Содержание к диссертации
Введение
1. Магнитные и магнитоакустические свойства в задачах структуроскопии ферромагнитных изделий 14
1.1. Магнитная структуроскопия ферромагнитных изделий 14
1.1.1. Магнитные свойства поликристаллических ферромагнетиков -параметры неразрушающего контроля 15
1.1.2. Связь магнитных параметров контроля со структурным состоянием ферромагнетиков 17
1.1.3. Влияние структурных и фазовых превращений при деформации и термической обработке на магнитные свойства сталей 23
1.1.4. Некоторые проблемы магнитной структуроскопии ферромагнитных изделий 33
1.2. Магнитоакустические явления в ферромагнетиках и их связь со структурой и свойствами материалов 36
1.2.1. АЕ-эффект 36
1.2.2. Внутреннее трение 40
1.3. Средства неразрушающего контроля структуры и физико-механических свойств ферромагнитных изделий 43
1.4. Заключение 47
2. Связанные с необратимым перемагничиванием магнитные свойства поликристаллических ферромагнетиков 48
2.1. Образцы и методики экспериментов 48
2.2. Закономерности перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков по несимметричным петлям гистерезиса и кривым возврата 51
2.2.1. О справедливости рэлеевской зависимости для кривых возврата поликристаллических ферромагнетиков 51
2.2.2. Зависимость величины коэффициента Рэлея от исходного магнитного состояния поликристаллических ферромагнетиков 66
2.3. Соотношение величин максимальної! остаточной намагниченности и изменения намагниченности на кривых возврата сталей и сплавов 75
2.3.1. Экспериментальные результаты 75
2.3.2. Интерпретация экспериментальных результатов 76
2.4. Структурная чувствительность магнитных свойств, связанных с необратимым перемагничиванием 90
2.4.1. Общая характеристика структурной чувствительности параметров несимметричных петель гистерезиса и максимальной остаточной намагниченности 90
2.4.2. Влияние холодной пластической деформации и последующего отжига на магнитные и механические свойства сталей с различным содержанием углерода 101
2.4.3. Влияние закалки и отпуска на магнитные и прочностные свойства сталей различного химического состава 112
2.5. Выводы 125
3. Магнитоакустические свойства поликристаллических ферромагнетиков при звуковых частотах упругих колебаний 126
3.1. Образцы и методики экспериментов 126
3.2. Магнитоакустические свойства поликристаллических ферромагнетиков при звуковых частотах упругих колебаний 129
3.2.1. АЕ- эффект в ферромагнетиках с различными значениями магнито-стрикции 131
3.2.2. Связь внутреннего трения с магнитным состоянием материалов 136
3.3. Применение магнитоакустических параметров для оценки структуры и свойств железоуглеродистых порошковых сталей 154
3.4. Выводы 160
4. Моделирование взаимосвязей физико-механических свойств термообработанных сталей с их химическим составом и структурным состоянием 161
4.1. Методика расчетов 161
4.2. Статистическое моделирование взаимосвязей химического состава и магнитных свойств термообработанных конструкционных сталей 162
4.2.1. Взаимосвязи свойств и химического состава закаленных сталей (мартенситное состояние) 162
4.2.2. Взаимосвязи свойств и химического состава сталей после закалки и последующего отпуска (мартенситное и феррито-перлитное состояния) 172
4.3. Компьютерная систематизация, анализ и прогнозирование свойств термообработанных сталей 184
4.4. Выводы 189
5. Многопараметровая структуроскопия изделий с использованием магнитных свойств вещества 190
5.1. Основные параметры магнитной структуроскопии изделий 190
5.2. Использование магнитных свойств вещества при однопараметровом контроле прочностных свойств ферромагнитных изделий 200
5.2.1. Контроль прочностных свойств пластически и упруго деформированных сталей 201
5.2.2. Однопараметровый контроль качества отпуска сталей различного химического состава 213
5.3. Многопараметровые методы магнитной структуроскопии 215
5.3.1. Двухпараметровый способ неразрушающего контроля деталей глубокой вытяжки из стали 11ЮА 215
5.3.2. Контроль трубных заготовок из стали 37Г2С 218
5.3.3. Контроль закалки и отпуска инструментальных сталей 225
5.3.4. Контроль ферритовых устройств подмагничивания сварочных аппаратов в трубном производстве 226
5.3.5. Оценка химического состава сталей в ферритоперлитном и мартенситном состояниях 232
5.4. Выводы 237
6. Определение магнитных свойств вещества контролируемых изделий 238
6.1. Измерение относительных значений магнитных свойств вещества контролируемых изделий в составных замкнутых цепях 238
6.1.1. Измерение относительных значений магнитных свойств вещества с помощью приставных электромагнитов с ферродатчиками 238
6.1.2. Устройство для определения магнитных характеристик изделий из ферромагнитных материалов 246
6.2. Устройства и приборы для экспрессного определения относительных значений магнитных свойств вещества контролируемых изделий 255
6.2.1. Магнитные структуроскопы МС-1 и МС-2 255
6.2.2. Прибор СКИФ-0286 259
6.2.3. Прибор АСМ1-ОН 262
6.2.4. Мобильные магнитные мультитестеры ММТ-2 и ММТ-3 265
6.2.5. Экспертная система магнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий СИМТЕСТ 274
6.3. Выводы 279
Заключение 281
Литература 283
Приложения 311
- Магнитоакустические явления в ферромагнетиках и их связь со структурой и свойствами материалов
- Закономерности перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков по несимметричным петлям гистерезиса и кривым возврата
- Магнитоакустические свойства поликристаллических ферромагнетиков при звуковых частотах упругих колебаний
- Статистическое моделирование взаимосвязей химического состава и магнитных свойств термообработанных конструкционных сталей
Введение к работе
1. Актуальность исследований. В настоящее время проблема безопасности официально объявлена главнейшей в экономико-политическом, организационном и научном плане. К основным причинам роста числа аварий и катастроф относятся критический уровень износа оборудования, нарушения технологической дисциплины, усложнение конструкций и условий эксплуатации изделий и объектов. Многократно вырос ущерб при техногенных катастрофах и авариях. Развитые страны ежегодно теряют до 10% своего национального дохода из-за низкого качества выпускаемой продукции. В России убытки от низкого качества материалов и изделий значительно выше. Эти обстоятельства делают приоритетным такое научное направление, как неразрушающий контроль и диагностика - важнейшие инструменты обеспечения техногенной безопасности. В настоящее время физическими методами осуществляется контроль материалов, изделий, процессов и состояний.
