close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

4503 klyuev v.v. mujickiy v.f. gorkunov e.s. sherbinin v.e nerazrushayushiy kontrol

код для вставкиСкачать
____и * н
СПРАВОЧНИК
1
'У 'З г У
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
Н 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 .1В.Н. 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.
18ВК 5-217-03338-Х (т. 6. кн. 1, кн. 2, кн. 3)
18ВК 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 радиоволновым методам и приборам, программы обучения и аттестации, перечни вопросов для сдачи
квалификационных экзаменов.
Для специалистов промышленн< ; т и , р а ^ ^ ц ш ^ к о н т р й л я , эксплуатации и ремонта, а
также для специалистов, обслужив ющих медитганскЖо ^ .тамо| сенную технику, может быть
полезен преподавателям и студента! вузо5.ы
„
_/ I
с академик С.Бейсем*»' |
0 *|/ атындагы рылыми
0 ,0
,1
I8ВN 5-217-03338-Х (т. 6. кн. 1, кн. 2
КЯШ 5-217-03185-9
[681 2+620](035)
ББК 30.82
К 1Т А П Х А Н А О
гСпектр», 2006
© «Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.1, Гальваномагнитные
преобразователи, основан­
ные на эффекте Холла и
эффекте Гаусса.................
3.3.2. Гальваномагнитнорекомбинационные пре­
образователи .....................
3.3.3. Полупроводниковые
преобразователи на основе
магнитодиодного эффекта
3.3.4. Магнитодиоды........
3.3.5. Магнитотранзистор ы .......... ............................
3.3.6. Полевые магнитотранзисторы......... ...........
3.3.7.2 -Элементы.............
3.3.8. Тонкопленочные
магниторезисторы............
3.3.9. Магниторезисторы с
гигантским магниторези­
стивным эффектом...........
3.3.10. Феррозоццовые пре­
образователи магнитных
полей............. ....................
3.3.11. Однообмоточные
феррозонды.......................
Книга 1. М А Г Н И Т Н Ы Е
М ЕТО Д Ы К О Н Т Р О Л Я
(В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий,
Э.С. Горкунов, В Я. Щербинин)
ВВЕДЕНИЕ...................................
Часть 1. МАГНИТНАЯ ДЕ­
ФЕКТОСКОПИЯ ......................
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 ПОЛЕЙ.........
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...............
13
19
19
19
26
29
за
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
ПИИ...................................
73
46
49
50
5.1. Общие сведения........
5.2. Двухэлементный фер­
розонд ................................
5.3. Аналитические расчеты
73
73
75
ОГЛАВЛЕНИЕ
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................................
77
78
78
80
82
|ава 6.
МАГНИТОГРАФИ­
ЧЕСКАЯ
ДЕФЕКТО­
СКОПИЯ ........................
84
6.1. Общие сведения......... 84
6.2. Запись на ленту.......... 85
6.3. Запись в приложенном
поле............................ .
87
6.4. Магнитные ленты...... 89
6.5. Магнитографические
дефектоскопы4.................
89
ава 7.
ИНДУКЦИОННЫЕ
ДЕФЕКТОСКОПЫ.......
93
ава 8. МАГНИТНЫЕ ДЕ­
ФЕКТОСКОПЫ
ДЛЯ
КОНТРОЛЯ СОСТОЯ­
НИЯ СТЕНОК ТРУБО­
ПРОВОДОВ И РЕЗЕР­
ВУАРОВ ........................
96
1ва 9. МАГНИТНЫЕ СРЕД­
СТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ МА­
ГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗО­
ПРОВОДОВ И ЭЛЕК-
9.1.1. Выделение п<
ных сварных ш вов.
9.1.2. Сокращение
обрабатываемой
мации ......................
9.1.3. Слияние точе»
9.1.4. Устранение
логических элемент!
бопроводов,
маге
маяков
и
спир;
сварных ш вов........
9.2. Объемно-шовн]
фектоскоп для магн
контроля качества
газопроводных
эл
сварных труб в те:
гическом потоке .....
9.3. Неразрушающи
троль сварных ш вое
ства нефтегазопров
электросварных тру(
Глава 10. ДЕФЕКТ0СК01
ПОВЕРХНОСТЕЙ (
НОГО ПРОФИЛЯ.
10.1. Поперечная т
циальная
составлю
магнитного п о л я......
10.2. Двухчастотны]
тод дефектоскопии
верхностей сложной
мы
10.3. Намагничива
система.....................
10.4. Фазочувствите.1
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
10.5.1. 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...........
Часть 2. М А Г Н И Т Н А Я
С Т Р У 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 й перемагничивания ферромаг­
нетиков .............................
137
11.1.1. Причины магнит­
ного гистерезиса............... 138
11.1.2. Влияние напряже­
ний на процессы перемагничивания.........................
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 с в о й с т в а с т а ­
л е й ;.................................
150
12.1. Отжиг сталей ...........
12.2. Нормализация.........
12.3. Закалка сталей.........
12.3.1. Доэвтектоидные уг­
леродистые и низколеги­
рованные 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 стал и ...,......................
12.3.7. Мартенситно-стареющие и аустенитномартенситные стали спе­
циального назначения......
150
153
153
156
157
159
164
166
170
173
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
12.3.8. Особенности из­
менения намагниченности
насыщения при закалке
стали в интервале темпе­
ратур Ас1- Ас3.................
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
13.1. Анализ устойчивости
магнитных состояний фер­
ромагнетиков .....................
13.1.1.
176
сталей на основе анализа
устойчивости их магнит­
176
178
ных состояний к действию
постоянных и переменных
магнитных полей ..............
206
13.1.2. Устойчивость маг­
178
нитных состояний сталь­
ных ферромагнитных из­
делий с различной струк­
турой к действию упругих
__182
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-стареющие, аустенитно-мартенситные и ферритноаустенитные стали специ­
ального назначения.........
12.4.7. Магнитный струк­
турный анализ закаленных
и отпущенных изделий ....
205
Структуроскопия
напряжений .......... ..............
218
13.1.3. Устойчивость маг­
нитных состояний сталь­
185
ных ферромагнитных из­
делий к воздействию тем­
пературы ........... ..................
187
Глава 14.
П РИ БО РЫ
222
КО Н ­
ТРО ЛЯ С ТРУ КТУ РЫ И
192
М ЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ
ТЕ РМ 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
ОБРА БО ТКИ 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. МАГНИТНЫ Е МЕ­
ТОДЫ И ПРИБОРЫ
КОНТРОЛЯ
ВА
КАЧЕСТ­
ПОВЕРХНОСТНО­
ГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗ­
ДЕЛИЙ ...............................
247
15.1. Структура и физико­
механические
свойства
слоев, упрочненных раз­
личными способами.......
15.2.
Контроль
247
качества
поверхностного упрочне­
ния изделий ........................
253
Глава 16. М АГНИТНЫ Е М Е­
ТОДЫ И П РИ БО РЫ
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 стал ей .....................
16.4. Определение количе­
ства остаточного аустенита 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-акустических 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...........
17.4.3. Зависимость пара­
метров магнитных и маг­
нитно-акустических шу­
мов от уровня макрона­
пряжений ............................
287
291
291
294
299
299
303
305
283
17.4.4. Исследование влия­
ния поверхностного пла­
стического деформирова­
ния на параметры магнит­
ных ш ум ов.......................... 310
НОВАННЫЕ НА ЕГО
И С П О Л ЬЗО В А Н И И ..... 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
Глава 17. МЕТОД ЭФФЕКТА
БАРКГАУЗЕНА И СРЕД­
СТВА КОНТРОЛЯ, ОС­
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 18. МАГНИТНЫЕ МЕ­
ТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КРИСТАЛЛОГРАФИ­
ЧЕСКОЙ ТЕК СТУ РЫ .. 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 АкуловаБрюхатова................... ...... 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 тексту333
рометры .........................
18.4. Первичные электро­
магнитные преобразователи,
используемые при опреде­
лении текстуры и анизотро­
пии магнитных свойств..... 339
18.4.1. Преобразователи с
П-образным магнитопроводом
339
18.4.2. Преобразователи с
С-образным магнитопроводом.................. ...............
18.4.3. Преобразователи с
Т-образным, стержневым
и сложным магнитопровод ам и ...................................
18.4.4. Вихретоковые дат­
чики магнитной анизотро­
пии
................
18.4.5. Динамически вра­
щающиеся преобразовате­
ли
............................
341
341
343
343
Глава 19. МАГНИТНАЯ ДИ­
АГНОСТИКА
МЕХА­
НИЧЕСКИХ
НАПРЯ­
ЖЕНИЙ
В
ФЕРРО­
МАГНИТНЫХ
О БЪ ­
346
ЕКТАХ .............................
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
СПИСОК Л И Т Е РА Т У Р Ы ..........
358
П рилож ения.....................................
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
..........
412
2.2.2. Разрядные лампы ....
413
2.2.3. Светоизлучающие
диоды
414
2.2.4. Источники света с
радиоактивными изотопами
415
2.2.5. Лазерные источники
излучения.............. ........
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
О Н К;.::....
425
2.5. Компьютерные техно­
логии обработки дефекто­
скопических изображений
438
2.5.1. Алгоритмы предва­
рительной обработки изо­
бражений ......................
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.............л.....
447
3.3. Методы освещения
объектов контроля ............
448
3.4. Фазово-контрастные и
интерференционные мето­
ды в микроскопии............
452
Книга 2. ОПТИЧЕС­
КИЙ КОНТРОЛЬ
(В.Н. Филинов, А.А. Кеткович,
М.В. Филинов)
ПРЕДИСЛОВИЕ.........................
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОС­
НОВЫ ОПТИЧЕСКОГО
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ (О Н К)........
1.1. Основы физической
оптики...............................
1.2. Фотометрическая ап­
паратура ........ ...................
376
378
1.3. Методы измерения
оптических параметров ...
1.3.1. Измерение коэффи­
циента отражения.............
389
1.3.2. Измерение коэффи­
циента поглощения..........
392
389
1.3.3. Измерение коэффи­
циента рассеяния..............
393
1.3.4. Измерение коэффи­
циента пропускания.........
394
1.3.5. Измерение показа­
теля преломления.............
395
1.3.6. Измерение коэффи­
циента излучения .............
399
1.4. Основы геометриче­
ской оптики...................... 400
Глава 2. СТРУКТУРА И ЭЛЕ­
МЕНТНАЯ БАЗА СИС­
ТЕМ О Н К .........................
2.1. Структура автомати­
ческой системы О НК.......
