close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1877 v.v. klyuev red nerazrushayushiy kontrol v.v. klyuev red

код для вставкиСкачать
| — __________ / < Р х
СПРАВОЧНИК
------------------------------^
7
и
----------------
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ
КОНТРОЛЬ
Справочник в 8 томах
под редакцией чл.-корр. РАН
В.В. КЛЮЕВА
Том 6
Издание 2-е, переработанное и исправленное
В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкуиов, В.Е. Щербинин
МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Книга 1
В.Н. Филинов, А А Кеткович, М.В. Филинов
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2006
УДК [681.2+620](035)
ББК 30.82
H 54
Н54
Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева.
Т. 6: В 3 кн. Кн. 1. В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин.
Магнитные методы контроля. Кн. 2.IB.H. Филинов!, А.А. Кеткович, М.В. Фили­
нов. Оптический контроль. Кн. 3. В.И. Матвеев. Радиоволновой контроль. 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 848 с.: ил.
ISBN 5-217-03338-Х (т. 6. кн. 1, кн. 2, кн. 3)
ISBN 5-217-03185-9
В первой книге рассмотрены физические основы магнитного неразрушающего контроля,
методы и средства магнитной дефектоскопии и структуроскопии, примеры взаимосвязи между
магнитными параметрами и механическими характеристиками ферромагнитных металлов,
применение для технической диагностики усталостных явлений и оценка остаточного ресурса.
Обобщены результаты исследований закономерностей изменения магнитных, электрических и
механических свойств сталей при вариации температуры отжига, закалки и отпуска. Проанали­
зированы возможности использования магнитных характеристик для контроля качества закалки
и отпуска, поверхностного упрочнения и оценки напряженного состояния изделий из сталей.
Приведены результаты исследований контроля прочностных и пластических свойств сталей, а
также приборы магнитного неразрушающего контроля.
Во второй книге рассмотрены структурные схемы, элементная база и алгоритмы обработки
дефектоскопической информации в автоматизированных системах оптического неразрушающе­
го контроля. Описаны методы контроля микрообъектов и средства эндоскопии, системы раз­
мерного контроля и структуроскопии. Особое внимание уделено перспективным направлениям
оптической дефектоскопии с применением лазерной техники, голографических технологий
контроля, средств комплексной диагностики объектов. Приведены примеры реализации средств
оптического контроля и диагностики в ведущих отраслях промышленности.
В третьей книге изложены основы и области применения радиоволнового контроля, рас­
смотрены методы контроля, элементы техники СВЧ, типовые схемы построения преобразовате­
лей и приборов. Для каждого из радиоволновых методов даны особенности технической реали­
зации с примерами конкретных применений. Приведены национальные стандарты по радиовол­
новым методам и приборам, программы обучения и аттестации, перечни вопросов для сдачи
квалификационных экзаменов.
Для специалистов промышленш :т и ,'р а ^ ^ ц д а ф
контр! ля, эксплуатации и ремонта, а
также для специалистов, обслужив :ющих медишшаэдю и .таможенную технику, может быть
полезен преподавателям и студента! Вуз8Х.ЫНД - _ *
GO
1ж 1|
ISBN 5-217-03338-Х (т. 6. кн. 1, кн. 2,
ISBN 5-217-03185-9
академик С.Беисем
/ атьждаш гылыми
К1ТАПХАНАО
|
Щ
[681.2+620](035)
ББК30.82
■
МНПО « Спектр», 2006
© «Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
Книга 1. МАГНИТНЫЕ
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
3.3.1. Гальваномагнитные
{В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий,
Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин)
ные на эффекте Холла и
ВВЕДЕНИЕ.....................................
преобразователи, основан­
эффекте Гаусса.................
3.3.2.
13
Гальваномагнитно-
рекомбинационные
Ч ас ть 1. М А Г Н И Т Н А Я Д Е ­
Ф Е К Т О С К О П И Я .......................
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОС­
НОВЫ МАГНИТНЫХ
МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
1.1. Феноменологическое
описание магнитных яв­
лений .................................
1.2. Основные понятия .,.
1.3. Магнитные свойства
веществ..............................
1.4. Ферромагнетики. При­
рода ферромагнетизма.....
Глава 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
РАССЕЯНИЯ ДЕФЕК­
ТОВ ...................................
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕ­
ОБРАЗОВАТЕЛИ МАГ­
НИТНЫХ П О Л Е Й .........
3.1. Общие сведения.........
3.2. Индукционные преоб­
разователи магнитных по­
лей .......................................
3.2.1. Пассивные индук­
ционные преобразователи
3.2.2. Магнитоиндукцион­
ные преобразователи.......
3.3.
Гальваномагнитные
преобразователи...............
пре­
образователи .....................
19
3.3.3. Полупроводниковые
преобразователи на основе
магнитодиодного эффекта
3.3.4. Магнитодиоды........
3.3.5. Магнитотранзистор ы ........................................
3.3.6. Полевые магнитотранзисторы......................
3.3.7. z-Элементы.............
3.3.8. Тонкопленочные
магниторезисторы............
3.3.9. Магниторезисторы с
гигантским магнеторезистивным эффектом...........
3.3.10. Феррозондовые пре­
образователи магнитных
полей ...................................
3.3.11. Однообмоточные
феррозонды.......................
19
19
26
29
30
40
50
54
55
56
57
58
58
59
62
63
64
45
45
Глава
Глава
46
4. МАГНИТНЫЕ ТОЛ­
ЩИНОМЕРЫ .................
67
5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ
МЕТОД ДЕФЕКТОСКО­
П И И ....................................
73
46
49
50
5.1. Общие сведения........
5.2. Двухэлементный фер­
розонд .................................
5.3. Аналитические расчеты
73
73
75
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
5.4. Матричные преобра­
зователи .............................
5.5. Техника феррозондовой дефектоскопии.........
5.5.1. Техника применения
феррозондов......................
5.5.2. Контроль цилиндри­
ческих объектов................
5.5.3. Феррозондовые при­
боры
Глава 6.
МАГНИТОГРАФИ­
ЧЕСКАЯ
ДЕФЕКТО­
СКОПИЯ .........................
6.1. Общие сведения.........
6.2. Запись на ленту..........
6.3. Запись в приложенном
поле..................................
6.4. Магнитные ленты......
6.5. Магнитографические
дефектоскопы ...................
Глава 7.
ИНДУКЦИОННЫЕ
ДЕФЕКТОСКОПЫ.......
Глава 8. МАГНИТНЫЕ ДЕ­
ФЕКТОСКОПЫ
ДЛЯ
КОНТРОЛЯ СОСТОЯ­
НИЯ СТЕНОК ТРУБО­
ПРОВОДОВ И РЕЗЕР­
ВУАРОВ .........................
77
78
78
80
82
84
84
85
87
89
89
93
96
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕД­
СТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ МА­
ГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗО­
ПРОВОДОВ И ЭЛЕК­
ТРОСВАРНЫХ Т Р У Б ...
99
9.1. Внутритрубные маг­
нитные
дефектоскопыснаряды ......................
99
9.1.1. Выделение попереч­
ных сварных ш вов.........
9.1.2. Сокращение объема
обрабатываемой
инфор­
мации ...............................
9.1.3. Слияние точек.......
9.1.4. Устранение техно­
логических элементов тру­
бопроводов,
магнитных
маяков и спиральных
сварных ш вов...................
9.2. Объемно-шовный де­
фектоскоп для магнитного
контроля качества нефте­
газопроводных электро­
сварных труб в техноло­
гическом потоке...............
9.3. Неразрушающий кон­
троль сварных швов каче­
ства нефтегазопроводных
электросварных труб........
101
101
101
101
105
107
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ
ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖ­
НОГО ПРОФИЛЯ............ 110
10.1. Поперечная танген­
циальная
составляющая
магнитного поля__1.........
10.2. Двухчастотный ме­
тод дефектоскопии по­
верхностей сложной фор­
мы
.............................
10.3. Намагничивающая
система............................
10.4. Фазочувствительный
электромагнитный метод..
10.5. Приборы для обна­
ружения усталостных тре­
щин на поверхностях
сложной формы.......... .
110
115
117
117
120
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
10.5Л. Прибор для обна­
ружения трещин в резьбах
с токовой намагничиваю­
щей системой..................
10.5.2. Бесконтактный элек­
тромагнитный дефектоскоп
резьбовых деталей............
10.5.3. Дефектоскопы зуб­
чатых колес главных су­
довых редукторов............
10.5.4. Базовые магнитные
дефектоскопы..................
10.6. Техническая диагно­
стика текущего состояния
высоконагруженных резь­
бовых соединений..........
Ч асть 2. М АГНИТНАЯ
С Т РУ К Т У Р О С К О П И Я ..........
122
123
125
127
130
135
Глава 11. ВЗАИМОСВЗЯЬ МАГ­
НИТНЫХ И МЕХАНИ­
ЧЕСКИХ СВОЙСТВ СО
СТРУКТУРНЫМ
СО­
СТОЯНИЕМ СТАЛЕЙ
И СПЛАВОВ.................. 137
11.1. Влияние структур­
ных факторов на процессы
намагничивания и пере­
магничивания ферромаг­
нетиков............................
137
11.1.1. Причины магнит­
ного гистерезиса.............. 138
11.1.2. Влияние напряже­
ний на процессы перемаг­
ничивания ........................ 140
11.1.3. Влияние включе­
ний и концентрационных
неоднородностей на про­
цессы перемагничивания.. 141
11.2. Физические свойства
основных
структурных
составляющих стали........ 145
11.3. Взаимосвязь между
механическими и магнит­
ными свойствами............. 148
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗ­
МЕНЕНИЙ ПРИ ТЕР­
МИЧЕСКОЙ
ОБРА­
БОТКЕ НА МАГНИТ­
НЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕС­
КИЕ И МЕХАНИЧЕС­
КИЕ СВОЙСТВА СТА­
Л Е Й .................................. 150
12.1. Отжиг сталей . ..........
12.2. Нормализация.........
12.3. Закалка сталей.........
12.3.1. Доэвтектоидные уг­
леродистые и низколегированные конструкцион­
ные стали............. ............
12.3.2. Конструкционные
углеродистые качествен­
ные стали..........................
12.3.3. Конструкционные
легированные стали........
12.3.4. Рессорно-пружин­
ные стали..........................
12.3.5. Заэвтектоидные уг­
леродистые и легирован­
ные стали..........................
12.3.6. Высоколегирован­
ные стали..........................
12.3.7. Мартенситно-стареющие и аустенитномартенситные стали спе­
циального назначения......
150
153
153
156
157
159
164
166
170
173
ОГЛАВЛЕНИЕ
6
из­
13.1. Анализ устойчивости
менения намагниченности
насыщения при закалке
магнитных состояний фер­
12.3.8.
Особенности
ромагнетиков ...\*................
стали в интервале темпе­
ратур Ас1- Асз Л...............
12.3.9. Магнитный струк­
турный анализ закаленных
изделий..............................
12.4. Отпуск сталей..........
12.4.1. Структурно-фазо­
вые изменения при отпус­
ке закаленных сталей.......
12.4.2. Низкоуглеродистые
и легированные стали с
содержанием углерода до
0 , 3 % ........: ..............
12.4.3.
Среднеуглероди­
стые и легированнные
стали с содержанием уг­
лерода 0,3 ... 0,4 % ...........
12.4.4. Средне-, высокоуг­
леродистые и легирован­
ные стали с содержанием
углерода более 0,4 % .......
12.4.5. Высоколегирован­
ные стали .
......
12.4.6. Мартенситно-ста­
реющие, аустенитно-мартенситные и ферритноаустенитные стали специ­
ального назначения.........
12.4.7. Магнитный струк­
турный анализ закаленных
и отпущенных изделий ....
13.1.1.
176
205
Структуроскопия
сталей на основе анализа
устойчивости их магнит­
176
178
ных состояний к действию
постоянных и переменных
магнитных п о л ей ...............
206
13.1.2. Устойчивость маг­
178
нитных состояний сталь­
ных ферромагнитных из­
делий с различной струк­
турой к действию упругих
182
напряжений ...'......V ........
218
13.1.3. Устойчивость маг­
нитных состояний сталь­
185
ных ферромагнитных из­
делий к воздействию тем­
пературы .............................
187
Г лава 14.
П РИ БО РЫ
222
КО Н ­
ТРО Л Я С ТРУ КТУ РЫ И
192
М ЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ
ТЕРМ И Ч Е­
СКИ О БРАБОТАНН Ы Х
И З Д Е Л И Й ..........................
197
14.1.
Коэрцитиметричес­
кие приборы ....................
202
Глава 13. М ЕТОДЫ КО Н ТРО ­
ЛЯ
СТРУКТУРНОГО
СОСТОЯНИЯ И КАЧЕ­
СТВА ТЕРМ И ЧЕСКО Й
ОБРАБОТКИ СТА ЛЬ­
НЫ Х ИЗДЕЛИЙ ............. 205
228
228
14.2. Приборы НК по из­
мерению остаточной ин­
дукции ................................
233
14.3. Приборы НК по из­
мерению остаточной ин­
дукции частично размаг­
ниченного состояния.......
239
7
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 15. МАГНИТНЫЕ МЕ­
ТОДЫ
И
КОНТРОЛЯ
ВА
ПРИБОРЫ
КАЧЕСТ­
ПОВЕРХНОСТНО­
ГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗ­
ДЕЛИЙ ..............................
247
15.1. Структура и физико­
механические
свойства
слоев, упрочненных раз­
личными способами.......
247
15.2. Контроль качества
поверхностного упрочне­
ния изделий ....................
253
Глава 16. МАГНИТНЫЕ МЕ­
ТОДЫ И ПРИБОРЫ
ФАЗОВОГО АНАЛИЗА
270
16.1. Магнитные характе­
ристики, используемые в
фазовом магнитном ана­
лизе
16.2. Методы фазового
магнитного анализа.........
16.3. Качественный и ко­
личественный
фазовый
анализ сталей....................
16.4. Определение количе­
ства остаточного аустени­
та в ферромагнитных из­
делиях ........................... .
2.6.5. Контроль структуры
и пористости изделий по­
рошковой металлургии ...
270
271
271
17.1. Физические основы
метода эффекта Баркгаузена, проблемы и перспек­
тивы его использования
для контроля механиче­
ских напряжений.............
17.2. Модели формирова­
ния магнитных шумов и
определение
основных
информационных
пара­
метров контроля...............
17.2.1. Базовая модель
приборов серии А Ф С .......
17.3. Первичные преобра­
зователи магнитно-акусти­
ческих шумов и исследо­
вание режимов их работы
17.4. Средства контроля
механических напряжений
17.4.1. Эксперимент и
оборудование...................
17.4.2. Связь параметров
огибающей сигналов маг­
нитных шумов с уровнем
микронапряжений......303
17.4.3. Зависимость пара­
метров магнитных и магнитно-акустических шу­
мов от уровня макрона­
пряжений ...........................
287
291
291
294
299
299
305
283
17.4.4. Исследование влия­
ния поверхностного пла­
стического деформирова­
ния на параметры магнит­
ных ш умов........................ 310
Глава 17. МЕТОД ЭФФЕКТА
БАРКГАУЗЕНА И СРЕД­
СТВА КОНТРОЛЯ, ОС­
НОВАННЫЕ НА ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИИ..... 287
17.4.5. Сравнительный ана­
лиз параметров магнитных
и магнитно-акустических
шумов и разработка алго­
ритмов на основе их со­
вместного использования 320
278
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 18. М А ГН И ТН Ы Е М Е­
ТО ДЫ О П РЕД ЕЛ ЕН И Я
К РИ С ТА Л ЛО ГРА Ф И ­
Ч Е С К О Й Т Е К С Т У Р Ы ..
323
18.1. Кристаллографичес­
кая текстура и ее влияние
на свойства материалов ...
323
18.1.1. Текстура и анизо­
тропия свойств................... 325
18.1.2. Методы определе­
ния структуры.................... 328
18.2...Магнитный текстур­
ный анализ.................. ...... 329
18.2.1. Метод АкуловаБрю хатова.................... ...... 329
18.2.2. Определение тек­
стуры по кривым крутя­
щего момента..................... 331
18.3. Устройства для реа­
лизации магнитного мето­
да определения текстуры.. 332
18.3.1. Анизометры для
измерения механического
момента............................... 332
18.3.2. Анизометры для
измерения
нормальной
составляющей
вектора
намагниченности............... 333
18.3.3. Магнитные текстурометры
..................... 333
18.4. Первичные электро­
магнитные преобразователи,
используемые при опреде­
лении текстуры и анизотро­
пии магнитных свойств..... 339
18.4.1. Преобразователи с
П-образным магнитопро­
водом
339
18.4.2. Преобразователи с
С-образным магнитопро­
водом ................ ,.г.........
18.4.3... Преобразователи с
Т-образным, стержневым
и сложным магнитопроводами .....................................
18.4.4. Вихретоковые дат­
чики магнитной анизотро­
пии
.............................
18.4.5. Динамически вра­
щающиеся преобразовате­
ли .
.............................
341
341
343
343
Глава 19. М АГНИТНАЯ ДИ­
АГНОСТИКА
МЕХА­
НИЧЕСКИХ
НАПРЯ­
Ж ЕН И Й
В
Ф ЕРРО ­
М АГНИТНЫ Х
О БЪ ­
ЕКТАХ ..............................
346
19.1. Влияние внешних
напряжений на коэрци­
тивную силу углероди­
стых сталей........................ 346
19.2. Магнитный контроль
(по коэрцитивной силе)
деформированного состо­
яния и остаточного ресур­
са стальных металлокон­
струкций подъемных со­
оружений и сосудов, рабо­
тающих под давлением .... 350
СП И СО К Л И Т Е Р А Т У Р Ы ...........
358
П рилож ен ия.....................................
359
1. Национальные и меж­
дународные стандарты по
сертификации специали­
стов
по
магнитному
контролю.............. . ............. 359
2. Требования к техниче­
ским знаниям персонала
неразрушающего контро­
ля. Магнитный контроль... 368
9
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.2.1. Тепловые излучате­
ли
1. . .
412
2.2.2. Разрядные лампы .... 413
Книга 2. ОПТИЧЕС­
КИЙ КОНТРОЛЬ
{В.Н. Филинов, А.А. Кеткович,
М.В. Филинов)
ПРЕДИСЛОВИЕ.........................
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОС­
НОВЫ ОПТИЧЕСКОГО
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ (ОНК)........
1.1. Основы физической
оптики............................
1.2. Фотометрическая ап­
паратура ..........................
1.3. Методы измерения
оптических параметров ...
1.3.1. Измерение коэффи­
циента отражения............
1.3.2. Измерение коэффи­
циента поглощения.........
1.3.3. Измерение коэффи­
циента рассеяния.............
1.3.4. Измерение коэффи­
циента пропускания........
1.3.5. Измерение показа­
теля преломления............
1.3.6. Измерение коэффи­
циента излучения............
1.4. Основы геометриче­
ской оптики ....................
Глава 2. СТРУКТУРА И ЭЛЕ­
МЕНТНАЯ БАЗА СИС­
ТЕМ О Н К........................
2.1. Структура автомати­
ческой системы ОНК......
376
378
2.2.3. Светоизлучающие
диоды
414
2.2.4. Источники света с
радиоактивными изотопами
415
2.2.5. Лазерные источники
излучения ...............;1........ 416
2.3. Приемники излучения 418
2.3.1. Интегральные при­
емники излучения............
418
378
2.3.2. Дифференциальные
приемники излучения......
423
386
2.4. Оптические системы
ОНК............. ..................
425
389
2.5. Компьютерные техно­
логии обработки дефекто­
скопических изображений
438
2.5.1. Алгоритмы предва­
рительной обработки изо­
бражений ..............(С.......
438
2.5.2. Сегментация и мор­
фометрический
анализ
изображений....................
440
Глава 3. СРЕДСТВА ОПТИ­
ЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
МИКРООБЪЕКТОВ......
444
3.1. Основные характери­
стики микроскопов..........
444
3.2. Объективы и окуляры
микроскопов....................
447
3.3. Методы освещения
объектов контроля...........
448
3.4. Фазово-контрастные и
интерференционные мето­
ды в микроскопии...........
452
389
392
393
394
395
399
400
407
407
2.2. Источники оптическо­
го излучения............... ;.... 410
10
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.5.
Микропроекция
и
микрофотография.............
6.3. Спектральные методы
оптической структуроскопии ................ ...............'.....
517
6.4. Оптическая металло­
графия .................................
520
Глава 7. ОПТИЧЕСКИЕ М Е­
ТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕ­
ОМ ЕТРИИ ........................
524
7.1. Оптико-механические
приборы..............................
524
7.2. Телевизионные систе­
мы
.....................
526
472
476
7.3. Лазерные измерители
размеров.............................
530
477
7.4. Световодные датчики
перемещения......................
537
7.5. Средства оптической
толщинометрии.................
539
7.6. Методы и приборы
контроля профиля и фор­
мы изделий.........................
540
7.7. Приборы контроля
микрогеометрии изделий ..
548
Глава 8. ПРИМЕНЕНИЕ ОП­
ТИЧЕСКОГО
КОНТ­
РОЛЯ В ПРОМ ЫШ ­
ЛЕННОСТИ .....................
556
8.1. Оптический контроль
в авиационной технике ....
556
556
562
453
3.6...Классификация мето­
дик ........................................
Глава 4. ОПТИЧЕСКИЙ КОН­
ТРО ЛЬ ВНУТРЕННИХ
ПОЛОСТЕЙ
ОБЪЕК­
ТОВ ...................... ..............
4.1. Контроль с помощью
жестких оптических сред­
ств на базе линзовой оп­
тики ......... ...........................
4.2. Контроль с помощью
гибких оптических сред­
с т в .................. ••••••............
4.3. Фотоэндоскопы.........
4.4. Телевизионные эндо­
скопы ...................................
454
465
465
Глава 5. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ
КОНТРОЛЬ (ГНК) ......
482
5.1. Методы и аппаратура
оптической голографии ...
5.2. Голографическое обо­
рудование ...........................
5.3. Методы получения
голографических
интер­
ферограмм ..........................
Глава 6. ПРИБОРЫ ОПТИЧЕ­
СКОЙ СТРУКТУРОС­
К О П И И ............................
482
493
497
510
6.1. Определение внутрен­
них напряжений в мате­
риалах .................................
510
8.1.1.
Эндоскопический
контроль газотурбинных
двигателей и ракетных
систем
;..............
6.2. Методы анализа струк­
туры прозрачных объектов
513
8.1.2. Оптический кон­
троль формы лопаток ГТД
11
ОГЛАВЛЕНИЕ
8.1.3. Применение оптико­
механических
приборов
при производстве лета­
тельных аппаратов ..........
565
8.2. Оптический контроль
в металлургии...................
574
8.2.1. Устройства контро­
ля наличия и геометрии
заготовки и раската..........
574
8.2.2. Измерение скорости
проката...............................
652
8.6.4. Лазерная скани­
рующая микроскопия из­
делий электроники...........
656
8.6.5. Перспективы совер­
шенствования оптических
методов контроля...........
658
СПИСОК ЛИ ТЕРА ТУ РЫ .........
664
580
8.2.3. Поточный контроль
неплоскостности листово­
го проката.........................
584
8.3. Оптический контроль
в нефтегазовом комплексе
588
Книга 3. РАДИОВОЛ­
НОВОЙ КОНТРОЛЬ
(В.И. Матвеев)
П РЕДИСЛОВИЕ...........................
8.3.1. Оптические методы
контроля нефтепродуктов
в процессе транспорти­
ровки .......................... ........
588
8.3.2. Оптический кон­
троль эпоксидных покры­
тий т р у б .............................
611
8.4. Оптический контроль
в машиностроении...........
614
8.4.1. Контроль полостей в
собранных механизмах ....
614
8.4.2. Лазерные методы
контроля в машинострое­
нии ........... ............... ..........
616
8.5. Применение ОНК в
судостроении....................
8.6.3. Видеодиагностика
светодиодов и ВОЛС ......
628
666
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОС­
НОВЫ РАДИОВОЛНО­
ВОГО НЕРАЗРУЩАЮЩ ЕГО К О Н ТРО Л Я .......
668
1.1. Радиоволны................
668
1.2. Особенности радио­
волн СВЧ-диапазона........
669
1.3. Источники и прием­
ники радиоволнового из­
лучения СВЧ, элементы
техники С В Ч .....................
675
1.4. Взаимодействие ра­
диоволн с диэлектричес­
ким слоем .......................
694
8.6. Оптический контроль
в микроэлектронике.........
637
1.5. Рассеяние радиоволн ..
698
8.6.1. Контроль полупро­
водниковых материалов...
637
8.6.2. Контроль дефектов
поверхности пластин.......
643
Глава 2. МЕТОДЫ И СРЕД­
СТВА РАДИОВОЛНО­
ВОГО КОНТРОЛЯ .......
701
12
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.1. Классификация мето­
дов и основные области
применения ......................
701
2.2. СВЧ-толщинометрия
702
2.2.1. Геометрический ме­
тод ....................................
702
2.2.2. Амплитудно-фазо­
вый метод ......................
705
2.2.3. Частотно-фазовый
метод................................
709
2.2.4. Метод радиоволно­
вой эллипсометрии...........
711
3.1. Общие положения ....
785
2.3. СВЧ-дефектоскопия и
структуроскопия ..............
712
3.2. Защита от радиовол­
нового излучения .............
786
2.3.1. Структурные неод­
нородности и дефекты.....
712
3.3. Методы контроля
СВЧ-излучения.................
788
2.3.2. Дефектоскопы на
прохождение....................
714
2.3.3. Дефектоскопы на
отражение........................
715
2.3.4. Структуроскопы ...
721
Глава 4. СТАНДАРТЫ В РАДИОВОЛНОВОМ
НЕРАЗРУШАЮЩЕМ
КОНТРОЛЕ.....................
789
2.3.5. Радиоинтроскопы ...
724
Приложения ..................................
791
1. Измерение мощности
СВЧ-излучения..............
791
2. Измерение частоты
СВЧ-излучения..............
792
3. Измерение параметров
элементов СВЧ-трактов
794
4. Требования к техниче­
ским знаниям персонала,
работающего в области
неразрушающего контроля
по радиоволновому мето­
ду I, II, III уровней квали­
фикации ...........................
798
5. Рекомендуемые экзаме­
национные вопросы по
радиоволновому методу
контроля ...........................
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
806
841
2.4. Контроль физико-ме­
ханических и технологи­
ческих параметров............
2.4.1. Измерение диэлек­
трических характеристик
материалов ......................
2.4.2. Контроль плотности
2.4.3. Контроль влажности
2.4.4. Контроль техноло­
гических параметров (вяз­
кости, отвердевания, вул­
канизации, гомогенности
и т.п.)................................
2.4.5. Контроль давления,
усилия, деформации........
2.4.6. Резонансные СВЧметоды неразрушающего
контроля ..........................
732
732
737
742
748
755
759
2.5. Контроль динамиче­
ских процессов (смеще­
ния, уровня, скорости,
ускорения, вибраций) .....
762
2.6. СВЧ-томография ,
766
2.7. Специальные средства
диагностики.....................
771
Глава 3. БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ
НЕРАЗРУШАЮЩЕМ
КОНТРОЛЕ РАДИОВОЛ­
НАМИ СВЧ .....................
785
Книга 1
МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные методы используют для
контроля размеров, нарушений сплошно­
сти, структуроскопии и определения фазо­
вого состава ферромагнитных материалов.
Еще в XIX в. магнитные методы контроля
впервые применили для оценки структур­
ного состояния материалов и прочностных
характеристик изделий — корпусов раз­
рывных снарядов, ружейных затворов,
ружейных и артиллерийских стволов. На
Тульском Императорском военном и Зла­
тоустовском горно-металлургическом за­
водах для контроля использовали магнит­
ную установку - электромагнитный ба­
ланс. Уже первые попытки введения тако­
го контроля на Тульском заводе позволили
выявить до 65 % бракованных стволов ру­
жей. В 1902 г. на съезде металлургов Ура­
ла обсуждался опыт положительного при­
менения магнитного метода для контроля
структуры и свойств металла.
В 1927 г. изобретатель Ф.М. Карпов
разработал
дефектоскоп-электромагнит
для контроля осей и колесных пар ваго­
нов.
В 1930-х годах Н.С. Акулов,
Р.И. Янус, М.Н. Михеев начали формиро­
вать новое научное направление - магнит­
ный структурно-фазовый анализ сталей и
сплавов.
В 1937 г. в Москве прошла первая
конференция по магнитному структурно­
му анализу. В 1931-1934 гг. Н.С. Акулов
создал приборы для контроля структуры и
фазового состава сталей. В те же годы на­
чали применять в качестве параметра кон­
троля структурного состояния коэрцитив­
ную силу. М.Н. Михеев создал универ­
сальный переносной коэрцитиметр для
локального контроля структуры и твердо­
сти проката и изделий машиностроения,
который в различных модификациях ис­
пользуется до настоящего времени.
В 1932 г. Р.И. Янус разработал маг­
нитный метод контроля электротехниче­
ской стали, что позволило перейти от вы­
борочного контроля к сплошному контро­
лю магнитных характеристик этой стали.
В 1936 г. на основе работ Ф.М. Кар­
пова была изготовлена и введена в экс­
плуатацию дефектоскопическая станция,
которую устанавливали на специальных
вагонах и дрезинах. В качестве намагни­
чивающего устройства использовали маг­
нит, перемещающийся над рельсом. Маг­
ниточувствительным элементом служило
электромеханическое устройство, реали­
зующее пондеромоторный метод. Усо­
вершенствовал пондеромоторный метод
контроля рельсов Р.И. Янус. Одновремен­
но П.А. Халилеев разработал индукцион­
ные чувствительные элементы, которые
позволили увеличить скорость станций
(вагонов-дефектоскопов) до 60 км/ч.
В.К. Аркадьев опубликовал осново­
полагающую статью "О развитии теорети­
ческих основ магнитной дефектоскопии"
(Изв. АН СССР. 1937. № 2), где он впер­
вые показал, что действие дефекта эквива­
лентно действию диполя, имеющего мо­
мент, аналогичный моменту дефекта, и
расположенного в центре него, а также
сформулировал основные задачи магнит­
ной дефектоскопии.
\4
ВВЕДЕНИЕ
В \9 3 8 г. С.В. Вонсовский изложил сов физики магнитных измерений в при­
теоретические основы магнитной дефек­ менении к проблемам дефектоскопии;
тоскопии в статье "Простейшие расчеты указано, какие магнитные характеристики
теоретических основ магнитной дефекто­ и в каких случаях следует использовать
скопии”.
при дефектоскопии, какие методы измере­
В 1939 г., после серии предваритель­ ний магнитных характеристик наиболее
ных исследований и натурных опытов, целесообразно применять; изложены ос­
были внедрены индукционные дефекто­ новные принципы построения дефекто­
скопические тележки для контроля рель­ скопов различных типов.
сов, уложенных в пути (А.Б. Сапожников,
В 1952 г. ПЛ. Халилеев и В.В. Вла­
Н .В . Мирошин, Б.П. Кашкин, П.Н. Боль­ сов создали индукционные искатели с
шаков, Н.М. Шилов; коллектив мастер­ возможностью записи снимаемых с них
ских Сибирского физико-технического ин­ сигналов на киноленту. Эти приборы ши­
ститута).
роко применяли в вагонах-дефектоскопах
С 1941 г. на всех железнодорожных для контроля рельсов.
путях Советского Союза начали успешно
В 1952 г. К.С. Маховер и К.В. Усенко
применять дефектоскопические тележки с во Всесоюзном научно-исследовательском
постоянным магнитным полем, позво- институте строительства магистральных
ляющие обнаруживать скрытые трещины трубопроводов (ВНИИСТ) разработали
в рельсах (ЦНИИ, А.Н. Матвеев, И.М. Лы­ магнитографический метод. Исследовани­
ем и совершенствованием этого метода
сенко).
Первая монография по магнитной контроля занимались в МВТУ им. Баума­
дефектоскопии была написана Р.И. Яну­ на, АН БССР, Шосткинском филиале
НИКОИ, СКБ "Газприборавтоматика", на
сом и вышла в 1946 г. Она обобщила мно­
предприятии "Ростовэнергоремонт", в Бе­
голетний опыт российских исследователей лорусском политехническом институте,
и самого автора в области магнитных ме­ Институте физики металла УрО РАН, на
тодов контроля нарушений сплошности и Калининградском экспериментальном за­
структуроскопии. Р.И. Янус установил, воде. Именно в СССР он получил путевку
что дефект аналогичен магниту, эффек­ в жизнь благодаря работам А.С. Фалькетивная длина которого в слабом поле мо­ вича и М.Х. Хусанова. В дальнейшем ис­
ж ет значительно превышать истинную следования в области оптимизации метода
длину дефекта вдоль поля, а поперечное продолжили B.C. Козлов, Ю.Б. Фещенко,
А.М. Шарова, Ю.Ш. Голант, А.Е. Нови­
сечение несколько сжато.
ков, В.Е. Щербинин, МЛ. Шур, С.П. Ми­
Р.И. Янус пришел к важному выводу
хайлов, Л. А. Кашуба, О.А. Жолнерович.
о том , что выявляемость внутренних де­
Метод совершенствовали в направ­
фектов сильно зависит от напряженности лении развития намагничивающих уст­
приложенного поля. По мере приближе­ ройств, дефектоскопов и лент в рамках
ния его к насыщению напряженность поля классического метода, в направлении из­
дефекта повышается с нарастающей кру­ менения самих контрольных операций в
целях расширения области использования
тизной.
Этот ученый был крупнейшим и наи­ метода, а также методов записи ин­
бол ее авторитетным специалистом по формации.
Ю.Б. Фещенко предложил магнитный
магнитным методам производственного
контроля. В его монографии "Магнитная контроль с записью полей дефектов на
дефектоскопия" приведено полное науч­ носитель, скользящий относительно изде­
н ое описание теории и практики магнит­ лия, в отличие от основного метода кон­
ной дефектоскопии; дано научное обоб­ троля с записью на неподвижный носи­
щ ение наиболее важных и общих вопро- тель.
ВВЕДЕНИЕ
Научный и практический интерес
представляет оптимизация процесса запи­
си поля дефекта на ленту. А.С. Фапькевич
и М.Х. Хусанов, а затем Л.А. Кашуба дали
графоаналитическое объяснение процесса
магнитной записи поля дефекта.
Первый шаг в выявляемое™ локаль­
ных дефектов был сделан в 1970 г.
Л.А. Кашубой и В.В. Костиным, которые
экспериментально установили, что обу­
словленное дефектом поле принимает па­
раметры, соответствующие протяжен­
ному дефекту.
В 1953 г. под руководством А.С. Фалькевича были созданы первые магнитогра­
фические дефектоскопы для контроля
сварных соединений.
В 1959 г. предложена конструкция
дефектоскопа МД-9 с вращающейся маг­
нитной головкой (МГ). Эта схема скани­
рующего устройства находит применение
во всех последующих приборах.
В 1950-х годах для контроля рельсов
широко использовали скоростные вагоныдефектоскопы (В.В. Власов, А.И. Воробь­
ев, Е.П. Успенский) с применением
"сплошного" осциллографирования индук­
ционных сигналов, исходящих от обсле­
дуемых рельсов.
Большой вклад в их совершенстование внесли сотрудники Томского госу­
дарственного университета (ТГУ) и Си­
бирского физико-технического института
(СФТИ): В.Н. Кессених, Н.М. Шилов,
Б.П. Кашкин, П.Н. Большаков, В.И. Иванчиков, В.Ф. Ивлев. Их работы продолжили
Н.В. Мирошин, B.C. Семенов, А.С. Кузне­
цов. Активным участником в работах по
теории электромагнитных методов кон­
троля был Г.А. Бюлер (кафедра математи­
ческой физики ТГУ).
Эффект, обнаруженный и изученный
Н.В. Мирошиным (СФТИ), показал, что
скрытый дефект в ферромагнитном изде­
лии можно выявить с помощью дефекто­
скопа переменного поля, если изделие
внести в достаточно сильное постоянное
поле. Использовав нелинейную связь ме­
15
жду намагничивающим полем и намагни­
ченностью, Н.В. Мирошин предложил
мостовую схему для измерения локальной
намагниченности в ферромагнетике.
Разработка вопросов распределения
гармонических магнитных полей в прово­
дящих телах с дефектами, начатая В.Н. Кессенихом и продолженная Н.М. Шиловым,
нашла дальнейшее развитие в исследова­
ниях Б.П. Кашкина и особенно В.И. Иванчикова.
В.И. Иванчиков рассмотрел задачу
выявляемости открытой сквозной трещи­
ны в проводящей пластине заданной ко­
нечной толщины, находящейся в попереч­
ном однородном переменном поле.
В 1954 г. Р.И. Янус предложил фер­
розондовый метод дефектоскопии деталей
машин и диагностики в медицине.
В 1959 г. В.В. Корсаков (ВИАМ) раз­
работал для авиапромышленности ферро­
зондовый полюсоискатель ФП-1. В.В. Вла­
сов изучил поля рассеяния в наклепанных
и ненаклепанных рельсах и установил, что
на величину полей дефекта существенно
влияют магнитные свойства материала
вблизи поверхности изделия. Наличие у
поверхности мягкого в магнитном отно­
шении материала вызывает уменьшение
поля дефекта, а жесткий материал в по­
верхностном слое способствует увеличе­
нию поля рассеяния от дефекта.
При изучении полей рассеяния от на­
ружных и внутренних дефектов В.В. Вла­
сов подтвердил и развил ряд положений
теории Р.И. Януса о том, что в магнито­
статических условиях поле дефекта созда­
ется как поверхностными зарядами на
стенках дефекта, так и объемными заря­
дами, обусловленными магнитной нели­
нейностью изделия в ближайших к дефек­
ту участках металла. При величинах на­
магничивающих полей, намного превы­
шающих поле, соответствующее макси­
мальной магнитной проницаемости, объ­
емные заряды усиливают поле дефекта;
при меньших полях наличие объемных
зарядов может даже уменьшить поле де­
фекта.
16
ВВЕДЕНИЕ
Р а з в и в а я и д е и Р .И . Я н уса и А.Б. Самерно на 10 типах ракетно-космических
п о ж н и к о в а , Р .Е . Е р ш о в реш ил задачу об
объектов, благодаря чему были внесены
о п р е д е л е н и и в о зм у щ ен и я поля ферромагизменения в их конструкцию. В рен и т н о й с р е д ы , п р о и зв о д и м о го дефектом
зультате консультаций и изучения про­
т и п а п о п е р е ч н о й трещ и н ы , при нелинейцессов контроля в 1980-е годы была перен о с т и м а г н и т н ы х с в о й ст в ферромагнитной
работана технологическая документация по
с р е д ы в о б л а с т и с р е д н и х и сильных магдефектоскопии и значительно повышена
н и тн ы х п олей.
эффективность контроля в организациях
Н .Н . З а ц е п и н и В .Е . Щ ербинин деракетно-космической отрасли, в том числе в
т а л ь н о р а с с м о т р е л и особен н ост и составНИИ им. С.П. Королева, НПО "Энергия",
л я ю щ и х м а г н и т н о г о поля различных поТеплотехническом институте им. Ф.Э. Дзерв е р х н о с т н ы х д е ф е к т о в . В 1960 г. Н.Н. Зажинского, НПО "Электроугли", НПО
ц е п и н и В .Е . Щ ер б и н и н разработали фер"ТЕХНОМАШ". На базе НИИЭРАТ прор озон дов ы й
м етод
контроля сварных
шли переобучение многие специалисты из
ш в о в , т е о р е т и ч е с к и е основы феррозондоэтих
организаций.
Дефектоскописты
в о й т о л щ и н о м е т р и и , м етод расчета поля
НИИЭРАТ участвовали в наиболее сложд е ф е к т а в т р е х м е р н о м пространстве.
ных исследованиях причин катастроф саВ 1 9 6 5 —1 9 7 0 гт. Н.С. Акулов, B.C. Козмолетов гражданской авиации,
л о в , А .М . Ш а р о в а , А .Е . Новиков, М.Г. ХуВ АН СССР Н.С. Акуловым, Р.И. Янус а н о в , Е .А . Б у т у зо в , В .М . Карпов, JI.A. Касом и М.Н. Михеевым были заложены осш у б а р е ш и л и кардинальны е проблемы
новы практического использования магт е о р и и и п рак ти ки магнитографического
нитных методов контроля качества термик о н т р о л я . С о т р у д н и к а м и НИИ интроскоческой и химико-термической обработки
п и и б ы л и с о зд а н ы и внедрены на Первоизделий, текстурного анализа сталей. Нау р а л ь с к о м Н о в о т р у б н о м заводе, Магниточатые ими работы продолжают успешно
горском
м етал л ур ги ч еск ом
комбинате,
развиваться.
Ж д а н о в с к о м м еталлургическом заводе для
М.Н. Михеев и Э.С. Горкунов обобпоточного
п р о и зв о д ств а горячекатаных
щили результаты исследований за более
т р у б и х о л о д н о к а т а н ы х листов дефекточем полувековой период изучения закоскоп и ческ и е
автом атические
установномерностей изменения магнитных, элекк и Д Ф - 1 , У П Н -3 , "Лист-4", УРКТ и др.
трических и механических свойств сталей
( П .К . О щ е п к о в , В .В . К лю ев, Л.А. Хватов,
разных классов при вариации температуЕ .Я . С и м о н о в а , О .С . Семенов, Ю.С. Калиры отжига, закалки и отпуска, что позвон и н , В .П . К у р о за е в и д р .)
ляет использовать эти данные при выборе
’ В 1 9 7 0 - 1 9 8 8 гг. в Н И И интроскопии
параметров неразрушающего контроля и
( М Н П О "С пектр") разработали и серийно
разработке методов и средств определения
вы пуск али
м агн итн ы е
толщиномеры
структурного состояния, химического и
( М И П - 1 0 , М Т -5 0 Н ), магнитные дефектофазового составов сталей, а также прочнос к о п ы р е з ь б о в ы х соеди н ен и й (МД-ЗМ,
стных характеристик материалов и издеМ Д - 4 0 К , М Д -4 2 К ), магнитометры (МФ-32
лий.
К Ц ) , ф е р р и т о м е т р ы и т.п. (В .В . Клюев,
Н.С. Акулов, С.В. Вонсовскии, М.Н. МиА .П . Д е г т е р е в , В .Ф . М уж ицкий, В.П. Кухеев, Д.И. Кондорский, КН. Белов,
р о з а е в , В .П . Е си л е в е ки й , А .Г. Пеликан и
Я.С. Шур, Р.И. Янус, Э.С. Горкунов и
д р .) .
В
тот п е р и о д дефектоскописты
В.М. Морозова получили уникальные ре( Н И И Э Р Л Т ) совм ест н о с металловедами
зультаты, которые позволили понять прив ы п о л н и л и б о л ь ш о й о б ъ ем исследований
роду процессов намагничивания и перев ц е л я х у с т а н о в л е н и я п ри ч и н отказов агмагничивания такого гетерогенного ферр е г а т о в и эн е р ге т и ч е ск и х установок приромагнетика, как сталь. Работы А.С. Зай-
ВВЕДЕНИЕ
17
мовского, Б.Г. Лившица, B.C. Меськина, ность измерения содержания ферритной
С.С. Штейнберга, Г.С. Корзунина, В.Д. Са­ фазы в толще металла до 12 мм, в то время
довского, Г.В. Курдюмова, Б.А. Алаева, как для локальных ферритометров этот
К.Н. Сироты, А.П. Гуляева, Р. Кана, Е. Бер- слой ограничивался 1 ... 2 мм. В том же
кевича, Е. Кнеллера в области физики маг­ году НИИИН создал автоматизированный
нитных явлений, физического металлове­ ферритометр ФМ-1, решив задачу контро­
дения и материаловедения сыграли важ­ ля сварных швов труб на трубоэлектро­
ную роль в разработке физических основ сварочных стендах аргонодуговой сварки.
использования магнитных свойств для В основу способа положено бесконтактное
оценки структурного состояния и фазово­ измерение относительного значения маг­
нитной проницаемости металла шва с по­
го состава сталей и сплавов.
В частности, одним из важных на­ мощью микроферрозондового преобразо­
правлений в области магнитного и фазо­ вателя, перемещающегося относительно
вого анализа высоколегированных сталей изделия.
В 1990-е годы в ЦНИИТМАШ для
является магнитная ферритометрия.
Известно, что физико-механические градуирования ферритометров всех типов
и коррозионные свойства таких сталей во разработали технологию изготовления
многом зависят от наличия в них феррит­ стандартных образцов ферритной фазы
ной фазы, поэтому ее содержание в изде­ способом центробежного литья. Образцы
лиях регламентируется отраслевыми до­ прошли международные испытания и ре­
кументами. Большой вклад в развитие тео­ комендованы к использованию Междуна­
ретических основ и создание ферритометров родным институтом сварки.
внесли ЦНИИТМАШ, НИИХИММАШ,
В начале 1990-х годов в НИИХИММАШ
МНПО "Спектр" (С.Д. Энтин, В.П. Есибыла создана новая модель локального
левский, Н.В. Химченко, П.Е. Меринов,
ферритометра АФ-4 в портативном испол­
П.А. Бобров, А.Г. Пеликан и др.).
В результате выполненных в 1950-е нении (масса не более 400 г)./Информация
годы в НИИХИММАШ исследований бы­ о содержании ферритной фазы представ­
ли созданы локальные ферритометры пон- ляется в цифровом виде и автоматически
деромоторного действия: альфа-фазометр переводится на экране прибора в процент­
с диапазоном измерения 0,5 ... 20 % фер­ ное содержание, в отличие от используе­
ритной фазы, ферритометры ФА-1 и мых ранее градуировочных кривых, а так­
ФА-1М с диапазоном 0,5 ... 70 %. Начиная же в ферритное число в соответствии со
с 1964 г. ферритометры конструкции стандартом ИСО 8549.
В 1976 г. по решению Государствен­
НИИХИММАШ выпускались серийно
Кишиневским заводом "Электроточпри- ного комитета по науке и технике СССР
бор". В тот же период в ЦНИИТМАШ были начаты работы над созданием внутсозданы электромагнитные ферритометры ритрубного снаряда-дефектоскопа для
ФВД-2 с диапазоном измерения 10 и 20 % контроля коррозионного состояния маги­
и ФЦ-2 для определения ферритной фазы в стральных газопроводов с диаметром труб
стандартных образцах. Применение создан­ 1420 мм. К работе над аппаратом были
ных в НИИХИММАШ и ЦНИИТМАШ привлечены Министерство приборострое­
ферритометров рекомендовано ГОСТ ния, Министерство газовой промышлен11878-66 "Сталь аустенйтная Мдт^лы
определения содержания а-фазы"||
C.TopaflFbifQf Академии наук в работе принимал
В 1972 г. НИИИН разработал феррй^ 3г
ИнЬтитут физики металлов
зондовый ферритометр МФ*1 0Ф.j © Ш Ш -к диШЩ’' Уральского научного центра АН
ностью этого прибора являвтрвяЯрмЙ1551с-Аа,:С(5ёР, от Мингазпрома - Специализирог
II
18
ВВЕДЕНИЕ
ванное конструкторское бюро (СКВ) "Газавтоматика" (Москва) и его Саратовский
филиал.
В период с 1990 по 2003 гг. в МНПО
"Спектр" и ЗАО "НИИИН МНПО
"Спектр" разработаны и серийно выпус­
каются следующие магнитные приборы:
дефектоскоп резьб МД43К, магнитометр
МФ23ИМ, устройства намагничивающие
УНМ-300/2000,
УН-5,
толщиномеры
МТ-51НП, МТП-01, МИТ-1, МИТ-1/2,
коэрцитиметр МФ32КЦ.
Необходимо отметить, что получили
широкую известность справочники "Не­
разрушающий контроль и диагностика" и
"Неразрушающий контроль. Россия 1900—
2000 гг. " (оба издания под редакцией чл.корр. РАН В.В. Клюева). Однако в этих
книгах информация о магнитных методах
неразрушающего контроля изложена дос­
таточно сжато.
Целью настоящего справочника явля­
ется обобщение отечественных и зару­
бежных публикаций с учетом последних
достижений. Авторы не претендуют на
научный приоритет информации, опубли­
кованной в известных работах, которые
приведены в списке литературы, а ставят
целью систематизацию информации. В
книге кратко изложены основные понятия,
физические и технические основы метода,
новые сведения по магнитным средствам
НК, которые в последнее время находят
широкое применение в промышленности.
Книга состоит из двух частей: часть 1 "Магнитная дефектоскопия" (за исключе­
нием магнитных методов магнитопорош­
кового контроля, опубликованных в от­
дельной книге), часть 2 - "Магнитная
структуроскопия".
Авторы признательны д-рам техн.
наук Г.С. Корзунину, А.С. Шлеенкову,
В.А. Захарову, В.В. Филинову и ряду
других ученых за представленные мате­
риалы.
Часть t МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
КОНТРОЛЯ
1.1. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОПИСАНИЕ МАГНИТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ
Магнитные свойства присущи всем
без исключения окружающим телам. Маг­
нетизм так же универсален, как земное
притяжение и электричество. Однако не у
всех тел это свойство проявляется в оди­
наковой степени. У подавляющего боль­
шинства тел магнитные свойства очень
слабы. Можно указать два наиболее ярких
проявления магнетизма.
Во-первых, это так называемые по­
стоянные магниты, обычно изготовленные
из железа или его сплавов и соединений, а
также из некоторых других химических
элементов — никеля, кобальта и редкозе­
мельных элементов (лантаноидов), напри­
мер гадолиния.
Во-вторых, проявление аналогичной
силы можно увидеть, если взамен упомя­
нутых постоянных магнитов взять про­
водники (или катушки из них - соленои­
ды), по которым протекает постоянный
электрический ток.
Рассмотрим два постоянных магнита
из одинаковых массивных железных
стержней (рис. 1.1.).
Будем считать, что заштрихованный
конец стержня имеет знак "+" и обозначен
буквой N, а незаштрихованный конец знак
и обозначен буквой S. Стержни,
изображенные на рис. 1. 1, направлены
друг к другу одинаковыми знаками и бук­
вами (+, N). Чтобы сблизить стержни, не­
обходимо приложить усилия. На рис. 1.2,
где стержни обращены друг' к другу раз­
ными знаками и буквами (+, N и S), уси­
лия направлены на то, чтобы не дать стер-
Рис. 1.2. Усилия при попытке удержать постоянные магниты,
направленные друг к другу разноименными концами
20
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Рис. 1.3. М агнитоиндукционный эффект
жням соприкоснуться. Достаточно осла­
бить усилие, как в первом случае магнит­
ные стержни разъедутся, а во втором плотно соединятся.
Существует еще один наглядный
способ обнаружения магнитного действия
постоянных магнитов. Если около магнита
поместить металлическую деталь, которая
до приближения к магниту не проявляла
никаких магнитных действий, то вблизи
постоянного магнита эта деталь сама ста­
новится магнитом. На стороне детали,
обращенной к магниту, возникает состоя­
ние, при котором она всегда притягивает­
ся к магниту, подобно разноименным кон­
цам магнитных стержней (рис. 1.3).
Этот магнитоиндукционный эффект
можно использовать для обнаружения в
пространстве, окружающем магнит, его
магнитного действия. На рис. 1.4, а пока­
зано проявление таких магнитных дейст­
вий стержневым постоянным магнитом,
полученное с помощью магнитных по­
рошков. Частицы порошка (имея несколь­
ко удлиненную форму) выстраиваются
вдоль линий, которые выходят из одного
конца магнита и входят в другой его конец
(рис. 1.4, б). Их принято называть линия­
ми индукции, или магнитными силовыми
линиями, поскольку именно вдоль них
направлены силы (показаны на рис. 1.4, б
стрелками), ориентирующие частицы маг­
нитного порошка вокруг магнита.
Напомним, что концы магнитов на­
зывают полюсами. Если вблизи магнита
нет других магнитов, каких-либо больших
железных предметов или залежей магнит­
ной руды, то подвешенный магнит всегда
ориентируется
почти
точно
вдоль
географического меридиана с юга на север
(рис. 1.5).
Вокруг магнитов существует особая
форма материи - магнитное поле. Это и
есть тот материальный носитель, который
передает взаимодействие между маг­
нитами. Этот носитель передает взаимо­
действие и между электрическими токами.
1
\
/
/'T iS s
\\
{
а)
/
1
. . . V
б)
Рис. 1.4. Картина линий индукции стержневого магнита, полученная с ■
помощью магнитных порошков (а), и векторный характер магнитного поля (б)
21
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
б)
Рис. 1 3 . Направление магнитной стрелки относительно географического меридиана
в местах с восточным (а) и с западным (б) магнитным склонением (<р - угол склонения)
Существуют тела, которые могут
притягиваться и отталкиваться от магни­
тов, не находясь при этом в непосредст­
венном контакте с ними. Сила притяжения
или отталкивания прямо пропорциональна
расстоянию между магнитом и взаимодей­
ствующим с ним телом.
Некоторые тела вблизи магнита сами
становятся ярко выраженными магнитами.
Однако при удалении магнита они могут
как сохранить, так и потерять это свойст­
во. Сами исходные магниты также могут
утратить свои магнитные свойства, на­
пример, если нагреть их выше определен­
ной температуры, а потом охладить без
присутствия других магнитов поблизости,
или же подвергнуть их сильным механи­
ческим ударам. Восстановить магнитные
свойства, утерянные при нагревании,
можно путем охлаждения вблизи другого
магнита или с помощью воздействия по­
стоянных электрических токов, проте­
кающих по проводам или соленоидам, а
потерянные при ударах - теми же спосо­
бами даже без охлаждения.
На направление стрелки компаса
влияют не только магнитное поле Земли
или поле постоянных магнитов, но и элек­
трические токи (рис. 1.6). Это впервые в
1821 г. обнаружил датский физик Эрстед.
Вокруг проводника с током, как и во­
круг постоянного магнита, возникает маг­
нитное поле. Это можно подтвердить с
помощью частиц магнитного порошка,
которые "нарисуют" линии индукции маг­
нитного поля электрических токов.
На рис. 1.7 приведены хорошо из­
вестные картины линий индукции магнит­
ных полей прямого и кругового токов, а
также соленоида, полученные с помощью
железных опилок. Хотя irn картины и
похожи на аналогичные картины для по­
стоянных магнитов, но есть и некоторые
различия.
Я
£
§
Я
О.
W
X
ы
и
о
т
S
#со
е-
8
Рис. 1.6. Направление магнитной стрелки
около прямого проводника с электрическим
током / (открытие Эрстеда)
22
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Рис. 1.7. Картины линий индукции магнитных полей,
полученные с помощью магнитного порош ка:
а —для прямого тока; б - для замкнутого кругового тока; в - для соленоида с током
Сравним картины линий индукции
стержневого
магнита
и
соленоида
(см. рис. 1.4, а и рис. 1.7, в). Если исклю­
чить внутреннюю часть последнего, то
картины поля совершенно подобны. Од­
нако у соленоида силовые линии в отли­
чие от магнита не имеют ни начала, ни
конца - они всегда замкнуты как у прямо­
го, так и кругового проводника.
Французский физик Ампер еще в
20-х годах XIX столетия, сразу после опы­
тов Эрстеда, выдвинул гипотезу о молеку­
лярных токах: электрические токи могут
быть не только макроскопическими, когда
они текут по большим (по сравнению с
размерами атомов) проводам, но и микро­
скопическими, протекающими в пределах
одного атома или молекулы. Таким обра­
зом, в каждом теле имеется огромное чис­
ло замкнутых молекулярных токов. Каж­
дый из них создает вокруг себя магнитное
поле, подобное полю замкнутого кругово­
го тока (см. рис. 1.7, б).
В большинстве тел, когда на них не
действуют никакие внешние ориенти­
рующие силы, тепловое хаотическое дви­
жение все время меняет направление мо­
лекулярных токов, и поэтому наиболее
вероятно, что в среднем магнитные поля
этих токов не складываются в одно ре­
зультирующее поле, а дают в сумме нуле­
вой эффект. На рис. 1.8, а показано беспо­
рядочное распределение ориентаций мо­
лекулярных токов в теле, "скрывающее"
23
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
его магнетизм. Постоянные магниты от­
личаются от других тел только тем, что в
них по определенным причинам, которые
будут рассмотрены ниже, молекулярные
токи ориентированы упорядоченно параллельно (рис. 1.8, б) и поэтому дают
вполне заметный суммарный магнитный
эффект во внешнем пространстве.
Если в телах нет внутренних, закреп­
ляющих параллельную ориентацию, взаи­
модействий между молекулярными тока­
ми, то такая ориентация с тем или иным
эффектом может быть обусловлена только
влиянием внешнего магнитного поля, на­
пример поля постоянного магнита или
соленоида с током.
Гипотеза Ампера о молекулярных то­
ках сначала была лишь гениальной догад­
кой. Только в конце XIX - начале XX ве­
ков, когда был открыт электрон, когда
была предсказана и получила опытное
подтверждение ядерная структура атомов,
эта гипотеза нашла полное эксперимен­
тальное и теоретическое обоснование.
Ампер дал "токовую" интерпретацию
магнитным взаимодействиям. Она связана
с теоремой об эквивалентности магнитных
полей, создаваемых электрическими тока­
ми и постоянными магнитами (теорема
Ампера).
Для формулирования этой теоремы
приведем основные количественные ха­
рактеристики электрических и магнитных
полей. В первом случае одним из основ­
ных понятий является понятие электриче­
ского заряда q. Его можно ввести из ана­
лиза закона Кулона - закона взаимодейст­
вия точечных электрических зарядов, т.е.
зарядов, линейные размеры которых малы
по сравнению с расстоянием г\2 между
ними. Закон Кулона гласит, что силы F ( и
F2, действующие между двумя точечными
зарядами q | и q2, прямо пропорциональны
произведению этих зарядов и обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними. Эти силы направлены вдоль
линии, соединяющей точечные заряды q\
и q2, т.е.
ооооо
ооооо
°§ °о °
0 0 0 0 0
000001
©§0g0
ооооо
oSoSo
б)
Рис. 1.8. Микроскопические (молекулярные)
замкнутые токи в постоянном магните:
а - при беспорядочном распределении
(гипотеза Ампера); 6 - при упорядоченном
распределении
F, =
е 12;
F j= 2 2 S L e 21,
г12
(1,1)
г12
где
и e2i - единичные векторы, направ­
ленные соответственно от заряда q2 и q\ и
от <7i и q2, причем ei2 = - e 2iНаправление сил определяется зна­
ками зарядов. Заряды одинаковых знаков
отталкиваются (рис. 1.9, а), разных зна­
ков —притягиваются (рис. 1.9, б).
Если выделить в формуле (1.1) мно­
житель q\ (или </г), то второй множитель в
выражении для F\ (или F 2) ftудет зависеть
от <72 (или <71) и взаимного расстояния ме­
жду зарядами. Его принято называть на­
пряженностью электростатического поля,
которое создает заряд q2 (или q\ в точке,
занятой зарядом q\ (или <72), и обозначать
символом Е\ (или Е2). Необходимо отме­
тить, что если эти заряды одинакового
знака, то силы F\ и F 2 их отталкивают, а
если они разного знака, то притягивают.
Таким образом, закон Кулона можно запи­
сать в следующем виде:
F, =<7iE2 ;
F2 =<72E , ,
где Е 2 - (q2 /г{2)е2] и Е, = Щ / г12)е12 .
В общем случае сила, с которой элек­
тростатическое поле с напряженностью Е
(оно может создаваться не только одним
точечным неподвижным зарядом, но и
произвольной их совокупностью) действу­
ет на точечный заряд q,
F = <7E.
б)
Рис. 1.9. Схемы, иллюстрирующие закон Кулона:
а - заряды q\ и q2 одинаковых знаков; б - заряды <?, и о2разных знаков
М о ж н о л и п ол уч и ть что-либо анало­
г и ч н о е д л я в заи м одей ств и я магнитов?
С у щ е с т в у е т л и дл я м агнитов аналог зако­
н а К у л о н а ? В н ек о то р ом смы сле на эти
в о п р о с ы м о ж н о отв ети ть утвердительно.
П р е д с т а в и м п остоя н н ы й магнит, напри­
м е р , в в и д е о ч е н ь тон к ой спицы. Одно­
и м е н н ы е к о н ц ы д в у х таких спиц отталки­
в а ю т с я , а р а зн о и м е н н ы е - притягиваются
п о т а к о м у ж е за к о н у К улона, который
а
сформулирован выше для точечных элек­
трических зарядов. Только вместо элек­
трических.зарядов надо подставить некие
фиктивные магнитные заряды т} и т2, а
вместо напряженности электрического
поля Е - напряженность магнитного по­
ля Я.
Однако это лишь формальная анало­
гия. Дело в том, что электрические заряды
обоих знаков всегда можно выделить в
самостоятельные образования (в атоме
водорода это, например, отрицательно
заряженный электрон и положительно
заряженный протон). В случае магнетизма
этого сделать нельзя. Никаким делением
магнита невозможно получить частицы с
одним единственным полюсом. Магнит это материальный объект, всегда имею­
щий два полюса. Любая, даже самая малая
частица магнита всегда имеет два полюса
или всегда четное число полюсов.
В связи с этим было высказано пред­
положение, что магнит - это совокупность
элементарных магнитных двойных полю­
сов - магнитных диполей, которые только
формально можно представлять состоя­
а)
щими из двух неразрывно связанных меж­
внеш w
ду собой фиктивных магнитных зарядов
---- ►
q
двух знаков (плюса и минуса) или север­
ного (N) и южного (S) полюсов. Поэтому в
качестве электрической аналогии таким
двухполюсным магнитом может служить
элементарный электрический диполь,
Р ис. 1.10. Электрический диполь:
представляющий собой два связанных
—линии напряженности электрического поля;
точечных равных по модулю электриче­
б —поведение диполя с моментом P - q l во
ских заряда разных знаков, расположен­
внешнем электрическом поле
ных друг от друга на малом расстоянии /.
напряженностью Е теш
25
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Из электростатики известно, что и
активные свойства электрического диполя
(модуль и направление создаваемого им
электрического поля напряженностью Е),
и его пассивные действия (его поведение
во внешнем электрическом поле напряженностью Е,неш) определяются электри­
ческим моментом Р. Этот электрический
момент есть произведение заряда q на радиус-вектор I, который равен расстоянию /
между зарядами и обычно направлен от
отрицательного заряда к положительному
(рис. 1.10, а):
? = q\.
\
} /
\ ^ I jf f
v А. \ \
’
ч^ \
*
Щ
Ш
а)
При этом предполагается, что объем
зарядов очень мал (опять речь идет о то­
чечных зарядах), так что их линейными
Рис. 1.11. М агнитный диполь:
размерами можно пренебречь по сравне­
а - линии индукции магнитного поля;
нию с расстоянием /; в противном случае
б - поведение диполя с моментом
электрический момент диполя требует
М. = ml во внешнем магнитном поле
более общего и сложного определения.
При помещении электрического диполя во аналогии с электрическим моментом г )
внешнее электрическое поле напряженно- можно представить в виде
стью £ ВНешоно всегда стремится ориенти­
ровать электрический момент Р диполя
1~ ’
вдоль своего направления (рис. 1.10, б).
где модуль радиуса-вектора Ь равен длине
После открытия Эрстеда и появления магнита и направлен от северного полюса
гипотезы Ампера возникла мысль полу- к южному.
чить интерпретацию магнитного момента.
На рис. 1.11, а показан такой магнитсвязать магнитный момент с током и с ный диполь, создающий вокруг себя маггеометрической формой и размерами кон- нитное поле напряженностью Н, а
тура, по которому протекает ток. Здесь рис. 1.11, 6 иллюстрирует его поведение
опять видно отличие магнетизма от элек- во внешнем магнитном поле напряженнотричества, поскольку для контура с током стью Я,неш. Здесь, аналогично электриченевозможно ввести не только "магнитные скому диполю во внешнем электрическом
заряды", но даже магнитные полюсы так, поле, внешнее магнитное поле стремится
как (хотя и формально) вводили их для ориентировать магнитный момент Мк
постоянных магнитов. Определим сначала вдоль своего направления,
понятие магнитного момента по аналогии
Из изложенного можно заключить,
с электрическим.
что основной характеристикой магнитов
Предположим, что несмотря на не- (как и в случае электрических диполей)
возможность отделить северный полюс следует выбрать именно его магнитный
магнита от южного можно приписать им момент Мк, а не фиктивный магнитный
некоторое, как было указано выше, обла- заряд ш, который носит лишь вспомогадание фиктивными магнитными зарядами тельный характер. Однако, если остаться
т (подобными электрическим). Тогда для только в рамках магнетизма постоянных
очень маленького элементарного магнита магнитов без гипотезы Ампера, нельзя
(диполя) и его магнитный момент М* (по раскрыть физическую сущность понятия
26
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Напряженность магнитного поля
Н - векторная величина, характеризующая
магнитное поле, циркуляция которого по
замкнутому контуру всегда равна алгеб­
раической сумме сил токов, протекающих
через поверхность, ограниченную этим
контуром (закон полного тока):
L
где dl - элемент контура; /
Рис. 1.12. П равило буравчика для
определения направления магнитного
момента Mt замкнутого контура с током /:
а - магнитный лист (двойной магнитный слой)
площадью S', б - плоский контур тока /,
эквивалентный магнитному листу
магнитного момента, и придется пользо­
ваться лишь приведенной выше электро­
статической аналогией.
Из анализа картины расположения
частиц магнитного порошка вокруг замк­
нутого контура с электрическим током
(см. рис. 1.7, б) легко предположить, ка­
ким аналогом будет плоский магнитный
лист (точнее, двойной магнитный слой
очень малой толщины, вписанный в кру­
говой ток), или произвольный замкнутый
контур тока.
Магнитный момент кругового тока
по правилу буравчика будет направлен
вдоль оси магнита (рис. 1.12) или перпен­
дикулярен к плоскости произвольного
контура.
1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Магнитное поле - силовое поле дви­
жущихся электрических зарядов, пропор­
циональное значению этих зарядов и на­
правленное нормально к направлению их
движения.
Силовые линии магнитного поля —
линии, вдоль которых устанавливается
магнитная стрелка в данной точке. На­
правление принимается от южного полюса
к северному магнитной стрелки. Линии
магнитного поля всегда замкнуты.
I - сумма
токов через поверхность, ограниченную
контуром.
Единица напряженности магнитного
поля - ампер на метр (А/м).
Магнитная индукция В — векторная
величина, характеризующая магнитное
поле и определяющая силу, действующую
со стороны магнитного поля на движу­
щуюся заряженную частицу (силу Лорен­
ца в магнитном поле):
q\
где Fj, —сила Лоренца; q, v - заряд и ско­
рость частицы.
Единица магнитной индукции - тесла
(Тл). Магнитное поле имеет индукцию,
равную 1 Тл, если на заряд в 1 кулон (Кп),
движущийся перпендикулярно к направ­
лению линии поля со скоростью 1 м/с,
действует сила в 1 ньютон (Н):
1Н
1Тл = -----------.
1Кл-1м
Направление вектора магнитной ин­
дукции совпадает с направлением линий
поля (линии поля называют также линия­
ми индукции).
Поведение кругового тока во внеш­
нем магнитном поле напряженностью
/ / ВНеш будет идентично поведению элек­
трического диполя в электрическом поле
напряженностью -Е^нет» если вместо элек­
трического момента Р диполя подставить
его магнитный момент МЛ, уже выражен­
ный не через фиктивные магнитные заря-
27
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
ды, а связанный с током /, протекающим
по контуру, и с площадью S контура, ох­
ватываемого проводом с током I.
Магнитный поток Ф - поток вектора
магнитной индукции сквозь некоторую
поверхность площадью S:
Ф = BS = fiScosa,
где a - угол между векторами индукции В
и поверхности S .
Единица потока индукции 1 вебер
(Вб). Один вебер - это поток, проникаю­
щий через поверхность площадью 1 м‘,
перпендикулярную к линии однородного
магнитного поля с индукцией в 1 Тл:
Вб = Тл • м2.
Намагниченность М - векторная ве­
личина, характеризующая магнитное со­
стояние вещества, определяемая суммой
магнитных моментов элемента объема V,
когда он стремится к нулю:
М = lim (Рп/П ;
к-»о
является мерой магнитной поляризации
вещества.
Единица намагниченности - А/м.
Магнитная восприимчивость х ~ ве­
личина, характеризующая свойство веще­
ства намагничиваться в магнитном поле:
X = М/Н\
для изотропного вещества является вели­
чиной безразмерной и скалярной, для ани­
зотропного - величиной тензорной.
Поток достигает наибольшего значе­
ния, если вектор S параллелен вектору В,
т.е. поверхность расположена перпенди­
кулярно к линии индукции.
Магнитная постоянная цо —коэффи­
циент пропорциональности между вели­
чинами В и Я в вакууме (ее называют
также проницаемостью вакуума); выра­
жается в генри на метр:
Абсолютная магнитная проницае­
мость Ца - величина, характеризующая
Ро = 4 я • 10"7 Гн/м.
Дифференциальная магнитная про­
ницаемость р,/ - величина, характери­
зующая приращение индукции АВ при
Магнитный диполь - любой элемен­
тарный объект, создающий на больших по
сравнению с его размерами расстояниях
магнитное поле, идентичное магнитному
полю элементарного контура с током.
Магнитный .момент Р П
1 .магнитного
диполя - векторная величина, идентичная
магнитному моменту контура с током:
Pm = IS,
где I - элементарный электрический ток;
S - контур, по которому он протекает.
Магнитный момент Р^, фиктивного
магнитного диполя —векторная величина:
Рт = т / .
где т - величина одного из двух фиктив­
ных разноименных магнитных зарядов;
/-р а с с т о я н и е между ними. Введение фик­
тивных (не существующих в природе)
зарядов помогает решить некоторые прак­
тические задачи.
магнитные свойства вещества и опреде­
ляющая магнитное состояние вещества в
магнитном поле:
ра = в/ндля изотропного вещества ра - величина
безразмерная
и
скалярная,
для
анизотропного - тензорная.
изменении поля на ЛЯ, когда последнее
стремится к нулю:
d
г
М - 1 —
р0 дн-»о АН р0 dH
Относительная магнитная прони­
цаемость р - отношение абсолютной маг­
нитной проницаемости к магнитной по­
стоянной (проницаемости вакуума).
Магнитное сопротивление Ru - ска­
лярная величина, равная отношению раз­
ности магнитных потенциалов на рассмат­
риваемом участке магнитной цепи к маг­
нитному потоку в этом участке.
Магнитная проводимость А - ска­
лярная величина, равная отношению маг­
нитного потока в рассматриваемом участ­
ке магнитной цепи к разности магнитных
потенциалов на этом участке.
28
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Удельная энергия (плотность) магнитного поля W - величина, равная половине скалярного произведения вектора магнитной индукции на вектор напряженности
магнитного поля в какой-либо точке поля.
Основные магнитные величины и соотношения между ними приведены в
табл. 1.1.
1.1. Основные магнитные величины и уравнения магнетизма
Напряженность
нитного поля
маг­
Намагничен­ магнита
ность
вещества
магнита
солено­
Магнитный
ида
момент
диполя
Основные
уравнения
¥
Т = ^Ф
Ф = BS
Ф
II
©
Магнитное потокосцепление
магнита
Магнитный
соленои­
поток
да
Магнитодвижущая сила
Обозна­
чение
F
F = Iw
Н
м1/
р
н=
в
Но Иг
M =PJV U
К
II
!*г
Величина
P = MV
Р = Iw S =
= MV
Вебер, Вб
1 Вб = 1 Гн • 1 А =
= 1В с
Ампер, А
—
Ампер на метр,
А/м
-
Ампер на метр,
А/м
Амперквадратный
метр,
А • м2
1 А • м2 =
= 1 Н • м/Тл
Магнитный заряд дипо­
ля
я
q = Pll
Ампер-метр,
А •м
-
Магнитная индукция
в
В = цо(Я +
+ М)
Тесла, Тл
1 Т л = 1 Вб/м2 =
^ 1 Г н - 1 А/м2 =
= 1 В • с/м2
Внутренняя индукция
Bi
B i= \ioM
Тесла, Тл
Индуктивность
L
II
©
P=ql
Наименование и
обозначение
Соотношение единиц
единицы
А
Л = \iaS/l
Г енри, Г н
проводиМагнитная
мость
Магнитная
проницае­
мость (абсолютная)
Цо
Магнитная постоянная
Цо
Магнитная
чивость
восприим-
Удельная
энергия
магнитная
X
W
Ца = В/Н =
= ЦоЦг
(До = 47С • ИГ7
х= мя=
= Цг- 1
W = BHI2
1 Г н= 1 Ом • Кл/А =
= 1 Ом • с = 1 В • с/А =
= 1В6/А
Генри на метр,
Гн/м
1 Гн/м = 1 Тл • м/А
-
-
Джоуль на ку­
бический метр,
Дж/м3
1 Дж = 1 Вт • с =
= 1 А В с = 1 А-Вб
29
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
1 J . М АГНИТНЫ Е СВОЙСТВА
ВЕЩ ЕСТВ
Магнитные свойства вещества в об­
щем случае определяются совокупностью
ряда физических явлений:
• движением электронов по орбитам
вокруг ядра (при этом создается орбиталь­
ный магнитный момент);
• свойствами электронов, которые
связаны с созданием спинового магнитно­
го момента;
• строением электронных оболочек
атома;
• электростатическим взаимодейст­
вием между электронными оболочками
соседних атомов с некомпенсированными
спинами (обменное взаимодействие);
• энергетическими соотношениями в
веществе, что связано с созданием замк­
нутых макроскопических областей, назы­
ваемых доменами.
Типы магнетиков различают по их
магнитной восприимчивости, которая за­
висит от указанных выше факторов, а
также температуры, давления и др. При
нормальных условиях по значению, знаку
и зависимости х(Н) различают несколько
типов магнетиков: диамагнетики, пара­
магнетики, ферромагнетики и т.д. В
табл. 1.2 приведены три основных типа
магнетиков и некоторые из веществ, отно­
сящихся к определенному типу.
Диамагнетизм проявляется во всех
веществах независимо от их агрегатного
состояния, но чаще всего диамагнитные
явления перекрываются более сильными
(пара- и ферромагнетизмом).
Диамагнетик во внешнем магнитном
поле намагничивается противоположно
полю. Данное явление связано с прецесси­
ей орбит электронов (прецессия Лармора)
вокруг направления внешнего поля. В од­
нородном магнитном поле диамагнетик
стремится занять положение, перпендику­
лярное к направлению магнитного поля, а
в неоднородном поле выталкивается из
него. Это явление используется, например,
при создании магнитных опор без трения,
где в качестве элементов осей, помещен­
ных в неоднородное магнитное поле, при­
меняется поликристаллическнй или пиро­
литический углерод (х * - b f f Ю 4). Диа­
магнетизмом обладают сверхпроводники.
1.2. Свойства различных магнетиков
Магнетик
Диамагнетик
Парамагнетик
Ферромагнетик
Значение магнитной
восприимчивости х
Примеры веществ
-К Г 5
Водород, азот, инертные газы,
золото, ртуть, кремний, фосфор,
дерево, мрамор, вода
•КИТ5 ... НГ2)
Кислород, литий, алюминий,
натрий, платина, калий, молиб­
ден, цезий, рубидий, осмий,
вольфрам, цирконий
+(10 ... 105)
Железо, никель, кобальт, редко­
земельные металлы, тербий,
гадолиний, тулий, диспрозий,
эрбий и их сплавы и соединения
Взаимодей­
ствие с по­
лем
Слабое
Сильное
30
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Парамагнетизм присущ всем веще­
ствам в газообразном, жидком и твердом
состояниях, имеющим нескомпенсированный магнитный момент атомов. В отсут­
ствие внешнего поля магнитные моменты
хаотически разориентированы (М = 0),
при наложении поля они ориентируются
по его направлению, и парамагнетик при­
обретает намагниченность. При комнат­
ной температуре парамагнитные вещества
невозможно довести до состояния магнит­
ного насыщения, поскольку тепловое
движение атомов разориентирует ориен­
тацию магнитных моментов на направле­
ние поля.
1.4. ФЕРРОМАГНЕТИКИ.
ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
В ферромагнетике под действием
магнитного поля Н создается такая намаг­
ниченность М, которая в десятки и сотни
раз превышает первопричину, т.е. намаг­
ничивающее поле Н. Эта способность со­
храняется у ферромагнетиков до опреде­
ленной температуры, называемой темпе­
ратурой Кюри (0). У разных ферромаг­
нетиков значения 6 различны: например,
для кобальта 0 = 1120 °С, железа - 768,
никеля - 358, гадолиния - 17 °С.
Рис. 1.14. Зависимости В , ц п На от Н
С увеличением намагничивающего
поля намагниченность возрастает все мед­
леннее. Если в малых полях М » Н, то в
больших величина Н становится сравнима
с М; во всяком случае, при исследовании
процессов в ферромагнетике значением Н
нельзя пренебрегать, поэтому в рассмот­
рение вводят сумму (Н + М):
В = Цо(Я + М).
Рис. 1.13. Начальная (/) , основная (2)
и идеальная (3) кривые намагничивания
Намагниченность М, а следовательно,
и индукция В, зависят от Н нелинейным
образом. Кривые типа M=f(H) и В = /(//)
называют кривыми намагничивания. Их
вид может быть различен в зависимости
от способа получения (измерения) и ис­
ходного состояния ферромагнетика. В
качестве исходного состояния ферромаг­
нетика следует принять размагниченное.
Некоторые виды кривых намагничи­
вания представлены на рис. 1.13.
Начальную кривую 1 получают изме­
рением В при постепенном увеличении Н
из состояния В = 0, Н = 0. Эта кривая час­
то невоспроизводима, так как зависит от
ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
многих случайных причин (сотрясений,
температуры и др.). Основную (коммута­
ционную) кривую 2 получают таким обра­
зом: перед измерением каждой точки поле
переключают несколько раз с положи­
тельного на отрицательное (циклическое
перемагничивание). Идеальную безгистерезисную кривую 3 получают так же, но
перед измерением каждой точки на обра­
зец воздействуют переменным полем с
убывающей до нуля амплитудой (возмож­
ны и другие воздействия, облегчающие
процесс намагничивания, например, меха­
нические).
Магнитная проницаемость р ферро­
магнетика нелинейным образом зависит от
Я. Проницаемость р определяется углом а
(из соотношения pop = BIH - tga), причем
есть характерные точки (рис. 1.14): на­
чальный угол а н, максимальный угол a m,
которые соответствуют полям Н —> 0 (в
этом случае проницаемость называют на­
чальной р„) и Нт (проницаемость называ­
ют максимальной) и обозначают р ^ ; поле
Н„ называют полем максимальной маг­
нитной проницаемости. На рис. 1.14 пока­
зана зависимость от Н проницаемости р, а
также дифференциальной проницаемости
Prf. При Н = 0 р =
> 1, далее обе прохо­
дят через максимум, совпадают при Н =
= Нт\ в больших полях ц<у —> 1, а р -» 1
только при Н —> оо.
Магнитный гистерезис. Характерной
особенностью ферромагнетиков является
то, что при уменьшении поля после на­
магничивания до некоторого значения В
функция В(Н) будет иметь иной вид, чем
при увеличении, и при Н = 0 окажется, что
В * 0. Если построить график В = / ( Н),
уменьшая поле от некоторого значения
+Н\ до -Н \, а затем увеличивая от -Н\ до
+ //1, то получится кривая, напоминающая
петлю, которая называется петлей магнит­
ного гистерезиса (рис. 1.15). Начиная из­
мерения с различных значений Н, можно
получить семейство петель гистерезиса,
при этом их вершины лежат на основной
кривой намагничивания. Однако сущест­
вует поле Н„ при котором измерения с
31
Рис. 1.15. Петли гистерезиса
Н > Hs уже не дают новых петель, совпа­
дая между собой. Петля гистерезиса, по­
строенная при циклическом перемагничивании от +Н, до -Н„ называется предель­
ной. Она является важнейшей характери­
стикой данного ферромагнетика.
Индукцией
насыщения
Bs (см.
рис. 1.15) называют индукцию, соответст­
вующую намагниченности насыщения Ms,
когда с увеличением Н намагниченность
не возрастает, а увеличение В осуществля­
ется только за счет Н.
Остаточная
индукцщГ Вг (см.
рис. 1.15) - индукция, которая остается в
предварительно намагниченном до насы­
щения ферромагнетике после снятия на­
магничивающего поля Н.
Коэрцитивной
силой
Нс
(см.
рис. 1.15) называют напряженность раз­
магничивающего поля, которое должно
быть приложено, чтобы установить значе­
ние В = 0.
Можно говорить о Вг и Нс для любых
петель гистерезиса, однако обычно под
остаточной индукцией и коэрцитивной
силой понимают (если это не оговаривает­
ся особо) их значения по предельной
петле.
Что касается Нс, то различают коэр­
цитивную силу по индукции цНс и коэрци­
тивную силу по намагниченности <Jic. Их
различие показано на рис. 1.16: вели­
чина В больше роМ на величину роН,
поэтому Вг и М, совпадают (так как Н = 0),
а дЯ, и нН, различаются
32
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Рис. 1.16. Отличие Нс по
намагниченности от Нс по индукции
Для обычных материалов это различие
несущественно, оно имеет значение толь­
ко для магнитожестких (высококоэрци­
тивных) материалов.
Площадь петли гистерезиса равна
работе Р, затраченной на перемагничивание единицы объема ферромагнетика,
Дж/м3:
Р = <$HdB .
Часто используется понятие удель­
ных потерь - затрат энергии на перемагничивание единицы массы ферромагнети­
ка в единицу времени:
Pr = ? / 'У ,
где s - площадь петли гистерезиса, изме­
ренная в квазистатическом режиме,
Тл • А/м; / - частота перемагничивания,
Гц; у - плотность материала, кг/м3.
Обменная энергия. Одно из основных
свойств ферромагнетиков - приобретать
большую намагниченность уже в малых
намагничивающих полях - можно объяс­
нить следующим образом (гипотеза Вейсса). Представим, что в ферромагнетике
существуют области, которые сами по
себе намагничены, т.е. имеют определен­
ный магнитный момент. Эти области ори­
ентированы произвольным образом, при
этом суммарный магнитный момент в от­
сутствие внешнего поля Не равен нулю.
Однако достаточно приложить небольшое
поле Не, и они ориентируются вдоль него,
ферромагнетики при этом приобретает
значительную намагниченность. Такие
области с самопроизвольной (спонтанной)
намагниченностью называются доменами.
Наличие определенного момента в
домене' означает, что элементарные маг­
нитные моменты атомов ориентированы
параллельно. Это положение должно быть
устойчиво, т.е. энергетически выгодно,
система имеет минимум энергии. И такой
минимум для некоторых веществ действи­
тельно имеет место, однако энергия, о ко­
торой идет речь, может быть понята толь­
ко с позиций квантовой механики.
Качественное представление об этой
энергии можно составить из следующих
рассуждений. Пусть имеется система из
двух атомов. Когда они расположены да­
леко друг от друга, энергия этой системы
равна сумме энергий каждого из атомов:
Е = 2Е0.
При сближении атомов появляется доба­
вочная энергия Ев, связанная с их взаимо­
действием: .
Е = 2Е0 ± Ев,
Парамагнетизм
, Л Ферромагнетизм | \
\
17 \С о
» e f4 .
I
--- Gd_|_
/t i l l
/>Мп
a/r
PPd
j.
Рис. 1.17. Зависимость обменной
энергии А от отношения а/г
ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
160
320 Я, А/см
0
80
160 Я А/см
33
0 1600 3200 4800 Я, А/см
Рнс. 1.18. Элементарные ячейки Fe (в), N1 (б), Со («) н кривые
намагничивания вдоль кристаллографических осей
которая состоит из двух частей:
Ев = С ± А,
где С - энергия кулоновского взаимодей­
ствия атомов; А - обменная энергия, не
имеющая аналогов в классической физике.
В квантовой механике предполагает­
ся, что электрон одного атома может ока­
заться вблизи ядра другого атома и, на­
оборот, —электрон соседнего атома может
оказаться вблизи первого. Происходит как
бы обмен электронами между атомами,
что и приводит к появлению "добавки" А.
Еще раз оговоримся, что это рассуждение
качественное, здесь нет наглядной модели.
Но из этих рассуждений можно предпо­
ложить, что на величину А существенное
влияние должно оказывать расстояние
между атомами. Действительно, как пока­
зали расчеты Френкеля и Гайзенберга, при
малых расстояниях между атомами фер­
ромагнетизм невозможен, а при очень
больших обменное взаимодействие умень­
шается. Существует некоторая область
расстояний между атомами, определяемых
в основном кристаллической решеткой (на
2 - 3360
рис. 1.17 это расстояние отнесено к радиу­
су оболочки атома* г), когда обменная
энергия (или обменный интеграл) играет
существенную роль, а ее минимум соот­
ветствует параллельному положению эле­
ментарных магнитных моментов. На рис.
1.17 видно, что ферромагнетизмом обла­
дают железо, кобальт, никель, гадолиний.
Некоторые вещества, в чистом виде не
обладающие ферромагнетизмом, в сплаве с
другими элементами могут стать ферро­
магнитными. Например, Мп в сплаве с Си
и А1 становится ферромагнетиком вслед­
ствие увеличения а.
Обменная энергия стимулирует па­
раллельную ориентацию элементарных
магнитных моментов в домене. То, что в
ферромагнетике оказывается много доме­
нов (бывают и однодоменные кристаллы),
обусловлено другими видами энергии,
которые рассмотрим ниже.
Энергия кристаллографической маг­
нитной анизотропии. В ферромагнитных
* К радиусу незаполненной оболочки. Для уточне­
ния этого понятия необходимо обратиться к специ­
альной литературе.
34
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Рис. 1.19. Уменьшение магнитостатической энергии вследствие
разбиения ферромагнитного тела на домены
кристаллах существуют оси легкого и
трудного намагничивания. На рис. 1.18 по­
казаны кривые намагничивания для раз­
ных кристаллографических осей Fe (объ­
емно-центрированная решетка), Ni (гранецентрированная) и Со (гексагональная).
Спонтанная (самопроизвольная) намагни­
ченность в каждом домене ориентируется
вдоль оси легкого намагничивания. Чтобы
намагнитить ферромагнетик в более труд­
ном направлении, необходимо затратить
определенную энергию, равную площади
между этими кривыми и являющуюся ме­
рой энергии естественной кристаллогра­
фической магнитной анизотропии. В не­
которых случаях анизотропия может от­
сутствовать, например, для сплава Fe-N i с
70 % Ni.
Можно считать, что существует не­
которое поле анизотропии На, которое
препятствует отклонению магнитных мо­
ментов ферромагнетиков от направления
легкого намагничивания:
Ha = K ]/Ms,
где К\ - константа анизотропии.
Магнитоупругая энергия. При намаг­
ничивании ферромагнетиков наблюдается
изменение их объемных или линейных
размеров. Это явление получило название
соответственно объемной или линейной
магнитострикции. Относительное удлине­
ние А1/1 может составлять 10-5 ... 10 . Маг­
нитоупругая энергия возникает под воз­
действием напряжений и пропорциональ­
на их значению и магнитострикции.
Магнитостатическая энергия. Фер­
ромагнетик, помещенный в однородное
магнитное поле, обладает энергией
Ет= -Цо MHcosa.
В состоянии остаточной намагничен­
ности Мг разомкнутый ферромагнетик
имеет полюсы, которые создают размаг­
ничивающее поле Я р, поэтому он будет
обладать магнитостатической энергией,
являющейся основной причиной разбие­
ния его на домены.
Магнитные домены. На рис. 1.19, а
показан ферромагнетик в однодоменном
состоянии, обладающий значительной
магнитостатической энергией (полюсы N
и S). Она уменьшается при разбиении фер­
ромагнетика на два домена (рис. 1.19, б) и
может исчезнуть совсем при образовании
замыкающих 90-градусных доменов (рис.
19, в). Таким образом, возникновение
доменной структуры - это эффект саморазмагничивания ферромагнитного кри­
сталла. Расчеты показывают, что при об­
разовании доменной структуры выигрыш
энергии достигает нескольких порядков.
Однако две антипараллельные области
спонтанного намагничивания (см. рис.
35
ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
1.19, б) не могут непосредственно примы­
кать друг к другу, так как в этом случае
будет велико значение обменной энергии
на их границе, поэтому 180-градусная гра­
ница между доменами имеет определен­
ную толщину (рис. 1.20), зависящую от
обменной энергии и от энергии кристал­
лографической анизотропии (поворот век­
торов для этой энергии невыгоден). Тол­
щина доменной границы
Ъ= а 4 л Т к ,
Домен
j
I
Граница
j
Домен
I
Рис. 1.20. Схема изменения ориентации
атомных моментов внутри 180-градусной
доменной границы
где Ъ — коэффициент Релея; второе сла­
где а - некоторый коэффициент.
Экспериментально
существование гаемое в этом уравнении учитывает необ­
доменов впервые было подтверждено ратимые процессы при намагничивании.
Участок III характеризуется высоким
Баркгаузеном, который зарегистрировал
значением
магнитной восприимчивости
элементарные акты намагничивания фер­
(проницаемости). В этой области намаг­
ромагнетика, названные скачками Барк­
ниченность изменяется большими скачка­
гаузена (подробнее см. гл. 17). Позднее
ми Баркгаузена, вызванными необрати­
Акулов и Биттер с помощью очень мелких мым смещением доменных границ. Для
ферромагнитных порошков наблюдали многоосных магнитожестких материалов
доменную структуру (порошок оседал на кроме процессов смещения в этом диапа­
границах доменов).
зоне полей характерны процессы скачко­
Кривая намагничивания. По характе­ образного вращения векторов намагни­
ру процессов намагничивания кривую на­ ченности.
На участке IV восприимчивость по­
магничивания условно можно разбить на
степенно уменьшается. Процесс намагни­
пять участков (рис. 1.21).
Участок 1 характеризуется постоян­ чивания осуществляется в основном за
ной восприимчивостью (проницаемостью), счет вращения векторов спонтанной на­
магниченности на направление внешнего
т.е. Хн = М/Н = const, цн= В/(ЦоЯ) = const.
магнитного поля. Работа по повороту век­
Намагничивание ферромагнетика на этом
торов спонтанной намагниченности на на­
участке кривой намагничивания осущест­ правление действующего поля затрачива­
вляется за счет обратимого (упругого) ется на преодоление кристаллографичессмещения доменных границ.
Участок II носит название области В; М
Релея. Намагничивание на этом участке
осуществляется в основном за счет сме­
щения доменных границ. Для этой облас­
ти кривой намагничивания справедлив
закон Релея, который выполняется прак­
тически для всех ферромагнетиков, за ис­
ключением тех, у которых эта область
может отсутствовать. Намагниченность в
области Релея определяется как
М = х нЯ + Ь Я 2,
2*
Рис. 1.21. Основные участки кривой
намагничивания
36
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
ской анизотропии, которая стремится
удержать векторы спонтанной намагни­
ченности в направлении легкого намагни­
чивания. Процессы вращения происходят
преимущественно обратимо. Для этого
участка справедлив закон приближения к
насыщению
М§ ц Ь - ——\
\
Я
Я2
- - Щ - 3 + х „Я ,
Я3
)
где Ms - намагниченность насыщения; А,
В, С - постоянные коэффициенты, кото­
рые определяют вклад различных струк­
турных факторов, влияющих на процесс
намагничивания;
- восприимчивость
парапроцесса. Выражение справедливо
для полей, при которых ферромагнетик
намагничен до технического насыщения.
Участок V соответствует парапроцес­
су. Процессы смещения и вращения за­
кончены. На этом участке в сильных маг­
нитных полях незначительное увеличение
намагниченности связано с дополнитель­
ной ориентацией спиновых магнитных
моментов в направлении приложенного
поля.
1.5. НАМ АГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ
Коэффициент размагничивания. Все
изложенное в п. 1.4 относится к бесконеч­
ному веществу или, во всяком случае, к
веществу без границ. На границе магнети­
ка изменяется намагниченность, напри­
мер, на границе с воздухом - от М (в фер­
ромагнетике) до 0 (в воздухе). Если гра­
ница параллельна М, то это изменение
вполне понятно: магнитный поток Ф (Ф =
= BS) сосредоточен внутри магнетика. Ес­
ли эта граница перпендикулярна к направ­
лению М, то считают, что здесь создаются
полюсы величиной MS (S - площадь гра­
ницы), являющиеся источником поля в
воздухе. Но если есть полюс, то поле от
него направлено во все стороны, в том
числе и внутрь магнетика, так что внутри
магнетика
я , = я е - я р,
где Hi - поле внутри магнетика; Не внешнее поле (поле источника, например
соленоида, охватывающего магнетик);
Я р - поле, обусловленное границей (раз­
магничивающее поле).
Очевидно,
Я р = NM,
где N - коэффициент размагничивания,
зависящий в основном от формы границы
(формы изделия).
В большинстве случаев тело намаг­
ничивается неоднородно, М м N ъ разных
точках .различны, поэтому пользуются
некоторыми усредненными значениями N.
Однородно намагничиваются только эл­
липсоиды, и для них значения N опреде­
лены. Для проволоки диаметром d и дли­
ной /, намагничиваемой в направлении /,
значения N приведены ниже:
l/d
1
2
5
10
N
0,27
0,14
0,04
0,017
l/d
20
50
500
N
0,006
0,0013
13 • КГ6
Коэффициенты размагничивания эл­
липсоидов. Детальные расчеты коэффици­
ентов размагничивания однородных тел,
ограниченных поверхностями второго
порядка, т.е. эллипсоидов, выполнил Ос­
борн. Формулы для Na, Nb, Nc эллипсоида с
осями а, Ь, с имеют достаточно сложный
характер, но для некоторых простых слу­
чаев они могут быть упрощены. При этом
Na + Nb + Nc = 1,
так что для шара (наиболее простой слу­
чай) N = 1/3.
Предположим, что а > Ъ > с > 0.
Пусть Ь = с и, кроме того, т = а/с » 1,
т.е. очень тонкий вытянутый сфероид
(почти проволока), тогда
37
НАМАГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ
n0
s -U n M -i];
т
Значения Na и приведенные для про­
волоки выше совпадают, начиная пример­
но с 1/d = 20 (по условию а/с » 1). Для
эллиптического цилиндра при а — оо,
Ъ» с
Nb = c/ ( b + c); Nc =b/ ( b + c).
Для этого случая также при b = с N = 1/2
(очень длинная проволока, намагничивае­
мая поперек).
Коэффициент размагничивания пла­
стины. Пусть пластина намагничивается
полем Я с перпендикулярно к наибольше­
му размеру полосы (рис. 1.22). Если вели­
чина заряда на единицу длины грани, пер­
пендикулярной к направлению Не, есть q,
то напряженность поля, создаваемого од­
ной гранью на расстоянии г (г » t, где t толщина полосы),
Поскольку плотность поверхностных за­
рядов а = цоМ„, то q = a t = цоMnt. Для цен­
трального сечения полосы шириной, рав­
ной расстоянию от края, г = Ь/2, а полное
поле создается двумя гранями:
-_2
р
Ит ■
1+ Я ( ц - 1) '
~
2лц0г
я
Рис. 1.22. Пластина в поперечном
магнитном поле
’ ff
где щ - проницаемость формы, зависящая
только от геометрических параметров те­
ла.
г=-М „.
2яц0(б/2)
тсЪ
Так как Я р = -NM„, N = 2t/(nb).
Магнитная проницаемость тела.
Выражение В =. \щ\Н справедливо для ве­
щества; здесь ц — проницаемость ве­
щества, Я - поле внутри вещества. Анало­
гично этому можно записать
В = ЦоЦт Не,
где Не- внешнее намагничивающее поле.
Из этих формул с учетом Я = Я* - NM
и М = (ц - 1)Я получаем выражение для
магнитной проницаемости тела
Рис. 1.23. Построение кривой
намагничивания тела (7) по кривой
намагничивания материала (2)
38
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Bill
Рис. 1.24. Схемы и график к расчету магнитной цепи с тороидом
Кривая намагничивания тела. Пере­
строим кривую намагничивания для веще­
ства в кривую намагничивания для тела
(рис. 1.23).
На рис. 1.23 такое перестраивание
проведено для точки А, соответствующей
полю Я,- = OD. Проведем АС так, чтобы
tg0 = N. Тогда ОС = OD + DC = Я, + BjN =
= Hj + Нр = Не (здесь для поля в веществе
введено специальное обозначение Щ.
На кривой намагничивания тела ин­
дукции Ва соответствует точка F. Кривая
намагничивания тела (кривая 1) станет
пологой, особенно для больших значе­
ний М
Такое же перестраивание можно вы­
полнить для петли гистерезиса, при этом
легко убедиться, что значение Нс остается
неизменным для вещества и тела (Вг для
тела меньше, чем для вещества).
Магнитные цепи. Совокупность маг­
нетиков, по которым проходит поток маг­
нитной индукции, называют магнитной
цепью. В магнитной дефектоскопии маг­
нитной цепью может быть собственно
изделие (например, коленчатый вал, на­
магничиваемый соленоидом) либо изделие
совместно с приставным электромагни­
том.
Для расчета магнитных цепей ис­
пользуют закон полного тока
£ я / = л /,
а также законы, аналогичные законам Ома
и Кирхгофа для электрической цепи:
для участка цепи
Ф = UJR»,
для узла цепи
£ ф
= 0;
=
Здесь / - длина участка магнитной цепи;
п - число витков намагничивающей ка­
тушки; / - сила намагничивающего тока;
F - намагничивающая сила; (/м- разность
магнитных потенциалов между концами
участка цепи; RM- магнитное сопротивле­
ние. При этом
F = Я/;
Ф = 55;
Я„ = //(ц0 ц Я
где S - площадь сечения магнитопровода.
Пример 1. Имеется цепь, содержа­
щая ферромагнитный сердечник постоян­
ного сечения. Необходимо в сердечнике
получить заданную индукцию В\. По за­
кону полного тока Я/ = л/.
Здесь / = 2пг (рис. 1.24, а), а Я опре­
деляется по кривой В =f(H) (рис. 1.24, б).
Пусть В\ = 1,5 Тл, г = 0,01 м. Находим
Я, = 2 ОООА/м. Тогда я/ = 126 А.
Пример 2. Цепь содержит ферромаг­
нитный сердечник переменного сечения
(рис. 1.24, в). Пренебрежем потоками рас-
S
НАМАГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ
сеяния, т.е. Ф = const, следовательно,
S|5| = B2S2 . Закон полного тока
H\l\ + H4i - nl.
Пусть
необходимо
получить
Вг~ 1)5 Тл, /2 —0,005 м, a S —0,55]. Тогда
В] = 0,5 В2 - 0,75 Тл. По рис. 1.24, б нахо­
дим Я, = 1200 А/м. Итак, nl * 2 000 • 0,005 +
39
+ 1200 • 0,0578 = 79,4 А, что существенно
меньше, чем в предыдущем случае.
П ример 3. Рассмотрим тороид с раз­
резом. Пусть на длине /э ферромагнетик
отсутствует. Индукция в этом зазоре
должна остаться такой же, тогда Н 2 =
= Я2/цо = 1 * 1 06 А/м; n l = Ю6 • 0 005 +
+ 2000 0,0578 = 5126 А.
Глава 2
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
При намагничивании короткой дета­
ли изделия на ее торцах создаются маг­
нитные полюсы. По аналогии с электро­
статикой им приписывают определенный
магнитный заряд (фиктивный), поверхно­
стная плотность которого численно равна
изменению намагниченности. Если в се­
чении детали имеется нарушение сплош­
ности или другая неоднородность, приво­
дящая к изменению намагниченности, то в
этом месте также образуются полюсы,
поле которых образует магнитное поле
рассеяния дефекта (в зарубежной литера­
туре магнитный метод часто называют
методом потоков рассеяния).
Магнитное поле рассеяния дефекта
Я д тем больше, чем больше дефект и чем
ближе он к поверхности, над которой про­
водится измерение.
В некоторых материалах (например,
легированных и высокоуглеродистых ста­
лях) Я д принимает большие значения при
остаточной намагниченности. По значе­
нию и топографии (пространственному
распределению) Я д, в принципе, можно
судить о размерах и расположении дефек­
та. Установить точную связь Я д с геомет­
рическими параметрами дефектов и маг­
нитными характеристиками изделий в
аналитическом виде не представляется
возможным. Для оценки этой связи поль­
зуются различными моделями и прибли­
жениями, наиболее распространенные из
которых представлены в табл. 2.1.
Формулы 6 в табл. 2.1 - точные, по­
лучены решением уравнения Лапласа для
безграничной среды, описываемой урав­
нением
В = ц 0цЯ .
Те же формулы пригодны и в случае
сред, для которых
В = Ц0(рЯ + М ),
где ц — const (так называемое приближе­
ние технического насыщения).
Если в формулах 6 заменить Я 0 на
Н'о ,т о
Я ^ = Я 0 + ц /( ц - 1 )
2.1. Напряженность магнитны х полей некоторых объектов
№
п/п
Формулы для расчета
Объект
Я =
Тонкая пла­
стина с током
1
4 n\i0a
Н
= — L _ in fe z ^ £ ± il
'
'У
Г *
!V
X
Однородно­
заряженный
цилиндр или
нить с линей­
ной плотно­
стью
х+а
а —х
arctg-------- 1- arctg-------
4пц0а
{x + a f + z 2
Я, =
2пц0(х2 + г 2)
Я ,-
____
яЦо(*2 + z 2)
г>а
41
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
Продолжение табл. 2.1
№
п/п
Формулы для расчета
Объект
Две
равно­
мерно заря­
женные нити
2Ь
х+Ь
Я , =■
2яц0 { x + b f + z 2
Я =
(:x - b f + z 2
а
(x-fc^+z2
2тсцо (jc + б)2 + z2
Дипольная
нить:
b -» 0, а -> оо,
+о
х-Ъ
Я =
lim fea = D
D
2zx
27tH0 (g2+JC2y
1
х+й
Я =
3/2
[(х + й)2 + / + 22]
х-Ъ
3/2
Поле двух то­
чечных заря­
дов
[(л-*)2 + y 2 + z 2]
Я„ =
Я
2лц0
3/2
2 + z2
{(х-б)2 + у 2 + z 2]
,2Ь
-я
Я =
*
2лцс
3/2
3/2
[(х - б)2 + у 2 + z
Поле диполя:
b —> О,q —» оо,
limfo/ = D
D
Я, =
у 2 + z 2 - 2х 2
2яЦо (х2 + j>2 +Z 2)5 2 '
я„ =
я
_D_______ 2ху
=
2тф0 (x 2 + y 2 + z 2 f 2 '
D_______ 2xz
^ H o ^ + ^ + z2)5'2
42
Глава 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
Продолжение табл. 2.1
№
п/п
Формулы для расчета
Объект
Две
равно­
мерно заря­
женные грани
с поверхно­
стной плот­
ностью СТо
h(x + b)
arctg
Нх = i
4яц0
( x+b ) 2 + z(z_+h)
(x - b)2 + z(z + h)
2Ъ
CT° -In
4яЦо
Цилиндриче­
ский дефект в
безграничном
пространстве
{x-bf
+z
{x + bY + (z + A)2
(x + b f
+z
(jc-ft)2 +(z + h f
Нх - Н0 + HW, HZ = НД
2 М-i М-2 z 2 - x 2
Я да = Н па
Hi +Цг (z2 + x 2f
2 Ц1- Ц 2
2^х
°
dH. А
Бесконечно
тонкий соле­
ноид с током
h(x - b)
-a rc tg
Я
=
А/
2я
-a rc tg
r> a
И1 +И 2 (z2 + x 2f
(jc + b)h
arctg
( x - b Y + z ( z + h)
(x-b)h
(x - b)2 + z(z + h)
H - Mnln [(*+z>)2+(z+hY] Ife-fr)2+z2]
2n
\ x + b Y + z 2\ \ x - b Y + { z + h Y \
= ,n = (ц- ^)Я|Ол
Я , = 1 и '2ь
2л
z*+xL
z+h
(z + h)2 + x 2
Я = 1Л -'2Ь
2n
z 2 + x2
(z I h)2 I x 2
i„ = M „ = ( y i - \ ) H 0n
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
43
Рис. 2.1. Составляю щ ие Нх и Нг магнитного поля рассеяния дефекта и
их основные производные (кривы е сигналов преобразователей для двух значений
межполюсного расстояния диполя):
а, в , д , ж - докритического; б, г , е , з - сверхкри гического
.
На основании анализа формул можно
сделать ряд важных выводов. Например,
сравнив формулы 6 и 3, легко убедиться,
что поле цилиндрической полости соот­
ветствует полю дипольной нити, располо­
женной на оси полости. Радиус полости не
влияет на топографию ее магнитного поля
рассеяния, а только на значение напря­
женности этого поля.
Влияние границ детали можно учесть
с помощью метода зеркальных отображе­
ний ( ц = const) на примере дипольной
нити (см. табл. 2.1).
Для расчета поля поверхностных де­
фектов используют модели диполей
(поз. 2—4), из которых наиболее подходя­
щей является модель ленточного диполя
(поз. 5), причем грани дефектов могут
быть расположены не только параллельно
и вертикально, но и под всевозможными
углами.
Для поз. 8 (см. табл. 2.1) следует учи­
тывать следующие соотношения:
м „ = Ц = 2<J0,
где М„ = (|д —1)Н0п - намагниченность на
границе металл-воздух; i„ - соленоидный
ток; ст0 — поверхностная плотность маг­
нитных (фиктивных) зарядов; Н0п - со­
ставляющая приложенного магнитного
поля Н , нормальная к границе поверхно­
сти раздела. При этом
h/(2h) + \
° ° ~ С* h/(2b) + \i'
^ = - ^ ( м „ + я 0п).
л ц+ 1
Глава 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
44
Для дефекта конечной протяженности
21 и конечной глубины А поверхностная
плотность магнитных зарядов оо может
быть выражена следующим образом:
поля дефекта конечной глубины h и ко­
нечной протяженности 21 представляется
как
ы
—
2s
(и- О
2Ъ
2Ъ
+
— + 1
Ч25
1 п-1
>=О
+ 1
+1
+2
2Ь
+1
/ z + А
= 4СТг arctg
1/2
ъ\>2 + / 2 + [z + h f
/1
- arctg
+1
b(t2 + l 2 + ! 2' l ' \
£ + ?
у 2Ь
2я р + 1
х=0
х max
j
(м„ + н 0п).
Это важное для практики магнитной
дефектоскопии выражение для поверхно­
стной плотности магнитных зарядов, учи­
тывающее глубину, протяженность и ши­
рину дефекта, а также магнитные свойства
среды ц, в которой находится дефект ко­
нечной глубины и конечной протяженно­
сти.
Максимальное значение тангенциальх=0
то
магнитного
Заслуживает внимания также модель
Ферстера, записанная по аналогии с маг­
нитным полем витка с током:
НХ= — 2Ь
л
x2 + z 2
Hz = ^ - 2 b
n
x2 + z 2
z +h
x2 +(z + h f
x2 + (z + A)2
Типичный вид составляющих маг­
нитного поля рассеяния поверхностного
дефекта (Нх и Hz) и их производных пока­
зан на рис. 2.1.
Г лава 3
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
3.1. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ
Под первичным преобразователем
магнитного поля понимается устройство,
служащее для преобразования параметров
магнитного поля в электрический сигнал.
В первичных преобразователях, как пра­
вило, происходит изменение физической
природы сигнала. Если входным сигналом
служит сама физическая величина, под­
вергаемая преобразованию (Ф, В, Н), то
выходным - уже другая физическая вели­
чина, функционально связанная с первой.
Унифицированным выходным сигна­
лом первичного преобразователя является
электрический сигнал, в котором могут
быть использованы различные параметры:
амплитуда, частота, фаза и т.д. В преобра­
зователях возможно также использование
операций модуляции и демодуляции.
В магнитной диагностике наиболее
перспективно применение первичных
преобразователей магнитного поля, клас­
сификация которых приведена на рис. 3.1.
Все преобразователи подразделяются на
индукционные, феррозондовые, гальваномагнитные и сверхпроводниковые.
Индукционные преобразователи яв­
ляются преобразователями пассивного
типа. В них в качестве чувствительного
элемента используется катушка индуктив­
ности с ферромагнитным сердечником или
без него. При этом выходным сигналом
является ЭДС движения, наводимая в ка­
тушке и пропорциональная скорости из­
менения магнитного поля, пронизываю­
щего катушку.
Феррозондовые преобразователи яв­
ляются преобразователями активного типа
и содержат ферромагнитные сердечники
стержневого или кольцевого типа. Выход­
ная ЭДС в них возникает за счет измене­
ния во времени магнитных параметров
сердечников при одновременном воздей­
ствии на них регистрируемого магнитного
поля и переменного поля возбуждения.
При этом регистрируемое магнитное поле
осуществляет модуляцию какого-либо
магнитного параметра сердечников (Ф, В,
Н, ц). Феррозондовые преобразователи
подразделяются на трансформаторные и
однообмоточные.
Отдельную группу составляют гальваномагнитные преобразователи магнит­
ного поля, в которых изменение внутрен­
них параметров при воздействии внешних
магнитных полей осуществляется за счет
искривления траектории движения носи­
телей заряда, изменения их концентрации
и т.д. К ним относятся преобразователи
Холла, магниторезистивные, гальваномагниторекомбинационные, магнитодиодные,
магнитотриодные, а также преобразовате­
ли на z-элементах, имеющие значительные
перспективы практического использова­
ния.
Это объясняется тем, что подобные
преобразователи микроскопических раз­
меров можно изготовлять автоматизиро­
ванным путем по интегральной техноло­
гии, что имеет большое значение при из­
готовлении многоэлементных матричных
преобразователей для визуализации маг­
нитных полей.
В магнитной диагностике возможно
также применение преобразователей на
магнитоуправляемых контактах, исполь­
зующих силы притяжения магнитопроводов под воздействием магнитного поля,
которые выполняют одновременно и
функции электрических контактов.
Основными характеристиками пре­
образователей, использующихся в маг­
нитных интроскопах, являются чувстви­
тельность, разрешающая способность и
динамический диапазон. Под чувстви­
тельностью преобразователя понимается
46
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Рис. 3.1. Классификация преобразователей магнитного поля
возможность преобразования им регист­
рируемого магнитного поля в форму,
удобную для дальнейшего использования.
Численной мерой чувствительности явля­
ется коэффициент преобразования, харак­
теризуемый отношением значения сигнала
на выходе преобразователя к его значению
на входе. В качестве входных сигналов
преобразователя могут быть использованы
магнитный поток, магнитная индукция,
напряженность магнитного поля и др.
Разрешающая способность преобра­
зователей магнитного поля, применяемых
в магнитной диагностике, характеризует
их способность создавать электрические
сигналы от магнитных полей рассеяния с
малыми геометрическими размерами, со­
ответствующих микроскопическим дефек­
там. Указанный параметр определяется
геометрическими размерами самого пре­
образователя, которые, например, для
преобразователей Холла могут достигать
10 х 10 мкм.
Динамический диапазон магнитных
полей, в котором преобразователь должен
устойчиво работать, составляет в магнит­
ной диагностике трубопроводов примерно
1 ... 200 А/см. При этом на преобразова­
тель воздействуют как поля рассеяния от
дефектов, так и поля подмагничивания от
намагничивающих устройств.
3.2.
ИНДУКЦИОННЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ
3.2.1. Пассивные индукционные
преобразователи
Принцип действия пассивных индук­
ционных преобразователей основан на
законе электромагнитной индукции Фара­
дея:
с1Ф
dt
е = -----— = - w — ,
dt
(3.1)
где
= иФ — потокосцепление катушки
преобразователя; w —число витков катуш­
ки.
Пассивный индукционный преобра­
зователь представляет собой катушку с
сердечником или без сердечника, которая
движется с некоторой скоростью v в неод­
нородном магнитном поле.
ЭДС, наводимая в катушке,
dФ
dt
с
д
dHx
dt
е = ------- v = - wun S cos0 ——- ,
’0
(3.2)
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
47
где S - площадь сечения сердечника или
среднего витка преобразователя без сер­
дечника, м2; 0 - угол между осью катушки
и вектором напряженности магнитного
поля; Н\ —напряженность магнитного по­
ля в местах расположения катушки, А/м.
Выходной сигнал пассивного преоб­
разователя с сердечником
<№
7------г —
—.
ec = - Sоw --------И
/, ^
(3.3)
l + JVpf r i - l ) Л
Коэффициент преобразования такого
преобразователя зависит от коэффициента
размагничивания Nu, т.е. от размеров и
формы сердечника.
При наличии сердечника магнитная
проницаемость тела
-
_______ Ег_________ _ 5
1 + [l + 1/у2 (l/y 3 —1/ y) arctg у]
(3.4)
где у =
- ( d / b f ; d - диаметр сердеч­
ника, м; L - длина сердечника, м.
Конструктивно индукционные пре­
образователи магнитного поля представ­
ляют собой катушки соответствующих
размеров и подходящей конфигурации, с
сердечниками или без них, движущиеся с
достаточной скоростью вблизи поверхно­
сти труб. К числу их преимуществ отно­
сится возможность изготовления и ис­
пользования преобразователей с очень
большой шириной полосы, контролируе­
мой одним преобразователем (рис. 3.2),
использующихся в магнитной диагностике
труб и листов. Катушка преобразователя в
этом случае должна располагаться как
можно ближе к поверхности трубы и
иметь небольшую толщину. Чувствитель­
ность пассивного преобразователя выби­
рают исходя из заданного рабочего диапа­
зона измерительного устройства и шумов
усилительного каскада, с которым непо­
средственно согласуется преобразователь.
Эффективные способы повышения
чувствительности - увеличение числа вит­
ков катушки преобразователя и использо­
вание сердечников из высокопроницаемых
Рис. 3.2. Пассивный индукционный
преобразователь
материалов (феррита, пермаллоя и т.д.).
Однако при этом необходимо учитывать,
что увеличение числа витков вызывает
повышение
выходного
индуктивного
сопротивления; применение сердечников с
высокой проницаемостью приводит к не­
постоянству чувствительности преобразо­
вателя и ее зависимости от воздействия
постоянных магнитных полей. Улучшить
параметры пассивных индукционных пре­
образователей можно при изготовлении их
печатным способом, методом фотографи­
рования или вакуумного напыления. По­
лучение необходимого числа Житков дос­
тигается и в многослойных структурах,
технология которых достаточно хорошо
разработана, а процесс изготовления мо­
жет быть автоматизирован.
Сравнительно просто можно полу­
чить миниатюрные обмотки диаметром
0,8 ... 1 мм с расстоянием между витками
примерно 50 мкм. Недостатком пассивных
индукционных преобразователей является
зависимость чувствительности от различ­
ных подмагничивающих полей, образую­
щихся в установках магнитного поля, а
также зависимость выходного сигнала
преобразователя от скорости изменения
напряженности изменяемого магнитного
поля. Сигнал, получаемый от катушки,
возрастает при введении в нее ферромаг­
нитного сердечника. Размер сердечника в
направлении вектора намагничивающего
поля, обозначенный на рис. 3.2 буквой Ь.
будем считать шириной сердечника, раз­
мер а - длиной сердечника. Длина сердеч-
48
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Рис. 3.3. Кольцевая магнитная головка
ника а определяет ширину полосы кон­
троля. Ширина Ь не должна превышать
размеры области, на протяжении которой
минимальный дефект создает заметное
возрастание напряженности магнитного
поля рассеяния. Длина сердечника а
определяется требованиями к ширине
полосы контроля.
Для считывания магнитных полей
можно применять индукционные магнит­
ные головки. Существует несколько раз­
новидностей головок. Наиболее широкое
применение получили кольцевые магнит­
ные головки, обладающие большим коэф­
фициентом преобразования (рис. 3.3). Они
состоят в основном из сердечника и об­
мотки.
Сердечник головки собирается из
двух полуколец, склеенных в пакеты из
тонких (0,1 ... 0,2 мм) пластин магнито­
мягкого материала с очень высокой маг­
нитной проницаемостью (цг = 50 ООО ...
100 ООО Гн/м). Обычно в качестве такого
материала используют железоникелевые
сплавы 50НХС, 80НХС, 79НМА и др. В
отдельных случаях в головках применяют
ферритовые сердечники. Толщину набора
сердечника выбирают в зависимости от
назначения головки.
Обмотка головки состоит либо из
двух катушек с большим числом витков
тонкого эмалированного провода, надетых
на каждое полукольцо сердечника и со­
единенных последовательно, либо из од­
ной общей катушки. Между передними
утонченными концами сердечника голов­
ки имеется немагнитный рабочий зазор,
образованный прокладкой из тонкой (5 ...
20 мкм) бронзовой фольги. Вторые концы
полуколец сердечника плотно подгоняют­
ся один к другому.
Индукционные магнитные головки
предназначены для преобразования маг­
нитных полей в электрические сигналы и
находят применение в магнитографиче­
ской дефектоскопии.
Принцип работы индукционной маг­
нитной головки заключается в замыкании
большей части внешнего магнитного по­
тока Фп создаваемого намагниченными
отпечатками на трубе, через ферромагнит­
ный сердечник головки. Полюсные грани
рабочего зазора головки должны быть
ориентированы в направлении поляриза­
ции граней дефекта.
Замыкание, шунтирование внешнего
магнитного потока трубы через сердечник
головки обусловливаются, с одной сторо­
ны, большим магнитным сопротивлением
R0 ее рабочего зазора и, с другой, - весьма
малым магнитным сопротивлением Ru
сердечника, изготовленного из материала
с высокой магнитной проницаемостью.
Магнитное потокосцепление *Р, за­
мыкающееся в процессе сканирования
через сердечник головки, пронизывает
витки обмотки и возбуждает в ней ЭДС
электромагнитной индукции. Чтобы полу­
чить большую отдачу сигналов, стремятся
обеспечить как можно больший коэффи­
циент шунтирования головки. Под коэф­
фициентом шунтирования А обычно по­
нимают отношение части потокосцепления Ч* трубы, замыкающегося через сер­
дечник головки и сцепляющегося с витка­
ми ее обмотки, к остаточному потоку Фг
трубы или отношение магнитного сопро­
тивления R0 рабочего зазора головки к
сумме магнитных сопротивлений сердеч­
ника RMи зазора Rq:
A = '¥/Or = R0/(RM+ R0),
откуда
'¥ = R0/(RM+ R0) = OrA.
(3.5)
Зависимость ЭДС, возникающей при
сканировании в обмотке головки, в первом
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
приближении можно выразить как
(3.6)
где w - число витков обмотки; vc - ско­
рость сканирования; Д - немагнитный ра­
бочий зазор; X - длина записанных на тру­
бе магнитных диполей в направлении по­
ляризации.
Из выражения (3.6) следует, что при
постоянстве коэффициента шунтирования,
числа витков обмотки и скорости скани­
рования электрические сигналы, возни­
кающие в головке, зависят главным обра­
зом от намагниченности отпечатков полей
дефектов. Основными показателями ин­
дукционных магнитных головок являются
ширина рабочего зазора, высота пакета
сердечника, число витков обмотки и ин­
дуктивность. Ширина рабочего зазора
обусловливает частотную характеристику
и разрешающую способность магнитных
головок. Толщину сердечника головки
выбирают в зависимости от ширины счи­
тываемой дорожки на трубе. В аппаратуре
для магнитной диагностики применяют
головки с толщиной сердечника 1 мм.
3.2.2. М агнитоиндукционные
преобразователи
Использование магнитомягких мате­
риалов в значительной мере определяет
важнейшие технико-экономические харак­
теристики соответствующих устройств
магнитной диагностики. Еще сравнитель­
но недавно в приборостроении в основном
применялись магнитомягкие материалы
следующих трех классов:
• электротехнические стали, пред­
ставляющие собой сплавы железа и крем­
ния и отличающиеся высокой индукцией
насыщения В,;
• железоникелевые сплавы (пер­
маллои) с большой магнитной проницае­
мостью р и/или прямоугольной петлей
гистерезиса;
49
•
магнитные диэлектрики (ферри
ты), которым присущи малые потери на
высоких частотах.
Для магнитных преобразователей на­
ходят применение аморфные магнитные
сплавы, которые обычно получают путем
разлива жидкого металла через сопло в
непрерывный вращающийся поток воды,
обеспечивающей требуемую скорость ох­
лаждения. Ленты из аморфных магнитных
сплавов еще меньшей толщины или из
проволок малого диаметра часто получают
холодной вальцовкой или протяжкой, по­
сле чего обычно требуется отжиг для сня­
тия механических напряжений. Он должен
проводиться при температурах меньше
температуры рекристаллизации Tip. Для
проволок отжиг может выполняться про­
пусканием через нее соответствующего
тока. Ленты (в частности, для изготовле­
ния витых сердечников) после полива час­
то используют без последующего отжига.
К преимуществам аморфных магнит­
ных сплавов относятся их изотропность,
технологичность, механическая проч­
ность, износостойкость, а также возмож­
ность изменения в широких пределах маг­
нитных, электрических и механических
свойств преобразователей магнитного по­
ля путем соответствующего подбора их
химического состава и/или последующей
термической, термомагнитной или термо­
механической обработки.
Даже серийно выпускаемые аморф­
ные магнитные сплавы массового назна­
чения, в том числе и отечественные, по
многим параметрам лучше традиционных
магнитомягких материалов.
Например, по удельным потерям в
переменных магнитных полях из-за высо­
кого удельного сопротивления р аморф­
ные магнитные сплавы намного превосхо­
дят электротехнические стали и железо­
никелевые сплавы той же толщины. Одна­
ко электротехнические стали имеют более
высокие значения индукции насыщения
so
Г л ава3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
B s, ч т о м ож ет иметь существенное значе­
Один из наиболее простых и эффек­
н и е для м ощ ны х намагничивающих уст­
тивных методов использования магнито­
рой ств.
индукционного эффекта - включение от­
А м орф н ы е магнитные сплавы по­ резка аморфной проволоки в колебатель­
став л я ю тся как в виде проволок, лент, так ный контур высокочастотного автогенера­
и в ф о р м е витых тороидальных сердечни­ тора, например, генератора, выполненного
к ов , п р ош едш и х заданный режим термо- и на туннельном диоде. При номинальной
т ер м ом агн и тн ой обработки.
частоте колебаний 100 МГц чувствитель­
М агнитоиндукционный эффект от­ ность его к магнитному полю составляет
10 ГГц/Тл. В качестве магнитного провод­
кры т лиш ь недавно в проволоках из
а м о р ф н ы х магнитных сплавов. Он заклю­ ника используется отрезок ленты из
ч ается в том , что при пропускании высо­ аморфного магнитного сплава длиной
к о ч а стотн ого тока по отрезку высокопро­ 30 мм, -шириной 0,1 мм и толщиной
н и ц а ем о й проволоки ток из центральной 25 мкм, в котором наблюдаются нелиней­
ные зависимости сопротивления R и ин­
о б л а с т и проволоки вытесняется к ее на­
дуктивности L проводника и частоты/ от
р у ж н о м у диаметру под воздействием вих­
внешнего поля Яв. С ростом Явзначения R
рев ы х токов. Как следствие, растет актив­
и L сначала увеличиваются, а / уменьша­
н о е сопротивление проволоки протекаю­
ется. При некоторых неодинаковых значе­
щ ем у току. Кроме того, такая проволока ниях Яв рост R и L прекращается, и с
о б л а д а ет и заметным индуктивным сопро­ дальнейшим увеличением Явзначения R и
ти в л ен и ем высокочастотному току. Дей­ L уменьшаются, а/ увеличивается.
ст в и е вихревы х токов пропорционально
Поэтому для получения близкой к
(у |i f ) ' , где у — удельная электрическая линейной зависимости f(Ht) вводится по­
п р ов оди м ость материала.
стоянное поле смещения, при котором
Д ействуя на проволоку внешним допустимый диапазон изменения Яв ока­
магнитным полем, можно в широких преде­ зывается сильно ограниченным.
Учитывая новизну магнитоиндукци­
лах изменять значение fj. и, следовательно,
е е активное и индуктивное сопротивления, онного эффекта и интенсивные исследо­
что и названо магнитоиндуктивным эффек­ вания в области физики и применения это­
том . П рощ е всего магнитоиндуктивный эф­ го эффекта, следует ожидать создания но­
ф ект м ож но обнаружить по изменению па­ вых аморфных материалов с большим
ден и я напряжения на отрезке аморфной магнитоиндукционным эффектом и разра­
проволоки, по которой протекает высоко­ ботки принципов его практического при­
частотный ток фиксированной амплитуды, менения в магнитной диагностике.
п о д воздействием внешнего магнитного
3.3. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ
поля. Манитоиндуктивный эффект также
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
обн аруж ен в тонкой магнитной пленке, в
т о м ч и сл е нанесенной гальванически на
3.3.1. Гальваномагнитные
н ем агн и тн ую проволоку.
преобразователи, основанные на
Н а о с н о ве отрезка проволоки такого
эффекте Холла и эффекте Гаусса
со ст а в а диам етром 30 мкм и длиной 1 мм
с о з д а н магнитоиндукционный преобразо­
Характеристики магнитных преобра­
ват ель магнитного поля с номинальной зователей, применяемых в магнитной де­
р а б о ч е й частотой 220 М Гц и чувствитель- фектоскопии, должны удовлетворять сле­
дующим требованиям:
ност ью порядка 8 - 1 0 А/см.
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
51
Напряженность измеряемого
поля, А/см:
наименьшая........................
наибольшая........................
10
10
Минимальная чувствитель­
ность, мВ см/А ...................
2
Инерционность, с .....................
До 10^*
Наибольшие размеры, м м ........
1(Г3
Температурная погреш­
ность, % ................................
До 0,01
Рабочий диапазон темпе­
ратур, °С .................................. -30 ... +150
Наиболее широкое применение полу­
чили полупроводниковые гальваномагнитные преобразователи, основанные на
эффекте Холла и эффекте Гаусса. Эффект
Холла заключается в возникновении по­
перечной разности потенциалов (ЭДС
Холла) на боковых гранях пластины.
Эффект Гаусса проявляется в изме­
нении электрического сопротивления пла­
стины. Оба эффекта обусловлены измене­
нием траектории движения заряженных
частиц в магнитном поле под действием
силы Лоренца F = - е [v, В]. Преобразова­
тели выполняют методом фотолитографии
толщиной 5 ... 10 мкм.
Чувствительность
преобразователя
Холла к магнитной индукции S* определя­
ется при номинальном значении входного
тока /„ом = const как Sb - Rnxhou^d
(Rm - постоянная Холла; cpj - функция,
зависящая от геометрии преобразователя;
d - толщина пластины) и для серийно вы­
пускаемых преобразователей составляет
0,03 ... 1 В/Тл, или 0,04 ... 0,12 мВ-см/А.
Значение /ном ограничено допускаемой
температурой перегрева преобразователя.
Диапазон измеряемых полей - от 0,1 до
1000 А/см. Интервал рабочих температур
также широк и для серийных отечествен­
ных преобразователей составляет от -30
Рис. 3.4. Схема включения
преобразователя Холла:
£/х - ЭДС Холла; Н„ - вектор напряженности
приложенного магнитного поля; е - источник
питания
до +150 °С. Инерционность элементов
Холла - не более 10'1 с.
К недостаткам данных преобразова­
телей следует отнести низкую темпера­
турную стабильность и большую погреш­
ность вблизи нулевых полей, вызванную
наличием градиента температур между его
электродами (эффект Пельтье); низкую
механическую прочность; погрешность от
собственного магнитного поля, создавае­
мого током (особенно, если вблизи есть
ферромагнитные изделия); появляющуюся
в неоднородных полях большую величину
погрешности от планарного эффекта
Холла.
Схема включения преобразователя
Холла показана на рис. 3.4.
При пропускании постоянного тока
через датчик значение U\ определяется
только напряженностью поперечного маг­
нитного поля дефекта. Благодаря именно
этому преобразователи Холла широко ис­
пользуются в магнитной диагностике. Так
как основные параметры преобразовате­
лей Холла улучшаются с ростом подвиж­
ности носителей, то для их изготовления
используются полупроводники с высокой
подвижностью: германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др.
На рис. 3.5 показано расположение
преобразователей Холла на поверхности
ферромагнитного образца для измерения
тангенциальной составляющей напряжен­
ности магнитного поля рассеяния от де­
фекта На (Нп - приложенное магнитное
поле). Преобразователь Холла имеет не-
52
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Рис. 3.5. Расположение преобразователя
Холла на поверхности образца для
измерения тангенциальной составляющей
напряженности магнитного поля
большие размеры по сравнению с разме­
рами образца и с достаточной чувстви­
тельностью может измерять напряжен­
ность магнитного поля во всех точках на
поверхности изделия.
Широкое распространение при изме­
рении слабых магнитных полей получили
магнитопленочные преобразователи Хол­
ла, выполненные на основе пермаллоевой
пленки. Напряжение выходного сигнала
преобразователя прямоугольной формы,
основанного на планарном эффекте Хол­
ла,
AU = Aps I sin (2ф) Н /(2й ) , (3.7)
где Aps = 6,5 • 10-7 Ом-см - константа ма­
териала; I - сила тока; ср - угол между век­
торами намагниченности и тока; h - тол­
щина преобразователя Холла.
Преобразователь
выполняется
из
анизотропной пермаллоевой пленки обыч­
но в виде квадрата (или круга), размеры
сторон (или диаметр) которого примерно
равны 50 мкм, а толщина составляет не­
сколько десятков нанометров. Две пары
взаимно перпендикулярных электродов
служат для подачи тока и съема сигнала.
Поле рассеяния изменяет направление
вектора намагниченности относительно
тока и вызывает появление ЭДС. В отсут­
ствие поля рассеяния поле анизотропии
возвращает вектор намагниченности в
исходное состояние. У таких преобразова­
телей, имеющих диаметр 50 мкм, толщину
30 нм, входное и выходное сопротивления
10 ... 15 Ом, выходной сигнал составляет
0,9 мВ при силе тока 20 мА.
Недостатком этих преобразователей
является более сложное изготовление че­
тырех контактов по сравнению с двумя у
магниторезистивных преобразователей.
Пленочные преобразователи облада­
ют большей чувствительностью, чем кри­
сталлические. Быстрое распространение
преобразователей Холла обусловливается
их многочисленными преимуществами,
важнейшие из которых следующие:
• преобразователь Холла является
статическим элементом, что дает ему пре­
имущество перед индукционным, изме­
ряющим магнитное поля только в момент
перемещения;
• малые размеры (10 х 10 мкм) и боль­
шая надежность в работе.
Основные характеристики преобра­
зователей Холла, выпускаемых в настоя­
щее время в России и за рубежом, приве­
дены в табл. 3.1.
Другой
тип
полупроводникового
гальваномагнитного преобразователя ос­
нован на изменении электрического со­
противления под действием магнитного
поля (эффект Гаусса). Увеличение элек­
трического сопротивления под действием
магнитного поля происходит как в случае,
когда вектор магнитной индукции направ­
лен перпендикулярно к направлению про­
текания тока в полупроводниковой пла­
стине (поперечный эффект магнитосопротивления), так и в случае, когда вектор
магнитной индукции параллелен направ­
лению тока (продольный эффект магнитосопротивления). Однако изменение сопро­
тивления при продольном эффекте незна­
чительно. Физически магниторезистивный
эффект обусловлен искривлением траек­
тории носителей заряда (электронов про­
водимости и дырок) в магнитном поле под
действием силы Лоренца относительно
направления возбуждающего электриче­
ского поля.
53
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. Технические характеристики преобразователей Х олла
Средняя чувст­ Сила номи-1 Входное (вы- Диапазон I Температурный
вительность
нального ходное) сопро- измере- I коэффициент, % /°С |
Тип(фирма) при номиналь­ управляю- I тивление,
ний, мТл
чувствн- I сопрок0м
ном управляю­ щего тока, j
тельности ггивления
мА
щем токе, В/Тл
ФГУП
"ШИП"
0,2 ... 1,0
KSY10
(Siemens)
0,85... 1,15
KSY 14
(Siemens)
0,95... UO
KSY 44
(Siemens)
,05... 1,61
HAL400
(Micronas
Intermetall)
33 ...50
программи­
руется)
HAL800
(Micronas
Intennetall)
UGN3503
(Allegro)
5,0
5,0
£3,0 (£15,0)
7,0
(0 ,9 ... 1,2)
13 ...67
(встроенный
усилитель)
7,5... 17,2
(встроенный
усилитель)
17...33
A3508
(встроенный
усилитель)
±1000
-0,05
±1000
-0,07..
-0,03
±1000
-0,03
±75
± 0,02
0 ,9 ... 1,2
±(30 ...
50) (про­
грамми­
руется)
П ро­
грам м и ­
руется,
±90
SS49/SS19
(Honeywell)
SS94A
5...250
Series
(встроенный
усилитель)
(Honeywell)
AY22151
(Analog
Device)
Программи­
руется
0,10 ..
0,18
0,10
0,18
0,6 ... 0,9
0*0... 1,5)
14,5
± 1000
0 ,9 ... 1,2
(0 ,9 ... 1,2)
A3507
(Allegro)
1,0
± 100
± ( 1 0 ...
500)
±0,02
0... 1000,
Проили ± 500 граммимакс.
руется
+030
54
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Чувствительность достигает макси­
мального значения в полях 0,15 ... 0,25 Тл
(1200 ... 2000 А/см), а в области малых
полей менее 10 мТл (80 А/см) чувстви­
тельность стремится к нулю. При этом
магниторезистивный эффект нечувствите­
лен к знаку магнитного поля. Диапазон
рабочих температур магниторезисторов
составляет -85 ... +60 °С.
Преимуществом
преобразователей
Гаусса можно считать простейшую конст­
рукцию с минимально возможным числом
электродов. Наименьшие размеры магни­
торезисторов составляют около 50 мкм. К
недостаткам следует отнести низкую чув­
ствительность (меньшую, чем у преобра­
зователей Холла), значительную нелиней­
ность и температурную нестабильность;
низкие метрологические показатели огра­
ничивают применение полупроводнико­
вых магниторезисторов в качестве преци­
зионных измерителей магнитного поля.
3.3.2.
Гальваномагниторекомбинационные преобразователи
Более чувствительными преобразова­
телями
являются
гальваномагниторекомбинационные (ГМР). Их действие
основано на магнитоконцентрационном
эффекте в собственном полупроводнике,
особенность которого состоит в том, что
концентрация электронов равна концен­
трации дырок. В условиях термодинами­
ческого равновесия в полупроводнике на­
ряду с генерацией пар электрон-дырка
происходит и противоположный процесс рекомбинация носителей тока. Эти про­
цессы происходят непрерывно, и для каж­
дого значения температуры устанавлива­
ется соответствующая равновесная кон­
центрация электронов. В отличие от маг­
ниторезистивного элемента ГМР-преобразователь обладает чувствительностью к
знаку магнитного поля. Чувствительность
таких преобразователей на два порядка
превосходит чувствительность элементов
Холла и составляет 80 В/Тл (10 мВ ■см/А).
Подбором нагрузочного резистора, вклю­
ченного последовательно с преобразова­
телем, можно добиться очень малого тем­
пературного коэффициента в рабочем
диапазоне температур от -20 до +40 °С.
Рабочий диапазон температур, в котором
допустима эксплуатация ГМР-преобразователей, составляет -6 0 ... +100 °С. Наи­
меньшие размеры преобразователя - 2 х
х 0,5 мм. Преобразователи с наибольшей
чувствительностью имеют длину порядка
10 мм. К их недостаткам следует отнести
достаточно крупные размеры (низкая про­
странственная
разрешающая
способ­
ность), большую инерционность (10 с).
Чаще всего для изготовления ГМРпреобразователей используют германий,
обладающий достаточно высокой под­
вижностью носителей заряда и длиной
диффузионного смещения около 1 мм.
Схема включения ГМР-преобразователя приведена на рис. 3.6, а. Значение
нагрузочного сопротивления R„ определя­
ет режим работы преобразователя. Если
сопротивление R„ примерно в 10 раз пре­
вышает сопротивление ГМР-преобразователя при отсутствии магнитного поля Rr,
то последний работает в режиме питания
от источника тока (I\ = const).
Схема обеспечивает режим макси­
мальной магнитной чувствительности
ГМР-преобразователя. Можно так по­
добрать значение сопротивления наг­
рузки RH= Л„.опт, что будет обеспечиваться
режим работы схемы с минимальным зна­
чением температурного коэффициента
магнитной чувствительности. При этом
U ,В
U.
/
М Щ
ЯФГ] R
у
/
/
а)
/
160 480 Я,А/см
Д7
б)
Рис. 3.6. Схема включения (а) и зависимость
выходного сигнала от напряженности
магнитного поля (б ) ГМР-преобразователя
55
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Я/Кн.опт = 2,5. На рис. 3.6, б видно, что
зависимость выходного напряжения от
напряженности магнитного поля при
/i = const линейна.
Преимуществом ГМР-преобразователей является линейность зависимости
ивых = АНд) в слабых полях, что выгодно
отличает их от преобразователей магнитосопротивления. Кроме того, чувствитель­
ность их значительно выше, чем у преоб­
разователей Холла.
3.3.3. П олупроводниковы е
преобразователи на основе
м агнитодиодного эф ф екта
Высокой чувствительностью облада­
ют полупроводниковы е преобразователи
на основе магнитодиодного эффекта. М аг­
нитодиодным эффектом принято назы ­
вать изменение электрического сопротив­
ления полупроводникового диода с длин­
ной базой, включенного в прямом направ­
лении в результате воздействия на диод
поперечного магнитного поля. Для дости­
жения высокой чувствительности магнитотранзисторы изготовляются с двумя
коллекторами (рис. 3.7.) При включении
магнитотранзистора по схеме с общим
эмиттером и нагрузочными резисторами в
цепях коллекторов (мостовая схема) в от­
сутствие магнитного поля инжектирован­
ные эмиттером носители заряда (дырки)
примерно поровну распределяются между
коллекторами. В поперечном магнитном
поле происходит перераспределение ин­
жектированных носителей заряда между
коллекторами, при этом ток коллектора К2
увеличивается, а ток коллектора К1
уменьшается, что вызывает разбаланс
моста. Магнитное поле, наряду с эффек­
том перераспределения носителей между
коллекторами, уменьшает эффективную
толщину базы, если ток коллектора К2
увеличивается, и соответственно увеличи­
вает толщину базы для коллектора К1.
При изменении направления магнитного
поля изменяется знак напряжения между
коллекторами. Изменение эффективной
Рис. 3.7. Схематическое изображение
двухколлекторного магнитотранзистора и
его схема включения:
1 , 2 - первый и второй коллекторы;
3 - эмиттер; 4 - база
толщ ины базы дополнительно увеличива­
ет ток коллектора К2, а также ум еньш ает
ток коллектора К1. Это приводит к допол­
нительному росту магниточувствительности. Для транзистора, изготовленного из
германия, размерами 1 x 1 x 4 мм чувстви­
тельность составляла (при силе токе эмит­
тера 1 мА) 200 ... 400 В/Тл ($5 мВ • см/А).
Наименьшие размеры магнитотранзисторов — 0,1 мм. Быстродействие бипо­
лярных магнитотранзисторов не выше,
чем у магнитодиодов. Диапазон измеряе­
мых полей, как и у магнитодиодов, - от
1 до 1000 А/см и более.
30
10
20
/
1^
/
5
10
^
«
0 200
*- -
■
1
600
НД, А/см
0 200
о)
<
1
1
600
Нд,г А/см
б)
Рис. 3.8. Зависимость напряжения
между коллекторами от напряженности
магнитного поля для германиевого ( а ) и
кремниевого ( б ) магнитотранзисторов:
/ - / , / / „ , =0.25; 2 - /,//„ , = I
56
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В настоящее время кремниевые двух­
коллекторные магниторезисторы с гори­
зонтальными коллекторами имеют магниточувствительность в 10 раз выше, чем
преобразователи Холла. За счет использо­
вания более короткой базы их предельная
частота достаточно велика (до 100 МГц),
большая концентрация легирующей при­
меси обеспечивает и высокую термоста­
бильность (0,03 %/°С). Чувствительность
экспериментальных отечественных крем­
ниевых двухколлекторных магнитотранзисторов с вертикальными коллекторами
на один-два порядка выше, чем чувстви­
тельность двухколлекторного магнитотранзистора с горизонтальными коллекто­
рами.
Одним из методов повышения магниточувствительности может быть увеличе­
ние напряженности электрического поля в
базе двухколлекторного магнитотранзистора. Однако простым увеличением тока
эмиттера этого не достигается, поскольку
с ростом тока эмиттера увеличивается
концентрация носителей заряда вблизи
него, и напряженность электрического
поля в этой области увеличивается слабо.
Напряженность электрического поля в
базе удобнее регулировать с помощью
расположенного вблизи эмиттера допол­
нительного омического контакта. Для это­
го используется планарная структура
двухколлекторного магнитотранзистора.
Изменяя ток через базовые электро­
ды, можно устанавливать необходимые
значения электрического поля в базе. На
рис. 3.8 показана экспериментальная зави­
симость напряжения между коллекторами
такого двухколлекторного магнитотранзи­
стора от напряженности магнитного поля
для разных соотношений токов через
эмиттер и прилегающий базовый контакт
(/,//б 0 .
3.3.4. Магнитодиоды
В качестве магнитодиодов использу­
ют несимметричные р -п- или ^ -р -п е р е ­
ходы с длинной базой, т.е. базой, длина ко­
\р+ \
п
|л + |
е+я
п
© -Н
го
а)
б)
Рис. 3.9. Конструкции магнитодиодов
торой больше длины диффузионного
смещения неосновных носителей заряда.
В настоящее время применяют две
конструкции магнитодиодов: торцевая
(рис. 3.9, а) и планарная (рис. 3.9, б). При
массовом производстве торцевых магни­
тодиодов трудно осуществить обработку
поверхности только одной боковой грани,
поэтому все грани обрабатывают одинако­
во. Сопротивление таких магнитодиодов
при обоих направлениях магнитного поля
растет одинаково. В планарной конструк­
ции магнитодиодов целесообразно увели­
чивать скорость рекомбинации носителей
заряда на стороне пластины, противопо­
ложной от контактов. В этом случае при
полярности магнитного поля +Н инжек­
тированные носители отклоняются к
верхней грани пластины, сокращается их
траектория движения и увеличивается
время жизни.
Оба эти эффекта приводят к умень­
шению сопротивления магннтодиода. При
направлении магнитного поля —Н сопро­
тивление увеличивается. Это позволяет
использовать магнитодиод для определе­
ния направления магнитного поля. Если
же область с высокой скоростью рекомби­
нации расположена на верхней стороне
пластины, то эффекты изменения длины
траектории и времени жизни будут час­
тично компенсировать друг друга и магниточувствительность значительно умень­
шится.
Вольт-амперные характеристики гер­
маниевого магннтодиода с областью вы­
сокой скорости рекомбинации приведены
на рис. 3.10, а.
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
обладающ ие отрицательны м д и ф ф ер ен ц и ­
альным сопротивлением . В к ач естве s-м агнитодиодов использую т s-д и оды , в к о т о ­
рых образование обратной связи п р о и сх о ­
дит за счет роста врем ени ж и зн и и п о д ­
вижности носителей заряда, так к ак и м е н ­
но эти параметры п олупроводни ка н аи б о ­
лее чувствительны к м агн и тн ом у п олю .
Типичная характеристика s-м агн и то д и о д а
показана на рис. 3.10, б.
I мА Я=-1,6-103А/см /
4
а)
8 U, В
б)
Рис. 3.10. Вольт-амперные
характеристики магиитодиодов:
а - германиевый магнитодиод;
б - s-магнитодиод
3.3.5. М агни тотран зи сторы
Преимуществом германиевых магнитодиодов является высокая чувствитель­
ность при низких напряжениях (до 2 В),
недостатком - зависимость чувствитель­
ности от температуры, причем для умень­
шения чувствительности в 2 раза доста­
точно повысить температуру от 30 до
50 °С.
Концентрация собственных носите­
лей в кремнии на два-три порядка меньше,
чем в германии. Это позволяет во столько
же раз уменьшить концентрацию основ­
ных носителей и повысить магниточувствительность.
Известны s-магнитодиоды, имеющие
вольт-амперную характеристику s-типа и
О днопереходный тран зи стор со сто и т
из стержня полупроводника с ом и ч ески м и
контактами на концах и р —и -й ер ех о д о м
между ними (рис. 3.11, а). Л ю бой о д н о п е ­
реходной транзистор м ож но и сп о льзо вать
в качестве м агниточувствительного п р и ­
бора.
П од действием эл ектрического п ол я в
базе, создаваемого нап ряж ением £/б.б> и н ­
жектированные дырки уносятся в н и ж ­
нюю часть базы, вследствие чего ее с о ­
противление ещ е больш е ум ен ьш ается.
Снижение сопротивления н и ж ней ч асти
базы приводит к дальн ейш ем у у м е н ь ш е­
нию напряжения U\ и увел и ч ен и ю Upn, в
результате чего инж екция носи телей и т о к
через р-п-п ереход продолж аю т расти . Т а-
i3, мА
п
4
\R +1__
57
Г1
а)
Рис. 3.11. Схема включения (а) и вольт-амперны е хар актер истики (б)
однопереходного магниторезистора
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
58
кой самоускоряющиися процесс приводит
к лавинному нарастанию тока через р -п переход и уменьшению падения напряже­
ния на последовательно включенных со­
противлениях /т-л-перехода и нижней час­
ти базы, причем нагрузочный резистор во
входной цепи должен быть больше вход­
ного сопротивления однопереходного
транзистора. Входная характеристика однопереходного транзистора относится к
s-типу. Ее существенным отличием от
аналогичных характеристик других при­
боров, например s-диода, является то, что
включение эмиттера происходит при
практически нулевых токах эмиттера.
3.3.6. Полевые магнитотранзисторы
Для увеличения чувствительности
преобразователей
Холла
необходимо
уменьшить их толщину. Однако при этом
существуют ограничения, обусловленные
как
технологическими
трудностями
получения тонких образцов, так и тем, что
при малых толщинах растет рассеивание
носителей заряда на поверхности, а это
приводит к снижению их подвижности.
Эти трудности можно уменьшить путем
применения полевого эффекта для
изменения толщины полупроводника.
При помещении любого полевого
транзистора в поперечное магнитное поле
в его канале возникает электрическое поле
Холла, как и в полупроводниковом стерж­
не с двумя омическими контактами на
концах. Полевой магнитотранзистор отли­
чается от обычного лишь тем, что в его
канале имеются дополнительные боковые
омические контакты для вывода ЭДС
Холла.
На рис. 3.12 показана структура
МДП-магнитотранзистора с каналом / 7-ти­
па. При работе транзистора в режиме
обеднения канала толщина канала d ми­
нимальна вблизи стока С, так как между
затвором 3 и этой частью канала действует
напряжение, равное сумме напряжений
затвора U3 и стока Uc. Вблизи истока И
напряжение между затвором и каналом
равно (/„ поэтому толщина канала здесь
больше. Напряжение Холла U \ макси­
мально в том месте, где d минимально.
Следовательно, холловские контакты име­
ет смысл располагать вблизи стока. Уве­
личивая отрицательное напряжение на
затворе, можно уменьшать d до очень ма­
лых значений и таким образом увеличи­
вать и х.
Чувствительность кремниевых МДПмагнитотранзисторов с каналом / 7-типа
при / с = 0,1 мА равна 400 В/Тл, что в
5 ... 10 раз выше чувствительности преобразоваителей Холла из аналогичного ма­
териала. Несмотря на то, что их чувстви­
тельность на два порядка ниже чувстви­
тельности биполярных магнитотранзисто­
ров, полевые магнитотранзисторы также
находят практическое применение, по­
скольку имеют меньший уровень соб­
ственных шумов.
3.3.7. z-Элементы
а)
б)
Рис. 3.12. Полевой
МДП-магнитотранзистор
z-Элемент представляет собой р-пструктуру с вольт-амперной характери­
стикой s-типа. Его изготовляют из крем­
ния с включениями, например фосфора
(проводимость n-типа). Алюминий вводят
в структуру для создания зоны с проводи­
мостью / 7-типа. Добавляют также медь,
цинк.
z-Элемент подключается к схеме ис­
точника постоянного тока через нагрузоч­
ное сопротивление R„, используемое для
59
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
/к Г ц
Я +
.4*
TU
О*Я , А/см
о)
б)
в)
Рис. 3.13. z-Элемент:
а - схема включения; 6 - вольт-амперная характеристика; в - зависимость частоты
сигнала на выходе от напряженности магнитного поля
ограничения тока и регулирования выход­
ного сигнала. При этом р-л-переход
включается в прямом положительном на­
правлении (рис. 3.13, а).
В начальной части вольт-амперной
характеристики (интервал О А на рис. 3.13,
б) сопротивление z-элемента велико и ток,
протекающий через него, мал. С увеличе­
нием напряжения сила тока постепенно
возрастает. Напряжение, приложенное к
z-элементу, падает в основном на участке
и-зоны с высоким сопротивлением. В не­
которые моменты времени напряжение
достигает критического значения £/*р, при
котором интенсивность электрического
поля увеличивается до значения, соответ­
ствующего энергии активации носителей
тока.
С ростом напряжения в структуре до
значения U\ (см. рис. 3.13, б) увеличивает­
ся и интенсивность электрического поля.
Рекомбинированные электроны вновь ак­
тивизируются полем, и процесс шнурова­
ния тока начинается заново.
Таким образом, в z-элементе перио­
дически изменяется проводимость в зоне
шнурования тока и возникают самовозбужденные колебания. Если же число элек­
тронов, участвующих в рекомбинации
возле границы шнурования тока, превы­
шает число дырок в p-области, то шнур
становится стабильным и колебания от­
сутствуют. Однако при использовании
внешних воздействий (магнитного, меха­
нического, оптического и т.д.), достаточ­
ных для репроизводства эквивалентного
числа дырок и электронов возле границы
шнурования тока, начинается процесс,
сходный с описанным выше, и колебания
в z-элементе возникают вновь. В обоих
случаях частота колебаний из-за шнурова­
ния тока зависит от значений параметров
внешних воздействий, которые определя­
ют скорость разрушения токового шнура.
z-Элемент может работать в двух ре­
жимах: генераторном и принужденном.
Преобразование первого режима во вто­
рой осуществляется увеличением тока,
протекающего через z-элемент. Очевидно,
что преимуществом генераторного режи­
ма является возможность измерения ма­
лых значений внешних воздействий. Од­
нако в этом случае диапазон рабочих то­
ков мал, что ограничивает диапазон внеш­
них воздействий. В принужденном режи­
ме параметры внешних воздействий пре­
вышают некоторое пороговое значение,
которое вызывает колебания в z-элементе.
Это значение можно существенно умень­
шить посредством использования двух
воздействий, одно из которых вызывает
колебания выходного сигнала, а второе
управляет их частотой.
На рис. 3.13, в приведена зависимость
частоты выходного сигнала от напряжен­
ности измеряемого магнитного поля.
3.3.8. Тонкопленочные
магниторезисторы
Другим типом преобразователей на
тонких металлических ферромагнитных
пленках являются магниторезистивные
60
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ М АГНИТНЫ Х ПОЛЕЙ
Рис. 3.14. Схематическое изображение
магниточувствительного элемента,
основанного на магниторезистивном
эффекте в ферромагнитных пленках:
1 - источник тока; 2 - ферромагнитная
металлическая пленка
преобразователи магнитного поля. Их
действие основано на анизотропии удель­
ного электрического сопротивления отно­
сительно направления вектора намагни­
ченности в пленке. Если поместить пле­
ночный прямоугольный магниторезистив­
ный элемент (рис. 3.14) во внешнее поле
Не, перпендикулярное к оси легкого на­
магничивания (ОЛН) и параллельное на­
правлению протекания тока, то падение
напряжения на нем будет определяться
следующими выражениями:
= / пл(я0 +ЛДм cos2 в );
(3.8)
и пл=1ал{Я0 + АЯм)Не <Нк,
где 1т — сила тока, протекающего через
пленочный элемент; R0 - сопротивление
пленки при взаимно перпендикулярном
направлении протекания тока и вектором
намагниченности М; ДRM - максимальное
изменение сопротивления пленки в маг­
нитном поле; 0 - угол между направлени­
ем тока в пленке и вектором намагничен­
ности М; Нк - напряженность поля одно­
осной анизотропии, определяемая как
2К /М (К - константа анизотропии).