Подавляющее число изделий, машин и механизмов, сооружений и объектов производится из поликристаллических ферромагнитных материалов, главным образом - сталей. Необходимый комплекс эксплуатационных свойств получается в результате подбора материала и его последующих термических, механических или иных обработок. Структурные и фазовые превращения, происходящие в металлах и сплавах при изготовлении и эксплуатации, приводят к изменению их физических и механических свойств. Связь между комплексом физических свойств (магнитных, электрических, акустических и т.д.), с одной стороны, и кристаллографической структурой, дефектностью, уровнем и характером напряжений, механическими и другими эксплуатационными характеристиками, с другой стороны, лежит в основе такого направления НК и Д, как структуроскопия. Благодаря высокой информативности и чувствительности к различного рода дефектам наиболее востребованными и перспективными являются магнитные, акустические и комбинированные магнитоа-кустические методы структуроскопии.
С фундаментальной точки зрения широкому распространению методов магнитной и магнитоакустической структуроскопии препятствуют недостаточная изученность процессов необратимого перемагничивания и их связи со структурными характеристиками поликристаллических ферромагнетиков и их исходным магнитным состоянием, недостаточный уровень обобщения разрозненных экспериментальных данных о магнитных свойствах вещества сталей различного химического состава после термических и деформационных обработок, а также отсутствие необходимого для развития многопараметровой структуроскопии сравнительного анализа структурных чувствительностеи различных магнитных и магнитоакустических параметров контроля. С технической точки зрения значительные затруднения до настоящего времени представляет экспрессное определение магнитных свойств вещества контролируемых изделий, особенно массивных и сложной формы. Особо следует отметить потребность в создании малогабаритных автономных измерительных устройств, позволяющих в лабораторных (исследования), производственных (контроль качества) и полевых (техническая диагностика) условиях определять необходимые магнитные характеристики испытуемых образцов и изделий, накапливать и обрабатывать измерительную информацию.
Таким образом, весьма актуальными являются комплексное исследование закономерностей необратимого перемагничивания поликристаллических ферромагнитных материалов и связи этих процессов со структурным состоянием материалов, напряжениями, дефектностью и физико-механическими свойствами, исследование структурной чувствительности магнитных параметров контроля, разработка новых многопараметровых методов магнитной и магнитоакустической структуроскопии и измерительных средств для их практической реализации.
2. Цель настоящей работы заключается в систематическом изучении связанных с необратимым перемагничиванием магнитных и магнитоакустических свойств вещества поликристаллических ферромагнетиков, выявлении перспективных параметров контроля и создании новых методов и средств структуроскопии материалов и изделий.
Указанная цель достигается путем решения следующих задач:
- изучение закономерностей необратимого перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков по предельным и несимметричным петлям гистерезиса;
- исследование влияния деформационных и термических обработок на магнитные свойства вещества ферромагнитных сталей и сплавов;
- исследование магнитоакустических свойств ферромагнетиков при различных начальных магнитных состояниях;
- анализ и моделирование взаимосвязей электромагнитных свойств сталей с их химическим составом и структурным состоянием;
- разработка методов многопараметровой структуроскопии ферромагнитных материалов по магнитным свойствам вещества;
- создание первичных преобразователей и приборов для экспрессного определения относительных значений магнитных свойств вещества изделий различных типоразмеров.
