научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЕМ, РАСТЯЖЕНИЕМ, КPУЧEHИEM НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КPИTИЧECКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СТАЛИ 15ХН4Д Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЕМ, РАСТЯЖЕНИЕМ, КPУЧEHИEM НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КPИTИЧECКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СТАЛИ 15ХН4Д»

Магнитные методы

УДК 620.179.14

ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЕМ, РАСТЯЖЕНИЕМ, КРУЧЕНИЕМ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СТАЛИ 15ХН4Д

Э.С. Горкунов, Е.И. Якушенко, С.М. Задворкин, А.Н. Мушников, Е.В. Мельникова

Изучено влияние упругой деформации растяжением, сжатием, кручением высокопрочной экономнолегированной конструкционной стали 15ХН4Д на ее магнитные характеристики и распределение критических магнитных полей. Коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость однозначно изменяются в зависимости от напряжений, что дает принципиальную возможность использовать эти характеристики как параметры при магнитном контроле упругих деформаций. Кроме того, исследования распределения критических магнитных полей позволяют получить сведения об объеме ферромагнетика, изменившего свое состояние в магнитном поле заданной напряженности при определенных механических напряжениях.

Ключевые слова: спектры распределения критических магнитных полей, коэрцитивная сила, сжатие, растяжение, кручение.

ВВЕДЕНИЕ

Использование магнитных методов является одним из перспективных направлений оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций. Исследованию влияния упругих и пластических деформаций на магнитные параметры посвящено множество работ [1—6]. Наиболее часто в качестве параметра контроля используют коэрцитивную силу ввиду ее высокой чувствительности к структурным изменениям и фазовым превращениям, слабой зависимости от геометрии контролируемого объекта, достаточной простоты и точности измерения. В частности показано, что зависимости коэрцитивной силы от степени деформации при растяжении низко- и среднеуглеродистых и низколегированных сталей качественно подобны диаграмме "напряжение—деформация" [5, 6]. Однако в практически важной области упругой деформации вследствие действия наведенной магнитной анизотропии наблюдаются немонотонные зависимости коэрцитивной силы и других характеристик петли гистерезиса и кривой намагничивания от степени деформации. Поэтому представляется актуальной задача разработки неразрушающих методов оценки деформаций и напряжений в ферромагнитных конструкционных материалах с привлечением таких физических явлений, которые позволяют получить однозначную зависимость магнитных характеристик от параметров напряженно-деформированного состояния.

В [7] показана перспективность для целей магнитной структуроско-пии термически обработанных сталей исследования распределения критических магнитных полей при намагничивании и перемагничивании. Такие исследования позволяют получить более точные сведения о протекании процессов намагничивания и перемагничивания, о взаимодействии

Эдуард Степанович Горкунов, чл.-кор. РАН, директор Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-42. E-mail: ges@imach.uran.ru

Евгений Иванович Якушенко, доктор техн. наук, профессор, начальник Военно-морского инженерного института. Тел. (812) 465-27-17.

Сергей Михайлович Задворкин, канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-86. E-mail: zadvorkin@imach.uran.ru

Александр Николаевич Мушников, аспирант Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-87.

Екатерина Владимировна Мельникова, инженер Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-87.

доменных границ с определенными типами дефектов по сравнению с измерениями коэрцитивной силы, которая отражает интегральные свойства ферромагнетика, а ее изменения связаны не только с изменениями напряженно-деформированного состояния, но и структуры и фазового состава в результате различных внешних воздействий. Кроме того, исследования распределения критических магнитных полей позволяют получить сведения об объеме ферромагнетика, изменившего свое состояние в магнитном поле заданной напряженности при определенных механических напряжениях, что дает возможность прогнозировать уровень возможного излучения электромагнитных волн при деформации.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Влияние механических напряжений на магнитные характеристики и распределение критических полей исследовали на образцах конструкционной стали 15ХН4Д (химический состав приведен в таблице), прошедшей термическую обработку по режиму: закалка от 900 °С в воду, старение при 590 °С в течение 7 ч с охлаждением в воде. Образцы цилиндрической формы имели рабочую часть диаметром 7 мм и длиной 70 мм.

Химический состав исследованной стали

Элемент С Мп Сг N1 Си

Содержание, % 0,15 0,13 0,34 0,69 4,11 1,23

Диаграммы "напряжение—деформация" для исследованной стали при растяжении и кручении представлены на рис. 1. Магнитные измерения в условиях одноосного сжатия проводили в интервале напряжений от 0 до -192 МПа, при испытаниях на растяжение — до наступления стадии развитой пластической деформации (условный предел текучести исследованной стали — 900 МПа), а при испытаниях на кручение — до разрушения образцов.

Рис. 1. Диаграммы напряжение—деформация стали 15ХН4Д.

Степень деформации образцов на г-м шаге деформирования растяжением или сжатием определяли по формуле

£; = 1п(/Д,),

(1)

где /0 — начальная расчетная длина образца; /г — расчетная длина образца после г-го нагружения.