Магниторезистивный эффект в плен­
ках является четным и, следовательно,
нечувствителен к знаку поля. Знакочувствительности добиваются, помещая магни­
точувствительный элемент (МЭ) в поле
смещения или изготовляя элемент так,
чтобы угол между направлением тока и
ОЛН равнялся 45°. Чувствительность ти­
пичных пленочных элементов составляет
2S00 мВ ■ см/А; диапазон измерения от
10 до 5 А/см. Размеры пленочных преоб­
разователей могут быть очень малыми,
порядка 1 мкм при толщине пленки 20 нм.
Эксплуатационные качества пленочных
МЭ близки к феррозондовым. Это обеспе­
чивается применением для изготовления
пленочных МЭ, в основном, металличе­
ских сплавов и простейшей конструкцией.
Так как перемагничивание многодомен­
ных пленок происходит за несколько на­
носекунд, то у магниторезистивных эле­
ментов инерционность менее 10 с. Диа­
пазон рабочих температур -2 0 0
+150 °С. Преимущество таких преобразо­
вателей состоит в том, что к ним приме­
нимы методы интегральной технологии, и
их можно органично разместить на одной
подложке с другими электронными полу­
проводниковыми компонентами. К недос­
таткам следует отнести малый рабочий
диапазон напряженности измеряемых по­
лей, высокую температурную погреш­
ность и неоднозначность показаний при
наличии компонент внешнего поля как
вдоль оси трудного намагничивания, так и
вдоль ОЛН. Также отсутствуют техноло­
гии получения пленки с точно заданными
параметрами.
Для сравнения основные характери­
стики всех рассматривавшихся в данном
разделе компактных твердотельных пре­
образователей магнитного поля приведе­
ны в табл. 3.2. В первой строке таблицы
указаны параметры преобразователя, ко­
торый необходим на современном этапе
для измерения топографии поля в магнит­
ных методах контроля.
3.2. Основные характеристики твердотельных преобразователей магнитного поля
Преобразователи
Диапазон изме­
Наи­
рения напря­ Чувствитель­ Инерцион­ меньшие
ность,
женности, А/см
ность, с размеры,
мВ •см/А
мм
max
min
-30
150
10'3
5
-270
150
+
-
+
+
5 110"2
30
-
-60
+
85
-
Ю-2
2
40
-
0,05
+
-20
>104
1
40
-40
-
-
20
-
>кг*
10Г2
0,1
+
25
-40
80
-
-
+
-
1
£0,1
2
КГ*
ИГ3
10"'
>103
0,12
10Г9
-
+
-
+
10
2 - 103
10-3
-
+
10Г10
+
ГМР
1(TJ
+
10s
+
10
+
1
>103
1
1
+
> 103
+
+
«103
12,5
+
+
+
103
+
103
+
10Г3
5
2,5 • 103
+
-
+
Полевой ГМР-транзистор
Феррозонд
Магниторезисторы
на ферромагнитных
пленках
1
1(Г*
+
кг5
10*3
(# < 10А/см)
-
100
-
+
-20
-
40
1г 5
10“'
+
-
£0,1
+
-210
+
200
+
ИГ3
30
-210
150
+
-
+
+
10^'
+
-
5
3
4
2
3
4
7
6
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
0,1
10*
Число характе­
ристик, удовле­
творяющих
требуемым
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ
max
10Г3
Магнитотранзисторы
Диапазон рабочих
температур, °С
min
Преобразователь, не­
обходимый для маг­
нитного контроля
Преобразователь
Холла
Магниторезистор на
эффекте Гаусса
Магнитодиоды
Температурная
погрешность
62
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Знак "+" или
соответствует тому,
отвечает данный МЭ требуемым характе­
ристикам или нет. Как видно по данным
табл. 3.2, наиболее подходящим преобра­
зователем по совокупности характе­
ристик является феррозондовый МЭ. Да­
лее с похожими характеристиками идут
магниторезисторы на ферромагнитных
пленках. Если бы удалось увеличить диа­
пазон измерения и термостабильность
магниторезистивных преобразователей, то
они по качеству сравнялись бы с ферро­
зондами, а по потенциальным возможно­
стям в уменьшении размеров и при ис­
пользовании интегральных технологий
превзошли феррозондовые. Следует отме­
тить, что в магниторезистивных преобра­
зователях необходимо устранить еще два
недостатка - нечувствительность к знаку
поля и неоднозначность магнитосопротивления при наличии компонент поля
вдоль трудной и легкой осей намагничи­
вания. Из полупроводниковых преобразо­
вателей наиболее подходит преобразова­
тель, основанный на эффекте Холла.
Весьма ограниченное применение ввиду
большой инерционности и крупных раз­
меров могут найти преобразователи ГМР
и полевые транзисторы на их основе.
3.3.9. Магниторезисторы с гигантским
магниторезистивным эффектом
В 1988 г. был открыт принципиально
новый магниторезистивный эффект, осно­
ванный на совершенно ином физическом
явлении, чем рассмотренный в предыду­
щем разделе, и позволяющий получить
значительно большее изменение электри­
ческого сопротивления тонкопленочной
структуры. Он был назван гигантским
магниторезистивным эффектом.
В несколько упрощенном виде сущ­
ность гигантского магниторезистивного
эффекта состоит в следующем. Пусть име­
ется многослойная структура, в которой
тонкие слои ферромагнитного металла
(ФМ) разделены тонкими слоями немаг­
нитного металла (НМ), обозначенные со-
**ь
Рис. 3.15. Многослойный
магниторезистор с гигантским
магниторезистивным эффектом
ответственно 7 и 2 на рис. 3.15. Такие
структуры часто обозначают (ФМ/НМ)„,
где ФМ -и НМ - наименования соответст­
вующих металлов, а п - число магнитных
слоев. В наименование многослойной
структуры часто добавляют значения
толщин соответствующих слоев /ф и /н:
(ФМ, /ф/НМ, tH)„. Для проявления гигант­
ского магниторезистивного эффекта необ­
ходимо, чтобы:
1) существовал какой-нибудь способ
изменения относительного направления
намагниченности в соседних магнитных
слоях (например, от антипараллельного,
показанного на рис. 3.15, до параллельно­
го);
2) толщина слоев (пленок из ФМ и
НМ) была много меньше средней длины
свободного пробега электронов прово­
димости в многослойной структуре.
В структуре (Fe/Cr)„, в которой впер­
вые был обнаружен гигантский магнито­
резистивный эффект, первое условие вы­
полнялось за счет обменного взаимодей­
ствия между соседними магнитными
слоями, благодаря которому в отсутствие
внешнего магнитного поля они оказались
намагниченными антипараллельно (на
рис. 3.15 показано сплошными стрелка­
ми). Под действием внешнего достаточно
сильного продольного поля Нь (направле­
ние показано штриховой линией) все маг­
нитные слои оказываются намагниченны­
ми в направлении этого поля. Второе усло­
вие выполняется путем выбора толщины
слоев обычно в пределах (10 ... 30)10-1 м.
Гигантский магниторезистивный эф­
фект принято характеризовать двумя па­
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
раметрами. Первый параметр А, который
называют амплитудой гигантского магни­
торезистивного эффекта, определяется как
отношение изменения сопротивления ДR
многослойной структуры под действием
магнитного поля, к ее сопротивлению Rs
при насыщении всех магнитных слоев в
одном направлении:
AR /R S = A .
(3.9)
Второй параметр С - нормализован­
ное значение магниторезистивного эффек­
та, обычно используемое и при оценке А
магниторезистивного эффекта, определя­
ется как
AR/ R q = C ,
(3.10)
где Rq - сопротивление структуры при
отсутствии внешнего магнитного поля.
Между этими двумя параметрами
существует следующая связь:
AR
AR/Rp
С
R.
1-ДЯ/Лп
1 -С
А=■
фекта применительно к его использова­
нию в преобразователях, является поиск
структур и методов, обеспечивающих вы­
сокие значения А при малых АН .
Для практического использования ги­
гантского магниторезистивного эффекта в
преобразователях магнитных полей наря­
ду с другими условиями требуется, чтобы
они обладали высокой чувствительно­
стью, определяемой формулой (3.12), т.е.
гигантский магниторезистивный эффект
должен наблюдаться в относительно сла­
бых магнитных полях.
Приведенные данные свидетельству­
ют о том, что гигантский магниторези­
стивный эффект находится в начальной
стадии своего исследования и примене­
ния. Следует ожидать появления новых
структур и технологий, обеспечивающих
более высокие технические и технологи­
ческие характеристики преобразователей
магнитного поля.
(3.11)
Значение А может изменяться от 0 до
оо, а С - от 0 до 1. Для многослойных
структур типа (Fe/Cr) и (Со/Си) получены
значения А > 1, что соответствует С > 0,5.
Однако высокие значения А или С
еще недостаточны для практического ис­
пользования таких структур в магниторезистивных преобразователях. Требуется,
чтобы такие значения А или С достигались
при относительно слабых магнитных по­
лях. Поэтому структуры с гигантским
магниторезистивным эффектом характе­
ризуются еще и чувствительностью Q,
значение которой может быть равно
2,5 ... 10,5 А/см:
AR /R .
А
(3.12)
АН
63
АН
где АН - изменение напряженности маг­
нитного поля, вызывающее данное изме­
нение сопротивления AR. В этом слу­
чае АН = Н е . Одним из главных направ­
лений исследований, проводимых в облас­
ти гигантского магниторезистивного эф­
3.3.10. Феррозондовые преобразователи
магнитных полей
В магнитной дефектоскоп и широко
применяют различные типы феррозондовых преобразователей. К сожалению, тех­
нология их изготовления основана на
применении ручного труда и не рассчита­
на на серийное производство. Не удалось
в полной мере обеспечить идентичность
преобразователей. Все эти проблемы ре­
шаются при переходе на интегральную
технологию, которая в настоящее время
имеет весьма высокий уровень развития и
применяется для выпуска большинства
изделий микроэлектроники.
Рассмотренные параметры тонкопле­
ночных магнитомодуляционных и индук­
тивных преобразователей не позволяют
эффективно использовать эти преобразо­
ватели в магнитной дефектоскопии (из-за
ограниченного диапазона значений на­
пряженности измеряемых полей либо изза конструктивных особенностей). Наибо­
лее близки к оптимуму трубчатые ферро­
зонды с поперечным возбуждением (ФПВ),
64
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Рис. 3.16. Феррозондовый
четногармонический преобразовательполемер:
1 —генератор возбуждения; 2 —полосовой
фильтр; 3 - обмотки возбуждения;
4 - измерительные обмотки;
5 - ферромагнитные сердечники
однако их изготовление не исключает
ручного труда. В этом плане более пред­
почтительны тонкопленочные феррозонды
с поперечным импульсным возбуждением.
В основу работы феррозондовых
преобразователей положено использова­
ние нелинейных свойств сердечников из
ферромагнитного материала. Классиче­
ский феррозонд-полемер состоит из двух
ферромагнитных проволочных сердечни­
ков, расположенных на небольшом рас­
стоянии друг от друга, и четырех обмоток,
включенных попарно последовательно,
как показано на рис. 3.16. В первую пару
обмоток (обмоток возбуждения), вклю­
ченных встречно, подается синусоидаль­
ное напряжение возбуждения частотой f B,
которое постоянно перемагничивает сер­
дечник по предельной петле гистерезиса.
Со второй пары обмоток (измерительные
обмотки), которые включены согласно,
снимается выходное напряжение, посту­
пающее дальше на полосовой фильтр с
центральной частотой 2fB. Когда напря­
женность внешнего поля равна нулю, пе­
ремагничивание осуществляется симмет­
рично относительно нулевого значения
поля. Напряжение измерительной обмотки
состоит в этом случае только из нескомпенсированных нечетных гармоник вслед­
ствие неполной идентичности сердечни­
ков и обмоток. При внесении сердечников
во внешнее поле симметрия перемагничи­
вания нарушается из-за нелинейности ха­
рактеристики, и в измерительных обмот­
ках появляется ЭДС четных гармоник. Для
измерения используется, в основном, вто­
рая гармоника, на которую и настроен
узкополосный фильтр. Значение ЭДС чет­
ных гармоник при условии, что напряжен­
ность измеряемого поля много меньше
амплитуды возбуждающего поля, можно
определить по формуле
П
е(г)=4(ои'5ц„^[«ц2л sin(2mo/)], (3.13)
Я=1
где со - частота тока возбуждения; w число витков измерительной обмотки; S площадь поперечного сечения сердечника;
п - номер четной гармоники (для второй
гармоники п = 1); ц2„ - магнитная прони­
цаемость на 2и-й четной гармонике.
Феррозонд измеряет только компо­
ненту вектора внешнего поля, направлен­
ную вдоль образующей сердечников, и
обладает чувствительностью к знаку поля.
Чувствительность феррозондов может
достигать очень больших значений - до
1000 мВ • см/А. Порог чувствительности 10"9 Тл (~10,5 А/см), причем это значение
достигается при высоком отношении сиг­
нал/шум. Наибольшее значение напря­
женности измеряемого поля четногармо­
нических феррозондов - около 200 А/см.
Максимальное значение ограничено толь­
ко амплитудой напряженности поля воз­
буждения. Увеличение напряженности
поля возбуждения с целью расширить
диапазон измерения в четногармониче­
ском феррозонде приводит к термическо­
му разрушению обмотки. Во избежание
этого применяют феррозондовые преобра­
зователи с импульсным возбуждением.
3.3.11. Однообмоточные феррозонды
Индуктивное сопротивление катушки
с сердечником из мягкого магнитного ма­
териала уменьшается в постоянном маг­
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
нитном поле. Этот известный эффект ис­
пользуется для измерения напряженности
магнитных полей. Преобразователи, по­
строенные на указанном эффекте, в раз­
ных источниках названы по-разному: импедансного типа, с нелинейной индуктив­
ностью, дроссельного типа и т.д. Катушку
с ферромагнитным сердечником в виде
тороида, отрезка проволоки или узкой
пластины будем называть индуктивным
магниточувствительным элементом, а пре­
образователи, содержащие такие элемен­
ты, - однообмоточными феррозондами.
Рассмотрим процессы, протекающие
в таком индуктивном элементе. Пусть
сердечник индуктивного элемента имеет
предельную гистерезисную петлю, пока­
занную на рис. 3.17.
Суммарное магнитное поле в сердеч­
нике индуктивного элемента можно пред­
ставить как суперпозицию вспомогатель­
ного переменного поля возбуждения на­
пряженностью Ht(t), создаваемого пере­
менным током, который протекает по об­
мотке элемента, и измеряемого внешнего
поля напряженностью Не:
Я (/)= Я „(/)+ Я е .
(3.14)
Для упрощения будем считать, что
поля Я„ и Не параллельны. Пусть ампли­
туда переменного поля равна Нт и
Н„ > Я,. Если напряженность измеряемого
поля Ие —0 , то сердечник перемагничивается переменным полем на участке в его
характеристике и полное изменение ин­
дукции за период равно 2В,. При наличии
измеряемого поля с Не > 0 точки а и Ь (см.
рис. 3.17, а) сместятся вправо, что приве­
дет к уменьшению полного изменения
индукции. Существенное уменьшение
индукции АВ будет наблюдаться при Яд,
превышающих пороговое значение
Я пор|= Я т - Я , ( Я т > Я 5),
когда точка а переходит на крутую часть
предельной гистерезисной петли (см. кри­
вую 1 на рис. 3.17, б).
3 - 3360
65
Рис. 3.17. Предельная петля гистерезиса (в)
и зависимости полного приращения
индукции АВ от соотношений Нти Hs (б)
При Я е > Я пор1
^
(й с/ шах Рч/min '}^Не ,
где
prfmin - дифференциальная
магнитная проницаемость соответственно
на крутой и пологой части предельной
гистерезисной петли.
При Ят < Hs
Япор2 = Я1-Яда.
(3.15)
Зависимость изменения магнитной
индукции от Яе имеет вид кривой 2 на
рис. 3.17, б. Если Hm = H s , то Япор| «
« Я п0р2 * 0 и зона нечувствительности на
графической зависимости АВ (Яд) отсут­
ствует (кривая 3). Очень малые значения
Ят, приближающиеся к значению коэрци­
тивной силы материала сердечника,
использовать практически невозможно изза возникающей при этом нестабильности
гистерезисного происхождения.
В индуктивном магниточувствитель­
ном элементе полное изменение индук­
тивности зависит от изменения напряжен­
ности внешнего измеряемого магнитного
поля и пропорционально максимальной
дифференциальной проницаемости (ра^их >
> (ijmin). Это обстоятельство позволяет соз­
давать индуктивные преобразователи раз­
личных типов.
Рассмотрим индуктивный элемент и
эквивалентную схему замещения однооб­
моточного феррозонда (рис. 3.18).
Индуктивность индуктивного эле­
мента пропорциональна магнитной про-
66
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ft Ч
UH)
О
б)
Рис. 3.18. Конструкция индуктивного
элемента (а) и эквивалентная схема
замещения однообмоточного феррозонда (б)
ницаемости его сердечника. Если бы об­
мотка индуктивного элемента была вы­
полнена из одного слоя тонкой проволоки,
прилегающей вплотную к поверхности
сердечника, то кратность изменения ин­
дуктивности элемента была бы равна
кратности изменения проницаемости тела
сердечника при переходе от Не = 0 к
Не = оо. Однако для реальных индуктив­
ных элементов в многоэлементных преоб­
разователях диаметр обмотки много
больше диаметра сердечника и всего лишь
в несколько раз меньше длины сердеч­
ника.
На рис. 3.19 приведена зависимость
индуктивности двух индуктивных элемен­
тов от напряженности магнитного поля.
Как следует из приведенных графиков,
зависимость ЦЯД) повторяет зависимость
IV (Яд).
12 Н -10 , А/см
8
Рис. 3.19. Зависимость относительного
изменения индуктивности преобразователя
от напряженности магнитного поля:
/ - w = 30,1(0) = 4,4 мкГн; 2 - w = 200,
L (0) = 47 мкГн
С ростом Яд будут происходить соот­
ветствующие уменьшение индуктивного
сопротивления
обмотки
феррозонда
UL =со/,(яд) и возрастание напряжения
на сопротивлении нагрузки RK\
TI
If
t/„ =
Полученное выражение справедливо
для значения /?н, при котором выполняется
равенство UL = U C ~ Umcos соt.
При этом условии режим работы од­
нообмоточного феррозонда практически
не зависит от наличия емкости С. Послед­
няя используется лишь для того, чтобы
сильно уменьшить силу тока в нагрузоч­
ном сопротивлении при Яд = 0, для чего
контур L, С настраивается в резонанс с
частотой генератора.
Глава 4
МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
Магнитные толщиномеры предназна­
чены для контроля толщины немагнитных
покрытий на ферромагнитном основании.
В отличие от вихретоковых они позволя­
ют, как правило, одним прибором изме­
рять в равной степени толщину и диэлек­
трических, и электропроводящих покры­
тий. По принципу действия все магнитные
толщиномеры можно разделить на три
группы: 1) толщиномеры пондеромоторного действия; 2 ) индукционные; 3) маг­
нитостатические.
Пондеромоторный метод основан на
регистрации силы отрыва постоянного
магнита или сердечника электромагнита
от поверхности изделия и на оценке тол­
щины контролируемого покрытия по зна­
чению этой силы. В первом случае сила
определяется при помощи пружинных
динамометров, во втором - по изменению
тока намагничивания.
Указанный метод положен в основу
ряда известных переносных и стационар­
ных толщиномеров, разработанных в на­
шей стране и за рубежом. Часть этих при­
боров, особенно стационарного типа, уже
потеряла практический интерес, так как в
последние годы были разработаны более
совершенные устройства.
Из первой группы приборов, сохра­
нивших свое значение и в настоящее вре­
мя, следует отметить миниатюрные тол­
щиномеры, которые работают по методу
прямого отрыва и конструктивно оформ­
лены в виде карандаша. Приборы каран­
дашного типа состоят из небольшого ка­
либрованного магнита с наконечником в
форме полусферы. Наконечник соединен с
пружиной, расположенной внутри корпуI са. С ее помощью измеряется сила, необ­
ходимая для отрыва магнита от поверхно­
сти контролируемого изделия. Техника
измерений заключается в следующем.
з*
Магнит приводят в соприкосновение
с покрытием и вращением подвижной час­
ти корпуса прибора растягивают пружину
до тех пор, пока упругая сила не станет
равна силе притяжения магнита изделием.
Для определения толщины покрытия по­
казания, соответствующие длине растяже­
ния пружины, переводят в микрометры с
помощью номограмм, прилагаемых к каж­
дому прибору. Приборы карандашного
типа обеспечивают возможность контроля
покрытий с толщиной до 1000 мкм. К су­
щественным недостаткам этих приборов
следует отнести субъективную оценку
момента отрыва магнита и влияние ориен­
тации толщиномера при контроле. Откло­
нение его от вертикального положения
вносит дополнительную ошибку, так как в
этом случае направления веса магнита и
силы отрыва не совпадают.
Среди других типов толщиномеров с
постоянным магнитом практический ин­
терес представляют малогабаритные тол­
щиномеры рычажного типа, конструкция
которых обеспечивает компенсацию веса
магнита в любом положении (рис. 4.1).
Постоянный магнит с полусферическим
наконечником / закреплен на одном из
плеч коромысла 2, на другом плече кото­
рого установлен противовес 7. Устройство
смонтировано в корпусе 9, имеющем вид
молотка. Прибор снабжен кнопкой 8, ко­
торая выступает из корпуса, если магнит 1
отрывается от поверхности контролируе­
мого изделия 10. Спиральная пружина 3
соединяет ось вращения системы 4 через
палец 5 со шкалой б. Палец, упруго свя­
занный со шкалой, можно поворачивать
снаружи с помощью корректора, что по­
зволяет регулировать натяжение спираль­
ной пружины и таким образом устанавли­
вать нуль на шкале прибора. При враще­
нии шкалы пружина натягивается и отры-
68
Глава 4. МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
/
2
3 4 5
6
\ |\ 1
ктж Я ,
7
8
9
А
Рис. 4.1. Схема контроля толщины
покрытий магнитным толщиномером
рычажного типа
вает магнит от поверхности изделия. Тол­
щина покрытия Т„ отсчитывается по ви­
димой части шкалы, проградуированной в
микрометрах. Нажатием на кнопку можно
вновь осуществить контакт наконечника
магнита с изделием и тем самым повто­
рить измерение. Приборы рычажного типа
позволяют осуществлять контроль раз­
личных немагнитных покрытий, нанесен­
ных на ферромагнитную основу, с толщи­
ной до 10 мм. По сравнению с толщино­
мерами карандашного типа они обеспечи­
вают более высокую точность измерений,
особенно при контроле покрытий на изде­
лиях с плоской поверхностью. Примене­
ние этих приборов для измерения толщи­
ны покрытий на изделиях сложной формы
затруднено.
К общим недостаткам всех магнитно­
отрывных толщиномеров с постоянным
магнитом следует прежде всего отнести
изнашивание накончика магнита, которое
влияет на градуирование прибора, и за­
грязнение магнита различными вещества­
ми или ферромагнитными опилками. Кро­
ме того, серьезным недостатком является
эффект механического прилипания магни­
та к поверхности, а при контроле мягких
покрытий, например лакокрасочных, проникновение магнита в покрытие. Не­
обходимо также отметить, что используе­
мые в приборах пружины в процессе экс­
плуатации изменяют упругие характери­
стики. Перечисленные факторы могут
привести к дополнительным погрешно­
стям измерений, значительно превосхо­
дящим значение основной погрешности,
предусмотренной техническими условия­
ми на прибор. Это требует тщательной
подготовки таких толщиномеров к работе
и, при необходимости, своевременного
ввода соответствующих поправок.
Рассматриваемые приборы предна­
значены для измерения толщины немагнит­
ных покрытий в диапазоне 0 ... 120 мкм и
никелевых - 0 ... 100 мкм на деталях раз­
личных формы и размеров, в том числе и
на деталях сложной конфигурации. При­
менение в толщиномерах МТ-ДАЗ преоб­
разователя с игольчатым сердечником
уменьшает влияние свойств материала
деталей на результаты измерений, а конус­
ная намотка катушки электромагнита позво­
ляет в значительной степени "спрямить"
шкалу прибора в диапазоне 0 ... 30 мкм и
повысить точность измерений.
Подавляющая часть других, разрабо­
танных ранее толщиномеров с электро­
магнитами предназначена главным обра­
зом для лабораторных измерений толщин
в диапазоне 0 ... 200 мкм. По сравнению с
приборами, снабженными постоянными
магнитами, они обеспечивают несколько
большую точность измерений и возмож­
ность контроля покрытий на деталях с
меньшими размерами и большей кривиз­
ной поверхности. Однако они уступают
приборам первой группы по диапазону
измеряемых толщин, простоте конструк­
ции и удобству эксплуатации.
Широкое распространение получили
индукционные толщиномеры, у которых
практически все недостатки толщиноме­
ров пондеромоторного действия отсутст­
вуют. Принцип их действия основан на
измерении изменений магнитного сопро­
тивления цепи, состоящей из ферромаг­
нитной основы изделия, измерительного
преобразователя и немагнитного зазора
между ними, соответствующего толщине
покрытия.
Индукционный измерительный пре­
образователь запитывается синусоидаль­
ным током. Частота тока, как правило, не
превышает 200 Гц. Обобщенная структур­
МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
ная схема толщиномера показана на
рис. 4.2.
Автогенератор 1 питает синусои­
дальным током измерительный преобра­
зователь 2, сигнал которого поступает на
вход усилителя 4. Для компенсации на­
чального напряжения измерительного
преобразователя 2 используется компен­
сатор 3, запитываемый, как и преобразова­
тель, от автогенератора. Выходное напря­
жение компенсатора 3 суммируется с на­
пряжением измерительного преобразова­
теля 2 на входе усилителя 4. Выходное
напряжение усилителя с помощью детек­
тора 5 преобразуется в постоянное напря­
жение, которое поступает в блок обработ­
ки сигнала б, где преобразуется в сигнал,
пропорциональный толщине покрытия.
Этот сигнал передается в блок индика­
ции 7.
Измерительный преобразователь вы­
полняют в виде одной или нескольких
катушек, намотанных на удлиненном сер­
дечнике из ферромагнитного материала.
Дня уменьшения влияния перекосов пре­
образователя наконечник сердечника вы­
полняют в форме полусферы.
Для увеличения точности измерений
в приборах типа МТ электромагнитное
поле локализовано с помощью удлиненно­
го ферромагнитного стержня и шариково­
го наконечника. Это позволяет измерять
толщину в пятне контроля площадью око­
ло 1 мм2. Краевой эффект проявляется на
расстоянии от края детали 3 ... 4 мм. От­
клонение оси преобразователя от положе­
ния нормали к контролируемой поверхно­
сти в пределах 10° не приводит к увеличе­
нию погрешности измерений.
В приборах используют накладные
преобразователи двух типов:
1) для измерения покрытий на дета­
лях небольших размеров с криволинейной
поверхностью и сложной конфигурации;
конструктивно оформлен в виде шарико­
вой авторучки;
2 ) для измерения покрытий на пло­
ских поверхностях; выполнен в призмати-
69
Рис. 4.2. Структурная схема
индукционного толщиномера
ческом корпусе и имеет подпружиненный
контакт и трехточечную опору.
Из отечественных толщиномеров ин­
дукционного типа наибольшее распро­
странение получили такие, как МТ-51НП
(производитель - ЗАО "НИИИН МНПО
"Спектр", Москва), Константа-МК2 (про­
изводитель - фирма "Константа", С.-Петер­
бург).
Среди зарубежных производителей
индукционных толщиномеров в первую
очередь можно отметить фирмы Герма­
нии: Helmut Fischer (прибор Deltascope),
Karl Deutsch (приборы серии Leptoscop
2030, 2041, 2051), Elektrophisik (прибор
MicroleSl PB1250). Также хорошо извест­
ны толщиномеры британской фирмы
Elcometer (Elcometer 345, Elcometer 355).
По сравнению с толщиномерами
пондеромоторного действия индукцион­
ные толщиномеры обладают значительно
более высокой точностью измерений
(обычно 3 % измеряемого значения), про­
цесс измерения в них идет практически
непрерывно, что значительно его упроща­
ет и ускоряет.
К третьей группе магнитных толщи­
номеров относятся магнитостатические
толщиномеры. Принцип их действия ос­
нован на определении напряженности
магнитного поля в зазоре между постоян­
ным магнитом (или электромагнитом) и
ферромагнитным материалом основы.
Схема действия магнитостатических
толщиномеров с преобразователем Холла
приведена на рис. 4.3.
В большинстве современных магнит­
ных толщиномеров используется двухпо­
люсная магнитная система с постоянными
стержневыми и П-образными магнитами.
70
Глава 4. МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
бS
2 3 4
—
б)
Рис. 4.3. Схемы действия
магнитостатических толщиномеров:
а - с П-образным электромагнитом;
б —со стержневым постоянным магнитом;
1 - электромагнит; 2 - ферромагнитная деталь;
3 - немагнитное покрытие; 4 —преобразователь
Холла; 5 - измерительный прибор;
б - постоянный магнит
Простейшими приборами такого типа яв­
ляются толщиномеры, в которых сочета­
ется применение П-образного магнита и
механической
магнитоуравновешенной
системы, расположенной в межполюсном
пространстве магнита.
Прибор состоит из П-образного по­
стоянного магнита, имеющего перешеек
(параллельную магнитную цепь). В зазоре
перешейка смонтирована подвижная маг­
нитная стрелка, жестко связанная с урав­
новешивающей пружиной. При установке
прибора на изделие магнитное сопротив­
ление в межполюсном зазоре уменьшает­
ся, что вызывает перераспределение маг­
нитного потока в основной и параллель­
ной магнитных цепях. С изменением маг­
нитного потока стрелка прибора повора­
чивается на угол, пропорциональный тол­
щине измеряемого покрытия. Приборы
этого типа получили достаточно широкое
распространение. Однако их используют
только для ориентировочной экспрессоценки толщины покрытия, так как при
применении упругой механической систе­
мы в сочетании с небольшой по размерам
шкалой невозможно получить необходи­
мую точность отсчета в широком диапа­
зоне. Кроме того, при большом расстоя­
нии между полюсами магнита нельзя ис­
пользовать прибор для контроля малога­
баритных деталей.
При всех преимуществах двухполюс­
ных систем, используемых в магнитной
толщинометрии покрытий, они имеют
недостатки. Системы чувствительны к
анизотропии свойств и к шероховатости
ферромагнитного основания; кроме того,
при их использовании необходимо обес­
печивать одинаковый и надежный контакт
полюсов преобразователя с контролируе­
мой поверхностью.
Применяют также однополюсные
преобразователи со стержневыми магни­
тами. Для уменьшения потока рассеяния
контактирующий с изделием полюс маг­
нита выполняют в виде полусферы из
магнитомягкого материала.
Распространенным способом получе­
ния информации о толщине покрытия яв­
ляется размещение магниточувствитель­
ных элементов либо в магнитной нейтра­
ли, либо непосредственно у полюсов маг­
нита с использованием дифференциально­
го включения магниточувствительных
элементов, что обеспечивает работу пре­
образователя в режиме нулевого началь­
ного сигнала.
При работе с магнитными толщино­
мерами необходимо учитывать многочис­
ленные факторы, влияющие на результаты
измерений: колебания магнитных свойств
покрытия или основы, состояние поверх­
ности, форму изделия и др. В значитель­
ной мере влияние этих факторов обуслов­
лено размерами и формой магнита, топо­
графией и напряженностью магнитного
поля. В связи с возросшими требованиями
к точности и надежности производствен­
ного контроля толщины покрытий резко
возросли требования к их метрологиче­
скому обеспечению.
МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
Для измерения толщины покрытий
изоляции трубопроводов до 100 мм при­
меняют приборы типа МТП-01 с однопо­
люсными преобразователями на постоян­
ных магнитах с использованием преобра­
зователей Холла (рис. 4.3, б).
Специальная схема питания преобра­
зователя Холла позволяет практически
полностью исключить влияние изменений
температуры на погрешность измерений.
В результате прибор имеет относительную
погрешность измерений не более 3 % во
всем диапазоне рабочих температур от -1 0
до +45 °С, что даже превосходит по точ­
ности индукционные толщиномеры, так
как большинство из них имеют дополни­
тельную погрешность измерений, обу­
словленную изменением температуры ок­
ружающей среды.
Наряду с тем, что магнитостатиче­
ские толщиномеры имеют более простую
схемную реализацию и более технологич­
ный в исполнении измерительный преоб­
разователь (отсутствует необходимость
намотки катушек), это делает их развитие
более перспективным по сравнению с ин­
дукционными толщиномерами.
Другим важным преимуществом
магнитостатических толщиномеров явля­
ется отсутствие переменного магнитного
поля, создаваемого измерительным преоб­
разователем и приводящего к потерям на
вихревые токи при контроле электропро­
водящих немагнитных покрытий.
Обобщенная структурная схема маг­
нитостатического толщиномера приведена
на рис. 4.4.
Источник / тока питает магниточув­
ствительный измерительный преобразова­
тель 2. В качестве измерительного преоб­
разователя 2 могут использоваться магни­
торезисторы, преобразователи Холла,
феррозонды, рамки с током и другие маг­
ниточувствительные элементы. Напряже­
ние с измерительного преобразователя 2
через усилитель постоянного тока 3 по­
ступает в блок обработки сигнала 4, где
оно преобразуется в сигнал толщины по-
71
Рис. 4.4. Структурная схема
магнитостатического толщиномера
крытия. Этот сигнал передается в блок
индикации 5.
В ряде стран организовано централи­
зованное производство стандартизован­
ных контрольных образцов с разными со­
четаниями материалов покрытия и осно­
вы. Такие образцы используют при гра­
дуировании и поверке магнитных толщи­
номеров в процессе их разработки и экс­
плуатации. Тем не менее, огромное число
вновь разрабатываемых и применяемых
материалов исключает возможность се­
рийного выпуска всей гаммы образцов.
Поэтому важнейшей задачей, стоящей
перед разработчиками приборов магнит­
ной толщинометрии, является создание
безобразцового метода измерения толщи­
ны покрытий.
По сравнению с магнитными толщи­
номерами покрытий значительно меньшее
распространение получили магнитные
толщиномеры для измерения толщины
изделий из ферромагнитных материалов.
Это объясняется сложностью создания
таких приборов с малой погрешностью,
особенно при измерении больших толщин.
Принцип работы магнитных индикаторов
толщины типа МИТ-1 с постоянными
магнитами основан на считывании изме­
нения магнитных полей рассеяния, вы­
званного утонением металла. С помощью
прибора обнаруживаются коррозионные
язвы и места утонения металла, обуслов­
ленные коррозионным и эрозионным по­
ражением. Основу составляют П-образный магнит и расположенный между по­
люсами преобразователь Холла. Основное
назначение - контроль трубопроводов,
емкостей из ферромагнитных сталей тол­
щиной до 12 мм.
72
Глава 4. МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
Для измерения толщины стенки фер­
ромагнитных труб в поточном производ­
стве создан магнитный микрометр. Изме­
рения производят методом магнитного
моста, два плеча которого составляют
стандартная и контролируемая трубы, два
других - сердечник электромагнита. В
перемычке моста в качестве измеритель­
ного элемента применен феррозонд. При­
бор предназначен для измерения труб
диаметром 30 ... 102 мм с толщиной сте­
нок 1,5 ... 8 мм. Погрешность измерений
составляет 3 ... 4 % при скорости контроля
до 2,5 м/с.
Глава 5
Ф ЕРРОЗОН ДО ВЫ Й М ЕТОД ДЕФ ЕКТОСКОП ИИ
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При феррозондовом методе дефек­
тоскопии в качестве преобразователей
магнитного поля используются активные
индукционные преобразователи, в кото­
рых рабочим элементом являются ферро­
магнитные сердечники - феррозонды (за
рубежом их называют также Ферстерзонды).
Феррозонды могут быть одноэле­
ментными (ферроэлемент), двухэлемент­
ными и многоэлементными. Двухэлемент­
ные зонды здесь выделены в особую груп­
пу, так как они наиболее широко приме­
няются именно для магнитной дефекто­
скопии. Простейший феррозонд (ферро­
элемент) состоит из магнитомягкого сер­
дечника в виде полосы или проволоки с
нанесенными на него возбуждающей и
индикаторной обмотками. Если по обмот­
ке возбуждения пропустить ток частотой /,
то сердечник будет с такой же частотой
перемагничиваться; при этом в индика­
торной обмотке возникнет ЭДС
е = -w S — ,
dt
(5.1)
где w - число витков индикаторной об­
мотки; S - площадь поперечного сечения
сердечника; В - значение индукции сер­
дечника в данный момент времени.
При воздействии на сердечник посто­
янного поля напряженностью Но в инди­
каторной обмотке кроме ЭДС основной
частоты ef наводится также е у - ЭДС уд­
военной частоты, причем при определен­
ных условиях е у = кНо* ГДе ^ ~ коэффици­
ент пропорциональности.
дификации, тем более что именно двух­
элементные зонды получили наибольшее
распространение и могут использоваться
как измерители поля (полимеры) и как
разностные полимеры, измеряющие раз­
ность полей в двух областях (участках)
пространства, где расположены ферроэле­
менты. Если в этом случае ферроэлементы
расположены близко друг к другу, то счи­
тается, что они измеряют градиент поля, и
такие зонды называют градиентометра­
ми.
Пусть имеются два совершенно иден­
тичных ферроэлемента, включенных по
схеме на рис. 5.1. В каждый заданный мо­
мент времени поле возбуждения Нв в фер­
роэлементах направлено встречно, и в ин­
дикаторных обмотках, поскольку они
включены последовательно, будет наво­
диться ЭДС е - е\ + (-ег) = 0- Чтобы оце­
нить влияние измеряемого поля Но, рас­
смотрим рис. 5.2.
На рис. 5.2, а построены кривые на­
магничивания 1, 2 соответственно для
первого и второго сердечников в зависи­
мости от Нв. Если в определенный момент
времени первый сердечник имеет некото­
рую индукцию +В\, то второй сердечник
(поскольку Нв в сердечниках находятся в
противофазе) - индукцию -В[. При этом
суммарная ЭДС
5.2. ДВУХЭЛЕМЕНТНЫЙ
ФЕРРОЗОНД
Принцип работы феррозондов рас­
смотрим на примере двухэлементной мо­
Рис. 5.1. Схема включения
феррозонда-полемера
74
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
в\
Рис. 5.3. Схема включения феррозондаградиентометра
Я
б)
Рис. 5.2. Зависимости, поясняющие
принцип действия феррозонда-полемера
<?= t e l ®
I ( - 5 , ) ] / Л = О.
рис. 5.2; г) за то время, пока сумма В\ + В2
проходит половину периода, т.е. частота е
в 2 раза выше, чем у поля возбуждения. В
формуле (5.2.) dH/dt - const, поскольку
Н0 « Я в.
Рассмотрим те же элементы, но
включенные по схеме на рис. 5.3. В этом
случае поле возбуждения в обоих сердеч­
никах одинаково по амплитуде и фазе, но
индикаторные обмотки включены встреч­
но, так что опять при отсутствии внешних
полей е = 0 .
Обратимся к рис. 5.4, а. В обоих сер­
дечниках поле одинаково, и кривые на­
магничивания 1 , 2 у обоих сердечников
тоже одинаковы. Если бы на оба сердеч­
ника действовало одно и то же поле Но, то
(5.2)
Под действием поля Я 0 при Я в - 0 в
первом сердечнике индукция будет равна
некоторому значению Ва, кривая / сме­
стится в положение 1'. Но во втором сер­
дечнике при этих условиях индукция так­
же будет равна В а, и кривая 2 сместится в
положение 2'. Теперь уже сумма В\ + В2 ф
Ф 0, а В будет зависеть от Я„, как показано
на рис. 5.2, б.
График функции d (B l + B 2) /d H tt по­
казан на рис. 5.2, в, а график функции
c ^ d ( B i+ B 2)
dt
d (B i + B 2) dH
dH
dt
приведен на рис. 5.2, г. Видно, что сум­
марная ЭДС проходит полный период (см.
Рис. 5.4. Зависимости, поясняющие принцип
действия феррозонда-градиентометра
АНАЛИТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
75
После несложных тригонометриче­
кривые сместились бы в одну сторону,
например в положение /', так что на вы­ ских преобразований, имея в виду, что
ходе было бы е = 0. Это чрезвычайно важ­
cos(?2a ) и
sin а = -------рое/'
ное свойство градиентометров — не
реагировать на однородное поле.
1 .
Далее идут рассуждения такие же,
sin 3 а = —sin а - —sin(3a),
4
4
как и в случае полемера, но вместо В\ + Bi
получим
необходимо брать В\ - #2 (рис. 5.4, б).
Отметим, что схема на рис. 5.3 полу­
В = а [ Н 0 + / / Bsin(G>0] - Ь[Но +
чена из схемы, изображенной на рис. 5.1,
+ / / Bsin(<o/)]3 = аНо - ЬНц простым поворотом одного из ферроэле­
ментов на 180° в плоскости, перпендику­
- - ЬН:Нп +(аН„ К И Ш - ~ ь н 1 1X
лярной к плоскости чертежа. Таким обра­
зом, если позволяет длина соединитель­
ных проводов между ферроэлементами,
х sin(co/) + —ЬН^Н0 cos(2cof) +
один и тот же прибор может служить и как
суммарный полемер, и как разностный
+ —ЬН1 sin(3oof).
(5.6)
полемер (градиентометр).
4
Если элементы разнести в простран­
В соответствии с выражением (5.6)
стве, то можно использовать одноплече­
вую схему измерений, когда на один фер­
е = —wS аНъ -ЪЬНаН1 -^-ЬН] ]cos(co/)роэлемент воздействуют заданным опор­
ным полем, а измерения проводят вторым
—3ЬНgН0 sin( 2ю/) + —ЬН3cos(3oof)
ферроэлементом, так что значение е будет
4
соответствовать увеличению или умень­
(5.7)
шению напряженности измеряемого поля
относительно опорного.
Из формулы (5.7) следует, что при Но
выходная ЭДС ферроэлемента содержит
только члены с cos(cof) и cos(3to/), т.е. пер­
5.3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
вую и третью гармоники, причем третья
Существует большое количество рас­ гармоника появляется вследствие нели­
четов феррозондовых преобразователей.
нейности сердечника: при 6 = 0 член с
Это связано с тем, что кривая намагничи­ cos(3w/) исчезает.
вания (или тем более петля гистерезиса)
При Но Ф0 появляется член с sin(2co/) не имеет точного математического описа­
вторая гармоника, амплитуда которой
ния, поэтому приходится допускать те или
пропорциональна Нп. Эта гармоника мо­
жет быть выделена соответствующим
иные приближения. Приведем наиболее
фильтром и использована для измере­
простой из расчетов.
ния На.
Аппроксимируем кривую перемагни­
Формула (5.7) выведена для одного
чивания сердечника ферроэлемента сте­
ферроэлемента. Для другого ферроэле­
пенным рядом, в котором ограничимся
мента в выражении (5.5) перед //,sin(w0
двумя первыми членами:
нужно поставить знак минус, и легко убе­
В ~ аН - ЬН \
(5.4)
диться, что при суммировании в оконча­
Подставим в уравнение (5.4) выраже­ тельной формуле члены с cos(o)/) и
cos(3ш ) взаимно вычтутся и останется
ние для поля
только вторая гармоника - в этом еще од­
Н —Но +НВsin(co/).
(5.5)
но преимущество двухэлементных зондов.
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
76
Проанализируем выражение (5.8).
Прежде всего, величина Bs !HSесть не что
Я
иное, как проницаемость сердечника цт .
Если сердечник изготовлен из магнито­
мягкого материала, то цт = Цф, где Цф проницаемость формы, зависящая от гео­
метрических размеров. При одинаковых
диаметрах d чувствительность зонда
больше у длинных сердечников (чувстви­
тельность у = Ап / Н 0 ).
Если Нв = Hs, т.е. нелинейность от­
сутствует, то Ап = 0.
Для случая высокопроницаемых сер­
дечников, когда H s / Н л 0 из формулы
(5.8) получаем
Ап 12л(й WSH0 HS/H B,
(5.9)
Рис. 5.5. Графики к расчету выходной
ЭДС ферроэлемента
Отметим, что формула (5.7) не при­
годна для конкретных расчетов (не извес­
тен коэффициент Ь, не учитывается раз­
магничивающий фактор и т.д.).
Рассмотрим еще одну аппроксима­
цию кривой намагничивания, показанную
на рис. 5.5. Для нее получена следующая
формула:
Ап = —со w S //0 -^ - s in | л —I - t 5-, (5.8)
°н,
"я
{ 2 )нв
где А„ - амплитуда гармоники (и = 2, 4,
6 , ...). Остальные обозначения указаны на
рис. 5.5.
однако при очень больших Нв А„ —> 0.
Таким образом, зависимость А„ от Нв
достаточно сложная: при малых Нй (Нв <
< Hs) А„ — 0 и при Йл —* оо также А„ = 0.
Существуют оптимальные значения //„,
которые можно определить по формуле
(5.8), когда значение у максимально.
Зависимость А„ от Н0 также неодно­
значна: формула (5.8) справедлива только
для малых Но. Из рис. 5.5 следует, что при
больших Но
= 0.
В табл. 5.1 приведены данные для
зонда с разным числом витков обмоток
возбуждения wB и индикаторных обмоток
tv„, с различными длиной / и диаметром dc
сердечников. Здесь также указаны значе­
ния оптимального тока возбуждения /„.
5.1. Параметры феррозондовых преобразователей
№
п/п
Wi
/, мм
de, мм
/„, мА
1
230
300
2,0
0,10
70
2
114
107
1,0
0,10
135
3
70
60
0,5
0,05
125
77
МАТРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
«У*
дат
50
100
Я,,, А/см
Рис. 5.6. Характеристики преобразования
феррозондов
На рис. 5.6 приведены характеристи­
ки преобразования (1-3) этих зондов, т.е.
зависимость Л(Н0). Частота поля возбуж­
дения лежит в пределах 100 ... 150 кГц. У
зондов 2 и 3 проницаемость Цф примерно
одинакова, а чувствительность меньше,
чем у зонда 1. Максимумы их градуиро­
вочных кривых приходятся на большие,
чем для зонда 1, измеряемые поля Но.
5.4. МАТРИЧНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Известный матричный преобразова­
тель (разработки ИФМ) представляет со­
бой тонкопленочную матрицу (32 строки и
Рис. 5.7. Матричный преобразователь
8 столбцов) из магниточувствительных
элементов размером 100 х 100 х 0,1 мкм
(рис. 5.7). Планарные выводы кристалла
соединены со специализированной микро­
схемой, включающей устройство возбу­
ждения, дешифраторы строк и столбцов, а
также предварительный усилитель.
В технологическом плане матричный
преобразователь - достаточно сложная де­
вятислойная тонкопленочная структура,
полученная напылением в вакууме. Разра­
ботанный физический принцип работы
МЭ обеспечивает большие возможности
для увеличения разрешающей способно­
сти матричного преобразователя. Речь
идет о создании матриц с МЭ микрометровых размеров. Их предельные размеры
5.00
4.00
3.00
2.00
1,00
0,00
Рис. 5.8. Магнитный рельеф от подповерхностной трещины
с раскрытием 30 мкм
78
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
ограничены чисто технологическими воз­
можностями, т.е. техническим уровнем
завода-изготовителя.
Матричный преобразователь позво­
ляет получить топографию магнитных
полей с локализацией начиная со 100 мкм
и измерять знакопеременные магнитные
поля в диапазоне 0,1 ... 150 А/см.
Высокое быстродействие матричного
преобразователя благодаря электронному
сканированию позволяет наблюдать маг­
нитные рельефы (рис. 5.8), возникающие
при нестационарных магнитных процес­
сах (например, процесс намагничивания
при включении постоянного тока), а также
в переменных полях. В этом случае может
быть получена совершенно новая качест­
венная информация о дефекте. Связь с
персональным компьютером позволяет
записать эти рельефы и неоднократно
просматривать их вновь в замедленном
или ускоренном варианте.
Применение матричных преобразова­
телей может значительно повысить ин­
формативность и производительность не­
разрушающего контроля труб и сварочных
соединений. Их использование эффектив­
но и в таких областях, как контроль маг­
нитных носителей информации для вы­
числительной техники, контроль полей
магнитных головок систем магнитной за­
писи. Очевидно, что матричные преобра­
зователи должны быть востребованы при
создании компьютерных систем магнит­
ной микроскопии, томографии и диагно­
стики.
5.5. ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОЙ
ДЕФЕКТОСКОПИИ
5.5.1. Техника применения феррозондов
Для измерения Но можно привлечь
любую из четных гармоник (либо их сум­
му), но, как следует из формулы (5.8), для
получения одинаковых амплитуд гармо­
ник для одного и того же значения Но не-
е
1
ft
'■ п
ti
б)
Рис. 5.9. Схемы включения полимера (в),
градиентометра (б) и их символы
обходимо иметь Нъ = nHs , т.е. с увеличе­
нием номера гармоники необходимо уве­
личивать поле возбуждения зонда, что не
всегда возможно. Поэтому чаще всего ис­
пользуют вторую гармонику. Кроме того,
как показано выше, ЭДС от нечетных гар­
моник почти полностью исключается, ес­
ли использовать два ферроэлемента.
При этом в зависимости от располо­
жения ферроэлементов в пространстве
можно измерять либо сумму полей, дейст­
вующих на ферроэлементы, либо их раз­
ность (рис. 5.9).
Основная задача дефектоскопии измерение напряженности поля у поверх­
ности изделия - можно решить путем
применения ферроэлементов в разных
сочетаниях (рис. 5.10). При этом следует
иметь в виду, что измеряется та состав­
ляющая поля, которая направлена вдоль
сердечника. Прежде всего, может быть
измерена тангенциальная (/), либо нор­
мальная (и) составляющие всех полей над
изделием. Для этой цели применяются
полемеры с одним, двумя или нескольки­
ми ферроэлементами. Поскольку поля де­
фектов являются локальными, то оказыва­
ется целесообразным применение гради­
ентометров, ферроэлементы которых не­
сколько разнесены в пространстве: по го­
ризонтали (tx- и их-градиентометры) или
по вертикали (tz- и «z-градиентометры).
Применение градиентометров позво­
ляет, во-первых, в значительной степени
избавиться от влияния внешних (в том
числе намагничивающих) полей и, во-вто-
79
ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОИ Д Е Ф ЕКТО СК О П И И
пх
nz
tx
tz
Рис. 5.10. Расположение сердечников преобразователей относительно
поверхности изделия (а) и трещин (б)
Рис. 5.11. Зависимость сигнала преобразователя типа ах от базы Ь;
К - коэффициент; Н ,- экстремальное значение Н„
рых, наиболее эффективно использовать
форму поля дефекта. Расстояние между
элементами (сердечниками) - так назы­
ваемая база Ь - должно соответствовать
расстоянию между экстремумами поля
дефекта.
Варьирование базы
пх-градиентометра является важным инструм ентом
оптимизации процесса
контроля.
На
рис. 5.11 показано изменение нормальны х
составляющих Н„ двух деф ектов, оди н из
которых узкий (трещина) и имеет локалъ-
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
80
0
1
d, мм
Рис. 5.12. Кривые 1-3 изменения
отношения полезного сигнала к сигналампомехам для преобразователей длиной
/ = 2,1 и 0,5 мм в зависимости от зазора d
ное поле, другой — широкий (лунка,
раковина, утонение стенки).
Можно выбрать базу b = АВ, соответ­
ствующую расстоянию между экстрему­
мами первого дефекта. В этом случае сиг­
нал от второго дефекта по амплитуде бу­
дет во много раз меньше, чем сигнал от
первого (рис. 5.11, б). Если выбрать
Ъ = CD, то сигнал от второго дефекта бу­
дет в 2 раза больше, чем сигнал от первого
(рис. 5.11, в). Следовательно, при выборе
базы преобразователя пх следует ориен­
тироваться на наиболее типичные дефекты
конкретного производства. Выбор опти­
мальной базы преобразователя способст­
вует также повышению селективности
контроля S = Аа/А„, где Ад и А „ - сигнал от
дефекта и от помех соответственно. На­
пример, на прутках из шарикоподшип­
никовой стали наиболее типичным дефек­
том является волосовина (очень узкая
продольная трещина), а наиболее типич­
ной помехой - наклеп, получающийся в
результате их правки. Его магнитное поле
значительно шире, поэтому уменьшение
базы b приводит к увеличению S.
Значение b также зависит от зазора
между преобразователем и поверхностью
изделия и, как следствие этого, от длины
сердечника, поскольку измеряемое поле
является средним по длине сердечника.
Увеличение длины сердечника равносиль­
но увеличению зазора между поверхно­
стью изделия и преобразователем.
Рис. 5.12 иллюстрирует селектив­
ность преобразователей с параметрами,
приведенными в табл. 5.1, и оптимальной
базой при разных значениях d (расстояние
между нижними концами сердечников и
поверхностью изделия). Видно, что для
получения максимального S необходимо,
чтобы d —* 0, / —►0, b - оптимум. Однако
при увеличении d для коротких преобра­
зователей база становится неоптимальной
и значение S резко падает. Изменение S
для длинных преобразователей не являет­
ся столь резким, поскольку они интегри­
руют поле по своей длине и при d = 0 оп­
тимальная база преобразователя с 1 = 2 мм
соответствует полю примерно на высоте
1 мм от поверхности.
5.5.2. Контроль цилиндрических
объектов
Для всех объектов цилиндрической
формы, поскольку они являются изделия­
ми проката, характерные дефекты вытяну­
ты вдоль их образующей. В связи с этим
наиболее приемлемый метод намагничи­
вания - циркулярный, а наиболее прием­
лемое расположение преобразователя типа
пх - вдоль окружности.
Могут быть рассмотрены две схемы
контроля: либо пруток движется поступательно-вращательно, а преобразователь
остается неподвижным, либо зонд враща­
ется, а пруток движется поступательно. В
обоих случаях контроль осуществляется
по спирали, но вторая схема является бо­
лее предпочтительной, так как можно су­
щественно уменьшить шаг сканирования.
Если контроль проводится в прило­
женном поле, то следует иметь в виду, что
81
ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
при параллельном расположении сердеч­
ников nx-градиентометра уже в отсутст­
вие поля дефекта на его выходе будет сиг­
нал. Это видно по рис. 5.13, а: Н'„ и Н"„
направлены в разные стороны, следова­
тельно, е - К ■ 2Н„ (очевидно, что
Н'„ = Н"я). Чтобы избежать этого сигнала,
необходимо установить сердечники по
радиусу прутка, тогда Нп = 0. Но обычно
один и тот же дефектоскоп предназначает­
ся для контроля прутков разных диамет­
ров, и каждый раз необходимо выстраи­
вать преобразователи по радиусу. Во из­
бежание применения механических уст­
ройств можно воспользоваться идеей, ко­
торую иллюстрирует рис. 5.13, б: поворо­
том кубика вокруг вертикальной оси, про­
ходящей через точку О, для любого диа­
метра можно добиться, чтобы проекция Н
на I была равна нулю.
На рис. 5.14 представлены результа­
ты контроля прутковой стали феррозондовым и магнитопорошковым методами.
Здесь наглядно видны преимущества
феррозондового контроля (коэффициент
корреляции между величиной сигнала и
глубиной дефекта h составил 0,86) и ос­
новной недостаток магнитопорошкового
Число
дефектов
Рис. 5.13. Контроль цилиндрических
поверхностей
метода - субъективный фактор. Те дефек­
ты, которые первоначально пропущены
контролерами, при повторном осмотре
Число
дефектов
а Выявлено
• Пропущено
□ Выявлено
■ Пропущено
°>05 0,15 0,25 0,35 0,45
И, мм
а)
**•
Результаты контроля прутков феррозондовым (а) и
магнитопорошковым (б) методами
82
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
были полностью выявлены.
Контроль труб незначительно отли­
чается от контроля прутков. Циркулярное
намагничивание может осуществляться
как пропусканием тока непосредственно
по трубе, так и с помощью стержня внутри
трубы ("туботест" института Ферстера).
Известны также системы с вращающими­
ся электромагнитами, между полюсами
которых располагаются лх-градиентометры.
5.5.3. Феррозондовые приборы
Комбинированный микропроцессор­
ный феррозондовый прибор типа Ф-205.03
выполняет функции измерителя и дефек­
тоскопа (дополнительные функции - за­
поминание результатов измерений и тех­
нологической информации, отслеживание
текущего времени и т.п.).
На рис. S.15 показано расположение
сердечников ферроэлементов внутри феррозондового преобразователя (ФП) и дана
привязка декартовых координат (jc, у, г).
При измерении напряженности ста­
тического поля погрешности приборов
гарантируются, если поле до внесения в
него ФП (невозмущенное поле) однородно
внутри объема, в который при измерении
помещаются оба стержня. Внутри этого
объема ФП позволяет измерять Нг (рис.
5.15, а) и Нх (рис. 5.15, б), где Hz, Нх проекции вектора Н напряженности не­
возмущенного магнитного поля на оси z и
х соответственно.
При измерении градиента G напря­
женности статического поля погрешности
гарантируются, если невозмущенное поле
однородно вдоль стержней. Для измере­
ния G используются ФП согласно
рис. 5.15, а. Значение G вычисляют по
формуле
G - (А*)-1 \НХ(х 2 >0, а 2) - Я г(х„0, а ,)],
где Ах - база ФП; x2;'i = ± Ах/2; а2;| - вели­
чины, принимающие любые значения от О
до /; / - длина стержней.
При работе в качестве дефектоскопа
приборы сравнивают градиент G с поро­
гом. Превышению порога соответствует
срабатывание индикатора дефекта. Уча­
сток контролируемой поверхности должен
сканироваться с помощью ФП вручную.
При дефектоскопии и измерении G
используются два ФП-градиентометра с
базой 4 и 3 мм. Для измерения поля ис­
пользуются также два ФП-полимера один для измерения Нх, а другой - Hz.
Рис. 5.15. Привязка осей координат к феррозондовому преобразователю:
1 ,2 - пермаллоевые стержни; 3 - донышко
ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
83
Рис. 5.16. Обнаружение дефекта с постоянным (я) и следящим (б) порогом
При дефектоскопии прибор может
работать в режиме как постоянного, так и
следящего порога. Если установлен
постоянный порог, возрастание градиента
при приближении ФП к краю детали при­
водит к ошибкам.
На рис. 5.16 показана деталь с дефек­
том посередине. При заданном значении
(рис. 5.16, а) постоянного порога (штри­
ховая линия) дефект обнаруживается
(средняя затемненная область), но это со­
провождается ложными срабатываниями
индикаторов дефектов на краях детали
(периферийные затемненные области).
Следящий порог позволяет контролиро­
вать поверхность детали до ее границ
(рис. 5.16, б) без ошибок. Следящий порог
S определяют по формуле
S = Su + S j ,
где 5 Ц - центрированный порог (постоян­
ная величина); Si - усредненный градиент,
который подчиняется рекуррентному со­
отношению
Si ( я ) = Si (п - 1 ) + AAG(w),
в котором AG(n) = G{n) - G(n - 1); к = А.*,
если Wj < AG(n) <
i - 0,1....... т,
X, < Л.,+1, W, > WM. Величины W, "зашиты"
в программу дефектоскопа, т - 5.
Глава 6
МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
6.1. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ
Процесс магнитографического кон­
троля состоит из двух операций: записи
полей рассеяния над объектом контроля
(рис. 6 . 1, а) и считывания магнитного от­
печатка с ленты (рис. 6.1, б). При записи
лента 4 укладывается на объект контро­
ля 1 (прижимается к его поверхности), и
намагничивание обычно осуществляется
электромагнитом 2. Считывание произво­
дится в специальном аппарате (он и назы­
вается магнитографическим дефектоско­
пом), который снабжен вращающимся
барабаном с закрепленным в нем преобра­
зователем. Лента протягивается вплотную
к барабану - происходит построчное ска­
нирование. В качестве преобразователей 6
используют магнитную головку или фер­
розонд.
В качестве лент обычно применяются
двухслойные, состоящие из немагнитной
основы (ацетилцеллюлозы, полихлорвини­
ла, лавсана) и магнитоактивного слоя - маг­
нитного порошка, взвешенного в лаке, кото­
рый обеспечивает хорошую адгезию с осно­
вой. Для изготовления рабочего слоя ис­
пользуют гамма-оксиды железа (у-РегОз),
железокобальтовый феррит (СоРегОз), ди­
оксид хрома СЮг. В однослойных лентах
магнитный порошок вводится непосредст­
венно в основу, однако магнитные свойст­
ва таких лент хуже.
Известно применение гибких дисков
и валиков (на основе эластичных материа­
лов - резины, пластмассы и т.п.), металли­
ческих лент, содержащих два рабочих
слоя с разной коэрцитивной силой (это
позволяет работать и в средних, и в боль­
ших намагничивающих полях), других
специальных лент.
Преимущества магнитографии:
• лента легко деформируется, поэто­
му можно контролировать сложные кон­
фигурации изделий, например сварные
швы с валиком;
• процессы записи и считывания раз­
несены в пространстве и времени, поэтому
запись можно осуществлять в сложных
условиях (например, под водой), а считы­
вание, требующее участия электронных
приборов, - в нормальных условиях;
• лента является документом.
Рис. 6.1. Процесс магнитографической дефектоскопии:
а —запись; б —воспроизведение; 1 - объект контроля; 2 - электромагнит;
магнитно-силовые линии; 4 - лента; 5 - дефект; 6 - преобразователь; 7 —линия сканирования;
8, 9 - представление информации
ЗАПИСЬ НА ЛЕНТУ
Я
Рис. 6.2. Основная магнитная
характеристика МДН) ленты
Вместе с тем, есть один специфиче­
ский недостаток (который при правильном
понимании можно превратить в преиму­
щество): лента как промежуточный носи­
тель информации является существенно
нелинейным звеном. Остановимся на этом
вопросе более подробно.
6.2. ЗАПИСЬ НА ЛЕНТУ
На ленту записывается магнитное
поле дефекта. Установим, соответствует
85
ли записанное поле (или поле отпечатка)
исходному полю дефекта и м ож но ли
распространить на поле отпечатка те св е­
дения, которые накоплены при исследова­
нии полей различных дефектов.
Одна из важнейших магнитных ха­
рактеристик ленты — функция МХИ)- На
рис. 6.2 показана кривая намагничива­
ния 1 некоторой ленты. Если довести л ен ­
ту до насыщения полем Н„ а затем его
отключить, то лента будет иметь макси­
мальную остаточную намагниченность
Мгт. Но если лента намагничена полем НА
или полем Я я, то остаточная намагничен­
ность соответственно будет равна МгА и
Мгв. Кривая 2 на рис. 6.2 характеризует
зависимость Л/ДЯ).
Теперь обратимся к рис. 6.3. Он с о ­
стоит из четырех частей (1-1V). Справа
внизу (/) изображено поле дефекта в очень
упрощенном виде - в форме треугольника
в координатах ЯДх). Справа вверху (1Г),
также в очень упрощенной аппроксима­
ции, даны кривые МГ(Н) для лент 1 ,2.
Рис. 6.3. Запись поля дефекта (/) на ленте с характеристиками I и 2 (If),
остаточная намагниченность (III) и поляризация (IV) лент
86
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
к
н°,
X А/см
1к
.
J
'
100
/5 0 - \
/
10 20 х, мм
25
1 1
-20 -10
0
-25
I
1
10 20 х, мм
-50
L = 14,6 мм
а)
Яхг , А/см
б)
Рис. 6.4. Топография исходного (а) и отображенного лентой МК-2 (б) полей:
1 - провод; 2 - прокладка; 3 - лента; 4 - феррозонд; высота провода г = 6 мм;
zngl 1,3 мм; сила тока / = 425 А
Рассмотрим ленту 1. Несмотря на то,
что поле дефекта до воздействия Ян суще­
ствует, это не оставят отпечатка на ленте,
так как Мг = 0 при Я < Я„. Поле дефекта
изменяется при Я > Hs, однако Мг не меня­
ется, поскольку Mr = Мп = const при Н > Hs.
Отметим, что Но соответствует полю де­
фекта при некоторой координате х = ± к\, а
р | - при координате ±Ь. Таким образом, на
ленте Мг будет изменяться от х = ± к\ до
х = ±Ь\. На участке от Ь\ до Щ будет
Mr = Ms (см. III на рис. 6.3). Там, где меня­
ется Mr (IV), образуются заряды, величина
которых р(лс) = - Po dMr/dx.
Теперь можно рассчитать напряжен­
ность поля, которое заряды создают в ок­
ружающем пространстве. Но прежде от­
метим одно важное обстоятельство: про­
ведя те же построения для ленты 2, полу­
чим другую систему зарядов, отличаю­
щуюся по величине и расположению, и
соответственно, другое поле отпечатка.
Поскольку заряды теперь расположены
вдоль ленты (а у дефекта - по вертикаль­
ным граням), то поле отпечатка обеих
лент будет отличаться от записанного по­
ля и по топографии, и по величине. Поле
отпечатка на ленте
Я =
-In
4яИо
[(х - к)2 + z2] [(* + к)2 + z2]
\x - b ) 2+ z2\ [(*+£)2 +z2] '
(6 . 1)
ЗАПИСЬ В ПРИЛОЖЕННОМ ПОЛЕ
6.3. ЗАПИСЬ В ПРИЛОЖЕННОМ
ПОЛЕ
тг
р (
к+х
к -х
Н . = —-— arctg---------arctg-------+
4лц 0 {
z
z
b-х
Ь+хЛ
+ arctg— ---- arctg— 1
(62)
На рис. 6.4 показаны эксперимен­
тальные данные по записи поля провода с
током на ленту МК-2. Они достаточно
рельефно характеризуют отличия исход­
ного поля от поля отпечатка, причем здесь
не столько принципиально отличие по
величине полей, сколько по топографии.
Итак, на напряженность и топогра­
фию поля отпечатка влияют: крутизна
характеристики ленты dMJdH\ параметр
ленты; размер участка H„-Hs; значе­
ние
111 г
Для наглядности рассмотрим два
предельных случая: внешнее (намагничи­
вающее) поле Явнеш = Нн и ЯВНеш = Н,. Поле дефекта Нх аппроксимируем также
прямыми, но с учетом всех экстремумов.
Разумеется, при Ншеш = Н, поле дефекта
больше, чем при Я внеш = Ян. На рис. 6.5, а
все построения (1-1V) выполнены в соот­
ветствии со схемой на рис. 6.3. При этом
для дефекта 1 получается поверхностный
диполь, аналогичный рассмотренным вы­
ше, а для дефекта 2 - суперпозиция из
двух диполей разных знаков. Результи­
рующее поле отпечатка дефекта 2 показа­
но на рис. 6.5, б.
И
а
IV
2
87
1
«
Но
а)
Н
А
л
б)
Рис. 6.5. Запись поля дефекта при разных значениях Н0
(дефект 2 значительно больше дефекта /)
88
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 6.6. Запись поля дефекта с параметрами 2b - 0,25 мм и А = 2 мм
при разных значениях На (эксперимент)
На рис. 6.7, а показано поле валика
Н,ь, оно имеет обратный знак и достаточно
большую величину {Но — Нв). На рис.
6.7, б приведены поля дефектов 1-3 при
Эксперимент полностью подтверждает эту
схему. На рис. 6 .6 . показано поле отпечат­
ка наружной щели шириной 0,25 мм и
глубиной 2 мм при записи на ленту МК-2
для разных Но. При напряженности Но,
равной 180 и 270 А/см, поле дефекта зна­
чительно превышает Hs. Зависимость
# д(#о) имеет вид кривой с насыщением, а
поле отпечатка ЯГ(Я0) на любых лентах
имеет максимум.
Случаи, показанные на рис. 6.5, при­
ведены для того, чтобы предупредить о
необходимости правильного выбора лент
и режимов контроля. Еще более внима­
тельного подхода требует контроль свар­
ных швов с валиком усиления, поскольку
валик создает поле, противоположное по­
лю дефекта.
а)
разной глубине залегания (чем больше
номер кривой, тем больше глубина зале­
гания); их суперпозиция представлена на
рис. 6.7, в. Видно, что поверхностные (и
подповерхностные) дефекты хорошо раз­
личимы, а глубинный дефект приводит
только к общему поднятию кривой (см.
рис. 6.7, а). Отображение на магнитной
ленте не улучшает общую ситуацию, од­
нако существуют приемы (и могут быть
предложены еще), позволяющие в конеч­
ном счете с той или иной степенью досто­
верности выявлять дефекты под валиком
сварного шва.
б)
в)
Рис. 6.7. Распределение поля над валиком (а),
дефектами на разной глубине (б) и суммарное («)
МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
6.4. МАГНИТНЫЕ ЛЕНТЫ
Для отечественных и зарубежных
магнитных лент разных типов линейный
участок кривой остаточной намагниченно­
сти, характеризуемый максимальной кру­
тизной, которая определяет чувствитель­
ность к изменению регистрируемого маг­
нитного поля, находится в интервале по­
лей от 100 ... 300 до 400 ... 600 АУсм.
В целях надежного выявления мел­
ких (например, когда ширина дефекта не
более 5 %) внутренних дефектов контро­
лируемые изделия иногда необходимо
намагничивать полем напряженностью
свыше 500 А/см. При такой напряженно­
сти магнитного поля низкокоэрцитивные
ленты (типа МК-1, МК-2) насыщаются и
становятся нечувствительными к допол­
нительным магнитным полям рассеяния от
дефектов.
89
Чтобы повысить надежность и рас­
ширить границы применения магнитогра­
фической дефектоскопии (для контроля
качества материалов и изделий из углеро­
дистых и легированных сталей, для кон­
троля материалов и изделий с толщиной
стенки более 25 мм) целесообразно при­
менять высококоэрцитивные магнитные
ленты (табл. 6.1).
Низкокоэрцитивные ленты (МК-1,
МК-2) следует использовать при контроле
изделий толщиной до 10 мм. Это объясня­
ется тем, что приложенное намагничи­
вающее поле, не промагничивая изделие
на всю толщину, насыщает магнитные
ленты этого типа. При толщине контроли­
руемого изделия 10 ... 20 мм эффективнее
применять среднекоэрцитивные ленты
типов 6 и ТЛЦ.
6.1. Характеристики магнитных лент
Магнитный слой
Основа
Тип
ленты
Материал
Толщина,
мкм
Толщина,
мкм
Коэрцитивная
сила, А/см
Остаточная
индукция, Тл
МК-2
Лавсан
25 ... 30
20
80
0,05
6
Триацетатцеллюлоза
40
16
> 175
> 0,10
ТЛЦ-2
Лавсан
25
12
265
0,09
А
«
25
12
320
0,10
Б
«
21
6
370
0,12
6.5. МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЕ
ДЕФЕКТОСКОПЫ
Магнитографический
дефектоскоп
состоит из намагничивающего и считы­
вающего (воспроизводящего) устройств.
Последнее часто называют видеоконтроль­
ным устройством (ВКУ), а еще чаще - соб­
ственно дефектоскопом.
Для контроля сварных соединений
трубопроводов применяют намагничиваю­
щие устройства, состоящие из П-образ-
ного электромагнита. Эти устройства под­
разделяют на две группы:
1) подвижные устройства (рис. 6.8),
позволяющие намагничивать стыковое
соединение в процессе непрерывного или
шагового перемещения по периметру тру­
бы вдоль сварного шва;
2) неподвижные устройства (рис.
6.9), позволяющие намагничивать одно­
временно весь периметр стыкового шва
или его значительную часть с одной уста­
новки.
90
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 6 .8 . Шаговое намагничивающее
устройство "Шагун-М1"
Намагничивающие устройства обыч­
но имеют полюсы с радиусом кривизны,
которые обеспечивают равномерный зазор
между поверхностью трубы и полюсами
подвижного устройства с непрерывным
перемещением или плотное прилегание
полюсов неподвижного устройства к по­
верхности трубы для намагничивающего
сварного соединения без зазора.
ВКУ, или собственно магнитографи­
ческий дефектоскоп, включает лентопро­
тяжный механизм, вращающийся преобра­
зователь (чаще всего - магнитная голов­
ка), системы обработки и представления
информации. В дефектоскопах индикация
сигналов с магнитограмм воспроизводится
на экране электронно-лучевой трубки
(ЭЛТ).
Рис. 6.9. Механизированное кольцевое
намагничивающее устройство передвижной
магнитографической лаборатории
ЛПМ-К
При контроле стыковых сварных
швов трубопроводов из ферромагнитных
сталей магнитографический метод позво­
ляет выявить:
• наружные и внутренние трещины,
непровары и несплавления по кромкам
размером свыше 5 % толщины стенки
труб;
• цепочки шлаковых включений и
пор размером 10 % и более толщины стен­
ки трубы, ориентированных преимущест­
венно вдоль шва, при расстоянии между
соседними дефектами менее трехкратного
размера наименьшего из шлаковых вклю­
чений или пор.
При контроле стыковых швов, вы­
полненных односторонней сваркой с
V-образной разделкой кромок труб, этот
метод гарантирует выявление следующих
дефектов:
• корневые непровары и трещины,
вертикальный размер которых менее 5 %
толщины стенки трубы;
• одиночные шлаковые включения и
газовые поры в корне шва, имеющие от­
носительную величину менее 15 %, при
расстоянии между отдельными шлаковы­
ми включениями или порами вдоль шва
более двух толщин стенки трубы.
На рис. 6.10 показаны два вида (/, II)
индикации участков сварного шва с ха­
рактерными дефектами.
Магнитотелевизионный дефектоскоп
МТД-ЗЛП предназначен для расшифровки
магнитограмм, записанных на ленте ши­
риной до 50 мм, при магнитографическом
методе контроля качества сплошности
стыковых сварных соединений тонкостен­
ных (до 20 мм) конструкций из ферромаг­
нитных материалов. С его помощью мож­
но выявлять в сварных соединениях тре­
щины, непровары, поры и шлаковые
включения. По телевизионному изображе­
нию магнитного рельефа сварного шва
определяют тип, форму и местоположение
обнаруженного дефекта. Устройство де­
фектоскопа предусматривает возможность
детального изучения на экране осцилло-
МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
91
о)
б)
в)
Рис. 6.10. Яркостиая (/) и импульсная (1Г) индикации
(кадры) участков сварного шва:
а - без дефектов; 6 - с непроваром в корне; в - с трещиной
графа отдельных участков контролируе­
мого сварного соединения и получения
количественных характеристик изображе­
ния.
Для
испытания
четырехгранных
стальных заготовок с длиной ребра от 50 х
х 50 до 200 х 200 мм магнитографическим
методом служит устройство 9.140-9.143
(Институт д-ра Ферстера). Намагничива­
ние производится переменным полем.
Для контроля цилиндрических изде­
лий предложен магнитографический де­
фектоскоп со скользящим носителем
(рис. 6.11). В этом устройстве запись по­
лей дефекта осуществляется практически
без зазора между изделием и лентой. Эла­
стичные свойства ленты обеспечивают
эффективное отслеживание состояния
контролируемой поверхности, не требуя
строгой ориентации дефектоскопа по от­
ношению к изделию и ожидаемому на­
правлению дефектов.
Возможность задать любое огибание
изделия лентой (вплоть до 180°) позволяет
упростить процесс сканирования поверхно­
сти и существенно сократить время кон­
троля. Следует отметить и высокую устой­
чивость магнитографических средств де­
фектоскопии к помехам электрического
происхождения, поскольку воздействовать
на ленту они принципиально не могут.
Указанные особенности делают магнито­
графический контроль высокочувствитель­
ным, достоверным и технологичным.
Дефектоскоп работает следующим
образом.
Магнитная лента 2 в виде бесконеч­
ной петли протягивается относительно
контролируемого изделия с помощью
вращающегося обрезиненного ведущего
ролика 4 за счет фрикционного сцепления
с ним. Ролик жестко насажен на ось при-
6 . М А Г Н И Т О ГРА Ф И Ч Е С К А Я ДЕФЕКТОСКОПИЯ
водного узла со шкивом 5, вращение кото­
рого осуществляется от электродвигателя
7 через обрезиненньш промежуточный
ролик 6. Пять обводных свободно вра­
щающихся роликов, в том числе натяжной
3, служат для формирования рабочих уча­
стков петли ленты и обеспечения требуе­
мого охвата ею контролируемой поверх­
ности. От степени охвата изделия лентой
зависит локальность и производитель­
ность контроля.
Возбуждение в изделии магнитного
поля производится П-образным электро­
магнитом, питаемым током промышлен­
ной частоты.
