УДК 620.179
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ КОНТРОЛЯ ПО ПАРАМЕТРАМ МАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ
В. В. Филинов,
Исследовано влияние режимов старения на прочностные и магнитные характеристики мартенситно-стареющей стали 03Н17К10В10МТ. Показано, что параметры магнитных и акустических шумов, вызванных перемагничиванием стали, зависят от внутренних напряжений, структуры и фазового состава, определяемых режимом старения. Энергетические и эмиссионные характеристики магнитных шумов перспективно использовать для оценки прочностных свойств стали на стадии упрочнения.
Ключевые слова: магнитные и акустические шумы, прочностные характеристики стали, мартенситно-стареющая сталь.
В.Е. Шатерников
В современном машиностроении при изготовлении ответственных деталей машин и изделий широко используют высокопрочные мартенситно-стареющие стали [1, 2]. Сталь 03Н17К10В10МТ относится к классу безуглеродистых сложнолегированных сталей и содержит 17 % N1, 10 % Со, 10 % 1,2 % Мо, 0,8 % Т1. В упрочненном состоянии она имеет структуру мартенсита и обладает хорошим сочетанием высоких прочностных и пластических свойств. Упрочнение стали осуществляют в два этапа: получение мартенситной структуры в результате у — а-перехода; последующее старение мартенсита. Неразрушающий контроль качества изделий из этой стали затруднен из-за сложных структурных изменений и фазовых превращений, сопровождающих старение и приводящих к неоднозначным зависимостям ее механических и структурно-чувствительных магнитных свойств.
В работе исследована возможность применения для контроля прочностных свойств стали 03Н17К10В10МТ, получаемых старением мартенсита, магнитных и акустических шумов, вызванных перемагничиванием стали. Энергетические и эмиссионные характеристики магнитных шумов (МШ) определяются перестройкой в основном 180-градусных доменных границ в ферромагнетике при его циклическом перемагничивании, их можно использовать для контроля физико-механических свойств сталей [3—5, 7, 8]. Сигналы акустических шумов (АШ) определяются перестройкой в основном 90-градусных доменных границ ферромагнетика и их также можно применить для этой цели [6, 8]. Таким образом, имея разную физическую природу, МШ и АШ при совместном использовании создают новые возможности для контроля свойств ферромагнитных материалов.
При старении мартенситных железоникельных сталей меняется плотность дислокации, величина внутренних напряжений II и III рода и фазовый состав [1, 2]. Это приводит к изменению параметров сигналов от магнитных и акустических шумов.
Для определения механических свойств использовали разрывные (ГОСТ 1497—73) и ударные (ГОСТ 9454—78) образцы, для магнитных исследований — цилиндрические (50x10 мм).
Различные физико-механические свойства образцов получали закалкой при температуре 1090 °С с последующим старением в интервале температур
Владимир Викторович Филинов, доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры ПР-4 "Электротехника и Электроника" Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ). Тел. 8 (499) 268-00-01; 8 (916) 618-09-11. E-mail: mgupipr-4@mail.ru
Виктор Егорович Шатерников, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой ПР-4 "Электротехника и Электроника" Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ).
100—600 °С, выдержке при заданной температуре 3 ч и охлаждением на воздухе. Старение образцов всех типов проводили в одной садке.
Блок-схема экспериментальной установки для исследований магнитных и акустических шумов приведена на рис. 1. Образец 2 перемагничивался по предельной петле гистерезиса полем электромагнита 1, питаемого током низкой частоты 10 Гц прибора 5 (типа АФС-5). Магнитные шумы преобразовывались индукционным преобразователем 3 в импульсы ЭДС и регистрировались прибором 5, акустические шумы — в импульсы напряжения пье-зопреобразователем 4 и также регистрировались прибором 5. Для наблюдения формы сигналов преобразователей 3 и 4 использовали осциллограф 6.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.
Прибор АФС-5 обеспечивал измерение и регистрацию следующих параметров МШ и АШ:
среднеквадратического напряжения МШ или АШ иАШ за полупериод перемагничивания Т /2 или за интервал стробирования длительностью х = 1/40Т ;
количества импульсов МШ ^МШ или АШ Л^АШ, амплитуда которых превышает заданный порог дискриминации, за полупериод перемагничивания или за интервал стробирования т.
Прибор АФС-5 имел два параллельных канала, используемых соответственно для регистрации МШ и АШ. Принцип работы каналов одинаков и подробно изложен в [4, 5, 8]. Электромагнит 1 и индукционный преобразователь 3 не отличались от использованных в [4]. В качестве преобразователя применили пьезоэлемент из керамики ЦТС-19 с резонансной частотой 125 кГц.
На рис. 2 приведены прочностные и пластические характеристики стали 03Н17К10В10МТ: предел прочности аВ; предел текучести а0 2; твердость ИКС; относительное удлинение 5; относительное сужение у; ударная вязкость ар в зависимости от температуры старения. На рис. 3 приведены такие же зависимости для тока размагничивания коэрцитиметра КИФМ-1 намагниченности насыщения Ы^ параметров магнитных шумов и и N ; акустических шумов иАШ, NКШ и положения ^ максимального значения иМШ тах на периоде перемагничивания Тп. Каждая точка на графике есть результат усреднения по пяти образцам. Разброс результатов измерений не превышал ± 5 % от среднего.