407
407
2.2. Источники оптическо­
го излучения...............л .... 410
12
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.1. Классификация мето­
дов и основные области
применения...................... 701
2.5. Контроль динамиче­
ских процессов (смеще­
ния, уровня, скорости,
ускорения, вибраций)....... 762
2.6. СВЧ-томография....... 766
2.2. СВЧ-толщинометрия
702
2.2.1. Геометрический ме­
тод
702
2.7. Специальные средства
диагностики.....................
771
2.2.2. Амплитудно-фазо­
вый метод.....................
705
2.2.3.т...Частотно-фазовый
метод ...............................
709
Глава 3. БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ
НЕРАЗРУШАЮЩЕМ
КОНТРОЛЕ РАДИОВОЛ­
НАМИ СВЧ .....................
785
2.2.4. Метод радиоволновой эллипсометрии..........
711
2.3. СВЧ-дефектоскопия и
структуроскопия............. 1 712
2.3.1. Структурные неод­
нородности и дефекты.....
712
2.3.2. Дефектоскопы на
прохождение....................
714
2.3.3. Дефектоскопы на
отражение....!..................
715
2.3.4. Структуроскопы ...
721
2.3.5. Радиоинтроскопы ...
724
2.4. Контроль физико-ме­
ханических и технологи­
ческих параметров...........
732
2.4.1. Измерение диэлек­
трических характеристик
материалов ......................
732
2.4.2. Контроль плотности
737
2.4.3. Контроль влажности
742
2.4.4. Контроль техноло­
гических параметров (вяз­
кости, отвердевания, вул­
канизации, гомогенности
и т.п.).................. .г............
748
2.4.5. Контроль давления,
усилия, деформации........
755
2.4.6. Резонансные СВЧметоды неразрушающего
контроля..................... .
759
3.1. Общие положения ....
3.2. Защита от радиоволнового излучения.............
3.3. Методы контроля
СВЧ-излучения.................
785
788
Глава 4. СТАНДАРТЫ В РАДИОВОЛНОВОМ
НЕРАЗРУШАЮЩЕМ
КОНТРОЛЕ.....................
789
786
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, И, III уровней квали­
фикации ............. '.............
798
5. Рекомендуемые экзаме­
национные вопросы по
радиоволновому методу
контроля............................
806
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........
841
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.
14
ВВЕДЕНИЕ
В 1938 г. С.В. Вонсовский изложил
теоретические основы магнитной дефек­
тоскопии в статье "Простейшие расчеты
теоретических основ магнитной дефекто­
скопии".
В 1939 г., после серии предваритель­
ных исследований и натурных опытов,
были внедрены индукционные дефекто­
скопические тележки для контроля рель­
сов, уложенных в пути (А.Б. Сапожников,
Н.В. Мирошин, Б.П. Кашкин, П.Н. Боль­
шаков, Н.М. Шилов; коллектив мастер­
ских Сибирского физико-технического ин­
ститута).
С 1941 г. на всех железнодорожных
путях Советского Союза начали успешно
применять дефектоскопические тележки с
постоянным магнитным полем, позво­
ляющие обнаруживать скрытые трещины
в рельсах (ЦНИИ, А.Н. Матвеев, И.М. Лы­
сенко).
Первая монография по магнитной
дефектоскопии была написана Р.И. Яну­
сом и вышла в 1946 г. Она обобщила мно­
голетний опыт российских исследователей
и самого автора в области магнитных ме­
тодов контроля нарушений сплошности и
структуроскопии. Р.И. Янус установил,
что дефект аналогичен магниту, эффек­
тивная длина которого в слабом поле мо­
жет значительно превышать истинную
длину дефекта вдоль поля, а поперечное
сечение несколько сжато.
Р.И. Янус пришел к важному выводу
о том, что выявляемость внутренних де­
фектов сильно зависит от напряженности
приложенного поля. По мере приближе­
ния его к насыщению напряженность поля
дефекта повышается с нарастающей кру­
тизной.
Этот ученый был крупнейшим и наи­
более авторитетным специалистом по
магнитным методам производственного
контроля. В его монографии "Магнитная
дефектоскопия" приведено полное науч­
ное описание теории и практики магнит­
ной дефектоскопии; дано научное обоб­
щение наиболее важных и общих вопро­
сов физики магнитных измерений в при­
менении к проблемам дефектоскопии;
указано, какие магнитные характеристики
и в каких случаях следует использовать
при дефектоскопии, какие методы измере­
ний магнитных характеристик наиболее
целесообразно применять; изложены ос­
новные принципы построения дефекто­
скопов различных типов.
В 1952 г. П.А. Халилеев и В.В. Вла­
сов создали индукционные искатели с
возможностью записи снимаемых с них
сигналов на киноленту. Эти приборы ши­
роко применяли в вагонах-дефектоскопах
для контроля рельсов.
В 1952 г. К.С. Маховер и К.В. Усенко
во Всесоюзном научно-исследовательском
институте строительства магистральных
трубопроводов (ВНИИСТ) разработали
магнитографический метод. Исследовани­
ем и совершенствованием этого метода
контроля занимались в МВТУ им. Баума­
на, АН БССР, Шосткинском филиале
НИКФИ, СКБ "Газприборавтоматика", на
предприятии "Ростовэнергоремонт", в Бе­
лорусском политехническом институте,
Институте физики металла УрО РАН, на
Калининградском экспериментальном за­
воде. Именно в СССР он получил путевку
в жизнь благодаря работам А.С. Фалькевича и М.Х. Хусанова. В дальнейшем ис­
следования в области оптимизации метода
продолжили В.С. Козлов, Ю.Б. Фещенко,
А.М. Шарова, Ю.Ш. Голант, А.Е. Нови­
ков, В.Е. Щербинин, М.Л. Шур, С.П. Ми­
хайлов, Л.А. Кашуба, О.А. Жолнерович.
Метод совершенствовали в направ­
лении развития намагничивающих уст­
ройств, дефектоскопов и лент в рамках
классического метода, в направлении из­
менения самих контрольных операций в
целях расширения области использования
метода, а также методов записи ин­
формации.
Ю.Б. Фещенко предложил магнитный
контроль с записью полей дефектов на
носитель, скользящий относительно изде­
лия, в отличие от основного метода кон­
троля с записью на неподвижный носи­
тель.
ВВЕДЕНИЕ
Научный и практический интерес
представляет оптимизация процесса запи­
си поля дефекта на ленту. А.С. Фалькевич
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. йванчиков, В.Ф. Ивлев. Их работы продолжили
Н.В. Мирошин, В.С. 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
выявляемое™ 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 феррозондовый метод дефектоскопии деталей
машин и диагностики в медицине.
В 1959 г. В.В. Корсаков (ВИАМ) раз­
работал для авиапромышленности феррозондовый 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
Развивая идеи Р.И. Януса и А.Б. Сапожникова, Р.Е. Ершов решил задачу об
определении возмущения поля ферромаг­
нитной среды, производимого дефектом
типа поперечной трещины, при нелиней­
ности магнитных свойств ферромагнитной
среды в области средних и сильных маг­
нитных полей.
Н.Н. Зацепин и В.Е. Щербинин де­
тально рассмотрели особенности состав­
ляющих магнитного поля различных по­
верхностных дефектов. В 1960 г. Н.Н. За­
цепин и В.Е. Щербинин разработали феррозондовый метод контроля сварных
швов, теоретические основы феррозондовой толщинометрии, метод расчета поля
дефекта в трехмерном пространстве.
В 1965-1970 гг. Н.С. Акулов, В.С. Коз­
лов, А.М. Шарова, А.Е. Новиков, М.Г. Хусанов, Е.А. Бутузов, В.М. Карпов, Л.А. Ка­
шуба решили кардинальные проблемы
теории и практики магнитографического
контроля. Сотрудниками НИИ интроско­
пии были созданы и внедрены на Перво­
уральском Новотрубном заводе, Магнито­
горском металлургическом комбинате,
Ждановском металлургическом заводе для
поточного производства горячекатаных
труб и холоднокатаных листов дефекто­
скопические автоматические установ­
ки ДФ-1, УПН-3, "Лист-4", УРКТ и др.
(П.К. Ощепков, В.В. Клюев, Л.А. Хватов,
Е.Я. Симонова, О.С. Семенов, Ю.С. Кали­
нин, В.П. Курозаев и др.)
В 1970-1988 гт. в НИИ интроскопии
(МНПО "Спектр") разработали и серийно
выпускали
магнитные
толщиномеры
(МИП-10, МТ-50Н), магнитные дефекто­
скопы резьбовых соединений (МД-ЗМ,
МД-40К, МД-42К), магнитометры (МФ-32
КЦ), ферритометры и т.п. (В.В. Клюев,
А.П. Дегтерев, В.Ф. Мужицкий, В.П. Ку­
розаев, В.П. Есилевский, А.Г. Пеликан и
др.). В тот период дефектоскописты
(НИИЭРАТ) совместно с металловедами
выполнили большой объем исследований
в целях установления причин отказов аг­
регатов и энергетических установок при­
мерно на 10 типах ракетно-космических
объектов, благодаря чему были внесены
изменения в их конструкцию. В ре­
зультате консультаций и изучения про­
цессов контроля в 1980-е годы была пере­
работана технологическая документация по
дефектоскопии и значительно повышена
эффективность контроля в организациях
ракетно-космической отрасли, в том числе в
НИИ им. С.П. Королева, НПО "Энергия",
Теплотехническом институте им. Ф.Э. Дзер­
жинского, НПО "Электроугли", НПО
"ТЕХНОМАШ". На базе НИИЭРАТ про­
шли переобучение многие специалисты из
этих
организаций.
Дефектоскописты
НИИЭРАТ участвовали в наиболее слож­
ных исследованиях причин катастроф са­
молетов гражданской авиации.
В АН СССР Н.С. Акуловым, Р.И. Яну­
сом и М.Н. Михеевым были заложены ос­
новы практического использования маг­
нитных методов контроля качества терми­
ческой и химико-термической обработки
изделий, текстурного анализа сталей. На­
чатые ими работы продолжают успешно
развиваться.
М.Н. Михеев и Э.С. Горкунов обоб­
щили результаты исследований за более
чем полувековой период изучения зако­
номерностей изменения магнитных, элек­
трических и механических свойств сталей
разных классов при вариации температу­
ры отжига, закалки и отпуска, что позво­
ляет использовать эти данные при выборе
параметров неразрушающего контроля и
разработке методов и средств определения
структурного состояния, химического и
фазового составов сталей, а также прочно­
стных характеристик материалов и изде­
лий.