Образовавшиеся в местах нарушения
сплошности металла магнитные потоки
рассеяния записываются на ленту и счи­
тываются с нее воспроизводящей голов­
кой 9. Далее по ходу движения лента раз­
Р и с . 6 .1 1 . Ф ун к ц и ональная схема
магничивается стирающей головкой 8. В
м а г н и т о г р а ф и ч е с к о г о дефектоскопа со
настоящее время, к сожалению, магнито­
ск о л ь зя щ и м носителем:
графические дефектоскопы не находят
1 — к о н тр о л и р у ем о е изделие; 2 —магнитная
широкого применения в промышленности.
л е н т а ; 3, 4, 6 —натяж ной, ведущий и промежу­
т о ч н ы й р о л и к и ; 5 —шкив; 7 —электродвига­
Это связано, в первую очередь, с прекра­
т е л ь ; 8 , 9 —стираю щ ая и воспроизводящая
щением выпуска магнитных лент.
г о л о в к и ; 1 0 — намагничиваю щ ее устройство
Глава 7
ИНДУКЦИОННЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
Дефектоскопы, у которых в качестве
входного преобразователя используются
пассивные индукционные катушки, при­
меняют для контроля качества изделий из
ферромагнитных материалов. Они отли­
чаются простотой устройства, повышен­
ной надежностью и удобством эксплуата­
ции.
Для контроля бесшовных горячека­
таных ферромагнитных труб создана ус­
тановка, действие которой основано на
определении градиента магнитного поля
дефекта при циркулярном способе намаг­
ничивания. Значение градиента в этом
случае достаточно большое, поэтому при
дефектоскопическом контроле труб необя­
зательно применять преобразователи с
максимально возможной абсолютной чув­
ствительностью к градиенту магнитного
поля, так как основной характеристикой
дефектоскопа является отношение сигнала
от дефекта к сигналу основного мешаю­
щего фактора.
При обнаружении дефектов горяче­
катаных труб магнитным методом основ­
ным мешающим фактором является на­
клеп, магнитное поле которого соизмери­
мо по величине с полем недопустимого
дефекта и близко к нему по топографии.
Даже при намагничивании в приложенном
постоянном магнитном поле отношение
максимумов градиентов нормальной со­
ставляющей поля волосовины глубиной
0,6 мм и участка изделия, нагартованного
роликами правильного стана, может не
превышать трех. Это позволяет применять
индукционный преобразователь в услови­
ях поточного автоматизированного кон­
троля качества горячекатаных труб.
Преобразователи и полюсные башма­
ки электромагнита прикреплены к ползу­
нам, свободно перемещающимся в на­
правляющих ротора вращающегося кон­
трольного устройства. Ползуны синхрон­
но перемещаются в радиальном направле­
нии с помощью колеса, имеющего пазы,
выполненные по профилю архимедовой
спирали, и сегментов, вмонтированных в
ползуны.
Сигнал с индукционных преобразо­
вателей усиливается вращающимся вместе
с системой намагничивания предусилите­
лем и проходит через бесконтактный
трансформаторный токосъем. Затем он
поступает на усилитель с регулируемым
ограничителем сигнала по амплитуде и на
автоматический сигнализатор дефектов.
В дефектоскопах используется схема
автоконтроля работоспособности преобра­
зователя и измерительной схемы аппара­
туры.
Обнаруживаются поверхностные де­
фекты глубиной более 0,22 мм, а также
подповерхностные дефекты ;*руб в про­
цессе движения. Наилучшие результаты
при высокопроизводительном контроле
холоднокатаных полос получены с помо­
щью индукционных магнитных установок.
Автоматизированный
дефектоскоп
является универсальной установкой, спо­
собной контролировать холоднокатаные
полосы шириной 560 ... 2500 мм в произ­
водственных линиях агрегатов попереч­
ной резки при скорости до 5 м/с. Установ­
ка включает: систему намагничивания
контролируемой полосы - полюсные элек­
тромагниты; систему сканирования поло­
сы индукционными преобразователями блоки съема сигналов; аппаратуру обра­
ботки информации - приборную стойку с
усилител ьно-регистрирующи ми блокам и,
блоком питания и блоком наблюдения.
Статистика показывает, что около
80 % всех дефектов (типа плен, царапин,
строчечных неметаллических включений,
вкатанной окалины и т.п.) вытянуты вдоль
94
Глава 7. ИНДУКЦИОННЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
направления прокатки и движения поло­
сы. Наилучшие условия для их выявления
(образование максимальных магнитных
полей дефектов и их градиентов) достига­
ются при контроле в приложенном поле,
имеющем направление, поперечное вытянутости дефекта. Поэтому при контроле
центральной части полосы, в которой
встречается до 70 % всех дефектов, требу­
ется максимальная чувствительность. По­
лоса намагничивается и сканируется ин­
дукционным преобразователем в попереч­
ном направлении, а ее края (где из-за
краевого эффекта невозможно применить
поперечные намагничивание и сканирова­
ние) - в продольном.
Конструктивно система намагничи­
вания выполнена в виде электромагнитов,
которые располагаются под контролируе­
мой полосой. Электромагниты создают
приложенное магнитное поле - попереч­
ное и продольное.
Считывание полей дефектов осуще­
ствляется расположенными над полосой
индукционными преобразователями путем
сканирования ими полосы в направлении
приложенного поля в межполюсном про­
странстве электромагнитов. Поперечное
сканирование обеспечивается вращением
преобразователей, установленных на дис­
ках по окружности диаметром 300 мм,
близким по размеру к межполюсному рас­
стоянию электромагнита. При этом рабо­
чая зона в поперечном направлении со­
ставляет 3/4 диаметра. Частота вращения
преобразователей (2500 мин'1) выбрана из
условия выявления минимального по дли­
не дефекта при максимальной скорости
движения полосы. Продольное сканирова­
ние краев полосы в межполюсном про­
странстве электромагнитов осуществляет­
ся неподвижными преобразователями за
счет движения полосы.
Вращающиеся и неподвижные ин­
дукционные преобразователи образуют
систему сканирования, которая конструк­
тивно состоит из блоков съема сигнала с
вращающихся преобразователей и блоков
съема сигнала с неподвижных преобразо­
вателей. Каждый преобразователь состоит
из двух цилиндрических катушек с ферритовыми сердечниками, включенных диф­
ференциально. Съем сигнала с вращаю­
щихся преобразователей - бесконтактный,
через индукционный токосъем. На диске
установлено шесть усилителей для пред­
варительного усиления сигнала.
Неподвижные преобразователи вы­
полнены в виде двух вытянутых по шири­
не полосы рабочих катушек, намотанных
на нетокопроводящие пластины и вклю­
ченных "дифференциально. Рамки уста­
новлены с базой 3,5 мм.
В установке применена амплитудная
обработка сигналов с частотной отстрой­
кой от мешающих факторов, при этом ка­
ждый преобразователь имеет свой незави­
симый измерительный канал.
Благодаря независимости работы ка­
налов значительно повышается надеж­
ность работы установки, так как выход из
строя одного из измерительных преобра­
зователей не влечет за собой прекращение
работы всей системы контроля, а приво­
дит лишь к потере чувствительности на
небольшом участке полосы.
Отстройка от сигналов мешающих
факторов (локальный наклеп, удары, из­
менение зазоров и др.) выполняется с по­
мощью частотной обработки сигнала.
Автоматическое ограничение осуще­
ствляется подачей на разделительные дио­
ды постоянных запирающих напряжений,
меняющихся в соответствии с изменением
уровня шума. Запирающие напряжения,
автоматически меняя уровень ограничения
сигнала снизу, поддерживают постоянной
амплитуду сигнала от дефекта на выходе
схемы при изменении зазора, скорости
движения полосы и некоторых других
факторов.
Механическая часть установки, со­
стоящая из системы электромагнитов и
блоков съема сигнала, встраивается в ли­
нию агрегата поперечной резки полос на
листы перед правильной машиной и бара­
банными ножницами. Электромагниты
ИНДУКЦИОННЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
устанавливают под полосой так, что они
обеспечивают намагничивание полосы по
всей ширине. Так как полоса притягивает­
ся к полюсам магнита, то для предотвра­
щения механического повреждения ее
нижней поверхности на полюсы ставят
латунные проводки. Электромагниты за
счет силы притяжения уменьшают коле­
бания полосы в вертикальной плоскости,
что значительно улучшает условия кон­
троля и повышает его надежность.
Основные технические характери­
стики установки следующие: объект кон­
троля - холоднокатаные полосы из низкоуг­
леродистых сталей толщиной 0,5 ... 2,5 мм;
выявляемые дефекты —сварной шов, рва­
ная кромка, дыра, плена, раковина, вдавлина, царапина, вкатанная окалина и дру­
гие нарушения сплошности металла глу­
биной более 5 % от толщины полосы. Ра­
бочий зазор между индукционными пре­
образователями и полосой составляет
3... 5 мм.
С учетом роста скоростей производ­
ственных процессов индукционные де­
фектоскопы будут находить все большее
применение, так как их чувствительность
прямо пропорциональна увеличению ско­
рости движения изделия.
Для обнаружения сварного шва в
прокатанных полосах, поступающих на
дальнейшую обработку в высокоскорост­
ных листопрокатных станах, предназначен
магнитно-индукционный индикатор. Он
позволяет определить наличие шва шири­
ной 2 ... 5 мм в горячекатаных полосах из
низкоуглеродистых сталей шириной 700 ...
1850 мм и толщиной 1,2 ... 6 мм в линиях
непрерывного производства жести со ско­
ростью до 10 м/с для автоматического за­
медления прокатного стана при прокатке
95
участка полосы со сварным швом.
Принцип действия прибора основан
на регистрации индукционными преобра­
зователями нормальной составляющей
магнитного поля рассеяния сварного шва,
возникающего при продольном намагни­
чивании контролируемой полосы посто­
янным магнитным полем. Намагничива­
ние осуществляется полюсным электро­
магнитом. Считывание полей рассеяния
производится неподвижными индукцион­
ными преобразователями. Прибор имеет
четыре преобразователя, каждый из кото­
рых состоит из двух катушек индуктивно­
сти, включенных дифференциально. Это
обеспечивает сравнение двух соседних
участков полосы и отстройку от структур­
ной и магнитной неоднородностей метал­
ла швов вдоль изменяющейся по ширине и
длине полосы.
Отстройке от магнитной неоднород­
ности способствует также сильное намаг­
ничивание полосы однородным постоян­
ным полем. Достаточно сильное поле на­
магничивания позволяет получать значи­
тельное по абсолютной велиэине поле
рассеяния, что дает возможность разме­
щать преобразователи с одной стороны
полосы.
В приборе используются амплитуд­
ная обработка сигналов и автоматическое
ограничение сигнала по уровню шума в
каждом преобразователе по числу кана­
лов. Электромагнит служит для намагни­
чивания полосы до состояния, близкого к
техническому насыщению, а также для
уменьшения вертикальных биений полосы
в зоне контроля за счет притяжения к по­
люсам. Преобразователь состоит из двух
катушек индуктивности,
включенных
дифференциально.
Глава 8
М АГНИТНЫ Е ДЕФ ЕКТОСКОП Ы
ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТЕНОК ТРУБОП РОВОДО В И
РЕЗЕРВУАРОВ
Магнитный метод неразрушающего
контроля нашел широкое распростране­
ние благодаря высокой производительно­
сти и получению достоверной информа­
ции о состоянии стенок трубопроводов и
резервуаров практически в реальном ре­
жиме времени. К преимуществам метода
относится и то, что не требуются (или
предусматривается минимум) работы по
подготовке контролируемой поверхности.
Появились установки и приборы маг­
нитного метода контроля, эффективно
работающие в нефтегазовой и химической
промышленности, в теплоэнергетике.
В настоящее время наиболее распро­
страненным, быстрым и надежным явля­
ется метод рассеянного магнитного пото­
ка MFL (рис. 8.1).
Принцип метода заключается в ло­
кальном намагничивании объекта контро­
ля и фиксации магнитных полей рассея­
ния, вызванных нарушением сплошности
и утонением контролируемого изделия.
Принцип получил развитие в середине
1960-х годов, причем для детектирования
изменений магнитного потока, вызванных
дефектом, использовали пассивные пре­
образователи (индукционные). В даль­
нейшем чаще стали использовать преобра­
зователи Холла.
В связи с развитием технологии изго­
товления мощных постоянных магнитов (в
частности, на основе неодима-железабора), появилась возможность создания
компактных сканирующих устройств, что
позволило локально намагничивать зону
контроля при толщине стенок до 16 мм.
Дальнейшее увеличение толщины стенки
контролируемого изделия предполагает
существенное увеличение габаритных
размеров и массы сканеров, что усложняет
их использование при оперативном кон­
троле. Еще одной проблемой является
применение пассивных преобразователей
рассеянного поля, фиксирующих инфор­
мацию на поверхности контролируемого
изделия, что усложняет определение типа
дефекта (поверхностный, внутренний) и
приводит к перебраковке изделий. Значи­
тельное влияние на величину сигнала пре­
образователя оказывает изменение рас­
стояния между преобразователем и кон­
тролируемой поверхностью.
В целях увеличения диапазона при­
боров MFL целесообразно применять
иной тип преобразователя в сочетании с
другим электронным оборудованием.
Улучшенный метод вместо пассивных
преобразователей Холла предусматривает
применение вихретоковых преобразовате­
лей, которые улавливают изменения маг­
нитной индукции внутри материала.
Для отличия от традиционного мето­
да MFL введено понятие SLOFEC (Satura­
tion Low Freguency Eddy-Current). Фирма
Kontroll Technik (Германия) обладает ин­
теллектуальной собственностью на эту
технологию.
Применение метода низкочастотных
вихревых токов кроме высокой чувстви­
тельности к дефектам имеет еще одно не­
оспоримое преимущество перед пассив­
ными преобразователями - информацию о
глубине залегания дефекта. Это объясня­
ется тем, что благодаря подмагничиванию
вихревые токи проникают в глубь контро­
лируемой стенки изделия, что, в свою оче­
редь, выражается в изменении фазы
сигнала вихревого преобразования в зави­
симости от глубины залегаемого дефекта.
МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТЕНОК
97
Магнит
Рис. 8.1. Принцип метода рассеянного магнитного потока MFL
зования в качестве информативных пара­
Использование фазового метода обработ­
метров амплитуды и фазы сигнала вихре­
ки информации и локального подмагничивания (выравнивающие обычно сущест­ токовых датчиков. Однако, в связи с
использованием низкочастотного сигнала,
вующие локальные неоднородности) су­
для получения максимальной фазовой ин­
щественно повышают основной параметр
формации необходимо использовать пре­
контроля - соотношение сигнал/шум. Кро­
образователи большого диаметра, что су­
ме того, использование фазы в качестве
щественно снижает локальность контроля
информативного параметра снижает влия­
и требует достаточно сложной и сильноние вариации расстояния между преобра­
точной (мощной) системы формирования
зователем и поверхностью контролируе­
приема и обработки информации.
мого изделия. Данный метод наряду с
Разработаны приборы для контроля
ферромагнитными изделиями позволяет
коррозионных дефектов типа утонения
контролировать изделия из чеферромагстенки, точечной коррозии, трещин на
нитных материалов (коррозионно-стойкая
внутренней поверхности стенрк экранных
сталь, алюминий и т.д.). Сравнительные
трубок теплообменников, трубопроводов
возможности метода рассеянного магнит­
химической промышленности, магист­
ного потока (MFL) и использования низ­
ральных нефтегазопроводов. Эти приборы
кочастотных вихревых потоков (SLOFEC)
позволяют проводить контроль без удале­
иллюстрирует рис. 8.2.
ния изоляционного покрытия и остановки
Укажем преимущества и недостатки
работы оборудования, что дает возмож­
того и другого метода.
ность повысить производительность и
К преимуществам метода MFL отно­
уменьшить затраты на проведение кон­
сятся быстродействие, надежность, доста­
троля по сравнению с традиционными
точное простое решение по конструирова­
методами.
В России создан ряд приборов типа
нию многоканальных систем. Его недос­
МИТ-1/2, принцип действия которых ос­
татки - отсутствие прямой информации о
нован на сканировании ферромагнитного
глубине залегания дефекта; временные,
конструктивные и технологические труд­ объекта контроля постоянным магнитным
полем и на индикации полей рассеяния,
ности по созданию систем, позволяющих
вызванных нарушениями сплошности и
контролировать изделия с толщиной стен­
изменением геометрии стенок объекта.
ки свыше 16 мм.
Сканирующее устройство (сканер)
Для метода SLOFEC преимуществом
включает П-образную магнитную систе­
является получение прямой информации о
му, от одного до восьми преобразователей
глубине залегания дефекта благодаря
Холла (один канал), систему подъема и
применению вихретоковых преобразова­
телей, а также существенное повышение
опускания на контролируемую поверх­
соотношения сигнал/шум за счет исполь­
ность, систему перемещения и установки
98 Глава 8. МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТЕНОК
Рис. 8.2. Сравнение относительной чувствительности методов MFL и SLOFEC
требуемого зазора на контролируемой по­
• возможность с высокой точностью
верхности, разъемы для подключения идентифицировать пространственное рас­
электронного блока и осциллограф.
рассеянного магнитного поля
О
глубине обнаруженного дефекта пределение
в
контролируемом изделии можно судить от дефекта, что позволяет определять вид
по амплитуде сигнала от дефекта, сравни­ дефекта (поверхностный, внутренний) и
вая ее с амплитудой на образце. Имеется практически исключить перебраковку в
возможность сохранения полученной ин­ процессе контроля.
формации в памяти осциллографа. Приме­
Возможности программного обеспе­
нение цифрового осциллографа позволяет
чения:
визуально оценивать тип дефекта (по­
• проведение автоматической калиб­
верхностный, внутренний) по пространст­
венному распределению, что существенно ровки каналов измерения;
снижает риск перебраковки.
• представление трехмерного изо­
Другой тип прибора - это 8-каналь­
бражения
дефектов;
ный дефектоскоп, который состоит из
• наличие двух режимов представле­
сканера и персонального компьютера типа
Notebook (далее - ПК), связанных гибким ния информации;
кабелем,
программного обеспечения
• при больших объемах контроля приема, обработки, индикации результа­ запись результатов контроля в память ПК
тов контроля, тестирования дефектоскопа. с повышенной скоростью сканирования
Отличительные особенности такого при­
бора, обусловленные использованием сис­ (контроля);
• контроль в реальном режиме вре­
темы позиционирования:
• точное определение пройденного мени с одновременным просмотром ре­
пути контроля и месторасположения де­ зультатов контроля на экране монитора;
• распознавание поверхностных и
фекта;
• независимость определения коор­ внутренних дефектов, что позволяет из­
динат от скорости сканирования, что осо­ бежать перебраковки контролируемых из­
делий.
бенно важно при ручном сканировании;
Глава 9
МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ М АГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И
ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ
9.1. ВНУТРИТРУБНЫЕ МАГНИТНЫЕ
ДЕФЕКТОСКОПЫ-СНАРЯДЫ
Общая протяженность трубопрово­
дов в России превышает 300 тыс. км. Бо­
лее половины из них - газопроводы. Для
обеспечения бесперебойной работы тру­
бопроводного транспорта нефти и газа
ежегодно ремонтируется 1,5 тыс. км трасс
с затратами до 200 млн р. Использование
дефектоскопов и средств диагностики
позволяет существенно сократить затраты
на ремонт и обслуживание трубопровод­
ных трасс.
Зарубежные фирмы - держатели нефте- и газопроводов для их обследования
широко используют снаряды-дефекто­
скопы. По данным фирмы AMF Tuboscope
(США), обследование 1 км трубопровода
стоит 5 тыс. долл., если содержание серо­
водорода в газовой среде не превышает
1 %. Обследование подземного трубопро­
вода диаметром 800 мм, протяженностью
1 км стоит 8,5 тыс. долл., а в морских ус­
ловиях 10,3 тыс. долл. США.
Фирмы-разработчики средств диаг­
ностики трубопроводов предпочитают
эксплуатировать свою технику. Так, упо­
мянутая выше фирма AMF Tuboscope,
занимающаяся разработкой снарядовдефектоскопов с 1960-х годов, является
ведущей по их практическому использо­
ванию. Она осуществляет диагностиче­
ские работы на трубопроводах в Северной
и Южной Америке, Европе, Африке и на
Ближнем Востоке. Высокая эффектив­
ность использования средств технической
диагностики трубопроводов и большая
потребность в них обусловили то, что все
большее число зарубежных фирм включа­
ется в создание средств контроля трубо­
4*
проводов.
Разработкой дефектоскопов для кон­
троля действующих трубопроводов без
прекращения транспортирования продукта
впервые начали заниматься в 60-х годах
прошлого века. Первые дефектоскопы
предназначались для контроля нефтепро­
водов, так как не имели устройств ком­
пенсации сигналов при изменении скоро­
сти снаряда. Нефтепровод же обеспечивал
плавное движение дефектоскопа.
Обработка и запись информации в
цифровой форме впервые применены в
1983 г. в дефектоскопе серии Linalog для
контроля
трубопроводов
диаметром
1420 мм.
Общими
тенденциями
развития
средств технической диагностики трубо­
проводов нефти и газа являются:
создание конструкций дефектоскопов-снарядов, устойчивых к воздействию
агрессивной среды, ударных и вибрацион­
ных нагрузок, пониженных и повышенных
температур, давления до 10 МПа и др.;
разработка конструкций дефектоскопов-снарядов и аппаратуры для обработки
информации, пригодных для диагностики
трубопроводов разных диаметров и с раз­
ной толщиной стенок, с изменяющимся
внешним контуром для прохождения изо­
гнутых участков трубопровода и перепа­
дов по внутреннему диаметру;
создание аппаратуры сервисного об­
служивания и средств метрологического
обеспечения дефектоскопов;
разработка средств съема и обработ­
ки информации с использованием новей­
ших достижений в приборостроении и
математических методов обработки ин­
формации с применением микропроцес­
сорной техники и энергонезависимых но­
сителей информации.
100
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Дефектоскоп осуществляет продоль­
ное намагничивание стенок трубопровода
с помощью системы кольцевых магнит­
ных полюсов с гибкими полюсными нако­
нечниками. Съем информации - тангенци­
альной составляющей магнитного поля
дефектов - выполняется индукционными
преобразователями,
скользящими
по
внутренней поверхности. Метод обработ­
ки информации позволяет отстроиться от
влияния изменения скорости движения в
интервале 1 ... 6 м/с.
Информация о дефектах типа корро­
зии и эрозии, превышающих пороговые
значения по площади и глубине, в виде
аналогового электрического сигнала пре­
образуется в импульсные сигналы, ампли­
туда и длительность которых несут ин­
формацию о глубине и протяженности
дефектов. Данные о дефектах регистри­
руются в накопителе информации, изме­
ряющем амплитуды импульсов. Простота
и надежность метода обработки информа­
ции в сочетании с оригинальным и удоб­
ным для дальнейшего анализа и хранения
способом накопления информации позво­
ляют успешно применять этот дефекто­
скоп уже в течение нескольких последних
лет для контроля магистралей газопровода
диаметром 1220 мм.
Представление информации, полу­
чаемой по 32 каналам преобразования,
дает возможность использовать двухмер­
ное информационное пространство для
анализа в целях получения достоверных
данных о дефектах всей поверхности тру­
бопровода. Анализ информации по одно­
му каналу позволяет на основании изме­
ренных значений амплитуды и длительно­
сти импульсов (на определенном уровне)
судить о глубине и протяженности дефек­
тов. Анализ информации по нескольким
каналам дает третье измерение дефекта.
Необходимое и достаточное число ис­
пользуемых каналов для контроля всей
поверхности трубопровода определяется
исходя из свойств первичного преобразо­
вателя и допустимых размеров зоны кор­
розионного поражения, при которых со­
храняется требуемый запас прочности.
Анализ сигнала по нескольким со­
седним каналам позволяет более точно
представить дефект и картину распреде­
ления тангенциальной составляющей маг­
нитного поля рассеяния дефекта Нх в объ­
еме полупространства над ним. Знание
качественного влияния размеров и формы
дефекта и его количественной оценки на
распределение величины Нх дает возмож­
ность применить вычислительные методы
измерения параметров дефектов с высокой
точностью.
Информация о состоянии поверхно­
сти трубопровода воспринимается 128 ка­
налами преобразования тангенциальной
составляющей полей рассеяния дефектов в
электрические сигналы. Преобразователи
фиксируют резкое изменение АНх с лю­
бым знаком, при этом на выходе появля­
ются импульсные сигналы разной поляр­
ности.
Последующая обработка аналогового
сигнала проводится в цепях усиления, ин­
тегрирования, детектирования и суммиро­
вания сигналов противоположной поляр­
ности. Далее информация обрабатывается
в цифровой форме.
В цифровом вычислительном блоке
осуществляются: коррекция амплитуды
сигнала по скорости; распознавание и ис­
ключение сигналов от поперечных и спи­
ральных швов; распознавание сигналов,
которые получены от флуктуаций магнит­
ного поля, обусловленных технологиче­
скими элементами трубопровода, магнит­
ными маяками; отстройка от шума; пре­
кращение поступления информации в на­
копитель при превышении и снижении
скорости движения дефектоскопа; груп­
пирование сигналов и выявление облас­
тей, пораженных коррозией; определение
двухмерных координат дефектов; подсчет
общего числа труб, а также числа труб с
дефектами; формирование информации о
состоянии трубопровода для ввода в нако­
питель.
ВНУТРИТРУБНЫЕ МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ-СНАРЯДЫ
Блок накопления осуществляет сбор,
запись информации в цифровой форме.
Дальнейшая обработка информации
ведется в региональном центре, в системе
полной обработки и просмотра получен­
ной информации, позволяющей оценить
параметры дефекта и проследить его раз­
витие при получении последующих данных
о дефектности для составления долгосроч­
ного прогноза состояния трубопровода.
Сложность задачи дефектоскопии га­
зопровода с алгоритмической точки зре­
ния обусловлена необходимостью обра­
ботки очень большого объема данных в
режиме реального времени при жестких
временных ограничениях.
Наличие сварных швов, магнитных
маяков и технологических элементов тру­
бопровода, также вызывающих резкое
увеличение сигнала (и в этом смысле не
отличающихся от дефектов), влечет за
собой необходимость использования дос­
таточно трудоемких алгоритмов анализа
формы аномалий.
Рассмотрим последовательность опе­
раций обработки информации, обуслов­
ленную этими особенностями.
9.1.1. Выделение поперечных сварных
швов
В отличие от других особенностей
поперечные сварные швы можно легко
выделить с помощью отсекания по порогу:
если на некотором витке сканирования из
128 сигналов, снятых разными каналами,
значения более 75 % превышают некото­
рое заданное значение, то в алгоритме
принимается решение о наличии попереч­
ного шва. Полученные значения сигналов
исключаются, а информация о координа­
тах шва сохраняется и используется в
дальнейшем для корректировки местопо­
ложения преобразователей.
9.1.2. Сокращение объема
обрабатываемой информации
В ходе движения преобразователей
труба условно разбивается на участки
длиной 1 м. На каждом таком участке со­
101
гласно алгоритму проводится подсчет
среднего значения сигнала по всем кана­
лам и точкам. Значения, не превышающие
(1,4 ... \\,6)Аср, где Аср - амплитуда сред­
него значения, считаются соответствую­
щими точкам, безопасным в отношении
надежности; эти точки из дальнейшего
рассмотрения исключаются. На после­
дующую обработку поступают только те
сигналы, амплитуда которых превышает
указанный диапазон. По каждому каналу
сохраняется несколько точек. Эта проце­
дура наиболее трудоемкая.
9.1.3. Слииние точек
На этом этапе две выделенные точки,
находящиеся вблизи друг от друга, объе­
диняются в единую область, причем прак­
тически за один просмотр. На выход по­
ступает ряд аномалий, встреченных на
анализируемом участке трубы. Каждая из
аномалий описывается следующими па­
раметрами: координаты левой, правой,
верхней и нижней крайних точек, входя­
щих в пятно; площадь аппроксимирующе­
го прямоугольника; сумма амплитуд, вхо­
дящих в пятно сигналов; максимальное
значение амплитуды.
9.1.4. Устранение технологических
элементов трубопровода, магнитных
маяков и спиральных сварных швов
Как уже отмечалось, часть выделен­
ных областей может соответствовать ано­
малиям, не представляющим интереса с
позиций диагностирования. Поскольку
число таких аномалий может быть доста­
точно велико, в алгоритме предусматрива­
ется их автоматическое устранение, что
выполняется методом сравнения со стан­
дартными образцами с использованием
контрольных точек. Стандартными образ­
цами могут служить:
102
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
а) ромб строго определенной площа­
ди (магнитные маяки);
б) эллипсы, площадь которых соот­
ветствует одному из значений, указанных
в имеющемся в алгоритме списке (ответв­
ления трубопровода известных размеров);
в) прямоугольники с большой (не
строго определенной) площадью, в кото­
рых особые точки идут строго по диагона­
ли и под определенным углом (спираль­
ные сварные швы).
Проверка осуществляется в следую­
щем порядке:
1) площадь области сравнивается с
площадью стандартных образцов (провер­
ка вариантов а и б; если совпадения не
обнаружены, алгоритм предусматривает
переход к шагу 3);
2) проводится анализ значений ряда
характеристических точек, расположен­
ных внутри аппроксимирующего прямо­
угольника по обе стороны от границы
стандартного образца; если наличие и от­
сутствие сигнала в этих точках соответст­
вует стандартному образцу (точные зна­
чения сигналов не принимаются в расчет),
делается вывод о том, что аномалия явля­
ется магнитным маяком либо ответвлени­
ем трубопровода, и из дальнейшего анали­
за она исключается;
3) проверка на наличие спиральных
сварных швов основана на том факте, что
аппроксимирующий прямоугольник дол­
жен иметь достаточно большую площадь
(поскольку шов идет вдоль всей трубы), а
аномалии располагаются вдоль его диаго­
нали. Поэтому в отличие от шага 1 пло­
щадь сравнивается не с площадью стан­
дартного образца, а с пороговым значени­
ем. Аналогично указанным в шаге 2, кон­
трольные характеристические точки рас­
положены вдоль диагонали прямоуголь­
ника. Обнаруженные швы также исклю­
чаются из дальнейшего рассмотрения.
Оставшиеся области считаются де­
фектами, представляющими большую или
меньшую опасность. Из их числа на каж­
дом участке длиной 30 м выбираются пять
наиболее опасных; информация об этих
дефектах записывается в память. В каче­
стве критерия, по которому отбирается
группа наиболее опасных дефектов, ис­
пользуется функция, учитывающая пло­
щадь дефектов; максимальную глубину,
получаемую на основании информации о
максимальной амплитуде; сумму ампли­
туд точек, входящих в дефект.
В системе предусмотрена возмож­
ность интерактивного режима работы с
собранными данными. Пользователь мо­
жет выводить на дисплей картину каждой
из полученных областей.
Метрологическое и сервисное обору­
дование позволяет имитировать воздейст­
вия на преобразователь электромагнитных
полей дефектов и анализировать отклик
функциональных узлов дефектоскопа на
соответствие заданной функции преобра­
зования. При этом делается вывод о рабо­
тоспособности всей системы и каждого
узла в отдельности. При необходимости
осуществляется коррекция коэффициентов
преобразования функциональных узлов.
Основные технические характери­
стики дефектоскопов-снарядов "Код-2М"
и дефектоскопов серии Linalog приведены
в табл. 9.1.
Дефектоскопы серии Linalog осуще­
ствляют контроль коррозии, эрозионного
износа и трещин по одному параметру
дефекта - глубине в процентном отноше­
нии к толщине стенки, в аналоговой фор­
ме в первых моделях и цифровой - в по­
следних. Дефектоскоп комплекса "Код-М"
позволяет анализировать дефекты типа
коррозии и эрозии по глубине, протяжен­
ности и ширине в лабораторных условиях
с использованием аппаратуры для анализа
изображений. Дефектоскоп комплекса
"Код-2М" такой анализ осуществляет ав­
томатически на борту и в цифровом коде.
ВНУТРИТРУБНЫЕ МАГНИТНЫЕ Д Е Ф Е К Т О С К О П Ы - С Н А Р Я Д Ы
103
9.1. Основные технические характеристики деф ек т о ск о п о в с н а р я д о в
Характеристика
Linalog 1420 (фирма AMF
Tuboscope, США)
Газопроводы диаметром
1420 мм с толщиной
стенки 15,7... 25 мм и из­
гибом траектории радиу­
сом не менее 3Z)
чувствитель­ Каверны глубиной 0,3 Г и
0,2 Г на внешней и внут­
ренней поверхности тру­
бопровода соответственно
Параметры объекта
контроля
"Код-2М"
Газопроводы диаметром 1420 мм
с толщиной стенки 15,7 ... 25 мм
и изгибом траектории р а д и у со м
не менее 5 D
Коррозионные каверны г л у б и ­
ной 0,3 Т и 0,23" на внеш ней и
внутренней поверхности т р у б о ­
провода соответственно и п р о ­
тяженностью 0,77’. Э розионны й
износ глубиной 0 ,2 Т и протя­
женностью Т. П оперечная т р е ­
щина глубиной 0 ,3 5 Г и 0,47' на
внутренней и внешней п о в ер х ­
ности трубопровода соо т в ет ст ­
венно, шириной 0,1 мм и про­
тяженностью 100 мм
Диапазоны и погреш- Глубина: (ОД ... 1,0)7 ±
Глубина: (0,2 ... 1,0)7' ± 0 ,1 5 7 ”,
ность измерения
±0,157
протяженность: от (0 ,7 0 ± 0 ,3 5 )7 '
Конструктивные осо Трехсекционный дефек­
Двухсекционный д еф ек тоск оп бенности
тоскоп-снаряд с размеще­ снаряд с размещением и ст о ч н и ­
нием на борту аппаратуры ка питания (в первой бек ц и и ),
обработки в аналоговой и системы обнаружения деф ек тов
цифровой форме, энерго­ (во второй секции), аппаратуры
независимого накопителя обработки информации в анало­
информации и источника говой и цифровой ф ор м е, э н е р ­
питания
гонезависимого накопителя информации_______________________
Наличие сервисной
Диагностический
блок Система для обработки н ак оп ­
аппаратуры
для приведения дефекто­ ленных в дефектоскопе дан н ы х,
скопа в рабочий режим проверки технического с о с т о я ­
перед запуском, передачи ния и тестирования д еф ек т о ск о ­
данных из памяти снаряда па перед пуском, им итации р а ­
в считывающее устройст­ бочих режимов контроля т р у б о ­
во (для анализа), ввода провода, вывода на д и сп л ей вы ­
данных в процессе про­ явленных
опасны х
областей
верки электронного блока трубопровода и их у г л у б л е н н о ­
снаряда; считывающее пе­ го анализа
чатающее
устройство
(персональная ЭВМ)
Порог
ности
°боз наче ния: D - диаметр трубопровода; Г
толщина стенки трубо-
104
Глава 9; МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Дефектоскоп-снаряд "Код-4М-1420",
являясь значительным достижением в об­
ласти создания средств внутритрубной
диагностики газопроводов, наиболее пол­
но отвечает требованиям обеспечения
безопасности газотранспортных систем.
Указанное устройство выявляет дефекты
типа продольной трещины, группы про­
дольных трещин, находящихся во взаимо­
действии, коррозионные поражения (об­
ширные и локальные), а также дефекты,
образующиеся в процессе производства
труб (наклеп и остаточная деформация
при вдавливании технологических роли­
ков), дефекты листового проката - исход­
ного материала труб (закаты, отслоившие­
ся плены).
Наиболее опасны для стенок газопро­
вода дефекты внешней поверхности типа
продольных трещин и групп трещин, на­
ходящихся во взаимодействии, - так назы­
ваемые стресс-коррозионные дефекты.
Распространение таких дефектов на газо­
проводах, находящихся в эксплуатации
около 20 лет в северных регионах, вызы­
вает необходимость создания и ввода в
эксплуатацию дефектоскопов внутритрубного контроля высокого разрешения, спо­
собных выявлять эти дефекты.
Высокое разрешение дефектоскопаснаряда "Код-4М-1420" достигается бла­
годаря высокому уровню магнитной ин­
дукции стенки трубы (1,6 Тл), высокой
частоте измерения поля в продольном и
поперечном направлениях, обеспечивае­
мой 512 каналами локальных магнито­
чувствительных элементов Холла, опра­
шиваемых с частотой, соизмеримой со
скоростью движения измерительной сис­
темы в газовом потоке, обеспечению ми­
нимально возможной высоты измерения
поля над поверхностью.
Значительное повышение разрешения
этого дефектоскопа обеспечивает метод
обработки информации, позволяющий на
основе исследования рельефа магнитного
поля, его коррекции по обучаемым моде­
лям дефектов выполнять расчет парамет­
ров дефектов. В дефектоскопе использо­
ван метод выявления дефектов в прило­
женном поперечном магнитном поле, соз­
даваемом локальными системами намаг­
ничивания участка трубопровода двухпо­
люсными источниками постоянного маг­
нитного поля на основе высокоэнергети­
ческих магнитов неодим-железо-бор. Ис­
точники поля максимально приближены к
поверхности трубы, магнитное сопротив­
ление воздушного зазора минимизирова­
но.
Взаимное расположение локальных
источников и направление создаваемых
полей выбраны исходя из условия мини­
мизации полей рассеяния полюсов и кон­
центрации поля на контролируемых уча­
стках в зоне расположения преобразовате­
лей. В процессе контроля система намаг­
ничивания и измерения отслеживает внут­
ренний контур трубопровода, имеет воз­
можность огибать локальные неоднород­
ности поверхности, преодолевать без раз­
рушения сужения внутреннего сечения до
0,85£> (D - диаметр трубопровода) и уча­
стки с изгибом строительной оси радиу­
сом 3D. Контроль осуществляется в газо­
вом потоке со скоростью 4 ... 5 м/с.
Дефектоскопом выявляются любые
дефекты внешней и внутренней поверхно­
сти труб, при этом минимальные дефекты
типа поверхностных трещин имеют глу­
бину 0,2 Т и протяженность 2 Т, минималь­
ные дефекты типа коррозионных каверн
имеют глубину 0,15Г и диаметр (0,5 ...
1,0) Г, минимальная общая коррозия имеет
глубину 0,2 Г.
Габаритные размеры дефектоскопа 2,4 м и масса - 2,2 т являются минималь­
ными среди аналогичных параметров из­
вестных дефектоскопов-снарядов
для
внутритрубного контроля действующих
газопроводов.
ОБЪЕМНО-ШОВНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ
9.2. ОБЪЕМНО-ШОВНЫЙ
ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ МАГНИТНОГО
КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ
ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ В
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПОТОКЕ
Объемно-шовный дефектоскоп обеспечивает возможность магнитной дефектоскопии тела трубы по всему сечению,
включая сварной шов и околошовную зоiy. Конструктивно дефектоскоп представляег собой две самостоятельные системы,
одна из которых служит для магнитной
дефектоскопии верхней половины трубы.
105
контроль криволинейных п оверхностей.
Поскольку неразрушающему контролю
подвергаются трубы диаметром от 2 0 д о
152 мм, механическая часть обеспечи вает
быструю (в течение 2 ч) перенастройку
системы при переходе от одного диаметра
к другому. Это достигается применением
блочного принципа электроники,
в зависимости от диаметра контро­
лируемых труб в работе участвуют от 6 до
24 электронных блоков, информация с
КОторых поступает на единый пульт и отw
_ на исполнихельнь1е устройства
(сортирующее устройство и др.), а также
на дефе1сгоотметчик и видеоконтрольные
а вторая - нижней. Различием в выполк ,
_
няемых функциях обусловливается разли1
г
чие в конструкции механических частей
V?
этих систем. Однако их электронные части
ные сенсоры с многоэлементными преооразователями магнитного поля, которые
г
объединены во взаимозаменяемые элек___
с
_
тронные блоки. Каждый из них представ„__„ г о
,
ляет собой самостоятельно функциони1С л
__
рующии 1о-элементныи магниточувстви„
тельный блок, магнитные элементы которото находятся в двух защитных твердо-
_ ~
устройства. Одновременно сигнал о д е ,
с
фекте поступает на пульт сварщика, о о J
служивающего
трубоэлектросварочныи
„
агрегат, который оперативно изм еняет
режим сварки для получения качественноr
r
j
го шва.
Магнитные элементы, обр азую щ и е
w
_ *
v
J
интеллектуальный преобразователь, и згоJ
Г
товлены по интегральной техн ологи и , их
’
размеры чрезвычайно малы, и они р асп ог
г
г
^
ложены достаточно близко к п оверхн ости
v
сварного шва, поэтому деф ектоскоп п о ­
v
J
сплавных лыжах, скользящих по поверхиосштрубы и охватывающих зону по 8 ...
зволяет выявлять такие тон™ е Дефекты.
как слшания’
фиксировать
10 мм каждая, благодаря чему возможен
пРотяженные деФе к т а ™ Па тРещ ™ > н е ‘
идентичны. В их основе - интеллектуаль-
Рис. 9.1. Измерительная позиция объемно-шовного дефектоскопа дли НК
всего тела электросварных труб, включая сварной шов и околошовную эону
106
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Рис. 9.2. Рабочее положение объемно-шовного дефектоскопа в
технологическом потоке производства прямошовных труб диаметром 10 ... 60 мм
сквозных непроваров, смещений кромок и
утонений шва высотой более 10 % толщи­
ны стенки трубы, а также протяженные
дефекты основного металла высотой более
4 % и длиной более 6,3 мм и объемные
дефекты в сварном соединении и основ­
ном металле, сравнимые со сверлениями
диаметром 0,79 мм. Так как намагничива­
ние трубы проводится под углом к оси
трубы и многоэлементные преобразовате­
ли расположены к ней под определенным
углом, одновременно с продольными тре­
щинами можно обнаружить поперечные
или различно ориентированные дефекты
по всему сечению трубы, в том числе в
кольцевом стыковом шве.
На рис. 9.1 показана измерительная
позиция такого объемно-шовного дефек­
тоскопа (для контроля верхней половины
трубы), а на рис. 9.2 дано расположение ее
в технологическом потоке трубоэлектро­
сварочного агрегата (ТЭСА) для произ­
водства газопроводных труб диаметром
10 ... 60 мм.
Чувствительность дефектоскопа со­
ответствует наивысшим уровням чувстви­
тельности по стандартам ASTM, API и
DIN, а надежность достаточна для исполь­
зования в цеховых условиях.
Ниже приведены основные техниче­
ские характеристики установок объемно­
шовной дефектоскопии электросварных
труб:
Диаметр контролируемых прямошовных
электросварных труб, мм
Толщина стенки труб, мм
Ширина зоны контроля, мм
20 ...219
1 ... 10
8,16,32,..., 480
Скорость движения трубы в зоне контроля, м/с
0,1 ...2
Температура сварного шва в зоне контроля, °С
До 150
Температура окружающей среды, °С
5 ... 50
Масса механической части, кг
500
Масса электрической части, кг
50
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В
частота, Гц ....
мощность, В • А
220(380) и 36
50
Менее 1000
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
107
тронных устройств и поступает на дефектоотметчик, который в случае обнаруже­
ния дефекта делает соответствующую от­
метку места дефекта. Одновременно сиг­
нал о дефекте поступает на пульт сварщи­
Создан ряд магнитных дефектоско­
ка (оператора), который оперативно изме­
пов для неразрушающего контроля свар­
няет режим сварки для получения качест­
ных изделий из ферромагнитных материа­
венного шва. Забракованные дефектоско­
лов, полученных методом высокочастот­
пом трубы проходят все технологические
ной, электродуговой и лазерной сварки,
операции, затем поступают на гидропресс
сварки трением, - прямошовных и спи­
и столы ОТК. Годные трубы гидропрессо­
рально-шовных нефтегазопроводных элек­
ванию не подвергаются.
тросварных труб, нефтяных бурильных
Дефектоскоп встраивается непосред­
труб с приварными муфтозамковыми со­
ственно в линию ТЭСА на расстоянии
единениями, а также сварных швов пло­
5 ... 10 м от узла сварки, поэтому темпе­
скостных конструкций или конструкций с
ратура шва достаточно высокая и может
небольшой кривизной контролируемой
достигать 100 ... 150 °С. При таких темпе­
поверхности. В этих дефектоскопах для
ратурах магнитный контроль приемлем, а
регистрации топографии магнитного поля
в конструкции дефектоскопа предусмот­
поперечное перемещение преобразователя
рено охлаждение преобразователя техни­
относительно дефекта не требуется. Вза­
ческой водой.
мен этого применяется многоэлементный
Для контроля прямошовных электро­
преобразователь на переходных процес­
сварных труб дефектоскоп имеет электро­
сах. Преобразователь содержит миниа­
магнит П-образной формы. Дефектоскоп
тюрные МЭ, расположенные на расстоя­
снабжен набором полюсных наконечников
нии 1 мм друг от друга вдоль линии или
для каждого диаметра труб. Преобразова­
нескольких линий.
тель (16-элементный) помещен в специ­
Применение многоэлементного пре­
альный корпус, в котором размещены
образователя, который по существу явля­
также
коммутирующие элементы. Этот
ется электронной системой сканирования
преобразователь
устанавливается на спе­
зоны контроля, обеспечивает дискретное
циальную подставку, которая скользит по
считывание топографии магнитного поля
с шагом 1 мм как в продольном, так и в поверхности сварного шва со снятым на­
поперечном направлении при скорости ружным гратом. Имеется предохранитель­
контроля 2 м/с, что вполне достаточно в ная планка толщиной 0,5 мм для защиты
отношении требуемой плотности сканиро­ поверхности преобразователя от механи­
ческих ударов и попадания посторонних
вания.
Контроль осуществляется следую­ предметов, пыли, грязи и т.п.
Каждая установка кроме электронно­
щим образом. Труба с выхода ТЭСА не­
го
блока
включает механическую систему
прерывным потоком поступает в зону
ввода
и
вывода
электромагнита и преобра­
контроля, где одновременно происходят
ее намагничивание с помощью электро­ зователя в технологический поток, кото­
магнита и электронное сканирование шва рая позволяет после настройки дефекто­
многоэлементным преобразователем. Ин­ скопа на стандартном образце установить
их непосредственно над сварным швом.
формация о качестве шва, т.е. о наличии
нарушений сплошности, извлекается в Установка работает в полностью автома­
результате соответствующей обработки тическом режиме, обеспечивая технологи­
сигнала преобразователя с помощью элек­ ческий и сдаточный контроль.
9.3. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ
ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ
108
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
В установке для контроля качества
нефтепроводных спирально-шовных электросварных труб диаметром до 600 мм
использованы многоэлементные преобра­
зователи на переходных процессах. На­
магничивание трубы осуществляется с
помощью соленоида, который запитывается постоянным током силой 12 ... 20 А
(в зависимости от диаметра контролируе­
мых труб). Преобразователь помещен в
защитный корпус, который с небольшим
усилием прижат с помощью специального
приспособления к поверхности сварного
шва, благодаря чему обеспечивается по­
стоянство зазора между преобразователем
и трубой. На днище этого корпуса разме­
щены твердосплавные пластины, защи­
щающие измерительную часть от механи­
ческих повреждений и изнашивания. Име­
ется система аварийного подъема преоб­
разователя над поверхностью трубы в
случае появления неснятого грата или
участков трубы, где была применена руч­
ная сварка. Скорость контроля составляет
около 0,6 м/с.
Технология контроля качества свар­
ных соединений спирально-шовных труб
аналогична технологии контроля прямо­
шовных труб. С помощью установок маг­
нитной дефектоскопии (УМД) для прямо­
шовных и спирально-шовных труб уве­
ренно выявляются искусственные дефекты
типа сверлений в сварном шве диаметром
1,6 мм (при хорошем качестве поверхности
трубы - отверстия диаметром 0,79 мм), а
также поверхностные и внутренние де­
фекты типа прямоугольной канавки глу­
биной 10 % толщины стенки независимо
от глубины залегания (до 10 мм) и диа­
метра контролируемых труб.
В результате металлографических ис­
следований на образцах, забракованных в
процессе промышленной эксплуатации
УМД, установлено, что они позволяют
обнаруживать практически все дефекты,
характерные для высокочастотной сварки, 10 %-ные трещины, слипания, непровары,
прожоги, смещение кромок и утонение
шва более 15 % толщины стенки трубы, а
также дефекты основного металла в околошовной зоне высотой более 4 %.
В установках предусмотрена автома­
тическая система слежения за отклонени­
ем шва в пределах ± 30° от вертикали,
проходящей через ось трубы, а также ме­
ханическая система обеспечения постоян­
ства зазора между преобразователями и
изделием.
В УМД применена механическая сис­
тема, позволяющая легко вводить и выво­
дить измерительную позицию из техноло­
гического потока для настройки и калиб­
ровки дефектоскопа на стандартном об­
разце (стандарты ASTM требуют произво­
дить операцию калибровки каждые 4 ч
или перед началом и после окончания ра­
боты).
Поскольку размеры МЭ многоэле­
ментного преобразователя чрезвычайно
малы (0,1 ... 0,3 мм) и они расположены
достаточно близко к поверхности сварно­
го шва, эти установки позволяют выявлять
такие тонкие дефекты, как слипания, и, в
отличие от вихретоковых дефектоскопов,
уверенно фиксируют протяженные дефек­
ты типа смещений кромок и утонений.
Информация о качестве шва с дис­
кретностью 1 мм может быть выведена на
видеоконтрольное устройство, располо­
женное вблизи пульта сварщика, что по­
зволяет ему отслеживать ухудшение каче­
ства шва еще до появления макродефектов
(устанавливать наличие микротрещин,
связанное с отклонениями режимов свар­
ки, плохое снятие наружного грата и т.п.)
и своевременно корректировать режим
сварки до получения качественного шва
(обратная связь). Чувствительность УМД
соответствует стандартам ASTM, API,
DIN.
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРН Ы Х Ш В О В
Сопоставление результатов магнитного контроля с результатами рентгенотелевизионного контроля показало, что при
одинаковой чувствительности к объемным
дефекгам рентгенотелевизионный метод
уступает магнитному по выявлению линейных дефектов (узкие трещины, подрезы и т.п.), а также по производительности
контроля. Кроме того, рен тген отел ев и зи онный метод требует обязательного п р и сутствия оператора, в то время как м агнитный метод может быть п ол н остью автоматизирован.
Основные технические харак тер и стики установок магнитной д е ф е к т о ск о пии приведены ниже:
Диаметр контролируемых электросварных труб, мм:
прямошовных...................................................................
спирально-шовных..............................................................
Толщина стенки труб, мм.....................................................
Ширина зоны контроля, м м ............................................
Скорость движения трубы в зоне контроля, м /с .............
20 ... 219
ла
0 ... а60(
2q
1 ... 10
8, 16, 3 2 ,6 4
0,1 ... 2
Температура сварного шва в зоне контроля, ° С ...........
До 150
Температура окружающей среды, ° С .........................
Масса механической части, к г ..............................
Масса электрической части, к г ...........................
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В .................................
частота, Гц....................
мощность, В • А ...........
109
5 ... 50
250
220(380) и 36
50
Менее+000
Глава 10
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО
ПРОФИЛЯ
В практике неразрушающего контро­
ля ферромагнитных материалов широкое
применение находят магнитные методы,
основанные на намагничивании перемен­
ным полем и считывании тангенциальной
или нормальной составляющих магнитно­
го поля рассеяния, обусловленных дефек­
том. При дефектоскопии деталей с кон­
тролируемой поверхностью сложного про­
филя, таких как поверхность зуба, резьба,
галтельные (радиусные) переходы, топо­
графия магнитного поля становится на­
столько сложной, что регистрация по од­
ной из составляющих с отстройкой от
первичного поля (как это делается, напри­
мер, при феррозондовом контроле), прак­
тически не дает положительного эффекта.
При дефектоскопии деталей с пере­
менным сечением конфигурация магнит­
ного поля рассеяния также становится
сложной. Начальный уровень нормальной
составляющей довольно значителен и за­
висит от изменений профиля зуба, осо­
бенно при контроле сгона резьбы, в самых
вероятных местах образования усталост­
ных трещин или галтельных (радиусных)
переходах.
10.1.
ПОПЕРЕЧНАЯ
ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ
СОСТАВЛЯЮЩАЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ
Для дефектоскопии поверхностей
сложного профиля предложен метод, ос­
нованный на регистрации поперечной тан­
генциальной составляющей магнитного
поля дефекта при локальном намагничи­
вании контролируемого участка зуба, вит­
ка резьбы.
Сущность предложенного метода за­
ключается в следующем. Локальное на­
магничивание осуществляется под неко­
торым углом к плоскости предполагаемо­
го дефекта, а с помощью преобразователя
для магнитного поля измеряется попереч­
ная тангенциальная составляющая, обу­
словленная только дефектом. Намагничи­
вание осуществляется либо током, подво­
димым -с помощью двух электродов к
смежным граням одной нитки резьбы, ли­
бо с помощью электромагнита переменно­
го тока (при контроле деталей со слоем
окалины или другим немагнитным покры­
тием).
Если рассмотреть плоскую задачу,
когда намагничивание осуществляется
равномерным магнитным полем (либо
равномерным приложенным током), на
поверхности имеем только одну состав­
ляющую магнитного поля — продольную
тангенциальную, совпадающую по на­
правлению с основным приложенным по­
лем. Если имеется дефект, ось которого
расположена под некоторым углом к на­
правлению приложенного поля, то маг­
нитное поле в районе дефекта деформиру­
ется. При этом тангенциальную состав­
ляющую магнитного поля дефекта можно
представить как продольную, совпадаю­
щую по направлению с приложенным на­
магничивающим полем, и как попереч­
ную, ортогональную к этому приложен­
ному полю. В резьбе картина магнитного
поля значительно сложнее, но существо
вопроса остается прежним.
Рассмотрим случай, когда вектор на­
пряженности равномерного магнитного
поля Н] составляет некоторый угол а с
границей раздела двух сред с магнитными
проницаемостями pi и рг (рис. 10.1). При
переходе через границу раздела вектор Hi
преломляется в зависимости от соотноше­
ния pi и
изменяет свое направление (на
рисунке показан случай, когда pi > рг).
ПОПЕРЕЧНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
111
При этом появляется поперечная танген­
циальная составляющая напряженности
магнитного поля Hv, перпендикулярная к
вектору напряженности приложенного
магнитного поля Н]. Вычисление этой
составляющей выполним с учетом сле­
дующих граничных условий:
1) равенство нормальных состав­
ляющих вектора магнитной индукции
В\„ —B-in
или
HoPiHin= Р6Р2 Н2„;
( 10. 1)
Pi Н\ sinai = \i1H2 sina 2;
2 ) непрерывность тангенциальной со­
ставляющей вектора напряженности маг­
нитного поля на границе раздела:
Ни= Ни.
В,и
В21
Но Hi
Мо Мг
( 10.2)
С учетом выражений (10.1) и (10.2)
находят преломление вектора Н| на гра­
нице двух сред.
Приняв во внимание обозначения на
рис. 10. 1, а также равенство
tg a in , = t g a 2 p2 ,
(Ю.З)
где tga, =
/ Н | , , tg a 2 - Н2„ / H2 l, по­
перечную составляющую Hv можно выра­
зить следующим образом:
Ну = # 2sinAa - ^ 2sin(a 2 - ai).
Рис. 10.1. Преломление вектора
напряженности поля на границе раздела
двух сред с магнитными
проницаемостями Ц] и Ц]
Поперечная тангенциальная состав­
ляющая Ну, как следует из выражения
( 10.6 ), изменяется по закону двойного уг­
ла, образованного между вектором напря­
женности магнитного поля и границей
раздела двух сред с магнитными прони­
цаемостями Ц| и Цз; Ну достигает макси­
мального значения при a - 45° и тождест­
венно обращается в ноль при a = 0 и 90°.
На границе раздела двух сред с маг­
нитными проницаемостями р.; и цг возни-
(10.4)
Подставив значения а из равенства
(10.3) и Hi из выражения (10.1) в послед­
нее выражение, найдем
sin arctg Mi_ tgai
Иг
H v = # , — sinaМ2
sm arctg Ml
1
М2
7 7 7 7 77
(10.5)
После несложных
окончательно получим
н
- Я'
2
преобразований
Ml - М2 sin(2a ) .
М2
( 10.6 )
Рис. 10.2. Расположение оси дефекта
под углом а относительно вектора
напряженности намагничивающего
поля Нп
112
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
кают поверхностные магнитные "фиктив­
ные" заряды, плотность а 0 которых выра­
жается следующей зависимостью:
Hbi ~ Н\п ~ 4ткто»
(Ю.7)
С учетом Bin - В\„ или Н\пщ - H2„\i2
Я,
— -1 = 4ястп
^2
( 10.8 )
Выразив Я] в формуле (10.6) через Оо,
получим
Ну = 4лоо cosa.
(10.9)
Тогда с учетом, что для воздуха
Ц2= 1,
Hv = М„ cosa,
(10.10)
где М„ = ЩЩ - 1) = Я|(ц.) I 1) sina - на­
магниченность среды с магнитной прони­
цаемостью (J.] на границе раздела с возду­
хом (ц2 = 1)- При этом выражение (10.8)
преобразуется к виду
Я,„(й 1- 1)= 4ло0 = М„.
(10.11)
Поперечная тангенциальная состав­
ляющая магнитного поля возникает на
границе раздела двух сред с магнитными
проницаемостями Ц] и ц2:
н
Ну= 4лстоcosa = ——(ц, - 1) sin(2a).
( 10. 12)
Для бесконечно глубокого дефекта
(А —» оо) граница раздела между ja, и цг
представляется как двойной слой поверх­
ностных магнитных зарядов. Тогда на по­
верхности раздела
правленному вдоль оси х (рис. 10.2). При­
ложенное поле Но можно представить гео­
метрической суммой двух полей Н| и Н2,
из которых одно перпендикулярно к
направлению оси трещины, а другое сов­
падает с ним. В формировании магнитного
поля дефекта типа прорези, у которой
протяженность много больше ее раскры­
тия, участвует только последняя состав­
ляющая. Полагая, что поле дефекта про­
порционально намагничивающему прило­
женному полю, т.е. принимая магнитную
проницаемость исследуемого материала
не зависящей от напряженности прило­
женного поля (Ц) = const), можно выразить
составляющую магнитного поля дефекта в
функции угла а, под которым расположе­
на ось этого дефекта к направлению при­
ложенного поля:
Яд = Я ^ ш а ,
(10.14)
где Яд - напряженность магнитного поля
дефекта при a = 90° (т.е. тот случай, когда
поле перпендикулярно к плоскости дефек­
та).
Теперь рассмотрим тангенциальную
составляющую магнитного поля дефекта
Яд. Как следует из рис. 10.3, ее можно раз­
ложить на две: продольную Нха, совпа­
дающую с направлением приложенного
поля, и поперечную Яуд, направленную
ортогонально к этому полю.
После несложных преобразований,
использовав выражение (10.14) и обозна­
чения, принятые на рис. 10.2 , получим
Я
до
НуД=НД cosa = —— sin(2a);
2
Я
Нхл =ЯД sin a = —
(10.15)
[l - cos(2a)].
(10.16)
Рассмотрим бесконечно протяжен­
ный дефект глубиной h с раскрытием 26.
Пусть дефект типа бесконечно протяжен­
ной прямоугольной трещины, плоскость
которой перпендикулярна к поверхности
изделия, расположен под углом а к основ­
ному намагничивающему полю Но, на­
Анализ выражения (10.15) показыва­
ет, что составляющая Яуд симметрична
относительно угла a = я/4, а при a = 0 и
a = 90° она обращается в нуль. При a = 45°
достигается максимальное значение Яуд, в
то время как Нхй при изменении а от 90°
до нуля монотонно уменьшается. Состав-
ПОПЕРЕЧНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
113
ляющая Нха симметрична относительно
угла а = я/ 2 , при котором она принимает
максимальное значение, в то время как Hva
при этом обращается в нуль (см. рис.
10.3). Максимальные значения Нха в 2 раза
превышает максимальные значения Hva, а
при а = 45° значения Нхд и Я уд совпадают.
Определим тангенциальные состав­
ляющие магнитного поля для дефекта
типа прямоугольной прорези, располо­
женного под углом а.
С учетом выражения
# д= 2 стс arctg
-a rc tg
И (х cos а + 6)
(х cos а + b) + z ( z + hi)
h (х cos а + 6 )
(х cos а - b) + z (z i h)
sin а
(10.17)
получим
Hva = GoF (*»z - ЩШ sin(2 a); (10.18)
Hxa = OqF (x, z, h, 2b) [ 1 - cos(2a)],
(10.19)
где
F (x, z, h, 2b) =
h (x cos а + b)
arctg
(x c o s a + b) + z ( z + h)
h (x c o s a - b)
-a rc tg
Рис. 10.3. Зависимости тангенциальных
составляющих магнитного поля
дефекта Нхя (7) и Нуя (2) от угла a
соотношение сигнал/фон. Уровень на­
чального фона определяется конструктив­
ным исполнением и правильной ориента­
цией преобразователя полй (ферроэле­
мент, индукционная катушка) перпенди­
кулярно к приложенному намагничиваю­
щему полю в случае отсутствия дефекта.
(x c o s a - bY + z (z + h)
функция, отображающая топографию маг­
нитного поля дефекта в зависимости от
его размеров (А, 26) и координат (х, z).
Нормальная Н2Д составляющая с уче­
том выражения (10.17) принимает сле­
дующий вид:
frx cosa + б )2 + {z + h f j
H.„ 1 Стп sin a In-
Н А 2о)
а=45°
0,4
^30°
15°
0,2
(x cosa + б)2 + z 2
60 \
а=75°
[(x cosa - b f + z 2]
(x cosa - б)2 + (z +A)2
( 10.20)
Измерения по поперечной тангенциальной составляющей магнитного поля
дефекта позволяют значительно повысить
\
1,0
2 0
х. мм
РйЫ 10.4. Изменение составляющей Нуа
при разных значениях а для прорези
(г Ц 0,5 мм, А ==8 мм, lb = 0,5 мм)
114
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
При таком способе измерений появляется
возможность использования одиночного
элемента взамен дифференциальных. От­
падает необходимость проведения трудо­
емкой работы, связанной с тщательным
подбором сердечников индикаторов поля,
балансировкой, намоткой и т.п.
При измерении по тангенциальной
составляющей при рассмотрении двухмер­
ной картины магнитного поля (намагничи­
вание перпендикулярно к оси дефекта)
производится регистрация суммарного
поля рассеяния:
Н £ = Н Д+ Н Ф,
(10.21)
где Нд - поле рассеяния от дефекта;
НФ - поле рассеяния, обусловленное пер­
вичным приложенным полем Но.
При намагничивании, например, при­
ставными магнитами деталей сложного
профиля (резьба, гантельный переход)
задача усложняется из-за значительного
увеличения поля рассеяния первичного
поля Но, обусловленного спецификой кон­
тролируемого профиля, особенно при из­
менении зазора между полюсами электро­
магнита и контролируемой поверхностью.
В связи с этим способ регистрации поля
дефектов по тангенциальной составляю­
щей не нашел широкого применения. Ис­
пользование дифференциальных схем вы­
зывает дополнительные трудности, свя­
занные с компенсацией изменения зазора,
подстройкой и т.п. При измерении по по­
перечной составляющей все эти недостат­
ки устраняются, так как поле рассеяния,
обусловленное первичным намагничи­
вающим полем, отсутствует, а регистри­
руется только составляющая Нд магнитно­
го поля дефекта, поэтому
H s = Нд
(10.22)
Анализ выражений (10.15) и (10.16)
показывает, что с уменьшением угла а
поле над дефектом становится все более
размытым, однако максимальные значе­
ния Нхд и НУД соответствуют истинному
раскрытию 2Ь, т.е. при расположении
плоскости дефекта под некоторым углом к
намагничивающему полю наблюдается
как бы увеличение раскрытия дефекта.
Величину этого эффективного раскрытия
можно выразить через угол а следующим
образом:
2Ьуф - 2 Ы cos а .
(10.23)
Рис. 10.4 отражает топографию сос­
тавляющей магнитного поля дефекта в
виде прорези (z = 0,5 мм, h = 8 мм,
2Ъ= 0,5 мм) при разных значениях а. Срав­
нивая кривые для а = 60 и 30°, для кото­
рых максимальные значения Нуа равны,
отмечаем, что топография поля во втором
случае более размыта. Этот факт при за­
данной точности измерений напряженно­
сти магнитного поля дефекта позволяет
увеличить минимальные размеры преоб­
разователя. Длина измерительной катушки
ферроэлемента (при условии, что длина
намного превышает диаметр сечения) при
расположении плоскости дефекта под уг­
лом а = 30° к намагничивающему полю
может быть в 1,88 больше, чем при а = 60°,
а при а = 15° - уже в 3,7 раза больше по
сравнению с а = 75°. Расчеты проведены
по следующей формуле:
0,51
Н уд =<*о у
| Н УДЛ ,
(Ю.24)
-0.5/
где / - длина измерительной обмотки фер­
роэлемента.
Этот пример наглядно показывает
преимущества рассматриваемого способа
обнаружения дефектов. С учетом того, что
имеется возможность практически полно­
стью отстроиться от первичного поля Но,
зону контроля одним преобразователем
можно расширить за счет увеличения ра­
бочего зазора z.
Информацию о поперечной состав­
ляющей магнитного поля можно успешно
использовать при оценке напряженного
состояния, анизотропии, обусловленной
изменением магнитной проницаемости.
Если имеется приращение магнитной про­
ДВУХЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
ницаемости Ц| на Дц (что наблюдается при
изучении усталостных явлений), выраже­
ние ( 10.6 ) преобразуется к виду
Н\_ ДЦ sjn(2a) I
Н
У
2
(10.25)
ц
10.2.
ДВУХЧАСТОТНЫ Й
М ЕТОД ДЕФ ЕКТОСКОПИИ
ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖ НОЙ
ФОРМ Ы
Сущность предлагаемого метода сво­
дится к следующему. Контролируемый
участок локально намагничивается полем
низкой частоты, а ферроэлемент с пермаллоевым сердечником, имеющий две об­
мотки (возбуждающую и измерительную),
устанавливается таким образом, чтобы
магнитное поле рассеяния, обусловленное
намагничивающим током, минимально
воздействовало на сердечник ферроэле­
мента (ось сердечника перпендикулярна к
намагничивающему полю). Вследствие
этого ЭДС высокой частоты, наводимая в
измерительной обмотке ферроэлемента, не
модулирована намагничивающим низко­
частотным полем; при наличии дефекта,
расположенного под углом а (кроме
a = 0 и a = 90°) к основному намагничи­
вающему полю, низкочастотное поле де­
формируется. В результате появляется
составляющая, направленная вдоль оси
ферроэлемента. На измерительной обмот­
ке наводится ЭДС высших гармоник вы­
сокой частоты, в том числе и вторая, промодулированная частотой намагничиваю­
щего поля, причем модуляция происходит
как по основной частоте низкочастотного
поля, так и по ее гармоникам. По глубине
модуляции можно судить о наличии де­
фектов, для чего проводится детектирова­
ние сигнала по высокой частоте. Таким
образом, в измерительной схеме преду­
смотрено двойное преобразование часто­
ты измеряемого поля, заключающееся в
модуляции низкочастотным измеряемым
115
полем высокочастотного, а затем детекти­
ровании и выделении низкочастотной со­
ставляющей Q или ее гармоник пП.
Используя двухчастотный способ об­
работки информации, можно получить
высокую чувствительность.
Помимо высокой чувствительности
рассматриваемый метод индикации обла­
дает
рядом других
положительных
свойств: измерительная схема помехо­
устойчива и не подвержена наводкам от
низкочастотных цепей вследствие того,
что модуляция осуществляется в самом
сердечнике; общее усилие распределяется
между высокочастотным и низкочастот­
ными трактами, не создающими взаимных
помех.
Нижний порог чувствительности это­
го метода определяется в основном маг­
нитными шумами сердечника, которые
вызываются неповторяемостью кривой
намагничивания при циклическом перемагничивании. В каждом периоде намаг­
ничивание отдельных доменов происхо­
дит при значениях напряженности возбу­
ждающего поля
отличающихся друг от
друга на малую случайную величину
ДН ь. Поскольку распределение величины
ДН в подчиняется статистическим зако­
нам, на выходе ферроэлемента помимо
дискретного спектра гармоник возбуж­
дающего поля появляется спектр, состав­
ляющие которого в полосе пропускания
измерительного устройства вызывают хао­
тические изменения показаний отсчетного
прибора.
Важными вопросами двухчастотного
способа обработки информации являются:
оптимальный выбор режимов возбужде­
ния; исследование спектра ЭДС, наводи­
мой в результате модуляции высокочас­
тотного сигнала слабым низкочастотным;
обоснованный выбор той или иной гармо­
нической составляющей, несущей инфор­
мацию о дефекте; выбор оптимальных
размеров ферроэлемента.
116
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
15 х, мм
а)
5
15 х, мм
б)
Рис. 10.5. Относительное приращение ЭДС над дефектом для преобразователя с
линейной (7) и квадратичной (2) амплитудными характеристиками
Измерение амплитуды второй гармо­
ники огибающей при модуляции низко­
частотным полем второй гармоники высо­
кочастотной составляющей ЭДС позволя­
ет получить квадратичную характеристику
преобразования. Применяя первичный
преобразователь с такой характеристикой
для целей дефектоскопии, можно повы­
сить не только помехоустойчивость и со­
отношение сигнал/помеха, но и разре­
шающую способность и чувствительность
метода.
На рис. 10.S показаны относительные
приращения ЭДС, измеренной ферроэле­
ментом с отключенной возбуждающей
обмоткой: в режиме индукционной ка­
тушки - кривая / и в двухчастотном ре­
жиме работы - кривая 2.
Результаты измерений по продольной
и поперечной тангенциальным составляю­
щим магнитного поля дефекта представлены
соответственно на рис. 10.S, а и б. Локаль­
ное намагничивание осуществлялось с по­
мощью электромагнита П-образной фор­
мы переменного тока частотой 70 Гц, ме­
жду полюсами которого помещен фер­
роэлемент.
На рис. 10.6. приведена зависимость
U rq от величины измеряемого поля Нп
при двухчастотном способе.
Рис. 10.6. Зависимость напряжения
от
напряженности измеряемого поля Н ц
ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД
117
10.3. НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ
СИСТЕМА
Для целей дефектоскопии поверхно­
стей сложного профиля предложено ло­
кальное намагничивание контролируемого
участка переменным полем частотой П ,
которое создается током, подводимым с
помощью двух электродов.
Для объяснения физической сущно­
сти метода рассмотрим следующую зада­
чу. Пусть равномерно распределенный ток
в проводящей среде с удельной проводи­
мостью (Т| обтекает дефект конечной про­
тяженности, плоскость которого располо­
жена под углом а к направлению вектора
плотности тока (рис. 10.7). Удельную про­
водимость дефекта обозначим через а2. На
границе раздела двух сред линии плотно­
сти тока преломляются. Глубину дефекта
принимаем бесконечной (подтекание тока
под дефект отсутствует). Задачу рассмот­
рим в общем виде, используя граничные
условия преломления линий плотности
тока на границе двух сред. Необходимо
найти поперечную составляющую вектора
плотности тока /0 в среде с а2, которая
перпендикулярна к направлению вектора
первичного тока 1\ в случае отсутствия
границы двух сред (или в среде с сш:
С учетом условий непрерывности
вектора нормальной составляющей плот­
ности тока
1и = 12п; /, sin а , = / 2 sin а 2 (10.26)
лом а к направлению вектора плотности
приложенного тока /|, изменяется по зако­
ну двойного угла.
Учитывая, что в формировании попе­
речной тангенциальной Hva составляющей
магнитного поля дефекта принимает уча­
стие только составляющая /о и для дефек­
та с 0 2= 0 можно считать, что
и закона преломления линий плотности
тока на границе раздела
10.4. ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД
tga2
Й4Ц
сг2
(10.27)
опустив промежуточные вычисления, по­
лучим
/ 0 = — sin(2a) 1 - ^
о 1у
(10.28)
Как следует из этого выражения, со­
ставляющая, которая обусловлена наличи­
ем границы раздела двух сред с разными
проводимостями, расположенной под уг-
тока на границе двух сред с проводимостями
Of И 02
Hya= kI0 = H xsin(2a),
(10.29)
где к - коэффициент пропорциональности,
м'1.
При подведении тока к смежным
граням, например, одного витка резьбы с
помощью двух токовых электродов, рас­
положенных под углом а к образующей
резьбы, распределение плотности тока по
поверхности значительно сложнее, но это
не меняет физической сущности предла­
гаемого метода намагничивания.
Реализация фазочувствительного ме­
тода с локальным продольным намагни­
чиванием (дефект в приложенном поле)
сводится к следующему.
В контролируемом участке создается
локальное электромагнитное поле и реги­
стрируется его изменение, обусловленное
протяженным дефектом, с помощью ин­
дуктивных первичных преобразователей.
Особенностью предлагаемого варианта
является регистрация фазы сигнала, полу-
118
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
а)
•
б)
.
в)
Рис. 10.8. Схема электромагнитного поля преобразователя:
а - без дефекта; б - с дефектом; в - сумма продольного и поперечного векторов;
1,2 —индикаторные катушки; 3 —следы полюсов электромагнита; 4 —линия магнитного поля;
5 - линия наведенных токов; б - дефект
ченного в результате векторного сложения
поперечной тангенциальной составляю­
щей поля двух близлежащих участков по­
верхности.
Локальное намагничивание контро­
лируемого участка поверхности осущест­
вляется П-образным электромагнитом,
обмотки которого запитываются током
звуковой частоты 1 ... 3 кГц. Ось элек­
тромагнита ориентирована к вероятному
направлению трещин под углом 30 ... 60°.
В области однородного поля межполюсного пространства электромагнита поме­
щаются две индикаторные индуктивные
катушки, включенные по дифференциаль­
ной схеме. Они реагируют на поперечную
тангенциальную составляющую поля,
обусловленного дефектом. Такое распо­
ложение катушек позволяет значительно
уменьшить влияние макронеоднородно­
стей контролируемой поверхности.
На рис. 10.8 показано взаимное рас­
положение индикаторных катушек, полю­
сов электромагнита, линий результирую­
щего магнитного поля и линий вихревых
токов без дефекта и с дефектом. Танген­
циальную составляющую Нд можно пред­
ставить как сумму продольного Н1Д и по­
перечного Нуд векторов. Индикаторная
катушка 1 в обоих случаях располагается в
области невозмущенного поля, а индика­
торная катушка 2 при наличии дефекта
оказывается в области искривленного по­
ля.
По векторной диаграмме (рис. 10.9)
видно, как при этом изменяется фаза ре­
зультирующей ЭДС, наводимой в индика­
торных катушках. На диаграмме введены
следующие обозначения; , е2, - ЭДС
индикаторных катушек 1 , 2 и результи­
рующая ЭДС без дефекта; е2, ег - значе­
ния ЭДС при наличии дефекта; ф2, ф сдвиг фазы ЭДС индикаторной катушки 2
и результирующей ЭДС, вызванный де­
фектом. Изменение ЭДС и фазы индика­
торной катушки 2, обусловленное дефек­
том, вызывает значительное приращение
фазы результирующего сигнала, поэтому
носителем информации выбрана фаза ф.
Практическое преимущество рас­
сматриваемого метода заключается в том,
что устраняется влияние нерегулярных и
импульсных помех, поступающих во
входные цепи измерительной схемы. Из­
мерение поперечной тангенциальной со­
ставляющей поля позволяет повысить се-
119
ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД
Рис. 10.9. Векторная диаграмма сложения
ЭДС индикаторных катушек
лективность контроля к протяженным де­
фектам типа трещин по отношению к гра­
ницам локальных неоднородностей, вы­
званных эрозией и т.п.
На рис. 10.10 показаны кривые изме­
нения фазы фтах ЭДС индикаторных ка­
тушек непосредственно над дефектом от
угла а между осью преобразователя и на­
правлением дефекта при постоянном зазо­
ре z между преобразователем и контроли­
руемой поверхностью. Дефект имеет сле­
дующие параметры: длина / = 40 мм; рас­
крытие 2 6 = 0,4 мм; глубина А = 3 мм.
Результаты измерений приведены на рис.
