Содержание к диссертации
Введение
Использование магнитрупругого эффекта для измерения механических напряжений 15
1. Анизотропный магнитоупругий датчик 16
2. Магнитомодуляционные измерители механических напряжений 18
3. Магнитострикционный метод измерения механических напряжений 19
4. Использование гармонического анализа сигнала для измерения механических напряжений 19
5. Эффект Баркгаузена 21 Коэрцитиметрический метод измерения механических напряжений 22 Метод тензодобавок 23
Магнитоупругая память магнетиков и ее использование для измерения силового воздействия 25 Анализ методов измерения механических напряжений и задачи исследований 37 Зависимость коэрцитивной силы малоуглеродистых сталей от величины одноосных механических напряжений
41 Образцы для исследования
41 Методика измерения коэрцитивной силы Нс 42
1. Влияние краевого эффекта на результаты измерений коэрцитивной силы Нс 43
2.2.2. Влияние предварительной намагниченности образца на результаты измерения коэрцитивной силы Нс 44
2.3. Влияние величины зазора на результаты измерения тока размагничивания ненагруженных сталей 46
2.4. Влияние упругих механических напряжений при растяжении на коэрцитивную силу малоуглеродистых сталей 48
2.5. Влияние вибраций на результаты измерений Нс 54
2.6. Точность измерения механических напряжений 55
2.7. Зависимость коэрцитивной силы Нс от величины напряжения для некоторых малоуглеродистых сталей 57
2.8. Зависимость коэрцитивной силы от механических напряжений в приведенной форме 61
2.9. Влияние растяжения и сжатия на коэрцитивную силу труб и швеллеров 67
2.10. Опробование коэрцитиметрического метода измерения механических напряжений 71
Выводы по главе 2
3. Механизмы изменения коэрцитивной силы при упругой деформации 76
3.1. Влияние локальных механических напряжений 76
3.2. Влияние перестройки доменной структуры 80
3.3. Влияние магнитострикции на магнитоупругую чувствительность коэрцитивной силы 89
3.4. О природе несимметричности зависимости Нс(ст) при растяжении и сжатии 98
3.5. Влияние магнитоупругого изменения энергии междоменных границ на зависимость Нс(а) 101
Выводы по главе 3 106
4. Влияние пластической деформации на структурночувствительные магнитные параметры 107
4.1. Влияние пластической деформации на зависимость коэрцитивной силы от величины одноосных напряжений 107
4.2. Аномальное изменение магнитострикции сталей на начальных этапах пластической деформации 113
5. Применение гармонического анализа в контроле механических напряжений 125
5.1. Зависимость ЭДС высших гармоник от величины механических напряжений 125
6. Необратимое и квазиобратимое изменение остаточной намагниченности при нагружении магнетика 139
6.1. Пьезодинамическое размагничивание образцов из высокохромистой стали 140
6.2. Логарифмическая аппроксимация пьезодинамического размагничивания образцов из высокохромистой стали 150
6.3. Пьезодинамическое размагничивание локально намагниченных участков на поверхности
малоуглеродистых сталей 155
6.4. Пьезодинамическое размагничивание спеченых порошковых R-Fe соединений 161
6.5. Уточнение гиперболической формулы для описания пьезодинамического размагничивания 170
6.6. Возможности использования магнитоупругого размагничивания для неразрушающего определения предела выносливости некоторых сталей 181
6.6.1. Оценка предела выносливости стали 20Н2М по изменению магнитного поля рассеяния образца при его
нагружении - разгружении 183
6.6.2. Возможности определения предела микротекучести и связанного предела выносливости по кривым магнитоупругого размагничивания 190
6.7. Пьезомагнитный эффект магнитополяризованых малоуглеродистых сталей и спечёных порошковых R-Fe соединений 195
6.7.1. Пьезомагнитный эффект закалённых и отпущенных малоуглеродистых сталей 195
6.7.2 Пьезомагнитный эффект остаточно намагниченных R-Fe соединений 211
6.7.3. Влияние внутренних напряжений, созданных пластической деформацией,на пьезомагнитный эффект 212
Вывод по главе 6 215
7. Использование необратимого и квазиобратимого магнитоупругих явлений для создания первичных преобразователей силы 217
7.1. Магнитоупругии метод контроля развития стресс-коррозионных трещин 217
7.2. Определение полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов с помощью локального намагничивания 224
7.3. Магнитоупругие датчики для измерения силы в режиме памяти и аналоговом режиме 231
7.4. Регулируемая опора - датчик 239
7.5. Помехозащищенный акселерометр 243
7.6. Об обнаружении скрытого ущерба при транспортных перевозках 249
7.7. Акселерометр для измерения небольших ускорений 250
7.8. Автономный запоминающий датчик для измерения давления и температуры в скважине 253 Выводы по главе 7 262
8. О некоторых механизмах формирования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций в грунте и методы их измерений 264