Н.С. Акулов, С.В. Вонсовский, М.Н. Ми­
хеев, Д.И. Кондорский, К.П. Белов,
Я.С. Шур, Р.И. Янус, Э.С. Горкунов и
В.М. Морозова получили уникальные ре­
зультаты, которые позволили понять при­
роду процессов намагничивания и перемагничивания такого гетерогенного фер­
ромагнетика, как сталь. Работы А.С. Зай-
ВВЕДЕНИЕ
^
^
I*'
^
^
^
^
%
^
ПО
Р0-
®
^
*•
а■У-
^
ия
а-
17
мовского, Б.Г. Лившица, В.С. 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
году НЙИИН создал автоматизированный
кевича, Е. Кнеллера в области физики магнитных явлений, физического металловеферритометр ФМ-1, решив задачу контро­
дения и материаловедения сыграли важля 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 фазовоизмерение относительного значения маг­
го состава сталей и сплавов.
нитной проницаемости металла шва с по­
В частности, одним из важных намощью микроферрозондового преобразо­
правлений в области магнитного и фазователя, перемещающегося относительно
изделия.
вого анализа высоколегированных сталей
является магнитная ферритометрия.
В 1990-е годы в ЦНИИТМАШ для
Известно, что физико-механические
градуирования ферритометров всех типов
и коррозионные свойства таких сталей во
разработали технологию изготовления
многом зависят от наличия в них ферритстандартных образцов ферритной фазы
ной фазы, поэтому ее содержание в издеспособом центробежного литья. Образцы
лиях регламентируется отраслевыми допрошли международные испытания и ре­
кументами. Большой вклад в развитие теокомендованы 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.).
нении (масса не более 400 г). Информация
В результате выполненных в 1950-е
о
содержании ферритной фазы представ­
годы в НИИХИММАШ исследований бы­
ляется
в цифровом виде и автоматически
ли созданы локальные ферритометры понпереводится на экране прибора в процент­
деромоторного действия: альфа-фазометр
ное содержание, в отличие от используе­
с диапазоном измерения 0,5 ... 20 % фермых ранее градуировочных кривых, а так­
ритной фазы, ферритометры ФА-1 и
же в ферритное число в соответствии со
ФА-1М с диапазоном 0,5 ... 70 %. Начиная
стандартом ИСО 8549.
с 1964 г. ферритометры конструкции
НИИХИММАШ выпускались серийно
В 1976 г. по решению Государствен­
Кишиневским заводом "Электроточприного 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 аустенитная , Методы
нпптн и-АН ©ССР
определения содержания а-фазы"|
С.Торайгыдд! Академии наук в работе принимал
В 1972 г. НИИИН разработал ф ^ ^ ^ агЧ^ЭД&еп
*4 Институт физики металлов
зондовый ферритометр М Ф-10Ф.'©Ш ЛИ-к д И Ф К ^ ^ральского научного центра АН
ностью этого прибора является( ро^й81^даХ (5 сР , от МЦнгазпрома - Специализиро-
г О ЬЧЪ^К1ТАПХАНАГ.Ь|
18
ВВЕДЕНИЕ
ванное конструкторское бюро (СКБ) "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 19002000 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, I
В.А. Захарову, В.В. Филинову и ряду
других ученых за представленные мате­
риалы.
Часть I. МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
КОНТРОЛЯ
1.1. Ф Е Н О М Е Н О Л О Г И Ч Е С К О Е
ОПИСАНИЕ М АГНИТНЫ Х
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 Ы, а незаштрихованный конец знак
и обозначен буквой 8 . Стержни,
изображенные на рис. 1. 1, направлены
друг к другу одинаковыми знаками и бук­
вами (+, И). Чтобы сблизить стержни, не­
обходимо приложить усилия. На рис. 1.2,
где стержни обращены друг к другу раз­
ными знаками и буквами (+, N и 8 ), 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 М АГНИТНЫХ М ЕТОДОВ
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
жням соприкоснуться. Достаточно осла­
бить усилие, как в первом случае магнит­ ми индукции, или магнитными силовыми
ные стержни разъедутся, а во втором линиями, поскольку именно вдоль них
плотно соединятся.
направлены силы (показаны на рис. 1.4, б
Существует еще один наглядный
стрелками), ориентирующие частицы маг­
способ обнаружения магнитного действия
нитного порошка вокруг магнита.
постоянных магнитов. Если около магнита
Напомним, что концы магнитов на­
поместить металлическую деталь, которая зывают полюсами. Если вблизи магнита
до приближения к магниту не проявляла нет других магнитов, каких-либо больших
никаких магнитных действий, то вблизи железных предметов или залежей магнит­
постоянного магнита эта деталь сама ста­ ной руды, то подвешенный магнит всегда
новится магнитом. На стороне детали,
ориентируется
почти
точно
вдоль
обращенной к магниту, возникает состоя­
географического меридиана с юга на север
ние, при котором она всегда притягивает­
(рис. 1.5).
ся к магниту, подобно разноименным кон­
Вокруг магнитов существует особая
цам магнитных стержней (рис. 1.3).
форма материи - магнитное поле. Это и
Этот магнитоиндукционный эффект
есть тот материальный носитель, который
можно использовать для обнаружения в передает взаимодействие между маг­
пространстве, окружающем магнит, его
нитами. Этот носитель передает взаимо­
магнитного действия. На рис. 1.4, а пока­ действие и между электрическими токами.
Рис. 1.4. К артина линий индукции стержневого м агнита, полученная с
помощью магнитных порош ков (я), и векторны й характер м агнитного поля ( б)
21
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
а)
б)
Рис. 1.5. Направление магнитной стрелки относительно географического меридиана
в местах с восточным (а) и с западным (б) магнитным склонением (ф - угол склонения)
Сущ ествуют тела, которые могут
притягиваться и отталкиваться от магни­
тов, не находясь при этом в непосредст­
венном контакте с ними. С ила притяжения
или отталкивания прям о пропорциональна
расстоянию между магнитом и взаимодей­
ствующим с ним телом.
Некоторые тела вблизи магнита сами
становятся ярко вы раженны ми магнитами.
Однако при удалении м агнита они могут
как сохранить, так и потерять это свойст­
во. Сами исходные магниты такж е могут
утратить свои м агнитны е свойства, на­
пример, если нагреть их вы ш е определен­
ной температуры, а потом охладить без
присутствия других магнитов поблизости,
или же подвергнуть их сильным механи­
ческим ударам. Восстановить магнитные
свойства, утерянны е при нагревании,
можно путем охлаждения вблизи другого
магнита или с пом ощ ью 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 постоянны х магнитов, но и элек­
трические токи (рис. 1.6). Э то впервы е в
1821 г. обнаруж ил датский ф изик Эрстед.
Вокруг проводника с током, как и во­
круг постоянного магнита, возникает маг­
нитное поле. Это можно подтвердить с
помощ ью частиц магнитного порош ка,
которые "нарисуют" линии индукции маг­
нитного поля электрических токов.
Н а рис. 1.7 приведены хорош о из­
вестные картины линий индукции магнит­
ных полей прямого и кругового токов, а
такж е соленоида, полученные с помощ ью
ж елезных опилок. Хотя эти картины и
похож и на аналогичные картины для по­
стоянны х магнитов, но есть и некоторые
различия.
///////
N
А
я
о.
«Г
2
>5
уV
К
ев
е*
8
и
Рис. 1.6. Направление магнитной стрелки
около прямого проводника с электрическим
током / (открытие Эрстеда)
22
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
а)
в)
Рис. 1.7. Картины линий индукции магнитных полей,
полученные с помощью магнитного порошка:
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. П остоянные 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 даю т
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 внеш него м агнитного поля, на­
пример поля постоянного магнита или
соленоида с током.
Гипотеза А м пера о молекулярны х то­
ках сначала была лиш ь гениальной догад­
кой. Только в конце X IX - начале XX ве­
ков, когда был откры т электрон, когда
была предсказана и получила опытное
подтверждение ядерная структура атомов,
эта гипотеза наш ла полное эксперимен­
тальное и теоретическое обоснование.
Ампер дал "токовую" интерпретацию
магнитным взаимодействиям. О на связана
с теоремой об эквивалентности магнитных
полей, создаваемых электрическими тока­
ми и постоянными магнитами (теорема
Ампера).
Для формулирования этой теоремы
приведем основные количественны е ха­
рактеристики электрических и магнитных
полей. В первом случае одним из основ­
ных понятий является понятие электриче­
ского заряда <7. Его можно ввести из ана­
лиза закона Кулона - закона взаим одейст­
вия точечных электрических зарядов, т.е.
зарядов, линейны е размеры которых малы
по сравнению с расстоянием Г|2 между
ними. Закон Кулона гласит, что силы Р\ и
Рг, действую щие между двумя точечны ми
зарядами Щ и
прям о пропорциональны
произведению этих зарядов и обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними. Эти силы направлены вдоль
линии, соединяю щ ей точечны е заряды ц\
и Цг, т.е.
а)
б)
Рис. 1.8. Микроскопические (молекулярные)
замкнутые токи в постоянном магните:
а - при беспорядочном распределении
(гипотеза Ампера); б - при упорядоченном
распределении
1— 2
ГП
12 > ^2
2
г\2
21 ’
(М *
где С\2 и е 21- единичные векторы, направ­
ленные соответственно от заряда
^\ и
ОТ ^\ И Цг, Причем в |2 = - « 21.
Н аправление сил определяется зна­
ками зарядов. Заряды одинаковых знаков
отталкиваю тся (рис. 1.9, а), разных зна­
ков - притягиваю тся (рис. 1.9, б).
Если выделить в формуле (1.1) мно­
житель <71 (или <72)» то второй множитель в
выражении для Р\ (или Р2) будет зависеть
от ^2 (или ^ 0 и взаимного расстояния ме­
ж ду зарядами. Его принято называть на­
пряженностью электростатического поля,
которое создает заряд
(или Ц\ в точке,
занятой зарядом щ (или <72), и обозначать
символом Е\ (или Е 2). Н еобходимо отм е­
тить, что если эти заряды одинакового
знака, то силы Р\ и Р2 их отталкиваю т, а
если они разного знака, то притягиваю т.
Таким образом, закон Кулона мож но запи­
сать в следую щ ем виде:
Р, = <7,Е 2 ;
Р 2 = * 2Е , ,
где Е 2 = (<72 /г , 2)е 21 и Е , = (<?, /г 12)е 12.
В общ ем случае сила, с которой элек­
тростатическое поле с напряж енностью Е
(оно может создаваться не только одним
точечным неподвиж ны м зарядом, но и
произвольной их совокупностью ) действу­
ет на точечный заряд
Г = дЕ.
с *ем ь, „
Ги Чн>
о
ЛИпо
заР*ДыК° " К ул»>1а:
Разных ЗНаК(
Кулона? ь
Магнитг,„
Магнит0в?