10.10 (кривая 1) в полярных координатах
(фтах,а ) , где фтах соответствует радиу­
су-вектору, а - полярному углу, а ось Одг полярной оси. Кривая 2 построена по за­
кону двойного угла. Для наглядности чи­
словой коэффициент перед sin(2a) выбран
равным фтах, полученному эксперимен-
Рис. 10.11. Топография поля
над дефектом с параметрами:
1 - 1 = 20 мм, 2Ь = 0,35 мм, А= 2 мм;
2 - 1 = 20 мм, 2b = 0,35 мм, А= 1 мм
тально при a = 45°, что привело к слия­
нию кривых 1 и 2 при a = 45°. Поэтому
если известно вероятное направление оси
дефекта, то для повышения чувствитель­
ности нужно располагать намагничиваю­
щую систему под углом a = 30 ... 60° к
этому направлению.
Топография поля над дефектом с раз­
личными параметрами, полученная с по­
мощью рассматриваемого метода дефек­
тоскопии, приведена на рис. 10.11.
0
Рис. 10.10. Полярная диаграмма
фазы ЭДС индикаторных катушек
1
2
3
4
А,мм
Рис. 10.12. Зависимость фазы <р
от глубины дефекта А
120
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
Зависимость фазы результирующего
сигнала от глубины дефекта при воздуш­
ном зазоре z = 0,5 мм показана на
рис. 10.12. Значительный разброс экспе­
риментальных точек объясняется тем, что
дефекты
имели
разное
раскрытие:
26 = 0,2 ... 0,4 мм. Зависимость фазы от их
глубины нелинейна и аналогична зависи­
мости поля дефекта от его глубины.
10.5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН НА
ПОВЕРХНОСТЯХ СЛОЖНОЙ
ФОРМЫ
Одним из первых был разработан де­
фектоскоп типа МД-2, в основу работы
которого заложен метод регистрации маг­
нитных полей рассеяния от дефектов с
помощью индукционной катушки. Прибор
предназначен для дефектоскопии ферро­
магнитных резьбовых деталей с шагом 3 и
5 мм. Возможен контроль деталей, покры­
тых слоем окалины или другого немаг­
нитного продукта толщиной до 0,2 мм.
Намагничивающая система (рис. 10.13)
преобразователя прибора выполнена в
виде П-образного электромагнита пере­
менного тока и охватывает три нитки кон­
тролируемой резьбы. В пространстве ме­
жду гранями соседних витков помещена
индикаторная катушка 4, сердечник 6 ко­
торой выполнен в виде дуги. В целях по­
вышения чувствительности индикаторная
катушка помещается в поле зуба таким
образом, чтобы влияние на нее поля рас­
сеяния, возникающего в пространстве ме­
жду полюсами электромагнита, было ми­
нимальным.
Преобразователь прибора работает
следующим образом. Переменный маг­
нитный поток, создаваемый электромаг­
нитом, замыкается через контролируемый
участок резьбы. Вследствие влияния скинэффекта магнитный поток распространя­
ется по поверхности резьбы, главным об­
разом, в .области, находящейся между по­
люсами электромагнита, огибая поверх­
ность резьбы. Ввиду сложности профиля
резьбы в пространстве между гранями
соседних витков образуется поле рассея­
ния, которое, проходя через магнитный
сердечник индикаторной катушки, наво­
дит в ней ЭДС.
Если у основания граней соседних
витков резьбы имеется дефект (трещина),
то магнитное сопротивление этого участка
резко возрастает, а ЭДС, наводимая в ин­
дикаторной катушке, соответственно уве­
личивается за счет поля рассеяния, обу­
словленного дефектом.
Следует отметить, что показания
прибора сильно зависят от материала кон­
тролируемой детали, равномерности тер­
мообработки, механических напряжений,
изменения радиуса кривизны.
Рис. 10.13. Преобразователь дефектоскопа МД-2:
1 - корпус; 2,3 - сердечники и обмотка электромагнита; 4 - индикаторная катушка;
5 ,6 - держатель и сердечник индикаторной катушки
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
121
б)
а)
Рис. 10.14. Преобразователь дефектоскопа МД-4
Для уменьшения этого недостатка
разработан прибор МД-4, использующий
дифференциальное включение индикатор­
ных катушек.
Прибор состоит из преобразователя и
измерительного блока. Основу преобразо­
вателя (рис. 10.14, а) составляет электро­
магнит / переменного тока П-образной
формы, между полюсами которого распо­
ложена индикаторная система 3.
Полюсы электромагнита выполнены
в соответствии с профилем резьбы детали
2, благодаря чему плотно входят во впа­
дины витков. Расстояние между центрами
полюсов равно двойному шагу резьбы.
Индикаторная система 3 (рис. 10.14, б)
представляет собой ферромагнитный сер­
дечник, изготовленный по профилю кон­
тролируемой резьбы. Сердечник имеет в
центре отверстие, сквозь которое проходят
измерительные обмотки, одна над другой.
Измерительные
обмотки
включены
встречно.
Структурная схема дефектоскопа
(рис. 10.15) содержит генератор / пере­
менного тока звуковой частоты для пита­
ния электромагнита и преобразователя.
Измерительные обмотки 2 и 3 индикатор­
ной системы преобразователя подключе­
ны на вход усилителя-ограничителя 4. В
схему также входят сигнальная лампа
"Дефект" 5 и стрелочный индикатор 6.
Дефектоскоп работает следующим
образом. Переменный магнитный поток,
создаваемый электромагнитом, замыкает­
ся через контролируемый участок резьбы.
Магнитный поток распространяется в ос­
новном по поверхности резьбы в области,
находящейся между полюсами электро­
магнита, огибая поверхность витков резь­
бы. Между наклонными гранями нитки
резьбы образуется поток рассеяния. Если
ввести в нитку резьбы сердечник индика­
торной системы, то поток рассеяния замк­
нется через него, причем этот поток,
пройдя через сердечник, разделится на две
части. Через верхнее плечо сердечника
будет проходить поток рассеяния, обра­
зующийся ближе к верхним кромкам нит­
ки резьбы, через нижнее плечо —ближе к
основанию канавки резьбы.
В верхней 2 и нижней 3 измеритель­
ных обмотках наводится ЭДС, пропор­
циональная значениям соответствующих
частей потока рассеяния и числам витков
обмоток. Число витков подбирается таким
образом, чтобы ЭДС обмоток были равны
а
I___
Е
Рис. 10.15. Структурная схема
дефектоскопа МД-4
i2 f
6
122
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
при размещении преобразователя на заве­
домо бездефектном участке контролируе­
мой резьбы.
При наличии дефекта, например тре­
щины у основания граней витка резьбы,
магнитное сопротивление этого участка
резко возрастает. Это приводит к увеличе­
нию потока рассеяния. Причем напряжен­
ность поля потока рассеяния изменяется
не одинаково: у основания нитки резьбы
она увеличивается значительно больше,
чем у вершины (подобно плоскому образ­
цу, где поле рассеяния, обусловленное
дефектом, уменьшается по мере удаления
от дефекта). Вследствие этого магнитный
поток через нижнее плечо сердечника ин­
дикаторной системы увеличивается значи­
тельно больше, чем поток через верхнее
плечо, и ЭДС нижней обмотки возрастает
более значительно, чем ЭДС верхней из­
мерительной обмотки. Возникает разност­
ный сигнал, который поступает на вход
измерительного блока.
Такой прибор разработан специально
для дефектоскопии резьбовых соединений
упорного профиля, например в реакторах
полиэтилена.
10.5.1. Прибор для обнаружения трещин
в резьбах с токовой намагничиваю щ ей
системой
Ряд недостатков описанных приборов
с электромагнитными системами (слож­
ность контроля первой нитки резьбы, а
также ее захода и сгона, зависимость по­
казаний от материала контролируемой
детали термообработки и др.) устраняется
при использовании локального намагничи­
вания с помощью тока.
В процессе измерений преобразова­
тель прибора накладывается на контроли­
руемую резьбу и по специальным направ­
ляющим губкам передвигается вдоль нит­
ки резьбы вручную.
В преобразователе (рис. 10.16) име­
ется два игольчатых электрода I и 2, кото­
рые опираются на смежные грани одного
витка резьбы. При этом линия, соединяю-
Рис. 10.16. Преобразователь
дефектоскопа с локальным
намагничиванием
щая точки касания электродов, образует
угол 10 ... 15° с направлением нитки резь­
бы. К электродам подводится переменный
ток (частота 3 ... 5 кГц, сила тока 10 ...
12 А) от усилителя мощности. Электроды
прижимаются к резьбе пружинами 3. Ме­
жду электродами помещен ферромагнит­
ный сердечник 4 с измерительной катуш­
кой. Ось сердечника лежит в плоскости
осей электродов, перпендикулярно к ним.
В корпусе преобразователя имеются
специальные канавки, в которых располо­
жены направляющие дужки 5. Эти дужки
выдвигаются из корпуса на расстояние,
соответствующее диаметру резьбы, и фик­
сируются в выбранном положении винта­
ми. Механическая прочность преобразова­
теля
обеспечивается
металлическими
крышками 6.
В плоскости скольжения преобразо­
вателя по резьбе для повышения износо­
стойкости
размещены
металлические
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
вставки, предохраняющие от изнашивания
корпуса и выхода из строя индикаторной
катушки. Такая конструкция преобразова­
теля позволяет контролировать детали с
резьбой различного шага и диаметра. Ми­
нимальный шаг, который определяется
перемещением электродов относительно
образующей резьбы, равен 3 мм, мини­
мальный диаметр зависит от расстояния
между электродами.
Исследуемый участок детали намаг­
ничивается прямым переменным током,
который подводится с помощью токопод­
водящих электродов 1, 2. Сердечник 4
индикаторной катушки расположен таким
образом, чтобы тангенциальная состав­
ляющая возбуждающего поля пересекала
его под прямым углом. При наличии де­
фекта направление тангенциальной со­
ставляющей изменяется и появляется по­
перечная тангенциальная составляющая
напряженности поля, направленная вдоль
сердечника, поэтому в индикаторной ка­
тушке появляется ЭДС, которая регистри­
руется измерительной схемой прибора.
10.5.2. Бесконтактный
электромагнитный дефектоскоп
резьбовых деталей
Важной задачей дефектоскопии дета­
лей паропроводов, замков бурильных труб
является выявление трещин в резьбовых
соединениях, покрытых слоем окалины
или продукта неферромагнитного проис­
хождения. Бесконтактный электромагнит­
ный прибор позволяет проводить контроль
ферромагнитных деталей, покрытых сло­
ем окалины толщиной до 0,2 мм с шагом
резьбы от 6 мм и более. В приборе приме­
нены продольное намагничивание и двух­
частотный метод измерения полей рассея­
ния, что позволяет контролировать резь­
бовые детали, покрытые слоем ржавчины
или окалины.
Дефектоскоп (рис. 10.17, а) состоит
из преобразователя (рис. 10.17, б) и элек­
тронного блока. Электромагнит 2 и чувст­
вительный ферроэлемент 6 вмонтированы
123
в корпус 5 из коррозионно-стойкой стали.
Полюсы электромагнита выведены нару­
жу и обработаны совместно с основанием
корпуса по профилю канавки резьбы та­
ким образом, что касаются противопо­
ложных граней двух соседних витков.
Ферроэлемент расположен между полю­
сами электромагнита на специальном
штоке, с помощью которого в процессе
настройки преобразователя производится
установка оси ферроэлемента перпенди­
кулярно к магнитному потоку электромаг­
нита (см. рис. 10.17, б). Необходимая ори­
ентация преобразователя в канавке резьбы
осуществляется с помощью направляю­
щих 3 и ограничительных упоров 4, зажи­
маемых винтами 5. Эбонитовая вставка 1
выполняет роль клеммника и крышки.
Такая конструкция преобразователя по­
зволяет перекрыть несколько типоразме­
ров контролируемых метрических и дюй­
мовых резьб.
Ферроэлемент имеет две обмотки возбуждающую и измерительную. С по­
мощью электромагнита создается магнит­
ный поток
Фп = Ф тахП sin(ft/) ,
направленный под углом 20 ... 25° к обра­
зующей резьбы. Поток замыкается через
резьбовой участок, переходя с одной гра­
ни на другую через канавку резьбы. Если
ферроэлемент ориентирован перпендику­
лярно к потоку, то в нем не будет на­
водиться ЭДС, обусловленная этим пото­
ком.
При прохождении преобразователя
над трещиной, расположенной вдоль нит­
ки резьбы (а усталостные трещины, как
правило, распространяются именно так)
происходит деформация магнитного поля
в области дефекта. В результате этого по­
является составляющая поля, направлен­
ная вдоль оси ферроэлемента.
Для повышения чувствительности к
малым полям рассеяния от дефектов в
приборе используется способ двойного
преобразования по частоте, причем фер­
роэлемент, реагирующий на изменение
124
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
t-
Рис. 10.17. Преобразователь бесконтактного электромагнитного дефектоскопа
тангенциальной составляющей поля HTQ ,
возбуждается высокочастотным полем Ны
и подмагничивается слабым постоянным
полем Но. В этом случае индукция в сер­
дечнике ферроэлемента является функци­
ей трех полей:
Я = / ( Я Ш;Я 0;Я ТП):
Если из спектра ЭДС, наводимой во
вторичной обмотке ферроэлемента, выде­
лить вторую гармонику 2<о высокочастот­
ного сигнала, промодулированную удво­
енной частотой низкочастотного поля
H 2ci после предварительного детектиро­
вания, и в качестве параметра (сигнала),
характеризующего измеряемое поле, ис­
пользовать напряжение, пропорциональ­
ное глубине модуляции Л/2п > вторая гар­
моника выражается через величину изме­
ряемого поля следующей зависимостью:
М 2П = К Н ^2 ,
где К - коэффициент пропорционально­
сти, зависящий от параметров ферроэле­
мента (магнитной проницаемости формы
сердечника т, коэрцитивной силы мате­
риала сердечника и т.п.); Ядп - направ­
ленная вдоль оси ферроэлемента попереч­
ная тангенциальная составляющая маг­
нитного поля, обусловленная дефектом.
При таком способе обработки сигна­
ла кроме высокой чувствительности дос­
тигается хорошая устойчивость к поме­
хам, значительно повышается соотноше­
ние сигнал/шум, поскольку в результате
двойного преобразования снижается уро­
вень помех, обусловленных как посторон­
ними электромагнитными полями, так и
собственными высокочастотными ( Яш ) и
намагничивающим низкочастотным (Я п )
полями.
На рис. 10.18 приведена структурная
схема прибора. Генератор низкой частоты
ГНЧ вырабатывает напряжение ( Q =
= 85 Гц) для питания электромагнита пре­
образователя. Генератор высокой частоты
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
125
Рис. 10.18. Структурная схема бесконтактного электромагнитного дефектоскопа
ГВЧ и фильтр-пробка ФП (2со) обеспечи­
вают синусоидальное напряжение (со =
= 10 кГц) для возбуждения ферроэлемен­
та. Другая фильтр-пробка ФП (со) и изби­
рательный усилитель ИУ (2©) служат для
выделения второй гармоники высокочас­
тотного сигнала измерительной обмотки
ферроэлемента. Продетектированный сиг­
нал поступает на избирательный усили­
тель ИУ (2Q), где выделяется вторая гар­
моника низкочастотного напряжения, не­
сущая информацию о дефекте.
Дефектоскоп работает следующим
образом. При размещении преобразовате­
ля на заведомо бездефектном участке
резьбы ручкой ограничения устанавлива­
ется такой пороговый уровень, чтобы
стрелка микроамперметра блока индика­
ции БИ отклонилась на одно-два малых
деления, подтверждая только работо­
способность прибора. При прохождении
над дефектным местом поле в пространст­
ве между полюсами электромагнита де­
формируется и на сердечник ферроэле­
мента действует составляющая поля, обу­
словленная дефектом. После предвари­
тельного усиления, фильтрации и детек­
тирования выделяется сигнал частотой
2П.
10.5.3. Дефектоскопы зубчатых колес
главных судовых редукторов
В основу работы названных прибо­
ров положен электромагнитный метод,
сущность которого заключается в сле­
дующем. Контролируемый участок зуба
локально намагничивают переменным
полем, а о дефекте судят по изменению
поперечной тангенциальной составляю­
щей магнитного поля. Локальное намаг­
ничивание осуществляется синусоидаль­
ным током, подводимым к контролируе­
мой поверхности с помощью двух токо­
подводящих электродов таким образом,
чтобы прямая, проходящая через точки
касания этих электродов, составила угол
а с вероятным направлением распростра­
нения усталостной трещины по витку
зуба.
На рис. 10.19 показано взаимное рас­
положение токоподводящих электродов,
оси первичного преобразователя (ферро­
элемента) и контролируемой поверхности
зуба. Преобразователь прибора выполнен
в виде корпуса, в котором размещены
подпружиненные токоподводящие элек­
троды и ферроэлемент с механизмом пе­
рестройки ориентации оси ферроэлемента
относительно линии, соединяющей точки
касания токовых электродов. В преобразо­
вателе предусмотрены направляющие,
обеспечивающие фиксацию его во впади­
не между зубьями заданного модуля. То­
коподводящие электроды при установке
преобразователя во впадине опираются на
смежные поверхности профиля зуба выше
средней линии СС\ на 1 ... 2 мм.
Локальное намагничивание осущест­
вляется переменным током промышлен­
ной частоты (50 Гц) с амплитудой до 5 А.
В качестве первичных преобразователей
126
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
Рис. 10.19. Взаимное расположение
токоподводящих электродов,
ферроэлемента и контролируемой
поверхности зуба:
1 - ферроэлемент; 2 - контролируемая
поверхность зуба; О, 0 \ - точки касания
токовых электродов; СС\ - средняя линия
используется один ферроэлемент. Для по­
вышения чувствительности и
помехо­
устойчивости прибора обработка инфор­
мации о дефекте ведется по амплитуде и
фазе первой гармоники огибающей, моду­
лирующей вторую гармонику ЭДС, наве­
денной во вторичной обмотке ферроэле­
мента.
Прибор работает следующим обра­
зом. При установке преобразователя на
заведомо бездефектный участок прово­
дится настройка ферроэлемента с помо­
щью механизма перестройки так, чтобы
магнитное поле рассеяния, обусловленное
намагничивающим током, минимально
воздействовало на сердечник ферроэле­
мента.
Вследствие этого ЭДС высокой час­
тоты, наводимая в измерительной обмотке
ферроэлемента, не модулируется намаг­
ничивающим низкочастотным полем. При
прохождении преобразователя над де­
фектным участком, например над устало­
стной трещиной, расположенной вдоль
впадины у корня ножки зуба, результи­
рующее магнитное поле деформируется.
Появляется поперечная тангенциальная
составляющая, воздействующая на сер­
дечник ферроэлемента. В результате на
измерительной обмотке ферроэлемента
ЭДС высокой частоты оказывается промодулированной частотой намагничи­
вающего поля. Из спектра ЭДС, наведен­
ной в измерительной обмотке ферроэле­
мента, выделяется вторая гармоника воз­
буждающего тока. После детектирования
и фильтрации высших гармоник первая
гармоника огибающей усиливается и по­
ступает в блок амплитудно-фазовой обра­
ботки и далее на устройство световой сиг­
нализации.
Обследование контролируемой по­
верхности проводится вручную путем ус­
тановки преобразователя, соответствую­
щего заданному модулю, во впадину меж­
ду зубьями и постепенного перемещения
его вдоль образующей. За один проход
контролируется вся поверхность впадины
зуба, ограниченная линиями, образуемы­
ми точками касания токовых электродов.
Приборы нашли широкое примене­
ние для выявления усталостных трещин в
зубьях зубчатых коЬес судов. Контроль
осуществляется непосредственно на судне
без разборки редуктора через смотровые
люки его верхней крышки. Это позволяет
не только сократить сроки обследования,
но и осуществлять техническое диагно­
стирование редуктора во время стоянки
судна на рейде или при проведении грузо­
вых операций. Какой-либо специальной
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
подготовки к выполнению контроля, кро­
ме последовательного вскрытия смотро­
вых люков на крышках редукторов, не
требуется. Результаты контроля в отдель­
ных случаях были подтверждены капил­
лярным методом, а также вырубкой де­
фектного участка зуба. Прибором надежно
фиксировались усталостные трещины
длиной 20 ... 300 мм, глубиной от 0,5 мм
до сквозных трещин, выходящих на про­
тивоположную поверхность зуба.
Своевременное обнаружение устало­
стных трещин делает возможным преду­
преждение аварийных ситуаций путем
снижения передаваемой мощности, раз­
грузки поврежденной части зуба опилов­
кой профиля или удаления поврежденного
участка зуба вырубкой.
10.5.4. Базовые магнитные
дефектоскопы
Базовые магнитные дефектоскопы
предназначены для обнаружения поверх­
ностных трещин в зубьях стальных прямо­
зубых и косозубых цилиндрических зуб­
чатых колес диаметром от 200 мм с нор­
мальными модулями зацепления 4,5; 5,0;
6,0; 8,0 мм, в галтельных (радиусных) пе­
реходах деталей с радиусом кривизны 6 ...
30 мм минимальным диаметром 200 мм, в
резьбовых частях болтов, шпилек, крюков
и других ответственных деталей из фер­
ромагнитных сталей с диаметром не менее
28 мм. Шаг контролируемой резьбы: мет­
рической, дюймовой, треугольной, труб­
ной - от 2 до 12 мм, трапецеидальной - 3,
5, 8 и 12 мм; шероховатость поверхности
контролируемых деталей - не ниже Лг40.
Приборы позволяют обнаружить
трещины, расположенные:
• по всей поверхности впадин зуба,
ограниченной делительной окружностью
и ориентированные вдоль зуба или под
углом до 30° к образующей и удаленные
от края изделия не менее чем на 25 мм;
• вдоль нитки резьбы в глубине впа­
дины, ограниченной средним диаметром
127
метрического, дюймового и треугольного
профиля, а также ориентированные под
углом до 15° к образующей резьбы;
• во впадине резьбы трапецеидально­
го профиля (с шагом до 5 мм) или в углах
впадины (с шагом более 5 мм);
• на поверхности средней части галтельного (радиусного) перехода шириной
(5 ± 1) мм и ориентированные вдоль обра­
зующей галтельного перехода или под
углом к ней до 15°.
В зависимости от назначения прибо­
ры созданы в четырех модификациях:
1) для обнаружения усталостных трещин в
резьбах метрического, дюймового, тре­
угольного профилей; 2) для контроля тра­
пецеидальной резьбы; 3) для контроля
зубчатых колес; 4) для обнаружения уста­
лостных трещин на радиусных переходах.
Приборы имеют общий электронный блок
и комплект сменных преобразователей.
На рис. 10.20 показано взаимное рас­
положение токоподводящих электродов и
контролируемой поверхности. В одних
случаях (например, при контроле резьб с
малым шагом или галтельных переходов)
токоподводящие электроды подходят по
нормали к контролируемой поверхности, в
других (например, при контроле зубьев
крупного модуля) - составляют с контро­
лируемой поверхностью угол, отличный
от 90°, что обусловливает наличие на­
чального уровня сигнала даже при точной
настройке ферроэлемента.
Конструкция преобразователей ана­
логична применяемым в вышеописанных
приборах. Локальное намагничивание
также осуществляется переменным током
промышленной частоты с амплитудой до
4 А.
Прибор работает следующим обра­
зом. При установке преобразователя, со­
ответствующего контролируемому про­
филю поверхности (резьбы, зуба, радиус­
ного перехода), на заведомо бездефектный
участок выбирается фаза опорного сигна­
ла так, чтобы стрелочный индикатор от­
клонялся не более чем на 10 ... 20 деле­
ний. При прохождении преобразователя
128
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
I
ф 7 //; /
Рис. 10.20. Расположение токоподводящих электродов
на контролируемой поверхности:
а, б - резьб метрического профиля с шагом до 2,5 и 3 ... 8 мм соответственно;
в - резьб трапецеидального профиля с шагом 8 ... 12 мм; г - зубьев крупного модуля;
д - галтельных (радиусных) переходов
над дефектным участком, например над
усталостной трещиной, расположенной
вдоль витка резьбы, результирующее поле
деформируется. Появляется дополнитель­
ная поперечная тангенциальная состав­
ляющая, обусловленная дефектом, фаза
которой будет изменяться также вместе с
амплитудой, причем с ростом глубины
трещины возрастать. В результате на из­
мерительной обмотке ферроэлемента ЭДС
высокой частоты оказывается промодулированной частотой намагничивающего
поля. Из спектра ЭДС, наведенной в изме­
рительной обмотке ферроэлемента, выде­
ляется вторая гармоника возбуждающего
тока. После детектирования и фильтрации
выделяется первая гармоника огибающей,
усиливается и поступает на вход синхрон­
ного детектора. При этом огибающая бу­
дет изменяться не только по амплитуде, но
и фазе. Такая схема обработки позволяет
повышать достоверность контроля за счет
одновременного учета как амплитуды, так
и фазы огибающей, обусловленной тре­
щиной.
В комплект прибора входят имитато­
ры для проверки работоспособности при­
бора. Они представляют собой проводник,
с помощью которого моделируется поле
дефекта. Работа с имитатором проводится
в такой последовательности. Имитатор с
помощью специальных направляющих
фиксируется на преобразователе таким
образом, чтобы прямой проводник имита­
тора, сориентированный вдоль оси ферро­
элемента, проходил на расстоянии 6 ...
8 мм от него и составлял с ним угол 3 ...
5°. При пропускании по этому проводнику
намагничивающего тока возникает маг­
нитное поле, поперечная составляющая
которого эквивалентна напряженности
поля от дефекта минимальной глубины. В
приборе предусмотрен режим проверки
работоспособности с помощью дополни­
тельной фазосдвигающей цепочки RC,
обеспечивающей постоянный фазовый
сдвиг на 15°.
Замена настроечных образцов ими­
таторами предложенной конструкции по­
зволяет повысить метрологические пара­
метры прибора и исключить комплекты
настроечных образцов, прикладываемые к
прибору.
На рис. 10.21 приведены фотографии
макрошлифов участков с трещинами, об­
наруженными приборами.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
Рис. 10.21. Макрошлифы дефектных
участков, обнаруженных дефектоскопами при глубине дефекта At, Л2, мм:
а - 0 ,3 ; б - 2 ; в - 0 .1 6 и 0,25; г - 1,1; д - 0,16 и 0,25; е - 0,16 и 0,15; j / e - 1,35 и 0,65;
з - 0,35 и 1,05; и -0 ,6 3
5 - 3360
129
130
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
10.6. ТЕХН И ЧЕСКА Я ДИ А ГН О СТИ КА
ТЕК У Щ Е ГО С О С ТО Я Н И Я
ВЫ СО КО Н А ГРУ Ж ЕН Н Ы Х
РЕЗЬБО В Ы Х СО ЕДИ Н ЕН И Й
Силовые резьбовые соединения ши­
роко используют в конструкциях многих
машин, установок, сооружений. Напри­
мер, в главном разъеме атомного реактора
более 100 таких соединений, в крупных
транспортных самолетах - до 106.
Общее повышение значений рабочих
параметров (давления, температуры, ско­
рости, грузоподъемности) современных
машин и установок обусловливает приме­
нение
высоконагруженных
(силовых)
резьбовых соединений диаметром 300 ...
1000 мм в тяжелых прессах, технологиче­
ских и испытательных установках сверх­
высокого давления, до 200 мм в атомных и
химических реакторах, анкерных связях
строительных сооружений, 50 ... 180 мм в газотурбинных двигателях, парогенера­
торах, 30 ... 60 мм - в авиационной и кос­
мической технике. Экстремальные усло­
вия эксплуатации перечисленных узлов
приводят к зарождению и развитию уста­
лостных трещин, с дальнейшим перехо­
дом их в хрупкие, и, как результат, к раз­
рушениям.
U, мВ
Рис. 10.22. Зависимость показаний
прибора от глубины искусственных (/)
и естественных (2) дефектов
Рис. 10.23. Зависимость показаний
прибора А от числа циклов нагружения N
при Рт„ = 3,0 МН (7), 3,8 МН (2) и
4,55 МН (3)
Для решения поставленной задачи
применяется магнитный метод, основан­
ный на регистрации поперечной тангенци­
альной составляющей, обусловленной де­
фектом. С помощью приборов можно не
только обнаруживать усталостные трещи­
ны, но и оценивать их протяженность и
относительное изменение параметров.
На рис. 10.22 приведена зависимость
показаний прибора от глубины усталост­
ных трещин, полученная при испытаниях
образцов с шагом резьбы 4 мм. Глубина
усталостных трещин, соответствующая
показаниям прибора, измерена микроско­
пом БМИ-1 на макрошлифах, изготовлен­
ных по размеченным сечениям. Для срав­
нения приведены показания прибора при
измерении над искусственными дефекта­
ми, нанесенными электроискровым спосо­
бом на поверхность резьбы (внутрь канав­
ки).
С помощью прибора изучен момент
зарождения и кинетики развития устало­
стных трещин в резьбовых соединениях в
условиях малоциклового нагружения на
натурных шпильках, используемых в
атомных водо-водяных энергетических
реакторах.
На рис. 10.23 приведены кривые из­
менения максимальных показаний прибо­
ра - от момента зарождения магистраль­
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ
131
2tlR/6
5
б)
2тсй/6
N
3000
2000
6
2тсЛ/6
Рис. 10.24. Изменение показаний прибора А вдоль витка резьбы с
усталостной трещиной при разных значениях Ртшх н N (2 R - наружный диаметр
резьбы шпильки):
а - Ртп = 3,0 МН; 1 - N - 4000; 2 - 4500; 3 - 5500; 4 - 7500; 5 - 8500 циклов;
б - Рт„ = 3,8 МН; I - N - 2000; 2 - 3000; 3 - 4000; 4 - 5000 циклов; в - Рт „ = 4,55 МН;
1 - N - 2000; 2 -2400; 3 -2700; 4 - 3000 циклов
ной усталостной трещины до полного
разрушения образца. Штриховые верти­
кальные линии соответствуют числу цик­
лов, при котором произошел разрыв
шпильки. В зависимости от числа циклов
нагружения N, а также от нагрузки Ртих
зарождение и рост трещин происходят
по-разному, чем больше Р тщн тем на бо­
лее ранней стадии зарождается усталост­
ная трещина и тем круче ее рост, а уста­
лостное разруш ение ш пильки происходит
при меньшем числе циклов. Т ак, если для
Р тах= 3,0 МН (кривая /) обры в произош ел
при N = 104 циклов, то для Ртах= 4,55 М Н
(кривая 3) - при N - 3,5 • \0 циклов.
Рис. 10.24 иллю стрирует изм енение
показаний прибора вдоль развиваю щ ейся
усталостной трещ ины в зависим ости от
числа циклов нагружения при разны х
значениях Р твх. Х од кривых позволяет
132
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
Рис. 10.25. Кинетика развития
усталостной трещины в сечении шпильки в
условиях знакопеременного нагружения
при Ртях= 3,0 МН:
a - N = 4000; б - 5500; в - 7500;
г - 8500 циклов
в)
г)
Рис. 10.26. Кинетика развития
усталостной трещины в сечении шпильки в
условиях знакопеременного нагружения
при Ртах = 3,8 МН:
а - N = 2000; б - 3000; в - 4000;
г - 5000 циклов
Рис. 10.27. Кинетика развития
усталостной трещины в сечении шпильки в
условиях знакопеременного нагружения
при Рт „ = 4,55 МН:
а - N = 2000; б - 2400; в - 2700;
г -3000 циклов
сделать важный вывод о том, как развива­
ется усталостная трещина вдоль витка,
как распространяется ее фронт в сечении
шпильки и как изменяется глубина уста­
лостной трещины по длине. Так, при ма­
лых значениях Р тах фронт трещины раз­
вивается в основном вдоль впадины. По
мере увеличения числа циклов скорость
роста глубины трещин (если судить по
относительным показаниям прибора) воз­
растает, а на стадии перед окончательным
разрушением шпильки этот процесс про­
исходит при малых значениях Р тах.
Кинетику
развития
усталостных
трещин в сечении шпильки при различ­
ных амплитудах нагружения и разных
значениях числа циклов N отражают
рис. 10.25-10.27, которые также дают
представление о процессе распростране­
ния фронта трещин по витку.
Практический интерес представляют
экспериментальные данные, полученные
133
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ
при обзорном обследовании всей резьбо­
вой поверхности (10 ... 12 витков). Наря­
ду с возникновением и развитием магист­
ральной трещины в первом витке наблю­
дается увеличение (со знаком минус) по­
казаний прибора в соседних витках. Так,
на рис. 10.28 представлены показания
прибора при обзорном обследовании
резьбовой поверхности шпильки после
6500 и 7500 циклов нагружения для каж­
дого витка в точках, лежащих на прямой,
которая проходит через максимум пока­
заний над основной трещиной (располо­
женной в к-м витке) параллельно про­
дольной оси шпильки. Видно, что рост
положительных показаний в витке с ос­
новной трещиной имеет определенную
связь с ростом отрицательных показаний
в соседних витках. Возможно, это связано
с перераспределением внутренних напря­
жений в этих витках вследствие образо­
вания и роста основной трещины.
На рис. 10.29 приведены показания
прибора, изменяющиеся вдоль витка с
основной трещиной, после 6500, 7500 и
8500 циклов нагружения; ф - угловая ко­
ордината участка контроля для к-то витка.
Здесь интересно возникновение отрица­
тельных показаний по краям трещины,
характеризующейся положительными по­
казаниями прибора, и исчезновение их
далее с одновременным расширением
основной трещины - участка с положи­
тельными показаниями. Области по краям
трещины, сопротивляясь разрыву, вызы­
вают появление трещин в соседних вит­
ках. Это тем заметнее, чем больше ампли­
туда нагружения Рт „ шпильки. Как видно
по рис. 10.28 и 10.29, отрицательные по­
казания существенно дополняют картину
развития
трещин
при
нагружении
шпильки.
Можно предположить, что изменение
показаний в отрицательную сторону сви-
мкА
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
_Ц
Ц * - 2;
*-1
U L
к А*+1*+2*+3*+4*+5
lh*n
-200
Рис. 10.28. Распределение показаний
прибора по виткам резьбы л при
Лл*1 ~ 3,0 МН после 6500 (штриховые
линии) и 7500 циклов нагружения
(сплошные линии)
детельствует о перераспределении внут­
ренних остаточных напряжений, обуслов­
ленных усталостными проявлениями, в
условиях упругопластического цикличе­
ского деформирования. Это, как следст­
вие, приводит к изменению магнитной
проницаемости и электрической прово­
димости. Фиксирование прибором маг-
А.
мкА
200
150
100
50
0
-50
-100
- isqH H H H H B
- 3 - 2 - 1 О 4 5 6 7 8 9 10_!L.|2(*-1).PM
Рис. 10.29. Распределение показаний
прибора вдоль витка резьбы с основной
усталостной трещиной при Ртах = 3,0 МН
после циклового нагружения:
/ -N = 6500; 2 - 7500; 3 - 8500 циклов
134
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
нитных полей со знаком минус может
быть объяснено с помощью выражения
АН = - ^ - — sin(2a),
2
Й
где ДЯ - изменение напряженности маг­
нитного поля, обусловленное изменением
Ар, относительной магнитной проницае­
мости ц; Нт - напряженность приложен­
ного магнитного поля; a - угол между
образующей витка и направлением при­
ложенного магнитного поля Нт.
В процессе испытаний угол а, обу­
словленный конструкцией первичного
преобразователя, остается постоянным.
Часть 2
МАГНИТНАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ
Большинство свойств сталей и спла­
вов определяется их внутренним строени­
ем. Имея достоверные методы определе­
ния внутреннего строения (атомно­
кристаллической структуры составляю­
щих фаз и ее несовершенств, микрострук­
туры, микро- и макрораспределения леги­
рующих элементов) сталей, можно оце­
нить различные физико-механические ха­
рактеристики стальных изделий.
Магнитные свойства, как известно,
весьма чувствительны к изменениям, про­
исходящим в фазовом и химическом со­
ставах, структурном и напряженном со­
стояниях сталей и сплавов. Именно высо­
кая чувствительность магнитных свойств
к указанным факторам стала основой для
создания нового научного направления
магнитного структурно-фазового анализа.
Основная задача магнитной структуроскопии - установление закономерных
связей между магнитными свойствами
металлов и сплавов и их структурно­
фазовым состоянием и механическими
свойствами, на основе которых разраба­
тываются методы и средства неразру­
шающего контроля промышленных изде­
лий. Метод магнитного структурного ана­
лиза, созданный на стыке физики магнит­
ных явлений и физического металловеде­
ния, базируется на современной теории фер­
ромагнетизма, развитие которой В.К. Ар­
кадьевым, С.В. Вонсовским, Я.И. Френке­
лем, Я.Г. Дорфманом, Н.С. Акуловым,
Е.И. Кондорским, К.П. Беловым, Я.С. Шуром, Р.И. Янусом и другими учеными в
нашей стране, а также Р. Бозортом (США),
Р. Беккером, М. Керстеном и В. Дерингом
(Германия), J1. Неелем (Франция), С. Ти-
кадзуми (Япония) позволило понять при­
роду процессов намагничивания и пере­
магничивания такого гетерогенного фер­
ромагнетика, как сталь. Работы А.С. Займовского, Б.Г. Лившица, B.C. Меськина,
С.С. Штейиберга, В.Д. Садовского, Г.В. Курдюмова, Б.А. Апаева, К.Н. Сироты, А.П. Гу­
ляева, Р. Кана, Е. Берковича, Е . Кнеллера в
области физики магнитных явлений, фи­
зического металловедения и материалове­
дения сыграли важную роль в разработке
физических основ возможности использо­
вания магнитных свойств для оценки
структурного состояния и фазового соста­
ва сталей и сплавов.
Особое место в развитии магнитного
структурного анализа принадлежит двум
школам физиков-магнитологов Н.С. Аку­
лова, М.Н. Михеева и Р.И. Януса, трудами
которых заложены основы практического
использования магнитных методов кон­
троля качества термической и химико­
термической обработки изделий, текстур­
ного анализа сталей. Начатые ими работы
продолжают успешно развиваться. Систе­
матическое изучение магнитных, электри­
ческих и механических свойств сталей
различного назначения позволяет ответить
на многие вопросы по возможности оцен­
ки структуры, фазового состава и прочно­
стных характеристик поверхностно и объ­
емно-упрочненных изделий из этих ста­
лей. Выявленные особенности изменения
магнитных свойств при вариации режимов
термической обработки (закалка и отпуск)
сталей разных классов в зависимости от
содержания углерода и легирующих эле­
ментов очень важны при создании аппара­
туры НК.
136
МАГНИТНАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ
Практическое решение широкого
круга задач структуроскопии стальных и
чугунных изделий стало возможным бла­
годаря разработкам новых магнитных и
электромагнитных методов контроля с
решением соответствующих проблем по
разработке и созданию принципиально но­
вых первичных преобразователей. Работы
Н.С. Акулова, Н.Н. Зацепина, В.Г. Гера­
симова, А.Л. Дорофеева, М Н. Михеева,
Ф. Ферстера сыграли важную роль в разви­
тии и создании средств электромагнитной и
магнитной структуроскопии сталей.
Систематические исследования маг­
нитных и электрических свойств сталей в
состоянии поставки, а также после раз­
личной термомеханической, термической
и химико-термической обработки, начатые
в 30-х годах XX в. и проводимые по на­
стоящее время, позволяют определить
основные области применения методов
магнитной структуроскопии:
• определение структурного состоя­
ния и механических свойств холодно- и
горячекатанных сталей;
• контроль структурного состояния и
прочностных характеристик объемнотермообработанных стальных и чугунных
изделий (отжиг, нормализация, закалка,
отпуск и старение);
• определение фазового состава и по­
ристости, выявление пара- и ферромаг­
нитных участков с различающимися фи­
зическими свойствами в литых, металло­
керамических изделиях и сварных соеди­
нениях;
• оценка напряженного состояния и
его изменений в материалах и конструк­
циях после термической обработки и пла­
стического деформирования, а также в
процессе эксплуатации;
• выявление кристаллографической
текстуры,
анизотропии
механических
свойств при пластическом деформирова­
нии листового проката;
• контроль структуры, физико-ме­
ханических свойств и толщины упрочнен­
ного слоя после обработки изделий раз­
личными методами (закалка ТВЧ, химико­
термическая обработка, упрочнение кон­
центрированными потоками энергии, виб­
роупрочнение, обезуглероживание в стали
и отбел в чугуне);
• сортировка изделий по маркам, ка­
чественная оценка содержания основных
легирующих элементов;
• определение кристаллографической
структуры.
Г л ав а 11
ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СО СТРУКТУРНЫМ СОСТОЯНИЕМ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Разработка современных методов
магнитного и электромагнитного опреде­
ления структурного состояния, химиче­
ского и фазового составов, физико-механических характеристик материалов и из­
делий включает следующие этапы:
1) фундаментальное изучение связей
магнитных и электрических свойств со
структурным состоянием, химическим и
фазовым составами, комплексом механи­
ческих свойств сталей и сплавов;
2) создание аппаратуры электромаг­
нитного неразрушающего контроля с ре­
шением соответствующих магнитостати­
ческих и магнитодинамических задач.
Без четкого представления о процес­
сах перемагничивания в сталях и сплавах
и влиянии на них различных по свойствам
фаз и структурных факторов невозможно
решение задач первого этапа магнитного
структурного анализа.
11.1. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ
ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ
НАМАГНИЧИВАНИЯ И
ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
В основе неразрушающих методов
контроля лежит взаимосвязь магнитных и
механических свойств сталей и сплавов,
которая определяется структурным со­
стоянием, химическим и фазовым соста­
вами вещества. Не все магнитные свойст­
ва одинаково чувствительны к изменению
структурного состояния и фазового соста­
ва вещества. Так, температуру Кюри Тс,
константы естественной кристаллографи­
ческой анизотропии и намагниченность
насыщения следует отнести к структурно­
нечувствительным или слабо чувстви­
тельным магнитным свойствам, которые в
основном определяются количеством, ти­
пом атомов и их расположением в кри­
сталлической решетке. Эти магнитные
свойства не зависят от структурного со­
стояния ферромагнетика, т.е. от уровня
внутренних микронапряжений, от наличия
границ зерен, неферромагнитных включе­
ний и дисперсных выделений. На них
также не влияют ни форма, ни размеры
ферромагнетика, и их чаще всего исполь­
зуют для оценки изменений, происходя­
щих в химическом и фазовом составах
сталей и сплавов. Эти свойства называют
первичными.
Кривая намагничивания, форма и
площадь петли магнитного гистерезиса, а
также основные параметры, характери­
зующие их, существенным образом зави­
сят от структурного состояния и фазового
состава ферромагнетика. Они "могут быть
отнесены к структурно-чувствительным
характеристикам. Эти свойства считают
вторичными, в отличие от первичных они
чувствительны к кристаллографической
текстуре, изменениям напряжений, микро­
структуры, формы и размеров ферромаг­
нетика.
Структурно-чувствительные магнит­
ные характеристики анизотропны. Моно­
кристаллы ферромагнетиков имеют оси
(направления) легкого и трудного намаг­
ничивания. Для железа, имеющего куби­
ческую объемно-центрированную решет­
ку, направлением легкого намагничи­
вания является ребро куба [100]. а трудно­
го - пространственная диагональ [111]. У
никеля решетка кубическая гранецентрированная. легкими направлениями яв­
ляются
пространственные
диагонали
[111], а трудными - [110]. Кобальт имеет
гексагональную решетку, направлением
легкого намагничивания является [0001], а
138
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
трудного - [1010]. Зависимость процессов
намагничивания от кристаллографических
направлений можно проследить на приме­
ре кривых намагничивания для Fe, Ni и Со
(см. рис. 1.18).
При прокатке металла или направ­
ленной кристаллизации и рекристаллиза­
ции возникает текстура, которая приводит
к появлению анизотропии магнитных
свойств, поэтому результаты измерения
магнитных параметров, связанных с маг­
нитной анизотропией, можно использо­
вать для анализа текстуры и физико­
механических свойств металла в различ­
ных направлениях. При образовании твер­
дых растворов внедрения решетка может
быть сильно искажена, что также может
привести к анизотропии магнитных
свойств. Примером служит мартенсит,
имеющий
тетрагональную
объемноцентрированную решетку, эффективная
константа анизотропии отдельных игл
которого растет по мере увеличения рас­
творенного в решетке углерода.
11.1.1. П ричины магнитного
гистерезиса
2. Гистерезис, вызванный задержкой
роста зародыша обратной магнитной фазы
вследствие увеличения площади поверх­
ности и поверхностной энергии гранично­
го слоя, отделяющего зародыш от основ­
ного домена.
3. Гистерезис, обусловленный необ­
ратимыми смещениями доменных границ
в результате их взаимодействия с неодно­
родностями материала и разного рода де­
фектами кристаллического строения.
В реальных ферромагнетиках гисте­
резис обусловлен, как правило, двумя или
тремя причинами, но возможен случай,
когда одна из них преобладает.
Необходимым условием реализации в
ферромагнетике первой причины, приво­
дящей к гистерезису, является сохранение
однодоменного состояния частиц вплоть
до напряженностей обратного магнитного
поля, при которых совершается необрати­
мый процесс вращения. Однородное вра­
щение векторов намагниченности может
наблюдаться в материалах с высокой сте­
пенью однородности состава и структуры,
например в бездислокационных кристал­
лах ("усах"). Можно предположить, что в
ферромагнетике имеется эффективное
поле, которое препятствует отклонению
элементарных магнитных моментов мате­
риала от оси легкого намагничивания. Та­
кое поле получило название поля анизо­
тропии в материале. Для магнитоодноос­
ного кристалла напряженность поля ани­
зотропии
На = 2/Гзф/(цоМ),
(11.1)
Теория магнетизма для большинства
задач магнитного структурного анализа не
может предсказать количественную связь
между магнитными параметрами и струк­
турным состоянием ферромагнетика. Од­
нако ее можно успешно использовать для
качественного описания закономерностей
изменения магнитных свойств при структурно-фазовых превращениях в сталях.
где K3i) - эффективная константа анизо­
Современная теория указывает на три
тропии.
возможные
причины
магнитного
Величина эффективной константы
гистерезиса.
анизотропии определяется естественной
1.
Гистерезис, обусловленный необ­
кристаллографической анизотропией К, а
ратимыми процессами вращения векторов
при наличии в кристалле значительных
намагниченности, когда в ферромагнетике
внутренних напряжений ст, еще и магни­
(предварительно намагниченном до на­ тоупругой анизотропией:
сыщения) в отсутствие поля нет зароды­
Ям.угш = РсгДз,
(11.2)
шей обратной магнитной фазы и отсутст­
вуют условия для ее образования при пе­
где Р - коэффициент (порядка единицы);
ремагничивании .
Х5- магнитострикция насыщения.
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ
Для ферромагнитных частиц воз­
можно также возникновение анизотропии
формы в результате различия значений
коэффициентов размагничивания вдоль N\\
и поперек N± частицы. Поле анизотропии
формы
t f a = /ty(H oM ),
(11.3)
где Кф - константа анизотропии формы:
Л-ф = (ЛГ1| -ЛГх)цоЛ/,2 .
(П .4 )
Сопоставление коэрцитивной силы
железа и углеродистых сталей с полем
анизотропии ( На » 500 А/см) показывает,
что в этих материалах гистерезис не свя­
зан с первой причиной.
Гистерезис, обусловленный задерж­
кой роста зародышей обратной магнитной
фазы, имеет место практически во всех
ферромагнетиках. Возможный механизм
сохранения зародышей обратной магнитной
фазы рассмотрен В.Ф. Брауном, С.В. Вонсовским и Я.С. Шуром. Они предположи­
ли, что в ферромагнетике, намагниченном
до насыщения, остаются области с проти­
воположным направлением вектора на­
магниченности. Критическое поле, необ­
ходимое для уничтожения таких областей,
может превышать значение поля, необхо­
димого для насыщения образца. Механизм
зарождения областей с обратной намагни­
ченностью в достаточной степени еще не
выяснен. Процесс зародышеобразования
характеризуют полем зародышеобразова­
ния Н п , которое требуется для отклоне­
ния намагниченности от исходного одно­
родно намагниченного состояния. Теоре­
тически в однородном ферромагнетике
зародышеобразование должно начинаться
при полях, близких к На , но, как правило,
наблюдается при На > Нс.
Причинами легкого образования за­
родышей
(локального
неоднородного
вращения вектора намагниченности) мо­
гут быть сильные размагничивающие по­
ля, возникающие вблизи пор, трещин, не­
139
магнитных включений, на острых углах и
выступах кристалла.
Д. Гудинаф, рассмотрев вопрос о воз­
никновении
зародышей
перемагничи­
вания, пришел к выводу, что местами за­
рождения могут быть границы зерен, а
также пластинчатые выделения с кристал­
лической решеткой, отличной от матрицы
(например, цементит в углеродистой ста­
ли). Предположив, что границы зерен яв­
ляются возможными источниками заро­
дышей перемагничивания, размеры кото­
рых определяются величиной зерна, он
получил выражение для части коэрцитив­
ной силы, зависящей от величины зерна:
где у - энергия доменной границы, отде­
ляющей зародыш от остальной части кри­
сталла; t/, - средний размер зерна.
В то же время границы зерен являют­
ся препятствиями для смещающихся до­
менных границ. Таким образом, увеличе­
ние размеров зерна, уменьшение протя­
женности границ в ферромагнетике долж­
но сопровождаться снижением величины
коэрцитивной силы.
Экспериментальная проверка, вы­
полненная многими исследователями, ука­
зывает на то, что теория хорошо согласу­
ется с экспериментом. Так, для железа
различной степени чистоты было получе­
но эмпирическое уравнение
H 9= & i + B,
(11.6)
в котором коэффициенты А и В зависят от
степени легирования и количества приме­
сей в железе (</, измеряется в см).
Рис. 11.1 иллюстрирует зависимость коэр­
цитивной силы от размера зерна для чис­
того железа и низкоуглеродистой стали.
Другим возможным местом легкого
образования зародышей перемагничива­
ния могут явиться локальные области с
существенно пониженной константой ани­
зотропии, например участки, обогащенные
легирующими элементами или имеющие
значительные локальные микронапряже-
140
Г л а в а 11. ВЗАИ М О СВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
11.1.2. Влияние напряжений на
процессы перемагничивания
В случае легкого зародышеобразования перемагничивание будет происходить
путем смещения доменных границ, а ко­
эрцитивная сила будет определяться вели­
чиной Як:
Я„ ~ Я„=
дх
2И
а)
б)
Рис. 11.1. Зависимость коэрцитивной
силы от размера зерна:
а —для чистого железа (« 0,002 % С);
б —для мартеновской низкоуглеродистой стали
н и я (с в я з а н н ы е с дефектами типа дисло­
к а ц и й , с неодн ородной деформацией при
ф а з о в ы х превращ ен иях).
С о с т о я н и е образовавшегося зароды­
ш а о б р а т н о й м агнитной фазы в идеальном
к р и с т а л л е является нестабильным, поэто­
м у о н п р и определенны х условиях может
п р о д о л ж и т ь р о ст или, наоборот, уничто­
ж и т ь с я . Т ак , при анализе работ К. Сикт у с а и JI. Т о н кса, В. Деринг, не выясняя
п р и ч и н возн икновени я зародышей, рас­
см отрел
усло ви я необратимого роста
с и л ь н о вы тян у ты х зародышей эллипсои­
д а л ь н о й ф о р м ы и теоретически получил
в ы р а ж е н и е для поля старта #о, опреде­
л я ю щ е г о н ач ал о процесса перемагничива­
ния:
Н0 = Нк +
(11.7)
г д е Н к — критическое поле, необходимое
д л я п р е о д о л е н и я смещающейся доменной
г р а н и ц е й всех потенциальных барьеров,
в о з н и к а ю щ и х из-за наличия разного рода
д е ф е к т о в в реальном ферромагнетике;
а — к о э ф ф и ц и е н т (порядка единицы); d м а к с и м а л ь н ы й диам етр поперечного сече­
н и я зароды ш а.
В т а к и х ферромагнетиках, как железо
и е г о с п л а в ы , зародышеобразование про­
и с х о д и т л е гк о , поэтом у коэрцитивная сила
в о с н о в н о м определяется величиной # к,
т .е . в с т у п а е т в силу третий вид (причина)
ги стерези са.
( 11 .8 )
где (dy / dx)max - среднее значение гради­
ента энергии доменных границ.
Вычисление величины Як связано с
определенными трудностями, поскольку в
ферромагнетиках не известна зависимость
энергии доменных стенок от координат.
Связав изменение граничной энергии
с изменением магнитоупругой энергии в
ферромагнетике, Е.И. Кондорский полу­
чил следующее выражение для критиче­
ского поля и коэрцитивной силы:
8L
ЯС~ Я К*
S max'
(11.9)
где 8 - ширина доменной стенки;
Xs - магнитострикция насыщения; gmax =
= (da, /6x)max - максимальный градиент
внутренних напряжений.
Выражение (11.9) можно представить
в виде
Я,
Кщ
ft
( 11 . 10)
где Да, - среднее значение амплитуды
внутренних напряжений; ро - дисперс­
ность внутренних напряжений, опреде­
ляемая отношением ширины доменной
стенки к средней длине "волны напряже­
ний" /; при / » 8 и / « 8 соответственно
Н
Я„ =
(11.11)
■В 1
Проанализировав выражения (11.11),
можно отметить, что значение коэрцитив­
ной силы будет максимально при условии,
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ
если дисперсность внутренних напряже­
ний близка к единице, т.е. / » 8.
Качественно теория напряжений дос­
таточно хорошо согласуется с экспери­
ментальными результатами, но при коли­
чественных расчетах к ней нужно подхо­
дить осторожно, поскольку в теории не
учитывается источник самих напряжений.
В ферромагнетиках источниками внутрен­
них напряжений могут быть дислокации,
имеющиеся в большом количестве даже в
недеформированных кристаллах. Число
дислокаций сильно увеличивается при
пластической деформации и закалке ста­
ли.
Влияние внутренних микронапряже­
ний наиболее заметно для гомогенных
материалов, лишенных заметных коли­
честв примесей, которые обладают значи­
тельной магнитострикцией и имеют низ­
кую константу кристаллографической
анизотропии (например, никель, у которо­
го Я.,оо = 4 • КГ6 и К = 4,9 • 103Дж/м3). В
материалах с низкими значениями кон­
стант магнитострикции (для железа Хюо = 19,5 • КГ6) основной вклад в эффек­
тивную константу анизотропии вносит
кристаллографическая анизотропия, кото­
рая, как правило, велика (для железа
К « 4,8 ■ 104Дж/м3). Для материалов с
большим количеством примесей, ло­
кально меняющих кристаллографическую
анизотропию, при расчете критического
поля необходимо учитывать изменение
энергии поверхностного натяжения гра­
ницы и магнитостатической энергии при
переходе доменной стенки через включе­
ния.
11.1.3.
Влияние включений и
концентрационных неоднородностей на
процессы перемагничивания
Учитывая изменение энергии по­
верхностного натяжения границы. М. Керстен провел оценку критического поля,
когда в ферромагнетике присутствуют
неферромагнитные и слабоферромагнит-
141
Н , А/см
Рис. 11.2. Зависимость коэрцитивной силы
от содержания углерода в железе в форме
зернистого (/) и пластинчатого (2)
цементита
ные включения в виде сфер диаметром d,
образующие кубическую решетку с пара­
метром s:
Н С* Н К* - К6-... v2' 3,
ЦоM ,d
(11.12)
где v - относительная объемная кон­
центрация включений; К - константа ани­
зотропии.
Начальную восприимчивость можно
выразить следующим образом:
яуd
01 .1 3 )
Коэрцитивную силу, полученную из
теории включений, можно записать как
К.
Н = р -2 -\я
\* т
(1114)
где К-,ф - эффективная константа магнит­
ной анизотропии; р - фактор, зависящий
от степени дисперсности включений (при
8 « d р » S/d. при 8 » d р « d/b)\
п - показатель степени, который в зависи­
мости от вида включения может иметь
значения 1,2 /3 ,4 /3 и т.д.
Максимального значения коэрцитив­
ная сила достигнет при d » 8.
Рис. 11.3. Типичные замыкающие доменные структуры
на включениях (а-д) и искажения доменной структуры (е)
Э та теория сопоставлена с результатам и и зм ерений, выполненных на углерод и ст ы х сталях, где углерод, находящийся
в связан н ом состоянии в форме цементита,
и гр а ет роль включений. Было установлен о , что при содержании углерода до 2 %
зн а ч ен и е Н с действительно пропорцио-
ной энергии. Следуя этому предположению, Л. Неель теоретически предсказал
возможность существования замыкающих
доменов на включениях с d » 8, значительно снижающих магнитостатическую
энергию. На рис. 11.3 представлены наиболее типичные случаи замыкания домен-
нал ьн о объ ем у включений в степени 2/3.
Н а р и с. 11.2 показана зависимость коэрцитивной силы от массовой доли углерода.
К ривы е построены в соответствии с теорией
вклю чений. Следует отметить, что при относительно крупных включениях (d > 8) и
и х значительной объемной концентрации
(v > 0 ,0 1 ) выражение (11.14) становится
м ал оп р и годн ы м для вычисления коэрц и т и в н о й силы.
П ри расчете коэрцитивной силы ферр ом агн и тн ы х материалов, имеющих крупн ы е вклю чения ( d > 5), необходимо учиты вать магнитны е поля рассеяния, возник а ю щ и е на поверхности включений или
п у с т о т , поскольку в данном случае измен е н и я магнитостатической энергии в 200
р а з б о л ьш е изменения плотности гранич-
н°й структуры на включениях, а также
искажения, доменной структуры вследствие существования напряженной зоны
к»
около включении,
Возможным местом образования зародышей являются включения или пустоты> имеющиеся в большом количестве в
реальном ферромагнетике. Рост возникающего зародыша может прекратиться
ПРИ встРече с включениями, размеры которых меньше по сравнению с критическими размерами зародыша do, несмотря
на то что приложенное поле больше, чем
поле стаРта Щ При прохождении доменной стенки чеРез включение потребуется
совершить работу А\, связанную с увеличением поверхности доменных границ на
величину AS~nd2/4, и работу А2, обуслов-
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ
ленную перераспределением магнитных
зарядов на поверхности включения:
ш
■ К
A2 , ^
4
2
C N M ’
2
143
Н , А/см
6
(11.15)
где С - численный коэффициент (порядка
единицы); N — средний коэффициент раз­
магничивания включения.
Сопоставив выражения для А\ и А 2,
получим, что при d < 5 преобладает А\, в
то время как А2 « 0. При d » 8 величины А |
и А} одного порядка, и при больших раз­
мерах включений (d>> 8) А\ < А2.
Сравнивая значение А 2 с прираще­
нием энергий во внешнем магнитном по­
ле, можно оценить порядок величины кри­
тического поля, вызванного магнитным
действием
включений
при условии
8 < d < do, т.е. в случае, когда растущий
зародыш взаимодействует с включениями,
размеры которых меньше критического
(do)- Значение критического поля
Н„ *
N М
(11.16)
где v' — объемная концентрация включе­
ний с диаметрами d в пределах 8 <d<do.
Экспериментальные данные свиде­
тельствуют, что в магнитомягких сталях
концентрация мелких включений относи­
тельно невелика, т.е. v' « v (v - полная
объемная концентрация включений).
При наличии только дисперсных
включений (v' * v) критическое поле
Н. * Н, * С
N M, ( ,\2 / з •
(V')
(11.17)
Й) М , d
где dCT> — средний диаметр большинства
включений.
В случае крупных
включений
(v' « v), присутствующих в ферромаг­
нетике, напряженность критического поля
определяется полем старта зародышей Н0
Рис. 11.4. Зависимость коэрцитивной
силы от размеров включений:
а, в - влияние эффекта, обусловленного
соответственно поверхностным натяжением
доменной границы и наличием магнитных
полей рассеяния: с —зависимость,
рассчитанная для d » 8 по формуле (11.18);
а’, Ъ' - предполагаемое изменение Нс за счет
поверхностного натяжения границы и измене­
ния магнитостатической энергии при d « 8
и критическим полем Нк (ст), обусловлен­
ным наличием градиентов внутренних
напряжений в ферромагнитной матрице
(теория напряжений). При внешнем поле
Н < Но (г/ср) мелкие включения задержи­
вают рост зародышей, возникающих на
более крупных включениях ( d > do), и ко­
эрцитивная сила определяется выражени­
ем (11.17). Если же поле достигает вели­
чины Н > Но (dcр) + Нж(ст), то начинается
рост вторичной доменной структуры от
многих включений и ферромагнетик перемагничивается. а критическое поле
(следовательно, и Но) определяется сле­
дующим образом:
H K* H c * H 0( d J +
+ Нк(а )*
Н. *
+ //,(с т );
3
ky
(11.18)
(11.19)
ЦоMsd
где k = I/d - отношение удвоенной длины
замыкающего домена к его диаметру.
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
144
Н ,А/см
поведение коэрцитивной силы в зависи­
мости от размеров неферромагнитных
частиц в случае их статистического распре­
деления и постоянной доли (v = 3 • 10'3) в
объеме железа.
Если включения ферромагнитны (как
в случае цементита в стали), то следует
учитывать намагниченность насыщения
карбидной фазы, и выражение (11.17) при­
мет вид
H c k C N(<Ms ~ М *)2 v273, ( 11.20)
М3
где Мк - намагниченность насыщения
Рис. 11.5. Зависимость коэрцитивной
силы от объема включений:
1 - Fe3C; 2 - CuC; 3 - Fe3Ti; 4 - Fe3Mo2;
5 - Fe3P; 6 - A120 3; 7 - Fe3W2; 8 - FeBe;
9 - C J 0 - Fe4N; 11 - FeS; 12 - Fe,6N2
Строго говоря, выражение (11.19)
справедливо для включений, имеющих
хорошо развитую вторичную доменную
структуру.
Снижение магнитостатической энер­
гии за счет образования вторичной домен­
ной структуры существенно только для
относительно крупных частиц (например,
d » 1005), а для мелких частиц (d « 106),
по-видимому, необходимо учитывать и
влияние изменения энергии поверхност­
ного натяжения. Рис. 11.4 иллюстрирует
Рис. 11.6. Зависимость коэрцитивной силы
от среднего размера выделившихся в железе
частиц Fe3C (v = 0,003)
карбидной фазы.
На рис. 11.5 приведены эксперимен­
тальные результаты различных авторов,
которые свидетельствуют о существова­
нии зависимости коэрцитивной силы от
объема включений в пределах Щ & \ ха и
Нс » v. Поскольку эксперименты выпол­
нены на разных материалах, для которых
остались неконтролируемыми диаметр
зерна, значения внутренних напряжений,
форма и величина включений, то к ним
следует относиться осторожно.
Коэрцитивная сила изменяется в за­
висимости от размера включений при их
постоянном объеме (v = 0,003) по кривой с
максимумом (рис. 11.6), причем максимум
Нс приходится на средний размер частиц
120 нм (1200 А), т.е. критический размер
частиц соизмерим с толщиной доменной
стенки (штриховая линия — расчетные
данные).
Из анализа различных теорий коэр­
цитивной силы следует, что Нс является
структурно-чувствительной характеристи­
кой, реагирующей на нюансы изменения
структурного состояния вещества. Однако
использование теории коэрцитивной силы
для точного количественного расчета про­
цессов намагничивания и перемагни­
чивания термически обработанных конст­
рукционных сталей сталкивается с боль­
шими трудностями. При попытках опре­
делить коэрцитивную силу с учетом изме­
нения эффективной константы анизотро­
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СТАЛИ
145
11.2. Ф И ЗИ Ч Е С К И Е СВОЙСТВА
О СН О ВН Ы Х СТРУ К ТУ РН Ы Х
СО СТА ВЛ ЯЮ Щ И Х СТА ЛИ
вать в определенных соотношениях раз­
личные фазы, которые при комнатной
температуре
являются
равновесными
(феррит, цементит, специальные карбиды)
и неравновесными (аустенит и мартенсит).
Изменение фазового состава стали сопро­
вождается изменением ее механических и
магнитных свойств.
Феррит - равновесный твердый рас­
твор (внедрения) углерода и других при­
месей в a -железе. Различают две модифи­
кации
феррита:
низкотемпературный
а-феррит и высокотемпературный 5-феррит. Для низкотемпературного феррита
характерно незначительное растворение
углерода. Максимальная растворимость в
a -железе наблюдается при температуре
727 °С и составляет 0,02 %. При комнат­
ной температуре растворимость менее
0,01 %, т.е. феррит в углеродистых сталях
по физическим свойствам близок к чисто­
му железу. Решетка феррита объемноцентрированная (см. рис. 1.18, а), атом
углерода размещается в центре грани ку­
бической решетки железа, а также в мес­
тах наличия вакансий, дислокаций и дру­
гих дефектов подобного типа. У феррита,
как и у чистого железа, три легкие оси
намагничивания. Магнитные свойства
монокристаллов феррита обладают маг­
нитной анизотропией, поэтому значения
измеряемых магнитных характеристик
зависят от направления приложенного
поля по отношению к кристаллографиче­
ским осям. Намагниченность насыщения
феррита незначительно ниже намагничен­
ности насыщения железа. Снижение на­
магниченности насыщения обусловлено
растворением углерода.
Феррит - мягкая структурная состав­
ляющая - имеет следующие механические
характеристики: временное сопротивление
разрыву (предел прочности) сг„ = 250 МПа;
условный предел текучести «Зад ~ 120 МПа;
относительное удлинение 6 = 50 %; от­
При термической обработке в резуль­
тате фазовых изменений и структурных
превращений в стали могут присутство­
носительное сужение v|/ = 80 %; твердость
по Бринеллю НВ 80 ... 90 при содержании
углерода в твердом растворе 0,006 %.
пии получают очень большое значение,
поскольку многие исходные данные взяты
без учета реальной структуры или исполь­
зованы параметры чистого железа. Даже
учет всех факторов (степень тетрагональности мартенситной решетки, величина
внутренних напряжений; объем, форма и в
некотором приближении распределение в
матрице ферромагнитных и неферромаг­
нитных включений) позволяет лишь при­
близительно вычислить значение коэрци­
тивной силы закаленных и отпущенных
сталей. В связи с этим рассмотренные тео­
рии коэрцитивной силы можно использо­
вать для качественного описания процес­
сов перемагничивания в сталях при изме­
нениях структурного состояния и фазово­
го состава.
Кроме того, во всех рассмотренных
теориях обсуждался вопрос о перемагничивании однофазных систем, имеющих
неферромагнитные включения. В случае
многофазных систем теория коэрцитивной
силы заметно усложняется.
Результирующая коэрцитивная сила в
этом случае будет зависеть от коэрци­
тивной силы, проницаемости и намагни­
ченности каждой из фаз, относительного
объема отдельных фаз и степени магнит­
ного взаимодействия между ними. Теоре­
тически эта задача не решена, поэтому для
выявления закономерных связей между
магнитными свойствами и структурным
состоянием таких материалов огромную
роль играют экспериментальные исследо­
вания, которые, в свою очередь, позволя­
ют глубже понять физику процессов пе­
ремагничивания многофазных систем и
решать задачи второго этапа, связанные с
разработкой приборов неразрушающего
контроля.
V л а в а И . В ЗА И М О С В Я ЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
М артенсит — неравновесный пере­ рым снижением коэрцитивной силы.
с ы щ е н н ы й тверды й раствор углерода в
Микроструктура мартенсита пред­
а -ж е д е з е с то й ж е концентрацией, что и у ставляет собой кристаллы в форме пла­
и с х о д н о го аустенита, т.е. образующийся стинок, пересекающихся между собой под
т в е р д ы й раствор может содержать углеро­ углами 60 и 120°. Кристаллы мартенсита
д а н а два порядка больше нормальной редко попадают полностью в плоскость
р аство р и м о сти в a -железе. Мартенсит шлифа, поэтому они просматриваются на
и м е ет тетрагональную объемно-центри- шлифах, особенно в высокоуглеродистых
р о в а н н у ю реш етку (см. рис. \ .18, в). Тет- сталях, в виде игл, и к ним иногда пример аго н ал ьн о сть мартенсита обусловлена няют термин "игольчатый мартенсит". Для
в н ед р ен и ем атомов углерода в октаэдри- средне- и малоуглеродистых сталей с выч ес к и е м еж доузлия решетки железа. Чем сокои температурой начала мартенситного
вы ш е содерж ание углерода в стали, тем превращения характерно образование па­
с и л ь н ее вы ражена тетрагональность ре­ кетного или реечного мартенсита, т.е. на­
ш етк и м артенсита (соотношение парамет­ блюдаемый кристалл мартенсита сос-тоит
р о в реш етки с/а > 1). Отношение периодов как бы из отдельных пластин, соедиcla и значение параметра решетки с воз- ненных между собой посредством малоугр а ст аю т с увеличением содержания угле­ ловых границ. В пакетном мартенсите могут
р о д а , а величина а несколько уменьшает­ существовать тонкие прослойки остаточно­
го аустенита шириной 10... 50 нм, которые
ся:
располагаются преимущественно на грани­
с/а —1 + у Р ; с —ао + а Р; а = ао- рР,
цах реек или между пакетами в исходном
( 11.21)
аустенитном зерне.
гд е Р — массовая доля углерода в твердом
Размеры кристаллов (игл) мартенсита
р аство р е; ао « 0,3 нм - параметр решетки зависят от диаметра исходного зерна ау­
a -ж елеза; у = 0,046 ± 0,001, а = 0,116 ± стенита. Как правило, кристалл мартенси­
± 0,002 и р = 0,013 ± 0,002 - коэффициен­ та, который образуется первым, имеет
ты .
наибольшие размеры, а последующие,
С оотнош ения (11.21) достаточно хо­ стесненные в своем развитии, - меньшие.
р о ш о выполняю тся для высокоуглероди­ Если исходное зерно аустенита было мел­
сты х и низколегированных малоугле­ ким, то возникает так называемый бес­
р о д и сты х сталей. В закаленной стали с структурный мартенсит, истинное строе­
со д ер ж ан и ем углерода 1,78 % отношение ние которого не выявляется металлогра­
о с ей cla достигает 1,08.
фическим методом. Средние размеры кри­
П ри значительном легировании ста­
сталла мартенсита: длина 300 ... 400 нм,
л е й N i и А1 обнаружено аномальное воз­
ширина 25 ... 40 нм, толщина 5 ... 6 нм.
р а стан и е, а при легировании Мп - умень­
Для мартенсита характерны доста­
ш ен и е соотнош ения cla в зависимости от
точно высокие твердость и прочность,
со д ер ж ан и я
углерода. Следовательно,
которые зависят от содержания углерода в
м о ж н о предположить, что при образова­
пересыщенном твердом растворе. Для ма­
н и и м артенситной структуры в стали, ле­
лоуглеродистого мартенсита с содержани­
ги р о ван н о й N i и А1, константа кристалло­
гр аф и ч еской анизотропии будет несколько ем углерода 0,015 % ов= 1000 МПа, а при
в ы ш е , чем в углеродистых сталях, и, ви­ содержании углерода 0,6 ... 0,& % о* =
д и м о , следует ждать дополнительного = 2600 ... 2700 МПа. Для углеродистых
у в ел и ч ен и я коэрцитивной силы при леги­ сталей твердость составляет 62... 65 HRC,
р о в а н и и закаленной стали этими элемен­ что примерно в 5 ... 6 раз больше твердо­
т а м и . П рисутствие в стали марганца, на­ сти феррита. Однако с повышением проч­
о б о р о т , долж но сопровождаться некото- ностных свойств мартенсита существенно
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СТАЛИ
ухудшаются его пластические свойства.
Высокие прочностные характери­
стики мартенсита объясняются наличием
особых микро- и субмикроскопических
неоднородностей, связанных с наруше­
нием кристаллического строения. К ним
можно отнести дислокации, границы зерен
и поверхности раздела кристаллов мартен­
сита, двойники, растворенные атомы уг­
лерода и различного рода примеси.
Магнитные и электрические свойства
мартенсита зависят от содержания углеро­
да и легирующих элементов в пересыщен­
ном твердом растворе. Повышение содер­
жания углерода приводит к увеличению
коэрцитивной силы, электрического соп­
ротивления и снижению намагниченности
насыщения. Наличие тетрагональной ре­
шетки мартенсита и, как следствие, значи­
тельных внутренних микронапряжений в
иглах мартенсита (до 600 МПа для стали с
0,3 % С) должно сопровождаться возник­
новением в них наведенной одноосной
магнитной анизотропии и увеличением
эффективной константы анизотропии.
Подтверждением этого служат наблю­
дения на кристаллах мартенсита доменной
структуры, которая похожа на доменную
структуру магнитоодноосного кобальта.
Мартенсит имеет наибольший удельный
объем по сравнению с другими струк­
турными составляющими, и поэтому при
его образовании в стали возникают зна­
чительные микронапряжения, которые
также влияют на магнитные свойства.
Аустенит - твердый раствор углеро­
да и других легирующих элементов в
у-железе. Наибольшая растворимость уг­
лерода в у-железе равна 2,14 %. Аустенит
обладает невысокой твердостью и боль­
шой вязкостью. Для чистых железоугле­
родистых сплавов аустенит устойчив
только при температуре выше точки Ас\.
Медленное охлаждение аустенита приво­
дит к распаду на цементит и феррит, кото­
рые в момент образования создают меха­
ническую смесь, содержащую семь частей
феррита и одну часть цементита. Эта
147
смесь носит название перлита и равно­
мерно распределяется в оставшемся фер­
рите в виде сферических и пластинчатых
колоний. В сталях, закаленных на мартен­
сит, имеется определенное количество
остаточного аустенита, который распола­
гается между кристаллами мартенсита.
Аустенит имеет решетку гранецентрированного куба с параметрами боль­
шими, чем у чистого железа и мартенсита.
Вследствие более плотной упаковки ато­
мов в гранецентрированной решетке объ­
ем у-железа несколько меньше объема
a -железа (примерно на 2 ... 4 %) с тем же
содержанием углерода.
Аустенит сплава Fe-C неферромаг­
нитен, а в легированных сталях в зави­
симости от степени легирования может
быть парамагнитным, антиферромагнитным и даже ферромагнитным. Аустенит
имеет более высокое удельное электри­
ческое сопротивление по сравнению с
ферритом и мартенситом, обладает боль­
шей твердостью, чем феррит, пластичен с
относительным удлинением 40 ... 50 %.
Цементит - химическое соединение
углерода с железом (карбид железа РезС) с
содержанием 6,67 % С. Кристаллическая
решетка цементита сложна. Цементит об­
ладает высокой твердостью (> 800 НВ) и
очень низкой пластичностью. При легиро­
вании сталей цементит может образовы­
вать твердые растворы замещения. Атомы
углерода могут быть замещены атомами
неметаллов, а атомы железа - металлами.
Физические свойства легированного це­
ментита могут отличаться от свойств НезС.
Цементит ферромагнитен при низких
температурах. Температура Кюри цемен­
тита 210 °С, намагниченность насыщения
Ms * 8000 А/см. При легировании стали
никелем, ниобием, ванадием температура
Кюри цементита не меняется. При легиро­
вании стали вольфрамом температура Кю­
ри цементита несколько понижается и бо­
лее значительно - при легировании мо­
либденом. Особенно сильно понижает
температуру Кюри марганец, растворя-
14S
Г лава \ \ . ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ю щ и й с я в цементите в больших количест­ где Оо~ напряжение трения решетки а-же*
вах. Р астворение атомов кобальта и нике­ леза; Датр- упрочнение твердого раствора
л я в цем ентите приводит к снижению феррита растворенными в нем легирую­
у д е л ь н о й намагниченности насыщения. щими элементами; До„ - упрочнения за
Ц ем ен ти т имеет высокие значения кон­ счет образования перлита в нормализо­
ста н т кристаллографической анизотропии: ванных ферритно-перлитных сталях либо
К \ = 1Д 8- \0 5 Дж/м5 и К2=3,94-105Дж/м3.
сорбита в улучшаемых сталях; Дод«,- уп­
В ы сокая анизотропия приводит к рочнение дисперсионными частицами;
м агн и тн ой одноосности частиц цементита.
Дод - упрочнение за счет повышения
Н аблю даем ы е домены имеют различную
плотности дислокаций; Дагр - зерногра­
ш ири ну - (5 ... 100)10'8 м. Направления
ничное упрочнение.
