научная статья по теме КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ СТАЛЕЙ, С ПОМОЩЬЮ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ СТАЛЕЙ, С ПОМОЩЬЮ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ»

УДК 620.179

КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ,

ВЫЗВАННЫХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ СТАЛЕЙ, С ПОМОЩЬЮ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ

В.Г. Кулеев, Т.П. Царькова, М. С. Огнева, А.П. Ничипурук, А.Н. Сташков

Рассмотрены возможности контроля остаточных сжимающих напряжений, вызванных растягивающими пластическими деформациями 8 малоуглеродистых сталей, с помощью остаточной магнитной индукции, а также индукций в различных магнитных состояниях. Найден новый параметр контроля, хорошо коррелирующий с относительной величиной остаточных сжимающих напряжений в интервале 0 % < 8 < 10 %.

Ключевые слова: дифференциальная проницаемость, магнитная индукция, остаточные сжимающие напряжения, пластическая деформация, магнитное поле.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большое число работ посвящалось исследованиям магнитных методов неразрушающего контроля механических свойств ферромагнитных сталей (в том числе и после пластических деформаций), см., например, [1—3]. В настоящей работе также рассмотрен один из таких методов.

В [4—9] было показано, что в изотропных поликристаллических сталях после их пластической деформации 8 в значительной части зерен возникали большие остаточные сжимающие напряжения ст1"(8), приводящие в них к доменной структуре (ДС) типа легкой плоскости (ЛП). Естественно, что в остальных зернах стали внутренние напряжения первого рода являются преимущественно растягивающими, так что суммарные напряжения в стали уравновешены (подробнее об этом в [6—8]).

Необходимыми условиями появления этих больших сжимающих остаточных напряжений первого рода является анизотропия модуля Юнга в зернах a-Fe в сочетании с изотропией в ориентациях этих зерен, когда число большеугловых границ максимально [5, 9]. Последние разделяют те из соседних зерен, в которых велика разница величин их модулей Юнга вдоль направления действия деформирующей нагрузки, что и обусловливает появление больших остаточных сжимающих напряжений ^(8) (в том из каждой пары зерен, в котором больше модуль Юнга). В результате в этих зернах возникает ДС типа ЛП, что приводит к существенным изменениям значений всех магнитных параметров стали [4—9].

Поэтому естественно попытаться применить этот эффект (то есть появление больших остаточных сжимающих напряжений в стали в значительной части ее зерен после приложения растягивающих нагрузок) для оценки величин возникших в ней деформаций. Так, в [10] была сделана первая попытка использовать зависимость дифференциальной магнитной проницаемости от величины деформации для оценки последней. Однако эксперименты, проведенные в [10], показали, что этим методом можно надежно контролировать только сам факт наличия пластических деформаций, но не величину ст1"(8), так как она в диапазоне деформаций 2 % < 8 < 30 % изменялась не более чем на 5 %.

Владимир Гайнитдинович Кулеев, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-12. E-mail: kuleevv@imp.uran.ru

Татьяна Павловна Царькова, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-37-46.

Мария Сергеевна Огнева, инженер лаборатории МСА Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-12. E-mail: ogneva66@mail.ru

Александр Петрович Ничипурук, доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией МСА Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 374-44-90. E-mail: nichip@imp.uran.ru

Алексей Николаевич Сташков, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-18. E-mail: stashkov@imp.uran.ru

Остаточная индукция В полученная после приложения максимального поля в 230 А/см, как и индукции в полях Н0 = 6,4; 12,8; 18,3 А/см, полученные двумя способами: исходя из размагниченного состояния В (Н0) (то есть двигаясь по начальной кривой намагничивания) и из насыщенного состояния Вн(Н0) (двигаясь по спинке петли гистерезиса от точки В (230 А/см)), изменяются с увеличением в гораздо сильней, чем дифференциальная проницаемость [10] (в случае Вг см. также в [7, 9]). Поэтому имеет смысл рассмотреть возможность использования этих величин (В, В Вн) для контроля деформаций в, вызвавших в значительной части зерен стали большие остаточные сжимающие напряжения с1(в). Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Измерения магнитных индукций проводили на установке, описанной в [10]. На образцы в их среднем сечении наматывали по 10 витков тонкого медного провода, магнитную индукцию измеряли с помощью микрове-берметра Ф190 с погрешностью ±5 % в поле, параллельном действующей нагрузке: Н0||Е.

Остаточные сжимающие напряжения ст1"(в) измеряли в соответствии с методом, предложенным в [4], по минимуму зависимости коэрцитивной силы от упругих растягивающих напряжений (см. также [12], где этот метод подробно обоснован). Для этого использовали коэрцитиметр КИФМ-1; упругая растягивающая нагрузка накладывалась на предварительно пластически растянутые образцы стали.

На рис. 1а представлены полученные зависимости В (г), Вг(в), Вн(в) (где — индукция в поле 230 А/см). Для объяснения будем исходить из того, что

а б

В, Тл 2,5

В, Тл 1,2

0 5 10 15 20 25 30

в, %

30

в, %

Рис. 1. Кривые изменения индукций в зависимости от в: а — индукции насыщения В (в) — 1; индукции Вн(в) при уменьшении поля от 230 А/см до 18,3 А/см — 2; до 12,8 А/см — 3; до 6,4 А/см — 4; до 0 А/см — 5 — Вг(в)); б — индукции Вр(в), полученные исходя из размагниченного состояния при амплитуде полей Н0, равных: 18,3 А/см — 1; 12,8 А/см — 2; 6,4 А/см — 3.

