МАГНИТНЫЙ И ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
advertisement
МАГНИТНЫЙ И ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ, ПОДВЕРГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТНОМУ ФРИКЦИОННОМУ УПРОЧНЕНИЮ А.В. Макаров, Р.А. Саврай, Э.С. Горкунов, И.Ю. Малыгина, Ю.М. Колобылин, С.В. Сытник, Н.А. Поздеева г. Екатеринбург, Россия Рассмотрено влияние нанокристаллизации поверхностного слоя фрикционной обработкой на изменение магнитных и электромагнитных параметров при циклическом нагружении отожженной стали 3, а также на механические свойства при одноосном растяжении. Установлено увеличение прочностных и снижение пластических характеристик, а также изменение вида кривой нагружения при статическом растяжении. Выявлено, что фрикционная поверхностная обработка отожженной стали 3 оказывает различное влияние на изменение магнитных и электромагнитных характеристик отожженной стали 3 при циклическом нагружении в области малоцикловой усталости. Показана возможность магнитного и вихретокового контроля состояния упрочненного фрикционной обработкой поверхностного слоя в процессе циклического нагружения отожженной стали 3. Введение Использование поверхностного фрикционного упрочнения является перспективным направлением повышения прочности и износостойкости стальных изделий за счет создания в их поверхностных слоях функциональных нанокристаллических слоев [1]. Поэтому чрезвычайно важным является, с одной стороны, вопрос оценки влияния поверхностного фрикционного упрочнения на сопротивление усталостному разрушению, а с другой стороны, изучение влияния поверхностной фрикционной обработки на изменение физических характеристик в процессе усталостного нагружения с целью разработки неразрушающих методов контроля ресурса и живучести различных стальных конструкций. Для исследований использовали конструкционную сталь. Выбор данного материала обусловлен тем, что для конструкционных сталей уже показана возможность неразрушающего контроля величины накопленной пластической деформации и остаточных механических характеристик при усталостном нагружении с использованием физических методов контроля [2]. Таким образом, целью данной работы явилось изучение возможности использования магнитного и вихретокового методов контроля для оценки состояния упрочненного фрикционной обработкой поверхностного слоя в процессе циклического нагружения отожженной стали 3, подвергнутой поверхностной фрикционной обработке. Материал и методика эксперимента Исследовали низкоуглеродистую сталь Ст3кп промышленной плавки, химический состав которой приведен в таблице 1. Таблица 1 Химический состав исследованной стали Содержание элемента, мас. % C Mn Si S P Cr Ni Cu 0,150,17 0,310,35 0,0520,054 0,0200,021 0,0210,023 0,0400,062 0,0450,058 0,0390,053 Марка стали по ГОСТ 38094 Ст3кп Перед изготовлением образцов сталь подвергали отжигу при температуре 800ºС в течении 8 часов с последующим охлаждением с печью. Данную обработку проводили с целью получения равновесной структуры с минимальным количеством дефектов и уровнем остаточных напряжений. Образцы для определения исходных механических свойств и циклического нагружения изготавливали с размерами рабочей части l0×w0×t0=25·7·3 мм (l0 – длина; w0 – ширина; t0 - толщина). Перед испытаниями образцы электрополировали в хлорноуксусном электролите (состав 90%CH3COOH+10%HClO4) при напряжении U=25 В в течение t=4 мин. Фрикционную поверхностную обработку (ФРО) плоских образцов для статического и циклического нагружения осуществляли на воздухе на лабораторной трибологической установке при возвратнопоступательном скольжении твердосплавного цилиндрического индентора по рабочей поверхности образца с нагрузкой P=690 Н, средней Рис. 1. Схема фрикционной поверхностной обработки скоростью скольжения 0,06 (ФРО) твердосплавным цилиндрическим индентором м/с и количестве двойных плоского образца из стали 3 ходов 300. Схема фрикционной обработки приведена на рис. 1. Циклическое нагружение проводили с контролируемой величиной общей деформации εобщ=2εа=εупр+εпл=0,0056 (εа – амплитуда полной деформации цикла; εупр – амплитуда упругой деформации цикла; εпл – амплитуда пластической деформации цикла), коэффициентом асимметрии цикла Rε=0 (знакопостоянное отнулевое растяжение), изменением амплитуды деформации цикла по пилообразному закону, частотой нагружения 0,5 Гц. При этом испытания осуществляли таким образом, чтобы коэффициенты асимметрии цикла как по деформации (Rε), так и по напряжению (Rσ) оставались равны нулю на протяжении всего процесса нагружения (R σ=Rε=0). Испытывали образцы с количеством циклов нагружения N равным 10, 50, 150, 