В диапазоне температур старения 100—550 °С сталь 03Н17К10В10МТ упрочняется, пластичность и вязкость падают, при этом резкое изменение прочностных свойств и пластичности начинается от температуры старения 350 °С, с повышением которой до 425 °С коэрцитивная сила практически не меняется, затем в диапазоне температур 425—500 °С она падает, а начиная с 500 °С — значительно растет. Намагниченность насыщения до
3
2
6
ар, Дж/см2 220
120
40
16
оВ, о0 2, МПа
2000
1400
800
V, % 80
- - ИКС ^ а
200 300 400 450 500 550 600Г °С
Рис. 2. Зависимость механических характеристик стали 03Н17К10В10МТ от температуры
старения.
8
температуры старения 500 °С не меняется, незначительно уменьшается в диапазоне 500—550 °С и более резко падает при температуре старения выше 550 °С. Среднеквадратическое напряжение ^МШ и количество импульсов ^МШ МТТТ существенно не меняются до температуры старения 425 °С, после которой эти параметры резко монотонно падают. Среднеквадратическое напряжение £/АШ и количество импульсов NAТЛ акустических шумов не меняются при возрастании температуры старения до 525 °С, а затем практически падают до нуля, определяемым порогом чувствительности пьезопре-образователя.
Для объяснения полученных результатов (см. рис. 2, 3) рентгеновским методом были определены изменения периода решетки мартенсита а и ширины рентгеновских линий В в зависимости от температуры старения (рис. 4). Рентгеновские исследования проводили на дифрактометре "Дрон-2" в РеКа-излучении, а и В определяли по линии (211)а в результате записи профиля линии не менее трех раз.
На ранней стадии старения стали 03Н17К10В10МТ в диапазоне температур 200—425 °С период решетки а-твердого раствора практически не меняется, однако несколько уменьшается ширина рентгеновских линий В. Последнее указывает на незначительное снижение величины внутренних микронапряжений и плотности дефектов кристаллического строения мартенситной матрицы. Это подтверждается данными электронно-микроскопических исследований мартенситно-стареющих сталей такой же системы [1, 2]. В [2] показано, что на ранней стадии упрочнения сталей (для стали 03Н17К10В10МТ, по-видимому, до температуры 425 °С) повышение прочности связано с закреплением дислокации в результате дрейфа к ним атомов легирующих элементов и увеличения сопротивле-
иЫШ' UАШ, усл. ед. 80
40
N N
МШ> АШ
1500
1000
500
мА
20
15
10
140
130
МЛ0-2, А/см
150
Г/Т
1 п
0,55
¿г
г/Т
] П
NА
N
АШ
Ца
иМ
Мс,
МШ
200 300 400 450 525 575 600 Т °С
Рис. 3. Зависимость магнитных характеристик стали 03Н17К10В10МТ от температуры
старения.
ния движению свободных дислокаций из-за наличия в мартенситной матрице зон, обогащенных атомами легирующих элементов и частиц мета-стабильной фазы, когерентно или полукогерентно связанных с матрицей. Уменьшение подвижности дислокации также приводит к снижению пластических и вязкостных свойств стали по сравнению с исходной мартен-ситной матрицей.
Незначительное снижение плотности дислокации и величины микронапряжений на ранней стадии упрочнения стали 03Н17К10В10МТ практически не сказывается на изменении ее магнитных свойств (параметры рис. 3
^ UМШ, UAШ, ^ ^АШ меняЮтся слабо).
Наибольшее упрочнение стали 03Н17К10В10МТ достигается в диапазоне температур старения 425—550 °С, оно связано с образованием и ростом гексогональных интерметаллидных фаз типа №3^Т1, Мо) и выделений типа Рез^И, Мо) [1, 2]. При этом вследствие выделения вторичных фаз период решетки а изменяется значительно. Процесс выделения интерметаллидных фаз ускоряется с повышением температуры старения, так как при изменении которой с 450 до 500 °С период решетки уменьшается на 25 % его интервала изменения, а при изменении с 500 до 550 °С — на 50 %. В результате выделения интерметаллидных фаз, когерентно или полукогерентно связанных с матрицей, в ней увеличиваются микронапряжения (ширина рентгеновских линий В возрастает) и этот процесс превалирует над процессом уменьшения плотности дефектов кристаллического строения в результате старения.
Увеличение микронапряжений в матрице и появление интерметаллид-ных фаз, представляющих для доменных границ препятствия с повышенной энергией, должны согласно теории включений приводить к росту коэрцитивной силы. Однако в диапазоне температур старения 425—500 °С коэрцитивная сила падает. Последнее можно объяснить превалирующим влиянием
В, мм
Рис. 4. Зависимость изменений периода решетки а и ширины рентгеновских линий В от температуры старения стали 03Н17К10В10МТ.
на коэрцитивную силу процесса уменьшения плотности дислокаций, так как размеры вторичн
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.