3. Научная новизна полученных в диссертации результатов кратко может быть сформулирована в виде следующих положений:
- установлено, что для поликристаллических ферромагнетиков с различной структурой коэффициент Рэлея зависит только от исходного значения намагниченности; получены выражения, связывающие величину коэффициента Рэлея с параметрами доменной структуры и величиной исходной намагниченности; установлены границы справедливости релеевской зависимости для кривых возврата поликристаллических ферромагнетиков; проанализирована структурная чувствительность коэффициента Рэлея;
- установлено, что для закаленных сталей различного химического состава отношения намагниченности насыщения к остаточной намагниченности и остаточной намагниченности к изменению намагниченности на кривой возврата от коэрцитивной силы имеют практически неизменные значения, близкие, соответственно, к 2 и 4; для высокоотпущенных сталей и отожженных сплавов эти отношения являются структурно-чувствительными величинами и зависят как от величины критических полей в материале, так и от его магнитострикции;
- показано, что немонотонная зависимость внутреннего трения от магнитного поля характерна как для кривой намагничивания, так и для петли гистерезиса поликристаллических ферромагнетиков и ферритов, причем основным механизмом формирования немонотонной зависимости (магнитных пиков) внутреннего трения является магнитострикционный;
- на основе статистического анализа физических свойств закаленных и отпущенных сталей различного химического состава получены модели, связывающие наиболее вероятные параметры магнитной структуроскопии с содержанием основных легирующих элементов и позволяющие сопоставлять влияние различных химических элементов на магнитные свойства сталей;
- обобщены результаты исследований структурной чувствительности магнитных свойств вещества и установлена группа независимых параметров контроля, которые дают наиболее полную информацию о структуре и физико-механических свойствах поликристаллических ферромагнетиков;
- разработаны новые способы измерения относительных значений магнитных свойств вещества ферромагнитных изделий в составных замкнутых магнитных цепях.
4. Научная и практическая ценность работы:
- развитые в работе представления о процессах необратимого перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков использованы при определении наиболее перспективных параметров контроля и могут быть использованы в дальнейшем при разработке и оптимизации методов магнитной структуроскопии изделий;
- показаны возможности и новые способы использования магнитоакустических параметров для оценки структуры, прочностных свойств и напряжений в ферромагнитных материалах;
- получены статистические модели электромагнитных параметров структуроскопии, позволяющие прогнозировать возможности контроля термической обработки сталей различного химического состава, а также оценивать содержание углерода и хрома в сталях в мартенситном и ферритоперлитном состояниях;
- создана электронная база данных, содержащая сведения о физико-механических свойствах сталей различного химического состава после закалки и отпуска;
- предложены новые методы одно- и многопараметровой структуроскопии изделий после термических обработок и деформационных воздействий по связанным с необратимым перемагничиванием магнитным свойствам вещества;
- разработано неэлектрическое намагничивающее устройство, позволяющее в широком диапазоне плавно изменять намагничивающее поле в составной замкнутой магнитной цепи преобразователь-изделие;
- разработаны магнитные структуроскопы МС-1, МС-2, СКИФ-0286, АСМ1-ОН, портативные магнитные мультитестеры ММТ-2 и ММТ-3 и мобильная экспертная про граммно-аппаратная система СИМТЕСТ для реализации методов одно- и многопа-раметровой магнитной структуроскопии изделий различных размеров и форм;
- полученные данные использованы в спецкурсе "Электромагнитный контроль" кафедры "Физические методы и приборы контроля качества" Уральского государственного технического университета - УПИ;
- результаты исследований и разработки внедрены на Орском механическом заводе, Уральском автомоторном заводе, Северском трубном заводе, Первоуральском новотрубном заводе, Чебоксарском агрегатном заводе.
5. Личный вклад автора состоит в разработке общей стратегии исследований и постановке проблем, составивших основу диссертации, а также в планировании всех экспериментов. Все физические модели, интерпретация экспериментальных результатов и основные идеи первичных измерительных преобразователей предложены автором. Подавляющее большинство измерений выполнено лично автором.
6. Построение диссертационной работы.
Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав, заключения и приложения.
Глава 1 является обзорной и содержит основные теоретические и экспериментальные сведения о магнитных свойствах вещества, используемых в качестве параметров магнитной структуроскопии (п. 1.1). Рассмотрены имеющиеся представления о процессах намагничивания и перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков и влиянии на эти процессы кристаллографической структуры и дефектов (п.п. 1.1.1 и 1.1.2). Описано влияние упругой и пластической деформации и термической обработки на структуру и магнитные свойства сталей (п. 1.1.3). В п. 1.2 приведены сведения о связи АЕ- эффекта и внутреннего трения со структурой, магнитными и механическими свойствами поликристаллических ферромагнетиков. В п. 1.3 рассмотрены современные средства акустической, вихретоковой и магнитной структуроскопии ферромагнитных изделий.
В главе 2 приведены результаты экспериментальных исследований и модельные обобщения закономерностей необратимого перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков. В п. 2.1 указаны методики исследований; в п. 2.2 -установленные закономерности необратимого перемагничивания по несимметрич ным петлям гистерезиса; в п. 2.3 - результаты исследования соотношений остаточной намагниченности и изменения намагниченности на кривых возврата сталей и сплавов; в п. 2.4 - результаты исследования структурной чувствительности магнитных свойств, связанных с необратимым перемагничиванием, и влияния на эти свойства холодной пластической деформации и термической обработки.
В главе 3 описаны результаты экспериментального исследования АЕ- эффекта, внутреннего трения и магнитострикции в сталях и сплавах (п. 3.1 и 3.2). Особое внимание уделено экспериментальному исследованию зависимости затухания от исходного магнитного состояния материалов (п. 3.2.2). Установлено, что для большой группы материалов характерно немонотонное изменение затухания как на кривых намагничивания, так и на предельных петлях гистерезиса. Показана связь пиков внутреннего трения с магнитострикционными процессами. Показаны возможности использования магнитоакустических параметров в структуроскопии ферромагнитных изделий (п. 3.3).