° П р ° СЬ1 м
««котором см ь?аЛ° Г ^ х о ” РеДставим * " 0 0ТВетить ^ “ СЛе «а ^
*р - 8 виде оч
ННый МагнРДИТельно-
н ^ е и н ы е Т Д ° Ч ень тонкой
напри;
Ва,°т ся , а р ""Ы ДвУ* таких сп!!ЧЫ' 0дн°По
Ф°РМуЛИп„
^ Ических за„Н Вь"*‘е ^
^ к и х 2 ? * С * 701* ^
Ф"кгив^еЗДря«о»
н ^ * 0
>
* И1СГИВные и„^°в "««о
““ «сто наппагнн1»ые 3а„„ДСТавить * * •
поля г " ^ « « ен и о с а Ряды »>, « I е
т а к о м у " Т О И М е н н м е - пг ,2п ? ^“ 0 ГигаЛ |™
е
3а к о н у
I
К у л о н а Я ГИ Ваю тся
—
I
4
\
I
)
/
I
*
I
ч
/
/
г '
-
Ч
» ! !/ г
\ '\ \17
/'
\
\
'
\
\
°ДНако это л
Н0Г° По'
’ Который
Г1« Дело В т0М ц ИШь Формаль^
I
I
I
I
Г
/
об<» * знаков ’(3 0„ЭЛеКЧ > ^ Г аЛ0'
самостоятельны Д& М05кно Выл Ряды
борода
^
Ыен “ « Р а з о в а н н , ^ »
з а р ^ евны? - С о Г ирРяженный протон) в .
Поло*Иед1но
‘/ /
/
” ого ^ л агь н е™ 3? н Г аеМаГН^
магнита невозможно п о ^ " Даю"»“ <
одним единственным п
Частицы с
^
материальный о б ъ е Г Т МаПИТ~
Щни два полюса. Любая даже г!™ ИМа°'
= = = = = =
положение, что
а)
внсш
Я
* Евнеш
Рис. 1.10. Электрический диполь:
1 - линии напряженности электрического поля;
I
б —поведение диполя с моментом Р = д1 во
внешнем электрическом поле
напряженностью ^ГВНеш
с о
^
||
элементарных магнитных двойных полю­
сов магнитных диполей, которые только
формально можно представлять состоя­
щими из двух неразрывно связанных меж­
ду собой фиктивных магнитных зарядов
двух знаков (плюса и минуса) или север­
ного (И) и южного (8) полюсов. Поэтому в
качестве электрической аналогии таким
двухполюсным магнитом может служить
элементарный электрический диполь,
представляющий собой два связанных
точечных равных по модулю электриче­
ских заряда разных знаков, расположен­
ных друг от друга на малом расстоянии /.
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 напря­
женностью Евпеш) определяются электри­
ческим моментом Р. Этот электрический
момент есть произведение заряда д на ра­
диус-вектор 1, который равен расстоянию /
между зарядами и обычно направлен от
отрицательного заряда к положительному
(рис. 1.10, а):
25
Ч . '• С '’
а)
Р= д1.
При этом предполагается, что объем
зарядов очень мал (опять речь идет о то­
чечных зарядах), так что их линейными
размерами можно пренебречь по сравне­
нию с расстоянием /; в противном случае
электрический момент диполя требует
более общего и сложного определения.
При помещении электрического диполя во
внешнее электрическое поле напряженно­
стью ^внеш оно всегда стремится ориенти­
ровать электрический момент Р диполя
вдоль своего направления (рис. 1.10, б).
После открытия Эрстеда и появления
гипотезы Ампера возникла мысль полу­
чить интерпретацию магнитного момента,
связать магнитный момент с током и с
геометрической формой и размерами кон­
тура, по которому протекает ток. Здесь
опять видно отличие магнетизма от элек­
тричества, поскольку для контура с током
невозможно ввести не только "магнитные
заряды”, но даже магнитные полюсы так,
как (хотя и формально) вводили их для
постоянных магнитов. Определим сначала
понятие магнитного момента по аналогии
с электрическим.
Предположим, что несмотря на не­
возможность отделить северный полюс
магнита от южного можно приписать им
некоторое, как было указано выше, обла­
дание фиктивными магнитными зарядами
т (подобными электрическим). Тогда для
очень маленького элементарного магнита
(диполя) и его магнитный момент М , (по
Рис. 1.11. М агн и т н ы й д и п о л ь:
а - линии индукции магнитного поля;
6 - поведение диполя с моментом
. М%= т1 во внешнем магнитном поле
аналогии с электрическим моментом Р)
можно представить в виде
Мк - т\,
где модуль радиуса-вектора 1 равен длине
магнита и направлен от северного полюса
к южному.
На рис. 1.11,0 показан такой магнит­
ный диполь, создающий вокруг себя маг­
нитное поле напряженностью Н, а
рис. 1.11, б иллюстрирует его поведение
во внешнем магнитном поле напряженно­
стью Н лнеш. Здесь, аналогично электриче­
скому диполю во внешнем электрическом
поле, внешнее магнитное поле стремится
ориентировать магнитный момент Мк
вдоль своего направления.
Из изложенного можно заключить,
что основной характеристикой магнитов
(как и в случае электрических диполей)
следует выбрать именно его магнитный
момент Мк, а не фиктивный магнитный
заряд т, который носит лишь вспомога­
тельный характер. Однако, если остаться
только в рамках магнетизма постоянных
магнитов без гипотезы Ампера, нельзя
раскрыть физическую сущность понятия
Ч/
Г *-& .
3
ГДе Й* Я ’■&
ТОКов через „
77ра^ V I
К°НТуром
ВеРХНОстЬ г
' Сумм»
ЕДиница Нап
гРаничеНную
Поля'а м п ер ^ ^ « « н н о с т и Ма
&
* *
М01*ента, и п
Э т и ч еск о й 1 ПривеДеннойР^ Г СЯ Польз°"•
(см
™
1 нтУра с э л е Л °крУг »мк» ^ г г ? “« - г г
№ *№
е 1 р (А /«)-
Щ ую ся зар ж е н т ИТН0Г0
в = Л
где Р
Р0с ^ а Г
"О п
р
»^Г Г ™
контура.
.
,
,
Г
“
■ З И 5Г
™
“ Игн<»'о
Л и ч и н а, “
2
Вп°ле и ОПШ.П
еРизУюша>
Г0Риая
00 стороны !,ЛЯЮ1Цая «илу, дейст ГНВТ"ое
^
: , Л 0РеНЦа;^ - з а РяДИСК0_
(Тл). ЕС Г и ат „ Т Г л е ЙиИ
меДУК1,ИИ" Тесла
равную 1 Тл, если „аТ ап Г Л
Движущийся п е р п е н д ю Ц р н о Т 0" 'К а ­
лению линии ноля со сКо р ^ ю7 м ? '
действует сила в 1 ньютон (Н):
произвольного
1.2. О С Н О В Н Ы Е 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.
1Тл = — 1Н
1 Кл- 1 м
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
Дшеш будет идентично поведению элек­
трического диполя в электрическом поле
напряженностью Ешеш, 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 I, протекающим
по контуру, и с площадью 5 контура, ох­
ватываемого проводом с током /.
Магнитный поток Ф - поток вектора
магнитной индукции сквозь некоторую
поверхность площадью 8 :
Ф = В 8 = В8со$а,
где а - угол между векторами индукции В
и поверхности 8 .
Единица потока индукции - вебер
(Вб). Один вебер - это поток, проникаю­
щий через поверхность площадью 1 м2,
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 = П т (Рт/Г);
У->0
является мерой магнитной поляризации
вещества.
Единица намагниченности - А/м.
Магнитная восприимчивость %—ве­
личина, характеризующая свойство веще­
ства намагничиваться в магнитном поле:
% -М Я ;
для изотропного вещества является вели­
чиной безразмерной и скалярной, для ани­
зотропного - величиной тензорной.
Поток достигает наибольшего значе­
ния, если вектор 8 параллелен вектору В,
т.е. поверхность расположена перпенди­
кулярно к линии индукции.
Магнитная постоянная ро - коэффи­
циент пропорциональности между вели­
чинами В и Н в вакууме (ее называют
также проницаемостью вакуума); выра­
жается в генри на метр:
Абсолютная магнитная проницае­
мость Цо - величина, характеризующая
Но = 4п ■10'7 Гн/м.
Магнитный диполь - любой элемен­
Дифференциальная магнитная про­
ницаемость ^ — величина, характери­
зующая приращение индукции АВ при
изменении поля на АН, когда последнее
тарный объект, создающий на больших по
сравнению с его размерами расстояниях
магнитное поле, идентичное магнитному
полю элементарного контура с током.
Магнитный момент Рш магнитного
диполя - векторная величина, идентичная
магнитному моменту контура с током:
Р т = 18,
где I - элементарный электрический ток;
8 - контур, по которому он протекает.
Магнитный момент Р^, фиктивного
магнитного диполя - векторная величина:
Рт •т Г ,
где ш - величина одного из двух фиктив­
ных разноименных магнитных зарядов;
/-расстояние 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:
= в/н-
для изотропного вещества ра - величина
безразмерная
и
скалярная,
для
анизотропного - тензорная.
стремится к нулю:
~- А . г
а
АД _ 1 дй?
р 0 ЛН
|!0 дя->о АН
Относительная магнитная прони­
цаемость р - отношение абсолютной маг­
нитной проницаемости к магнитной по­
стоянной (проницаемости вакуума).
Магнитное сопротивление Км — 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 I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
Удельная энергия (плотность) магнитного поля IV - величина, равная поло-
магнитного поля в какой-либо точке поля.
Основные магнитные величины и совине скалярного произведения вектора маг- отношения между ними приведены в
нитной индукции на вектор напряженности
табл. 1. 1.