250, 350 и 750. Величину накопленной пластической деформации рассчитывали по формуле ln( lê l0 ) , где l0 – расчетная длина образца; lк – длина рабочей части образца после циклического нагружения. После циклического нагружения с заданным числом циклов на образцах проводили измерения физических характеристик. Циклическое нагружение и механические испытания на одноосное растяжение проводили на сервогидравлической испытательной установке Instron 8801. Определение величины удельного электрического сопротивления ρ производили косвенным методом с помощью микроомметра БС3-010-2. При этом на рабочей части образцов, имеющей постоянное поперечное сечение площадью S, измерялась величина электрического сопротивления R на участке заданной длины L=22 мм, после чего удельное электрическое сопротивление рассчитывалось по формуле ρ=R·S/L. Измерения магнитных характеристик осуществляли на предельной и частных петлях магнитного гистерезиса. В результате измерений регистрировали параметры: коэрцитивную силу, остаточную индукцию для предельной (Hmax=60 кА/м) и частных петель магнитного гистерезиса, соответствующих максимальной магнитной индукции цикла гистерезиса bmax=1; 0,4; 0,1; 0,05 Тл соответственно. Величину начальной магнитной проницаемости μн определяли расчетным способом. Для начального участка кривой намагничивания строили зависимость (H) B 0 H , где B – магнитная индукция, Тл; H – напряженность магнитного поля, А/м [3]. Величину μн определяли путем линейной экстраполяции зависимости μ(H) на значение H=0. Измерения проводили на магнитоизмерительном комплексе Remagraph C-500. Измерение разницы вносимых импедансов между испытуемыми образцами и образцом сравнения производили на лабораторном вихретоковом приборе ИВИ с помощью датчиков трансформаторного типа. Измерительные обмотки этих датчиков включены встречно-последовательно, а намагничивающие обмотки согласнопоследовательно. Измерения проводились на частотах 2,4, 72 и 96 кГц. При этом разница вносимых импедансов оценивалась по величине отклонения стрелки индикатора α вихретокового прибора. Экспериментальные результаты и их обсуждение Рассмотрим влияние сформированного с помощью ФРО нанокристаллизованного поверхностного слоя на механические свойства при статическом одноосном растяжении (табл. 2, рис. 2). Таблица 2 Влияние фрикционной поверхностной обработки (ФРО) на прочностные и пластические характеристики стали 3 (условный предел текучести 0,2, временное сопротивление разрыву В, напряжение разрушения К, равномерное удлинение Р, общее удлинение К) Состояние 0,2, B, K, Р, К, поверхности МПа МПа МПа % % Исходное 240 380 275-280 22,3-22,7 34,9-37,7 После ФРО 275-280 Как следует из табл. 2, ФРО повышает прчностные и снижает пластические характеристики стали 3. При этом предел текучести возрастает на 35-40 МПа, временное сопротивление разрыву – на 20 МПа, напряжение разрушения – на 20-30 МПа. Равномерное удлинение снижается на 3,6-5,2%, общее удлинение – на 4,1-8,7%. Существенное влияние ФРО оказывает на вид кривой нагружения (рис. 2), заключающееся в исчезновении зуба текучести и резком уменьшении длины 400 300-305 17,5-18,7 29,0-30,8 Рис. 2. Кривые нагружения стали 3 при одноосном растяжении (1-исходное отожженное состояние, 2-после ФРО) площадки текучести образцов с нанокристаллическим поверхностным слоем. Рассмотрим влияние сформированного с помощью ФРО нанокристаллизованного поверхностного слоя на магнитные, электромагнитные и электрические характеристики отожженной стали 3 (рис. 3-5). Рис. 3. Зависимости коэрцитивной силы (а) и остаточной магнитной индукции (б) от величины накопленной пластической деформации при циклическом нагружении стали 3 в области малоцикловой усталости (□-исходное отожженное состояние, ○-после ФРО) Из рис. 3а следует, что коэрцитивная сила образцов с упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем существенно (в 1,3-1,7 раза) выше, чем у образцов с исходной полированной поверхностью. Максимальное различие в величине коэрцитивной силы наблюдается в слабых полях (область Релея). Влияние нанокристаллизованного повехностного слоя на остаточную магнитную индукцию неоднозначно (рис. 3б). В слабых полях (до 0,1 Тл включительно) остаточная магнитная индукция образцов с упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем несколько (в 1,14-1,17 раза) превышает магнитную индукцию образцов с исходной полированной поверхностью. В более сильных полях наблюдается обратная ситуация: остаточная индукция у образцов с полированной поверхностью выше, чем у образцов с упрочненным поверхностным слоем, и с ростом величины поля это различие увеличивается от 1,03 раза при