Глава 4 посвящена статистическому моделированию взаимосвязей физико-механических свойств закаленных и отпущенных сталей с их химическим составом и структурным состоянием. В п. 4.1. обосновываются методики моделирования. В п. 4.2.1 приведены результаты моделирования связи твердости, коэрцитивной силы, намагниченности насыщения, удельного электрического сопротивления с химическим составом закаленных сталей. В п. 4.2 для различных температур отпуска получены модели, связывающие с химическим составом такие магнитные свойства, как коэрцитивная сила, релаксационная намагниченность и остаточная намагниченность. Показаны возможности использования полученных моделей для прогнозирования контроля термообработки сталей с близким к исследованным химическим составом (п.п. 4.2 и 4.3).
В главе 5 сопоставлена структурная чувствительность известных магнитных параметров контроля и определена группа параметров, определение которых позволяет получить наиболее полную информацию о структуре и механических свойствах ферромагнитных изделий (п. 5.1). Показаны новые возможности одно (п. 5.2) и мно-гопараметровой (п. 5.3) структуроскопии по магнитным свойствам вещества сталь ных изделий, подвергаемых упругим и пластическим деформациям и термической обработке.
В главе 6 проведен анализ работы приставного электромагнита со встроенным рамочным феррозондом и показаны возможности и условия его использования для оценки свойств вещества контролируемых изделий (п. 6.1.1). Описан способ измерения магнитного потока в контролируемых изделиях путем преобразования его в напряженность магнитного поля в отверстии специальной формы в магнитопроводе намагничивающего устройства (п. 6.1.2). Описано новое неэлектрическое намагничивающее устройство, позволяющее в широких пределах плавно изменять магнитное поле в замкнутой цепи устройство-изделие. Кратко описаны принцип работы и технические характеристики разработанных магнитных структуроскопов МС-1, МС-2, СКИФ-0286, АСМ1-ОН, ММТ-2, ММТ-3, СИМТЕСТ, предназначенных для реализации одно и многопараметровой структуроскопии ферромагнитных изделий различных типоразмеров.
7. Апробация результатов. Изложенные в диссертации материалы опубликованы в 28 статьях и патенте на изобретение.
Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Физические методы неразрушающего контроля" (Болгария, г. Варна, 1991 г.); Международной конференции "Современные методы и средства электромагнитного контроля и эффективность их применения в промышленности" (Могилев, 1992 г.); 3-ей Международной конференции "Диагностика трубопроводов" (Москва, 2001 г.); XIX Национальной с международным участием конференции по неразрушающе-му контролю (Болгария, г. Созополь, 2004 г.); 4-й Всесоюзной межвузовской конференции "Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий" (Омск, 1983 г.); X Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Львов, 1984 г.); X Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Свердловск, 1987 г.); Всесоюзном совещании "Неразрушающий контроль-88" (Рига, 1988 г.); Всесоюзном совещании "Проблемы магнитных измерений и магнито-измерительной аппаратуры" (Ленинград, 1989 г.); XIV Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Москва, 19 г.); I Всероссийской научно-практической конференции "Интеграция фундаментальной науки и высшего образования" (Самара, 1998 г.); XV Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Москва, 1999 г.); XVI Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (С.-Петербург, 2002 г.); XVII Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Екатеринбург, 2005 г.); 2, 3, 4, 5, 8 конференциях "Современные методы НК и их метрологическое обеспечение" (Свердловск, 1981, 1982, 1983, Ижевск, 1984, Челябинск, 1987); IX Уральской научно-технической конференции "Современные магнитные, электромагнитные и акустические методы и приборы НК" (Свердловск-Челябинск, 1988 г.); X Уральской научно-технической конференции "Физические методы и приборы неразрушающего контроля" (Ижевск, 1989 г.); XVI , XVII, XVIII, XVI, XX, XXI Уральских (с международным участием) конференциях "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами" (Оренбург, 1996 г., Екатеринбург, 1997 г., Ижевск, 1998 г., Уфа, 2000 г., Екатеринбург, 2001 г., Тюмень, 2003 г.). 8. Основные положения, выносимые на защиту:
- новые закономерности необратимого перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков по несимметричным и предельным петлям гистерезиса, результаты их экспериментального и теоретического исследования;
- результаты исследования влияния деформационных и термических обработок на связанные с необратимым перемагничиванием свойства вещества ферромагнитных сталей и сплавов;
- результаты экспериментального исследования взаимосвязей магнитоакустических свойств ферромагнетиков с их структурой и магнитным состоянием;
- методики и результаты статистического моделирования взаимосвязей физико-механических и магнитных свойств сталей с их химическим составом и структурным состоянием;
- новые методики магнитной структуроскопии материалов и изделий;
- способы, устройства и приборы для измерения относительных значений магнитных свойств вещества ферромагнитных изделий в составных замкнутых магнитных цепях.
Магнитоакустические явления в ферромагнетиках и их связь со структурой и свойствами материалов
Существует целая группа явлений в ферромагнитных материалах, которые связаны с воздействием на них упругих колебаний различной частоты [8, 10-12, 41, 178- 184]. При этом, с одной стороны, упругие колебания вызывают изменения намагниченности (магнитоупругий эффект), с другой стороны магнитные свойства ферромагнетиков и их магнитное состояние влияют на упругость (АЕ -эффект) и поглощение энергии упругих колебаний (внутреннее трение). Из множества магнитоа-кустических явлений только два последних, вследствие их структурной чувствительности и связи с процессами намагничивания и перемагничивания, будут предметом исследований в настоящей работе.