1.1. Основные магнитные величины и уравнения магнетизма
Основные
уравнения
I Обозна­
чение
Величина
Магнитное потокосцеп
-|
ление
магнита
Магнитный
соленои­
поток
да
Магнитодвижущая сила1
Ф
е
Р
к
Напряженность
нитного поля
Н
1 н=
Мдж
1 М =Рм1У»
Ф = В8
н
В
ЦоИг
гч
II
р
Р =Ш
Р = 1м 8 =
= МУ
Ампер на метр,
А/м
1 А • м2 =
= 1 Н • м/Тл
1 Тл = 1 Вб/м 2 =
= 1 Гн • 1 А/м2=
= 1 В • с/м 2
Ампер-метр,
А •м
Магнитная индукция
в
В = цо(Н+
+ М)
Тесла, Тл
Внутренняя индукция
Я,
В/ = ЦоМ
Тесла, Тл
Индуктивность
1
Магнитная
мость
А
II
е
<5
1
Амперквадратный
метр,
А • м2
я
Генри, Гн
А = ца5/1
Магнитная проницае­
мость (абсолютная)
Йо
Магнитная постоянная |
Но
Цо = 4я • 1(Г7
Магнитная
чивость
восприим-|
X
х = м /н =
= цг- 1
Удельная
энергия
магнитная
IV
(V = ВН/2
1
Ца = В/Н =
= ИоЦг
-
Ампер на метр,
А/м
Магнитный заряд дипо­
ля
1
1 В б = 1 Гн • 1 А =
= 1В с
II
1
Вебер, Вб
Ампер, А
Р=д1
проводи-1
Соотношение единиц
единицы
Ч, = н'Ф
V
маг
Намагничен­ магнита 4
1
ность
вещества
магнита
солено­
Магнитный ида
момент
диполя
Наименование
обозначение
Генри на метр,
Гн/м
1 Г н= 1 Ом • Кл/А=
= 1 Ом • с = 1 В •с/А =
= 1В6/А
1 Гн/м = 1 Тл • м/А
Джоуль на кужческий метр,
Дж/м 3
1 Дж = 1 Вт ■с =
= 1 А В с = 1 АВб
29
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
1.3. М А Г Н И Т Н Ы Е С В О Й С ТВ А
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 поликристаллический или пиро­
литический углерод (х « -6 • КГ4). Диа­
магнетизмом обладают сверхпроводники.
1.2. С в о й ств а р азл и ч н ы х м агн ети ков
Магнетик
Ферромагнетик
V»1
Парамагнетик
О
7^
Диамагнетик
Значение магнитной
восприимчивости х
Примеры веществ
Взаимодей­
ствие с по­
лем
Водород, азот, инертные газы,
золото, ртуть, кремний, фосфор,
дерево, мрамор, вода
+ ( 10- 5 ... 10~2)
Кислород, литий, алюминий,
натрий, платина, калий, молиб­
ден, цезий, рубидий, осмий,
вольфрам, цирконий
+ ( 1 0 ... Ю 5)
Ж елезо, никель, кобальт, редко­
земельные металлы, тербий,
гадолиний, тулий, диспрозий,
эрбий и их сплавы и соединения
Слабое
Сильное
30
И
^АГНИТНЬI X
Н |В
МЕтОДОВ
фДООМАП
« Ще
?.ОС
3 °н
ЯНИях.
име“ Г : *М
таер!
--н
и я х , имеющим
Т* " “>*
М ии твеРДом
и магнитный момР
ОМПенсированСТВИе внешнего поп НТ атомов* В отсутхаотически
ППИ и оп »___ разориТнтТГ*™**
^ НТиРованы гмоменты
/и
гчч
при налож е,Г „Т п:Г Т ИТ
по его направлению «
обр—
Ш = %
ориентируются
нрГ ™ Г е; ин о с Г п о Г кпри-
НОИ т е м п е р а т у р е п а ™ 1 ° Г
Р
ком н« -
невозможно довести пп гНИТНЫе вещества
ногп ио
состояния магнитДвижение'я'1'**1**11’ поскольку тепловое
таш ю Г ,
разориентирует ориентацию магнитных моментов на направление 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 В различны: например,
для кобальта в = 1120 °С, железа - 7№Г
никеля - 358, гадолиния -1 7 °С.
Рис. 1.14. Зависимости В, ц и ^ 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 (Я + М):
В = Цо(я +
Н—
н н о ^ а —
И индукция В, зави
^ в = д Н)
образом. КРИ®“ ®
намагничивания. Их
называют к р и в ы м ... завИсимости
вид может быт Р
от способа полу
(измерения) и иС_
ферромагнетика.
представлены на Р
Р ен и еМ
, з . Н а Ч^ ь и » я ( « ; “ С
аЯг; Г ч и в « » я
р е а л ь н а » № КРИВЬ
И
Г я В = О, Я = 0- ^
^ аЮт изме
“ а в я с а г 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 ц ферро­
магнетика нелинейным образом зависит от
Я. Проницаемость ц определяется углом а
(из соотношения ЦоЦ = В/Н = 1§ а), причем
есть характерные точки (рис. 1.14): на­
чальный угол а„, максимальный угол ат,
которые соответствуют полям Я —> 0 (в
этом случае проницаемость называют на­
чальной |дн) и Я,и (проницаемость называ­
ют максимальной) и обозначают цтах; поле
Нт называют полем максимальной маг­
нитной проницаемости. На рис. 1.14 пока­
зана зависимость от Я проницаемости ц, а
также дифференциальной проницаемости
ц* При Я = 0 ц =
> 1, далее обе прохо­
дят через максимум, совпадают при Я =
=Нт; в больших полях
—> 1, а ц —> 1
только при Я —» со.
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 Я = 0 окажется, что
В * 0. Если построить график В = / ( Я ) ,
уменьшая поле от некоторого значения
+Н\ до —Я), а затем увеличивая от -Н\ до
+#ь то получится кривая, напоминающая
петлю, которая называется петлей магнит­
ного гистерезиса (рис. 1.15). Начиная из­
мерения с различных значений Я , можно
получить семейство петель гистерезиса,
при этом их вершины лежат на основной
кривой намагничивания. Однако сущест­
вует поле Н„ при котором измерения с
31
Я
Рис. 1.15. Петли гистерезиса
Я > Я, уже не дают новых петель, совпа­
дая между собой. Петля гистерезиса, по­
строенная при циклическом перемагничивании от +Н5 до -Н„ называется предель­
ной. Она является важнейшей характери­
стикой данного ферромагнетика.
Индукцией насыщения В$ (см.
рис. 1.15) называют индукцию, соответст­
вующую намагниченности насыщения М5,
когда с увеличением Я намагниченность
не возрастает, а увеличение В осуществля­
ется только за счет Я.
Остаточная индукция Вг (см.
рис. 1.15) - индукция, которая остается в
предварительно намагниченном до насы­
щения ферромагнетике после снятия на­
магничивающего поля Я.
Коэрцитивной
силой
Нс (см.
рис. 1.15) называют напряженность раз­
магничивающего поля, которое должно
быть приложено, чтобы установить значе­
ние 5 = 0 .
Можно говорить о Вг и Я с 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 Я с, то различают коэр­
цитивную силу по индукции цНс и коэрци­
тивную силу по намагниченности мНс. Их
различие показано на рис. 1.16: вели­
чина В больше ЦоМ на величину ЦоЯ,
поэтому Вг и Мг совпадают (так как Я = 0),
а вНс и мНсразличаются.
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 = &Нс1В.
Часто используется понятие удель­
ных потерь - затрат энергии на перемагничивание единицы массы ферромагнети­
ка в единицу времени:
Рг = - у / / у . '
где 5 - 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
|\
!7
\
}\ !т ^
I
^ ------------
1
/II » 1
/>Мп
РРй
Рис. 1.17. Зависимость обменной
энергии А от отношения о/г
а/г
ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
М• 10*2, А/см
33
М-10'2, А/см
О
80
160 Я, А/см
0 1600 3200 4800 Я, А/см
Рис. 1.18. Элементарные ячейки Ре (а), № (б), Со (в) и 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
N
Л/«
М.
N
б)
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 Ре (объемно-центрированная решетка), N 1 (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 Ре-№ с
70 % Ж
Можно считать, что существует не­
которое поле анизотропии На, которое
препятствует отклонению магнитных мо­
ментов ферромагнетиков от направления
легкого намагничивания:
на=кт,
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
магнитострикдии. Относительное удлине­
ние А1/1 может составлять 10"5 ... 10~3. 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= —ц 0 МНсош.
В состоянии остаточной намагничен­
ности Мг разомкнутый ферромагнетик
имеет полюсы, которые создают размаг­
ничивающее поле / / 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 8 ). 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.
N
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
6 = а^А/К ,
Ь
I
I
’
*
1
I
1
35
ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
________________________________
где а - некоторый коэффициент.
Экспериментально
существование
доменов впервые было подтверждено
Баркгаузеном, который зарегистрировал
элементарные акты намагничивания ферромагнетика, названные скачками Баркгаузена (подробнее см. гл. 17). Позднее
Акулов и Биттер с помощью очень мелких
ферромагнитных порошков наблюдали
доменную структуру (порошок оседал на
границах доменов).
Кривая намагничивания. По характе­
ру процессов намагничивания кривую на­
магничивания условно можно разбить на
пять участков (рис. 1.21).
Участок I характеризуется постоянной восприимчивостью (проницаемостью),
т.е. %„ = М Я = СОП81, |дн = 5/(цоЯ) = сот*.
Намагничивание ферромагнетика на этом
участке кривой намагничивания осущест­
вляется за счет обратимого (упругого)
смещения доменных границ.
Участок II носит название области
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 н Я + 6 Я 2,
2*
Домен
| Граница |
I
I
Домен
Рис. 1.20. Схема изменения ориентации
атомных моментов внутри 180-градусной
доменной границы
где Ь — коэффициент Релея; второе сла­
гаемое в этом уравнении учитывает необ­
ратимые процессы при намагничивании.
Участок III характеризуется высоким
значением магнитной восприимчивости
(проницаемости). В этой области намаг­
ниченность изменяется большими скачка­
ми Баркгаузена, вызванными необрати­
мым смещением доменных границ. Для
многоосных магнитожестких материалов
кроме процессов смещения в этом диапа­
зоне полей характерны процессы скачко­
образного вращения векторов намагни­
ченности.
На участке IV восприимчивость по­
степенно уменьшается. Процесс намагни­
чивания осуществляется в основном за
счет вращения векторов спонтанной на­
магниченности на направление внешнего
магнитного поля. Работа по повороту век­
торов спонтанной намагниченности на на­
правление действующего поля затрачива­
ется на преодоление кристаллографичес-
В; М
Рис. 1.21. Основные участки кривой
намагничивания
Глава!. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
36
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
где Я, - поле внутри магнетика; Не внешнее поле (поле источника, например
соленоида, охватывающего магнетик);
Я р - поле, обусловленное границей (раз­
магничивающее поле).
Очевидно,
М = М а[ \ - — - Л г - Л г - . ..] + хпН,
где N - коэффициент размагничивание
зависящий в основном от формы границы
(формы изделия).
В большинстве случаев тело намаг­
ничивается неоднородно, М и N в разных
точках различны, поэтому пользуются
некоторыми усредненными значениями N.
