Магнитные и электромагнитные методы
УДК 620.179.14
ВЛИЯНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 20, УПРОЧНЕННОЙ ГАЗОВОЙ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ
Э.С. Горкунов, С.Ю. Митрополъская, Е.М. Грозная, АН. Мушников, А.Л. Осинцева, Е.А. Туева
Проанализирована эволюция магнитных характеристик цементованной стали 20 под действием упругопластической деформации растяжением, сжатием и кручением. Показано, что вид полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости отражает трехслойный характер полученной микроструктуры: упрочненный поверхностный слой, переходная зона и ферритно-перлитная сердцевина. Предложено оценивать уровень приложенных напряжений по величине поля пиков и высоты пиков дифференциальной магнитной проницаемости соответствующих слоев цементованной стали.
Ключевые слова: дифференциальная магнитная проницаемость, газовая цементация, упругопластическая деформация.
Структура и свойства поверхностного слоя во многом определяют последующие эксплуатационные характеристики изделия в целом. В полной мере это относится к слоям, полученным методом цементации, которая придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении [1]. В последние годы усилился интерес к совершенствованию процессов цементации, в частности, на смену традиционной газовой цементации приходит вакуумная цементация, обеспечившая более высокое качество цементованного слоя [2]. Неразрушающий электромагнитный метод контроля качества цементации с помощью приставных электромагнитов был разработан еще в военные годы [3—5]. С тех пор накоплен богатый опыт применения коэрцитиметров для определения глубины и твердости цементованного слоя в условиях металлургических и машиностроительных заводов [6—8]. Однако сегодня актуальны поиск закономерностей деформирования и разрушения стальных изделий, упрочненных методами инженерии поверхности, и оперативная оценка текущего состояния поверхностных слоев и сердцевины изделия в условиях их эксплуатации.
В настоящей работе для решения этой задачи привлечен анализ полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости, который предполагает регистрацию предельной петли магнитного гистерезиса и построение на ее основе зависимости дифференциальной магнитной проницаемости ^ от величины перемагничивающего поля Н. Количество получаемых при этом пиков магнитной проницаемости соответствует числу различных по магнитным свойствам слоев изделия. Поля пиков Н^ близки к значениям коэрцитивной силы соответствующих слоев, а
Эдуард Степанович Горкунов, член-корр. РАН, директор Института машиноведения УрО РАН.
Софья Юрьевна Митропольская, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории технической диагностики Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-70. E-mail: mitr@imach.uran.ru
Елена Михайловна Грозная, начальник центральной заводской лаборатории ОАО Уралтрансмаш. Тел. (343) 336-70-13.
Александр Николаевич Мушников, инженер лаборатории технической диагностики Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-87. E-mail: s@nek.cc
Алевтина Леонтьевна Осинцева, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории микромеханики материалов Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-78.
Евгения Александровна Туева, инженер лаборатории технической диагностики института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-87. E-mail: tuevaevgenya@mail.ru
соотношение высот пиков определяется соотношением сечений соответствующих слоев [9].
До недавнего времени получение полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости представляло сложную методическую задачу из-за длительности и низкой точности измерений, но современные магнитно-измерительные комплексы дают возможность оперативно и подробно регистрировать петли магнитного гистерезиса, а прикладные программы — строить на их основе полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости с более высокой точностью. Это позволяет изучать эволюцию картины пиков дифференциальной магнитной проницаемости в условиях внешних воздействий с целью определения величины приложенных напряжений и оценки состояния каждого из слоев изделия в процессе эксплуатации.
Ранее [10, 11] были изучены закономерности изменений магнитных свойств двухслойных ферромагнитных изделий при растяжении на примере модельных образцов, состоявших из двух жестко соединенных между собой пластин отожженной стали (магнитомягкая компонента) и закаленной стали (магнитотвердая компонента). Для этого случая, когда переходная зона между слоями отсутствует, было установлено, что в условиях одноосного растяжения можно отслеживать текущее состояние каждого отдельного слоя и всего изделия в целом по величине полей максимальной дифференциальной магнитной проницаемости #Цйтах отдельных компонент. В недавних работах [12, 13] была рассмотрена более сложная задача о влиянии растяжения на магнитные свойства стали 45, термоупрочненной лазером. При этом было установлено, что значительные смещения пиков магнитной проницаемости в область более сильных магнитных полей и резкие снижения высоты пиков происходят в строго определенной последовательности, по мере достижения напряжений, соответствующих пределу текучести каждого из слоев.