8.1. Измерение деформации грунта в геодинамических зонах 264
8.2. Усиление деформации в геодинамической зоне (ГДЗ) 268
3. Влияние неоднородного вмерзания трубопровода в грунт на его напряжённо-деформированное состояние 271
4. Использование магнитных полей рассеяния магистрального газопровода(ГП) для выявления сезонной динамики механических напряжений 274
Выводы по главе 8 285
Основные результаты и выводы 285
- Магнитомодуляционные измерители механических напряжений
- Влияние предварительной намагниченности образца на результаты измерения коэрцитивной силы Нс
- Влияние магнитострикции на магнитоупругую чувствительность коэрцитивной силы
- Аномальное изменение магнитострикции сталей на начальных этапах пластической деформации
Введение к работе
Актуальность. Элементы машин, механизмов, конструкции и трубопроводы испытывают во времени целый ряд труднопредсказуемых изменений, приводящих к варьированию их напряженного состояния вследствие изменения нагрузок, колебаний температуры в течение суток, года (лето-зима). Особенно опасны локальные колебания температуры весной, когда открытые части металлоконструкции (например, трубопроводы) интенсивно прогреваются, в то время как закрытые мерзлым грунтом части жестко закреплены. Оттаивание грунта в условиях вечной мерзлоты приводит к его непредсказуемым деформациям как вертикальным, так и горизонтальным и, соответственно, к деформациям протяженных металлоконструкций, к появлению значительных напряжений. Действия этих напряжений совместно с внутренними и рабочими напряжениями создают предпосылки для разрушения труб и возникновения аварий [1-3].Учесть эти факторы расчетными методами не всегда удается как в случае разрушения Московского аквапарка и конструкций аэропорта в Париже. Все это подчеркивает важность контроля напряженного состояния участков трубопроводов, например, в местах перехода через водные преграды, дороги, в местах образования промывов и провисания трубопровода, в местах выпучивания труб [4-5],в геодинамических зонах [6,7] и участках неодинакового промерзания грунта, обусловленного неоднородностью его теплопроводности [4],изменения ледовой и снеговой нагрузки [8].
Другим, практически не изученным фактором, который может сказаться на надежности металлоконструкций, является медленно изменяющиеся напряжения на фоне статически действующей нагрузки [9]. Хотя эти напряжения много меньше предела текучести, роль их велика в механизме возникновения усталостных трещин, а в конечном итоге в поломке элемента конструкции. Динамические напряжения, действующие на фоне статических, согласно современным представлениям, являются одним из факторов, приводящих к стресс-коррозионному разрушению металла газопроводов [10].
Разрушение детали под действием циклических нагрузок начинается с образования в зоне повышенных напряжений микротрещин, которые, постепенно развиваясь, проникают вглубь металла и ослабляют несущее сечение до уровня, при котором происходит разрушение.
Понижение прочности материала при переменных напряжениях вследствие прогрессивно развивающихся микротрещин обычно называется усталостью материала, а его способность сопротивляться усталостному разрушению - выносливостью. Известно, что магистральные трубопроводы в ряде случаев могут выйти из строя в результате лавинного (со скоростью 0,1—0,4 скорости звука в металле) распространения в них трещин при напряжениях, значительно меньше допускаемых при их статическом или циклическом нагружении (т.е. меньших, чем предел текучести металла). Таким образом, контроль напряжений необходим как одна из превентивных составляющих по борьбе с авариями.
Требует также своего изучения влияние зон пластичности, возникающих как при изготовлении, так и эксплуатации металлоконструкции и трубопроводов, на их надежность в условиях напряженного состояния, обусловленного действием суммарных сил (внешними сжимающими или растягивающими напряжениями, внутренними напряжениями).
Элементы конструкции предназначены для того, чтобы выдерживать заданную нагрузку. Эти нагрузки рассчитываются на этапе конструирования [1,3,13]. Для этого необходимо знать источники механических напряжений, иметь эквивалентный математический аппарат для вычисления. Однако оценки напряжений с помощью расчетов в ряде случаев сильно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, выбора методики расчета и изменяющихся в процессе эксплуатации конструкции условий [4-8,12]. Реальные условия эксплуатации металлоконструкций чрезвычайно разнообразны, и учесть их расчетами в полной мере невозможно, что доказывает разброс значений коэффициента запаса прочности в различных теориях прочностях от 1,81 до 1,34 [1].