величине поля 0,4 Тл до 1,27 раза при перемагничивании в максимальном поле. Величина начальной магнитной проницаемости у образцов с упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем существенно (в 1,6 раза) ниже, а величина удельного электросопротивления в 1,04 раза выше, чем у образцов с исходной полированной поверхностью (рис. 4). Существенное влияние ФРО оказывает также на показания вихретокового прибора. Как следует из рис. 5, сигнал вихретокового Рис. 4. Зависимости начальной магнитной проницаемости преобразователя для μн и удельного электросопротивления ρ от величины образцов накопленной пластической деформации при циклическом нанокристаллизованным нагружении стали 3 в области малоцикловой усталости поверхностным слоем (□-исходное отожженное состояние, ○-после ФРО) существенно (до 16 раз) выше, чем для образцов с исходной полированной поверхностью. Максимальное различие в показаниях вихретокового прибора наблюдается на частоте 72 кГц (α2, рис. 5). В процессе усталостного нагружения наблюдается рост значений коэрцитивной силы как для предельной, так и для частных петель магнитного гистерезиса (рис. 3а), что обусловлено повышением плотности дефектов структуры и связанного с ним увеличения значений критических полей взаимодействия доменных границ с дефектами [4]. Коэрцитивная сила образцов с исходной полированной поверхностью непрерывно возрастает на протяжении всего процесса деформирования, при этом наблюдается ее резкое увеличение на начальном этапе деформирования, которое с увеличением степени деформации сменяется более плавным ростом. Коэрцитивная сила образцов с упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем также возрастает на начальном этапе нагружения, и этот рост даже более интенсивный, чем у образцов с исходной полированной поверхностью. При величине накопленной пластической деформации 0,110,12 наблюдается стабилизация значений коэрцитивной силы образцов с нанокристаллизованным поверхностным слоем, которая сохраняется до окончания процесса деформирования. С ростом величины накопленной пластической деформации при циклическом нагружении различие в значениях коэрцитивной силы образцов с исходной полированной поверхностью и упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем постепенно уменьшается, и при величине накопленной деформации 0,23-0,24 коэрцитивная сила становится практически одинаковой. Это свидетельствует об уменьшении влияния упрочненного поверхностного слоя на коэрцитивную силу отожженной стали 3 с ростом величины накопленной деформации. Отметим, что у стали 3, подвергнутой циклическому нагружению в области малоцикловой усталости, в отличие от данных, полученных для стали 45 [2], не наблюдается существенного различия в характере изменения коэрцитивной силы от величины накопленной деформации в слабых и сильных полях. В отличие от коэрцитивной силы, изменение остаточной индукции в слабых и сильных полях различно. В процессе деформирования при суммарной пластической деформации до 0,03-0,04 у образцов с исходной полированной поверхностью наблюдается небольшое увеличение значений остаточной индукции для частных петель при максимальной магнитной индукции цикла гистерезиса bmax=0,05 и 0,1 Тл (рис. 3б). Это увеличение может быть связано с перераспределением дефектов кристаллической решетки (в частности, дислокаций) и появлению областей с менее дефектной структурой. Дальнейшая деформация сопровождается снижением остаточной индукции, что Рис. 5. Зависимости показаний вихретокового прибора на связано с увеличением частоте 2,4 кГц (α1), 72 кГц (α2) и 96 кГц (α3) от величины плотности дефектов накопленной пластической деформации при циклическом кристаллического строения, нагружении стали 3 в области малоцикловой усталости которые являются местами (□-исходное отожженное состояние, ○-после ФРО) легкого образования зародышей перемагничивания [5]. При деформировании образцов с нанокристаллизованным поверхностным слоем наблюдается непрерывное снижение значений остаточной индукции для частных петель при максимальной магнитной индукции цикла гистерезиса bmax=0,05 и 0,1 Тл, причем наблюдаемое снижение более интенсивно на начальном этапе деформирования до величины пластической деформации 0,07-0,1. При перемагничивании в более сильных полях для предельной петли и для частных петель при максимальной магнитной индукции цикла гистерезиса bmax ≥ 0,4 Тл изменение остаточной индукции в процессе деформирования является качественно подобным. В процессе циклического нагружения остаточная индукция как у образцов с исходной полированной поверхностью, так и у образцов с упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем