УДК 620.179.14
ИЗМЕНЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ИХ УПРУГОМ И ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ РАСТЯЖЕНИЕМ
К.В. Костин, Т.П. Царъкова, А.П. Ничипурук, Я.Г. Смородинский
Исследовано изменение формы и характеристик предельных и несимметричных петель гистерезиса малоуглеродистых трубных сталей под действием упругих и пластических деформаций растяжением. Определены участки петель гистерезиса, которые в наибольшей степени меняются при растяжении материала. Показаны возможности контроля растягивающих деформаций по намагниченности коэрцитивного возврата и по величине магнитного поля, соответствующего фиксированной намагниченности на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса.
Ключевые слова: сталь, растяжение, деформация, магнитный гистерезис, нисходящая ветвь петли, остаточная индукция, индукция коэрцитивного возврата.
ВВЕДЕНИЕ
Контроль состояния трубопроводов к настоящему времени из научно-технической проблемы превращается в производственное направление [1—4]. Большая протяженность, старение, разнообразие условий эксплуатации трубопроводов и большая опасность их аварийных отказов обусловливают потребность в развитии и в расширении сферы применения физических методов и средств контроля качества труб и диагностики трубопроводов. Одним из наиболее опасных и трудновыявляемых дефектов является растрескивание трубных сталей в коррозионной среде под действием растягивающих напряжений (КРН) [2—6]. При повреждении по механизму КРН распространение трещин в металле идет при одновременном воздействии коррозии и механического растягивающего напряжения. При этом трещины распространяются перпендикулярно направлению действия растягивающего напряжения при незначительных внешних деформациях металла или вообще без последних.
Появление участков концентрации растягивающих напряжений в трубах возможно как на стадии их изготовления (особенно при использовании технологии контролируемой прокатки), так и в процессе эксплуатации (провисы, циклические и вибрационные нагружения, сезонные подвижки грунтов и т. д.) [3, 4]. Своевременное обнаружение мест концентрации и определение уровня растягивающих напряжений позволяют оценивать остаточный ресурс трубопроводов и устанавливать сроки и объемы необходимого ремонта трубопроводов.
Активные разработки методик определения напряжений, действующих в стальных объектах, начались около 20 лет назад и продолжаются до настоящего времени. Наибольшее внимание уделяется магнитным и акустическим методам [3, 4, 7—24]. Анализ известных методик показывает, что в отличие от сжимающих напряжений растягивающие оказывают слабое и неоднозначное влияние на известные параметры контроля. Однако в работе [21] на примере низкоуглеродистой стали 11ЮА было
Кирилл Владимирович Костин, аспирант Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-59. E-mail: kostin@imp.uran.ru
Татьяна Павловна Царькова, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-37-46.
Александр Петрович Ничипурук, доктор техн. наук, заведующий лабораторией Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 374-44-90; E-mail: nich@imp.uran.ru
Яков Гаврилович Смородинский, доктор техн. наук, зав. отделом неразрушающего контроля Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-37-42. E-mail: sm@imp.uran.ru
показано, что магнитное поле НП, соответствующее фиксированной индукции ВП на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса, значительно меняется при упругом растяжении. Поведение этой характеристики у других сталей, растягиваемых как в упругой, так и в пластической области, не исследовано. Кроме того, значительный интерес представляет сравнение чувствительности различных элементов петли гистерезиса к упругим и пластическим деформациям.
Таким образом, цель настоящей работы — выявление участков предельной петли и несимметричных циклов гистерезиса, в наибольшей степени меняющихся под действием упругих и пластических растяжений, а также определение возможных параметров и методик контроля растягивающих упругих и пластических деформаций трубных сталей.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения магнитных свойств проводили на образцах, вырезанных из эксплуатировавшихся в составе магистрального газопровода труб российского (образец 1) и зарубежного (образец 2) производства. Химический состав образцов приведен в табл. 1. Импортная сталь содержит больше углерода, а по другим элементам составы близки.
Таблица 1
Химический состав исследуемых образцов (%)
С 81 Сг Мп N1 Мо
Образец 1 0,107 0,34 0,014 1,44 0,035 0,01
Образец 2 0,15 0,29 0,019 1,37 0,035 0,01
Начальные геометрические размеры образцов: длина 10 = 270,3 мм, прямоугольное поперечное сечение S0 = 6,22 мм2. При таких размерах образцов коэффициент размагничивания пренебрежимо мал. При измерении магнитных свойств направление намагничивания было параллельно направлению упругого деформирования. Магнитные свойства измеряли баллистическим методом [25], погрешность измерения индукции и внутреннего поля не превышала 2 %.