л егк о го намагничивания в частицах це­
Эффект упрочнения твердого раство­
м ен ти та совпадают с осью [001], а трудно­
ра при легировании определяется пара­
го — с осью [010]. Теоретические оценки
метрами несоответствия атомных разме­
даю т толщ ину доменной границы порядка
ров и модулей упругости растворителя и
8 нм. Коэрцитивная сила цементита долж­
растворенного вещества. Для оценки уп­
н а бы ть очень высокой, гораздо выше ко­ рочнения, зависящего от этих факторов,
эрци тивной силы мартенсита. Различие обычно пользуются формулой
м агнитны х свойств матрицы и цементита
при води т к тому, что присутствие вклю­
До
ч ен ий цементита в стали оказывает силь­
1=1
ное влияние на процессы намагничивания
где К, - коэффициент упрочнения а-жеи перемагничивания сталей. Помимо це­
леза при легировании каким-либо элемен­
м ен ти та в сильно легированных сталях
том с массовой долей 1 %; С/ - концентра­
присутствую т специальные карбиды с фи­
ция элемента, растворенного в а-железе.
зическим и свойствами, отличными от
Упрочняющее действие атомов внедрения
свой ств цементита.
выше, чем атомов замещения.
Упрочнение за счет перлитной со­
11.3. ВЗА ИМ О СВЯЗЬ МЕЖДУ
ставляющей можно определить по форму­
М ЕХ А Н И ЧЕСКИ М И И
ле
М А Г Н И Т Н Ы М И СВОЙСТВАМИ
В В П
(U-24)
Упрочнение отдельных фаз стали за- где Рп- массовая доля перлита, %.
клю чается в увеличении сопротивления
Присутствие в стали когерентно и
пластическом у деформированию, которое некогерентно связанных с матрицей
определяется
перемещением дефектов включений приводит к упрочнению (дискристаллической решетки - дислокации. персионному) стали вследствие торможе­
Различаю т несколько дислокационных ме­ ния скользящих дислокаций на этих де­
фектах. Например, для некогерентных
ханизмов упрочнения, связанных с умень­
карбидных частиц наилучшее согласие с
ш ением подвижности дислокаций.
экспериментом дает расчет дисперсионно­
Вклад механизмов торможения сколь­
го упрочнения по механизму Орована:
зящ их дислокаций в общий условный пре­
Gb
дел текучести ферритно-перлитных сталей
(11.25)
In ■
Д
с
д.ч
=
а
1
приближ енно можно представить как
2n(L-R)
2b
су м м у следующих компонент:
где (X| - константа; L - усредненное рас­
(У0,2 = Оо ^СГт.р
АОд I)~f~ДсГд 4(Trp j
стояние между частицами; R - усреднен­
( 11.22)
ный размер частиц.
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ МЕХАНИЧЕСКИМИ И МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Количественные теории деформаци­
онного упрочнения обстоятельно развиты
только для монокристаллов. Однако
большинство моделей деформационного
упрочнения можно использовать и для
сплавов. Все они приводят к следующей
зависимости упрочнения сплавов от плот­
ности дислокаций:
стд ~ а , G b jN .
(11.26)
Повышение прочности за счет границ
зерен в материале можно определить как
% щ ^ /Щ к
(11.27)
где К - коэффициент, зависящий от угла
разориентации границ, степени упрочне­
ния границ частицами карбидной фазы;
rfcp - средний размер зерна.
При оценке состояния упрочнения
мартенсита следует учитывать также
влияние дальнодействующих напряжений:
Д адн = — Е ,
а
(11.28)
где Да/а - относительная микродеформа­
ция решетки мартенсита; Е - модуль уп­
ругости.
В структуре сталей после закалки
присутствует остаточный аустенит, кото­
рый приводит к изменению их механиче­
ских свойств. Присутствие в стали оста­
точного аустенита можно учесть следую­
щим образом:
ст = стмСм + СаСа ,
(11.29)
где стм, См и ста, С„ - предел текучести и
объемная доля мартенсита и остаточного
аустенита.
Анализируя
влияние
различных
структурных параметров на торможение
скользящих дислокаций и задержку сме­
щения доменных границ, можно отметить
некоторую общность их влияния на меха­
149
нические и магнитные свойства. Так, по­
вышение в структуре стали плотности
дислокаций сопровождается увеличением
прочностных характеристик и значений
коэрцитивной силы. Следует отметить,
что СТо,2 и Нс пропорциональны -Jn . Рост
микронапряжений в стали и увеличение
объема перлитной составляющей в струк­
туре стали сопровождаются повышением
Нс и СТо,2- Для перлита пластинчатой фор­
мы Нс ~ v, для зернистой - Нс ~ v 3 (см.
рис. 11.2), тогда как значение сто,2 не зави­
сит от его формы (сто,2 ~ v). Увеличение
размера зерна сопровождается снижением
как ст0>2, так и Нс, при этом Нс ~ \/d, а
СТо,2 ~ 114d .
Таким образом, наблюдающаяся об­
щность влияния структурных факторов на
магнитные и механические свойства пред­
полагает возможность косвенного опреде­
ления по магнитным параметрам проч­
ностных характеристик сталей, имеющих
разное структурное состояние.
После первых положительных ре­
зультатов определения прочностных ха­
рактеристик готовых изделий магнитными
методами оказалось, что не всегда удается
получить однозначную взаимосвязь между
магнитными и механическими свойствами
сталей, т.е. в ряде случаев вопросы кон­
троля прочностных характеристик сталей
оставались открытыми. Именно необходи­
мость определить возможности использо­
вания магнитных и электромагнитных
методов при контроле прочностных ха­
рактеристик изделий стимулирует прове­
дение исследований магнитных, электри­
ческих и механических свойств сталей
после вариации различных видов упроч­
няющей обработки.
Глава 12
В Л И Я Н И Е СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
П Р И ТЕРМ И Ч Е С К О Й ОБРАБОТКЕ НА МАГНИТНЫЕ,
Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
При термической обработке изменя­ личивая длительность выдержки при на­
ется внутреннее строение (микрострукту­ греве.
ра) стали, в результате чего изделия при­
Рекристаллизационный отжиг прово­
обретают определенные физико-механи­ дят в целях восстановления пластичности
ческие свойства. Основные технологиче­ стали после деформации: холодной про­
ские операции термической обработки: катки листов и лент, холодного волочения
отжиг, нормализация, закалка, отпуск и труб, прутков и проволоки, холодной
старение.
штамповки и других видов холодной об­
работки давлением. При таком способе
12.1. ОТЖИГ СТАЛЕЙ
отжига холоднодеформированной стали,
варьируя способы обработки, одновре­
В черной металлургии наиболее рас­
менно можно достичь измельчения или
пространенным видом термической обра­
укрупнения (если это требуется) зерна.
ботки, позволяющей получить необходи­
Свойства холоднокатаной и отожженной
мые физико-механические свойства ме­
сталей зависят от технологии выплавки,
таллопродукции, является отжиг. Разли­
химического состава, технологии горячей
чают следующие виды отжига: гомогени­
и холодной прокатки, температуры
зирующий, рекристаллизационный, отжиг
отжига.
для уменьшения напряжений, сфероидиГорячекатаные стали поставляются
зирующий, нормализационный.
как в термически обработанном состоянии
Основные параметры первых трех
(отожженном, нормализованном), так и
видов отжига - температура нагрева и без термической обработки (низкоуглеро­
время выдержки. Микроструктура стали дистые стали). В последнем случае основ­
последующих видов отжига зависит от ными факторами, определяющими физи­
степени переохлаждения аустенита и ре­ ко-механические свойства сталей, являют­
жима охлаждения.
ся химический состав, температуры конца
Гомогенизирующему (диффузионно­ прокатки и смотки в рулон. Влияние ука­
му) отжигу для уменьшения внутрикри- занных факторов на магнитные и механи­
сталлитной ликвации подвергают слитки ческие свойства низкоуглеродистых ста­
высококачественной легированной стали. лей подробно изучено сотрудниками
И з углеродистых сталей только автомат­ ИФМ УрО РАН, что позволило применить
ные стали подвергают гомогенизации. Для коэрцитиметрические методы для контро­
этого вида отжига, проводимого при вы­ ля прочностных и пластических свойств
сокой температуре, вследствие большого проката.
У низкоуглеродистых сталей с по­
времени выдержки, необходимой для пол­
ного протекания диффузионных процес­ вышением температуры отжига до 400 °С
сов в стали, характерно увеличение зерна, механические свойства изменяются незна­
которое сопровождается изменением маг­ чительно (рис. 12.1), так как в этом интер­
нитных свойств стали. Часто гомогениза­ вале особых изменений микроструктуры
цию совмещают с операцией нагрева не наблюдается. Уменьшение внутренних
слитков перед обработкой давлением, уве­ напряжений в металле вызывает снижение
ОТЖИГ СТАЛЕЙ
коэрцитивной силы Нс и остаточной ин­
дукции Вг. Максимальная [ife и начальная
цнач магнитные проницаемости при этом
увеличиваются у сталей марок СтЗкп,
08Ю, Юкп и СтЗсп и практически остают­
ся постоянными у сталей марок 08кп и
11ЮА. Основные изменения магнитных и
механических свойств низкоуглеродистых
сталей происходят в интервале температур
500 ... 600 °С, что объясняется снятием
внутренних напряжений, изменением ве­
личины зерен и их ориентации, т.е. рекристаплизационными процессами. При даль­
нейшем повышении температуры отжига
продолжается рост зерна (вторичная рек­
ристаллизация), что вызывает увеличение
магнитных проницаемостей, уменьшение
коэрцитивной силы и остаточной индук­
ции, твердости и предела прочности.
Установленные закономерности из­
менения магнитных и механических
свойств холоднодеформированных низко­
углеродистых сталей в зависимости от
температуры отжига свидетельствуют о
возможности
оценки
механических
свойств сталей по измерениям максималь­
ной и начальной магнитных проницаемо­
стей, коэрцитивной силы и остаточной
индукции. Последние две характеристики
являются предпочтительными, так как
наиболее просты в измерении и менее
подвержены влиянию мешающих факто­
ров. Для контроля качества отжига пред­
ставляют интерес интервалы температур
580 ... 700 °С или 680 ... 750 °С. Измене­
ние магнитных свойств сталей в этих ин­
тервалах таковы, что позволяют надежно
отбраковать магнитными методами листы,
прошедшие отжиг при температурах ниже
550 °С, т.е. выделить брак по недогреву.
В технологическом интервале темпе­
ратур отжига изменение магнитных и ме­
ханических свойств, как правило, невели­
ко. Кроме того, на магнитные и механиче­
ские характеристики сталей могут влиять
колебания химического состава (в преде­
лах допуска значения температуры конца
прокатки) и степень обжатия до отжига (за
151
Рис. 12.1. Зависимости физико­
механических характеристик
холоднокатаной 08Ю (/) и горячекатаной
ЗОТ (2) сталей от температуры отжига
счет изменения величины и формы зерна и
т.п.). Поэтому широкому внедрению маг­
нитных методов контроля качества отжига
низкоуглеродистых сталей предшествуют
исследования по установлению корреля­
ционных связей между магнитными (на­
пример, Нс) и контролируемыми (чаще
всего механическими) параметрами, а
также по изучению влияния на них раз­
личных технологических факторов, опре­
деляющих истинный коэффициент этой
связи для данных условий производства
проката.
Механические свойства холоднока­
таных листовых среднеуглеродистых ста­
лей марок 35, 40, 45, 50 при низких темпе­
ратурах отжига (до 400 °С), как и у рас­
смотренных выше низкоуглеродистых
сталей, практически не изменяются, в то
время как величины Нс и В,- незначительно
________
Глава 12. ВЛИЯНИЕ CTPVKTVРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
ум ен ьш аю тся . Структура образцов в дан- различных классов позволило предложить
н о м интервале температур отжига пред- ряд методик неразрушающего определестав л ен а в основном сорбитом и пластин- ния механических свойств проката. На
чаты м перлитом (сталь 35), сорбито- предприятиях черной металлургии и маобразн ы м и пластинчатым перлитом (ста- шиностроения наибольшее распространели 4 5 и 50) с вытянутыми, деформирован- ние получили коэрцитиметры типа
ны м и прокаткой зернами и ферритной КИФМ, КРМЦ и импульсные магнитные
полосчатостью . При температуре отжига анализаторы типа ИМА, с помощью котовы ш е 500 °С в структуре образуется то- рых контролируется свыше 30 млн т прочечны й и зернистый перлит.
ката и труб.
В
интервале температур отжига
При внедрении указанных приборов
5 5 0 . .. 800 °С , в котором указанные стали для учета конкретных особенностей техприобретаю т требуемые механические нологического процесса на предприятии
свойства, магнитные ( # с, Вп цмах) и меха- проводятся сбор и обработка статистиченические (твердость НВ и предел прочно- ских данных. Для каждого типоразмера
сти а в) свойства имеют одинаковый ха- проката и конкретной марки стали по
рактер изменения в зависимости от темпе- уравнениям регрессии рассчитывают знаратуры отжига. При температурах отжига чения контролируемых параметров (преб о л е е 800 °С магнитные свойства облада- дела текучести, предела прочности, отною т высокой чувствительностью к измене- сительного удлинения) для построения
ниям структуры, что создает благоприят- градуировочных кривых или таблиц соотны е условия для отбраковки магнитными ветствия между показаниями приборов и
м етодам и структур перегрева металлопро- механическими свойствами,
дук ц и и при отжиге.
При большом ассортименте видов и
Одинаковый характер зависимости марок проката задача внедрения магнитфизико-механических свойств от темпера- ных методов контроля его механических
туры рекристаллизационного отжига на- свойств становится трудоемкой. Сроки
блю дается и у холоднокатаных листовых внедрения приборов НК можно значисталей 65Г и ЗОХГСА, что также свиде- тельно сократить заменой большого числа
тельствует о возможности контроля отжи- парных корреляционных зависимостей
га эти х сталей по магнитным параметрам меньшим числом множественных регрес(Н с, В г).
сионных моделей, учитывающих одноМагнитные и механические свойства временно марку стали, толщину и химичегорячекатаных тонколистовых среднеуг- ский состав проката. Эта задача может
леродисты х (35, 40, 45 и 50), низколегиро- решаться поэтапно,
ванны х (65Г ) и легированных (ЗОХГСА)
Отжиг для снятия остаточных насталей при температурах отжига выше пряжений применяют в целях уменьшения
6 0 0 °С имеют почти тот же характер из- внутренних напряжений в стали, возним енения, что и у холоднокатаных сталей кающих не только вследствие неравно­
указанны х марок (см. рис. 12.1). Следова- мерного охлаждения после высокотемпетел ьн о, существует возможность контроля ратурных технологических операций м еханических свойств данных сталей по- горячего деформирования, сварки, но и
ел е технологического отжига (например, после холодного деформирования и правотж и г стали ЗОХГСА осуществляется при ки. Магнитные свойства чувствительны к
6 5 0 ... 675 °С по величинам остаточной холодному пластическому деформироваи н дукции или коэрцитивной силы).
нию ~ наклепу (например, коэрцитивная
И зучение закономерностей связи маг- СШ1а пРи наклепе стали 20 повышается
н итны х и механических свойств сталей примерно в 1,5 раза).
153
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
Остаточные напряжения могут вы­
звать коробление изделий и изменение их
размеров во время обработки, эксплуата­
ции или хранения на складе. Наиболее
опасны растягивающие остаточные на­
пряжения, так как они, складываясь с при­
ложенными извне сравнительно неболь­
шими напряжениями, могут вызвать раз­
рушение изделий. Поэтому необходимо
полное или частичное снятие остаточных
напряжений. Отжиг проводят при темпе­
ратурах 550 ... 650 °С. Скорость нагрева и
особенно охлаждения должна быть неве­
лика, чтобы исключить возможность обра­
зования новых остаточных напряжений.
Согласно теории напряжений, изме­
нение уровня микронапряжений в ферро­
магнитном материале вызывает изменение
значения коэрцитивной силы, что позво­
ляет осуществлять контроль качества от­
жига изделий коэрцитиметрическими ме­
тодами.
Сфероидизирующий отжиг проводят
как для смягчения стали перец последую­
щей обработкой резанием или деформиро­
ванием в холодном состоянии, так и для
получения соответствующей структуры
под закалку. Такому отжигу подвергают
заэвтектоидные углеродистые, легирован­
ные инструментальные и шарикоподшип­
никовые стали. При исходной структуре
зернистого перлита наблюдаются меньшая
склонность к росту аустенитного зерна,
расширение допустимого интервала зака­
лочных температур, снижение склонности
к растрескиванию при закалке, повышение
прочности и вязкости закаленной стали.
При отклонении скорости охлаждения от
требуемой существует опасность образо­
вания пластинчатого перлита.
К ослаблению корреляционной связи
между коэрцитивной силой и твердостью
приводит изменение размеров карбидных
частиц и зерен феррита, а также неодно­
родностей распределения карбидов в мат­
рице и их магнитных свойств (цементит,
легированный
цементит, специальные
карбиды), значений остаточных напряже­
ний от предварительной механической
обработки.
12.2. Н ОРМ АЛИЗАЦ ИЯ
Нормализацию чаще всего применя­
ют как промежуточную операцию для
смягчения стали перед обработкой реза­
нием, для устранения пороков ее строения
и общего улучшения структуры перед за­
калкой. Эту операцию используют и как
окончательную обработку средне- и высо­
коуглеродистых доэвтектоидных сталей.
Структура и физико-механические свой­
ства нормализованной стали зависят от
скорости охлаждения.
Исследования магнитных, электриче­
ских и механических свойств сталей марок
10, 20, 35, 45, 10сп, 12Х1МФ, ШХ15,
18ХНВА
и
20Х2Н4А,
12Х2МФСР,
20Г1ФЛ, ЗОХЗМФ в сопоставлении с мик­
роструктурой изделий показали возмож­
ность определения прочностных свойств
(твердости, пределов прочности и текуче­
сти) указанных сталей по значению коэр­
цитивной силы.
12.3. ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
Закалка - процесс термической обра­
ботки, наиболее распространенный способ
упрочнения изделий. Суть ее состоит в на­
греве до температур в интервале а -> у-превращений и выше, выдержке при этих
температурах и последующем охлаждении
со скоростью выше критической. Резуль­
татом закалки является получение нерав­
новесных структур мартенсита, а также
продуктов распада аустенита по промежу­
точной ступени - бейнита и троостита.
Основные факторы, влияющие на
структуру закаленной стали, - температу­
ра нагрева под закалку (Г**), время вы­
держки при закалке и скорость охлажде­
ния.
Температура нагрева для углероди­
стых сталей определяется диаграммой
железо-углерод. Температуры закалки
доэвтектоидных сталей на 30 ... 50 °С вы­
ше точки Асз, а для заэвтектоидных сталей -
IS4
^ ! 1 ^ л и я Ние
на 30
" Г JVJ . . . 5 0 ос В1
------- - ^ Л Ц УкТУР
3^ - У т е р 0дЫ сВпр Тем-Т°тодиаС,1р” екотоРЬ1Й
1 »
" Г Г
“ -
-
В ыбор темпеоат^ МпеРатУРах.
ни выдержки сильн^ йл Закалки и времетерм ической обработки и зГ Н~ качество
вавш ийся при HameRp ИзДелии. Образоправило, неоднороден д ^ " Т ы ^ ' Как
Ж
р?
в Г
’Щ
B
»
: : H
Вяз-
ГаяИТ к На
стРу4
“
у м ^ Тен°сС
Л
Д^ Щ“ ' « В *
закалке. Поскольку основнГ^''00’' при
ным элементом, , °™°™ЫМ Ш Ё
Р а з р у ш е н и е в ы с о к о п р о ч н Х Г я Г 0”
СЯ мартенситный пакет v U
Ляет_
' 1 ' 1 1
р « м е р о 3в РНа ауСТеНИТа и с< > о т в ^ е ш о
углепопя
РНа ЦеМСНТИТа’ содержание размеров мартенситных кристаллов и па­
У лерода выше, чем там, где находились кетов сопровождается одновременным
пластинки феррита. Чтобы ликвидировать повышением прочности, пластичности и
эту неоднородность, необходимо нагреть сопротивления хрупкому разрушению.
В л и я н и е исходной структуры стали
сталь
выше температуры перлитном о ж н о п р о сл ед и ть на примере высокоуг­
аустенитного превращения и сделать вы­
инструментальны х и подшип­
держ ку при этой температуре для завер­ лнеиркоодвиысхт ы хстал
ей . Наличие в исходной
ш ения диффузионных процессов внутри с т р у к т у р е стал и 111X15 однородного мел­
аустенитного зерна.
к о п л а с т и н ч а т о г о перлита приводит к об­
Если температура будет недостаточ- р а з о в а н и ю в процессе закалки бесструк­
но высокой (недогрев при закалке), то ос­ т у р н о г о м ар тен си та с грубым строением.
тан ется большое количество нерасгворен- П р и э т о м возм ож н о сохранение кар иднои
гр т к и п о и ее наличии до закалки.
НЫх карбидов. Твердый, Р ^ Д д ны х
п е г и о у ю ш и м и эле«Щ углеродом и легирую ^ ^ g a ,.
обедн ен
л еги р 0ванных сталей),
м е н т а м и (в с л у
что в некоторых
Э т о п ри ведет к J
’ участках мартен-
~
z
- z
s
=
z
s
та в мартеисит заклю
=
-
ра. Оно
Ssssg Sssss?
Д
у е т с я
. ‘^ ^ „ ы
п о н и * *
силы и
которой
^_ - кт®
РэрцИТивнойЕсли
ДЛЯ
K
O
I
U
F
к
о
э
р
Ц
И
!»
—
о бъ
бъТЛЯ
ч е н и я твер рГО сопротивлен
будет дос.
электричес
ем
¥11еГОся троост
образоваВ
| Ш
ЛлГТы и о И ,т о ’
1
И
можно
„истики,
Ш
вЙ 31
^ V
нИТНые и
0 измерь
Ж
м
*
„ « Я »
расстояния)
я4ем атомы У
Д * 1 0 7
. . „ „ в а н * » *
s ^
^гоЛЬ*аТ®*
да> м .
гране-
i
0ИД°
т е Т р
1вЫй
s s - ^
^ г е Р п еР есТР
р ацстер
«ж £ * 4 Я И 1
S P -""
смеш ением а
го м е* а т0мн
-
r ' S S S ' S S S s S S
на ^
я P H
к а р б и Д оВ
з е р * 3*
b rs s s ^ s s s »
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
явление больших упругих деформаций
при росте мартенситных кристаллов.
Вследствие малых величин смещения
атомов (порядка 0,01 нм) при сохранении
когерентности решеток аустенита и мар­
тенсита время образования мартенситных
кристаллов очень мало и в зависимости от
размеров кристаллов изменяется в преде­
лах (0,5 ... 5,7)10-7 с, при этом скорость
роста кристаллов может достигать 1 км/с.
Рост кристалла мартенсита прекращается
вследствие достижения напряжениями при
упругих деформациях такого значения,
при котором происходит их релаксация.
При этом когерентное сопряжение реше­
ток фаз на границе раздела нарушается и
кристалл мартенсита обособляется, но
сохраняется упругая деформация со сто­
роны внешних по отношению к нему сил.
Превращение аустенита в мартенсит
происходит при скоростях охлаждения,
больших так называемой критической
скорости закалки, и при переохлаждении
стали в некотором интервале температур.
Верхняя граница температурной области
называется точкой начала МИ, а нижняя точкой конца Мк мартенситного превра­
щения. Положение этих точек определяет­
ся содержанием углерода и легирующих
элементов в аустените. Выдержка при
температуре Мк < Т < М„ вызывает стаби­
лизацию аустенита, поэтому для дальней­
шего протекания мартенситного превра­
щения необходимо переохлаждение стали
на несколько десятков градусов. Причи­
нами стабилизации аустенита являются
релаксация напряжений в аустените и
возможное перераспределение углерода
при остановке охлаждения.
Увеличение содержания углерода в
стали сопровождается снижением мартен­
ситных точек М„ и Мк. При содержании в
стали углерода свыше 0,5 % мартенситное
превращение при охлаждении до комнат­
ной температуры не заканчивается и в
стали сохраняется некоторое количество
155
остаточного аустенита. Объем остаточно­
го аустенита растет с увеличением содер­
жания углерода в стали и определяется
положением мартенситной точки и ходом
мартенситной кривой. Даже при охлажде­
нии до температур ниже точки Мк в стали
может сохраниться непревращенный аустенит.
Присутствие легирующих элементов,
растворенных в аустените (за исключени­
ем алюминия и кобальта), понижает точки
М„ и Мк и способствует увеличению коли­
чества остаточного аустенита, что приво­
дит к некоторому снижению твердости и
других механических свойств стали, а
также ухудшению тепловых и магнитных
характеристик.
Увеличение скорости закалки сверх
критической приводит к небольшому воз­
растанию твердости в связи с подавлением
явлений самоотпуска и практически не
влияет на магнитные и электрические
свойства сталей. Снижение скорости ох­
лаждения ниже критической обусловлива­
ет образование промежуточных структур
(сорбит, троостит, перлит), которые имеют
разные механические, магнитные и элек­
трические свойства.
Большое влияние на физические
свойства закаленной и отпущенной стали
оказывают внутренние микронапряжения,
величина которых, особенно в закаленной
стали, может быть значительной.
Рассмотренные выше факторы опре­
деляют структурное состояние, фазовый
состав и, следовательно, прочностные,
магнитные и электрические свойства ста­
ли после закалки. Условно по характеру
зависимости магнитных свойств от темпе­
ратуры закалки можно выделить три
группы сталей: первые две группы обра­
зуют доэвтектоидные и заэвтектоидные
углеродистые, низколегированные конст­
рукционные стали; к третьей группе мож­
но отнести высоколегированные стали и
стали специального назначения.
156
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
12.3.1. Доэвтектоидные углеродистые и
низколегированные конструкционные
стали
В,1л
Закалка на мартенсит существенно
изменяет физические свойства сталей.
Повышение плотности дислокаций, степе­
ни тетрагональности решетки мартенсита
приводит к значительному увеличению
внутренних микронапряжений и, как след­
ствие этого, к росту эффективной магнит­
ной анизотропии (магнитной жесткости).
Это можно проследить на примере кривых
намагничивания стали 34XH3M (рис.
12.2), которые с повышением температуры
закалки образцов становятся более поло­
гими. Существенные изменения претерпе­
вает магнитная проницаемость ц. При
низких температурах аустенизации в про­
цессе закалки в стали образуется неболь­
шое количество мартенсита или он вооб­
ще отсутствует, поэтому магнитная про­
ницаемость стали сохраняет свое высокое
значение. С повышением температуры
аустенизации магнитная проницаемость
закаленной стали начинает снижаться.
128 Я(,А/см
Рис. 12.2. Кривые намагничивания и
проницаемости тороидальных образцов из
стали 34XH3M, закаленных от разных
температур, °С:
1 - 700; 2 - 725; 3 - 750; 4 - 800; 5 - 850;
б - 900 (закалочная среда - масло при t = 20 °С)
Рис. 12.3. Петли частного цикла магнитного гистерезиса (Втп »1,0 Тл)
для тороидальных образцов из стали 34XH3M, закаленных от разных температур
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
Рис. 12.4. Зависимости магнитострикции
закаленных образцов из стали 34XH3M
от индукции и магнитострикции,
измеренной при В = 1,4 Тл, от температуры
закалки, °С:
У- 700; 2 - 750; 3 - 800; 4 - 850; 5 - 900
Появление в стали мартенситной
структуры сопровождается расширением
петель магнитного гистерезиса (рис. 12.3);
потери энергии на перемагничивание Рг и
коэрцитивная сила возрастают более чем в
2 раза, а остаточная индукция снижается.
Относительное изменение остаточной ин­
дукции меньше, чем коэрцитивной силы и
потерь энергии на перемагничивание.
Характер изменения магнитострик­
ции закаленной стали (рис. 12.4) аналоги­
чен характеру изменения магнитострик­
ции монокристаллов железа в направле­
нии [ 110], но по абсолютному значению
она меньше. Кривые магнитострикции
имеют максимум, который соответствует
примерно 0,7М„ в то время как для иде­
ального поликристалла максимум магни­
тострикции соответствует 0,885 М, При­
чина смещения максимума не установле­
на, но, по-видимому, оно обусловлено на­
личием сильных внутренних напряжений,
существованием областей микропластиче-
157
ских деформаций в стали, подвергнутой
термической обработке, а также магнит­
ным взаимодействием зерен или различ­
ных по магнитным свойствам участков
ферромагнетика, что может привести к
развитию процессов вращения задолго до
окончания процессов смещения в ферро­
магнетике. Следует отметить, что величи­
на магнитострикции, измеренной при од­
ном значении индукции (В - 1,4 Тл), с
появлением в структуре стали мартенсита
снижается.
Закономерности изменения физиче­
ских свойств в зависимости от температу­
ры закалки сталей, содержащих различное
количество углерода и других легирую­
щих элементов, имеют много общего. В то
же время при разработке методики кон­
троля качества закалки изделий из стали
конкретной марки необходимо учитывать
существующие различия.
12.3.2. Конструкционные углеродистые
качественные стали
Рис. 12.5 отражает закономерности
изменения
магнитных,
электрических
свойств и твердости сталей этой группы
при вариации температуры закалки. Физи­
ко-механические свойства сталей в зави­
симости от температуры закалки наиболее
существенно изменяются в интервале от
750 до 820 ... 850 °С. Границы данного
интервала зависят от границ температур­
ного интервала, определяемого точками
Ас\ и Лсз исследуемых сталей. Относи­
тельное изменение коэрцитивной силы,
поля максимальной магнитной проницае­
мости Ни тах и удельного электрического
сопротивления р тем больше, чем выше
содержание углерода в стали. Отсутствие
изменений физико-механических свойств
в интервале температур закалки 700 ...
750 °С объясняется тем, что при относи­
тельно быстром нагреве под закалку и
небольшом времени выдержки, даже
при температурах, несколько больших Ach
TeMneP > ^ 3at
Растет.
*ани *
850
Раств°ре и р; да 8 4 ^ ЫШе"»е« с„. '
чества 7 “ По»ЗДенИе * Ыче«"ом
ni
Статочнпп
м некотпЛл
еРДом
^аТУРе выЩе о„ 0 аУстеннта n
Koj»iи HRC п„! 00 - 850 V , При темпе.
! § ■ Я
Н
не и з м е ^ й * »
®есь Углерод „ 5 ? Тем"ерат,раГ,СЯ' Ш
ДрИсутСтйиа
Р *°ДИТ В Твепл л
аустенита
количества
Темпе-
эФ Ф езд в н Т м ™ н в д Г °Г И" " аведеввм
лн « мартенснтной стру1с г ^ ^ Р0П,и ста‘
ЗДественво в ы ш е ? с* 0ИЗЫаает-
Рис. 12.5. Зависимости физико­
м ехан и ч еск и х характеристик сталей марок
3 0 (7), 45 (2) и 50РА (J) от температуры
зак ал к и (закалочная среда - масло при
/ = 20 °С)
превращение перлита в аустенит не происходит и при охлаждении мартенсит не
“^ у в е л и ч е н и е м в
ли чества маРтен“ ” " З а к а л к и 800 ...
растает.
п Р ^ аех максимальномакснмальноpaci*№ *- -При
г - т е м постигает
8 5 0 ° С т в е р д о с т ь д о с т и г меняется Намаг.
изменего значения и Д » ? ? . отражает измене
ниченность насыш
м составе ста
а происходящие В фаз
5) в интерва
" '“ сн и ж ен и е М, (см- Я £ „ с связано с по-
ЛИ- с н и ^
ле т е м п е р а т у ^ ^
^
«, стали
закал ен н о й ^.
- р е Т
^ ^ Г
в о Г
му в соответствии с теорией напряжевий
коэрцитивная сила закаленной стали будет
расти с увеличением в ней количества уг­
лерода. Наибольшее относительное уве­
личение Нс наблюдается для небольших
концентраций (до 0,4 %) углерода.
К ром е указанных факторов на значе­
н и е коэрцитивной силы закаленной стали
м о ж ет влиять степень магнитного взаимо­
д ей стви я кристаллов мартенсита между
собой, которая зависит от содержания ос­
таточ н ого аустенита в стали. Присутствие
5
“
*
=
сталей »
ческое сопротивление
- - =
-------
у
=
Увеличить коэр-
тного значения л с.
д^родсолю ^
^
м д а г таюи и неоди
мар1еясита.
«алей от
0С и выше не изм«»
Закалка
дао...
мап)1Пцые
чески
S s s js S S & s
параметры Р
ЯВЛеНоЯЧнМого аустеннта. УД«Л повыШснием
=
« м ^м ьш приводит
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
зируются, внутренние напряжения и плот­
ность дислокаций достигают максималь­
ных значений и, следовательно, наведен­
ная эффективная магнитная анизотропия
становится постоянной. Последующий
отпуск, предусмотренный технологией из­
готовления изделий, уменьшает различие
физических свойств сталей, закаленных в
диапазоне температур 700 ... 900 °С.
12.3.3. Конструкционные
легированные стали
Хромистые стали. Наиболее широко
используется в машиностроительной про­
мышленности сталь 40Х. На ее примере
рассмотрим закономерности изменения
физико-механических свойств хромистых
сталей при вариации температуры закал­
ки. По сравнению с углеродистыми хро­
мистые стали обладают более высокими
прочностными свойствами. Физические
свойства закаленных хромистых и углеро­
дистых сталей изменяются аналогично
(рис. 12.6, а). Присутствие в стали до 1 %
хрома приводит к незначительному сни­
жению намагниченности насыщения М, и
повышению удельного электрического
сопротивления р. Вследствие хорошей
растворимости хрома в железе значение
коэрцитивной силы мало отличается от Нс
углеродистых сталей. В зависимости от
изменений значений точек Ас\ и Acj при
вариациях содержания легирующих эле­
ментов в стали, а также времени нагрева и
выдержки при аустенизации границы тем­
пературного интервала, в котором наблю­
дается наибольшее изменение физических
свойств, могут смещаться. Отпуск при
430 °С уменьшает различие физических
свойств закаленных и незакаленных об­
разцов стали 40Х.
Хромокремнистые стали. Хромистая
сталь, легированная кремнием, имеет
ббльшие значения р и меньшие значения А/,
намагниченности насыщения (рис. 12.6, б),
поскольку его присутствие в стали повы­
шает содержание остаточного аустенита.
После закалки сталей 38ХС и 40ХС на
159
мартенсит наблюдается увеличение коэр­
цитивной силы по сравнению со сталью
40Х, но закономерности изменения маг­
нитных свойств хромистых и хромокрем­
нистых сталей практически одинаковы.
Хромокремневолъфрамовые стали в
основном используются для изготовления
ударного инструмента. Закономерности
изменения физических свойств от темпе­
ратуры закалки для стали 50ХВС
(рис. 12.6, в) качественно совпадают с за­
кономерностями, наблюдаемыми для ста­
лей 38ХС и 40ХС. Смещение интервала
АС1~АС3 в область меньших температур
сопровождается смещением области наи­
более интенсивного изменения магнитных
свойств в диапазон температур 780 ...
840 °С. В отличие от хромистой стали це­
ментит в стали 50ХВС более легирован,
что, по-видимому, приводит к некоторой
задержке его растворения при аустениза­
ции.
Растворение легированного цементи­
та при температурах аустенизации выше
840 °С сопровождается повышением со­
держания в у-фазе углерода и других ле­
гирующих элементов. В результате этого в
стали после закалки увеличивается коли­
чество остаточного аустенита, о чем сви­
детельствует рост удельного электриче­
ского сопротивления при Т1ак = 850 ...
1000 °С. Низкотемпературный отпуск при
220 °С к существенному изменению зако­
номерностей физических свойств не при­
водит.
Хромомолибденовые и хромоникеле­
вые стали. Присутствие в хромистой ста­
ли молибдена может вызвать некоторое
уменьшение намагниченности насыщения
и несколько повысить магнитную жест­
кость стали в исходном состоянии. В це­
лом закономерности изменения физико­
механических свойств сталей ЗОХЗМФ и
35ХМ (рис. 12.6, г) в зависимости от тем­
пературы закалки аналогичны закономер­
ностям, наблюдаемым для хромистых ста­
лей.
аВа 12. В Л И Я Н И Е СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
'О---- {>
600
р , М КО М 'СМ
— fr30
400
р__мкОм-см р, мкОм*см
'- г 0* —*44
301“
р
Н , А /см
" ---- о —
25 -
max
max
мкОм-см
мкО м*см
29 h
Н , А /с м
С2 5 к о ^
Рис. 12.6. Зависимости физико-механических
характеристик различных сталей от температуры закалки:
а - 40Х ; б - 40ХС; в - 50ХВС; г - 35ХМ; д - 17ХН2 (/), 17ХНЗМА (2), 20ХНЗА (5);
е —45ХН (закалочная среда - масло при t = 20 (а-д) и (40 ± 5) °С (е))
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
Хромоникелевые, а также хромомо­
либденовые стали с содержанием углерода
до 0,2 % находят широкое применение для
изготовления изделий, подвергаемых по­
верхностному упрочнению путем цемен­
тации. Для сталей 20ХНЗА, 17ХЗМА
(рис. 12.6, д) изменение физико-меха­
нических свойств происходит в относи­
тельно узком диапазоне температур: Гзак =
= 700 ... 750 °С, поскольку интервал Ас\-Ад
примерно соответствует 720... 770 °С. У ста­
ли 17ХН2 (рис. 12.6, д) интервал Ас\-А сз
шире (720 ... 840 °С), поэтому диапазон
изменения коэрцитивной силы и твердо­
сти расширяется до температуры 820 °С.
Отпуск при температуре 180 °С на 5 ... 10 %
снижает значения Нс и р, не изменяя зна­
чений HRC и М„.
Для стали 45ХН (рис. 12.6, ё) интер­
вал АС\-А С1 очень узок (740 ... 755 °С),
поэтому все исследованные физико­
механические свойства интенсивно меня­
ются в интервале Т щ = 700 ... 740 °С, а
далее остаются постоянными. Отпуск на
570 °С образцов, закаленных от различных
температур, приводит к сглаживанию раз­
личия между закаленным и незакаленным
состояниями стали.
Хромокремнемарганцевые стали ши­
роко распространены в машиностроении,
поэтому их физические свойства были
неоднократно исследованы в целях разра­
ботки неразрушающих методов контроля
качества термической обработки. Харак­
тер изменения физических свойств сталей
25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА (рис. 12.7), а
также стали 20ХГСНМ практически такой
же, как и для хромокремнистых сталей.
Следует отметить, что в сталях с неболь­
шим содержанием углерода (20ХГСНМ,
25ХГСА) область температур, где проис­
ходит наибольшее изменение физических
свойств, несколько шире по сравнению со
сталью 35ХГСА, содержащей большее
количество углерода. Увеличение содер­
жания углерода сопровождается также
некоторым повышением коэрцитивной
силы, удельного электрического сопро6 - 3360
161
Л/в• 10'2,’ А/см
Рис. 12.7. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
25ХГСА (/), ЗОХГСА (2), 35ХГСА (3)
от температуры закалки
(закалочная среда - масло при t = 20 °С)
тивления, твердости и снижением намаг­
ниченности насыщения.
Хромоникельмолибденовые стачи с
содержанием углерода до 0,2 % и стали, в
которых молибден заменен вольфрамом,
могут закаливаться как в масле, так и на
воздухе, что приводит к некоторому раз­
личию физических свойств. Так, у стали
18ХНМА, закаленной в масле, кривые
коэрцитивной силы, поля максимальной
магнитной проницаемости, твердости и
индукции насыщения идут выше. Отпуск
на 560 °С выравнивает различие физиче­
ских свойств закаленной и незакаленной
стали, однако для образцов, закаленных на
воздухе, характерно сохранение большей
магнитной жесткости.
В стали 18Х2Н4ВА, в которой мо­
либден заменен вольфрамом, наблюдается
некоторая особенность в характере изме-
162
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
А/-10-2,А/см
в
9
Рис. 12.8. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
12Х2НВФА (/) и 18Х2Н4ВА с исходными
структурами:
точечный и зернистый перлит + мелкий
феррит (2) и зернистый перлит + мелкий
феррит (J) от температуры закалки (закалочная
среда - масло при t = 20 °С)
нения
намагниченности
насыщения
(рис. 12.8), заключающаяся в появлении
минимума Ms в области температур 825 ...
875 °С. Исследования показали, что в об­
разцах, закаленных от 850 °С на воздухе,
содержится до 17 % остаточного аустени­
та, который устойчив против охлаждения
до температур жидкого азота (сохраняется
до 14%). При закалке на воздухе в стали
А/ТО'2, А/см
Рис. 12.9. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
34XH3M (/) и 40ХН2М (2) от температуры
закалки (закалочная среда —масло
при t = 20 °С)
содержится остаточного аустенита на 2 ...
4 % больше, чем при закалке в масле. Не­
большой минимум Bs при 7’зак = 780 ...
850 °С наблюдается и для стали 18ХНМА
(причины образования минимума Ms об­
суждаются ниже). Различия в исходной
структуре стали 18Х2Н4ВА оказывают
заметное влияние на структурно-чувствительные магнитные характеристики при
= 7 0 0 ... 875 °С.
Стали 34XH3M и 40ХН2М (рис. 12.9)
по закономерностям изменения магнит­
ных, электрических свойств и твердости
163
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
о)
б)
Рис. 12.10. Зависимости физико-механических
характеристик сталей от температуры закалки:
а - 20ХФНА (/) и 30ХН2МФА (2); 6 - 45ХНФМА (закалочная среда - масло
при t = 20 (а) и (30 ± 2) °С (б))
от температуры закалки близки к сталям
35ХМ и 45ХН. Представляет интерес из­
менение потерь энергии на перемагничи­
вание в зависимости от температуры за­
калки. В слабых магнитных полях
(Smax = 0,05 Тл) потери энергии на пере­
магничивание с увеличением температуры
закалки убывают, в средних (Вши = 1,0 Тл)
имеют закономерности, аналогичные за­
кономерностям изменения Нс от Т ^ ; в
сильных магнитных полях (Bmtx - 1,9 Тл)
они опять убывают.
Хромоникелъмолибденованадиевые и
хромоникелъванадиевые стали. Стали с
небольшим содержанием углерода, на­
пример 20ХНФА, используют для изго­
товления изделий, которые поверхностно
упрочняют путем цементации. Сталь об­
ладает небольшой прокаливаемостью, и из
нее изготовляют небольшие по размерам
6*
изделия. Наиболее сильные изменения
физические свойства претерпевают при
Г,»* = 650 ... 750 °С (рис. 12.10, а). После­
дующий отпуск при 590 °С несколько
сглаживает различие свойств в зависимо­
сти от температуры закалки, но для мак­
симальной магнитной проницаемости,
ударной вязкости и твердости сохраняется
довольно значительное их изменение.
Характер
изменения
магнитных,
электрических свойств и твердости стали
30ХН2МФА в зависимости от температу­
ры закалки не имеет существенных отли­
чий от закономерностей, присущих конст­
рукционным легированным сталям, рас­
смотренным ранее. Основные изменения
физических характеристик наблюдаются в
области Гзак = 700 ... 800 °С. Минимум на
кривых М,(Тт ) при 750 °С (см. рис. 12.10, а)
свидетельствует о том, что образовавшийся
164
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
М ; К)'2, А/см
свой рост до Тл„к = 950 °С, что свидетель­
ствует о довольно широкой температур­
ной области растворения карбидов вана­
дия. Для М в области
= 740 ... 780 °С
может наблюдаться минимум, глубина
которого зависит от исходной структуры и
скорости охлаждения при закалке. Для
образцов из стали 45ХНМФА характерно
сильное влияние исходной структуры на
физические свойства закаленной стали.
Кремнемарганцевомолибденовые ста­
ли. Для стали 18СГМ (рис. 12.11) характерна
Рис. 12.11. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
18СГМ (2), 23СГМ (2) и 35СГМ (5) от
температуры закалки (закалочная среда масло при / = 20 (/, 2) и 35 °С (3))
аустенит устойчив при мартенситном пре­
вращении. Высокотемпературный отпуск
при 680 °С приводит к выравниванию
свойств закаленного и незакаленного со­
стояний.
Кривые изменения магнитных и элек­
трических свойств, а также твердости ста­
ли 45ХНМФА приведены на рис. 12.10, б,
из которого следует, что в основном фи­
зические характеристики, достигнув при
Тик = 780 ... 800 °С некоторого значения,
далее изменяются несущественно. Такие
параметры, как коэрцитивная сила, поле
максимальной проницаемости и твер­
дость, при нагреве до Тшк = 800 °С возрас­
тают, а затем незначительно умень­
шаются. Кривые изменения р продолжают
широкая область изменения физических
свойств в диапазоне
= 750... 900 °С, что
обусловлено большим интервалом темпе­
ратур между критическими точками Ас\ и
Асз. С повышением содержания углерода в
сталях 23СГМ и 35СГМ интервал крити­
ческих температур сужается, поэтому су­
жается и область, в которой происходят
основные изменения физических свойств.
Для указанных сталей характерно сущест­
вование минимума намагниченности на­
сыщения на кривых М5, о котором упоми­
налось ранее для других сталей. Местопо­
ложение минимума зависит от содержания
углерода в стали. Для стали 18СГМ он
приходится на Ти* = 900 °С, для сталей
23СГМ и 35СГМ - на 800 °С. Для стали
35СГМ, с наибольшим количеством ау­
стенита, в области температур образова­
ния минимума Ms наблюдаются уменьше­
ние термоЭДС и небольшое возрастание
значения р.
Для хромалюминиевых и хромалюминиевых с молибденом сталей, например
для стали 38Х2МЮА, изменение физиче­
ских свойств характерно до температуры
Т’зак = 860 °С, превышение которой не от­
ражается на изменениях свойств, что сви­
детельствует о нечувствительности этой
стали к перегреву.
12.3.4. Рессорно-пружинные стали
Рессорно-пружинные стали характе­
ризуются высоким временным сопротив­
лением разрыву в сочетании с высоким
пределом текучести. По химическому со­
ставу эти стали делятся на две группы -
165
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
А/ТО'2, А/см
Ряг Вт/кг
Pgq, Вт/кг
HRC
б)
Рис. 12.12. Зависимости физико-механических характеристик
сталей 60С2А (/) и 65Г (2) от температуры закалки (закалочная среда - масло
при f = 20 (/) и 30 °С (2))
углеродистые и легированные. В углеро­
дистых сталях с содержанием углерода
0,65 ... 0,85 % после окончательной тер­
мической обработки а , < 1150 МПа, а
Сто.2 5 800 МПа. В легированных рессорно­
пружинных сталях с повышением содер­
жания углерода ств достигает 1900 МПа, а
сто.2 = 1700 МПа.
Марганцевые стали. Прочностные
свойства и показатели пластичности мар­
ганцевых сталей такие же, как и углероди­
стых сталей, используемых для изготовле­
ния пружин, но легирование марганцем
позволяет получать более высокую прокаливаемость. Небольшое содержание мар­
ганца в этих сталях незначительно влияет
на физико-механические свойства, поэто­
му изученные закономерности их измене­
ния от температуры закалки (рис. 12.12, а)
аналогичны наблюдаемым для доэвтекто­
идных углеродистых сталей.
Кремнистые стали.
Содержание
кремния в стали повышает временное со­
противление разрыву и в большей степени
предел текучести. Недостатком этих ста­
лей является их повышенная склонность к
обезуглероживанию. Максимальное изме­
нение их физических свойств соответству­
ет ГтК = 780 ... 820 °С (см. рис. 12.12, о).
При Tw = 800 ... 820 °С для намагничен­
ности насыщения наблюдается минимум,
обусловленный стабилизацией аустенита
166
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
при мартенситном превращении. В стали
60С2А содержится большее количество
остаточного аустенита по сравнению со
сталью 65Г. Повышение температуры за­
калки (Г,ак = 820 ... 850 °С) не приводит к
существенному изменению физико-меха­
нических свойств. Как и в случае стали
34XH3M, наблюдается различный харак­
тер изменения потерь энергии на перемагничивание в слабых, средних и сильных
магнитных полях (рис. 12.12, б).
Характер изменения физических
свойств хромомарганцевой стали 50ХГ
практически такой же, как и у марганце­
вой стали 65Г (см. рис. 12.12, а).
12.3.5. Заэвтектоидные углеродистые
и легированные стали
Углеродистые стали. Инструмен­
тальные высококачественные углероди­
стые стали У7А-У13А и качественные
У7-У13 применяют в основном для изго­
товления инструмента и простых штам­
пов.
При Т'зац = 700 ... 800 °С для заэвтектоидных и эвтекгоидных сталей (рис. 2.13,а)
характерно такое же поведение коэрци­
тивной силы, электрического сопротивле­
ния, поля максимальной магнитной про­
ницаемости, потерь энергии на перемагничивание, измеренных при средних ам­
плитудах индукции (В = 0,3 ... 1,0 Тл), как
и для доэвтектоидных сталей. Увеличение
Гзак эвтектоидной стали У8 выше 850 °С к
изменению Нс, цтах, Ms и р не приводит,
поскольку при этих температурах не на­
блюдается существенных структурных
изменений и фазовых превращений.
В заэвтектоидных сталях У9А, У10 и
У12 закалка от температур выше 800 °С
вызывает неоднозначное изменение маг­
нитных характеристик Нс, PB/f, Нитах. При
Гзак = 800 ... 850 °С указанные магнитные
свойства достигают максимального значе­
ния, а потом убывают. Значение максиму­
ма Нс зависит от содержания углерода в
стали, а его появление обусловлено изме­
нениями относительного объема и дис­
персности включений остаточного аусте­
нита и избыточных карбидов. При опреде­
ленном содержании остаточного аустени­
та и избыточных, не растворившихся при
нагреве карбидов коэрцитивная сила дос­
тигает максимального значения в соответ­
ствии с модельными представлениями о
перемагничивании ферромагнетиков, име­
ющих включения "критического" размера.
Изменение размеров игл мартенсита при
варьировании режима закалки практиче­
ски не влияет на значение коэрцитивной
силы. Ее максимум соответствует пример­
но 12 % содержания остаточного аустени­
та в стали.
Характер изменения величин р и Мь в
зависимости от Гзак определяется количе­
ством углерода в стали. Так, для эвтекто­
идной стали У8 (см. рис. 12.13, а) намаг­
ниченность насыщения снижается при
Гзак = 700 ... 825 °С и далее практически
не изменяется. В сталях У9А, У 10иУ 12с
повышением температуры закалки намаг­
ниченность насыщения убывает (для У9А,
У10 до 7 ^ Щ900 °С, для У12 до 950 °С).
Снижение М„ при увеличении Гшс объяс­
няется тем, что с повышением в сталях
содержания углерода образуется большее
количество остаточного аустенита вслед­
ствие снижения точек начала мартенситного превращения. Значение р, которое в
большей степени зависит от содержания в
стали остаточного аустенита, с повышени­
ем температуры закалки растет. В сталях
У8, У 10 (см. рис. 12.13, а) и У9А оно воз­
растает до Гзак = 825 °С и далее практиче­
ски не меняется, а у стали У 12 значение р
увеличивается во всем интервале ГзакВведение в сталь легирующих эле­
ментов приводит к повышению прочност­
ных свойств, износоустойчивости и ус­
тойчивости сталей к самоотпуску в про­
цессе эксплуатации. На примере несколь­
ких марок рассмотрим закономерности
изменения физических свойств легиро­
ванных сталей при закалке от различных
температур.
167
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
А/-10'2, А/см
а)
б)
Рис. 12.13. Зависимости физико-механических
характеристик углеродистых сталей от температуры закалки:
а - У8 (/), У 10 (2), У 12 (3); б - 9Х (/), 9X2 (2) (закалочная среда - масло при I = 20 °С)
Легированные углеродистые стали.
Из сталей 9Х и 9X2 изготовляют валки
холодной прокатки. Введение в сталь
хрома увеличивает прокаливаемость стали
и придает ей большую твердость. Харак­
тер изменения магнитных свойств сталей
9Х, 9X2 в зависимости от температуры
закалки (см. рис. 12.13, б) имеет неболь­
шие отличия от характера изменения маг­
нитных свойств заэвтектоидных сталей
(см., например, сталь У 12 на рис. 12.13, а).
Максимум Нс в зависимости от Гзвк выра­
жен не так явно, как в заэвтектоидных
углеродистых сталях, и смещен в область
больших температур закалки. Некоторое
снижение твердости стали при Тт > 900 °С
вызвано растворением карбидов хрома и
увеличением количества остаточного ау­
стенита. Низкотемпературный отпуск при
140 °С к существенным изменениям физи­
ческих свойств не приводит.
Хромистые стали применяют в ма­
шиностроении для производства подшип­
ников и в качестве инструментальных ста­
лей. Для производства подшипников пре­
дусмотрено использовать стали ШХ6,
ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ. Сталь ШХ15СГ
обладает наименьшей критической скоро­
стью охлаждения и наибольшей прокаливаемостью, поэтому ее используют для
изготовления массивных изделий.
168
Глава 12. ВЛИЯЬЩь
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
МАО'2, А/см
19,2 I*
750
I_____ ■
850 950
■
1050 Тза*’ °С
Рис. 12.14. Зависимости физико­
механических характеристик стали
ШХ15СГ от температуры закалки для
разных исходных структур:
1 - крупнозернистый перлит; 2 - зернистый
перлит; 5 - зернистый перлит с карбидной
сеткой; 4 - грубопластинчатый перлит с
карбидной сеткой; 5 - пластинчатый перлит
(закалочная среда - масло при / = 20 °С)
В характере зависимости магнитных
свойств подшипниковых сталей LUX 15 и
ШХ15СГ (рис. 12.14) от температуры за­
калки много общего с поведением рас­
сматриваемых свойств при закалке угле­
родистых заэвтектоидных сталей. По­
скольку в сталях ШХ15 и ШХ15СГ при­
сутствует хром и марганец, температура
начала мартенситного превращения зави­
сит не только от содержания углерода в
аустените, но и от содержания легирую­
щих элементов. Увеличение их содержа­
ния в твердом у-растворе по мере повы­
шения температуры аустенизации снижает
точку начала мартенситного превращения,
и при Гзак = 980 °С для стали ШХ15 она
соответствует 110 °С. Дальнейшее увели­
чение температуры аустенизации на ход
мартенситного превращения не влияет,
поскольку состав аустенита становится
тождественным марочному и далее не из­
меняется. Снижение точек М„ и Мк сопро­
вождается увеличением в стали остаточ­
ного аустенита, количество которого не­
прерывно растет при нагреве под закалку
до 1000 °С и далее не меняется.
Физико-механические свойства зака­
ленных сталей ШХ15 и ШХ15СГ опреде­
ляются присутствием в стали таких струк­
тур, как мартенсит, избыточные карбиды и
остаточный аустенит. Появление в стали
мартенсита приводит к повышению твер­
дости, коэрцитивной силы, поля макси­
мальной
магнитной
проницаемости,
удельного электросопротивления и к сни­
жению остаточной индукции, максималь­
ной индукции, измеренной в поле
560 А/см, начальной и максимальной маг­
нитных проницаемостей. Увеличение со­
держания остаточного аустенита влияет на
процессы перемагничивания закаленной
стали, так как коэрцитивная сила и поле
максимальной магнитной проницаемости
при определенных его количествах и сте­
пени дисперсности, в соответствии с тео­
рией включений, достигают максимально­
го значения и далее уменьшаются (см.
рис. 12.14). Увеличение количества оста-
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
точного аустенита сопровождается сниже­
нием твердости, причем для стали
ШХ15СГ твердость, коэрцитивная сила, а
также поле максимальной магнитной про­
ницаемости при нагреве снижаются гораз­
до больше, чем для стали ШХ15, так как в
этой стали содержится большее количест­
во остаточного аустенита.
Следует отметить необычный ход
намагниченности насыщения и макси­
мальной магнитной проницаемости в об­
ласти сильного перегрева при закалке:
выше 1000 °С значения Ms и цмах возрас­
тают, что свидетельствует о протекании
фазовых превращений, возможно связан­
ных с уменьшением количества остаточ­
ного аустенита в стали. Удельное электри­
ческое сопротивление растет по мере уве­
личения Гзак (см. рис. 12.14). Предпола­
гаемое уменьшение количества остаточно­
го аустенита в стали при высоких темпе­
ратурах закалки практически не оказывает
влияния на значение р.
Низкотемпературный отпуск при
150 °С, не меняя характера зависимости
физических свойств от температуры за­
калки, вызывает снижение коэрцитивной
силы и повышение максимальной магнит­
ной проницаемости на 10 ... 15 %. Намаг­
ниченность насыщения и твердость изме­
няются мало. Физико-механические свой­
ства закаленной стали во многом зависят
от исходной структуры металла перед за­
калкой, особенно от состояния карбидной
фазы, которая определяет размеры зерна
при аустенизации и степень насыщения
твердого раствора углеродом и легирую­
щими элементами. По условиям поставки
горяче- и холоднокатаные стали ШХ15 и
ШХ15СГ должны иметь структуру одно­
родного мелкодисперсного перлита, кото­
рой соответствует твердость НВ 179 ...
207 (для ШХ15СГНВ 179... 217).
При исходной структуре мелкозерни­
стого перлита закаленная сталь приобре­
тает высокие упругие и пластические
свойства в сочетании с относительно
большой вязкостью. Исследованиями ус­
169
тановлено, что исходная структура влияет
на магнитные, электрические и механиче­
ские свойства сталей Ш Х15 и Ш Х15СГ до
закалки (табл. 12.1) и после нее
(см. рис. 12.14). Для всех исходных струк­
тур максимум Нс наблюдается в интервале
нормальных температур закалки, но он
возрастает по абсолютному значению при­
мерно на 20 % и смещается в сторону
более низких температур закалки при на­
личии в исходной структуре стали пла­
стинчатого перлита. Коэрцитивная сила и
максимальная магнитная проницаемость
наиболее чувствительны к исходной
структуре при недогреве.
Таким образом, магнитные и механи­
ческие свойства сталей зависят от раство­
римости карбидных частиц разной формы.
При одних и тех же условиях нагрева пла­
стинчатые карбиды, обладая большой
площадью поверхности, растворяются
быстрее, затем растворяются мелкозерни­
стые и только потом крупнозернистые
карбиды. Присутствие в стали участков
мелкопластинчатого перлита приводит к
появлению на их месте после закалки уча­
стков игольчатого мартенсита, что будет
соответствовать структурам перегрева. И
наоборот, наличие в исходной структуре
крупнозернистого перлита приведет к об­
разованию после закалки троостита (недогрев при закалке).
Помимо исходной структуры и тем­
пературы аустенизации на магнитные,
электрические свойства и твердость влия­
ет также время выдержки при аустениза­
ции. Увеличение длительности аустениза­
ции эквивалентно повышению температу­
ры аустенизации, что оказывает дополни­
тельное влияние на многие физические
свойства. Например, при увеличении вре­
мени аустенизации максимальные значе­
ния Нс и HRC смещаются в область более
низких температур закалки, а при Гш =
= 750 ... 1000 °С увеличивается количест­
во остаточного аустенита.
170
Г д *ьа 12. ВЛИ ЯНИ Е СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
*^*1. Физические свойства сталей ШХ15 (в числителе) и
ШХ15СГ (в знаменателе) в исходном состоянии
М и кр о стр у к ­
ту р а
К руп н озерн и ­
сты й неодно­
родны й
пер­
лит
Зернисты й
однородны й
перлит
Зернисты й
п ер л и т с кар­
бидной
сет­
кой
Г рубопластинч а т ы й п е р л и т с|
к а р б и д н о й сеткои
П ластинча­
ты й перлит
НВ
176±5
187 + 5
191 ± 3
202 ± 3
194±6
205 ± 3
Иmax
м, • 10"2, \ р, мкОм •см1 ТермоЭДС,
А/см
1 (I - 20 °С) 1 уел. ед.
1 7.44 ±0.56 \ 565^ 30 114050 ±50 1 20.9±0.3
1 6,88 ±0,64 1 565 ±35 113790+40 27,6 ± 0,4
Ш±3
45 +3
1 8.8±0.16 I 530±10 I 14050 ±501 20.9±02 1 117±3
1 8,8±0,24 | 550±10 | 13 800 ± 30 27,6 ± 0,33 1 44 ±2
I 9.0±0.66
420±10 14100± 40
I 9,36±0,16 j 420± 10 13 830± 30
212 ±02 I Ю7±3
27,8 ±03 I 39±2
268±5
11.68±0321 220± 5
14220 ± 60 22.8 ±02
85±15
255 ± 10 I 16,64±0,4 j 245± 10 |l4070±10q 28,8±03 I 35±3
2 6 0 ± 10 I 15,76 ±0,56
235± 5
14 000 ±50 29,5 ±0,5
45±3
интервала мартенситного превращения в
зависимости от степени легирования
М е х а н и з м мартенситного превраще­
влияет на количество остаточного аусте­
н и я а у с т е н и т а в легированны х сталях тот
нита в сталях.
ж е , ч т о и в у гл ер о д и сты х , однако кинетика
Хромистые стали. Наиболее распро­
п р е в р а щ е н и й в н и х различается, и в неко­
страненными хромистыми сталями данно­
т о р ы х с л у ч а я х сущ ественно. Легирование
го класса являются стали типа Х13. На
с т а л и э л е м е н т а м и , не образующими кар­
примере стали 20X13 (рис. 12.15) рас­
б и д о в , о к а з ы в а е т количественное влияние
смотрим изменение физико-механических
н а п р о ц е с с ы превращ ения. Они могут ус­
свойств при вариации температуры закал­
к о р я т ь е г о (С о ) и л и замедлять (Ni, Си, AV).
К а р б и д о о б р а з у ю щ и е легирующие элемен­ ки. Оптимальная температура закалки т ы , к р о м е т о г о , вносят качественные из­ 1010 ... 1015 °С. При этих значениях Тт и
м е н е н и я в к и н ети к у изотермического пре­ последующем отпуске сталь приобретает
в р а щ е н и я . Б о л ьш и н ство легирующих эле­ наилучшие механические свойства. Леги­
м е н т о в п о в ы ш а е т устойчивость аустенита рование стали хромом сопровождается
и с н и ж а е т то ч к у начала мартенситного увеличением его содержания в твердом
п р е в р а щ е н и я (за исклю чением Со и А1). В 7-растворе при повышении температуры
л е г и р о в а н н ы х стал ях характер изменения аустенизации, что, в свою очередь, приво­
м а г н и т н ы х св о й с тв от температуры закал­ дит к непрерывному росту количества ос­
к и в о м н о г о м определяется тем, какими таточного аустенита. При этом намагни­
э л е м е н т а м и и в каком количестве легиро­ ченность насыщения уменьшается, а
в а н а с т а л ь . П о н и ж ен и е температурного удельное электрическое сопротивление
12.3.6. Высоколегированные стали
171
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
М-10'2,
Л
* А/см
Рис. 12.15. Зависимости физико­
механических характеристик стали 20X13
двух плавок от температуры закалки:
/ - 0,21 % С, 0,48 % Si, 0,26 % Мп, 12,8 % Сг,
0,21 % N», 0,009 % S, 0,026 % Р; 2 - 0,23 % С,
0,68 % Si, 0Д9 % Мп; 13,1 % Сг. 0,15 % Ni,
0,015 % S, 0,020 % Р (закалочная среда - масло
при / = 60 °С)
растет. Кривая коэрцитивной силы изме­
няется эквидистантно кривой твердости.
Стали Х12Ф1 и Х12М (рис. 12.16)
используют преимущественно для изго­
товления штампового инструмента, рабо­
тающего в условиях тяжелого нагружения.
Присутствие большого количества избы­
точной карбидной фазы делает эти стали
высокоизносоустойчивыми.
Высокохро­
мистые стали (12 % Сг), содержащие
1,0 ... 1,2 % С, представляют собой ледебуритные сплавы, содержащие карбиды
(Сг, Fe)7Cj и (Сг, Ее)иСб- Молибден и
вольфрам способствуют образованию кар­
бида МегзС6 вместо карбида Ме^Сб.
Повышение температуры закалки с
900 до 1200 °С сопровождается уменьше­
нием количества избыточных карбидов с 9
до 1 %. Первыми переходят в твердый
у-раствор (согласно диаграмме железохром-углерод) карбиды типа Ме?Сз, а за­
тем карбиды типа МбаСб' При этом кон-
Рис. 12.16. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
Х12М (7) и Х12Ф1 (2) от температуры
закалки на воздухе (1 , 2) и в масле при
/ = 20 °С (3)
центрации углерода и хрома в твердом
у-растворе возрастают от 0,2 и 3,0 до 0,9 и
11 % соответственно. Эти процессы сопро­
вождаются повышением Нс, р и HRC в ин­
тервале Tw - 850 ... 1000 °С.
При Гзак > 950 °С в структуре стали
появляется остаточный аустенит. Увели­
чение растворимости карбидов и содержа­
ния хрома в твердом растворе с повыше­
нием температуры закалки снижает точки
Мн и И - Так, для Г1К * 950 °С Л/„ = 300 °С
и Мх = -20 °С, а для Тж = 1200 °С Мн« 0 °С
и М , = -170 °С. Поэтому количество оста­
точного аустенита в сталях Х12Ф1 и
Х12М (при охлаждении в масле комнат­
ной температуры) возрастает от 10 ... 12
до 98% (см. рис. 12.16, кривые Л/,), что
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
172
р, мкОм-см
о 1
\
79
• 75
71
67
2
50
90
П
Л,%
1200 1220 1240 1260 7 ^ , °С
Рис. 12.17. Зависимости физико­
механических характеристик сталей Р9 (7) и
Р9К5 (2) от температуры закалки
(закалочная среда - масло при t = 20 °С)
оказывает существенное влияние на физи­
ко-механические свойства. С повышением
температуры закалки при небольших еще
количествах остаточного аустенита твер­
дость продолжает возрастать и при темпе­
ратурах 1000 ... 1040 °С достигает макси­
мального значения: HRC 56 ... 57 для ста­
ли Х12Ф1 и HRC 63 ... 64 для стали XI2M,
а затем снижается. При этих температурах
закалки в стали XI2M сохраняется мелкое
зерно, в мартенсите содержится 0,40 ...
0,45 % С, а в структуре стали - до 20 %
остаточного аустенита.
При дальнейшем увеличении темпе­
ратуры закалки, а следовательно, количе­
ства остаточного аустенита твердость ста­
ли и максимальная магнитная проницае­
мость снижаются. Разупрочнению стали
способствует рост зерна. Коэрцитивная
сила после некоторого спада при Tw = 1050 ... 1100 °С, соответствующего со­
держанию 60 % остаточного аустенита,
начинает резко увеличиваться. Для этого
интервала температур закалки наблюдает­
ся небольшое увеличение удельного элек­
трического сопротивления. По-видимому,
такое поведение Нс и р вызвано изменени­
ем соотношений объемов карбидной фазы
и остаточного аустенита в стали, когда
уменьшение объема одной фазы и увели­
чение другой сопровождаются изменени­
ем содержания легирующих элементов в
твердом растворе, общего объема включе­
ний и степени их дисперсности.
На рис. 12.16 приведены закономер­
ности изменения физико-механических
характеристик стали Х 12Ф 1 от температу­
ры закалки для двух случаев: закалка на
воздухе и закалка в масле. Сравнение со­
ответствующих кривых свидетельствует
об их незначительном расхождении.
Высокотемпературный отпуск при
520 °С приводит к уменьшению количест­
ва остаточного аустенита в образцах, зака­
ленных в интервале 850 ... 1150 °С, что
сопровождается изменением всех рас­
сматриваемых характеристик. При
>
> 1150 °С легированный аустенит стано­
вится настолько устойчивым к распаду,
что даже после двукратного отпуска при
520 °С его количество по сравнению с за­
каленным состоянием уменьшается нез­
начительно.
Стали, легированные вольфрамом.
После закалки быстрорежущих сталей
основной структурной составляющей яв­
ляется высоколегированный мартенсит,
обладающий высокой твердостью при
концентрации в нем 0,3 ... 0,5 % С. Ре­
зультаты исследований магнитных, элек­
трических свойств и твердости быстроре­
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
жущих сталей Р9, Р9К5, Р9Ф5, Р10К5Ф5 в
зависимости от температуры закалки
(рис. 12.17) показывают, что наибольшие
изменения претерпевают коэрцитивная
сила, остаточная индукция, намагничен­
ность насыщения и удельное электриче­
ское сопротивление. Основной причиной,
приводящей к изменению этих парамет­
ров, является рост количества остаточного
аустенита в стали вследствие повышения
легированности твердого раствора.
При изменении физико-механических
свойств сталей Р6МЗ, Р6М5 и Р18 в зави­
симости от температуры закалки после
одно-, двух- и трехкратного отпуска мож­
но отметить, что значения HRC, Нс и р для
этих сталей с повышением температуры
аустенизации растут. Коэрцитивная сила
претерпевает наибольшие изменения при
T-ж > 1200 °С. Физические свойства ста­
лей будут определяться в основном изме­
нением степени легирования твердого
раствора, поскольку после отпуска стали,
закаленной от более высоких температур и
имеющей более легированный твердый
раствор, образуется большее число специ­
альных дисперсных карбидов. Увеличение
их количества вызывает дисперсионное
твердение, при этом твердость, коэрци­
тивная сила, потери энергии на перемагничивание и удельное электрическое со­
противление увеличиваются, а макси­
мальная
магнитная
проницаемость
уменьшается. Увеличение числа отпусков
для быстрорежущей стали сопровождается
уменьшением количества остаточного
аустенита и снятием внутренних напряже­
ний, при этом Нс и р уменьшаются, a |j.max
увеличивается.
Высокая твердость стали ХВ5 обу­
словлена присутствием большого количе­
ства дисперсных карбидов вольфрама при
сохранении высокой концентрации угле­
рода в мартенсите, поскольку в карбидах
типа Ме6С связано относительно неболь­
шое количество углерода (до 0,1 % С на
1 % W). Сталь ХВ5 обладает небольшой
прокаливаемостью и используется в ос­
173
новном для изготовления режущего и гра­
верного инструмента, предназначенного
для чистовой обработки металла повы­
шенной твердости. Эта сталь имеет более
высокую температуру закалки по сравне­
нию с углеродистыми сталями вследствие
легирования ее хромом, вольфрамом,
кремнием и более медленного растворения
карбидов. При перегреве стали (закалка от
850 ... 1000 °С) изменение физико-меха­
нических свойств (снижение HRC и Нс,
повышение р) в основном вызвано увели­
чением количества остаточного аустенита.
Для снижения количества остаточного
аустенита в стали очень часто после за­
калки применяют обработку холодом. При
этом твердость возрастает, а удельное
электрическое сопротивление уменьшает­
ся. Коэрцитивная сила стали XB5 при об­
работке холодом повышается вследствие
образования дополнительного количества
мартенсита, а также, по-видимому, из-за
сокращения числа центров зародышей
перемагничивания, роль которых играли
крупные включения остаточного аустени­
та.
12.3.7. М артекснтно-стареющне и
аустенит но-маргенситные стали
специального назначения
В отдельных отраслях машинострое­
ния растет удельный объем использования
сталей специального назначения, которые,
как правило, являются сложнолегирован­
ными и могут принадлежать к мартенситно-ферритному,
аустенитно-мартенситному и аустенитно-ферритному классам.
Широкое распространение также получи­
ли мартенситно-стареющие стали. Об­
ширная номенклатура сталей специально­
го назначения предполагает и большое
различие их физических свойств, поэтому
установить какие-либо общие закономер­
ности изменения магнитных свойств для
этих сталей затруднительно.
Современному машиностроению не­
обходимы материалы, обладающие высо­
кой конструктивной прочностью и доста-
ЛаВа 12- ВЛИ ЯНИ Е СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Рис. 12.18. Зависимости физико­
механических характеристик стали ЧС5ВИ
от температуры закалки (закалочная среда воздух; состав стали: 0,01 % С, 183 % Ni,
0,78 % Ti, 3,33 % Mo)
т о ч н о высоким сопротивлением развитию
тр ещ и н ы . Этим требованиям удовлетво­
р я ю т мартенситно-стареющие стали, ко­
т о р ы е упрочняются в два этапа: за счет
получени я мартенситной структуры в ре­
зу льтате у —> a -превращения и последую­
щ его старения. Мартенситно-стареющие
стал и являются безуглеродистыми (со­
дер ж ан и е С не превышает 0,03 %), поэто­
м у м артенсит этих сталей отличается от
м артен си та углеродистых сталей. В ре­
зу льтате закалки мартенсит стареющих
сталей остается мягким, а его упрочнение
про и сходи т в процессе старения. В отли­
ч и е от углеродистых сталей скорость ох­
лаж д ен и я не оказывает влияния на пре­
вращ ен ие аустенит—мартенсит. Даже при
скоростях охлаждения 1 °С/с температура
превращ ения в мартенситно-стареющих
стал ях бы ла настолько низкой, что можно
го во р и ть о чисто мартенситном превра­
щ ени и. Чтобы мартенсит сплава Fe-Ni
п ри обрел способность упрочняться, в
д в о й н у ю систему необходима добавка
р я д а элементов (Mo, Ti, А1 и др.), которые
в проц ессе старения способствуют образо­
ван и ю интерметаллидных упрочняющих
ф аз.
Результаты исследования по влиянию
температуры аустенизации на физические
свойства стали ЧС5ВИ представлены на
рис. 12.18. При низких температурах ау­
стенизации в промежуточной двухфазной
области в стали происходит перераспре­
деление легирующих элементов, что при­
водит к обогащению аустенита этими эле­
ментами, в основном никелем. Обогащен­
ный аустенит остается стабильным при
охлаждении сплава до комнатной темпе­
ратуры. Количество остаточного аустени­
та будет тем меньше, чем выше скорость и
температура нагрева, поскольку уменьша­
ется время пребывания сплава в двухфаз­
ной (а + у) области и повышается степень
гомогенизации аустенита. Уменьшение
количества остаточного аустенита в спла­
вах при повышении температуры закалки
приводит к росту намагниченности насы­
щения в интервале Тш = 700 ... 800 °С
(см. рис. 12.18, кривая Ms). При нагреве
выше 800 °С в течение 1 ч происходит
гомогенизация аустенита, т.е. состав у-фазы соответствует среднему составу сплава,
и при охлаждении практически весь аусте­
нит превращается в мартенсит (для ЧС5ВИ
Мк = 70 °С, дня ЧС25ВИ Mt = 100 °С). Об­
разцы, закаленные от температур 820 ...
1000 °С, имеют практически одинаковую
структуру и, как следствие этого, иссле­
дуемые свойства тоже не изменяются (см.
рис. 12.18).
Снижение коэрцитивной силы и
удельного электрического сопротивления
в основном связано с уменьшением коли­
чества остаточного аустенита в структуре
закаленной стали. Растворение интерметаллидов, возрастающее с повышением
температуры закалки, должно повышать
удельное электрическое сопротивление.
Однако влияние данного фактора сводится
лишь к замедлению спада р. Например, в
стали ЧС5ВИ увеличение намагниченно­
сти насыщения в интервале 700 ... 820 °С,
обусловленное только изменением коли­
чества остаточного аустенита, составляет
16
%, а удельное электрическое сопротив-
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
ление уменьшается на 4 % (см. рис. 12.18,
кривые Ms и р). Закаленный, или "мягкий",
мартенсит, полученный в результате ох­
лаждения из у-области, характеризуется
невысокой твердостью. Растворение интерметаллидов при высоких температурах
аустенизации вызывает снижение твердо­
сти.
Хорошим сочетанием высокой проч­
ности и ударной вязкости обладают стали
аустенитно-мартенситного класса. Проч­
ностные свойства во многом зависят от
структуры стали, формирующейся в ре­
зультате сложной термической обработки,
которая включает закалку на аустенит,
обработку холодом и отпуск. На примере
стали 13X15H4AM3-U1 рассмотрим изме­
нение физических свойств стали при за­
калке от различных температур и обработ­
ке холодом при температуре -72 ... -65 °С
в течение 4 ч (рис. 12.19). Исходное состоя­
ние перед закалкой получали путем трех­
ступенчатого отжига: 1) нагрев до 780 °С 3 ч; охлаждение на воздухе; 2) отжиг при
520 °С — 40 ч; 3) отжиг при 600 °С 3 ч. Оптимальные механические свойства
сталь приобретает при закалке от 1070 °С,
когда происходит полное растворение
карбидов. После обработки холодом в
структуре стали содержится 80 ... 85 %
мартенсита и остаточный аустенит. Боль­
шое количество мартенсита в стали при­
дает ей повышенную прочность, но при
этом несколько уменьшается пластич­
ность.
