УДК 620.179.16
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОРТОГОНАЛЬНОГО ПОДМАГНИЧИВАЮЩЕГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
А.Н. Сташков, А.П. Ничипурук, М.С. Огнева, В.Г. Кулеев
Исследованы полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости на кривых намагничивания отожженных и пластически деформированных образцов из низкоуглеродистой стали Ст. 20. Измерения проведены при одновременном воздействии намагничивающего поля и перпендикулярного подмагничивающего поля разной величины. Результаты получены на недеформированных и предварительно деформированных образцах. Установлено, что наложение ортогонального подмагничивающего поля позволяет разделить вклад в процессы намагничивания и перемагничивания разных типов доменных границ — 180- и 90-градусных. Критические поля 90-градусных переходов будут определяться не только вызванной деформацией наведенной магнитной анизотропией, но и величиной приложенного подмагничивающего поля.
Ключевые слова: деформация, дифференциальная магнитная проницаемость, под-магничивающее поле.
Изучение поведения магнитных свойств сталей, подверженных пластической деформации, ведется давно [1—4]. Однако недавние результаты работ, например [5—7], привели к новому витку развития тематики. В них было показано, 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 [8, 9]. Именно остаточные сжимающие напряжения создают в направлении, перпендикулярном направлению деформации, магнитную текстуру типа "легкая плоскость". Известно, что механические напряжения воздействуют на 90-градусные доменные стенки. Этот факт хорошо согласуется с одним из выводов работы [9] о том, что наибольшую чувствительность к величине деформации имеет величина критического поля смещения 90-градусных доменных границ. Эти критические поля получают путем сравнения расчетной зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, получаемой из модели [10], с экспериментальной, измеренной на предельной петле магнитного гистерезиса. Применение метода сравнения двух кривых дает достоверные результаты, но его основной недостаток состоит в трудности автоматизации, а ручное сопоставление сопряжено с затратами времени и определенным субъективизмом при оценке параметров.
Помимо фундаментального интереса работы в этом направлении имеют большое прикладное значение в промышленности, так как есть высокий спрос на надежные неразрушающие методы оценки остаточного ресурса стальных конструкций, таких как трубопроводы, подъемные механизмы, резервуары для хранения жидкостей и газов. Магнитные методы и средства имеют хороший потенциал для решения задач контроля
Алексей Николаевич Сташков, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-18. E-mail: staskov@imp.uran.ru
Александр Петрович Ничипурук, доктор физ.-мат. наук, зав. лабораторией МСА Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 374-44-90. E-mail: nichip@imp.uran.ru
Мария Сергеевна Огнева аспирант лаборатории МСА Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-12. E-mail: ogneva66@mail.ru
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
деформаций. Для практической реализации магнитных методов структу-роскопии наиболее удобно применять первичные преобразователи приставного типа, с их помощью можно измерять параметры предельной и частных петель гистерезиса [11, 12]. Однако небольшая чувствительность большинства магнитных параметров к уровню больших растягивающих деформаций, особенно незадолго до разрушения материала, ограничивает их применение.
Для дальнейшего развития магнитных методов неразрушающего контроля действующих и остаточных напряжений крайне важным вопросом является раздельная оценка вкладов в процессы перемагничивания 180 и 90-градусных доменных границ, количественная оценка их соотношения, определение среднего размера доменов и величин критических полей смещения этих границ. Несмотря на имеющийся научный задел [8, 13], надежных экспериментальных методов определения этих параметров на сегодняшний день авторам не известно.
Данная работа направлена на дальнейшее развитие методов, позволяющих приблизиться к экспериментальному определению параметров для оценки вызванной растягивающими нагрузками пластической деформации в сталях. Нами была исследована анизотропия магнитных свойств при намагничивании предварительно деформированных образцов из низкоуглеродистой стали Ст. 20. В отличие от известных работ, в наших экспериментах к образцам дополнительно прикладывалось подмагничиваю-щее поле в перпендикулярном направлении по отношению к намагничивающему полю. Амплитуда подмагничивающего поля варьировалась от величины, сопоставимой с коэрцитивной силой материала, до величин, в несколько раз превышающих ее. Такая нестандартная схема эксперимента позволила нам отделить вклад в процессы намагничивания смещения 180-градусных доменных границ, о чем пойдет речь далее.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на плоских образцах, подготовленных для разрывных испытаний, имеющих следующие размеры: длина 194 мм; ширина 70 мм; толщина 1,5 мм с утолщениями на концах для закрепления в захватах разрывной машины. Размеры рабочей части, на которой проводились магнитные измерения, составляли 70x70 мм. Пластины были изготовлены из низкоуглеродистой стали Ст. 20.