Поэтому разработка новых методов является актуальной, позволяющей косвенно осуществлять оперативное определение напряжений приборными (в идеале дистанционно) средствами, на основании сказанного, становится понятным, почему уделяется столь большое внимание во всем мире разработке не-разрушающих методов и средств измерения напряжений [13-35].
Сложность при разработке косвенных методов измерения абсолютных значений напряжений заключается в том, что часть неизвестно исходное сог стояние металла, его механическая предыстория (наклеп, отжиг), химический состав, его кристаллографическая текстура. Задача диагностики напряжений на порядок усложняется, когда необходимо контролировать сложно-напряженное состояние.
В настоящее время разрабатываются и эксплуатируются главным образом рентгеновский, акустический и магнитные методы измерения напряжений.
Предлагаемая работа ориентирована на поиск новых информативных параметров на основе исследования закономерностей изменения магнитных свойств, на разработку новых методов и средств измерения напряжений в металле, в частности, с привлечением нескольких параметров с тем, чтобы повысить точность и надежность измерения, существенно расширить их возможности.
Направлением исследования явилось изучение метастабильных магнито-упругих явлений в остаточно-намагниченном материале, разработка на их основе методов и средств контроля механических напряжений и создание силовых преобразователей.
Научная новизна работы
1. Впервые установлена зависимость магнитоупругого изменения анизотропии коэрцитивной силы от величины константы магнитострикции. Найден способ определения эффективных констант магнитострикции по экспериментальной зависимости магнитострикции поликристаллических материалов от напряженности магнитного поля.
2. Создан новый двухпараметровый метод неразрушающего контроля (НК) одноосных напряжений на основе измерения коэрцитивной силы и константы магнитострикции в конструкциях из малоуглеродистых сталей, отличающихся по химическому составу.
3. Впервые проведены исследования магнитоупругой памяти (МУП) высокохромистой стали и композиционных RFe-материалов, уточнены аналитические выражения для ее описания.
4. Впервые исследован пьезомагнитный эффект остаточно намагниченного магнетика ПМО при приложении больших циклически повторяющихся упругих напряжений, дано объяснение механизма ПМО и установлена возможность его применения для целей определения механических напряжений и НК качества термической обработки.
5. Разработан ряд «интеллектуальных» материалов для создания чувствительных автономных элементов запоминающих датчиков пикового значения силы, давления и ускорения, способных работать в экстремальных условиях.
6. Решена задача гармонического разложения ЭДС выходного сигнала нагружаемого ферромагнитного преобразователя.
Разработан магнитный метод НК сезонных деформаций стального трубопро вода.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Аналитические выражения, описывающие связь анизотропии коэрцитивной силы с величиной одноосных напряжений и магнитострикцией малоуглеродистых сталей. Новый двухпараметровый метод НК одноосных напряжений в изделиях из малоуглеродистых сталей.
2. Методика определения эффективных констант магнитострикции по экспериментальной графической зависимости магнитострикации от величины напряженности магнитного поля.
• 3. Проверка и уточнение закономерностей изменения МУП и связь ее с основ ным магнитными параметрами у высокохромистой стали и композиционных R-Fe-материалов.
4. Объяснение механизма ПМО конструкционных сталей и композиционных R-Fe-материалов при приложении больших циклически повторяющихся упругих напряжений.
5. Разработка метода НК напряжений в металлоконструкциях с помощью соз-дания матрицы локальных областей намагниченности.
6. Гармонический анализ ЭДС выходного сигнала магнитоупругого преобразователя.
7. Конструкционные разработки автономных запоминающих датчиков пикового значения силы, давления и ускорения.
8. Разработка способа измерения сезонных деформаций грунта и стального газопровода путем отслеживания его магнитных полей рассеяния.
Практическая ценность работы
— Разработан новый двухпараметровый (по коэрцитивной силе и константе магнитострикции) метод НК одноосных напряжений, применимый для широкого класса малоуглеродистых сталей, не требующий в отличие от традиционных способов построения экспериментальной градуировочной кривой для каждой отдельной марки стали.
— Разработан новый метод определения полей механических напряжений в детали с помощью нанесения матрицы локальной намагниченности и снятия информации о величине действовавших напряжений путем сканирования ее поверхности датчиком магнитного поля (Патент РФ. №2154262).
