Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 2 )

5.3. Магнитный контроль механических свойств сталей, магнитная структуроскопия

Диаграмма нагружения в координатах «напряжение-деформация» наиболее полно характеризует реакцию металла на внешнее воздействие, так называемое, напряженно-деформированное состояние (НДС). Поэтому в работах [217, 218] авторы постарались связать традиционные механические свойства металла (пределы текучести и прочности – и ) с магнитным параметром – коэрцитивной силой . По своей природе является мерой сопротивления ферромагнетика размагничиванию, происходящему обычно путем смещения 90° и 180° междоменных границ (МГД) или вращения вектора намагниченности в одноименных частицах. Следовательно, связана с магнитной энергией и внутренним полем анизотропии. Модели Керстена, Нееля и Кондорского стали основой для установления связи с параметрами тонкой структуры металла [219, 220, 221]: химическим и фазовым составом, размером зерен, включениями, точечными, дефектами и порами, плотностью дислокаций, микропластической деформацией, внутренними напряжениями.

Опытным путем было установлено, что вплоть до температуры размагничивания (768°С) в низколегированных и малоуглеродистых сталях (до 0,2% С), у которых необратимое намагничивание осуществляется смещением 90° и 180° МДГ, коэрцитивная сила следующим образом связана со структурными параметрами:

, (5.2)

т. е. чем больше размер зерна, тем меньше .

, (5.3)

т. е. с ростом плотности дислокаций ρ в металле увеличивается .

, (5.4)

т. е. с ростом числа включений Y в единице объема коэрцитивная сила возрастает (m=0,5–1).

, (5.5)

т. е. имеется связь с кристаллографией решетки и доменами, где:  – соответствует направлению легкого скольжения (намагничивания)  =0°,  – константа.

, (5.6)

т. е. с ростом пластической деформации () возрастает.

, (5.7)

т. е. с ростом внутренних напряжений , растет пропорционально ширине междоменной границы δ и магнитострикции , где: МS – магнитная проницаемость, L – длина волны напряжений в металле.

Анализируя исходное магнитное состояние металла, характеризуемое величиной , а затем его изменение при нагружении можно получить информацию о поведении доменной структуры, микропластической деформации, накоплении повреждений и росте внутренних (остаточных) напряжений в металле на протяжении всей его жизни вплоть до разрушения. При этом, совокупное изменение всех перечисленных структурных факторов возможно только в рамках того запаса магнитной и механической энергии, исчерпание которого приведет к разрушению металла. Таким образом, коэрцитивная сила , подчиняясь закону сохранения энергии, может свидетельствовать не только об исходном и предельном магнитном состоянии, но и фиксировать промежуточные фазы перехода металла из одного механического состояния в другое. Например, в область упруго-пластических деформации или в стадию разупрочнения металла, которое трудно зафиксировать другими неразрушающими методами. В работах [222, 223] было подтверждено экспериментальным путем, что по величине можно моделировать диаграмму нагружения конструкционных сталей при статике. Но еще важнее, что по изменению можно вести анализ накопления рассеянных повреждений при усталости [224, 225]. Ориентация доменов при постоянном внешнем магнитном поле земли и изменение доменной структуры под влиянием внутренних и внешних напряжений и деформаций следуют за структурной перестройкой в соответствии с принципом минимума потенциальной энергии. Задача описания роста при усталости в условиях многочастотного нагружения и сложном напряженном состоянии с помощью уравнений математической физики пока не решена. Основная причина этого связана со сложностью магнитной подсистемы металлов, которая определяется наличием двух групп доменных границ (90° и 180° МДГ), которые могут смещаться как обратимым, так и необратимым образом. Не определяется только необратимыми смещениями обеих групп МДГ, а точнее критическими полями перемагничивания 90° и 180° МДГ. Такие смещения МДГ обусловлены двумя причинами: во-первых, внутренними полями рассеяния, действующими как на 90°, так и на 180° МДГ и не связанными с напряжениями в металле и, во-вторых, градиентами внутренних напряжений второго и третьего рода, действующими на МДГ и напряжениями третьего рода, действующими только на 90° МДГ [226, 227]. Таким образом, при анализе экспериментальных зависимостей и приходится учитывать совокупное влияние напряжений 1‑го, 2‑го и 3‑го рода и вклад пластической деформации (т. е. рост плотности дислокаций). Такой многофакторный анализ, где требуется совместить квантовую теорию и теорию магнетизма с макропроцессами при пластической деформации металла, осуществить достаточно сложно. Поэтому в современной физике металлов специалисты ограничиваются в основном феноменологическими представлениями, опирающимися на основы квантовой механики и физики прочности. С позиций квантовой механики каждый ферромагнетик обладает ограниченным запасом как магнитной, так и механической энергии. Поэтому анализ механического состояния стали можно вести по величине , установив энергетические рамки изменения последней для каждой марки индивидуально. Так, как это делают при магнитном неразрушающем контроле механических свойств металлопродукции на металлургических заводах.

Полученные корреляции механических свойств () и коэрцитивной силы (А/см) для ряда образцов сталей представлены в табл. 5.1. Коэффициент корреляции – . Среднее квадратическое отклонение – .

Таблица 5.1

Корреляция механических свойств и (А/см), измеренной на установке КИФМ-1, при испытании на разрыв образцов из сталей Ст10, Ст20, Ст35, Ст40

Марка стали	Корреляционное уравнение (кг/мм2), (кг/мм2),
Ст10		0,97 0,98 0,96	0,64 0,57 0,86
Ст20		0,99 0,96 0,98	0,79 0,45 0,17
Ст35		0,99 0,99 0,95	2,68 2,55 1,0
Ст45		0,98 0,99 0,94	2,57 2,8 1,02

Как следует из табл. 5.1, высокий коэффициент корреляции связи магнитных и механических характеристик гарантирует возможность неразрушающего контроля качества металла по величинам относительного удлинения, пределов прочности и текучести, полученным на основании данных магнитного контроля. Для холоднодеформируемых, а затем термообработанных труб поля корреляции механических свойств и величины тока размагничивания JРС (пропорционального ) описываются линейными уравнениями типа: