УДК 537.623:621.318.13
ГИСТЕРЕЗИС КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПРИ УПРУГОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЕМ
В.А. Захаров, А.И. Ульянов, Э.С. Горкунов, В.В. Величко
Исследованы зависимости коэрцитивной силы и механических напряжений от циклического растяжения в области упругой деформации образцов сталей с различным содержанием углерода (армко-железо, Ст3, У8). Показано, что зависимость коэрцитивной силы от циклической упругой деформации растяжением для хорошо отожженных образцов обратима. На пластически деформированных сталях эта зависимость испытывает гистерезис, который в значительной мере определяется содержанием углерода и возрастает с увеличением степени пластической деформации образцов. Обсуждаются причины гистерезиса этой зависимости. Высказано предположение, что гистерезис зависимости коэрцитивной силы от упругих циклических деформаций растяжением обусловлен в основном появлением в пластически деформированных углеродистых сталях "свободных", то есть не связанных в карбидных фазах атомов углерода, играющих роль примесных атомов внедрения для решетки а-железа.
Ключевые слова: углеродистая сталь, коэрцитивная сила, упругая деформация, пластическая деформация, гистерезис коэрцитивной силы.
ВВЕДЕНИЕ
Для определения напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных сталей широко используется такая магнитная характеристика как коэрцитивная сила Нс. Например, в [1—10] показано, что при одноосном растяжении образца в области упругой деформации коэрцитивная сила Нс, измеренная вдоль направления приложения нагрузки, по мере увеличения деформации сначала несколько уменьшается, а затем возрастает. Наблюдаемые изменения Нс в области упругих деформаций являются обратимыми, что позволяет однозначно определять напряженное состояние стальных изделий.
Если в процессе одноосного растяжения образец испытывает пластическую деформацию, то коэрцитивная сила после снятия нагрузки уже отличается от исходного значения, что позволяет по измерениям Нс определять деформированное состояние изделий [11, 12]. Кроме того, при последующем циклическом растяжении пластически деформированных образцов в области упругих деформаций зависимости Нс(еупр) сталей (где еупр — упругая деформация) имеют вид замкнутых петель [6, 13—15], то есть испытывают гистерезис. Однако природа гистерезиса этих зависимостей, наблюдаемого при циклическом растяжении углеродистых сталей, изучена недостаточно полно. Известно, что он присутствует лишь на пластически деформированных углеродистых сталях в условиях анизотропных упругих деформаций. На пластически деформированных материалах наблюдается механический гистерезис, проявляющийся в наличии петлеобразной зависимости а(еупр) при циклической упругой деформации образцов [16]. Для выяснения причин гистерезиса зависимостей Нс(еупр) при циклическом растяжении представляет интерес совместное исследо-
Владимир Анатольевич Захаров, доктор техн. наук, главный научный сотрудник ФТИ УрО РАН, Ижевск. Тел. (3412) 72-87-35. E-mail: zva@fti.udm.ru
Александр Иванович Ульянов, доктор техн. наук, главный научный сотрудник ФТИ УрО РАН, Ижевск. Тел. (3412) 43-79-01. E-mail: uai@fnms.fti.udm.ru
Эдуард Степанович Горкунов, академик РАН, доктор техн. наук, директор Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 374-47-25. E-mail: ges@imach.uran.ru
Валерий Викторович Величко, канд. техн. наук, младший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, Ижевск. Тел. 89199197271.
вание магнитных и механических характеристик в области упругих деформаций сталей с различным содержанием углерода, предварительно подвергнутых различной степени пластической деформации.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования проводили на разрывных образцах углеродистых сталей армко-железа, Ст3 и У8. Такой выбор образцов обусловлен необходимостью исследования влияния содержания углерода на гистерезис измеряемых характеристик. Химический состав образцов приведен в табл. 1. Рабочая часть образцов имела длину 50 мм и поперечное сечение 15x5 мм2. Исходные образцы были отожжены в вакууме в течение 1 ч: сталь Ст3 при температуре 1000 °С, а У8 и армко-железо при температуре 700 °С с последующим медленным охлаждением.
Таблица 1
Химический состав исследуемых образцов
С 81 Мп Сг Си Со Бе
Армко-Бе 0,041 0,004 0,197 0,022 0,143 0,021 99,3
Ст3 0,324 0,187 0,457 0,026 0,029 0,008 98,8
У8 0,832 0,184 0,393 0,049 0,136 0,017 98,3
Циклическое одноосное растяжение в упругой области и пластическую деформацию образцов проводили на стандартной разрывной машине в квазистатическом режиме со скоростью 0,02 мм/мин. При расчетах внешних механических напряжений а, приложенных к образцам под действием усилия Р, площадь их поперечного сечения принимали равной начальной 50, то есть а = Р/50.
Для измерения деформации рабочей части образца использовали малогабаритные индуктивные датчики линейных перемещений с базой /0 = 12 мм [17]. Абсолютная погрешность измерений с помощью тензометра с индуктивным датчиком перемещения составляла ±0,5 мкм. По результатам измерения абсолютных деформаций А/ вычисляли "истинную" относительную деформацию е = 1п(///0), где / = /0 + А/ — длина образца после деформации при базе /0 датчика.