остаточная индукция равна сумме элементарных индукций, вызванных необратимыми смещениями доменных границ (ДГ) [9—11] (за вычетом вкладов, образующихся при размагничивании обратных магнитных фаз [12]). При увеличении по тем или иным причинам магнитной жесткости стали в процессах намагничивания и перемагничивания (что отражается в увели-

чении коэрцитивной силы) автоматически увеличивается вклад обратимого вращения (см., например, [11]), и это приводит только к уменьшению Вг (как и остальных используемых здесь индукций Вн(в), В (в)).

Индукции Вн(в) являются точками на нисходящей ветви петли гистерезиса при указанных выше (см. рис. 1а) значениях поля Н0. Из рис. 1а видно, что индукция насыщения слабо зависит от в, поэтому в пределах погрешности измерений ее можно считать постоянной. Индукции В (в) и Вн(в) при всех значениях полей Н0 демонстрируют одинаковый ход зависимости от в: вначале падение с ростом в вплоть до в = 10 %, затем небольшой рост до в = 14 %; далее наблюдается постоянство величин Вг и Вн (в пределах погрешности измерений) вплоть до в = 28 %; и непосредственно перед разрывом образца стали Ст3 при в = 30 % — увеличение всех этих индукций, превышающее погрешность измерений.

Минимумы зависимостей Вг(в) и Вн(в) при в = 10 % объясняются тем, что в этом случае достигается наибольшая магнитная жесткость деформированной стали вследствие одновременного действия двух факторов: максимального числа остаточно сжатых зерен в сочетании с большими значениями остаточных сжимающих напряжений с1(в) (согласно измерениям [1, 3, 6], с1(в) ~ (0,7—0,8) • ст(в), где ст(в) — предел текучести в области упрочнения при данном в). Параллельно свой вклад в повышение магнитной жесткости вносит также процесс увеличения плотности дислокаций и их скоплений. Однако он характеризуется незначительным и практически линейным увеличением Нс(в) [5, 7], а значит, и магнитной жесткости, и с ростом в сам по себе не может привести к минимуму зависимостей от в индукций Вг и Вн.

Рост индукций в интервале 10 % < в < 14 % обусловлен тем, что при этих деформациях зерна стали интенсивно разбиваются на блоки, которые своими осями типа [100] поворачиваются в направлении нагрузки Е [11]. В результате этого уменьшается число большеугловых границ зерен, удо -влетворяющих неравенству (11) из [8] по сравнению с исходным изотропным состоянием, что приводит к уменьшению числа сильно сжатых зерен с ДС типа ЛП. Параллельно с этим несколько возрастает число магнитно-мягких 180° ДГ, которые могут давать вклад в увеличение индукции вдоль поля Н0 (и Е). Заметим, что происходящий параллельно рост плотности дислокаций в интервале 10 % < в < 14 % не является здесь превалирующим, что и приводит к росту индукций Вг и Вн.

Однако в интервале 14 % < в < 28 % перечисленные выше механизмы, по всей видимости, уравновешивают друг друга, в результате чего величины В Вн практически постоянны.

Непосредственно перед разрывом в = 30 % при действии нагрузки в образце образуется поперечная макротрещина, которая приводит к некоторой релаксации напряжений с1(в). В результате уменьшение числа остаточно сжатых зерен в сочетании с уменьшение величин с1- (по целому ряду причин, перечисленных выше) и увеличение числа 180° ДГ приводят к возрастанию доли необратимого перемагничивания и, следовательно, к наблюдаемому на опыте скачку индукций Вг , Вн при в = 30 %.

На рис. 16 приведены кривые В (в), полученные при наложении поля Н0, исходя из размагниченного состояния. Видно, что характер изменения величин В не отличается от рассмотренного выше (см. рис. 1а) и, следовательно, обусловлен теми же механизмами. Отличие кривых В (в) от Вг(в) и Вн(в) только в том, что амплитуды изменения В с ростом в здесь больше.

Зависимости, представленные на рис. 1а, б, следует сравнить с величинами остаточных сжимающих напряжений, полученных на этих же образцах с разными в. Для этого образцы сталей с разными в упруго растягивали на специальной механической установке и с помощью коэрцитиметра КИФМ-1 находили минимумы коэрцитивной силы Н (с), которые соответствуют

средней величине остаточных сжимающих напряжений. Полученные таким образом кривые с^(в) представлены на рис. 2. Из этого рисунка видно, что остаточные сжимающие напряжения только растут с увеличением в от 175 МПа при в = 0 до 400 МПа при в = 28 %. Отметим, что эти величины заметно ниже, чем для отожженной стали, использованной в опытах [7].

400 350 | 300 ь" 250 200 150

0 5 10 15 20 25 30

в, %

Рис. 2. Зависимости остаточных сжимающих напряжени

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