Когда размагниченный ферромагнитный материал подвергается действию натяжения, его длина возрастает, во-первых, в результате чисто упругого удлинения, которое обычно имеет место в твердых телах, и, во-вторых, вследствие удлинения, обусловленного переориентировкой доменов под действием механического напря жения. Удлинение второго типа происходит вследствие магнитострикции, вызванной ориентацией доменов. Именно этим обстоятельством объясняется то, что в ферромагнитных материалах модуль упругости Е зависит от амплитуды механического напряжения и величины намагниченности. Изменение модуля упругости при изменении намагниченности называется АЕ -эффектом. На рис. 1.1 схематически показана зависимость относительного удлинения от величины растягивающего напряжения, предсказываемая доменной теорией. Прямая ON представляет эту зависимость для немагнитного материала или для ферромагнитного материала, в котором направления векторов намагниченности доменов остаются неизменными (например, благодаря действию сильного магнитного поля). Для мягких ферромагнитных материалов указанная зависимость представляется кривой OSM. Ее ход показывает, что при малых деформациях возникает дополнительное удлинение, обусловленное небольшой переориентацией магнитных моментов доменов. При больших деформациях удлинение достигает предела, который превышает соответствующий предел для немагнитного материала на величину Xs. Величина As равна абсолютной величине магнитострикции при насыщении того же
материала в недеформированном состоянии. В жестких магнитных материалах со значительными внутренними напряжениями для ориентации векторов намагниченности доменов требуется большая величина внешнего напряжения и зависимость относительного удлинения є от величины напряжения представляется кривой OHM. Если материал намагничен так, что некоторое магнитострикционное удлинение 00 уже имеет место, то указанная зависимость будет представляться кривой О М. Соответствующие изменения величин — и Е представлены на рис. 1.2. Наибольшее наблюдавшееся значение изменения модуля упругости при увеличении напряжения составляет около 20 %. При намагничивании наблюдалось изменение Е, превосходящее 35 % [11].
Модуль упругости определяется по резонансной частоте колебаний образца определенной формы. Для стержней прямоугольного сечения при поперечных колебаниях резонансная частота связана с модулем упругости Е следующим выражением [182,183,185]:
Схематические кривые зависимости относительного удлинения є от напряжения оі для немагнитного (ON) и магнитного (ОМ) материала, показывающие избыточную деформацию за счет магнитострикции Л8 [11] где р - плотность материала; / - длина стержня; а - длина грани, параллельной направлению колебаний; т - множитель, зависящий от номера измеряемой гармоники. Колебания могут возбуждаться или при действии на конец образца механической силы небольшой величины, создаваемой электромагнитом, питаемым переменным током, или вследствие магнитострикции при наложении переменного поля, или, наконец, при механическом контакте с пьезоэлектрически возбужденным кристаллом. Резонанс определяется по максимуму амплитуды колебаний при изменении частоты возбуждающей силы.
Для случая больших напряжений Керстеном [11] и малых напряжений Бекке-ром и Дёрингом [11] были получены сходные выражения для величины АЕ-эффекта, которые могут быть записаны в виде обобщенной формулы: оказывается приблизительно одной и той же, независимо от того, велики или малы внутренние напряжения. Для направления трудного намагничивания АЕ зависит от сг, только при больших «г,-. Когда же ai мало, АЕ достигает верхнего предела и зависит от магнитной анизотропии К, но не зависит от напряжений. Таким образом, для материала, кристаллографические оси и внутренние напряжения в котором распределены беспорядочно, величина АЕ при больших т(- обратно пропорциональна а І , а при малых о{ значение АЕ будет несколько меньше, чем теоретически рассчитанное значение.
Закономерности перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков по несимметричным петлям гистерезиса и кривым возврата
Известно [10-14], что для любых исходных значений намагниченности Ми и поля Ни начальные участки несимметричных петель гистерезиса поликристаллических ферромагнетиков описываются рэлеевской зависимостью: где Хобр " обратимая магнитная восприимчивость; Ь - постоянная Рэлея, характеризующая необратимые нелинейные процессы намагничивания. Причем ранее считалось, что данная зависимость справедлива, если изменение поля мало по сравнению с коэрцитивной силой Нс (согласно ГОСТ 19693—74, изменение поля должно быть на порядок меньше Нс). Вблизи размагниченного состояния %обр совпадает с начальной магнитной восприимчивостью ха и обусловлена обратимыми смещениями границ между доменами.
Однако, справедливость этой зависимости применительно к несимметричным петлям гистерезиса и, в особенности, к кривым возврата при больших значениях изменения поля оставалась невыясненной. Экспериментальные результаты. С целью экспериментальной проверки справедливости выражения (2.1) применительно к кривым возврата во всем диапазоне изменения магнитного поля от исходного значения Ни до нуля на образцах из армко-железа, никеля, отожженной стали 45, закаленной стали 45, закаленной и отпущенной при различных температурах стали 75Г были определены кривые возврата, начинающиеся на нисходящей спинке предельной петли гистерезиса при различных исходных значениях поля и магнитной индукции. Полученные результаты показали, что для всех материалов проницаемость ju на кривых возврата в широком диапазоне изменения исходных значении магнитной индукции Ви линейно зависит от приращения поля (Н-Ни) во всем диапазоне изменения поля от Ни до нуля. Магнитная проницаемость определялась по формуле ju = (В - Ви)I ju0 (Я - Ни). На рис. 2.1 - 2.3 для нескольких материалов приведены зависимости проницаемости ju от относительного изменения поля (Я -Ни)/Ни. Коэффициенты корреляции г для линейной зависимости ju[(H -Ни)1Ни] для кривых возврата 1-3 (рис. 2.3) равны соответственно: 0,98; 0,96; 0,99. Зависимость проницаемости ju от относительного изменения поля (Н-НС)1НС при перемагничивании образцов из закаленной от 850 С в масле стали 45 (1) и армко-железа (2) по кривым возврата, начинающимся на предельных петлях гистерезиса в точках с координатами Ви = 0, Ни= Нс.