Магнитные и механические свойства
во многом зависят от соотношения содер­
жащихся в структуре стали остаточного
аустенита и мартенсита. При повышении
температуры нагрева под закалку от 700
до 900 °С количество остаточного аусте­
нита уменьшается (см. рис. 12.19, кривая
Ms), что связано с дополнительным выде­
лением карбидов и обеднением твердого
раствора углеродом и легирующими эле­
ментами. Образующийся при 850 ... 900 °С
мартенсит содержит меньше углерода, но
175
M
_ 4 l О'2, А/см
Рис. 12.19. Зависимости физикомежанических характеристик стали
13X15H4AM3-111 от температуры закалки и
последующей обработки (закалочная среда вода при t = 20 °С)
при этом твердость практически не изме­
няется. Минимальному содержанию оста­
точного аустенита в интервале Тъак = 850 ...
950 °С соответствует минимум Нс, появ­
ляющийся вследствие уменьшения маг­
нитных полей рассеяния на включениях,
роль которых выполняет остаточный ау­
стенит. При закалке стали от температур
выше 900 °С из-за интенсивного раство­
рения карбидов образуется более легиро­
ванный твердый у-раствор, который ус­
тойчив к распаду даже после обработки
холодом, что повышает количество оста­
точного аустенита в структуре закаленной
стали и соответственно значение
Не­
значительное снижение Нс в интервале
температур 1000 ... 1150 °С, возможно,
вызвано появлением б-феррита.
Закономерности изменения удельно­
го электрического сопротивления, повидимому, определяются количеством и
степенью дисперсности карбидных вклю­
чений в стали. Выделение карбидной фазы
сопровождается ростом значения р, не­
смотря на снижение количества остаточ­
ного аустенита в стали. В свою очередь,
растворение карбидов вызывает некоторое
снижение р.
176
л а в а 12 к п .
- ____ Г * В л И Я Ы И Р
^
КОЛИ
Г ^
^
ТУРНо-ф А 30В Ь IX и:^Н ЕН И Й
в Р « у л ь Над фаза
ст — оШв и т с я пгл, 1 0 чШ
н ° г о аустр.
те чего
ф и зи ч еск и е " Г о Г ЗДым
Н В
Рах практически м™ При этих темпГНЫе
к и н е и зм ен яю тся
п е р а т У-
вого к п
лазкдению доМкоИЛИ Частичному
ЭТОЙ
Свя„м
КОмНатноЙ Теи
еРеОХ-
определения ^ К0Ме1«Уется l l f i * в
интераала кон1ГРаНИЦЫ^ Z T J o
н а м агнйченности в™ И1Менен""
закалке сталей в и н т е р ^ Т " " При
^ с 1 ~ > 4 сз
температур
■“
«иэвтектоидны х сталей отмечено ™ для
--- г J
л еи
е Г, закаленных
,Ка ° к Г РУКЦИОННЬ,Х
легиРова„нь™ стаиз межкпитии^™™
леи
межкритического "ин­
тер вал а температур Ас,-А с}, наблюдается
сущ ествование минимума намагниченно­
сти насыщ ения. Появление минимума Щ
вы звано образованием легированного ау­
стени та, который весьма устойчив при
м артенситном превращении.
При закалке из межкритического ин­
тер вал а температур количество образо­
вавш егося остаточного аустенита сильно
зави си т от температуры нагрева. Значение
м аксим ум а остаточного аустенита (мини­
м у м а Ш и его местоположение зависят от
м ум а Ms) и С
ртали Кроме того,
хим ического ^оста
определяется
значение этого ма
j
^ скоростью
исходной структур
анализа измеохлаж дения при закм к
m m m следу.
нения нам агниченное овавшегося
g r что количест
ервале температур
точн ого аустенит ревышает величину^^
"
- S
K
S
” -» -.
только ДЛЯ выявления структур недогрева
при закалке доэвтектоидных углероди­
стых и низколегированных конструкцион­
ных сталей. При переходе от структур не­
догрева к мартенситным структурам маг­
нитная проницаемость, магнитострикция,
коэрцитивная сила, максимальная магнит­
ная проницаемость, поле максимальной
магнитной проницаемости, потери энер­
гии на перемагничивание, измеренные в
средних магнитных полях, изменяются
более чем в 2 раза. Меньшие изменения
имеет намагниченность насыщения, повеS S которой определяется изменениями
в фазовом составе шшнтемперад,ы
Начиная с н
.г_йП1Ре ее увели„агрева под 3* ^ ^ е с т в е н н о м у изме­
нение не приводит уш
^ ш ян ота
„ению магнитных св
(см.
сталей. Однако для Р
% 5° Ш 0 )
"Г
^ 5
Р
ю« » небольшие и з м е н ^ Р ,
3аКаЛКтвУЮШуЮ закалке о т б ^ легйр0.
силы, твердо J
по которым с у ^ 3.
сопротивленн.,
дсгавляегся
^
скогосопро
не -предстя»
_нические
гоазования
г:
- s rd S s B ? h s
переть» " доПу«*мsпрактически
s s г' 4итях.топредел^ва
г
предполо*ить.
стали
п£едполо*и^
«, г а^ я
ва ста»
оста
Р^м еш ени-
маЯЬ„ о ^
f рением
аУстеНГ что связан» ; " х
* £ *
’чеиЯ0мума н®бразова^иеМ
закалки.
этИХ лег РчесКОГо и»
ВЛИЯНИ
„ йцЫ КР
насЫ «е И * аустенита-
Г г и > В°
ператур
lV сталей в к
Н
Н еб о л ы л и С
по
влияние
мзМенения
рую щ им о
ментам 8
^
оказыяя^/^.костя^
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
свойства стали. Поэтому магнитные мето­
ды можно успешно использовать для оп­
ределения прочностных характеристик
изделий при колебаниях химического со­
става в пределах марки. В большей степе­
ни колебания химического состава в пре­
делах марки оказывают влияние на элек­
трические и соответственно на электро­
магнитные свойства сталей.
В отличие от доэвтектоидных, заэвтектоидные стали оказываются чувстви­
тельными к перегреву при закалке, поэто­
му могут быть случаи появления брака
вследствие как недогрева, так и перегрева.
Значительный недогрев при закалке изде­
лий из заэвтектоидных сталей можно вы­
явить по величине коэрцитивной силы или
других магнитных характеристик. Незна­
чительный перегрев или недогрев изделий
магнитными или электромагнитными ме­
тодами определить невозможно, посколь­
ку те и другие изделия могут иметь близ­
кие значения магнитных и электромагнит­
ных характеристик. Невозможно это сде­
лать и по значению твердости изделий.
Закономерности изменения магнит­
ных свойств и твердости заэвтектоидных
сталей при вариации температуры закалки
схематически иллюстрирует рис. 12.20, из
которого следует, что выявление недогре­
ва и перегрева возможно лишь при ис­
пользовании двух магнитных параметров
контроля: коэрцитивной силы и намагни­
ченности насыщения (заштрихованная
зона соответствует оптимальной темпера­
туре закалки). Высокие значения намагни­
ченности насыщения и низкие коэрцитив­
ной силы свидетельствуют о недогреве,
пониженные значения коэрцитивной силы
и низкие намагниченности насыщения - о
перегреве. Данная методика неразрушаю­
щего контроля качества закалки изделий
из заэвтектоидных сталей широко исполь­
зуется на многих подшипниковых заводах
страны. Одновременно с качеством закал­
ки она позволяет определить количество
остаточного аустенита в стали после за­
калки.
177
Ма,Н
1 сг, HRC
Рис. 12.20. Схематическое изображение
зависимостей коэрцитивной силы,
намагниченности насыщения и твердости
подшипниковых сталей от температуры
закалки
Введение в сталь легирующих эле­
ментов приводит к некоторому видоизме­
нению характера зависимости магнитных
свойств от температуры закалки, что, ес­
тественно, влияет на выбор параметров
неразрушающего контроля. При неболь­
ших количествах легирующих элементов
для сталей сохраняются те же закономер­
ности изменения физических свойств, что
и для углеродистых доэвтектоидных и
заэвтектоидных сталей. Так, для магнит­
ных свойств стали 50ХВС (см. рис. 12.6, в)
характерна та же зависимость, что и для
доэвтектоидных сталей. Поэтому недогрев
в этой стали может быть выявлен по лю­
бой из исследуемых характеристик. Одна­
ко для этой стали, в отличие от углероди­
стых и низколегированных конструкцион­
ных сталей, с повышением температуры
закалки наблюдается увеличение удельно­
го электрического сопротивления, что
предполагает возможным использовать р
для определения перегрева изделий при
закалке.
Закономерности изменения характе­
ристик М , и р стали 20X13 (см. рис. 12.15)
близки к закономерностям, наблюдаемым
для заэвтектоидных углеродистых сталей,
поэтому для контроля качества закалки
изделий из указанной стали можно реко-
V78
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
м е н д о в а т ь т е ж е магнитные параметры
тивление (см. рис. 12.19), можно качестк о н т р о л я . Н а и б о л е е сильно к колебаниям
венно установить, произошло ли раствох и м и ч е с к о г о сост ав а чувствительны харение карбидов. Когда значение М, минир а к г е р и с т и к и M s и р , в меньшей степени мально, а р относительно велико, можно
к о э р ц и т и в н а я си л а и твердость.
считать, что сталь была нагрета при закал*
Д л я ст а л ей Х 1 2 М и Х12Ф1 (см.
ке до температур 1050 ... 1150 °С.
р и с . 1 2 .1 6 ) харак терн о несколько отличное
Определенное воздействие на уро*
п о с р а в н е н и ю с углеродисты ми заэвтектовень физических свойств стали после за*
и д н ы м и сталям и поведение магнитных
калки оказывает исходная структура. Нас в о й с т в п р и вариации температуры закалглядно это можно проследить на примере
к и . А н а л и з законом ерностей изменения
сталей 18Х2Н4ВА(см.рис. 12.8)иШХ15,
м а г н и т н ы х св ой ств указывает на возмож1ИХ15СГ- (см. рис. 12.14), для которых
н о с т ь к он т р ол я качества закалки изделий
различие в исходной структуре до закалки
и з э т и х ст а л ей . П о значениям намагниченсопровождается различием магнитных и
н о с т и н асы щ ен и я и коэрцитивной силы
электрических свойств сталей после зам о ж н о с у д и т ь как о недогреве, так и о пекалки.
р е г р е в е ст а л ей при закалке.
Изменение скорости охлаждения при
Д л я контроля качества изделий из
закалке (вследствие использования разных
с т а л е й Р 9 , Р 9 К 5 , Р9Ф 5 и Р10К5Ф5 можно
закалочных сред) влияет как на механичеи с п о л ь зо в а т ь намагниченность насыщения
ские, так и на магнитные свойства стали
(с м . р и с . 1 2 .1 7 ), поскольку основные из(см> рИС. 12.16). Поэтому выбранные мем е н е н и я , п р ои сход я щ и е в сталях при ватодики неразрушающего контроля качестр и а ц и и тем п ературы закалки, связаны с
ва закаленных изделий, как правило,
и з м е н е н и е м количества остаточного аудолжны применяться только для закалочстен и та.
ных Сред, которые обеспечивают примерП р о ч н о ст н ы е свойства мартенситноно одинаковую скорость охлаждения,
с т а р е ю щ и х сталей определяются темпераТаким образом, магнитные и элект у р о й н агр ев а и временем выдержки при трические характеристики сталей могут
а у с т е н и з а ц и и . Д остиж ение гомогенности
широко применяться при разработке мет в е р д о г о у-раствора приводит к тому, что тодов неразрушающего контроля струкп р и о х л а ж д е н и и образуется чисто мартентурно-фазового состояния и прочностных
с и т н а я структура. Присутствие в стали
свойств закаленных сталей различных
Ч С 5 В И о п р ед ел ен н о го количества остаклассов,
т о ч н о г о аустен и та, свидетельствующего о
недостаточной
гомогенизации у-фазы,
12.4. ОТПУСК СТАЛЕЙ
м о ж н о устан ов и ть как по намагничениес т и н а сы щ ен и я , так и по значению коэрц и т и в н о й силы (см . рис. 12.18).
В
вы сокопрочной
коррозионнос т о й к о й стал и 13Х15Н4АМ Э-Ш переходн о г о аустен и тн о-м артен си тн ого класса для
п о л у ч е н и я вы соких значений ударной вязк о с т и применяю т нагрев под закалку от
1 0 5 0 . . . 1 0 7 0 °С, поскольку именно при
этих температурах отмечается наиболее
п о л н о е раст ворение карбидов. Измерив
д в а парамет ра - намагниченность насыщ е н и я и у д е л ь н о е электрическое сопро-
12.4Л. Структурно-фазовые изменения
при отпуске закаленных сталей
Отпуск - процесс термической обработки, вызывающий превращение нерав­
новесных структур закаленного состояния
в более устойчивые. Отпуск осуществля*
ется путем нагрева изделий до температур
ниже интервала фазовых превращений,
выдержки при этих температурах и последующего охлаждения. В результате отпуси получаются более устойчивые струкгуРы по схеме маргеисит-троостит, сорбит
ОТПУСК СТАЛЕЙ
и, как следствие этого, возникает требуе­
мое сочетание механических свойств с
одновременной релаксацией внутренних
напряжений. В зависимости от температу­
ры нагрева различают низкий (130 ...
250 °С), средний (250 ... 500 °С) и высокий
(500 ... 700 °С) отпуск.
Для процессов, происходящих при
нагреве в закаленных углеродистых и низ­
коуглеродистых сталях, можно выделить
четыре характерные области превращений
при отпуске.
Первое превращение при отпуске,
наблюдающееся при температурах до
150 °С, связано с частичным выделением
углерода из твердого а-раствора (первая
стадия распада мартенсита). Выделяю­
щийся из твердого раствора углерод сни­
жает степень тетрагональное™ решетки
мартенсита, и при этом в кристаллах мар­
тенсита могут образоваться дисперсные
карбидные частицы, равномерно распре­
деленные по их объему. Эксперименталь­
ные данные указывают на то, что в высо­
коуглеродистых сталях, отпущенных при
100 °С, присутствуют два типа твердых
растворов с разной концентрацией угле­
рода: I - твердый раствор с исходной кон­
центрацией углерода (мартенсит закалки);
II - твердый раствор с 0,20 ... 0,25 % С,
имеющий меньшую степень тетрагональ­
ное™ решетки с отношением da « 1,01
(мартенсит отпуска).
Увеличение времени выдержки со­
провождается повышением количества
твердого раствора типа II за счет умень­
шения исходного. Таким образом, первое
превращение при отпуске имеет так назы­
ваемый двухфазный характер. Наряду с
двухфазным распадом может наблюдаться
однофазный распад, для которого харак­
терно постепенное уменьшение степени
тетрагональное™ исходного твердого рас­
твора.
Выделение углерода из пересыщен­
ного твердого раствора приводит к тому,
что внутри кристаллов мартенсита проис­
ходит перераспределение углерода, обра­
179
зуются его скопления, а затем появляются
зародыши карбидной фазы. Зародыши
растут и достигают определенного разме­
ра, при котором их рост прекращается
вследствие малой скорости диффузии уг­
лерода при этих температурах отпуска.
Возможными местами возникновения
зародышей карбидной фазы при низких
температурах отпуска являются границы
реечного мартенсита, а при высоких границы зерен феррита. Образовавшиеся
дисперсные карбидные частички находят­
ся в "коллоидном равновесии" с обеднен­
ным твердым раствором, т.е. концентра­
ция углерода в твердом растворе зависит
от размеров частиц карбидной фазы. При
достижении коллоидного равновесия вы­
деление углерода из пересыщенного твер­
дого а-раствора прекращается.
Стадия распада мартенсита прихо­
дится на область температур 150... 300 °С
и сопровождается медленным понижени­
ем концентрации углерода в твердом рас­
творе вследствие коагуляции карбидных
частиц и смещения коллоидного равновесия.
Скорость распада мартенсита определяет­
ся скоростями диффузии углерода в стали
и роста кристаллов карбидной фазы. По­
нижение концентрации углерода в твер­
дом растворе сопровождается снижением
тетрагональное™ решетки. Так, при тем­
пературе отпуска 300 °С и выдержке в
течение 1 ч в твердом растворе содержит­
ся менее 0,1 % С, а значения постоянных с
и а решетки твердого раствора с точно­
стью до погрешности измерения соответ­
ствуют постоянным решетки а-железа.
Легирование стали существенно изменяет
температурную область протекания вто­
рой стадии распада мартенсита. Таким
образом, при распаде мартенсита умень­
шается степень тетрагональное™ решетки
и снижаются внутренние напряжения, что,
в свою очередь, должно сопровождаться
уменьшением удельного электрического
сопротивления и снижением магнитной
жесткости стали.
Глава \ 2. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
П р ев р а щ е н и е
при
температурах
ции. При коагуляции карбидов тонкая
\ 8 0 ... 2 6 0 °С сопровождается увеличени­ ферритно-цементитная смесь (троостит
е м о б ъ е м а стали и связано с переходом отпуска) превращается в более грубую о с т а т о ч н о г о аустенита в гетерогенную сорбит отпуска. Сорбит с повышением
см есь
с о структурой, напоминающей температуры отпуска превращается в перс т р у к т у р у бейнита, состоящего из пере- ЛИХ отпуска (зернистый перлит), при этом
с ы щ е н н о г о твердого раствора и карбидной геометрические размеры карбидных час­
ф а з ы . О стато ч н ы й аустенит расположен в
тиц увеличиваются в десятки раз. По мере
в и д е т о н к и х прослоек толщиной в не­
увеличения карбидных частиц и уменьше­
с к о л ь к о сотен ангстрем между слоями в
ния содержания углерода в стали общая
м а р т е н с и т н ы х пакетах.
скорость процесса коагуляции понижает­
П р евр ащ ен и е при отпуске (300 ...
ся. Хром, молибден, ванадий, вольфрам
4 0 0 °С ) заклю чается в превращении е-карзамедляют процесс коагуляции, который
б и д а в цем ентит. В низкоуглеродистых
начинает интенсивно развиваться при
с т а л я х (< 0,4 % С) осуществляется пере­
температурах выше 450 °С. Никель уско­
х о д е-карбида непосредственно в цемен­
ряет коагуляцию. Одновременно с процес­
т и т . П о м нению многих исследователей,
сом коагуляции происходит рост зерен
в е р х н я я температурная граница сущест­
феррита, а также уменьшение уровня мик­
в о в а н и я £-карбида находится в пределах
ронапряжений. Карбидообразующие эле­
2 5 0 ... 300 °С. В средне- и высокоуглеро­
менты (Сг, W, Мо) затрудняют процессы
д и с т ы х сталях образование цементита
рекристаллизации феррита.
и д е т п утем постепенного перехода Е-кар­
Таким образом, при отпуске закален­
б и д а в пром еж уточны й х-карбид, который
ной стали могут происходить следующие
в и н тер вал е температур отпуска 300 ...
5 5 0 °С превращ ается в цементит. Возмож­ процессы:
1) перераспределение атомов угле­
н ы та к ж е более сложные схемы перехода
рода
в твердом растворе (мартенсите) Х-карбида в цементит.
В легированны х сталях в начальный перемещение атомов углерода к дислока­
п е р и о д отп уска образуется цементит, со­ циям, перераспределение их по междуузс т а в кото р о го не отличается от среднего лиям кристаллической решетки;
2) распад мартенсита с образовани­
с о с т а в а стали по легирующим элементам.
ем областей, обогащенных углеродом, а
М а р га н е ц , хром, вольфрам и молибден
затем карбидных выделений; изменение
п р и су т с тв у ю т в цементите, замещая ато­
структуры и состава карбидов, их взаимо­
м ы ж елеза. М арганец замещает железо
связи с матрицей;
н ео гр ан и ч ен н о — от (Fe, Мп)зС до МпзС;
3) превращение остаточного аусте­
х р о м - д о 18 % , молибден - до 1 % и нита в зависимости от легирования и тем­
в о л ь ф р а м — до 0,6 %. Более сильные кар­ пературного интервала - промежуточное
б и д о о б р азу ю щ и е элементы (V, Ti, Zr, Hb) (бейнитное) и перлитное; превращение
п р а к ти ч ес к и не присутствуют в цементи­ остаточного аустенита при охлаждении
те. О б разован и е специальных карбидов после высокого отпуска (вторичная
о б ы ч н о связан о с измельчением карбид­ закалка);
н о й ф азы , что вместе с задержкой разу­
4) выделение дисперсных частиц
п р о ч н ен и я матрицы вызывает вторичное специальных карбидов из твердого рас­
твора (вторичное твердение); изменение
т в е р д ен и е .
Четвертое превращение (400 ... 700 °С) состава и структуры карбидов в легиросопровож дается интенсивным развитием ванных сталях по мере повышения темпе
п р о ц е с с о в коагуляции и рекристаллиза- ратуры отпуска;
181
ОТПУСК СТАЛЕЙ
5) релаксация напряжений, измене­
ние тонкой структуры мартенсита, рекри­
сталлизация а-фазы;
6) коагуляция карбидов;
7) перераспределение легирующих
элементов и примесей.
Наглядное представление об основ­
ных процессах, протекающих при отпуске
углеродистых и низколегированных кон­
струкционных сталей, дает рис. 12.21.
Кривая 1 рис. 12.21 отражает процесс
выделения углерода из пересыщенного
твердого раствора. Температура, при ко­
торой начинается выделение углерода из
мартенсита, определяется содержанием
углерода в стали, причем температура на­
чала выделения тем выше, чем меньше
концентрация углерода. В высокоуглеро­
дистой стали распад мартенсита начинает­
ся при температуре 100 °С, в среднеугле­
родистой (0,5 % С) - выше 150 °С и в ма­
лоуглеродистой стали (< 0,2 % С) - выше
200 °С, следовательно, менее пересыщен­
ный твердый раствор более устойчив.
Очень тесно с процессом выделения
углерода из мартенсита связан процесс
изменения суммарных микронапряжений,
который находится в сильной зависимости
от количества углерода и степени легиро­
вания стали. Суммарные микронапряже­
ния можно разделить на три типа: зака­
лочные напряжения (кривая 2 на
рис. 12.21), возникающие при фазовых
превращениях из-за различия решеток
аустенита и мартенсита; когерентные
(кривая 3), происхождение которых обу­
словлено различием когерентно сопря­
женных решеток мартенсита и образую­
щихся карбидов, а величина определяется
числом и объемом зародышей карбидной
фазы в стали; дисперсионные (кривая 4),
образующиеся при обособлении кристал­
лов карбидов от твердого раствора.
С увеличением температуры пример­
но до 300 ... 350 °С растет объем выде­
ляющейся карбидной фазы, в то время как
размеры карбидных частиц меняются не­
значительно (кривая 6). Карбидные части-
Низкий
Средний
Высокий
Рис. 12.21. Схематическое отображение
процессов, протекающих при отпуске
углеродистых и низколегированных
конструкционных сталей
цы при низкотемпературном отпуске
имеют форму, близкую к пластинам или
стержням, причем длина их может дости­
гать 400 нм, а толщина - 25 ... 40 нм. По­
вышение температуры или увеличение
продолжительности отпуска приводит к
коагуляции и сфероидизации карбидных
частиц. Наиболее интенсивно частицы
начинают коагулировать при температуре
отпуска выше 350 °С, а при 500 ... 550 °С
большинство частиц приобретают сфери­
ческую форму.
Распад остаточного аустенита (кри­
вая 7) протекает в интервале температур
200 ... 300 °С. Продуктами распада явля­
ются отпущенный мартенсит и дисперс­
ные карбиды.
Рассмотренные выше процессы опре­
деляют характер изменения магнитных,
электрических свойств и твердости при
182
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
отпуске закаленной стали, которые, в
свою очередь, зависят от содержания уг­
лерода и легирующих элементов в стали.
По типу зависимости магнитных свойств
от температуры отпуска сталей разных
классов можно выделить пять групп , в
пределах которых магнитные свойства
имеют близкие тенденции изменения при
отпуске:
1) низкоуглеродистые и легирован­
ные конструкционные стали с содержани­
ем углерода до 0,3 %;
2) среднеуглеродистые и легирован­
ные конструкционные стали с содержани­
ем углерода 0,3 ... 0,4 %;
3) средне-, высокоуглеродистые и ле­
гированные конструкционные стали с со­
держанием углерода более 0,4 %;
4) высоколегированные стали;
5) мартенситно-стареющие, аустенитно-мартенситные и ферритно-аустенитные стали специального назначения.
Следует отметить, что приведенное
деление сталей на группы условно, но так
как оно основано на общности закономер­
ностей изменения магнитных свойств ста­
лей при отпуске, то позволяет дать реко­
мендации по использованию магнитных
характеристик для контроля изделий из
этих групп сталей.
12.4.2.
Низкоуглеродистые и
легированные стали с содержанием
углерода до 0,3 %
Отпуск закаленных сталей приводит
к уменьшению степени магнитной жестко­
сти. Кривые намагничивания (рис. 12.22) по
мере увеличения температуры отпуска
становятся более крутыми, т.е. эффектив­
ная константа магнитной анизотропии
отпущенной стали уменьшается. Отпуск
закаленной стали сопровождается увели­
чением магнитной проницаемости ц, а
также изменением многих магнитных
свойств сталей. Из сопоставления петель
магнитного гистерезиса, измеренных для
различно отпущенных образцов из стали
18ХНВА, следует, что коэрцитивная сила
и потери энергии на перемагничивание
уменьшаются, а остаточная индукция В
возрастает. Существенное изменение пре­
терпевает и форма петли гистерезиса. Та­
ким образом, из анализа кривых намагни­
чивания и магнитной проницаемости, а
также петель магнитного гистерезиса сле­
дует, что магнитные свойства чувстви­
тельны к превращениям, происходящим
при отпуске стали, и поэтому могут быть
использованы для неразрушающего кон­
троля качества закалки и последующего
отпуска.
Для большинства сталей (рис. 12.23)
характерно монотонное изменение маг­
нитных и прочностных характеристик в
интервале температур отпуска от комнат­
ных до 600 ... 650 °С.
Монотонное уменьшение коэрцитив­
ной силы, потерь энергии на перемагни­
чивание, поля максимальной магнитной
проницаемости, удельного электрического
сопротивления и увеличение магнитной и
максимальной
проницаемостей
(см.
рис. 12.22, 12.23) связаны с процессами,
происходящими при отпуске: уменьшени­
ем искаженности решетки a -фазы вслед­
ствие выделения углерода; снижением
внутренних микронапряжений; распадом
остаточного аустенита, количество кото­
рого в этих сталях невелико.
В сталях 1-й группы содержится не­
большое количество углерода. Объем кар­
бидной фазы, образующейся в процессе
отпуска, также невелик, поэтому карбид­
ные включения, которые играют роль пре­
пятствий для смещающихся доменных
границ, не оказывают значительного
влияния на процессы намагничивания и
перемагничивания. Их действие сводится
лишь к некоторому замедлению снижения
магнитных характеристик, например ко­
эрцитивной силы. Распад аустенита при
отпуске приводит к уменьшению магнит­
ных полей рассеяния, связанных с исчез­
новением неферромагнитных включений в
ферромагнитной матрице, и, следователь­
но, облегчает процессы перемагничива-
ОТПУСК СТАЛЕЙ
183
В, Тл
Рис. 12.22. Кривые намагничивания и проницаемости, полученные для
тороидальных образцов из стали 18ХНВА при разных значения! Готп, °С:
/ - 150; 2 - 250; 3 - 450; 4 - 560; 5 - 600; б - 650
ния. Относительно небольшое количество
остаточного аустенита (см. рис. 12.23,
кривые М,) в этих сталях оказывает незна­
чительное влияние на процессы намагни­
чивания и перемагничивания.
Для сталей 10ГН, 18ХНВА, 20ХНФА
и 20Х2Н4А при температурах отпуска
выше 600 °С, а для стали 18ХНМА при
температуре 575 °С и выше большинство
физических характеристик, таких как ко­
эрцитивная сила, потери энергии на перемагничивание, максимальная магнитная
проницаемость, удельное электрическое
сопротивление, возрастают, а максималь­
ная магнитная проницаемость и потери
энергии на перемагничивание, измерен­
ные в слабых магнитных полях, убывают
вследствие частичной закалки сталей при
этих температурах.
Для сталей 12ХНЗА и 30ХН2МФА
наблюдается резкое уменьшение намагни­
ченности насыщения при высоких темпе­
ратурах отпуска (см. рис. 12.23, б, в), что
связано с образованием легированного
аустенита.
В сталях, легированных молибденом
и ванадием, твердость при высоких темпе­
ратурах отпуска снижается незначительно,
поскольку в этих условиях образуются
специальные мелкодисперсные карбиды,
которые вызывают вторичное твердение.
В сложнолегированных сталях типа
12Х2НВФА,
28ХЗСНМВФА-Ш
(см.
рис. 12.23, г) магнитные и электрические
свойства изменяются монотонно с темпе­
ратурой отпуска. Изменение механиче­
ских характеристик до
= 400 °С незна­
чительно по сравнению с магнитными ха-
184
Глава 12.
СТРУКТ
Ц
m»x
»
|
m oM
R
ИЗМЕНЕНИЙ
900
600
400
Ч'О-’.А/см00
10* Л/см
160
Р» МкОм-см
.Н
7
. ...
Р» мкОм-см
155
\
40
30
Я ,, А/см
20 10
-
1
200
400 6007^, °С
0
100
б)
а)
М 1От2, А/см
р, мкОм-см^
45
» • ;
1 2 3
2 Й Г 400
б»"
,2.23. 3» вИ^ Г гРУ“Г , Г / ' > 2^Х2НВФА Ш
РЯС- 1
*<8Х Й ^ А ?
Ш
^ И, ^v r c >H ^ (^J); к - |2Х2
,0
ОТПУСК СТАЛЕЙ
рактерисгиками. В стали 28ХЗСНМВФА-Ш
твердость до этих же температур отпуска
остается постоянной, а временное сопро­
тивление уменьшается на 5 %. Изменение
коэрцитивной силы и остаточной индук­
ции тела при этом составляет 32 ... 29 %
для стали 12Х2НВФА и 14 ... 12 % для
стали 28ХЗСНМВФА-Ш, что свидетельст­
вует о большей чувствительности магнит­
ных свойств к структурным изменениям
по сравнению с механическими.
Изменение магнитных характеристик
в стали 12Х2НВФА до 400 °С, повидимому, вызвано распадом остаточного
аустенита (см. рис. 12.23, г, кривая А/,).
Кроме того, снижение Нс связано с выде­
лением углерода из мартенсита и умень­
шением внутренних напряжений. При
температурах отпуска выше 350 °С в дан­
ной стали на продолжающийся процесс
распада остаточного аустенита наклады­
вается процесс распада мартенсита, кото­
рый был задержан вследствие легирования
стали хромом, кремнием и вольфрамом.
Выделение мелкодисперсных карбидов с
намагниченностью насыщения, меньшей
намагниченности насыщения матрицы,
сопровождается образованием в матрице
дополнительных полей рассеяния и коге­
рентных внутренних напряжений, которые
затрудняют процессы перемагничивания и
приводят к увеличению Нс. Действие двух
противоположных факторов в интервале
температур Таm = 350 ... 500 °С определя­
ет поведение магнитных характеристик
стали 12Х2НВФА.
В сталях типа 28ХЗСНМВФА-Ш
процесс распада остаточного аустенита и
мартенсита смещен в область высоких
температур отпуска по сравнению со ста­
лью 12Х2НВФА, что вызвано более высо­
ким легированием этих сталей кремнием,
хромом и молибденом. Кремний значи­
тельно сильнее других элементов повыша­
ет устойчивость остаточного аустенита к
распаду при отпуске и смещает интервал
полного распада в область температур
500 ... 550 °С, поэтому для стали
185
28ХЗСНМВФА-Ш распад остаточного
аустенита протекает в интервале 500 ...
650 °С (см. рис. 12.23, г, кривая М,). Про­
цесс распада мартенсита и аустенита в
этой стали при температурах отпуска вы­
ше 400 °С сопровождается значительным
изменением магнитных, электрических и
механических свойств. Распад остаточно­
го аустенита при Гот = 500 ... 650 °С спо­
собствует уменьшению коэрцитивной си­
лы вследствие исчезновения магнитных
полей рассеяния. Легирование сталей
сильными карбидообразующими элемен­
тами сопровождается процессами вторич­
ного твердения, и твердость сохраняет
свое значение до высоких температур от­
пуска. Процессы разупрочнения в стали
28ХЗСНМВФА-Ш протекают в интервале
Готп = 450 ... 700 °С, в стали 12Х2НВФА
при 600 ... 700 °С.
12.4.3.
Среднеуглеродистые и
легированные стали с содержанием
углерода 0,3 ... 0,4 %
Для сталей 2-й группы большинство
физических характеристик претерпевает
изменение в интервале температур отпус­
ка от комнатной до 400 ... 450 °С, а при
Тт „ = 450 ... 650 °С, в отличие от сталей
1-й группы, значительных изменений
структурно-чувствительных
магнитных
характеристик не происходит.
При рассмотрении закономерностей
изменений магнитных свойств сталей
2-й группы (рис. 12.24) можно отметить,
что при температурах отпуска выше
400 °С, когда практически весь углерод
выделился из решетки твердого а-раст­
вора и находится в ферромагнитной мат­
рице в связанном состоянии в виде кар­
бидных включений (см. рис. 12.21), коэр­
цитивная сила, поле максимальной маг­
нитной проницаемости и потери энергии
на перемагничивание, измеренные в сред­
них магнитных полях, практически не из­
меняются. Слабое изменение большинства
магнитных свойств сталей этой группы
при высокотемпературном отпуске вызва­
186
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
15 250 р
р, мкОмсм
45 -
МКОМ'СМ
Рис. 12.24. Зависимости физико-механических
характеристик сталей 2-й группы от температуры отпуска:
а - 30 (7), 35ХМ (2), 40ХС (5); б - ЗОХГСА (7) и 35ХГСА (2), 35СГМ (3);
в - 32X06 (7), 38ХМЮА (2), 38ХГНМ (3)
но уравновешивающим влиянием струк­
турных изменений, протекающих при этих
температурах отпуска. С одной стороны,
снижение внутренних напряжений (см.
рис. 12.21, кривые 2-4) должно сопровож­
даться уменьшением коэрцитивной силы,
с другой стороны - увеличение объема и
размеров карбидных частиц - ростом Нс.
Увеличение содержания углерода в
сталях 2-й группы по сравнению со сталя­
ми 1-й группы приводит к повышению
количества остаточного аустенита, кото­
рый распадается до 250 °С в углеродистых
сталях, например в стали 30 (см. рис.
12.24, а), а в сталях, легированных крем­
нием, хромом и молибденом, - при более
высоких температурах. Стали, легирован­
ные кремнием, имеют более высокие зна­
чения р и более низкие - Ms. Удельное
электрическое сопротивление по мере
увеличения температуры отпуска моно­
тонно убывает для всех сталей этой груп­
пы, но относительное изменение р с тем­
пературой отпуска невелико.
Прочностные свойства сталей 2-й
группы при отпуске до 400 °С претерпе­
вают меньшие изменения по сравнению с
магнитными характеристиками. Интен­
сивное разупрочнение сталей, наблюдае­
мое при Тт п > 400 °С, связано с коагуля­
цией карбидной фазы и изменением дис­
локационной структуры. Коагуляция и
сфероидизация карбидов осуществляются
вследствие растворения мелкодисперсных
частиц цементита. Как уже отмечалось,
эти процессы происходят постепенно в
широком интервале температур отпуска
(400 ... 600 °С), что сопровождается сни­
жением прочностных свойств и увеличе­
нием показателей пластичности.
ОТПУСК СТАЛЕЙ
12.4.4. Средне-, высокоуглеродистые и
легированные стали с содержанием
углерода более 0,4 %
К 3-й группе относится большое ко­
личество сталей различных классов, кото­
рые широко используются в современном
машиностроении. Особенностью поведе­
ния структурно-чувствительных магнит­
ных свойств сталей этой группы является
то, что большинство из них в области
средних и высоких температур отпуска
изменяются неоднозначно (рис. 12.2512.28).
Такое изменение магнитных свойств
сталей этой группы существенно затруд­
няет проведение неразрушающего контро­
ля качества закаленных и отпущенных
изделий. Границы применимости тех или
187
иных манитных параметров для неразру­
шающего контроля качества отпущенных
изделий можно установить, исходя из
исследований закономерностей изменения
магнитных, электрических и механиче­
ских свойств в зависимости от температу­
ры и условий отпуска изделий.
Магнитострикция является структурно-чувствительной характеристикой, и с
увеличением температуры отпуска ее зна­
чение для стали 34XH3M растет (см.
рис. 12.25). Для температур отпуска 500 ...
650 °С характерно совпадение кривых
магнитострикции, т.е. магнитострикция
высокоотпущенных образцов, измеренная
при определенных значениях индукции
(например, при В = 1,4 Тл), должна изме­
няться неоднозначно.
Ы 06
0
0,4
0,8
1,2
1,6
В, Тл
Рис. 12.25. Зависимости магнитострикции отпущенных образцов из стали 34XH3M
от индукции и магнитострикции, измеренной при В = 1,4 Тл, от температуры отпуска, “С:
/ - 150; 2 - 250; 3 - 400; 4 - 450; 5 - 500; б - 560; 7 - 600; 8 - 650
188
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Рис. 12.26. Петли частного цикла магнитного гистерезиса (Втп = 1,0 Тл)
для тороидальных образцов из стали 34XH3M с разной температурой отпуска
Изменение большинства магнитных
параметров сталей при отпуске можно
проследить на примере петель магнитного
гистерезиса, измеренных на тороидах из
стали 34XH3M (см. рис. 12.26). Анализи­
руя петли гистерезиса, можно отметить,
что коэрцитивная сила, остаточная индук­
ция, гистерезисные потери на перемагничивание (площадь петли гистерезиса) из­
меняются неоднозначно с температурой
отпуска.
Причины неоднозначного изменения
магнитных характеристик с температурой
отпуска можно рассмотреть на примере
коэрцитивной силы. При низкотемпера­
турном отпуске (150 ... 250 °С) уменьше­
ние коэрцитивной силы обусловлено
структурно-фазовыми изменениями, ха­
рактерными и для сталей первых двух
групп: выделением углерода из твердого
раствора и частичной релаксацией внут­
ренних напряжений, что приводит к сни­
жению наведенной магнитной анизотро­
пии, градиентов внутренних напряжении и
тем самым облегчает процессы намагни­
чивания и перемагничивания. Распад ос­
таточного аустенита, приводящий к ис­
чезновению магнитных полей рассеяния в
ферромагнитной матрице, также способ­
ствует снижению Не.
Для сталей, легированных кремнием,
интервал снижения коэрцитивной силы
несколько шире, чем для прочих сталей
(примерно до 400 °С), что связано с за­
держкой процессов распада мартенсита и
остаточного аустенита. В отличие от твер­
дости, которая при низкотемпературном
отпуске снижается на 10 ... 15 %, коэрци­
тивная сила уменьшается более чем в
2 раза (см. рис. 12.26-12.28), что свиде­
тельствует о гораздо большей чувстви­
тельности магнитных свойств к структур­
ным изменениям и фазовым превращени­
ям в этом интервале температур отпуска и
является предпосылкой предпочтительного
использования магнитных характеристик
189
ОТПУСК СТАЛЕЙ
а ,, Дж/см2
АН fr2, А/см
«’•1<Г,В
10
а , МПа
О
200
400 600 Т ,°С
в)
200
400 600 Т , ° С
г)
Рис. 12.27. Зависимости физико-механических
характеристик сталей 3-й группы от температуры отпуска:
а, б —40Х (шесть плавок; состав, %: 1 —0,40 С, 0,26 Si, 0,57 Мп, 0,87 Сг, 0,17 Си, 0,019 Р;
2 - 0,41 С, 0,35 Si, 0,63 Мп, 0,84 Сг, 0,15 Си, 0,017 Р; 3 - 0,42 С, 0,21 Si, 0,54 Мп, 0,94 Сг, 0,06 Си,
0 02 Р- 4 - 0,43 С, 0,17 Si, 0,59 Мп, 0,83 Сг, 0,16 Си, 0,017 Р; 5 - 0,41 С, 0,22 Si, 0,59 Мп, 0,84 Сг,
0 06 Си, 0,02 Р; 6 - 0,42 С, 0,23 Si, 0,53 Мп, 0,92 Сг, 0,21 Си, 0,025 Р); в - 40ХН (1), 40ХНМ (2);
г - 45 (/), 45Х (2), 45ХН (5), 45ХНМФА (4)
190
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
М; 1О2, А/см
W
a /cm
р, мкОм-см
40
30
20 э—хг
HRC
50
НС 9, А/см
30
35
10
25
15
5 ___ 1
200
400
600ТОПТ,°С
200
400
а)
А/-Ю'2, А/см
________
600Гопт,°С
М-10"2, А/см
Ч>—О-1
155
р, мкОм-см
60 р, мкОм-см
40
30
20
20
-
f f c, А /см
25
15
5
J_____ L
О
200
400
600 7 ^ , °C
в)
Рис. 12.28. Зависимости физико-механических
характеристик закаленных сталей 3-й группы от температуры отпуска:
а - сталь 50 (7), 50РА (2), 50ХГ (3), 50ХВА (4); б - 55С2 (i), 60С2А (2), 65Г (3);
в - 9Х (7), 9ХС (2), ХВГ (3), ШХ15СГ (4); г - У8А (7), 8ХФ (2), У9А (3), У12 (4)
ОТПУСК СТАЛЕЙ
для определения структуры изделий. При
низкотемпературном отпуске (250 ...
300 °С) распад мартенсита и остаточного
аустенита заканчивается, за исключением
сталей, легированных кремнием (см.
рис. 12.28). Тетрагональность решетки
a-железа продолжает уменьшаться.
Поведение коэрцитивной силы с уве­
личением температуры отпуска от 250 до
600 °С будет определяться соотношением
таких факторов, как уменьшение внутрен­
них напряжений, с одной стороны, и уве­
личение относительного объема карбид­
ной фазы и изменение размеров карбид­
ных частиц (кривые 1-5 на рис. 12.21), с
другой. В большинстве сталей при
= 250 ... 450 °С Нс незначительно убывает,
а при более высоких температурах отпус­
ка начинает расти (см. рис. 12.27, в, г и
12.28, б, г). При Тагп - 550 ... 570 °С коэр­
цитивная сила достигает максимального
значения, а при дальнейшем увеличении
температуры отпуска уменьшается. Для
некоторых сталей значение максимума
относительно невелико (см. рис. 12.27, а и
12.28, а). Причину образования максиму­
ма, по теории включений, связывают с
определенной объемной концентрацией
карбидных частиц в стали и достижением
ими в процессе коагуляции критического
размера.
Из анализа поведения коэрцитивной
силы в области средних и высоких темпе­
ратур отпуска выявить какие-либо зако­
номерности в местоположении максимума
и его значения в зависимости от химиче­
ского состава сталей не представляется
возможным, но можно отметить, что мак­
симум в основном приходится на область
температур отпуска 500 ... 600 °С. Его
значение слабо зависит от содержания
углерода, но в некоторой степени опреде­
ляется легирующими элементами. Стали,
содержащие легированный цементит или
специальные карбиды, имеют более мел­
кие включения, и для них характерен ме­
нее выраженный максимум Нс.
191
Изменение намагниченности насы­
щения, происходящее при отпуске сталей
в интервале 200 ... 300 °С, вызвано распа­
дом парамагнитного остаточного аустени­
та на ферромагнитные продукты - отпу­
щенный мартенсит и карбиды. Относи­
тельный рост намагниченности насыще­
ния определяется количеством остаточно­
го аустенита в стали, которое зависит от
содержания углерода и других легирую­
щих элементов. Например, в стали 40Х
(см. рис. 12.27, а) содержится 4 ... 5 %
остаточного аустенита, в то время как в
хромистых сталях с большим количеством
углерода 9ХС и ШХ15СГ (см. рис. 12.28, в)
может находиться до 17 % аустенита.
В легированных сталях, особенно с добав­
ками кремния, интервал распада остаточ­
ного аустенита более широкий и смещен в
область высоких температур отпуска. На­
глядно это можно проследить на примере
сталей 55С2, 60С2А, 9ХС (см. рис. 12.28,
б, в).
После достижения некоторого мак­
симального значения намагниченность
насыщения начинает понижаться. Основ­
ной причиной снижения М„ по-видимому,
может быть образование цементита вслед­
ствие карбидного превращения. Можно
отметить три возможные причины сниже­
ния намагниченности насыщения при
среднем и высокотемпературном отпус­
ках:
1) образование парамагнитного це­
ментита за счет углерода, выделившегося
из твердого а-раствора;
2) переход ферромагнитного низко­
температурного карбида e-FexC в парамаг­
нитный цементит, или так называемый
промежуточный карбид (близкий по
структуре, составу и свойствам к цементи­
ту);
3) переход атомов железа из ферро­
магнитного состояния (твердый а-раствор)
в парамагнитное (парамагнитный цемен­
тит) при содержании углерода в е-карбиде
большем, чем в цементите.
192
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Удельное электрическое сопротивле­
ние монотонно понижается с увеличением
температуры отпуска. Основными струк­
турными изменениями, которые приводят
к уменьшению р, являются следующие
процессы: выделение углерода из твердого
а-раствора, распад остаточного аустенита,
снижение внутренних напряжений, а так­
же коагуляция карбидов и рекристаллиза­
ция. Относительное изменение удельного
электрического сопротивления при повы­
шении температуры отпуска невелико и
возрастает с увеличением в стали количе­
ства углерода. Изменение р в интервале
температур отпуска 20 ... 700 °С для стали
40Х (см. рис. 12.27, а) составляет пример­
но 20 %, для стали 50РА - 30 % (см.
рис. 12.28, а) и для стали У12 - 50 % (см.
рис. 12.28, г).
Для стали 40Х (см. рис. 12.27, а) ЭДС
Холла е \ уменьшается во всем диапазоне
температур отпуска. Если учесть, что на­
магниченность насыщения незначительно
изменяется с температурой отпуска, то
зависимость е% от 7 ^ в основном должна
определяться теми же механизмами, что и
зависимость удельного электрического
сопротивления от температуры отпуска. В
целом характер зависимости ех(7’отп) бли­
зок к зависимости р(7’отп). Однако относи­
тельное изменение едаУь) практически в
2 раза больше, чем р(7’отп).
Влияние колебаний химического ма­
рочного состава на магнитные, электриче­
ские и прочностные характеристики ста­
лей можно проследить на примере иссле­
дований шести плавок стали 40Х (см.
рис. 12.27, а, б). Наиболее чувствительной
характеристикой к колебаниям химиче­
ского состава является удельное электри­
ческое сопротивление. Коэрцитивная сила
чувствительна к вариациям химического
состава практически в тех же пределах,
что и твердость, причем увеличение со­
держания углерода в плавке приводит в
равной мере к повышению как твердости,
так и коэрцитивной силы.
12.4.5. Высоколегированные стали
Структурные изменения, протекаю­
щие при отпуске высоколегированных
сталей (4-я группа), несмотря на схожесть,
несколько отличаются от превращений,
происходящих при отпуске в углероди­
стых сталях.
Легирующие элементы при отпуске
закаленной легированной стали замедляют
протекание фазовых превращений и
структурных изменений и смещают их в
область более высоких температур. При
большом содержании карбидообразующих
элементов скорость коагуляции карбид­
ных частиц заметно падает. Остаточный
аустенит и мартенсит не распадаются до
высоких температур отпуска (500 ...
550 °С), хотя некоторое количество угле­
рода из мартенсита выделяется, образуя
метастабильный цементит. Выделение
специальных карбидов из мартенсита и
остаточного аустенита сопровождается
повышением твердости (вторичное твер­
дение). При высоких температурах отпус­
ка обедненный углеродом и легирующими
элементами остаточный аустенит в про­
цессе охлаждения претерпевает вторичное
мартенситное превращение, что может
привести к повышению твердости.
Диффузия углерода в сталях 20X13,
30X13 и Х12Ф1, легированных большим
количеством хрома, затруднена, вследст­
вие чего вторая, третья и частично четвер­
тая стадии превращений при отпуске на­
чинают интенсивно протекать при 480 ...
600 °С. При Гоп, = 150 ... 480 °С значи­
тельных изменений физико-механических
свойств не происходит (рис. 12.29).
Уменьшение удельного электрического
сопротивления при 7 ^ = 150 ... 480 °С
связано с выделением небольшого количе­
ства углерода из решетки мартенсита и
частичным снижением внутренних мик­
ронапряжений. Однако уменьшение со­
держания углерода в твердом растворе
практически не влияет на твердость. Ко­
эрцитивная сила при выделении углерода
и частичной релаксации внутренних на-
193
ОТПУСК СТАЛЕЙ
М-10'2, А/см
б)
а)
Рис. 12.29. Зависимости физико-механических
характеристик высокохромистых сталей от температуры отпуска:
а - Х12Ф1, закаленная от 1050 °С; б - 20X13 (/) и 30X13 (2), закаленные
от 1010 и 1020 °С соответственно
пряжений должна несколько уменьшаться,
но появление при 250 ... 350 °С метастабильного карбида цементитного типа, иг­
рающего роль мелкодисперсных неферро­
магнитных включений, затрудняет про­
цессы перемагничивания. Под действием
двух противоположных по влиянию фак­
торов структурно-чувствительные маг­
нитные свойства практически не изменя­
ются.
Основные структурно-фазовые изме­
нения в высокохромистых сталях проте­
кают при Гоп, = 480 ... 600 °С. При этих
температурах отпуска происходит распад
остаточного аустенита и намагниченность
насыщения повышается. Превращение
мартенсита, интенсивно протекающее в
этих условиях, приводит к образованию
a -фазы с практически кубической решет­
кой и карбидов типа MejjQ. Коэрцитив­
ная сила, поле максимальной магнитной
проницаемости и удельное электрическое
7 - 3360
сопротивление при этом существенно
уменьшаются, а максимальная магнитная
проницаемость увеличивается. Изменение
магнитных и электрических свойств вы­
звано тем, что углерод интенсивно выде­
ляется из перенасыщенного твердого рас­
твора (тетрагональность решетки твердого
а-раствора уменьшается), что снижает
эффективную магнитную анизотропию.
Влияние внутренних напряжений на пове­
дение Нс и р в указанном интервале тем­
ператур оценить трудно, так как закалоч­
ные напряжения хотя и снижаются, но
сохраняются когерентные и возникают
дисперсионные напряжения (см. рис.
12.21, кривые 3, 4), связанные с образова­
нием специальных карбидов. Распад оста­
точного аустенита способствует сниже­
нию Нс, поскольку увеличивается магнит­
ная однородность ферромагнитной матри­
цы. Удельное электрическое сопротивле­
ние при этом тоже будет снижаться, пос-
194
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Рис. 12.30. Зависимости физико-механических характеристик закаленных
в масле (/ = 60 °С) и отпущенных сталей от температуры отпуска:
а - сталь Р6МЗ, Тт = 1210 °С,
= 560 °С; б - сталь Р6М5, Тж = 1220 °С, Г™ = 550 °С;
1 , 2 , 3 —первый, второй, третий отпуск соответственно
кольку значение р для аустенита больше,
чем для мартенсита.
Характер
изменения
магнитных
свойств при Готп = 600 ... 700 °С опреде­
ляется, с одной стороны, уменьшением
искаженности a -фазы, что должно сопро­
вождаться снижением Нс, и, с другой сто­
роны, процессами коагуляции карбидных
частиц, что будет вызывать рост Нс. Хром
и ванадий, присутствующие в сталях,
снижают скорость диффузии углерода,
поэтому коагуляция карбидных частиц
замедляется. Можно предположить, что в
случае легирования сталей хромом
(« 13 %) карбидные частицы при указан­
ных температурах критического размера
не достигают, поэтому с ростом размеров
включений магнитная жесткость будет
возрастать. Различное влияние двух ука­
занных выше факторов, по всей вероятно­
сти, и обусловливает слабое изменение
магнитных характеристик при этих темпе­
ратурах отпуска. Ванадий в стали Х12Ф1
способствует сохранению мелкого зерна.
Эта сталь имеет существенно более высо­
кую твердость и большее значение Нс, а
также содержит большое количество оста­
точного аустенита (см. рис. 12.29, а).
ОТПУСК СТАЛИ
195
Рис. 12.31. Зависимости физико-механических характеристик стали Pi 8,
закаленной от 1250 °С в масле (/ = 20 °С), от температуры первого (а), второго (б) отпусков
и старения при 170 °С (б) (время выдержки при отпуске - 1 ч , время старения - 5 ч)
Широко распространенным классом
высоколегированных сталей являются
быстрорежущие стали на основе вольфра­
ма с добавками Сг, Mo, V, Со и других
элементов.
Рис. 12.30 и 12.31 иллюстрируют из­
менение физико-механических свойств
ряда сталей в зависимости от температуры
отпуска. При низкотемпературном отпус­
ке (150 ... 250 °С) в быстрорежущих ста­
лях происходит частичное выделение уг­
лерода из мартенсита в виде высокодис­
персных карбидов железа и уменьшается
тетрагональность решетки. Эти структур­
ные изменения практически не влияют на
прочностные и магнитные свойства ста­
лей, только удельное электрическое со­
противление заметно убывает при этих
температурах отпуска (см. рис. 12.31, а.
7*
кривые /).
При Тап, = 300 ... 500 °С происходит
частичная релаксация внутренних микро­
напряжений и продолжается дальнейшее
выделение углерода из мартенсита. В ре­
зультате образуются карбиды цементитного типа, при этом появляются дисперси­
онные напряжения (см. рис. 12.21, кри­
вая 4). Отпуск до Тот = 350 ... 400 °С со­
провождается уменьшением твердости на
3 ... 5 ед. HRC (см. рис. 12.31, а, кри­
вые 1). Затем при Тот = 400 ... 500 °С
твердость опять возрастает, поскольку
происходит превращение некоторой части
цементитного карбида в специальный
дисперсный карбид хрома. Структурно­
чувствительные магнитные характеристи­
ки до Г™ = 500 ... 550 °-С практически не
изменяются (см. рис. 12.30, 12.31, а, кри-
196
Г лава \2 . ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
вые 1). Это определяется тем, что, с одной тойчив к распаду, поэтому при первом
стороны , выделение углерода и частичная отпуске он распадается не полностью. Для
релаксация микронапряжений способст­ наиболее полного превращения остаточ­
вую т снижению Нс, а с другой, - образо­ ного аустенита в мартенсит быстрорежу­
вание дисперсных парамагнитных карби­ щие стали подвергают второму отпуску
дов и появление дисперсионных микрона­ при температурах 550 ... 570 °С, который
пряжений, а также существование цемен- сопровождается дополнительным незна­
титны х выделений должны повышать Нс. чительным распадом остаточного аусте­
У дельное электрическое сопротивление по нита для сталей Р6М5 и Р6МЗ (см.
мере увеличения температуры отпуска рис. 12.30, кривые 2) и более существен­
продолжает снижаться, так как выделение ным для стали P18 (см. рис. 12.31, а, кри­
углерода приводит к увеличению прово­ вые 3). Одновременно с этим для образ­
димости твердого раствора.
цов, отпущенных при Тт = 150... 570 °С,
При нагреве стали до Тот = 500 ... при втором отпуске происходит распад
600 °С одновременно с распадом мартен­ мартенсита. Эти два процесса в основном
сита происходит частичное превращение и определяют поведение физических
остаточного аустенита (см. рис. 12.30, свойств стали при вторичном отпуске.
12.31, а> кривые Ms) в мартенсит с выде­ Характер изменения твердости после вто­
лением из твердого раствора мелкодис­ рого отпуска в интервале температур пер­
персных специальных карбидов, а обед­ вого отпуска 150 ... 570 °С тот же, хотя ее
ненный углеродом и легирующими эле­ значение немного возрастает по отноше­
ментами аустенит при охлаждении пре­ нию к первому отпуску (см. рис. 12.30,
вращается во вторичный мартенсит. Твер­ кривые 2 и 12.31, а, кривая 2). Удельное
дость при указанных температурах дости­ электрическое сопротивление, коэрцитив­
гает максимального значения вследствие ная сила при втором отпуске уменьшают­
исчезновения менее твердой фазы - аусте­ ся по сравнению со значениями Нс и р,
нита и образования дисперсных карбидов. полученными при первом отпуске, однако
Все магнитные характеристики сталей при существенных отличий в характере зави­
этих температурах отпуска претерпевают симости перечисленных выше свойств от
существенные изменения (см. рис. 12.30, температуры первого отпуска не наблюда­
ется (см. рис. 12.30, кривые 2 и рис. 12.31, а,
12.31, а).
Дальнейшее повышение температуры кривые 2).
Третий отпуск при температурах
отпуска до 640 °С приводит к полному
распаду мартенсита, и параметры его ре­ 560 °С для стали Р6МЗ и 550 °С для стали
ш етки уменьшаются до значений парамет­ Р6М5 приводит к повышению М„ сниже­
ров а-ф азы отожженной стали. При Готп= нию Нс и р в интервале температур 400 ...
= 600 ... 700 °С происходит коагуляция 450 °С первого отпуска (см. рис. 12.30).
выделившихся карбидов*, игольчатые кар­ Старение при 170 °С, необходимое для
биды достигают длины 20 ... 30 нм, а гло­ снятия внутренних напряжений, возни­
булярные карбиды имеют размеры 40 ... кающих при распаде остаточного аустени­
100 нм. Эти процессы приводят к разу­ та, практически не влияет на матнитные,
прочнению, при этом коэрцитивная сила и электрические свойства и твердость стали
удельное электрическое сопротивление Р\& (см. рис. \2.31, а, кривые 5).
При контроле качества термической
уменьшаются, максимальная магнитная
обработки
быстрорежущих сталей воз­
проницаемость растет и практически оста­
можны случаи нарушения технологии
ется без изменения значение термоЭДС.
Высоколегированный остаточный ау­ второго отпуска. На примере стали
стенит быстрорежущих сталей очень ус- рассмотрены закономерности изменения
ОТПУСК СТАЛЕЙ
физических свойств после закалки, перво­
го отпуска при 570 °С и вариации темпе­
ратуры второго отпуска. Все рассмотрен­
ные физические характеристики (Нс, р,
HRC, Ms) мало изменяются вплоть до тем­
пературы второго отпуска 480 ... 500 °С
(см. рис. 12.31, б, кривые 4), хотя следует
отметить, что кривые Нс и р после второго
отпуска расположены ниже кривых Нс и р,
соответствующих первому отпуску. При
увеличении температуры второго отпуска
выше 520 °С происходит дополнительный
распад остаточного аустенита, что под­
тверждается увеличением намагниченно­
сти насыщения (см. рис. 12.31, б, кри­
вые 3). Распад остаточного аустенита при­
водит к снижению удельного электриче­
ского сопротивления и коэрцитивной си­
лы. Значение Нс уменьшается в связи с
исчезновением неферромагнитных вклю­
чений в ферромагнитной матрице, роль
которых выполнял остаточный аустенит.
Поскольку состав мартенсита, полученно­
го при первом отпуске, при втором отпус­
ке до Тот = 600 °С практически не изменя­
ется, то твердость стали остается постоян­
ной, и только при температурах выше
600 °С значение HRC убывает.
12.4.6.
М артенситно-старею щ ие,
аустенитно-мартенситны е н ферритноаустенитны е стали специального
назначения
Для сталей 5-й группы общности за­
кономерностей изменения структурно­
чувствительных магнитных свойств не
наблюдается, однако их рассмотрение по­
лезно при решении конкретных задач НК
изделий.
Мартенситно-стареющие стали. Уп­
рочнение мартенситно-стареющих сплавов
связано с начальными стадиями образова­
ния интерметаллидных фаз при старении.
Выделению стабильных фаз предшеству­
ют так называемая зонная стадия распада
твердого раствора (образование зон Гинье-Престона или сегрегаций, обогащен­
ных атомами легирующих элементов, ко­
197
торые служат зародышами выделяющейся
фазы) и образование промежуточных фаз,
когерентно или полукогерентно связанных
с матрицей. Повышение прочностных ха­
рактеристик (рис. 12.32, кривые HRC, а в)
при температурах старения 300 ... 450 °С
связывают с зонной стадией распада твер­
дого раствора, так как никаких изменений
в структуре кристаллов мартенсита не на­
блюдается. В большинстве железоникеле­
вых сплавов происходит лишь незначи­
тельное уменьшение плотности дислока­
ций. Образующиеся сегрегации атомов
легирующих элементов имеют размеры,
не превышающие 0,004 ... 0,006 мкм. В
исследованных сталях, по-видимому, как
и в железоникелевых сплавах с 18 % Ni,
легированных молибденом и титаном, на
стадии максимального упрочнения (480 ...
500 °С) и в перестаренном состоянии при­
сутствуют частицы FeiMo, №зМо и NijTi.
Магнитные свойства в интервале
температур 20 ... 500 °С практически не
изменяются (см. рис. 12.32). Незначитель­
ное снижение коэрцитивной силы и оста­
точной индукции тела В'г в диапазоне
300 ... 400 °С объясняется уменьшением
плотности дислокаций и снижением мик­
ронапряжений в мартенсите. При тем­
пературах старения 400 ... 500 °С умень­
шение Нс за счет отмеченных факторов
компенсируется ее ростом вследствие об­
разования промежуточных интерметал­
лидных фаз. Уменьшение р при темпера­
турах старения 300 ... 500 °С, вероятнее
всего, связано с уменьшением плотности
дислокаций и периодическим расположе­
нием зон (образованием модулированной
структуры) в объеме сплава. При темпера­
турах 400 ... 500 °С на уменьшение р
влияют распад твердого раствора и час­
тичная релаксация микронапряжений в
матрице.
Разупрочнение исследованных сталей
при температурах старения, превышаю­
щих 500 °С, определяется протеканием
нескольких процессов: коагуляцией час-
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
А/-10'2, А/см
а ,, Дж/см2
Рис. 12.32. Зависимости физико-механических характеристик стали ЧС5ВИ, закаленной от
820 °С на воздухе, от температуры отпуска (время выдержки при отпуске - 3 ч)
тиц, образованием стабилизированного
аустенита и "свежего" мартенсита. Пове­
дение исследуемых физических свойств
при температурах старения, превышаю­
щих 500 °С, в основном связано с образо­
ванием аустенита, обогащенного никелем.
Максимальное количество стабилизиро­
ванного аустенита в структуре состарен­
ных сталей образуется при Ттп = 580 °С,
что приводит к уменьшению намагничен­
ности насыщения, повышению коэрци­
тивной силы, остаточной индукции тела
В'г , удельного электрического сопротив­
ления в интервале 500
580 °С (см.
рис. 12.32). Коагуляция интерметаллидных фаз и релаксация напряжений в
a -фазе должны приводить к снижению р.
Однако действие этих факторов на вели­
чину р перекрывается более сильным эф­
фектом - увеличением количества стаби­
лизированного аустенита в сплаве. При­
чину магнитной жесткости мартенситностареющих сталей в интервале температур
обратного а
у-превращения связано с
перемагничиваем участков a -фазы без
магнитного взаимодействия между ними,
что является результатом большого со­
держания в стали остаточного аустенита.
При температурах старения выше
580 °С эффект стабилизации аустенита
уменьшается, что приводит к повышению
Ms и снижению р, Нс и В'г (см. рис. 12.32,
а). Уменьшение количества аустенита в
структуре стали сопровождается снижени­
ем удельного электрического сопротивле­
ния только до температуры старения
640 °С. Несмотря на то, что количество
аустенита при 640 °С уменьшается при­
мерно вдвое по сравнению с состоянием
при 580 °С, изменение р невелико. Это,
по-видимому,
обусловлено
блочной
структурой с более высокой степенью
ОТПУСК СТАЛЕЙ
дисперсности кристаллов вновь образо­
ванного мартенсита, в результате чего
рассеяние электронов проводимости мо­
жет возрастать. Кроме того, в интервале
температур 600 ... 700°С возрастает сте­
пень легирования твердого раствора мар­
тенсита никелем и элементами, ранее вхо­
дившими в состав интерметаллидных фаз
(титаном, молибденом, алюминием и др.),
что также может привести к увеличению
удельного электросопротивления.
Высокая прочность мартенситностареющих сталей объясняется не только
дисперсностью и равномерным распреде­
лением частиц второй фазы, а также их
собственной высокой прочностью. Старе­
ние мартенсита вызывает существенное
снижение пластичности и ударной вязко­
сти. Однако эти характеристики на стадии
максимального упрочнения остаются еще
достаточно высокими.
Аустенитно-мартенситные
стали
переходного класса упрочняются путем
превращения аустенита в мартенсит и по­
следующего его старения, что обеспечива­
ет высокие механические свойства. Среди
высокопрочных сталей хорошим сочета­
нием прочностных и пластических
свойств обладает коррозионно-стойкая
сталь 13Х15Н4АМЗ-Ш. Для получения
высокой вязкости сталь подвергают закал­
ке от температуры 1070 °С, при которой
обеспечивается полное растворение кар­
бидов. Мартенситное превращение начи­
нается при 50 ... 90 °С, и после обработки
холодом при -70 °С в структуре стали об­
разуется 80 ... 85 % мартенсита. Наи­
большую прочность сталь приобретает
после отпуска при 200 и 450 °С. Отпуск
при 350 °С понижает прочность.
Снижение прочности и удельного
электрического сопротивления при отпус­
ке до 300 °С связывают с уменьшением
концентрации углерода и азота в мартен­
сите. При Ттп = 100 ... 500 °С фазовый
состав стали 13X15H4AM3-I11 не изменя­
ется (см. рис. 12.33, а, кривая А/,) и в
структуре стали присутствует 15 ... 20 %
199
равномерно распределенного остаточного
аустенита, что обусловливает высокую
ударную вязкость. Коэрцитивная сила и
остаточная индукция в интервале темпе­
ратур 100 ... 300 °С практически не изме­
няются, поскольку значительных фазовых
и структурных изменений не происходит.
При этих температурах отпуска внутрен­
ние микронапряжения и плотность дисло­
каций практически не уменьшаются. Сни­
жение Нс и В'г при более высоких темпе­
ратурах вызвано уменьшением микрона­
пряжений, некоторым понижением плот­
ности дислокаций и, возможно, наруше­
нием когерентной связи выделившейся
фазы с матрицей. После отпуска при
450 ... 500 °С в исследуемой стали наблю­
дается выделение второй фазы, которую
отождествляют с высокодисперсными
частицами карбонитрида хрома, близкого
по параметрам к нитриду Cr2N. Выделение
этой фазы, по-видимому, несколько за­
тормаживает снижение Нс и В'г. По дан­
ным рентгеноструктурного анализа, при
Гот —550 .... 600 °С выделяются частицы
карбонитрида хрома, а при 650 ... 700 °С частицы МегзСб.
Повышение прочности в интервале
температур 350... 500 °С (см. рис. 12.33, б)
и значительное уменьшение работы рас­
пространения трещины связаны только с
упрочняющим действием дисперсных час­
тиц, поскольку снижение плотности дис­
локаций и выделение атомов внедрения из
твердого раствора должны приводить к
разупрочнению стали.
При температурах отпуска выше
560 °С на распад мартенсита накладывает­
ся обратное а *2 у-превращение. Отпуск
выше 600 °С сопровождается повышением
содержания остаточного аустенита, коли­
чество которого достигает максимального
значения при Готп - 625 ... 650 °С (см.
рис. 12.33, о, кривые А/,). Эффект стабили­
зации остаточного аустенита при этих
температурах отпуска связывают с фазо­
вым наклепом аустенита или с образова-
200
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Дж/см2
А Л О '2, А/см
30 «
О
i
200
l
l
400
600 ТО П Т, °С
о)
30
0
200
_400
б)
600 Тотп’,°С
Рис. 12.33. Зависимости физико-механических характеристик
стали 13X15H4AM3-U1, закаленной от 1070 °С в воде (t = 20 °С), от температуры отпуска
(время выдержки при отпуске -2 ч)
нием высоконикелевого аустенита. Даль­
нейшее повышение температуры вновь
вызывает уменьшение количества ста­
бильного аустенита.
Увеличение коэрцитивной силы и
остаточной индукции тела при температурах
отпуска выше 600 °С вызвано ростом объе­
ма карбидной фазы и достижением части­
цами критического размера примерно
0,1 мкм. Частицы карбидной фазы распо­
лагаются преимущественно на границах
раздела мартенсит-мартенсит и мартенсит-аустенит. Крупные карбиды располо­
жены на границах исходных (высокотем­
пературных) зерен аустенита, что и вызы­
вает снижение прочностных характери­
стик и ударной вязкости при температурах
выше 500 °С.
Ферритно-аустенитные стали. Двух­
фазные ферритно-аустенитные стали со
структурой 6-феррит-аустенит обладают
более высоким сопротивлением некото­
рым видам коррозии по сравнению с чисто
аустенитными и чисто ферритными корро­
зионно-стойкими сталями и поэтому на­
ходят все большее применение. Однако
при больших содержаниях 8-феррита эти
стали имеют высокую склонность к хруп­
кому разрушению. Один из возможных
путей управления качеством изготовления
сталей - использование неразрушающих
методов контроля.
На рис. 12.34 приведены закономер­
ности изменения физико-механических
свойств в зависимости от температуры
отжига сложнолегированной низкоуглеро­
дистой хромоникелевой стали, содержа­
щей 0,05 % С, 24 % Сг, 7 % Ni и ряд дру­
гих элементов. В исходном состоянии (без
термической обработки) сталь обладает
низким сопротивлением хрупкому разру­
шению (а, » 10 Дж/см2). После закалки от
1150 °С ударная вязкость возрастает до
100 Дж/см2. Нагрев при температурах
ОТПУСК СТАЛЕЙ
500 ... 700 °С приводит к уменьшению
значения а, примерно в 2 раза. Особенно
сильный эффект охрупчивания наблюда­
ется после отжига в диапазоне температур
800 ... 900 °С. Отжиг при 1250 °С также
приводит к значительному падению удар­
ной вязкости. Разрушение во всех случаях
происходит по телу зерна.
Таким образом, существует несколь­
ко температурных интервалов повышен­
ной склонности к хрупкому разрушению.
Охрупчивание при 500 ... 600 °С сопро­
вождается ростом твердости. При этом
можно отметить небольшое уменьшение
удельного электрического сопротивления.
Такое изменение свойств указывает на
протекание процессов распада легирован­
ного феррита с выделением интерметаллидных фаз высокой степени дисперсно­
сти. Не исключено, что охрупчивание ста­
ли в этом интервале температур частично
вызвано процессами, приводящими к
хрупкости при 475 °С.
После выдержки при 900 °С наблю­
даются повышение твердости и снижение
удельного электрического сопротивления.
Можно отметить отсутствие корреляции
между твердостью, электрическим сопро­
тивлением и ударной вязкостью. При тем­
пературе 800 °С снижение ударной вязко­
сти не сопровождается ощутимыми изме­
нениями твердости и сопротивления, в то
время как при 900 °С минимальному зна­
чению ударной вязкости соответствует
экстремальные значения этих характери­
стик. Исследования нескольких промыш­
ленных плавок этой же стали показали,
что охрупчивание в области температур
800 ... 900 °С может вообще не сопровож­
даться приростом твердости.
Изучение микроструктуры образцов в
литом состоянии, а также после отжига
при температурах 800 и 900 °С показало,
что во всех указанных случаях наблюдает­
ся образование a -фазы, которая выделяет­
ся в ферритной составляющей преимуще­
ственно в приграничных областях с у-фазой. Образование богатой хромом а-фазы
приводит к изменению состава окружаю-
201
at, Дж/см2
обработки
Рис. 12.34. Зависимости физико­
механических характеристик ферритиоаустенитной стали от температуры отжига
(предварительная обработка - закалка
от П 5 0 вС)
щего ее феррита, который в соответствии
с диаграммой состояния превращается в
аустенит. Образование вторичного аусте­
нита (у'-фазы), как правило, не сопровож­
дается падением ударной вязкости, а в
некоторых случаях даже может приводить
к снижению критической гемпературы
хрупкости. Основной причиной охрупчи­
вания стали в интервале 800 ... 900 °С
является образование a -фазы. Появление в
двухфазной стали близкого состава ст-фазы (3 ... 5 %) приводит к снижению удар­
ной вязкости на порядок.
При изучении зависимости магнит­
ных свойств от температуры нагрева уста-
202
Г л ав а \2 . ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
н овлен о, что намагниченность насыщения другом. В этом случае значение Нс будет
нечувствительна к процессам, протекаю­ зависеть от размеров участков 6-феррита в
щ и м при нагреве до 700 °С (см. аустенитной матрице, а также от наличия
р и с. 12.34), что связано, по-видимому, с в 5-феррите о-фазы определенной степени
небольш им количеством выделяющихся дисперсности. Поэтому величина макси­
п ри этих температурах фаз. Повышение мума Нс и температурный интервал, в ко­
тем пературы приводит к сильному сниже­
тором он наблюдается, в соответствии с
нию намагниченности насыщения, кото­
теорией включений будут определяться не
рая достигает минимального значения при
только количеством 5-феррита, но и объе­
тем пературе 900 °С. Уменьшение М3 обу­
мом и степенью дисперсности о-фазы в
словлено распадом 6-феррита на неферро­
нем.
м агнитны е а-фазу и вторичный аустенит,
На промышленных плавках стали
а глубина образовавшегося минимума ха­
было обнаружено, что максимум коэрци­
рактеризует их суммарное количество. С
тивной силы не всегда соответствовал ми­
повыш ением температуры значение М, нимуму намагниченности насыщения.
возрастает, что связано с увеличением Однако во всех случаях максимум Нс сов­
количества ферритной фазы.
падал с минимумом на кривой ударной
П ри температурах выше 1200 °С вязкости, тогда как минимум М, мог соот­
структура стали становится полностью ветствовать либо минимуму ударной вяз­
однофазной (ферритной), резко возрастает кости (900 °С), либо ее максимуму, кото­
разм ер ферритного зерна. При этом про­ рый в случае промышленных плавок при­
исходит некоторое повышение твердости ходился на Т = 1000 °С.
стали, которое свидетельствует об обога­
Хрупкости, обусловленной ростом
щ ении твердого раствора легирующими зерна и повышением степени легирован­
элементами (в том числе примесями вне­ ности твердого раствора (выше 1200 °С),
дрения - углеродом, азотом) в результате соответствует значение коэрцитивной си­
растворения при этих температурах избы­ лы, которое более чем в 2 раза меньше Н)
точны х карбидных и нитридных фаз. Ве­ в исходном состоянии (закалка or 1150 °С).
Повышенная хрупкость стали в ли­
роятно, увеличение размеров ферритного
зерна, повышение легированности твердо­ том состоянии, по-видимому, также обу­
го раствора и обогащение границ охруп- словлена главным образом присутствием
чиваю щ ими элементами - основные при­ о-фазы и увеличенным значением коэрци­
тивной силы.
чин ы хрупкости феррита при Т > 1200 °С.
Коэрцитивная сила до температуры
12.4Л. Магнитный структурный
500 °С практически не изменяется, хотя
анализ
закаленных и отпущенных
для 450 ... 500 °С характерно образование
изделий
интерметаллидов. При дальнейшем увели­
чении температур происходит рост коэр­
Для низкоутлеродистых, низко- и
цитивной силы, вызванной появлением
среднелегированных конструкционных
a -ф азы и вторичного аустенита. При на­
сталей с содержанием углерода менее
греве выш е 900 °С коэрцитивная сила дос­
0,3 % характерно монотонное изменение
ти гает максимального значения. Посколь­
ку при этой температуре в стали содер­ всех рассмотренных физических характе­
ж ится большое количество остаточного ристик при изменении температуры от­
аустенита, можно предположить, что уча- пуска, поэтому для целей Ж прочностных
стки ферромагнитной фазы (5-феррит) в свойств и структурного состояния можно
значительной степени обособлены и пере- использовать любую из них. Наиболее
м агничиваю тся, не взаимодействуя друг с предпочтительной и широко исполъзуе-
ОТПУСК СТАЛЕЙ
мой на практике является коэрцитивная
сила. При низкотемпературном отпуске
коэрцитивная сила претерпевает большее
изменение, нежели прочностные характе­
ристики, что позволяет получить более
достоверную информацию о структурном
состоянии стали при отпуске. Некоторая
сложность в определении твердости мо­
жет возникнуть при высокотемпературном
отпуске в сталях, для которых характерно
образование легированного аустенита,
очень устойчивого к распаду (см. рис.