Однородно намагничиваются только эл­
липсоиды, и для них значения N опреде­
лены. Для проволоки диаметром </ и дли­
ной /, намагничиваемой в направлении /,
значения N приведены ниже:
Ч
Я
Я2
Я3
/
где М, - 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 =
= В8) сосредоточен внутри магнетика. Ес­
ли эта граница перпендикулярна к направ­
лению М, то считают, что здесь создаются
полюсы величиной М8 (8 - 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 Р = ЯМ,
на
N
на
N
1
2
5
10
0,27
0,14
0,04
0,017
20
50
500
0,006
0,0013
13 • 10-6
Коэффициенты размагничивания эл­
липсоидов. Детальные расчеты коэффици­
ентов размагничивания однородных тел,
ограниченных поверхностями второго
порядка, т.е. эллипсоидов, выполнил Ос­
борн. Формулы для Иа, Nь, А^с эллипсоида с
осями а, Ь, с имеют достаточно сложный
характер, но для некоторых простых слу­
чаев они могут быть упрощены. При этом
Я а + Я ь + /Ус = 1,
так что для шара (наиболее простой слу­
чай) А^= 1/3.
Предположим, что а > Ь > с ^ 0.
Пусть Ь = с и, кроме того, т = а!с »
1,
т.е. очень тонкий вытянутый сфероид
Я, = Я е - Я р,
(почти проволока), тогда
37
НАМАГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ
N . г — [|п(2т ) - | ] ;
\(
N „ = N ' 2 - 11-
2
т 2
21
1
Г 2
Значения Ыа и приведенные для про­
волоки выше совпадают, начиная пример­
но с Нс1 = 20 (по условию а/с » 1). Для
эллиптического цилиндра при а = со,
Ь»с
Иь = с/(Ь + с);
= Ь/(Ь + с) .
Дня этого случая также при Ь = с N = 1/2
(очень длинная проволока, намагничивае­
мая поперек).
Коэффициент размагничивания пла­
стины. Пусть пластина намагничивается
полем Нс перпендикулярно к наибольше­
му размеру полосы (рис. 1.22). Если вели­
чина заряда на единицу длины грани, пер­
пендикулярной к направлению Не, есть
то напряженность поля, создаваемого од­
ной гранью на расстоянии г (г » I, где I толщина полосы),
Я
Р
=
4
Рис. 1.22. Пластина в поперечном
магнитном поле
Цт
При ц »
1+ Я ( ц - 1) '
1
Цт = ^ = ЦФ’
2 я ц 0г
Поскольку плотность поверхностных за­
рядов а = ЦоМп, то д = а / = ЦоМ„/. Для цен­
трального сечения полосы шириной, рав­
ной расстоянию от края, г = Ь/2, а полное
поле создается двумя гранями:
где Цф - проницаемость формы, зависящая
только от геометрических параметров те­
ла.
н = _2_ЕоМ л 1 ___
р
2тсц0(б /2 ) пЬ
Так как Я р = -ИМп, N = 2(/(пЬ).
Магнитная
проницаемость
тела.
Выражение В = ЦоЦЯ справедливо для ве­
щества; здесь ц - проницаемость ве­
щества, Я - поле внутри вещества. Анало­
гично этому можно записать
В = ЦоЦт
где Не- внешнее намагничивающее поле.
Из этих формул с учетом Я, = Не- ИМ
и М = (ц - 1)Я получаем выражение для
магнитной проницаемости тела
Рис. 1.23. Построение кривой
намагничивания тела (1) по кривой
намагничивания материала (2)
38
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ
В\1\
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, - Ой. Проведем АС так, чтобы
180
Тогда ОС = ОБ + БС = Н1+
=
= Я, + Нр = Не (здесь для поля в веществе
введено специальное обозначение Щ.
На кривой намагничивания тела ин­
дукции ВА соответствует точка Р. Кривая
намагничивания тела (кривая 1) станет
пологой, особенно для больших значе­
ний N.
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
а также законы, аналогичные законам Ома
и Кирхгофа для электрической цепи:
для участка цепи
Ф=
для узла цепи
2 >
=0;
Здесь / - длина участка магнитной цепи;
п - число витков намагничивающей ка­
тушки; / - сила намагничивающего тока;
Р - намагничивающая сила; 17м- разность
магнитных потенциалов между концами
участка цепи; Ки - магнитное сопротивле­
ние. При этом
Р = Н1; Ф = В5;
Лм = //(ц о м Я
где 5 - площадь сечения магнитопровода.
П рим ер 1. Имеется цепь, содержа­
щая ферромагнитный сердечник постоян­
ного сечения. Необходимо в сердечнике
получить заданную индукцию В\. По за­
кону полного тока Я / = п1.
Здесь / = 2 пг (рис. 1.24, а), а Я опре­
деляется по кривой В = / ( Я ) (рис. 1.24, б).
Пусть В\ = 1,5 Тл, г = 0,01 м. Находим
Н \ - 2 ООО А/м. Тогда и/ = 126 А.
П рим ер 2. Цепь содержит ферромаг­
нитный сердечник переменного сечения
(рис. 1.24, в). Пренебрежем потоками рас-
ф
НАМАГНИЧИВАНИЕ ТЕЛ
сеяния, т.е. Ф = сопз1, следовательно,
В 5\~ Вг8г- Закон полного тока
Н\1\ + # 2/2 = п1
Пусть
необходимо
получить
В2 = 1,5 Тл, /2 = 0,005 м, а 5 = 0,55^. Тогда
д = 0,5 Вг - 0,75 Тл. По рис. 1.24, б нахо­
дим И\ ~ 1200 А/м. Итак, п1 = 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 /2 ферромагнетик
отсутствует. Индукция в этом зазоре
должна остаться такой же, тогда Н2 =
= В21цо = 1 • ю 6 А/м; п1 = 10б • 0,005 +
+ 2000 0,0578 = 5126 А.
Глава 2
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
При намагничивании короткой дета­ та. Установить точную связь Яд с геомет­
ли изделия на ее торцах создаются маг­ рическими параметрами дефектов и маг­
нитные полюсы. По аналогии с электро­ нитными характеристиками изделий в
статикой им приписывают определенный аналитическом виде не представляется
магнитный заряд (фиктивный), поверхно­ возможным. Для оценки этой связи поль­
стная плотность которого численно равна зуются различными моделями и прибли­
изменению намагниченности. Если в се­
жениями, наиболее распространенные из
чении детали имеется нарушение сплош­
которых представлены в табл. 2 . 1.
ности или другая неоднородность, приво­
Формулы 6 в табл. 2.1 - точные, по­
дящая к изменению намагниченности, то в
лучены
решением уравнения Лапласа для
этом месте также образуются полюсы,
безграничной
среды, описываемой урав­
поле которых образует магнитное поле
нением
рассеяния дефекта (в зарубежной литера­
В = (Д0ц Я .
туре магнитный метод часто называют
методом потоков рассеяния).
Те же формулы пригодны и в случае
Магнитное поле рассеяния дефекта
сред,
для которых
Яд тем больше, чем больше дефект и чем
ближе он к поверхности, над которой про­
В = ц0(ц Я + М ),
водится измерение.
В некоторых материалах (например,
где ц = сопз1 (так называемое приближе­
легированных и высокоуглеродистых ста­ ние технического насыщения).
Если в формулах 6 заменить Я 0 на
лях) Яд принимает большие значения при
остаточной намагниченности. По значе­
Н' ,то
нию и топографии (пространственному
распределению) Яд, в принципе, можно
Я' - Я
/(
1\
судить о размерах и расположении дефек0
о Н у1 ^
2.1. Напряженность магнитных полей некоторых объектов
№
п/п
Объект
Формулы для расчета
х +а
ГУ
х
Тонкая пластина с током
1
Ну ~
0
Однородно­
заряженный
цилиндр или
нить с линей­
ной плотно­
стью
а -х
Я =■
агс1§ ------- + агс!§------4 пц0а
2
2
4 я ц 0а
-1п
( х - а У + 22
(х + аУ + г2
Я. =
2п\х0(х2 + 2 2 )
г >а
Ну ='
41
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
Продолжение табл. 2.1
№
Объект
Формулы для расчета
п/п
х-Ь
х+Ь
Я =
Две
равно­
(х
+
ЬУ
+
г
2
(х
Ь
У +г2
2яц 0
мерно заря­
женные нити Я , = о
2лц (х + б)2 + г 2 ( х - б )2 + г 2_
\2
2Ь
-а
+а
Дипольная
нить:
Ь —> 0, а —» оо,
Нш Ъа - й
И
Я =
Я =
г2- х 2
2яц 0 (г2 +Х2)2
О
2гх
х +Ь
2яц 0
[(х + б)2 + у 2 + 2 2 \
х —Ъ
Поле двух то­
чечных заря­
дов
\ х - ь у +у2 +2 2
НУ= ?2яц 0
\х+ьу +у*2 +. ж2*'
3/2
’
[(*-(,)>+ / + г 2]
.26
-Я
я =
х
Поле диполя:
Ь —> 0, д —>оо,
Нт Ьд = Г>
2яц 0
я =
|
[(х + б)2 + ДГ2 + 22^
у 2 + г 2 - 2х ;
\5/2 ’
2яц 0 (х2 +:у2 + 22
я ,Я, =
I)
2ху
у/2 ’
2я ц 0 (х2+у2+2 2
2x2
2яЦ0 (х 2 +>;2 + г 2у ^
42
Глава 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
Продолжение табл. 2 1
II....1111 ............
43
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
д)
е)
ж)
з)
Рис. 2.1. Составляющие Нх и Н. магнитного поля рассеяния дефекта и
их основные производные (кривые сигналов преобразователей для двух значений
межполюсного расстояния диполя):
а, в,д,ж —докритического; б, г, е , з - сверхкритического
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 ( р = сопз1 ) 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 п = 1п = 2сто>
где Мп = (ц - 1) # 0л - намагниченность на
границе металл-воздух; /„ - соленоидный
ток; с 0 - поверхностная плотность маг­
нитных (фиктивных) зарядов; Н0п - со­
ставляющая приложенного магнитного
поля Я, нормальная к границе поверхно­
сти раздела. При этом
Н/{2Ь) + \
а ° " ° * А/(26) + ц ’
я ц+1
Глава 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
44
Для дефекта конечной протяженности
21 и конечной глубины И поверхностная
плотность магнитных зарядов Сто может
быть выражена следующим образом:
А
.
— +1 |х
поля дефекта конечной глубины И и ко­
нечной протяженности 21 представляется
как
Я дггаах
*=о
>=0
25
<Тп —О/.
<Ц-1)
— + 1| + 2[— + 1
2Ь
)
I
2Ь
+ , А + 1 ' +1
25
)\2Ь
<*к г,
Ь\Ь2 + I2 + (г + и у \ ' :
1 2Ъ
х — +
1 й -1 ( М „ + Я 0и).