— Разработаны и сконструированы автономные, беспроводные запоминающие датчики: трубчатый запоминающий датчик силы, работающий как в режиме • магнитоупругой памяти, так и в аналоговом режиме на основе магнитного пье зоэффекта; запоминающий акселерометр для измерения гигантских ускорений;
акселерометр-свидетель транспортных перевозок; запоминающий датчик для измерения давления и температуры в скважине; автономный запоминающий блок для измерения силы и ускорения в закрытых камерах.
— Запоминающий акселерометр был внедрен на предприятии РФЯЦ-ВНИИТФ (г.Снежинск) по методике «Выполнение измерений пиковых ускорений магни-тострикционными датчиками типа РДУС 2023» ( Патент РФ G 0IP 15/04. №2123189).
— Геодинамический тензометр был впервые применен для выявления активности геодинамических зон на Федоровском нефтяном месторождении.
— Разработан и испытан магнитный метод определения сезонных деформаций газопровода с целью определения мест его повышенной разрушаемости. Метод опробован на магистральном газопроводе Уренгой-Сургут-Челябинск.
— Разработана и внедрена в учебный процесс лабораторная установка по измерению механических напряжений в стальных образцах с помощью коэрцити-метра.
— Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в учебном курсе «Неразрушающие методы контроля», читаемом в Тюменском государственном нефтегазовом университете для студентов специальностей «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» и «Технологические машины и оборудование». По данной тематике проводится защита квалификационных и дипломных работ студентов специальностей «Технологические машины и оборудование» и «Материаловедение и термическая обработка».
Апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 36 работ, в том числе три монографии и два патента. Основные положения и результаты диссертационной работы рассмотрены на научно-технических конференциях: международной конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1997); международной научно-технической кон • ференции. «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Тюмень, 2000); XII научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (М.:МГИМ.2000); региональной конференции «НЕФТЬ и ГАЗ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г.Тюмень, 2002); международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». (г.Екатеринбург, 2003); научно-практической конференции «Электроэнергетика и применение передовых со-временных технологий в нефтегазовой промышленности» (Тюмень, 2003).
Структура диссертации
Работа состоит из введения, восьми глав, приложения и списка литературы, включающего 253 наименования, 120 рисунков, 15 таблиц объем 318 страниц.
Магнитомодуляционные измерители механических напряжений
В датчике броневого типа, имеющем центральный сердечник и намагничивающую обмотку, вращается пластина, замыкающая магнитный поток между сердечником и "броней", составленной из набранных по кругу ферритовых стержней [53]. Датчик устанавливается на поверхности плоского изделия. В намагничивающую обмотку подается переменный ток. Происходит намагничивание изделия параллельно его поверхности переменным магнитным полем, при этом вследствие вращения пластины происходит периодическое изменение направления намагничивания с частотой много меньшей частоты магнитного поля.
Так как магнитная проницаемость напряженного материала в разных направлениях разная, то во вторичной (трансформаторной) обмотке наводится ЭДС с модулированной амплитудой. Поскольку детектированный сигнал функционально связан с приложенными напряжениями, величина и направление механических напряжений могут быть получены по измерениям амплитуды и фазы огибающей выходной ЭДС. Способ позволяет отстроиться (в небольшом пределе) от зазора путем одновременного измерения сигнала, пропорционального несущей и огибающей выходной ЭДС в соответствии с полученной функциональной зависимостью. Уменьшение влияния магнитоупругого гистерезиса в цикле нагрузка-разгрузка на результаты измерений проводилось путем приложения переменного магнитного поля с плавно убывающей до нуля амплитудой. Недостатком магнитоупругих приборов модуляционного типа является ограниченность их применения только плоскими поверхностями.
В этом методе использована зависимость магнитострикции от величины приложенных напряжений [54-58]. Для реализации метода на испытываемую деталь наклеивался тензодатчик, продольная ось которого располагалась параллельно действующим напряжениям. Намагничивание осуществлялось вдоль или поперек оси датчика переменным магнитным полем. При этом измерялась продольная или поперечная магнитострикция. Бралось их отношение в зависимости от величины приложенных напряжений. С ростом напряжений это отношение уменьшается от 2 до 0.
Метод обладает высокой чувствительностью, но сложен в реализации. Точность метода мала вследствие его большой чувствительности к структурным свойствам металла, зависит от качества приклейки тензодатчика и температуры.
Под действием упругих напряжений изменяется не только эффективное значение магнитной проницаемости, но и остаточная индукция и коэрцитивная сила. Поэтому, как показано в работах [55,64-66], существует возможность измерения напряжений на основе использования нелинейных характеристик ферромагнетиков путем выделения высших гармоник.