В настоящей работе показана применимость предложенного подхода для оценки напряжений и деформаций, возникающих при растяжении, сжатии и кручении стального изделия цилиндрической формы, поверхностный слой которого упрочнен за счет газовой цементации и последующей объемной закалки.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на цилиндрических разрывных образцах по ГОСТ 1497 диаметром рабочей части 7 мм, изготовленных из горячекатаных прутковых заготовок стали 20 промышленной выплавки. Размеры образцов были выбраны с учетом конструктивных особенностей разрывной машины и магнитно-измерительного комплекса (рис. 1).
Газовую цементацию проводили в заводских условиях по стандартной технологии при температуре 940 °С и времени выдержки 3, 5, 7 и 15 ч для получения цементованного слоя глубиной 0,5, 1,0 и 1,5 мм соответственно. Закалку образцов от температуры 850 °С проводили по двум режимам: в масло (а) и в воду (б) с последующим отпуском при 150 °С в течение 2 ч. Эксперименты по растяжению, сжатию и кручению проводили на образцах с глубиной цементованного слоя 1,5 мм. В целях сравнения для имитации температурного режима цементации образцы-свидетели выдерживали при температуре 940 °С в воздушной атмосфере.
Измерения магнитных характеристик образцов в условиях одноосного растяжения, одноосного сжатия (только в упругой области) и кручения (до разрушения образца) проводили в замкнутой магнитной цепи [14]. Для регистрации петли магнитного гистерезиса процесс нагружения приостанавливали. Нагрузке подвергали образец в размагниченном состоя-
нии, затем проводили цикл магнитных измерений, перед началом каждого магнитного измерения и по окончании его образец размагничивали. Запись предельных петель магнитного гистерезиса при максимальном внутреннем поле 60 кА/м осуществляли на плоскости "В—Н" (В — магнитная индукция; Н — напряженность магнитного поля) путем запоминания не менее 2500 точек. Полученные петли магнитного гистерезиса пересчитывали с учетом уменьшения площади поперечного сечения образца при пластической деформации растяжением. Полевую зависимость дифференциальной магнитной проницаемости цd(H) определяли при помощи дифференцирования нисходящих ветвей предельных петель по полю в интервале от +60 до -60 кА/м (на рисунках приведены только те участки полевых зависимостей, на которых формируются максимумы проницаемости). У используемых в магнитно-измерительном комплексе флюксметров погрешность не превосходит 0,1 %. Для сглаживания полученных кривых применяли метод арифметической фильтрации "Adjacent Averaging" — усреднение соседних отсчетов по 25 точкам в один проход. Несмотря на простоту, адекватность использования данного фильтра была подтверждена высокой воспроизводимостью результатов.
Рис. 1. Внешний вид исследованных образцов стали 20:
а — после цементации; б — после разрушения при растяжении.
При анализе полевых зависимостей, полученных в нагруженном и
разгруженном состояниях, определяли величину поля пика H по мо.. и и ^dmax
дулю и высоту пика ^dmax дифференциальной магнитной проницаемости магнитомягкого и магнитотвердого слоев. Величину удлинения при растяжении определяли при помощи системы бесконтактного измерения деформации LaVision. Скорость перемещения активного захвата при испытаниях составляла 1 мм/мин (растяжение) или 60 град/мин (кручение).
Структуру образцов после химико-термической обработки (ХТО) исследовали на поперечных шлифах, травленых в 3 %-м растворе азотной кислоты в спирте. Микротвердость в поперечном сечении образцов определяли на приборе Leica под нагрузкой 0,49 Н при скорости нагружения 40 мкм/с и времени выдержки 15 с.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Магнитные свойства стали 20 после газовой цементации и закалки
В таблице приведены микроструктуры, твердость и магнитные характеристики стали 20 без цементации (для сравнения) и после цементации в течение 15 ч и последующей закалки в масло и в воду. После цементации и закалки в масло приповерхностный слой имеет твердость до
Твердость, структура и магнитные характеристики исследованных материалов
Обработка
Закалка в масло
Цементация+закалка в масло
Цементация+закалка в воду
Зона
Твердость
По всему сечению образца
210 НУ
Поверхность
530—630 НУ
Сердцевина
220 НУ
Поверхность
1100—1300 НУ
Сердцевина
550 НУ
Феррит+перлит
Структура
Яс, кА/м
0,53
Троостит
Феррит+перлит
Мартенсит
Мартенсит
1,03
2,30
Постах. ТЛ
2,10
1,98
1,87
Вид полевой зависимости Н)
-4 -3 -2 -1 Я, кА/м
о
-5 -4 -3 -2 -1 _Я. кА/м
-4 -3 -2 -1 _Я, кА/м
0 1
ЩУ-ЛтЛ КА/М ц, , х10-3
0,5 4,0
1,2
1,3
0,4 3,5
3,0 0,7
1,1
0,7
630 НУ и структуру троостита с выделениями цементита и остаточного аустенита, тогда как в сердцевине — смесь феррита и сорбитообразного перлита с твердостью окол
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.