2тг ц +1
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 тангенциаль­
ной составляющей Нх тах *~0 магнитного
1(г +И)
= 4<У, агс1§
- агс1§
I.
ь(р2 + 12 + 22]
/2
Заслуживает внимания также модель
Ферстера, записанная по аналогии с маг­
нитным полем витка с током:
НХ= ^ - 2 Ь
п
Н = ^-2Ь
+ 22
X2 + 2 2
г +И
X2 + (г + иу :
х 2 + ( 2 + иу
Типичный вид составляющих маг­
нитного поля рассеяния поверхностного
дефекта (Нх и Я г) и их производных пока­
зан на рис. 2 . 1.
N
^
ь
I
Глава 3
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
3.1. О БЩ И Е СВЕДЕН И Я
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 сигнапом
служит сама физическая величина, подвергаемая 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 галъваномагнитные 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 2-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:
(3.1)
где Ч* = и»Ф - потокосцепление катушки
преобразователя; м/ - 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,
<ЛФ
(Н
------- V =
-
Н 'Ц п
п <ШХ
5 С О 50 - - - - - - - - - Ж
0
(3.2)
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
где 5 - 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
о
I*
(1Н ' ; '
,ч
(3.3)
е = - 5 и '-------- 7------г ---- .
1 + ЛГр&1- 1) Л
Коэффициент преобразования такого
преобразователя зависит от коэффициента
размагничивания Л^, т.е. от размеров и
формы сердечника.
При наличии сердечника магнитная
проницаемость тела
ц т = _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Ъ:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ '■
1 + [1+ 1/у 2 (1/у 3 - 1/у)агс 1§ у]
________
где у = ^1 - (с/ /
(3.4)
; А - диаметр сердеч­
ника, м; Ь - 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
47
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 витков 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
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
Рис. 3 3 . Кольцевая магнитная головка
нитной головки заключается в замыкании
большей части внешнего магнитного по­
ника а определяет ширину полосы кон­ тока Фг, создаваемого намагниченными
троля. Ширина Ь не должна превышать
отпечатками на трубе, через ферромагнит­
размеры области, на протяжении которой
ный сердечник головки. Полюсные грани
минимальный дефект создает заметное рабочего зазора головки должны быть
возрастание напряженности магнитного
ориентированы в направлении поляриза­
поля рассеяния. Длина сердечника а ции граней дефекта.
определяется требованиями к ширине
Замыкание, шунтирование внешнего
полосы контроля.
магнитного потока трубы через сердечник
Для считывания магнитных полей
головки обусловливаются, с одной сторо­
можно применять индукционные магнит­ ны, большим магнитным сопротивлением
ные головки. Существует несколько раз­ Я0 ее рабочего зазора и, с другой, - весьма
новидностей головок. Наиболее широкое
малым магнитным сопротивлением Км
применение получили кольцевые магнит­ сердечника, изготовленного из материала
ные головки, обладающие большим коэф­ с высокой магнитной проницаемостью.
фициентом преобразования (рис. 3.3). Они
Магнитное потокосцепление Т, за­
состоят в основном из сердечника и об­ мыкающееся в процессе сканирования
мотки.
через сердечник головки, пронизывает
Сердечник головки собирается из
витки обмотки и возбуждает в ней ЭДС
двух полуколец, склеенных в пакеты из
электромагнитной индукции. Чтобы полу­
тонких (0,1 ... 0,2 мм) пластин магнито­
чить большую отдачу сигналов, стремятся
мягкого материала с очень высокой маг­
обеспечить как можно больший коэффи­
нитной проницаемостью (цг = 50 ООО ...
циент шунтирования головки. Под коэф­
100 000 Гн/м). Обычно в качестве такого
фициентом шунтирования А обычно по­
материала используют железоникелевые
нимают отношение части потокосцеплесплавы 50НХС, 80НХС, 79НМА и др. В
ния Т трубы, замыкающегося через сер­
отдельных случаях в головках применяют
дечник головки и сцепляющегося с витка­
ферритовые сердечники. Толщину набора
ми ее обмотки, к остаточному потоку Фг
сердечника выбирают в зависимости от
трубы или отношение магнитного сопро­
назначения головки.
тивления К0 рабочего зазора головки к
Обмотка головки состоит либо из
сумме магнитных сопротивлений сердеч­
двух катушек с большим числом витков
ника Яи и зазора /?о:
тонкого эмалированного провода, надетых
А=Ч>/Фг = Ко/(Км+ Ко),
на каждое полукольцо сердечника и со­
откуда
единенных последовательно, либо из од­
Ч = К0/(Км + Ко) = ФгА.
(3.5)
ной общей катушки. Между передними
утонченными концами сердечника голов­
Зависимость ЭДС, возникающей при
ки имеется немагнитный рабочий зазор,
сканировании в обмотке головки, в первом
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
приближении можно выразить как
(3.6)
где у>- число витков обмотки; ус — ско­
рость сканирования; А - немагнитный ра­
бочий зазор; "к - длина записанных на тру­
бе магнитных диполей в направлении по­
ляризации.
Из выражения (3.6) следует, что при
постоянстве коэффициента ш унтирования,
числа витков обмотки и скорости скани­
рования электрические сигналы, возни­
кающие в головке, зависят главным обра­
зом от намагниченности отпечатков полей
дефектов. О сновными показателями ин­
дукционных магнитных головок являю тся
ширина рабочего зазора, высота пакета
сердечника, число витков обмотки и ин­
дуктивность. Ш ирина рабочего зазора
обусловливает частотную характеристику
и разрешающую способность магнитных
головок. Толщ ину сердечника головки
выбирают в зависимости от ш ирины счи­
тываемой дорожки на трубе. В аппаратуре
для магнитной диагностики применяю т
головки с толщ иной сердечника 1 мм.
3.2.2. М а гн и т о и н д у к ц и о н н ы е
п р е о б р азо в ател и
Использование м агнитомягких мате­
риалов в значительной мере определяет
важнейшие технико-экономические харак­
теристики соответствую щ их устройств
магнитной диагностики. Ещ е сравнитель­
но недавно в приборостроении в основном
применялись м агнитомягкие материалы
следующих трех классов:
• электротехнические стали, пред­
ставляющие собой сплавы ж елеза и крем ­
ния и отличаю щ иеся вы сокой индукцией
насыщения
• железоникелевые сплавы (пер­
маллои) с больш ой м агнитной проницае­
мостью ц и/или прям оугольной 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 получаю т путем
разлива жидкого металла через сопло в
непрерывный вращаю щийся поток воды,
обеспечиваю щей требуемую скорость ох­
лаждения. Ленты из аморфных магнитных
сплавов ещ е меньш ей толщ ины или из
проволок малого диаметра часто получаю т
холодной вальцовкой или протяжкой, по­
сле чего обычно требуется отжиг для сня­
тия механических напряжений. О н долж ен
проводиться при температурах меньш е
температуры рекристаллизации Т^. Для
проволок отжиг может выполняться про­
пусканием через нее соответствую щ его
тока. Ленты (в частности, для изготовле­
ния витых сердечников) после полива час­
то использую т без последую щ его отжига.
К преимущ ествам аморфных магнит­
ных сплавов относятся их изотропность,
технологичность,
механическая
проч­
ность, износостойкость, а также возмож­
ность изменения в ш ироких пределах маг­
нитных, электрических и механических
свойств преобразователей магнитного по­
ля путем соответствую щ его подбора их
химического состава и/или последующ ей
термической, термомагнитной или термо­
механической обработки.
Д аж е серийно выпускаемы е аморф ­
ные м агнитны е сплавы массового назна­
чения, в том числе и отечественные, по
многим параметрам лучш е традиционны х
магнитомягких материалов.
Например, по удельны м потерям в
переменных магнитных полях из-за вы со­
кого удельного сопротивления р ам орф ­
ные м агнитны е сплавы намного превосхо­
дят электротехнические стали и ж елезо­
никелевы е сплавы той ж е толщ ины . О дна­
ко электротехнические стали имею т более
вы сокие значения индукции насыщ ения
50
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В5, что может иметь существенное значе­
ние для мощных намагничивающих уст­
ройств.
Аморфные магнитные сплавы по­
ставляются как в виде проволок, лент, так
и в форме витых тороидальных сердечни­
ков, прошедших заданный режим термо- и
термомагнитной обработки.
Магнитоиндукционный эффект от­
крыт лишь недавно в проволоках из
аморфных магнитных сплавов. Он заклю­
чается в том, что при пропускании высо­
кочастотного тока по отрезку высокопро­
ницаемой проволоки ток из центральной
области проволоки вытесняется к ее на­
ружному диаметру под воздействием вих­
ревых токов. Как следствие, растет актив­
ное сопротивление проволоки протекаю­
щему току. Кроме того, такая проволока
обладает и заметным индуктивным сопро­
тивлением высокочастотному току. Дей­
ствие вихревых токов пропорционально
(У Ц I) ’5> гДе У ~ удельная электрическая
проводимость материала.
Действуя на проволоку внешним
магнитным полем, можно в широких преде­
лах изменять значение |л и, следовательно,
ее активное и индуктивное сопротивления,
что и названо магнитоиндуктивным эффек­
том. Проще всего магнитоиндуктивный эф­
фект можно обнаружить по изменению па­
дения напряжения на отрезке аморфной
проволоки, по которой протекает высоко­
частотный ток фиксированной амплитуды,
под воздействием внешнего магнитного
поля. Манитоиндуктивный эффект также
обнаружен в тонкой магнитной пленке, в
том числе нанесенной гальванически на
немагнитную проволоку.
На основе отрезка проволоки такого
состава диаметром 30 мкм и длиной 1 мм
создан магнитоиндукционный преобразо­
ватель магнитного поля с номинальной
рабочей частотой 220 МГц и чувствитель­
ностью порядка 8 • 10-6АУсм.
Один из наиболее простых и эффек­
тивных методов использования магнито­
индукционного эффекта - включение от­
резка аморфной проволоки в колебатель­
ный контур высокочастотного автогенера­
тора, например, генератора, выполненного
на туннельном диоде. При номинальной
частоте колебаний 100 МГц чувствитель­
ность его к магнитному полю составляет
10 ГГц/Тл. В качестве магнитного провод­
ника используется отрезок ленты из
аморфного магнитного сплава длиной
30 мм, шириной 0,1 мм и толщиной
25 мкм, в котором наблюдаются нелиней­
ные зависимости сопротивления Я и ин­
дуктивности Ь проводника и частоты / от
внешнего поля Нв. С ростом Нв значения К
и Ь сначала увеличиваются, а / уменьша­
ется. При некоторых неодинаковых значе­
ниях Нв рост К и Ь прекращается, и с
дальнейшим увеличением Нв значения К и
Ь уменьшаются, а/ увеличивается.