Датчики для магнитоупругих измерений и в этом случае обычно представляют собой приставные электромагниты, питаемые переменным током. Магнитный сердечник бывает либо П-образным, либо двойной П-образной формы, так что каждая пара полюсов расположена в перпендикулярных плоскостях. Это позволяет исследовать магнитоупругий эффект либо в одном, либо в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях.
Если первичную обмотку П-образного датчика питать переменным синусоидальным током, то из-за нелинейности магнитных характеристик исследуемого образца ЭДС вторичной обмотки будет содержать высшие гармоники. В работах [61-67] экспериментальным путем было показано, что гармонические составляющие ЭДС претерпевают существенные изменения под действием упругих напряжений. Так, в исследовании [42] образцы (5x5x200мм) из сталей марок 20, 30ХМА, У8 при помещении на них П-образного датчика, питаемого частотой 50Гц, приводили к изменениям первой, третьей и пятой гармоник в результате прикладываемых к ним растягивающих напряжений. Показано, что ЭДС третьей гармоники для названных материалов изменяется под действием упругих напряжений больше, чем первая гармоника. Для стали У8 пятая гармоника оказалась более чувствительной к упругим напряжениям, чем третья. Для оценки точности измерений были проведены сравнительные испытания на реальной детали, изготовленной из стали 30ХМА. Разброс результатов измерений составил 7% при работе на третьей гармонике. Работа на первой гармонике давала погрешность ±(12-20)%. Авторы делают вывод, что использование высших гармоник целесообразно там, где применяется твердая в магнитном отношении сталь.
Остроумный способ подавления первой гармоники и выделения высших гармоник (вплоть до девятой) предложен в работе [55]. В первичную обмотку ферритового датчика подавался переменный ток частотой 1,5кГц, анализатором гармоник выделялись гармонические составляющие ЭДС вторичной обмотки. Исследовалась зависимость ЭДС гармоник при помещении датчика на плоский образец из малоуглеродистой стали при его растяжении как в упругой, так и в пластических областях.
Анализ полученных магнитограмм показал, что приложение минимальной нагрузки а = 2 кГ/мм вызывает, как считают авторы, перераспределение остаточных напряжений и падение ЭДС седьмой и девятой гармоник. Затем наблюдается рост ЭДС гармоник. Пластическая деформация приводит вновь к падению амплитуды высоких гармоник.
Влияние предварительной намагниченности образца на результаты измерения коэрцитивной силы Нс
Так как предыстория реальных (нелабораторных) образцов неконтролируема, то неизвестна и их магнитная предыстория. Контролируемые объекты, например трубы, могли намагнититься уже под действием упругих напряжений, возникающих при укладке и перевозке их в условиях заводского магнитного поля или магнитного поля Земли. Если затем намагничивать участок трубы для проведения измерения коэрцитивной силы, то ее магнитная предыстория может сказаться на результатах измерения. Необходимо было подобрать намагничивающий ток электромагнита и порядок намагничивания такими, чтобы исключить влияние на результаты измерений магнитной предыстории образцов, имеющих в данном случае небольшие размеры. Для этого на образец наносилась магнитная метка с помощью импульсов магнитного поля, создаваемого датчиком-электромагнитом, в отсутствии зазора. В этом случае материал образца предельно намагничивается. Последующее намагничивание-размагничивание производилось при зазоре п=14мм, то есть заведомо создавались крайне неблагоприятные для измерения ситуации, так как при увеличении зазора магнитное сопротивление цепи возрастает, а возможность стереть ранее нанесенную метку уменьшается.
Влияние внешнего магнитного поля и намагниченности магнитной метки будет уменьшено, если измерения производить в прямом и обратном направлении. С этой целью после нанесения метки и установки зазора п=14мм измерение Нс проводилось таким образом: 1) вдоль образца, 2) поперек образца, 3) вдоль образца с разворотом датчика на 180 относительно положения (1), 4) поперек образца с разворотом датчика на 180 относительно положения (2), 5) снова вдоль образца по направлению положения (1). В каждом направлении выполнено по 4 измерения, опыт дублирован трижды. Результаты измерения представлены в таблице 2.3. Для измерений 2-5 выборочная дисперсия равна 0,20, для измерений 1 - 0,32. Без нанесения предварительной метки среднее значение тока размагничивания ip равно 13,4мА, S=0,37. Из таблицы 2.3 видно, что если бы измерения проводили сразу после нанесения магнитной метки и только один раз, то результат был бы завышен (например, 14,6мА по сравнению с 13,4мА). Поэтому измерения проводились по направлениям 1-5, а затем усреднялся полученный результат.В этом случае магнитная предыстория образца практически исключается.
