной низкоуглеродистой стали играют остаточные механические напряжения. Нами были сделаны схожие выводы после анализа поведения полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости, измеренных на одноосно-деформированных стальных образцах [14]. В [17—22] показано, что в изотропных поликристаллических сталях после их пластической деформации в значительной части зерен возникали большие остаточные сжимающие напряжения, приводящие в них к доменной структуре типа легкой плоскости, которая влияет на процессы перемагни-чивания. В [14] была сделана оценка величины критических полей смещения 90-градусных доменных границ на стальных образцах путем сравнения экспериментальной зависимости дифференциальной магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля с расчетной, получаемой из модели [15]. Применение такого метода сравнения давало достоверные результаты, но его основной недостаток состоял в трудоемкости процесса из-за невозможности автоматизации, а ручное сопоставление сопряжено с временными затратами и определенным субъективизмом при оценке параметров.
В [9] нами представлены результаты измерения полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости на кривых намагничивания отожженных и пластически деформированных образцов из низкоуглеродистой стали Ст20 при одновременном воздействии двух магнитных полей: намагничивающего и перпендикулярного к нему подмагничивающе-го. Амплитуда подмагничивающего поля варьировалась от величины, сопоставимой с коэрцитивной силой материала, до величин, в несколько раз превышающих ее. Такая нестандартная схема эксперимента позволила нам управлять объемом областей металла, перемагничивающихся путем смещения 180-градусных доменных границ. При фиксированном значении ортогонального подмагничивающего поля объем этих областей существенно зависит от величины остаточных напряжений, возникающих в материале после пластической деформации. Исследования проводили на плоских образцах с использованием двух идентичных первичных П-образных преобразователей, которые располагали с противоположных сторон исследуемого образца перпендикулярно друг другу. Несмотря на то, что в работе удалось разделить вклады в процессы намагничивания двух типов доменных границ, система намагничивания не позволяла создавать однородные магнитные поля. Также в силу геометрии исследуемых образцов (пластины) присутствовали краевые эффекты, вносящие погрешности при измерении магнитных характеристик. В [23] нами был предложен новый параметр контроля, хорошо коррелирующий с относительной величиной остаточных сжимающих напряжений в интервале 0 % < е < 10 %. При этом остался неясным вопрос, а изменяются ли внутренние напряжения в материале при удлинениях более 10 %? Если эти изменения незначительны, то ожидать сколь бы то ни было существенных изменений магнитных параметров также не приходится. В этом случае можно лишь говорить, что пластическая деформация материала составила более 10 % и деталь необходимо менять или ремонтировать.
В настоящей работе решаются две задачи: разработка методики эксперимента, позволяющей выделить из процесса перемагничивания критические поля смещения 90-градусных доменных границ; установление корреляционной связи между найденными параметрами и степенью деформации металла.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на образцах в виде проволок из низкоуглеродистой стали Ст1кп. Диаметр проволок составлял 3,84±0,03 мм, длина — 250 мм. При предварительной подготовке образцов был выполнен отжиг при температуре 650 °С в течение 1,5 ч. Близкие значения коэрцитивной силы образцов после отжига позволили считать исходное состояние образцов одинаковым. После отжига образцы были подвергнуты пластической деформации растяжением в интервале относительного удлинения от 0 до 25 %.
На образцах измеряли коэрцитивную силу, полевые зависимости дифференциальной магнитной восприимчивости на предельной петле магнитного гистерезиса и полевые зависимости ЭДС в измерительной обмотке, пропорциональной результирующей дифференциальной проницаемости, возникающей под действием суперпозиции переменного циркулярного поля постоянной амплитуды и изменяющегося в широких пределах квазистатического продольного поля, создаваемого соленоидом (поляризующее поле).
Коэрцитивную силу измеряли на магнитометрической установке при максимальном намагничивающем поле 1200 А/см.
Полевые зависимости дифференциальной магнитной восприимчивости определяли с помощью дифференциальной индукционной катушки, сигнал с которой поступал на АЦП. Перемагничивание осуществляли с помощью соленоида, в котором создавалось магнитное поле частотой 0,01 Гц и диапазоном изменения от -70 до 70 А/см.
Величину, пропорциональную магнитной проницаемости в циркулярном магнитном поле, определяли по схеме, представленной на рис. 1.
Н
СВ
-0 г &-
~1
ц
Рис. 1. Схематичное представление эксперимента: соленоид; 2 — образец; 3 — измерительная дифференциальная катушка; СВ — селективный
вольтметр.
Пропусканием вдоль образца переменного тока фиксированной частоты создавалось циркулярное магнитное поле. Способ создания такого поля и связанные с ним эффекты описаны, например, в [24].
Измерения проводили следующим образом: размагничивали образец, путем пропускания тока частотой 30 Гц возбуждали в нем циркулярное поле с амплитудой на поверхности порядка 2 А/см. Фиксировали показания селективного вольтметра на той же частоте. Измерения повторяли при разных полях в соленоиде (продольное поле), изменяя его от 0 до 70 А/см (кривая намагничивания). По той же схеме проводили измерения, изменяя поле в соленоиде от 70 до -70 А/см и обратно (петля гистерезиса). Зона однородности поля в соленоиде составляла 400 мм, что в сочетании с длиной образца и его диаметром позволяет пренебречь его размагничивающим фактором.
1
3
1
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 и 3 представлены зависимости показаний селективного вольтметра от величины поляризующего поля в соленоиде, изменяющегося по предельной петле магнитного гистерезиса (рис. 2) и кривой намагничивания (рис. 3). Показаны результаты для исходного образца и трех степеней пластической деформации — 4, 10 и 15 % относительного удлинения. Эксперимент проводили в соответствии с описанием, прив
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.