Образцы деформировали растяжением на разрывной машине при варьировании относительного удлинения от 0 до 30 %. Были испытаны 10 образцов, относительное удлинение которых варьировалось с шагом 2—3 %. Перед растяжением на края рабочей части образца наносили риски, по расстоянию между которыми определяли относительное удлинение после снятия нагрузки.
Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости измеряли на кривых намагничивания в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (вдоль и поперек направления растяжения). Для этого использовали 2 идентичных первичных П-образных преобразователя, которые располагали с противоположных сторон исследуемого образца. Размеры полюсов преобразователей составляли 12x28 мм с межцентровым расстоянием 32 мм. При такой конфигурации преобразователей и толщине рабочей части образцов 1,5 мм промагничивание происходит по всей толщине объекта контроля. Измерительные катушки были намотаны на центральную часть магнитопровода, а намагничивающие — на полюса. Схема измерительной установки приведена на рис.1.
При проведении измерений один из преобразователей, установленных на образце, создавал постоянное подмагничивающее поле, величина
которого варьировалась в диапазоне от 9 до 40 А/см, а второй медленно намагничивал образец до технического насыщения (максимальная напряженность магнитного поля составляла 230 А/см). Скорость намагничивания — 9 А/(смс). Для изучения анизотропии магнитных свойств, возникающей в результате растяжения образцов, преобразователи в эксперименте менялись ролями (подмагничивание постоянным полем и намагничивание медленно меняющимся) с помощью системы переключателей.
Рис. 1. Структурная схема измерительной установки:
ПК — персональный компьютер; ГС — генератор сигналов специальной формы; УМ — усилитель мощности; ИТ — источник постоянного тока; ДУ — дифференциальный усилитель.
Сигнал с измерительной катушки поступал на плату АЦП Ь-саМ Е14-440 и далее на персональный компьютер. Неизменность скорости изменения намагничивающего тока в серии экспериментов гарантировало правомерность сопоставления полученных результатов. Измеренные значения намагничивающего тока и сигнала с измерительной катушки пересчитывали в значения напряженности магнитного поля и величину дифференциальной проницаемости соответственно. Для этого предварительно проводили процедуру калибровки, которая заключалась в следующем. Подключали измерительную катушку к микровеберметру Ф192 и записывали петлю магнитного гистерезиса. На том же образце на баллистической установке измеряли индукцию насыщения, находили коэффициент пересчета по индукции, дифференцировали полевую зависимость индукции по напряженности магнитного поля и получали значения дифференциальной магнитной проницаемости. Калибровку по второй координате проводили путем сопоставления значений тока намагничивания с измеренными в межполюсном пространстве (с помощью магнитометра) значениями напряженности магнитного поля.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости на кривой намагничивания недеформирован-ной стали для двух случаев подмагничивания перпендикулярным постоянным полем: а — поле фиксированной величины и б — поле той же ве-
3 Дефектоскопия, < 12, 2012
личины, устанавливаемое после предварительного намагничивания в этом же направлении максимальным полем напряженностью 230 А/см. В отличие от кривой, полученной без подмагничивающего поля (кривая 1 на рис. 2), в присутствии последнего появляется второй максимум с большей, чем у первого, амплитудой. Амплитуда первого максимума становится меньше, а второй максимум сдвигается в сторону больших полей
Рис. 2. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости неде-формированной стали. Кривая 1 измерена при подмагничивающем поле Н0 = 0 А/см; 2 — Н0 = 9 А/см; 3 — Н0 = 18 А/см; 4 — Н0 = 27 А/см; 5 — Н0 = 36 А/см:
а — измерения при постоянном поле (Н0); б — измерения при намагничивании до поля 230 А/см и последующем установлении поля (Н0).
при увеличении подмагничивающего поля. Следует отметить, что значения напряженностей магнитного поля, соответствующих максимумам на рис. 2а,б, практически не отличаются (кроме кривой 2), в отличие от амплитуд максимумов. На кривых рис. 26 высота второго пика заметно выше, а первого ниже по ср
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.