Изучалось влияние зазора h между полюсами электромагнита и следуемой поверхностью плоского образца на результат измерения. Зазор регулировался с помощью пластинок из немагнитного материала. Датчик устанавливали вдоль образца и проводили измерение тока размагничивания ip, затем датчик поворачивали на 180 (полюса менялись местами) и вновь делалось два измерения. Определяли средний ток размагничивания. При этом намагничивающий ток оставался постоянным. Исследования проводили, начиная с максимального зазора п=14мм, затем зазор уменьшали до нулевого значения. Результаты измерения тока размагничивания ненагруженных сталей в форме пластин сведены в таблицы 2.4 и 2.5, а также представлены в виде графиков на рисунке 2.1. Из (рис.2.1) видно, что ток размагничивания ір резко уменьшается с увеличением зазора для всех марок сталей, достигает минимума при зазоре 1,5мм, затем растет. При этом величина тока размагничивания ір для разных сталей падает тем меньше, чем меньше было ее начальное значение.
Аналогичные измерения проводились на отрезке трубы диаметром 720мм, высотой 800мм и толщиной стенки 8,5мм. Датчик устанавливался как вдоль, так и поперек образующей трубы. Поверхность трубы не шлифована, покрыта ржавчиной. Зависимость показаний прибора от величины зазора между датчиком и трубой показана в таблице 2.5. Из таблицы и (рис.2.1) видно, что для трубы из стали 17Г1С уменьшение тока размагничивания ipc увеличением зазора идет существенно медленнее, чем для плоского образца.
Таким образом, параметр ip связан с магнитными свойствами образца и допускает его косвенное определение при очень больших зазорах.
Исследования проводились для достижения следующих целей: 1. Снятие рабочих градуировочных кривых для последующего измерения напряжений с помощью коэрцитиметра. 2. Установление магнитоупругой чувствительности тока размагничивания от величины зазора. 3. Оценка погрешностей измерения, обусловленных и магнитной, и механической предысторией образца. Использовалась следующая процедура измерений. Образец закреплялся в зажимах испытательного стенда. К образцу прикреплялся датчик коэрцитиметра как вдоль действующего усилия, так и поперек его. Датчик поворачивали для исключения влияния магнитной предыстории образца. В каждой позиции делалось 4 измерения, затем вычислялся средний размагничивающий ток отдельно для четных и для нечетных позиций, то есть вдоль () и поперек (-L) приложенных напряжений. Кроме магнитной предыстории на магнитные свойства магнетика сказывается история предварительного нагружения, то есть механическая предыстория металла, которая может отразиться на точности измерения напряжений.
Влияние магнитострикции на магнитоупругую чувствительность коэрцитивной силы
В работах [36,76,77,126] зависимость Нс(ст) для различных материалов, в том числе малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей, испытавших различную термообработку [84,118,127], существенно отличается. И хотя основные механизмы изменения коэрцитивной силы, очевидно, выявлены, остается не до конца выяснена роль магнитострикции. Целью работ [128-129] явилась попытка подойти к решению этой задачи. Такие исследования могут позволить сделать коэрцитиметрический метод более точным.
На (рис.3.2) приведены типичные графики зависимости магнитострикции от величины поля для некоторых сталей. Видно, что качественно все гра фики за некоторым исключением имеют подобный вид. Однако, как видно из таблицы 3.1 и рис.3.2, значения магнитострикции в максимуме Хт и магнитострикции насыщения Xs существенно отличаются для различных марок сталей. Какой-либо корреляции между магнитоупругим изменением коэрцитивной силы и параметрами магнитострикции напрямую установить не удается.
В теории магнитоупругих явлений величина магнитоупругой энергии кубических кристаллов типа железа определяется, главным образом, константой магнитострикции А,юо- Поэтому авторы работы [128] задались целью оценить ее значение для поликристаллического материала. При этом исходили из того, что наблюдаемая кривая зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля А,(Н) определяется двумя процессами: процессами смещения доменных границ и процессами вращения векторов намагниченности, идущими монотонно. В этом случае должно быть справедливо соотношение: ЦН)= Лоо(Н)+Ґш(Н), (3.13) где X юо(Н) - магнитострикция, обусловленная процессами смещения доменных границ и определяемая константой Х\0о; X т(Н)- магнитострикция, обусловленная процессами вращения векторов намагниченности и определяемая константой Хщ.