Во всех случаях отклонения экспериментальных значений от линейной зависимости не превышают случайной составляющей погрешности измерений. Значи от линейной наблюдаются, как пра мые отклонения зависимости ц = f вило, для кривых возврата, начинающихся на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса в полях #м (l,3 -И,4)#е. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о том, что для кривых возврата, начинающихся на предельной петле гистерезиса в полях \Ни 1,3#с, справедлива квадратичная зависимость магнитной индукции (или намагниченности) от изменения поля (Н -Ни). Легко понять, что эта зависимость совпадает с выражением (2.1). Действительно, начальное значение проницаемости на кривой возврата равно величине обратимой проницаемости при исходном поле и намагниченности, т.е. lim и(Н -Ни)=ілобр{Ни,М„). С другой стороны, выражение (2.1) справедли (я-я„Цо во для начального участка кривой возврата и коэффициентом пропорциональности между проницаемостью ц и изменением поля(#-#ы) является величина b/2 .
Причем, как показывают проведенные эксперименты, этот коэффициент не меняется во всем диапазоне изменения поля0 АН (Нк -Ни) на рассматриваемой кривой возврата. Учитывая это, можно заключить, что выражение (2.1) позволяет определить изменение намагниченности для любой точки кривой возврата. Переписав выражение (2.1) для магнитной индукции, можно определять величину (В-Ви) для кривой возврата. Входящие в выражение (2.1) величины %обр (или, соответственно, /j,o6p) и Ъ зависят в общем случае от исходного магнитного состояния. Как показано в работах [10, 11,260-262] обратимая магнитная восприимчивость для большинства поликристаллических ферромагнетиков не зависит от исходного значения магнитного поля, а ее зависимость от исходной намагниченности описывается законом Ганса. При Ми = 0 обратимая восприимчивость совпадает с начальной восприимчивостью ха Зависимость коэффициента Рэлея от исходного магнитного состояния исследована автором и результаты исследований будут приведены ниже. Следует заметить, что сформулированные в [263] правила Маделунга позволили предположить, что, по крайней мере, при М„ = О величина коэффициента Рэлея должна совпадать с его значением, определенным вблизи размагниченного состояния (Ь0). Для проверки сделанных предположений на образцах из различных материалов были определены начальные участки коммутационных кривых намагничивания. Намагничивающее поле при этом менялось в диапазоне 0 Н 0,1 Нс. Путем экстраполяции прямых //(#) = jua+b-H на нулевое поле определяли начальную проницаемость /га, а наклон этих прямых давал значение коэффициента b0. Для изменения индукции на кривой возврата, исходящей из точки с координатами Ни = Нс, Ви = 0 выражение (2.1) можно записать в виде: Результаты измерений величины Вн и ее рассчитанных по формуле (2.2) значений приведены в табл. 2.3. Видно хорошее совпадение расчета и эксперимента. Выражение (2.2) может быть использовано не только для расчета конечных значений изменения индукции (или намагниченности) на кривых возврата, но и для расчета промежуточных точек этих кривых. На рис. 2.4 для армко-железа и никеля приведены экспериментально определенные и рассчитанные по формуле (2.2) кривые возврата от Нс (значения /лобр = /иа и Ь = b0, необходимые для расчета кривой возврата измерены на коммутационной кривой намагничивания). Во всем диапазоне изменения поля отклонение расчетных значений индукции от экспериментальных не превышает 10-12 %. Для определения кривых возврата из других начальных точек необходимо знать зависимость коэффициента Рэлея от исходных значений поля и намагниченности. Модельная интерпретация рэлеевской зависимости для кривых возврата Экспериментально установленные закономерности могут быть объяснены следующим образом. Как известно [10-14], при перемагничивании ферромагнетика по нисходящей ветви предельной петли гистерезиса интенсивность необратимых смещений доменных границ максимальна на наиболее крутом участке, на котором и начинаются кривые возврата. В результате идущих при перемагничивании по петле обратимых и необратимых (условно назовем их "большими" скачками Барк-гаузена) смещений в поле Ни доменная граница оказывается в положении хн (рис. 2.5а). В случае, когда а) домены имеют форму плоскопараллельных слоев; б) границы лежат в плоскости, параллельной yz , а намагниченность доменов направ лена вдоль оси + z или - z; в) поверхностная энергия у является функцией только координаты х; г) поле параллельно легчайшей оси + z, условие равновесия границы при бесконечно малом смещении дх имеет вид: Как следует из (2.3), если квазистатически уменьшать приложенное магнитное поле, то под действием "внутренних сил" граница будет стремиться к ближай ду шему положению, в котором — = 0 (положение О).