12.23, б, сталь 12ХНЗА). Для таких сталей
коэрцитивная сила при высокотемпера­
турном отпуске растет, а твердость про­
должает понижаться. Поскольку намагни­
ченность насыщения довольно сильно из­
меняется, то контроль высокотемператур­
ного отпуска можно осуществить по двум
магнитным параметрам: намагниченности
насыщения и коэрцитивной силе. Частич­
ная закалка, которая наблюдается при вы­
соких
температурах
отпуска
(см.
рис. 12.23) для ряда сталей этой группы,
приводит как к увеличению твердости, так
и к возрастанию коэрцитивной силы, что
накладывает ограничения на возможности
оценки качества отпуска изделий из этих
сталей как магнитными, так и механиче­
скими способами.
Качество низкотемпературного от­
пуска изделий из сталей 2-й и 3-й групп,
как и в случае сталей 1-й группы, можно
проконтролировать с использованием лю­
бых рассмотренных магнитных характе­
ристик. Как уже отмечалось, стали 2-й и
3-й групп характеризуются тем, что для
большинства магнитных свойств в облас­
ти средних и высоких температур отпуска
не наблюдается однозначной взаимосвязи
между магнитными свойствами и темпе­
ратурой отпуска (прочностными характе­
ристиками). Следовательно, неразрушаю­
щее определение структурного состояния
и прочностных свойств изделий из сталей
203
этих групп после закалки и средне- и вы­
сокотемпературного отпуска по значениям
коэрцитивной силы, максимальной маг­
нитной проницаемости, поля максималь­
ной магнитной проницаемости, остаточ­
ной индукции, потерь энергии на перемагничивание и ряда других магнитных
характеристик кривой намагничивания и
петли магнитного гистерезиса не пред­
ставляется возможным.
Для стали 4-й группы интервал воз­
можного контроля структурно-фазового
состояния и прочностных свойств совпа­
дает с узким диапазоном температур, при
которых происходит распад мартенсита и
остаточного аустенита.
Для изделий из стали 5-й группы
контроль качества закалки и последующе­
го отпуска возможен в отдельных темпе­
ратурных интервалах с использованием
двух параметров: намагниченности насы­
щения и коэрцитивной силы или коэрци­
тивной силы и удельного электрического
сопротивления. Температурные интервалы
развития хрупкости ферритно-аустенитной стали могут быть зафиксированы по
измерениям коэрцитивной силы.
Таким образом, на примере сталей
разных классов рассмотрены закономер­
ности изменения магнитных, электриче­
ских и механических свойств при вариа­
ции температуры отпуска. Поскольку для
сталей 2-5-й групп имеются значительные
ограничения при определении структур­
ного состояния и прочностных характери­
стик магнитными методами, то для реше­
ния этих задач необходимо изучение маг­
нитных явлений в ферромагнетиках, па­
раметры которых позволили бы однознач­
но характеризовать структурное состояние
и прочностные характеристики контроли­
руемых изделий. Можно отметить не­
сколько подходов в решении данной про­
блемы:
204
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
• измерение магнитных свойств выше
тем пературы Кюри карбидов;
• использование магнитоупругих па­
раметров для целей контроля: а) измене­
ний индукции при воздействии растяги­
вающих и сжимающих напряжений, удар­
ной нагрузки, динамических напряжений;
б) двойного ЭМА-преобразования; в) маг­
нитоупругой акустической эмиссии;
• измерение магнитных характери­
стик в слабых полях (область Релея);
• применение методов многочастот­
ного перемагничивания, а также регистра­
ции высших гармонических составляю­
щих.
Глава 13
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ И
КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Магнитные характеристики петли
гистерезиса и кривой намагничивания не
всегда можно применять для оценки
структурного состояния и прочностных
характеристик стальных термически обра­
ботанных изделий в силу отсутствия одно­
значной взаимосвязи между ними. Для
разработки неразрушающих методов кон­
троля используются новые физические
явления, которые позволяют получить
однозначную зависимость магнитных па­
раметров от прочностных характеристик
термически обработанных сталей.
13.1. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ
МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Новый подход в решении задач
структуроскопии и оценки эксплуатаци­
онных свойств изделий дает изучение яв­
лений устойчивости магнитных состояний
ферромагнетиков к различным внешним
воздействиям (магнитного и электромаг­
нитного полей, механических напряжений
и температуры) с учетом обратимых и не­
обратимых процессов перемагничивания,
протекающих в результате данных воздей­
ствий. Для контроля структурно-фазового
состава сталей важно решение обратной
задачи, когда на основе анализа устойчи­
вости магнитных состояний ферромагне­
тика к внешним воздействиям можно оп­
ределить эксплуатационные характери­
стики изделий.
Намагниченность
ферромагнетика
является функцией напряженности маг­
нитного поля Н, напряжений ст и темпера­
туры Т. Изменения этих параметров ме­
няют магнитное состояние ферромагнети­
ков и приводят к магнитному, магнитоуп­
ругому и термомагнитному гистерезису.
Устойчивость магнитных состояний к воз­
действию Н, ст и Г определяется магнит­
ными константами ферромагнетика, ха­
рактером процесса перемагничивания и
степенью взаимодействия доменных гра­
ниц с разного рода дефектами, сущест­
вующими в большом количестве в реаль­
ных ферромагнетиках.
В сталях основной причиной, опре­
деляющей устойчивость магнитных со­
стояний к действию магнитных и элек­
тромагнитных полей, является задержка
смещения доменных границ вследствие их
взаимодействия с различными магнитны­
ми несовершенствами материала. Крити­
ческие поля и коэрцитивная сила, являю­
щаяся усредненной характеристикой рас­
пределения критических полей в ферро­
магнетике, будут зависеть от структурного
состояния и фазового состава ферро­
магнетиков.
Коэрцитивная сила отражает инте­
гральные свойства ферромагнетика и ха­
рактеризует его общую устойчивость к
внешним воздействиям. Более точные
сведения о характере протекания процес­
сов намагничивания и перемагничивания,
о взаимодействии доменных границ с оп­
ределенными типами дефектов можно
получить при исследовании устойчивости
конкретного магнитного состояния или
ряда магнитных состояний к воздействиям
магнитных, электромагнитных полей, уп­
ругих и пластических деформаций и тем­
ператур.
Остаточно-намагниченное состояние
ферромагнетика является метастабильным. Анализ изменения устойчивости ос­
таточной намагниченности при вариации
различных внешних воздействий позволя­
ет получить информацию о перераспреде-
206
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
лении намагниченности в ферромагнети­
ке, т.е. о переходе доменных границ в но­
вое состояние. Устойчивость состояния
остаточной намагниченности в ферромаг­
нетике зависит от структурных парамет­
ров и фазового состава ферромагнетика,
от степени однородности распределения
намагниченности в нем и от того, каким
образом было получено состояние оста­
точной намагниченности, поэтому на ос­
нове анализа устойчивости магнитных
состояний можно получить дополнитель­
ную информацию о структурном состоя­
нии и фазовом составе ферромагнетика.
13.1.1. Структуроскопия сталей на
основе анализа устойчивости их
магнитных состояний к действию
постоянных и переменных магнитных
полей
Воздействие на ферромагнетик, на­
ходящийся в остаточно-намагниченном
состоянии, небольшого по величине по­
стоянного размагничивающего поля Н~[
приводит к смещению доменных границ,
для которых Я ”] > Я к1, и они закрепля­
ются в новом положении. Если уменьшить
значение поля Н~х до нуля, то вновь при­
обретенное состояние остаточной индук­
ции Bdx будет меньше Вг на величину
. Она характеризует объем ферро­
магнетика AFj, в котором остаточная ин­
дукция потеряла устойчивость под дейст­
вием размагничивающего поля Я ”, .
Дальнейшее увеличение размагничиваю­
щего поля до значения Н~2 приводит к
новому перераспределению доменных
границ в ферромагнетике, и остаточная
индукция уменьшается на величину
Д5^2 - B ~
d, - B-d l . Она характеризует объ­
ем ферромагнетика AV2 с критическими
полями Я к1 - Як2, потерявший устойчи­
вость остаточной индукции под действием
поля Я ”, й Яр й Я р2 . Суммарное значе­
ние ABji и ДД^2 позволяет оценить перемагничиваемый объем с критическими
полями 0 - Я», причем Я к2 ^ Я~2 .
На рис. 13.1 показано изменение ос­
таточной индукции Bd в зависимости от
величины размагничивающего поля Я “
для образцов, отпущенных при разных
температурах и имеющих различное ис­
ходное значение остаточной индукции
(рис. 13.1, б, кривая У).
На рис. 13.1, а можно выделить три
области устойчивости В~ к воздействию
постоянного магнитного поля: I - область
небольших размагничивающих полей, в
которой значения Bd слабо изменяются
при увеличении поля H ~t ; II - область
наиболее интенсивной потери устойчиво­
сти остаточной индукции; III - область, в
которой ферромагнетик уже практически
перемагничен и приобрел состояние оста­
точной индукции, близкой к Вг. Диапазо­
ны полей, для которых характерны облас­
ти I—III, также определяются структурным
состоянием образцов. Для магнитомягких
образцов, отпущенных при высоких тем­
пературах (см. рис. 13.1 а, кривая 10), чет­
ко выражена область I, которой соответст­
вуют незначительные изменения B~d при
увеличении поля Я~-. Для области II этих
образцов характерен интенсивный процесс
потери устойчивости остаточной индук­
ции в очень узком интервале размагничи­
вающих полей.
Высокая устойчивость остаточной
индукции в области I для низкоотпущенных образцов (20 ... 250 °С) связана с на­
личием значительных критических полей
дефектов мартенситной структуры и вклю­
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
0
1 (%
’ 0
1
10
I
20
I
30
I
40
207
400 7опъ°С
1 1
50 Яр~, А/см
о)
Рис. 13.1 Зависимости остаточной индукции Вл тороидальных образцов
из стали 34XH3M от напряженности размагничивающего поля H L (а) и от температуры
отпуска при частичном размагничивании полем Я ^ 0 = const (6):
а ~ Тот ~ 20 ( 1), 200 (2), 250 (5), 300 (4 \ 400 (5), 450 (б), 500 (7), 560 (5), 600 (9), 650 °С (10);
б - Я Г = 0 (Д 10(2), 12(5), 15 (-0, 18 (5), 23 А/см (б)
чений остаточного аустенита, поэтому
воздействие небольших размагничиваю­
щих полей нарушает состояние остаточ­
ной намагниченности наиболее "мягких"
магнитных компонент с небольшим объе­
мом. Относительно низкой устойчивостью
остаточной индукции к действию посто­
янного поля обладают структуры стали,
характерные для средних температур от­
пуска. При этих температурах отпуска
сталь имеет достаточно совершенную
матрицу, а выделившиеся карбидные час­
тицы мелкодисперсны и имеют относи­
тельно низкие критические поля.
В
высокоотпущенных
образцах
(Тт „ = 500 ... 600 °С), несмотря на то, что
в целом матрица становится более совер­
шенной, устойчивость остаточной индук­
ции к воздействию слабых постоянных
полей сохраняется высокой. Это наблюда­
ется у стали 34XH3M (см. рис. 13.1, б,
кривые 2, 3), но особенно хорошо просле­
живается для сталей с большим содержа­
нием углерода - 60С2А и У8А. Такое по­
ведение остаточной индукции связано с
увеличением размеров карбидных частиц
и достижением ими при коагуляции кри­
тического размера, при котором закрепле­
ние доменных границ максимально. Кроме
того, закреплению доменных границ спо­
собствует и то, что вокруг ряда крупных
включений может существовать напря­
женная зона, во много раз превышающая
объем включения.
Появление значительных внутренних
напряжений в околокарбидной зоне при­
водит к формированию лабиринтной (мо­
заичной) доменной структуры, которая
208
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
должна обладать высокой устойчивостью
к действию постоянных и переменных
магнитных полей. Из рис. 13.1, б следует,
что наименее устойчива к воздействию маг­
нитных полей остаточная индукция высокоогпущенных образцов (Гоп, > 600 °С),
структура которых представляет собой
магнитомягкую матрицу с относительно
крупными включениями d » 8. Так, воз­
действие постоянного магнитного поля
H Z = 1 0 А/см (см. рис. 13.1, а, кривая 10)
приводит к уменьшению остаточной ин­
дукции образцов с 7 ^ = 650 °С стали
34XH3M на 75 %. Это явление можно ис­
пользовать при контроле высокоотпущенных деталей или при выявлении деталей,
попавших на контроль в состоянии по­
ставки.
Вновь приобретенное состояние ос­
таточной индукции после воздействия
определенных по значению постоянных
размагничивающих полей характеризуется
величиной B j , которую можно использо­
вать для определения прочностных харак­
теристик закаленных и отпущенных сталь­
ных изделий (см. рис. 13.1, кривые 4-6).
На петле по остаточной индукции
можно выделить ряд точек, характери­
зующих необратимые процессы перемаг­
ничивания.
Одной из них является релаксацион­
ная коэрцитивная сила Нг (рис. 13.2) напряженность магнитного поля, необхо­
димого для приведения ферромагнетика с
остаточной намагниченностью в статиче­
ски
размагниченное
состояние.
На
рис. 13.1, а значения поля # “■при B j = 0
соответствуют релаксационным коэрци­
тивным силам тороидальных образцов.
Релаксационная коэрцитивная сила веще­
ства изменяется эквидистантно Нс, пре­
вышая ее на 2 ... 8 %. Исследования, вы­
полненные на частных циклах, показали,
что с уменьшением Втт разность между
значениями Нс и Нг возрастает.
Важной характеристикой, позволяю­
щей понять природу устойчивости маг­
нитных состояний к внешним воздействи-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
209
Рис. 133. Первичные (/) и вторичные (2) спектры жесткости
тороидальных образцов стали 34XH3M для разных температур отпуска
ям и выяснить характер протекания необ­
ратимых процессов при намагничивании и
перемагничивании сталей, является рас­
пределение критических полей.
Распределение критических полей в
объеме ферромагнетика при его намагни­
чивании и перемагничивании без учета
ориентации доменных границ относитель­
но направления приложенного поля оце­
нено путем измерения и дифференцирова­
ния по Н кривых остаточных индукций
при наложении и снятии прямого Br (Н) и
обратного Bj (Н) магнитных полей. Полу­
ченные дифференцированием кривые на­
зывают спектрами жесткости, которые
характеризуют необратимые изменения,
происходящие в ферромагнетике при на­
магничивании (первичный спектр) и пе­
ремагничивании (вторичный спектр).
Площади первичных и вторичных
спектров жесткости равны, так как после
проведенного нормирования они пред­
ставляют собой соответственно намагни­
ченные и перемагниченные объемы об­
разца. Первичный спектр жесткости харак­
теризует необратимые изменения намаг­
ниченности в относительном объеме
[АВДАНВгтлх)]АНк. Вторичный спектр
аналогичен первичному, но отражает не­
обратимые изменения намагниченности
при перемагничивании образца в объеме
[A B~d
При совпадении
спектров считается, что необратимые про­
цессы протекают одинаково. В сталях
34XH3M (рис. 13.3), 60С2А и У8А про­
цесс перемагничивания во всем диапазоне
полей, за исключением участка слабых
полей, идет несколько легче, чем процесс
намагничивания. Различие в спектрах рас­
тет по мере повышения температуры от­
пуска.
При изменении структурного состоя­
ния образцов вид спектров меняется. Для
мартенситных структур спектры пологие и
охватывают широкую область полей. Из-
210
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
менения структуры, происходящие при
повышении температуры отпуска до
350 °С (снижение внутренних напряжений
и уменьшение степени тетрагональности
решетки a-Fe), сопровождаются умень­
шением среднего значения критических
полей первичных и вторичных спектров.
При дальнейшем росте температуры
отпуска среднее значение критических
полей спектров должно уменьшаться, но
интенсивный процесс коагуляции карби­
дов затрудняет процессы намагничивания
и перемагничивания сталей, содержащих
при Тт п = 500 ... 600 °С включения крити­
ческого размера. Это приводит к росту
среднего значения критических полей и
первичных, и вторичных спектров. На­
пример, сравнение вторичных спектров
образцов стали 34XH3M с Т„ = 500 и
560 °С позволяет увидеть (см. рис. 13.3),
что спектр, соответствующий Гот„ = 560 °С,
несколько шире и смещен в сторону
больших полей. В полях Hpi> 15 А/см
нисходящая ветвь спектра образца с Гоп, =.
= 560 °С идет ниже аналогичной ветви
образца, отпущенного при 500 °С, т.е. на­
блюдается однозначная связь остаточной
индукции Bj с Tam и появляется возмож­
ность контроля качества отпуска изделий
с малым коэффициентом размагничива­
ния.
О структурном состоянии сталей
можно судить по виду самих спектров и
их расположению в определенной области
полей. В случаях, когда вторичные спек­
тры похожи (например, при высокотемпе­
ратурном отпуске), для анализа структур­
ного состояния отпущенной стали можно
привлечь первичные спектры, тогда иден­
тификация структур отпущенной стали по
параметрам обоих спектров получится
более достоверной.
Сопоставить вклады обратимых про­
цессов при намагничивании и перемагничивании можно при рассмотрении закономер­
ностей изменения в зависимости от напря­
женности магнитного поля обратимых маг­
нитных проницаемостей (рис. 13.4), изме­
ренных в отдельных точках кривой намаг­
ничивания цобр (кривая /), нисходящей
ветви петли магнитного гистерезиса (а„бр
(кривая 2), а также в состояниях остаточ­
ной намагниченности после действия раз­
ных по значению намагничивающих j*£6p
(кривая 3) и размагничивающих
(кривая 4) полей.
В слабых магнитных полях обрати­
мые проницаемости р .^ и j|jj6p умень­
шаются и практически не зависят от поля.
При преобладании процессов смещения
доменных границ независимость значений
обратимой магнитной проницаемости от
напряженного магнитного поля связана с
тем, что площадь стенок Блоха остается
постоянной. Поскольку подвижность до­
менных стенок с увеличением поля меня­
ется, то более вероятно, что постоянство
значения обратимой проницаемости вы­
звано действием двух взаимно уравнове­
шивающих факторов
‘ уменьшением
площади и увеличением подвижности сме­
щающихся доменных границ. В свою
очередь, рост обратимой проницаемости
, наблюдаемый при изменении на­
пряженности поля в интервале 0-Нс (см.
рис. 13.4, кривые 2), по-видимому, связан
с увеличением площади и подвижности
смещающихся доменных границ.
В полях Hi > Нс происходит анниги­
ляция части доменных границ, что вызы­
вает снижение значений обратимых про­
ницаемостей. При этом кривые Цобр(#) и
Ц'обр (Я) идут ниже кривых
(Я) и
ц&р (Я) (ср. кривые 1,2 и 3, 4). Следова­
тельно, можно предположить, что под­
вижность и площадь смещающихся до­
менных стенок в метастабильном остаточ­
ном состоянии выше, чем в приложенном
поле. Совпадение РобР и р'обР (соответст­
венно робр и робр) свидетельствует об
общности протекания обратимых процес­
сов намагничивания и перемагничивания.
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
211
Рис. 13.4. Зависимости обратимых проницаемостей ц^ р (/), ц^р 02)’
Цобр W i Иобр W стали 60С2А от напряженности магнитного поля
Анализ результатов измерений обра­
тимых проницаемостей показывает, что
отношение р„бр в поле Я, = 0 (см.
рис. 13.4) однозначно изменяется с темпе­
ратурой отпуска. Для сталей 34XH3M,
60С2А и У8А диапазон температур воз­
можного контроля отпуска составляет
150 ... 650, 400 ... 700 и 250 ... 700 °С со­
ответственно (рис. 13.5).
Разделение процессов намагничива­
ния и перемагничивания на обратимые и
необратимые составляющие свидетельст­
вует, что их вклад при одинаковых напря­
женностях поля и индукции в условиях
намагничивания и перемагничивания раз­
личен. Это различие определяет разный
характер зависимости от температуры от­
пуска значений индукции, соответствую­
щих полю релаксационной коэрцитивной
силы на кривой намагничивания Вн (Тош)
и на нисходящей ветви петли магнитного
гистерезиса Вн (Гоп,) (см. рис. 13.2) , что
позволяет использовать эти параметры для
контроля качества отпуска изделий в раз­
ных температурных интервалах.
При разрушении остаточно-намагниченного состояния ферромагнетика пе­
ременным магнитным полем приобретае­
мое состояние остаточной индукции Bd
отличается от состояния B j , обусловлен­
ного действием постоянного размагничи­
вающего поля (см. рис. 13.2).
Закономерности изменения остаточ­
ной индукции B j , измеренной после час­
тичного размагничивания образцов из со­
стояния остаточной индукции под дейст-
212
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
Рис. 13.5. Зависимость отношения ц„б„ /цнач
от температуры отпуска сталей 34XH3M (/),
60С2А (2) и У8А (3)
вием переменного поля, от его амплитуды
\Н~1 ) для закаленных и отпущенных то­
роидальных образцов из стали 60С2А ил­
люстрирует рис. 13.6. На кривых
как и на кривых B~d ( / / “ ) (см. рис. 13.1),
можно выделить три области с разной ус­
тойчивостью остаточной индукции к воз­
действию переменного поля.
Существование скин-эффекта приво­
дит к неравномерному распределению
поля по сечению образца. Глубина про­
никновения переменного магнитного поля
в термически обработанные образцы и
соответственно доля размагничиваемого
объема под действием приложенного пе­
ременного поля зависят от электрической
проводимости и магнитной проницаемо­
сти ферромагнетика. Влияние магнитной
проницаемости будет определяющим, так
как при изменении температуры отпуска в
интервале 20 ... 700 °С удельное электри­
ческое сопротивление сталей монотонно
снижается примерно на 20 %, а магнитная
проницаемость в полях до 30 А/см изме­
няется в 1,5 ... 6 раз.
Различия в устойчивости остаточной
индукции к действию постоянного и пе­
ременного магнитных полей вызывают
изменения в характере поведения в зави­
симости от температуры отпуска остаточ­
ных индукций BJ и Bd , что можно ис­
пользовать для контроля качества высоко­
температурного отпуска изделий.
Результаты изучения влияния пере­
менного магнитного поля на устойчивость
остаточной индукции позволяют предпо­
ложить, что ферромагнетики с разным
структурным состоянием, имеющие оди­
наковое значение остаточной индукции и
коэрцитивной силы, будут обладать раз­
личной коэрцитивностью Н~. Под коэрцитивностью будем понимать величину
поля, измеряемую аналогично коэрцитив­
ной силе из вторичного остаточнонамагниченного состояния B~
d , получен­
ного после воздействия на остаточнонамагниченный ферромагнетик плавно
возрастающего и плавно убывающего
магнитного поля Я~- (см. рис. 13.2).
На рис. 13.7 представлены законо­
мерности изменения коэрцитивной силы
Н~ от величины размагничивающего по­
ля. Переменное магнитное поле при ам­
плитудах, меньших коэрцитивной силы
ферромагнетика, практически не оказыва­
ет влияния на Н ~ . Значение Н с каждого
образца соответствует значениям Н~ при
Hpi = 0; увеличение амплитуды поля
H~j > Н с приводит к уменьшению
Н ~.
Для жестких в магнитном отношении
образцов уменьшение Н~ начинается в
полях, практически соответствующих Нс
предельного цикла магнитного гистерези­
са. Для мягких образцов снижение наблю­
дается в полях, несколько больших Нс
(см. рис. 13.7, кривые 6-11). Отсутствие
влияния переменного магнитного поля с
амплитудой H~j < Нс на величину Н~
можно объяснить тем, что под его дейст­
вием хоть и изменяется остаточная индук­
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
10
20
40
30
213
50 HZ, А/см
а)
Рис. 13.6. Зависимости остаточной индукции B~d тороидальных образцов
из стали 60С2А от напряженности размагничивающ его поля H pi (а) и от температуры
отпуска при частичном размагничивании полем H pj = c o n st ( б):
а - Готп = 20 (/), 250 (2), 300 (3), 400 (4), 450 (5), 500 (б), 560 (7), 600 (в), 700 ° С (9);
б - Яр = 0 (/), 10 (2), 13 (J), 16 (4), 18 А/см (5)
ция (см. рис. 13.6), но смещение доменных
границ происходит в участках ферромаг­
нетика, для которых Я ^ < Н с , т.е. домен­
ные стенки, первоначально имеющие
Я , < Я с , перейдут в более устойчивое
состояние, что способствует их более
сильному закреплению на дефектах. В
полях
HZ, £ Я с
переменное магнитное
состояния остаточной намагниченности,
то начальные участки кривой размагничи­
вания петли гистерезиса имеют вид, ха­
рактерный для магнитожестких ферромаг­
нетиков.
Анализируя рис. 13.7, можно устано­
вить, что закономерности изменения Н~ от
Гол, по мере повышения амплитуды перемен­
ного магнитного поля изменяются и при
поле становится достаточным для воздей­
ствия на доменные стенки, закрепленные
на дефектах с критическими полями
отпуска 150 ... 700 °С характерна однознач­
Я к < Я~ . Поскольку воздействие пере­
ная зависимость Я~ от Гош, т.е. коэрцитив­
менного магнитного поля Яр, й Н с при­
ную силу частично размагниченного со­
стояния можно использовать для контроля
качества отпущенных изделий (рис. 13.8).
водит к образованию более устойчивого
Я ', > Н с для образцов с температурами
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
214
Исследования вариаций влияния ис­
ходного состояния остаточной намагни­
ченности и последующих воздействий
переменного и постоянного магнитных
полей показали, что при контроле качест­
ва термической обработки изделий мето­
дом измерения остаточной индукции B~d
Рис. 13.7. Зависимости коэрцитивной силы
от напряженности переменного магнитного
поля для тороидальных образцов из стали
60С2А при разных значениях Готп, °С:
1 - 150; 2 - 200; 3 - 250; 4 - 300; 5 - 350;
б - 400; 7 - 450; 8 - 530; 9 - 560; 10 - 600;
11 - 700
Устойчивость магнитных состояний
ферромагнетика зависит от способа полу­
чения исходного состояния (например,
состояния остаточной намагниченности).
Не, А/см
стабильность показаний средств контроля
зависит от способа получения исходного
состояния остаточной намагниченности.
Если исходная остаточная намагничен­
ность не соответствует максимальному
значению, а получена под действием до­
полнительных постоянных размагничи­
вающих полей, то вполне возможно, что
при воздействии на изделие переменного
магнитного поля она будет не убывать, а
возрастать. Установлено, что метод по­
следовательного наложения на остаточнонамагниченный ферромагнетик постоян­
ного и переменного магнитных полей и
регистрации вторичной остаточной ин­
дукции можно использовать в практике
НК качества термической обработки изде­
лий из сталей с содержанием углерода
более 0,3 %.
При разработке методов контроля ка­
чества термической обработки приходится
учитывать, что изделия имеют разные
геометрические размеры. При наложении
на остаточно намагниченный ферромагне­
тик постоянного размагничивающего поля
перемагничивание в различных сечениях
по его длине происходит по разным цик­
лам, поэтому одни и те же дефекты струк­
туры в разных участках ферромагнетика
будут по-разному влиять на устойчивость
состояния остаточной индукции. Неодно­
родное намагничивание приводит к тому,
что закономерности изменения B j от Т0
соответствующие одним и тем же значе­
ниям размагничивающих полей Н~
Рис. 13.8. Зависимости коэрцитивной силы
от температуры отпуска сталей 34XH3M (1),
60С2А (2) и У8А (5) при действии перемен­
ного магнитного поля Н~е = 61,5 А/см
при
уменьшении величины коэффициента
размагничивания изделий видоизменяют­
ся (рис. 13.9, а -г). Для образцов 10 х 10 х
х 62 мм (N « 0,038) однозначная зависи-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
200 400
д)
С
300 500 Т ^ Х
е)
300 500 Г ^ Х
ж)
215
300 500 Т ^ Х
з)
Рис. 13.9. Зависимость остаточной индукции Bd для прямоугольных
стержней 10 х 10 х 62 мм (а, д), 4 х 4 х 62 мм (б, е), 2 х 2 х 62 мм (в, ж ) и 1 х 1 х 62 мм (г, з) из
стали 60С2А от температуры отпуска при разных условиях частичного размагничивания:
а -г-Н ^ , =0(7), 15,4(2), 20 (3), 25 (4 \ 30,8 (5), 46,2 (б), 57,7 (7), 92,4 (S), 230 А/см (9);
д-з - BZ = 0,4 (/), 0,2 (2), 0,1 (5); 0,05 (4), -0,05 (5), -0,1 (б), -0,2 (7), -0,4 (5), -0,8 Тл (9)
мость наблюдается при Н~е = 30 ... 46 А/см,
для образцов 4 х 4 х 62 мм (N * 0,009) при 20 А/см, а для образцов 1 х 1 х 62 мм
(N ~ 0,0009) однозначная зависимость
Я Л Гст.) не получена.
При размагничивании образцов до
одинаковых значений индукции В~ (см.
рис. 13.9, д -з) величина остаточной ин­
дукции Bj также монотонно меняется с
температурой отпуска, причем закономер­
ности изменения B j от TV™для образцов с
разным коэффициентом размагничивания
для случаев
= const и i ‘ = const раз­
личаются, что можно использовать при
решении соответствующих задач конт­
роля.
Сопоставление кривых, характери­
зующих зависимости Нс и Нтот Готп для
стали 60С2А, свидетельствует о том, что
216
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
(1-3)
Нс, Нге, А/см
(4)
Нге, А/см
Рис. 13.10. Зависимости коэрцитивной и
релаксационной коэрцитивной сил для
прямоугольных стержней 1 х 1 х 62 (7),
2 х 2 х 62 (2), 4 х 4 х 62 (5) и 10 х 10 х 62 мм (4)
из стали 60С2А от температуры отпуска
(намагничивание до Втп= 1,6 Тл)
Рис. 13.11. Зависимость обратной
величины чувствительности остаточной
намагниченности к действию постоянного
внешнего магнитного поля от
коэффициента размагничивания при
разных значениях
°С:
1 - 250; 2 - 450; 3 - 600; 4 - 700
на коэрцитивную силу практически не
влияет значение коэффициента размагни­
чивания, а релаксационная коэрцитивная
сила Нге с увеличением его значений воз­
растает (рис. 13.10), при этом изменяется
характер зависимости Н ге(Ттп). Одно­
значный ход кривых Я ге(7’отп) , наблюдадаемый для прямоугольных образцов с
N * 0,038 и 0,009, при уменьшении коэф­
фициента размагничивания становится
неоднозначным (см. кривые 1, 2), таким,
какой характерен для тороидальных об­
разцов.
Таким образом, устойчивость состоя­
ния остаточной индукции к действию
внешних магнитных полей определяется
как структурным состоянием (магнитной
жесткостью) ферромагнетика, так и его
коэффициентом размагничивания, что
необходимо учитывать при разработке
методики контроля качества промышлен­
ных изделий.
На графически записанных петлях
магнитного гистерезиса 5 тах = 1,6 Тл для
тороидальных образцов стали из 60С2А
были проведены линии сдвига, и для раз­
ных значений коэффициента размагничи­
вания определена обратная величина чув­
ствительности S остаточной индукции к
действию внешних магнитных полей.
Максимальное значение S для образцов,
отпущенных при 450 ... 700 °С, к внешним
магнитным полям (рис. 13.11, кривые 2-4)
получена для N « 0,001. Это значение N
соответствует геометрическим размерам
исследованных стержней 1 х 1 х 62 мм.
Для образца с температурой отпуска
250 °С (кривая 1) максимальное зна­
чение S соответствует N « 0,003, т.е. раз­
мерам 2 х 2 х 62 мм.
Рис. 13.12 и 13.13 иллюстрируют
возможность оценки структурного состоя­
ния закаленных и отпущенных на различ­
ные температуры изделий из 12 наиболее
распространенных в современном маши­
ностроении марок сталей.
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
217
Рис. 13.12. Зависимость остаточной индукции после частичного
размагничивания стальных образцов постоянным магнитным полем
от температуры отпуска:
а - ЗОХГСА; б - ЗОХН2МФА; в - 34XH3M; г - 35ХГСА; д - 40Х; е - 45; ж - 50; з - 50РА;
и - 50Л; к - 60С2А; л - 8ХФ; м - У9А; I - Н~
= 0; 2 - 15,4; 3 - 30,8; 4 - 46,2; 5 - 57,7;
К*
6 -7 7 ,0 ; 7 -9 2 .4 А/см
218
Ряс П 1 3 Зависимость остаточной индукции после частичного
р азм ап ш чвван и ястл ьвы х образа., д. « » « » « » . « »
Р
ОТ температуры отпуска.
.
I
Щ В- в -0,02;2 I -0,04,3
o-jm —то же, •тго и на рве. 13.12, / "р
иа
со ст о я н и и ст
и зд ел и и с
д е й с т в и ю упруг"
ЦИИ
структурой к
напряж ении
деформа.
При воздействии УПнаход1ШИЙСЯ в
на ферр°магн
’ состоянии, про
ом СО
^ а т о чн аи о V- н аммагн
^ ии ч ен нме
Ш
дяпмеНнЫХ
ом енв^
§
к
Гранин
ииченности, в Р
новое маГ
« о й намагни
0Обретаег
начеяия
нитное
сое
„ ы е п а р 8^
воЗВраЩени
Н
В
;
уст—
0,1;4
°’2:1
ть
намагниченности
ФР
действии ма™ ^
ействием мапипиого
формации. Под д
поля происходат
Щ
1 с
^ упругой де­
^ е ойаю™0'
Ж Щ Ш
а И Н Н
™ пс.
деформации ^
оупругим взаимо» g
вызывается м
доМеновс
с0Ою
оП-гоаДУснЫ
К
0
1
®
Р0?’
вием 90 ^ „ 'р я ж е н и и , ^ к ш и ,йп180 ствуюш®1 Щ Р ВЬ]звагь да*»!
будет
оиеР«ь' “ дамеииь* < ^ ое i f l
ж
М
И
и
Р
А Н АЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ М А ГНИТНЫ Х СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМ АГНЕТИКОВ
вии магнитного поля и упругой деформа­
ции на ферромагнетик, можно ожидать
различия в устойчивости магнитных со­
стояний к этим воздействиям и таким об­
разом получить дополнительную возмож­
ность для анализа структурного состояния
ферромагнетиков.
Рис. 13.14, а иллюстрирует законо­
мерности изменения остаточной намагни­
ченности образцов из сталей 45 и 51ХФА
под действием упругих напряжений. По­
скольку состояние остаточной намагни­
ченности является метастабильным, то
действие упругих деформаций приводит
преимущественно к необратимому смеще­
нию доменных границ. Внутреннее раз­
магничивающее поле ферромагнетика
Я,© ~ NM при перестройке доменной
структуры стремится обеспечить состоя­
ние с минимумом свободной энергии, что
приведет к уменьшению величины Мг
(кривая У). Под действием внешних на­
пряжений формируется магнитная тексту­
ра, которая при их снятии в результате
влияния внутренних полей микронапря­
жений и размагничивающего поля частич­
но разрушается, что сопровождается
уменьшением остаточной намагниченно­
сти (кривая 2).
Изучение закономерностей измене­
ния остаточной намагниченности Мг в
зависимости от внешних упругих напря­
жений растяжения (рис. 13.14, б) и сжатия
показало, что значение ДМг линейно
убывает по мере их роста. Только для
магнитомягких образцов наблюдаются
зависимости, близкие к экспоненциаль­
ной. Тангенс угла наклона линейного уча­
стка зависимости ДА/, ( ст0 ), характери­
зующий магнитоупругую чувствитель­
ность ДА/Г/Д о0 остаточной намагничен­
ности, минимален для магнитожестких
образцов и максимален для магнитомяг­
ких. В целом магнитоупругая чувстви­
тельность остаточной намагниченности
для сжатия несколько меньше, чем для
растяжения. Зависимости изменения оста­
точной намагниченности, а также коэрци-
219
Мг, кА/м
а)
Мг, А/см
Д Мг,.А/см
Рис. 13.14. Зависимости величии М, и ДА/,
для образцов из сталей 45 и 51ХФА
от напряжений (а, б), угла закручивания (в)
и температур отпуска (г)
%пть С
установившегося
%
Действия упругих
-------------------после действия
напряжений ЗОХГС (а), 45 (б), 60Г (в) и У8 (г)
растяжения о0
ивнои силы от приложенных напряжений
свидетельствуют о возможности оценки циальным. В образцах, деформируемых
значений действовавших ранее одноосных кручением, возникают чисто сдвиговые
деформации, поэтому характер создавае­
растягивающих или сжимающих напря­ мой магнитной текстуры отличается от
жений в стальных изделиях по измерен­ случаев растяжения или сжатия. Снятие
ным значениям остаточной намагниченно­ крутящих нагрузок сопровождается изме­
сти.
нением Мг только в области приближения
При упругом закручивании образцов к нулевым значениям угла закручивания
в виде стержней (рис. 13.14, в) также на­ а. Закручивание в другую сторону приво­
блюдается уменьшение остаточной намаг- дит к дальнейшему уменьшению значений
ниченности. В зависимости от степени М При раскручивании величина Мг со­
магнитной жесткости образцов снижение храняет свое значение, достигнутое при
Мг может быть линейным или экспонен­
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
закручивании. Наблюдаемое изменение Мг
при закручивании можно использовать
для оценки структурного состояния тер­
мически обработанных изделий (рис.
13.14, г) и как элемент "памяти" по отно­
шению к действовавшим на ферромагне­
тик крутящим моментам, т.е. для создания
преобразователей запоминания крутящего
момента или угла закручивания.
Относительное изменение остаточ­
ной намагниченности при действии внеш­
них напряжений растяжения, сжатия и
кручения является структурно-чувстви­
тельной величиной, и ее можно использо­
вать в практике структурного анализа ста­
лей. На примере сталей ЗОХГС, 45, 60Г и
У8 (рис. 13.15) видно, что при воздейст­
вии определенных значений внешних на­
пряжений растяжения по значению ДА/,
можно оценить структурное состояние
изделий, отпущенных в широком диапазо­
не температур. Однако для высоких тем­
ператур отпуска зависимость ДА/, от 7 ^
может быть неоднозначной или чувстви­
тельность ДА/Г может быть недостаточно
высокой для осуществления контроля.
Исследование устойчивости остаточ­
ной намагниченности к действию знако­
переменных циклических напряжений
небольшой амплитуды (20 ... 25 МПа)
показало, что остаточная намагниченность
Мп пропорциональная магнитному полю
рассеяния от образцов Щ (рис. 13.16), мо­
нотонно изменяется с температурой от­
пуска и может быть использована для кон­
троля качества отпуска изделий.
В других методах контроля качества
закалки и последующего средне- и высо­
котемпературного отпуска регистрация
изменения параметров магнитного со­
стояния под действием растягивающих
или сжимающих напряжений, а также при
ударе осуществляется в поляризующем
магнитном поле определенной величины.
Из анализа характера зависимостей при­
ращений магнитной индукции
ДВ ,
обусловленной изменением магнитных
221
Mr~Hd, А/см
Рис. 13.16. Зависимость остаточной
намагниченности стали 38ХС от
температуры отпуска после действия
знакопеременных циклических напряжений
свойств стальных изделий в результате
действия упругих нагрузок сжатия или
растяжения, от температуры отпуска сле­
дует, что наиболее приемлемым для кон­
троля является интервал 150 ... 500 °С.
Отпуск изделий при более высоких темпе­
ратурах проконтролировать трудно, по­
скольку для ряда сталей при 560 ... 600 °С
величина ДВ достигает максимального
значения, а затем уменьшается или оста­
ется постоянной. Следовательно, как и в
первом случае, для некоторых сталей с
содержанием углерода более 0,3 % дан­
ный способ неразрушающего контроля
качества отпущенных изделий может ока­
заться эффективным только для интервала
температур 150 ... 500 °С.
Исследования, выполненные на ряде
конструкционных сталей, дают основания
рекомендовать для целей контроля каче­
ства средне- или высокотемпературного
отпуска магнитоупругоакустический ме­
тод. В качестве параметра контроля ис­
пользуются значение U в измерительной
катушке или значение усредненной по се-
60 HRc
50 HRC
H - 2 0 ( /, 7)
2 5 (6) 3 7 Л )И|опСТИПаРаметРов f / H4D
б)
^ 1 8 ( i’ 5’ #. *> и 400 А /см ^
ВеРД0СТИ«бразцов при
40х (в>>450.45Х Н М Ф да „ и Г о т * У,А * * *■»«* №
Д У ^И И
^ РеМеННОЙ
“
ДРУ ГО Й
ДУ ЦИИ
" Р " возбуждении в намагни­ нЖ
ых™„СГ ™ ' 'ФУ,евНЯ и б е р е м е н ­
ных динамических напряжений являются
ченн ом ферромагнетике ультразвуковых ко­
лебании частотой 16 ... 21 кГц с амплитуд- структурно-чувствительными параметра­
ми и могут однозначно характеризовать
ны м напряжением а = (0,5 ... 1,5)107Н/м2.
качество термической обработки. Иссле­
Н а рис. 13.17, л приведены законо­ дования в этом направлении дают воз­
м ерности изменения величин U и АВ от можность не только оценивать структур­
ное состояние стали и определять уровень
твердости образцов из стали У8 при раз­
приложенных напряжений, но и запоми­
ных значениях напряженности Н постоян­ нать максимальные действовавшие на­
н о го магнитного поля. При небольших пряжения (создавать датчики запомина­
значениях Н зависимости С/ и Д2?_ от ния), а также осуществлять контроль из­
H R C неоднозначные, но по мере увеличе- менений напряженного состояния в про­
ния напряж енности магнитного поля они цессе эксплуатации.
становятся однозначными. Однако чувст­
1 3 1 3 Устойчивость магнитных
вительность параметров I /и ДВ„ к изм
ти отпущенных образцов
н ению твердости
УШ
х
изделии
д м различны х н а м а г н и ч ^ ^
При температуре
неодинакова.
менени* параметра У
закономерности
от
(х КОНСтрукцион-
твердости для
ных сталей.
Р
остаточной наМ?гн^^_
Т оГ дейстаиеМ
НОСТИ ПОД ^
н а п р я ж е н и и рас
струкаионные я »
едае при
„ „ н о м - « ■ » ] £ £ £ . то она
калке о х л а н я « ;м“ ^ 10,нук, намап«приобретает тер
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
223
ценность (индукцию) М'Г(В'Г) . Необрати­
мые процессы намагничивания, происхо­
дящие в ферромагнетике при обычном
намагничивании в сильных магнитных
полях, могут протекать в данном случае в
слабых магнитных полях вследствие сни­
жения константы магнитной анизотропии,
поэтому в области температуры Кюри
возможно намагничивание изделия в сла­
бых полях до больших значений остаточ­
ной намагниченности.
Исследования зависимостей магнит­
ных свойств, полученных в процессе за­
калки от различных температур, выпол­
ненные на образцах из сталей 25Х2Н4ВА,
40Х и ЗОХРА, показали, что термооста­
точная индукция (намагниченность) по
мере роста температуры аустенизации
растет и примерно при Ги, = 800 °С дости­
гает максимального значения (рис. 13.18),
т.е. В'г чувствительна к недогреву изделий
при закалке, поэтому ее можно использо­
вать для определения этого вида брака
закаленных изделий. Данный метод кон­
троля недогрева изделий при закалке
можно легко реализовать в производст­
венных условиях, без больших затрат по
созданию аппаратуры контроля и мощных
намагничивающих устройств.
Исследование влияния температуры
на устойчивость остаточной индукции
конструкционных сталей в чистом виде
провести затруднительно, поскольку при
нагреве ферромагнетика наряду с обрати­
мыми изменениями могут происходить
необратимые
изменения
магнитных
свойств, вызванные структурными изме­
нениями и фазовыми превращениями.
Результаты исследований кинетики
устойчивости состояния термоостаточной
намагниченности закаленных образцов к
воздействию различных температур от­
пуска представлены на рис. 13.19. Для
каждой термокинетической кривой тер­
моостаточной намагниченности М'г ха­
рактерны три участка: нагрев, изотерми­
ческая выдержка и охлаждение.
700
800
W
С
Рис. 13.18. Зависимости термоостаточной
индукции М г сталей 25Х2Н4ВА ( /) и
40Х (2) при Н = 224 А/см и термоостаточной
намагниченности М г стали ЗОХРА (J) при
Н = 280 А/см от температуры закалки
Термокинетические кривые для раз­
ных температур отпуска различаются, т.е.
термоостаточная намагниченность образ­
цов по-разному устойчива к действию
температур отпуска. По характеру изме­
нения термоостаточной намагниченности
при отпуске можно судить о правильности
протекания процессов и прогнозировать
качество отпущенных изделий.
Значения М'г (рис. 13.20), измерен­
ные в начале (кривая /) и в конце (кривая
2) изотермической выдержки, могут одно­
значно характеризовать процессы, проис­
ходящие при отпуске во всем исследован­
ном интервале температур, в то время как
остаточная намагниченность М г (кривая J)
и коэрцитивная сила данной стали при
повышении температуры отпуска изменя­
ются неоднозначно. Таким образом, реги­
страция значения М[ изделия в опреде­
ленные моменты времени отпуска т по­
зволяет решить задачу контроля качества
термической обработки в тех случаях, ког-
224
■чава п к
^ ^ м н т о д ь ,
^г% Л/см
О
К онт
грОЛя
С Т рукт
УРНого
80
160
240
^.мин
Рис. 13.19. Термокинетические кривые
терм оостаточной намагниченности стали
65С2ВА при разных значениях То™ °С:
1 - 150; 2 - 200; 3 - 250; 4 -300;
4' - переход с кривой 4 (3001 »С) на кривую 5
с о с т о ЯНИя
Рис. 13.20. Зависимость термоостаточиой
намагниченности стели 65С2ВА,
измеренной в точках начала (7), конца (2)
изотермической выдержки и после
охлаждения образцов до комнатной
температуры (3), от температуры отпуска
ратура металла, колебания химического
состава) будут свидетельствовать о воз­
можном получении некачественного изде­
лия. Если различие термокинетических
кривых установлено в ранний период от-
выполнить корректировку «хнолог и ч е с к о г о п р о ц е м а о т Щ ^ ^ ^ в03.
2 “Z
д а классические ^
“^ Т т Г и с п ^ цитимегрические, не могут
зованы.
термокинегические криИспользуя тер
контролировые
можно не ™
определе„-
нЫх Г ОГПУ
иJ
ом и^/нения
„ колебании хим^
-Г о в е л и
става cl
тическу*°
у
о
g
Так, рис.
•
процесса термиможность P W J ^ o измерению значения
ческой обраб
отпуска детаШ 'г ■Допуо™м, В ”Р
да, зна­
ли при 350 °С
ченис -Кг (кРива*
••
далучеинов
чение
I ^ h h o # разности
Р»яоСТ"
опреде.
- и для
лить тер“ ОК считать ст?Н^ ТнапримеР
которУ» ТочностныеС е р е д и н е техноКОТ° Ро^гь, с о о ^ Г интер^ао’тТста„-
„
величину
нагрев» пенигрева,
^
^
вновь
а «,
«Рива* „ случае необ-
арТГ ов^ ^ ОПОЯ
х0ДИМ“ т е М - 1 е Р ^ “ '
тировкУ
гура °
темнериур" 4
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
225
Нс, А/см
3
20 -
• V *
• •
V *.
1
12 %
4
200
\
»
1
400
‘
а)
V*
i_
1
600
200
_|-------1------- 1-------
400
б)
600 £ ТО,°С
Рис. 13.21. Зависимость коэрцитивной силы сталей 45Х Н М Ф А (в) и 111X15 ( 6)
от температуры отпуска при температуре измерения 20 (7), 220 ( 2) и 300 °С (J )
В отличие от предыдущего метода,
контроль структурного состояния отпу­
щенных изделий возможен при намагни­
чивании и измерении магнитных свойств в
условиях повышенной температуры или
непосредственно при термической обра­
ботке. Предложено контролировать каче­
ство отпущенных изделий по значению
коэрцитивной силы, измеренному при
температурах 220 ... 300 °С. Физической
предпосылкой применения данного спо­
соба служит изменение характера зависи­
мости Нс от
когда температура изде­
лия превышает 210 °С. Смещение макси­
мума Нс, который наблюдается для
Готп = 500 ... 600 °С при комнатных тем­
пературах измерения Нс, в область низких
температур отпуска - 300 ... 400 °С
(рис. 13.21) связывают с исчезновением
ферромагнитных свойств цементита и из­
менением вследствие этого магнитостати­
ческой энергии карбидных включений.
Данный метод НК позволяет контролиро­
вать изделия, которые подвергают отпуску
при 400 ... 700 °С.
Рассмотренный выше метод требует
специального нагрева изделий до темпера­
туры 220 ... 250 °С или измерения Нс при
этих температурах в момент охлаждения
изделий после отпуска. В отличие от него
предложено измерять магнитные свойства
8 - 3360
изделий в заданные моменты времени не­
посредственно в процессе отпуска. По
измеренным значениям намагниченности
насыщения, остаточной намагниченности
и коэрцитивной силы, соответствующим
заданным точкам термокинетических кри­
вых, можно прогнозировать качество от­
пуска изделий (рис. 13.22). Закономерно­
сти изменения М\ от Таm (кривые 1) в
начале и в конце изотермической выдерж­
ки различаются. В начале изотермической
выдержки в области низких и средних
температур А/' изменяется неоднозначно,
причем для стали 40ХА диапазон немоно­
тонного изменения Л/' наибольший, а для
стали 8ХФ наименьший. Далее для всех
сталей значение М\ монотонно уменьша­
ется при увеличении температуры отпус­
ка. В конце изотермической выдержки
интервал монотонного изменения М'
увеличивается: для стали 40ХА он состав­
ляет 400 ... 650 °С, для стали 50РА 350 ... 650 °С, а для стали 8ХФ М' моно­
тонно убывает во всем интервале темпера­
тур отпуска. Измеренные значениям М,
после отпуска повторяют хорошо известные
закономерности поведения намагниченно­
сти насыщения в зависимости от темпера­
туры отпуска для этих марок сталей.
226
С тРУКТУ;
'нтерВЗЛ
ииЛ
,И измерении
..ой в ы д е р у
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
ператур отпуска - от 250 до 650 °С. Зако­
номерности зависимости М ' от Тага (см.
рис. 13.22, в, е, и), измеренные при ком­
натной температуре, аналогичны законо­
мерностям зависимости Нс от Т ^ .
Как и в случае термоостаточной на­
магниченности, термокинетические кри­
вые М'г и Нс также можно использовать
для корректировки процесса отпуска с
учетом возможных изменений исходного
состояния и колебаний химического со­
става сталей. Наиболее подходящим пара­
метром для целей неразрушающего кон­
троля качества отпуска является коэрци­
тивная сила, поскольку она практически
не зависит от коэффициента размагничи­
вания. Рис. 13.23 иллюстрирует возмож­
ность регулирования процесса термиче­
ской обработки по измеренному значению
коэрцитивной силы Не. Термокинетиче­
ская кривая 1 снята для образца из стали
40ХА, отпущенного при
= 540 °С,
кривая 2 - для образца с Т ^ = 580 °С.
Допустим, что в процессе отпуска де­
талей при 580 °С был обнаружен недогрев,
т.е. значение Нс выше значения Н сег для
стандартной детали, отпущенной при
580 °С. Увеличив температуру в печи до
необходимого значения, перейдем на
стандартную кривую 2 (по кривой 5) и в
конечном результате получим изделие с
необходимыми свойствами.
Предположим, что допущен другой
вид брака - перегрев изделия на неболь­
шую температуру (кривая 4). Стандартной
кривой является зависимость Нс(т) при
Тот = 540 °С). В этом случае, уменьшив
температуру в печи, в процессе выдержки
можно достичь значения коэрцитивной
силы, соответствующего стандартной кри­
вой I и также получить качественное из­
делие. Но если при отпуске произошел
значительный перегрев изделия или пере­
грев на небольшую температуру обнару­
жен слишком поздно, то задача исправле­
ния брака становится более трудной, так
227
Нс, А/см
Рис. 13.23. Зависимость коэрцитивной
силы стали 40ХА от времени отпуска
при разных значениях
I - 540 °С; 2 - 580 °С; 3 - переход с кривой
изотермической выдержки 540 °С на кривую
580 °С; 4 - обратный переход с 580 °С на
540 °С
как произошедшие дополнительные фазо­
вые изменения и структурные превраще­
ния уменьшают вероятность получения
качественного изделия или вообще ис­
ключают ее.
Исследование устойчивости магнит­
ных состояний к воздействию температу­
ры открывает новые возможности в облас­
ти неразрушающего магнитного контроля
качества термической обработки стальных
изделий. В некоторых случаях возможен
переход от пассивных к активным мето­
дам контроля, т.е. методы контроля могут
стать составной частью технологического
процесса термической обработки изделий,
что позволит обеспечить изготовление
изделий со строго заданными механиче­
скими характеристиками.
Глава 14
ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Магнитные и электромагнитные ме­
тоды, предназначенные для контроля
структуры и механических свойств мате­
риалов, полуфабрикатов и изделий, нашли
широкое применение в металлургической,
машиностроительной, химической и аэро­
космической промышленности. Для реше­
ния задач структуроскопии ферромагнит­
ных изделий применяют в основном сле­
дующие методы: коэрцитиметрические,
измерения остаточной индукции, магнит­
ной проницаемости, с использованием
магнитоупругих эффектов, электромаг­
нитные, токовихревые и многочастотные
(высших гармоник и магнитошумовые).
По каждому из перечисленных методов
ведутся разработки средств неразрушаю­
щего контроля, использование которых
позволяет решить большинство задач НК,
стоящих перед современной промышлен­
ностью. Недостатком в применении разра­
батываемых средств является то, что они,
как правило, не имеют метрологической
аттестации, поэтому их массовое исполь­
зование и серийный выпуск затруднены.
Разработанные стандарты практически не
охватывают такую широкую область, как
контроль физико-механических свойств
(за исключением стандартов на контроль
качества проката).
14.1. КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ
Коэрцитиметрические методы кон­
троля благодаря высокой чувствительно­
сти к структурным изменениям и фазовым
превращениям, достаточной простоте,
значительной точности, слабой зависимо­
сти от геометрических размеров и воз­
можности проведения измерений в ло­
кальных участках изделий получили наи­
более широкое распространение из всех
магнитных методов НК.
В первых коэрцитиметрах были ис­
пользованы магнитометрические прин­
ципы определения нулевого магнитного
момента изделия в приложенном поле.
Так, АЛЗ. Нифонтов применил в заводских
условиях коэрцитиметр магнитометриче­
ского типа для контроля подшипниковых
колец. В предложенном приборе кольцо
намагничивают и перемагничивают с по­
мощью соленоида 1 со вставленным
внутрь сердечником 2 из трансформатор­
ной стали (рис. 14.1, а). |При контроле
кольцо 3 вводили в соприкосновение с сер­
дечником 2, пропускали через намагничи­
вающую обмотку 1 ток и намагничивали
кольцо. После уменьшения намагничи­
вающего тока до нуля подавали размагни­
чивающий ток обратной полярности, плав­
но увеличивая его от нуля до такого значе­
ния, при котором магниточувствительный
элемент 4 (магнитная стрелка) будет сори­
ентирована в положение, которое соответ­
ствовало ее исходному состоянию (вдоль
направления магнитного поля Земли).
Измеренная таким образом сила раз­
магничивающего тока пропорциональна
коэрцитивной силе кольца. Для увеличе­
ния чувствительности применяют диффе­
ренциальную схему измерения коэрци­
тивной силы, добавив еще один соленоид
с сердечником и стандартное изделие, что
снижает требования к стабильности тока
питания в намагничивающих обмотках.
При использовании магнитометриче­
ского метода регистрации коэрцитивной
силы необходимо измерять небольшие
значения напряженности магнитного поля
рассеяния, что требует создания высоко­
чувствительных преобразователей. С по­
явлением феррозондовых преобразовате-
229
КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
1
**
............4+
Г
I
«)
Рис. 14.1. Намагничивающие устройства для измерения коэрцитивной силы в
коэрцитиметрах Нифонтова (а), Ферстера (6) и в приборе "Кобальт-1" («):
1 —намагничивающее и размагничивающее устройства; 2 - сердечник; 3 - образец;
4 - магниточувствительный элемент; 5 - компенсационные катушки; 6 - размагничивающий
соленоид
лей и преобразователей Холла магнито­
метрические методы получили дальней­
шее развитие.
Ф. Ферстер, используя феррозондовые преобразователи, разработал коэрцитиметр с большой чувствительностью. Для
исключения влияния поля соленоида на
результаты измерения поля рассеяния от
образца, ферроэлементы зонда ориентиро­
вали перпендикулярно к силовым линиям
размагничивающего
поля
соленоида
(рис. 14.1, б) в нейтральной плоскости.
Фирма "Институт д-ра Ф. Ферстера" вы­
пускает коэрцитиметр "Коэрцимат", пред­
назначенный для измерения значения Нс
как магнитомягких, так и магнитожестких
ферромагнетиков. Эти приборы имеют
ручное и дистанционное управление, циф­
ровую индикацию. Намагничивающий
соленоид 1 и измерительный зонд 4 за­
щищены от действия земного поля и
внешних помех магнитомягким экраном,
который автоматически размагничивается
специальной катушкой после каждого
цикла измерения. Для контроля очень
мелких изделий применяют внутренние
феррозонды 4', расположенные около де­
тали, параллельно ей. Влияние размагни­
чивающего поля компенсируется с помо­
щью небольших катушек 5, намотанных
на феррозонд и создающих встречное по­
ле, равное по величине полю размагничи­
вания. Диапазон измерения коэрцитивной
силы - 1,6 ... 100 ООО А/м. Внутренние
диаметры канала соленоида равны 41 и
62 мм при длине зоны однородного поля
170 и 120 мм соответственно. Минималь­
ная масса контролируемого изделия около 1 мг. Погрешность измерения не
превышает 1 % измеряемого значения.
Максимальное намагничивающее поле 400 кА/м. Бесконтактный способ регист­
рации значения коэрцитивной силы по­
зволяет достаточно легко автоматизиро­
вать процесс ее измерения, что очень важ­
но при массовом контроле изделий.
Для контроля качества спекания вы­
сококоэрцитивных
вольфрамокобальто­
вых твердых сплавов были разработаны
коэрцитиметры "Кобальт-1". В этих при­
борах использовано импульсное намаг­
ничивание изделий в соленоиде (рис. 14.1,
в). В приборе "Кобальт-1" схема импульс­
ного однополупериодного намагничива­
ния обеспечивает создание поля амплиту­
дой 500 кА/м. Индикаторами нулевой на­
магниченности служат ферроэлементы
зонда 4, включенные градиентометриче­
ски. Ферроэлементы размещены перпен­
дикулярно к направлению канала размаг­
ничивающего соленоида 6. Диапазон из­
мерения коэрцитивной силы - 0,4 ...
40 кА/м, основная погрешность измере­
н и й - 4 % (на пределе 40 кА/м - 5 %),
время измерения - 6 с. Прибор имеет циф­
ровую индикацию.
б)
Рис. 14.2. Сх
Устройства; ^ и з м
е р ^ Г
^ Г
^ - ^ е ,
ДеленияьМ0Г° 0б'ш щ '
»Ч»деления коэрцитивной силы в открытой
магнитной цени используете* измерительный генератор (рис. 14.2, а), в кото­
тивно коэрцитиметры с преобразователя­
ми Холла незначительно отличаются от ром индукционная катушка 2 вращается
вблизи измеряемого образца. Момент ну­
коэрцитиметров с феррозондовыми пре­ левого сигнала в измерительной катушке
образователями.
соответствует полю соленоида, равному
Основным источником погрешности коэрцитивной силе, которую определяют
магнитометрического способа измерения по силе тока в цепи соленоида 1Сс учетом
коэрцитивной силы служит влияние постоянной соленоида к:
(14.1)
внешних магнитных полей, главным из
Н =к1с
которых является магнитное поле при
Для измерения коэрцитивной силы
размагничивании.
используют устройства с вибрационными
Д ругим методом, позволяющим заре- (индукционными) преобразователями, ко­
гистрировать нулевое значение намагни­ торые обладают высокой чувствиильиО'
ченности (индукции) и соогаегсгвенно стоо И точностью, поэтому с их помощью
определяют Нс издашй, имущих очень
, мя«ение коэрцитивной силы ферромагне
Г ^ л я ^ ся индукционный метод, осно- ш л у ю ш с с у и иеболкшо»
тика, является unvy ^
изм ер и т ельмент. Коэрпитиметр <ри°- '*■
КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
о)
231
б)
Рис. 14.3. Схемы преобразователей коэрцитиметров:
а - приставной электромагнит коэрцитиметра Михеева; б - приставной электромагнит
коэрцитиметра Пискунова; в - установка Януса для измерения коэрцитивной силы листовой
электротехнической стали
из соленоида 3, в центре которого на неко­
тором расстоянии друг от друга располо­
жены две одинаковые, жестко связанные
измерительные катушки 2. Вибрация ка­
тушек может осуществляться либо с по­
мощью электромотора - для крупногаба­
ритных изделий, либо с помощью элек­
тродинамической системы - для неболь­
ших изделий. В отсутствие изделия в од­
нородном магнитном поле соленоида ре­
зультирующая ЭДС двух измерительных
катушек, включенных последовательно­
встречно, равна нулю. При помещении
намагниченной детали I в одну из кату­
шек в ней наводится ЭДС, которая может
быть усилена до необходимого значения,
продетектирована и зарегистрирована из­
мерительным устройством 4.
При контроле крупногабаритных из­
делий использование соленоидов для на­
магничивания не представляется возмож­
ным, поэтому были созданы приборы с
намагничивающими и регистрирующими
(измерительными) устройствами локаль­
ного типа - коэрцитиметры с приставны­
ми электромагнитами. При локальном
контроле показания регистрирующего
устройства в лучшем случае пропорцио­
нальны значению коэрцитивной силы, при
этом на показания могут влиять состояние
поверхности контролируемого участка
изделия (шероховатость, наличие окали­
ны, обезуглероженного слоя), толщина
изделий в месте контроля, наличие зазора
между поверхностью изделия и преобра­
зователем, кривизна поверхности. Однако
большая потребность в контроле крупно­
габаритных и поверхностно-упрочненных
изделий, а также изделий сложной формы
стимулировала разработку и создание ко­
эрцитиметров с приставными намагничи­
вающими устройствами.
В Институте физики металлов
УрО РАН был разработан получивший
наибольшее распространение коэрцитиметр с приставными электромагнитами
КИФМ, который в различных модифика­
циях с 1938 г. применяется для контроля
качества термической обработки стальных
и чугунных изделий. В первых коэрцитиметрах был использован приставной П-образный электромагнит, в перемычку кото­
рого была вмонтирована подвижная рамка
с током - по типу рамки в электроизмери­
тельных приборах магнитоэлектрической
системы (рис. 14.3, а). При контроле по­
люсы 2 приставного электромагнита при­
водят в соприкосновения с контролируе-
131
Г л ав а 14. П РИБОРЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
мым участком массивного изделия 1; в ной частоты через лампу я»™™.»-,...
намагничивающие катушки 3 подают им- измерительная обмотка которого пошлю-1
пульс намагничивающего тока, затем на- чета к фазочувствительному индикатору
правление тока в катушках изменяют та После намагничивания ток в соленоиде
противоположное и увеличивают его от отключают, и включают ток ршагиичинуля до такого значения, при котором вания, увеличивая его до значений, состстрелка, жестко связанная с подвижной ветствуюших нулевому показаниюферро­
рамкой 4, покажет нулевое значение та зонда По значению М Н И М
шкале 5. По значению силы тока в обмот- поля Я Я М Я коэрцитивную силу с
ках катушек 3 определяют относительное
иостоянной Щ
| | 1и \ I
зн ач ен и е коэрцитивнои силы участка изд ел и я.
4с Ц
При установленном заранее значении си-
В
коэрцитиметре, разработанном лы тока Размагничивания, соответствуюА .И . П искуновы м (рис. 14.3, б), испытуе- ^ ем максимально допустимой коэрцитивм у ю деталь 1 помещают в катушку 3, а но® силе Д®1Данн°й марки электротехник о н ц ы ее замыкаю т ярмом 2 из мягкого ческой стали, процесс контроля ускоряетж ел еза. В ярме имеется зазор шириной сяи достигает 100 ...300 листов в час.
1 ... 6,5 мм, заполненный неферромагнитЗначительное повышение быстродейн ы м материалом . Над зазором на оси за- ствия и увеличение точности измерения
к р еп л ен а пластина 4 из трансформаторно- коэрцитиметра с приставным электромагго ж елеза, к пластине прикреплен рыча- нитом достигнуто благодаря применению
ж о к с контактами, замыкающими цепи в качестве индикатора намагниченности
си гн альн ы х ламп. Методика измерения на рамочного феррозонда, встроенного в педан н о м коэрцитиметре не отличается от ремычку П-образного электромагнита,
рассм отренн ой выше, только момент соБазовым прибором для контроля каответстви я силы тока размагничивания чества термической обработки, глубины и
зн ач ен и ю коэрцитивной силы регистри- твердости поверхностно упрочненных
р у ю т по моменту ’’отлипания" пластины 4 изделий по значению коэрцитивной силы
и си гн алу соответствующего индикатора.
является коэрцитиметр КИФМ-1. Прибор
В практике контроля качества терми- снабжен преобразователями двух типов:
ч еск о й обработки магнитомягких мате- I - с сечением полюсов 12 х 28 мм и раср и ал о в известен способ определения ко- стоянием между полюсами 32 мм, 11 - с
эрц и ти вн о й силы листов трансформатор- сечением полюсов 5 х 15 мм и расстоянин о го ж елеза. Лист I (рис. 14.3, в) вставля- ем 25 мм. Для решения специальных задач
ю т в щ ель плоского соленоида 3 и намаг- контроля изготовляют приставные магнин и ч и ваю т его полем 9 0 AJcm. Ярмо 2 из ты других размеров. Процесс намагничитрансф орм аторного
железа толщиной вания автоматизирован: после включения
2 0 м м примыкает верхними плоскостями кнопки ’’Измерение'' обеспечивается цикл
(п олю сам и ) к испытуемому листу и замы- намагничивания, состоящий из серии имкает внеш ню ю часть магнитной цепи че- пульсов магнитной подготовки. Установка
р е з ф еррозон д 4. Прижимы 6 обеспечива- тока размагничивания - ручная с помо­
ю т п лотн ое прилегание испытуемого лис- щыо регулирующих сопротивлений. Диат а к полю сам по всей ширине листа (ши- пазон измерения коэрцитивной силы р и н а ярм а равна максимальной ширине \,5 ... 44 Цсм. Минимальные размеры
и сп ы ту ем ы х листов). Для регистрации контролируемого изделия: по длине - от
м агн и тн о го потока использован ферро- 30 мм, по сечению - от | мм . Погрешз о н д 4 обы чного рамочного типа, возбуж- ностъ измерения силы тока размагничивад аем ы й переменным током промышлен- ния не превышает 5 %, время одного из-
ПРИБОРЫ НК ПО ИЗМЕРЕНИЮ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ
мерения - не более 2 с. Прибор КИФМ-1
аттестуется по стандартным образцам ко­
эрцитивной силы (СОКС-1).
На основании детального исследова­
ния магнитной цепи П-образного электро­
магнита коэрцитиметра разработан способ
уменьшения погрешности определения
коэрцитивной силы при изменении зазора
между полюсами и изделием. Способ за­
ключается в том, что на индикатор ферро­
зонда подается постоянное напряжение
смещения и напряжение, пропорциональ­
ное силе тока размагничивания. При опре­
деленных соотношениях этих напряжений
зависимость силы тока размагничивания
/рс от зазора 5 уменьшается в 10 раз по
сравнению с обычным подключением ин­
дикатора. Возможно некоторое уменьше­
ние влияния неконтролируемых зазоров
путем введения небольшого начального
зазора с помощью неферромагнитной про­
кладки.
Предложен способ введения допол­
нительной компенсационной обмотки,
размещенной в перемычке П-образного
электромагнита и создающей магнитный
поток, противоположный размагничи­
вающему потоку, причем ток через ком­
пенсационную обмотку пропорционален
току размагничивания. При некотором
отношении токов в компенсационной и
размагничивающей обмотках показания
коэрцитиметров практически не зависят от
зазора в достаточно широком диапазоне ее
изменения.
Дальнейшее совершенствование ко­
эрцитиметров направлено на повышение
локальности измерений контролируемой
зоны и быстродействия, расширение ди­
намического диапазона измеряемых коэр­
цитивных сил, унификацию приставных
электромагнитов и их взаимозаменяе­
мость, обеспечение измерения абсолютно­
го значения коэрцитивной силы с от­
стройкой от рабочего зазора между преоб­
разователем и контролируемой поверхно­
стью и автоматизацию измерительных
операций.
233
14.2. ПРИБОРЫ НК ПО ИЗМЕРЕНИЮ
ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ
В методах контроля, основанных на
измерении остаточной магнитной индук­
ции изделий, подразумевается измерение
не остаточной индукции Вг вещества, из
которого изготовлено изделие, а остаточ­
ной индукции тела или кажущейся оста­
точной индукции В'г . Многие типоразме­
ры изделий имеют небольшое отношение
длины к поперечному размеру (не более
20). При таких отношениях размеров про­
ницаемость формы мала и выполняется
соотношение
В'г - — тНс ,
(14.2)
Ио
т.е. измеряемая остаточная индукция про­
порциональна коэрцитивной силе изделия.
При локальном намагничивании массив­
ных изделий, когда намагничивают изде­
лие в небольшом объеме перпендикулярно
к плоскости поверхности, коэффициент
размагничивания намагниченного участка
поверхности изделия весьма велик и соот­
ношение (14.2) также справедливо. Таким
образом, методы контроля по значению
остаточной магнитной индукции очень
близко примыкают к коэрцитиметрическим методам.
Для контроля малогабаритных изде­
лий по значению кажущейся остаточной
индукции В’г используют разомкнутую
магнитную цепь. Существуют два метода
регистрации значения В 'г : индукционный
и магнитометрический.
В практике разработки средств маг­
нитного контроля широкое применение
нашел метод определения остаточной
магнитной индукции по измерению мак­
симального значения двуполярного им­
пульса ЭДС, возникающего при поступа­
тельном движении изделия с фиксирован­
ной скоростью через измерительную ка­
тушку. Этот способ обладает высокой
производительностью, но прямо пропор-
°)
б)
Р ис. 14.4. С хем ы измерительных устройств для
р е ги с т р а ц и и остаточного магнитного момента изделий:
а - установка ТАМ-1; б - прибор Ферстера
ц и о н а л ь н а я зав и си м о сть величины сигнажения детали прямо пропорциональна
л а о т с к о р о с т и дви ж ен и я изделий служит
значению ее остаточной индукции. Кажи с т о ч н и к о м б о л ь ш и х погрешностей в оп- дая измерительная катушка связана через
р е д е л е н и и зн а ч е н и я магнитной индукции,
свой усилитель с соответствующим реле.
Т о ч н о с т ь и зм е р е н и я остаточной индукции
В зависимости от значения остаточной
д в и ж у щ и х с я и зд ел и й удается существенно
индукции срабатывают реле "Твердая деп о в ы с и т ь , ес л и и зм ерять не амплитуду, а таль" или "Годная деталь", и заслонки 7
и н т е г р а л п о вр ем ен и однополярного им» или 8, связанные с этими реле, направля*
п у л ь с а н а в о д и м о й ЭД С.
ют деталь в соответствующий бункер. При
Д л я к о н тр о л я малогабаритных издепрохождении "мягкой" детали индуцил и й в о т к р ы т о й м агнитной цепи методом
руемый импульс недостаточен для срабаи з м е р е н и я м ак си м ал ьн о го значения ЭДС в тывания реле, и заслонки, оставаясь в ис*
и з м е р и т е л ь н о й катуш ке разработаны усходном положении, направляют детали в
т а н о в к и с е р и и ТА М . Работа установки
бункер для мягких деталей. Годные детали
Т А М -1 (р и с . 14.4, а) заклю чается в елепри выходе из измерительного устройства
д у ю щ е м . Д е т а л ь поп ад ает в воронку вход- размагничиваются в переменном магнит­
н о г о б у н к е р а 1 и зам ы кает контакт 2 пусном поле соленоида 9.
к о в о г о у с т р о й с т в а . П осле этого в намагВ ИФП АН Республики Беларусь
н и ч и в а ю щ и й со л ен о и д 3 подается ток от разработан магнитный анализатор качествы прям ителя.
ва стальных изделий МАКСИ, предназнаД е т а л ь остан авл и вается под действиченный для измерения двух параметров:
е м м а г н и т н о г о п о л я соленоида и успокоймаксимального значения магнитного пот е л я 4 , в ы п о л н е н н о г о из магнитомягкой
тока в движущемся изделии, намагничис т а л и . Д а л е е т о к со л ен о и да отключается и
ваемом в магнитном поле заданной амд е т а л ь п о д д е й с т в и е м своего веса прохоплитуды, и остаточного потока Фг после
д и т ч е р е з и зм е р и тел ь н ы е катушки 5 и 6, завершения намагничивания. Контроль
и н д у ц и р у я в н и х им пульсы . Амплитуда
осуществляется в процессе свободного *
и м п у л ь с о в п р и п о сто ян стве скорости двипадения изделия через область с магнит-
ПРИБОРЫ НК ПО ИЗМЕРЕНИЮ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ
ным полем, создаваемым подключенной к
источнику постоянного тока намагничи­
вающей катушкой. Первая измерительная
катушка, предназначенная для измерения
максимального магнитного потока в изде­
лии при намагничивании, расположена в
центральном сечении намагничивающей
катушки. При движении сквозь область с
намагничивающим полем контролируемое
изделие пересекает плоскость сечения
первой измерительной катушки, вызывает
изменение во времени сцепленного с ней
магнитного потока ФД/) и индуцирует в
ней ЭДС в\. Выходя из зоны действия на­
магничивающего поля, контролируемое
изделие пересекает плоскость сечения
второй измерительной катушки, предна­
значенной для измерения остаточного
магнитного потока в изделии, вызывает
изменение сцепленного с ней магнитного
потока |Щщ! и индуцирует в ней ЭДС е2.
Значения в\ (/) и e2{t) поступают на выходы
идентичных
измерительных
каналов,
принцип действия которых основан на
выделении из ЭДС измерительных кату­
шек однополярного импульса напряжения
и аналоговом интегрировании выделенно­
го импульса.
Для уменьшения линейных размеров
преобразователя и исключения влияния
намагничивающего поля на изделие при
измерении параметра Ф , использована
специальная система компенсирующих
катушек, включенных последовательно­
встречно с намагничивающей катушкой в
цепь источника намагничивающего тока.
Система компенсирующих катушек обес­
печивает компенсацию намагничивающе­
го поля в пространстве, окружающем вто­
рую измерительную катушку. Метрологи­
ческое обеспечение прибора МАКСИ ос­
новано на имитации движения ферромаг­
нитного изделия сквозь преобразователь
прибора.
Другим способом измерения магнит­
ной индукции контролируемой детали
является метод регистрации магнитного
235
момента с помощью феррозондовых пре­
образователей. Феррозонды располагают
в первом или втором гауссовом положе­
нии (на продолжении оси, вдоль которой
производят намагничивание, или в плос­
кости магнитной нейтрали изделия). В
приборах НК большое распространение
получила схема расположения зондов во
втором гауссовом положении, при кото­
ром они не мешают сквозному прохожде­
нию контролируемого изделия через пре­
образователь. Ф. Ферстер предложил сле­
дующую структурную схему расположе­
ния феррозондов (рис. 14.4, б). Феррозон­
ды 2 регистрируют поле рассеяния от из­
делия 3, а феррозонды 1 компенсируют
влияние внешнего магнитного поля. Рас­
положение осей феррозондов 2 на одина­
ковом расстоянии от оси транспортного
канала позволяет значительно снизить
влияние поперечного смещения изделия
на величину сигнала. Феррозондовые ус­
тановки имеют следующие преимущества
перед индукционными установками: воз­
можность контролировать детали сложной
формы при их фиксированном положении
по отношению к феррозонду и отсутствие
зависимости результата контроля от ско­
рости перемещения детали.
Разработанный Ф. Ферстером метод
локального намагничивания изделия (то­
чечного полюса) реализуется путем со­
прикосновения и последующего удаления
от изделия постоянного магнита стержне­
во