Так как процессы смещения доменных границ происходят заметно раньше, было предположено, что на нисходящем участке кривой Х(Н) они заканчиваются и превалируют процессы вращения векторов намагниченности. Этот участок кривой был экстраполирован, как показано на (рис.3.3), на ось Н=0. Затем осуществляли перенос начала полученной кривой X ш(Н) в точку Х=0 (рис.3.3, кривая 2). Если вычесть значения X ш(Н) в соответствии с (3.13) из Я(Н), то получится зависимость X юо(Н) (рис.3.3, кривая 1). При этом значение X юо(Н) должно быть равно значению X ш(Н) в поле, соответствующем точке Х—0, и выполняться уравнение Хт-Х юо-А пі в точке максимума (поле Н=Нт). Полагалось также, что величина магнитострикции поликристалла в насыщении X юо пропорциональна константе А,юо, а 1П в насыщении пропорциональна величине Хщ.
В дальнейшем эти величины были названы эффективной магнитострикцией. Результаты расчетов X юо и X ш по указанной методике с учетом названных критериев представлены в (таблице 3.1) в виде X юо и А, 111.
Как видно из таблицы, значения X юо довольно близки для различных марок сталей и изменяются в диапазоне (8,2ч-9,7)-10"6. Наибольшее значение эта величина имеет для стали 25ХСНД, наименьшее значение соответствует образцам стали 09Г2С. Аналогично изменяются коэффициенты nil и т2. Для значений А, ш подобной тенденции не наблюдается.
Выражая в соответствии с [36. и 141] для процессов смещения доменных А Х =— п / \ / \ 1 100 \ ч As Н . Хт А(Н)2 Рис.3.3 Схема представления зависимости X (Н) в виде суммы " Л двух функций X юо (Н) (кривая 1) и А и і (Н) (кривая 2). границ магнитострикцию в виде: Л 100 = -Xloo( cos(0) 22- cos(0) i2) и подставляя в соответствии с [141] значения cos(0) 2=O,835 и cos(0) i=O,574, где cos(0) i и cos(0) 2 - средние угловые косинусы распределения намагниченности изотропного материала до и после намагничивания соответственно, получим для железа значение X юо= 12,8-10"6. Учитывая приближенный характер сделанных оценок, а также химический состав выбранных сталей (до 0,25% углерода), можно считать, что полученные значения величины X юо для исследованных сталей удовлетворительно согласуются с расчетной величиной. ть т2-109 \ 9 3 2,5 1,5 1 106 0,5 0 100 Рис.3.4. Зависимость коэффициентов mi (прямая 1) и т2 (прямая 2) от величины X юо Как следует из работы [130], с константой магнитострикции А,юо связаны размеры доменов нагруженного материала, а последние, в свою очередь, влияют на величину Нс. В работе [129] это влияние определено через коэффициенты nil и т2.
На (рис. 3.4) приведены графики зависимостей пі] и т2 от X юо- В первом приближении эти зависимости можно считать линейными: m, = (0,94- 00-7-10% (3.14) т2=(1,2-Ґ100-9-10-6) . (3.15)
Это означает, что магнитоупругое изменение абсолютной анизотропии коэрцитивной силы АНС (о) зависит от эффективной магнитострикции X юо Для экспериментального определения величины напряжений по значению коэрцитивной силы информативным является значение относительной анизотропии коэрцитивной силы. Относительная анизотропия коэрцитивной силы АНс/Нс0=(Нс1-Нс )/Нс0 может быть представлена из (3.11) и (3.12) в виде: дя„ (А{+А2Л Нс0 V Нсй j нс0 нс0 / \ ( т, А, +гпі А7\ \т-,-т,)+ —— -—-\ (3.16) А А Проведенные расчеты показали, что значения коэффициентов —2 с0 Нс0 А + А и —! -, как это видно из (таблицы 3.1), достаточно близки для всех исследованных сталей. Поэтому их можно заменить средними значениями по всем сталям с погрешностью 15%.