резко снижается на начальном этапе деформирования при величине накопленной пластической деформации до 0,07-0,1. Дальнейшая деформация приводит к стабилизации значений магнитной индукции. При этом, как и в случае коэрцитивной силы, с ростом величины накопленной пластической деформации при циклическом нагружении различие в значении остаточной магнитной индукции образцов с исходной полированной поверхностью и упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем постепенно уменьшается, и при величине накопленной деформации 0,07-0,1 становится минимальным. Это свидетельствует об уменьшении влияния упрочненного поверхностного слоя на остаточную магнитную индукцию отожженной стали 3 с ростом величины накопленной деформации. Как следует из рис. 4, в процессе усталостного нагружения наблюдается резкое снижение начальной магнитной проницаемости образцов с исходной полированной поверхностью и упрочненным с помощью ФРО поверхностным слоем вплоть до величины накопленной пластической деформации 0,11-0,12. При этом начальная проницаемость образцов с полированной поверхностью снижается более интенсивно, в результате чего начальная проницаемость образцов с различным состоянием поверхности становится практически одинаковой. При величине деформации 0,11-0,12 происходит стабилизация значений начальной магнитной проницаемости, которая сохраняется до окончания процесса деформирования. Отметим, что удельное электросопротивление образцов в процессе деформирования не изменяется независимо от состояния поверхности (рис. 4). В процессе деформирования на начальном этапе при суммарной пластической деформации до 0,07-0,10 наблюдаются резкий рост сигналов вихретокового преобразователя (рис. 5), обусловленный снижением начальной магнитной проницаемости стали (см. рис. 4). Дальнейшая деформация сопровождается слабым ростом показаний вихретокового прибора, который сохраняется до окончания процесса деформирования. Заключение Установлено, что сформированный с помощью ФРО нанокристаллизованный поверхностный слой повышает прочностные и снижает пластические характеристики стали 3 при статическом одноосном растяжении. В частности, предел текучести возрастает на 35-40 МПа, временное сопротивление разрыву – на 20 МПа, напряжение разрушения – на 20-30 МПа. Равномерное удлинение снижается на 3,6-5,2%, общее удлинение – на 4,1-8,7%. При этом наблюдается исчезновение зуба текучести и резкое уменьшении длины площадки текучести на кривой нагружения образцов с нанокристаллическим поверхностным слоем. Получены зависимости величины коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции, начальной магнитной проницаемости и показаний вихретокового прибора на частотах 2,4-96 кГц от величины накопленной пластической деформации при циклическом нагружении. Показано существенное влияние нанокристаллизованного поверхностного слоя на магнитные и электромагнитные характеристики отожженной стали 3. В частности, наблюдается уменьшении влияния упрочненного поверхностного слоя на коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию отожженной стали 3 с ростом величины накопленной деформации. Показания вихретокового прибора на частотах 2,4-96 кГц в зависимости от величины накопленной пластической деформации при циклическом нагружении свидетельствуют о существенном различии электромагнитных характеристик упрочненного фрикционной обработкой поверхностного слоя по сравнению с исходным неупрочненным состоянием. Таким образом, полученные результаты могут быть использованы для разработки магнитного и вихретокового методов контроля состояния упрочненного фрикционной обработкой поверхностного слоя в процессе циклического нагружения отожженной стали 3. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 06-08-81032-Бел_а. Литература 1. 2. 3. 4. 5. А.В. Макаров, Л.Г. Коршунов, И.Ю. Малыгина, И.Л. Солодова Повышение теплостойкости и износостойкости закаленных углеродистых сталей фрикционной упрочняющей обработкой. Металловедение и термическая обработка металлов. 2007, № 3, 57-62. Э.С. Горкунов, Р.А. Саврай, А.В. Макаров, С.М. Задворкин, С.В. Смирнов, С.А. Роговая, М.Н. Соломеин. Применение магнитных и электромагнитно-акустических методов для оценки пластической деформации при циклическом нагружении отожженной среднеуглеродистой стали. Дефектоскопия. 2006, №5, 29-36. В.Е. Щербинин, Э.С. Горкунов. Магнитный контроль качества металлов. Екатеринбург: УрО РАН. 1996, 268. Ф. Вицена. О влиянии дислокаций на коэрцитивную силу ферромагнетиков. Чехосл. физ. журнал. 1955, т. 5, №4, 480-499. М.Н. Михеев, Э.С. Горкунов. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука. 1993, 252.