Смещение границы при этом происходит следующим образом. Сначала при уменьшении поля от исходного до некоторого определенного значения граница обратимо сместится в положение хн . Поскольку в этом положении давление со стороны внутренних сил, стремящихся сместить границу в равновесное положение О, начинает превосходить давление поля, то граница скачком сместится в положение xG. При последующем уменьше нии поля граница будет смещаться как обратимо (на участках xG - xF, хЕ _ xD и т.д.), так и необратимо ("малые" скачки на участках хн - xG, xF _ хЕ и т.д.). Видно, что необратимые смещения границы обусловлены наличием, пространст венным распределением и величиной локальных максимумов и минимумов на за висимости —(х) на участке 0 х хн . Если вновь приложить поле Ни, то граница в результате серии обратимых (ОД ВС, DE и т.д.) и необратимых (А - В, C D и т.д.) смещений вновь вернется в точку хн . В общем случае число и величина обратимых и необратимых смещений происходящих при снятии и приложении поля могут не совпадать. Однако при циклическом снятии и приложении поля Ни граница будет смещаться между двумя устойчивыми положениями (хн о О), образуя элементарную петлю гистерезиса (рис. 2.56). Циклические смещения множества доменных границ приводят к образованию несимметричных петель гистерезиса, нижней ветвью которых являются кривые возврата.
Магнитоакустические свойства поликристаллических ферромагнетиков при звуковых частотах упругих колебаний
Как уже отмечалось, одним из важнейших и не вполне решенных вопросов является зависимость внутреннего трения от исходного магнитного состояния материалов и, в частности, вопрос о наличии и природе пиков величины Q x при намагничивании материалов с различной структурой и свойствами [183]. Кроме того, не вполне ясна роль необратимых процессов перемагничивания, а также макро и микровихревых токов в формировании этой зависимости. Это обусловило необходимость экспериментального исследования закономерностей изменения магнитных и магнитоакустических свойств при намагничивании и перемагничивании материалов с различной структурой.
По намагниченности насыщения исследуемые материалы различаются более, чем в 3 раза; по коэрцитивной силе - более, чем в 70 раз; а по величине коэффициента Рэлея - почти в 3000 раз. Для таких хорошо известных материалов, как никель, армко-железо, кобальт и пермендюр, измеренные значения магнитных свойств согласуются с данными других авторов [9-14]. На рис. 3.3 представлены характеризующие величину АЕ- эффекта зависимости изменения резонансной частоты образцов от приложенного магнитного поля на коммутационных кривых намагничивания (Fr - резонансная частота образца в магнитном поле, Fr0 - резонансная частота образца в размагниченном состоянии).
Видно, что изменение резонансной частоты образцов кобальта и Армко-железа в магнитном поле мало и сопоставимо с погрешностью измерений. Наибольшее приращение резонансной частоты наблюдается у образцов пермендюра и никеля и со ставляет, соответственно, 5.9 % и 2.7 %. Это отвечает приращению модуля упругости пермендюра на 12.2 %, а никеля - на 5.5 %. Из сравнения кривых AFr(H) для образцов НК и НКД видно, что холодная пластическая деформация сплава НК привела к существенному (примерно в 4 раза) уменьшению величины М-эффекта. Как показано в п. 1.2.1 величина АЕ -эффекта может быть выражена в виде: где Ео и Es- модули упругости материала в размагниченном состоянии и при намагничивании его до насыщения соответственно; о; - величина внутренних напряжений.
Выразив величину модулей упругости Е0 и Es через соответствующие значения резонансной частоты Frs и Fr0 (см. выражение (1.15)) и пренебрегая разницей в плотности материалов, которая для исследованных материалов не превышает 5 %, легко преобразовать выражение (3.2) в следующее:
Рассчитанные по формуле (3.3) значения относительной величины АЕ -эффекта приведены на рис. 3.4 (значения магнитострикции насыщения As определены из приведенных на рис. 3.2. зависимостей А = /(#)). Коэффициент линейной корреляции для приведенной зависимости составляет R = 0,95. Таким образом, линейная зависимость (3.3) и, как следствие, модельное выражение (3.2) удовлетворительно описывают связь АЕ -эффекта с магнитными свойствами исследуемых материалов. Следовательно, уменьшение значения АЕ для сплава НК после пластической деформации можно однозначно связать с ростом внутренних напряжений ст;. Дополнительно можно отметить, что при намагничивании материалов с наибольшей величиной АЕ- эффекта (пермендюр, никель, сплав НК) наиболее интенсивное изменение зависящей от модуля упругости резонансной частоты происходит в магнитных полях примерно соответствующих диапазонам интенсивного изменения продольной магнитострикции.
Зависимости приращения резонансной частоты материалов с различными значениями магнитострикции от напряженности приложенного магнитного поля на коммутационных кривых намагничивания
Статистическое моделирование взаимосвязей химического состава и магнитных свойств термообработанных конструкционных сталей
Как наиболее часто используемые параметры контроля закалки исследовались такие магнитные и электрические свойства, как коэрцитивная сила (Яс), намагниченность насыщения (Ms) и удельное электросопротивление (р). Кроме того, исследовалось влияние легирования на твердость (HRQ сталей после закалки. В исходную выборку были включены данные о свойствах 88 марок сталей в закаленном состоянии. Закалка каждой марки стали проводилась по стандартному режиму, определяемому ее химическим составом и требованиями к эксплуатационным характеристикам. Особое внимание при сборе и систематизации данных было уделено возможно более полной аттестации химического состава исследуемых сталей. При статистическом анализе было учтено влияние следующих 11 легирующих элементов: углерод (С), кремний (Si), марганец (Мп), хром (Сг), никель (Ni), титан (Ті), молибден (Мо), ванадий (V), вольфрам (W), медь (Си), алюминий (А1).