Показатель экспоненты 3, согласно Такаги [115], тоже должен зависеть от магнитострикции: р=а-А.юо- Результаты расчетов Pi и (32 и значения эффективной магнитострикции позволили определить средние значения ai=0,0034 и oi2=0,0023. На основании этих данных, усредненных коэффициентов, рассчитанных выше, и зависимостей (3.14, 3.15) получена обобщенная формула для описания зависимости относительной анизотропии коэрцитивной силы от упругих напряжений при растяжении в виде:
Аномальное изменение магнитострикции сталей на начальных этапах пластической деформации
Согласно известным представлениям [152-153] (см. раздел 4.1), - приграничные области зерен и места скопления дислокаций имеют более высокий предел упругости и выдерживают благодаря этому большие напряжения, тогда как в кристаллитах (зернах) начинает проходить пластическая деформация. В результате после разгрузки приграничные области будут находиться под действием остаточных напряжений того же знака, что и при нагружении, а внутренние части зерен - под действием сжимающих (осевых и поперечных) внутренних напряжений.
На (рис. 4.5) показано, что полевая зависимость магнитострикции стали 15ХСНД изменяется после пластической деформации подобно материалу, подвергнутому упругому сжатию в направлении намагничивания.
Чтобы судить о магнитных и магнитоупругих характеристиках материала в этом сложнонапряженном (одни области сжаты, другие растянуты) состоянии, нужно знать размеры этих областей и их механические и магнитные свойства.
Так как граница зерен и приграничные области являются местом стока примесей, то концентрация примесей в границах зерен может быть в десятки раз больше, чем в теле зерна [152,153]. Согласно данным, полученным микрорадиографическим методом [153], средняя площадь сечения зерна железа больше сечения приграничной площади, обогащенной углеродом, в 3-5 раза. Если учитывать также и то, что магнитострикция железа уменьшается в 4-5 раз при введении сравнительно небольшого количества углерода (0,9-0,6%) [101], вклад в магнитострикцию приграничных областей мал и может составить проценты. Магнитоупругая чувствительность материала границ из-за ее более высокой магнитной жесткости должна быть меньше, чем материала матрицы. Из этих соображений в первом приближении магнитострикцией приграничных областей и их вкладом в магнитоупругий эффект, по-видимому, можно пренебречь.
Зерна, испытавшие пластическое удлинение после приложения деформирующих напряжений и оказавшиеся в сжатом состоянии после разгрузки, располагаются среди недеформированных зерен. Поэтому магнитострикционное удлинение всего образца будет определяться величиной магнитострикции в недеформированных и деформированных участках и соотношением их объемов. Для определения магнитострикции неоднородно деформированного материала мысленно вырежем из образца длиной L цилиндр площадью основания S, равной средней площади сечения зерна размером d. Число зерен в таком цилиндре - L/d, а число деформированных зерен - KL/d (где К - доля деформированных зерен). Суммарная длина деформированных зерен равна d-L-K/d=L-K, а недеформированных ЦІ-К). Относительное магнитострикционное удлинение деформированного образца в магнитном поле в пренебрежении вклада в магнитострикцию приграничных областей определится по формуле: t f.faV + M-rt. + M-Kt (4.1) где mD и Хт - изотропная магнитострикция в максимуме деформированных и недеформированных зерен соответственно, г) — доля зерна, свободного от приграничных областей (г в грубом приближении можно принять за единицу).
Величину ориентированных микронапряжений, способных оказывать существенное влияние на магнитострикцию насыщения А, можно определить, пользуясь представлением о механизме их образования. Пластически деформированные зерна занимают только часть объема образца, поэтому с помощью аналогичных рассуждений, которые мы сделали для магнитострикции, связь между остаточной деформацией образца є со средней остаточной деформацией зерен є и относительным числом этих зерен К будет иметь следующий вид:
Зерна, испытавшие необратимое удлинение (до тех пор, пока не осуществится движение дислокаций через границы зерен и не произойдет релаксация напряжений), будут сжаты в направлении деформирования окружающим приграничным слоем и границей, в которых упругая деформация постепенно перейдет от ЕР ДО некоторого положительного значения. Предположив для простоты деформацию в слое постоянной, выразим силу, сжимающую зерно в виде: F3=srE S =8E 7id5, (4.3) где єг - средняя деформация в границе зерна, S -гаї-8 - площадь сечения слоя, d - диаметр зерна, Е - средний модуль упругости приграничного материала и материала границы, 5 - толщина границы.
Из выражения (4.3) находим величину ориентированных (нерелаксированных) микронапряжений: F єгЕ ттй5 єгЕ б sDE S ҐЛ ,ч аоі = — = 5— = = С4-4) " S ж/2 d d V При этом принято єг = є в предположении, что зерно и граница жестко связаны друг с другом. Связь О"ОІ и є находится в соответствии с (4.2) в следующем виде: єЕ 5 ґл сч " "кТ- (4-5) Таким образом, в некотором приближении на первом (внутризеренном) этапе пластической деформации J01 тем больше, чем больше є и 5.