В настоящей работе исследовали влияние одноосных растягивающих напряжений на форму нисходящей ветви предельной петли магнитного гистерезиса на участке от максимальной магнитной индукции Вт до коэрцитивной силы Нс, на кривую возврата от Нс до индукции коэрцитивного возврата ВНс, а также на продолжение кривой возврата в область положительных полей. Исследуемые участки зависимостей В(Н) представлены на рис. 1 и пронумерованы следующим образом: участок I — от Вт до В ~ 1,5 Т; участок II — от В ~ 1,5 Т до остаточной магнитной индукции Вг; участок III — от Вг до В = 0; участок IV — от В = 0 до ВНс; участок V — от ВНс до В ~ 1,4 Т. Указанные участки предельного и несимметричного циклов гистерезиса измеряли при каждом фиксированном значении приложенного напряжения. Растягивающие напряжения возрастали от нуля до начальных степеней пластической деформации. После растяжения и измерения магнитных свойств образец разгружали и измеряли остаточную деформацию. При появлении остаточной деформации магнитные свойства измеряли как под нагрузкой, так и после разгрузки образца. Установленные по кривым растяжения значения предела текучести составили для образ-
ца 1 ат ~ 388 МПа, а для образца 2 ат ~ 392 МПа. Анализ магнитных свойств имел целью поиск таких участков зависимостей В(Н), форма которых претерпевает закономерные изменения по мере возрастания
Рис. 1. Участки нисходящей ветви петли гистерезиса (I, II, III), кривая возврата от коэрцитивной силы (IV) и ее продолжение (V) в магнитных полях H > 0 ненагружен-ного образца 1.
растягивающих деформаций. Кроме того, проведенные измерения позволили также определить зависимости от растяжения коэрцитивной силы Hc, остаточной индукции Br и индукции коэрцитивного возврата BHc.
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Нисходящие ветви предельных петель гистерезиса от максимальной Вт до остаточной Вг индукции, измеренные при различных растягивающих деформациях образца 1, представлены на рис. 2. В диапазоне индукций (1,6—1,8) Т, что соответствует участку I петли, наблюдается монотонный сдвиг зависимости В(Н) в более высокие поля по мере роста приложенных растягивающих напряжений. Таким образом, указанная в [21] методика контроля растягивающих напряжений по величине магнитного поля НП, соответствующего фиксированной намагниченности (или индукции) на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса, оказывается возможной. Механические напряжения не оказывают влияния на намагниченность насыщения, поэтому в больших полях петли сливаются. По мере приближения к остаточной магнитной индукции угол наклона нисходящих ветвей меняется, и ветви, соответствующие различным напряжениям, пересекаются.
На рис. 3 представлены участки III предельных петель гистерезиса образца 1, измеренные при различных растягивающих деформациях. Как можно увидеть из рисунка, по мере увеличения упругого растяжения остаточная индукция Вг сначала растет (до а ~ 150 МПа), а затем монотонно уменьшается, что соответствует полученным ранее результатам [8—10, 14—15, 17, 18]. С точки зрения контроля напряжений участок III предельной петли при упругих деформациях меняется слабо и какого-либо монотонно меняющегося магнитного параметра на этом участке петли выделить не удается.
Из рис. 4 видно, что величина коэрцитивной силы Нс слабо и, главное, неоднозначно меняется при увеличении растягивающих напряжений.
Рис. 2. Нисходящие ветви предельных петель гистерезиса образца 1 на участках I и II при различных значениях приложенных растягивающих упругих (о) и пластически деформирующих напряжений (е — остаточная деформация): • о = 0; ■ о = 63 МПа; А о =158 МПа; ▼ о = 252 МПа; ♦ о = 315 МПа; * ст = 355 МПа; • с =378 МПа; + е = 0,19 %: :■: е = 0,61 %.
Между тем при увеличении о вплоть до предела текучести индукция коэрцитивного возврата ВНс монотонно вырастает более чем на 20 % (от 0,14 до 0,17 Т).
-5 -4 -3 -2 -1 0
Н, А/см
Рис. 3. Участки III предельных петель гистерезиса образца 1 при различных упругих растягивающих напряжениях:
• — о = 0; ■ — 63; А — 158; ▼ — 252; ♦ — 315; ★ — 355 МПа.
Показанное на рис. 5 продолжение кривых возврата от коэрцитивной силы в область положительных полей (то есть участок V) в малых полях сохраняет те же закономерности изменения, что и кривые возврата
вблизи ВНс. Дальнейшее увеличение поля приводит к существенному, но неоднозначному изменению формы несимметричных петель гистерезиса.
В, т
-5 -4 -3 -2 -1 0
Н, А/см
Рис. 4. Кривые возврата от коэрцитивной силы образца 1 при различных упругих растягивающих напряжениях (напряжения те же, что на рис. 3).
На рис. 6а приведены участки IV и V образца 1, измеренные при различных значениях упругого растяжения, а на рис. 66 приведены построенные по данным рис. 6а зависимости магнитного поля Н1*, соответству-
Н, А/см
Рис. 5. Ветви несимметричных петель гистерезиса образца 1 на участке V при различных упругих растягивающих напряжениях (напряжения те же, что на рис. 3).
ющего фиксированному значению индукции В1* на участках IV и V, от приложенных растягивающих напряжений. Как ви
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.