Первоначально методом множественной линейной регрессии рассчитывались и анализировались модели типа: где Y- физическое свойство стали, Xt (І і 11) - процентное содержание / -го легирующего элемента данной марки стали, Х]2 - температура закалки, Хц - теплопроводность охлаждающей среды (вода, масло, воздух). Однако проверка значимости [284] двух последних параметров в моделях исследуемых физических свойств (HC,MS, р, HRC) показала малое их влияние в сравнении с влиянием легирующих элементов, поэтому в дальнейшем эти параметры в расчетах не учитывались.
Кроме того, первичный анализ полных (т.е. включающих все 11 легирующих элементов) моделей анализируемых физических свойств, показал, что из первоначальной выборки (88 марок сталей) следует исключить мартенситно-стареющие стали (ЭИ928, ЧС5ВИ, ЧС25ВИ) и углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,2 % (ст. 05, 10, 15). Главным основанием для такого исключения является то, что в указанных сталях при нормальных режимах закалки практически не образуется мартенситная структура и их свойства чрезвычайно резко отличаются от свойств сталей с мартенситной структурой.
Таким образом, для моделирования использовалась выборка, содержащая 82 марки стали. При этом многие марки сталей были представлены несколькими плавками или имели вариации режима закалки, поэтому исходная выборка включала сведения о физических свойствах закаленных сталей, соответствующих 195 вариантам химического состава. Интервалы вариаций температуры закалки и элементов химического состава в исходной выборке (N=195) приведены в табл. 4.1. Результаты моделирования уровней коэрцитивной силы (А/см), намагниченности насыщения (А/см), удельного электросопротивления (мкОмсм) и твердости (метод Роквелла, шкала С) сталей в закаленном состоянии приведены в табл. 4.2. Коэффициенты корреляции для множественной линейной регрессии при расчетах магнитных свойств и удельного электросопротивления были выше 0,95 и только для твердости R = 0,87. На рис. 4.1а сплошными линиями представлены диаграммы распределения числа вариантов химического состава (в процентах от объема выборки J= 195), для физических свойств по полным моделям равна определенной (указанной на рис. 4.1) величине. Видно, что с наименьшей погрешностью по химическому составу можно оценить намагниченность насыщения закаленных сталей исследуемой выборки, так как для 58 % сталей расчет Ms осуществляется с погрешностью 8 5 % , а для 97% сталей 8 8 %. Увеличение погрешности расчета Ms для сталей 75Г, 9ХФ, 95X18 до 12 % связано, по-видимому, с увеличенным содержанием остаточного аустенита в структуре этих закаленных сталей. Из рис. \а видно, что 96 % расчетных значений коэрцитивной силы отличаются от измеренных значений Нс не более, чем на 20 %. Погрешность более 25 % наблюдалась на сталях 20, 20Н2М и для одной из плавок стали 20ХГР, которая представлена в выборке двумя плавками, закаленными по одинаковым режимам. Плавка 1 стали 20ХГР имеет заниженное содержание как углерода, так и других легирующих элементов: С - 0,17 %, Si - 0,19 %, Мп - 0,59 %, Сг - 0,71 %. Во 2-ой плавке содержание этих элементов составляет: С - 0,22 %, Si - 0,36 %, Мп - 1,06 %, Сг - 1,15 %. В результате закалки от 840 С в масло закаленными оказались лишь образцы плавки 2. При твердости 44 ед. HRC их коэрцитивная сила равнялась 28,4 А/см. Этот же уровень Нс был получен расчетным путем. Заниженные экспериментальные значения твердости и коэрцитивной силы (HRC=34,5 , #,.=18,3 А/см) на образцах 1-ой плавки получены в результате того, что при таком химическом составе в соответствии с диаграммой состояний [138] температура закалки должна быть существенно выше. Сталь 20ХНМ после закалки обладает достаточно высокой твердостью 43,5 ед. HRC, но сравнительно низким значением коэрцитивной силы Нс=\1 А/см, что связано с характером легирования этой стали. Содержание углерода в ней невелико (0,17 %), а основной легирующий элемент никель, не являясь карбидообразующим, образует в железе твердый раствор замещения и не вызывает заметного увеличения степени тетрагональное решетки мартенсита. Несмотря на легирование никелем и молибденом, закалочные напряжения в стали 20ХНМ оказываются сравнимыми с уровнем закалочных напряжений углеродистой стали 20 и коэрцитивные силы их равны 17 и 18,3 А/см, соответственно. Таким образом, моделирование уровня коэрцитивной силы сталей в закаленном состоянии по уравнению регрессии из табл. 4.2 осуществляется с погрешностью не более 20 %, если содержание углерода в стали не менее 0,2 % . Модельный расчет удельного электросопротивления закаленных сталей по полному уравнению (табл. 4.2, /V=195) осуществляется с погрешностью не более 20 % . При этом 92 % сталей имеют погрешность оценки р не более 15 %. При анализе химического состава марок сталей, для которых характерна повышенная (20 -25) % погрешность модельной оценки р, каких-либо закономерностей установлено не было. Вероятной причиной повышенных отклонений расчета от эксперимента могло быть отклонение температуры, при которой измерялось удельное сопротив ление отдельных марок сталей, от комнатной температуры (21±1) С.