Напряжение о. на i-м шаге растяжения определяли по формуле

Oi = PS (2)

где Pi — нагрузка, приложенная к образцу на i-м шаге нагружения; Si — площадь поперечного сечения образца при i-м шаге нагружения, которую определяли исходя из условия постоянства объема рабочей части образца как

S> = So • У/, (3)

Здесь S0 — первоначальное сечение рабочей части образца.

Степень деформации на поверхности образца при кручении определяли по формуле

Ф.'D

Ъ = ——¡=, (4)

' 2 • /0-J3

где ф. — текущий угол закручивания образца, рад; D — диаметр рабочей части образца.

Так как по сечению образца деформация распределена неоднородно, то определяли среднюю по сечению образца степень деформации

е.-ср= . (5)

2

Напряжение при кручении определяли по формуле

ъ = Т (6)

где — текущее значение крутящего момента.

Магнитные измерения проводили в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра. Магнитное поле прикладывали вдоль оси растяжения образца, при этом ось измерительной катушки индукции была также параллельна оси растяжения. Напряженность внутреннего магнитного поля Н измеряли с помощью дугообразного магнитного потенциалметра. Запись петли магнитного гистерезиса при максимальном внутреннем поле 600 А/см осуществляли на плоскости "В—Н" (В — магнитная индукция) путем запоминания 2500 точек. Погрешность измерения поля и индукции не превышала ±3 %. По предельным петлям магнитного гистерезиса определяли коэрцитивную силу Нс и остаточную индукцию Вг, по частным петлям гистерезиса при максимальной магнитной индукции 0,4 и 0,05 Тл — величины коэрцитивной силы к°л и Н0С'05 соответственно. Кроме того, по основной кривой намагничивания определяли максимальную магнитную проницаемость ^иакс.

Для изучения распределения критических полей в объеме ферромагнетика при намагничивании из статически размагниченного состояния и перемагничивании из состояния остаточной намагниченности после намагничивания в поле 600 А/см измеряли значения остаточных индукций с кривой намагничивания ВГ(Н) (рис. 2а) и нисходящей ветви магнитного гистерезиса В4(Н) (рис. 26). Кривые, полученные дифференцированием ВГ(Н и В-(Н) по Н, представляют собой спектры распределения критических полей, их иногда называют спектры "магнитной жесткости" [11] данного ферромагнетика. Эти спектры характеризуют необратимые изменения, происходящие в ферромагнетике при намагничивании (первич-

ный спектр) и перемагничивании (вторичный спектр). Первичный спектр жесткости представляет собой распределение критических полей Нк при намагничивании образца и характеризует необратимые изменения на-

Рис. 2. Схема определения остаточной индукции с кривой намагничивания и с нисходящей ветви магнитного гистерезиса.

Д£

магниченности в относительном объеме, равном ----Я . Вто-

АЯ • В к

-макс

ричный спектр аналогичен первичному, но отражает необратимые изменения намагниченности при перемагничивании образца в объеме

Щ Н

2ЛЯ • В-макс к'

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Зависимости величин коэрцитивной силы, остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости, определенных из предельной петли магнитного гистерезиса, от напряжений растяжения и сжатия о показаны на рис. 3. Эти зависимости можно представить как результат формирования магнитной текстуры напряжений, получившей также название наведенной магнитной анизотропии [1]. Если имеет место положительный магнитоупругий эффект (оХ5 > 0, где — маг-нитострикция насыщения), то магнитные моменты ориентируются вдоль оси приложения нагрузки, и при намагничивании вдоль этого направления наблюдаются уменьшение коэрцитивной силы и рост остаточной индукции и магнитной проницаемости. Если магнитоупругий эффект отрицателен (оХ5 < 0), то магнитные моменты ориентируются в плоскости, перпендикулярной направлению приложения нагрузки, и при намагничивании вдоль этого направления наблюдаются возрастание коэрцитивной силы и уменьшение остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости. Из рис. 3 следует, что при воздействии упругих напряжений сжатия происходят возрастание величины коэрцитивной силы и уменьшение значений остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости. При воздействии на образцы одноосных растягивающих напряжений коэрцитивная сила уменьшается, остаточная индукция и магнитная проницаемость увеличиваются. Таким образом, в случае одноосных нормальных напряжений (растяжения или сжатия) наблюдается положительный магнитоупругий эффект (аХ5 > 0), что вполне характерно для сплавов на основе железа.

На рис. 3 приведены зависимости от о величин Н0'4 и Н0'05, определенных по частным циклам перемагничивания стали 15ХН4Д в средних и слабых полях. Следует обратить внимание на то, что коэрцитивная сила Л005, измеренная по частным циклам магнитного гистерезиса в слабых полях (область Релея), монотонно возрастает с увеличением нормальных упругих напряжений, в то время как величины Нс и Л0,4 ум

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