Коэрцитивную силу Нс рабочей части образца измеряли вдоль направления приложения нагрузки с помощью коэрцитиметра КРМ-Ц с малогабаритным приставным датчиком. Размер полюсов магнитопрово-да приставного датчика 15x3 мм2, расстояние между внутренними кромками полюсов — 9 мм. Коэрцитиметр имел отстройку от зазора между образцом и магнитопроводом приставного датчика до 0,2 мм. Относительная погрешность измерения коэрцитивной силы не превышала 3 %.
Предварительные исследования показали, что пластическая деформация становится однородной по сечению и длине рабочей части образца в том случае, если относительная деформации образца е > 0,02. Похожие процессы на начальной стадии пластической деформации растяжением на образцах стали 45 наблюдали в [18].
Процесс пластического деформирования образцов и измерение параметров деформации в упругой области производили следующим образом. Образец растягивали на разрывной машине в области пластической деформации до заданного максимального значения ем. Например, для образца из Ст3 это точка Ь (относительная деформация ем1) на диаграмме растяжения, приведенной на рис. 1. Максимальное значение приложен-
ного напряжения ам1 фиксировали. Затем образец разгружали до а = 0 (точка й), где он имел остаточную деформацию ей1. Далее в отсутствие магнитного поля проводили подготовку образца путем многократного (от 3 до 10 раз) нагружения-разгружения в упругой области в пределах от нуля до а, меньшего ам1 на 15—20 МПа (интервал напряжений с—й на рис. 1). В результате подготовки механические и магнитные свойства материала образца принимали установившиеся значения. Затем в этой же
Рис. 1. Диаграмма растяжения стали Ст3, в том числе при снятии нагрузки после достижения образцом максимальных пластических деформаций ем102, равных:
1 — 1,99; 2 — 3,34; 3 — 5,82; 4 — 8,68.
области упругих деформаций проводили измерение коэрцитивной силы и механических характеристик. Зависимости Нс(еупр) и а(еупр) цикла на-гружение-разгрузка образца в упругой области деформаций имели вид замкнутых петель гистерезиса. Завершив цикл измерений, образец пластически деформировали до более высоких значений ем2 > ем1, например, точка е на рис. 1, и цикл подготовки к измерениям и измерения повторяли. Аналогичным образом подготавливали к измерениям образцы других сталей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 показано изменение коэрцитивной силы в области упругой циклической деформации растяжением исходных (после отжига) и пластически деформированных образцов армко-железа, сталей Ст3 и У8. Видно, что зависимости Нс(еупр) имеют вид, характерный для ферромагнитных сталей: по мере увеличения еупр коэрцитивная сила сперва несколько уменьшается, а затем возрастает. Зависимости Нс(еупр) для исходных (отожженных) образцов обратимы (кривые 1, 4, 7), то есть при снятии нагрузки Нс образца возвращается в исходное состояние без изменения формы кривой. Поскольку циклическое растяжение исходных образцов происходит в упругой области, деформация образцов происходит в соответствие с законом Гука, причем зависимости а(еупр) также являются обратимыми (кривые 1 на рис. 3).
2 Дефектоскопия, < 5, 2013
Из рис. 2 следует, что коэрцитивная сила сталей возрастает с повышением в них содержания углерода. Для объяснения наблюдаемых на рис. 2 зависимостей Нс(еупр) воспользуемся следующей упрощенной моделью структурного состояния сталей. В состоянии после отжига армко-железо имеет ферритную, а стали Ст3 и У8 — ферритно-перлитную структуру, которую в магнитном отношении можно рассматривать как ферритную матрицу с размещеными включениями цементита.
Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы от циклической упругой деформации растяжением образцов: армко-железа (кривые 1—3), сталей Ст3 (кривые 4—6), У8 (кривые 7—9), имеющих остаточную
пластическую деформацию е4-102, равную: 1, 4, 7 — 0 (образцы в исходном состоянии); 2 — 0,92; 3 — 3,15;
5 — 1,87; 6 — 8,47; 5 — 0,59; 9 — 2,23.
В [19] на примере патентированной стали 70 было показано, что коэрцитивная сила углеродистых сталей обусловлена в основном действием трех механизмов перемагничивания: коэрцитивностью ферритной матрицы; взаимодействием доменных стенок матрицы со слабомагнитными включениями цементита; коэрцитивностью цементита как магни-тожесткой фазы. Оценку вклада коэрцитивности цементита как магни-тожесткой фазы в Нс образца можно сделать из анализа температурных
зависимостей Нс(Тизм) образцов. Дело в том, что при Тизм = ТС (ТС = 210 °С — точка Кюри цементита) коэрцитивность цементита равна нулю, а при Тизм = -196 °С (температура жидкого азота) — максимальна. Согласно [20], коэрцитивная сила деформированного цементита, измеренная при комнатной температуре, составляет =80 А/см, а измеренная при температуре жидкого азота =190 А/см, причем зависимость Нс(Тизм) цементита практически линейная. Изменение коэрцитивной силы ферритной матрицы в этом диапазоне Т
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.