Поэтому для получения близкой к
линейной зависимости /(Нв) вводится по­
стоянное поле смещения, при котором
допустимый диапазон изменения Нв ока­
зывается сильно ограниченным.
Учитывая новизну магнитоиндукци­
онного эффекта и интенсивные исследо­
вания в области физики и применения это­
го эффекта, следует ожидать создания но­
вых аморфных материалов с большим
магнитоиндукционным эффектом и разра­
ботки принципов его практического при­
менения в магнитной диагностике.
3.3. ГАЛЬВАНОМ АГН ИТНЫ Е
ПРЕО БРАЗО ВА ТЕЛИ
3.3.1.
Г альваном агнитны е
преобразователи, основанные на
эффекте Х олла и эффекте Гаусса
Характеристики магнитных преобра­
зователей, применяемых в магнитной де­
фектоскопии, должны удовлетворять сле­
дующим требованиям:
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
$1
Напряженность измеряемого
поля. А/см:
наименьшая................ .........
10
наибольшая....... ...................
1(г
Минимальная чувствителЬносгь, мВ см/А
ЛЯТГП
2
Инерционность, с .......................
До 10"4
Наибольшие размеры, м м .........
10 3
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 Р = -е [у, В]. Преобразова­
тели выполняют методом фотолитографии
толщиной 5 ... 10 мкм.
Чувствительность
преобразователя
Холла к магнитной индукции 5* определя­
ется при номинальном значении входного
тока /ном = СОП81 как 5Ь - Дпх/номф]/^
(/?пх - постоянная Холла; ф] — функция,
зависящая от геометрии преобразователя;
с1- 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 -3 0
Рис. 3.4. Схема включения
преобразователя Холла:
1/х - ЭДС Холла; Н„ - вектор напряженности
приложенного магнитного поля; е —источник
питания
до +150 °С. Инерционность элементов
Холла - не более Ю-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 Ц\ 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 Я д (Яп - 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,
АС/ = Ар5 1 8Ш (2ф) Я /(2 К), (3.7)
где Ар5 = 6,5 • 1СГ7 Ом-см - константа ма­
териала; I - сила тока; ф - угол между век­
торами намагниченности и тока; к - 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.
$3
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. Технические характеристики преобразователей Холла
Тип (фирма)
ФГУП
"НИИП"
К8У 10
(§ 1етеп з)
К 8У 14
($ 1етепз)
К8У44
($1етеп9)
Н А М 00
(М 1сгопаз
1п1е п п е т 11)
НАЬ800
(М1СГОПЭ8
1п(еппе1а11)
Ш Ю 503
(АИе§го)
Средняя чувст­
вительность
при номиналь­
ном управляю­
щем токе, В/Тл
Температурный
Сила номи­ Входное (вы­ Диапазон
нального ходное) сопро­ измере­ коэффициент, %/°С
ний, мТл
тивление,
управляю­
сопро­
чувстви­
щего тока,
кОм
тельности тивления
мА
0,2 ... 1,0
1,0
0,85 ... 1,15
5,0
0,95 ... 1,30
5,0
1,05 ... 1,61
7,0
33 . . . 5 0
(программи­
14,5
< 3,0 (<Л5,0)
0 ,9 ... 1,2
±1000
-0,05
±1000
-0,07..
-0,03
0, 10 ..
±1000
-0,03
+0,30
±75
± 0,02
( 0 ,9 ... 1Л)
0 ,9 ... 1,2
( 0 ,9 ... 1,2)
0,6 ... 0,9
( 1 ,0 ... 1,5)
руется)
13 . . . 6 7
(встроенный
±(30...
Про­
150)(про­
грамми­
грамми­
руется
руется)
7,0
усилитель)
7,5 ... 17,2
(встроенный
±90
9,0
усилитель)
А3507
1 7 . . . 33
А3508
(встроенный
(АНеего)
(2,5)
усилитель)
8849/8819
4,0
±100
(НопеулуеП)
8894А
5епез
(Нопеу^еН)
5 ... 250
(встроенный
± ( 10 ...
13
500)
усилитель)
0 ... 1000,
АУ22151
(Апа1о§
Оеу1се)
Программи­
руется
0, 1 0 ...
±1000
или± 500
макс.
± 0,02
0,18
0,18
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 ( 10~2 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 Ли определя­
ет режим работы преобразователя. Если
сопротивление /?„ примерно в 10 раз пре­
вышает сопротивление ГМР-преобразователя при отсутствии магнитного поля Лг,
то последний работает в режиме питания
от источника тока (1\ —сопз!).
Схема обеспечивает режим макси­
мальной магнитной
чувствительности
ГМР-преобразователя. Можно так по­
добрать значение сопротивления наг­
рузки /?„ = /?н.опт» что будет обеспечиваться
режим работы схемы с минимальным зна­
чением температурного коэффициента
магнитной чувствительности. При этом
II ,В
/
гУ
§1 щ
рф П к
/
/
а)
/
160
480 Я,А/см
б)
Рис. 3.6. Схема вклю чения (в) и зависимость
выходного сигнала от напряженности
магнитного поля (б) ГМ Р-преобразователя
55
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
~ 2,5. На рис. 3.6, б видно, что
зависимость выходного напряжения от
напряженности магнитного поля при
/| = соп§1 линейна.
Преимуществом ГМР-преобразователей является линейность зависимости
(/„ых = ЛНа) 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 ол упроводниковы е
преобразователи на основе
м агнитодиодного эф ф екта
Высокой чувствительностью облада­
ют полупроводниковые преобразователи
на основе магнитодиодного эффекта. Маг­
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
толщины базы дополнительно увеличива­
ет ток коллектора К2, а также уменьшает
ток коллектора К1. Это приводит к допол­
нительному росту магниточувствительности. Для транзистора, изготовленного из
германия, размерами 1 х 1 х 4 мм чувстви­
тельность составляла (при силе токе эмит­
тера 1 мА) 200 ... 400 В/Тл (25 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.
0 200
600
Я дэ, А/см
0 200
600
Я , А/см
а)
б)
Рис. 3.8. Зависимость напряжения
между коллекторами от напряженности
магнитного поля для германиевого (а) и
кремниевого (б) магнитотранзисторов:
7 - /, //в, = 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
3.3.4. М агнитодиоды
В качестве магнитодиодов использу­
ют несимметричные р+-п- или « ^ - п е р е ­
ходы с длинной базой, т.е. базой, длина ко-
I
ш
п
п+\
г
а)
Ф +Я
О -Я
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 магнитодиода. 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-амперпые характеристики гер­
маниевого м агнт удиода с областью вы­
сокой скорости рекомбинации приведены
на рис. 3.10, а.
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
I, мА
I
Я =-1,6-103А/см
В
4
Н,<Н2<Н,
—
8 Ц .В
#
Рис. 3.10. Вольт-амперные
характеристики магнитодиодов:
обладающие отрицательным дифференци­
альным сопротивлением. В качестве з-магнитодиодов используют з-диоды, в кото­
рых образование обратной связи происхо­
дит за счет роста времени жизни и под­
вижности носителей заряда, так как имен­
но эти параметры полупроводника наибо­
лее чувствительны к магнитному полю.
Типичная характеристика 8-магнитодиода
показана на рис. 3.10, б.
3.3.5. М агнитотранзисторы
а - германиевый магнитодиод;
б - 8-магнитодиод
Преимуществом германиевых магни­
тодиодов 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 з-магнитодиоды, имеющие
вольт-амперную характеристику з-типа и
' б.б
57
Однопереходный транзистор состоит
из стержня полупроводника с омическими
контактами на концах и р-и-переходом
между ними (рис. 3.11, а). Любой однопе­
реходной транзистор можно использовать
в качестве магниточувствительного при­
бора.
Под действием электрического поля в
базе, создаваемого напряжением ?Уб.б> ин­
жектированные дырки уносятся в ниж­
нюю часть базы, вследствие чего ее со­
противление еще больше уменьшается.
Снижение сопротивления нижней части
базы приводит к дальнейшему уменьше­
нию напряжения 1/\ и увеличению Ырп, в
результате чего инжекция носителей и ток
через /^-«-переход продолжают расти. Та-
73, мА
Рис. 3.11. Схема включения (в) и вольт-амперные характеристики (б)
однопереходного магниторезистора
58
Глава 3. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
кои самоускоряющиися процесс приводит
к лавинному нарастанию тока через р-ппереход и уменьшению падения напряже­
ния на последовательно включенных со­
противлениях /т-и-перехода и нижней час­
ти базы, причем нагрузочный резистор во
входной цепи должен быть больше вход­
ного сопротивления однопереходного
транзистора. Входная характеристика од­
нопереходного транзистора относится к
8-типу. Ее существенным отличием от
аналогичных характеристик других при­
боров, например 8-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 р-ти­
па. При работе транзистора в режиме
обеднения канала толщина канала ми­
нимальна вблизи стока С, так как между
затвором 3 и этой частью канала действует
напряжение, равное сумме напряжений
затвора С/3 и стока ТМ Вблизи истока И
напряжение между затвором и каналом
равно С/„ поэтому толщина канала здесь
больше. Напряжение Холла 11\ макси­
мально в том месте, где
минимально.
Следовательно, холловские контакты име­
ет смысл располагать вблизи стока. Уве­
личивая отрицательное напряжение на
затворе, можно уменьшать Щдо очень ма­
лых значений и таким образом увеличи­
вать 11\.
Чувствительность кремниевых МДПмагнитотранзисторов с каналом р-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 магнитотранзисторов, полевые магнитотранзисторы также
находят практическое применение, по­
скольку имеют меньший уровень соб­
ственных шумов.
3.3.7. г-Э лементы
Рис. 3.12. Полевой
МДП-магнитотранзистор
2-Элемент представляет собой р-пструктуру с вольт-амперной характери­
стикой 8-типа. Его изготовляют из крем­
ния с включениями, например фосфора
(проводимость л-типа). Алюминий вводят
в структуру для создания зоны с проводи­
мостью р-типа. Добавляют также медь,
цинк.
2-Элемент подключается к схеме ис­
точника постоянного тока через нагрузоч­
ное сопротивление Лн, используемое для
59
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
/к Г ц
Я +
,~Ь
Г*у
9 ла)
200 400 600 800
Я ц,г А/см
б)
в)
Рис. 3.1 3 .2-Элемент:
а - схема включения; б - вольт-амперная характеристика; в - зависимость частоты
сигнала на выходе от напряженности магнитного поля
ограничения тока и регулирования выход­
ного сигнала. При этом р -п -переход
включается в прямом положительном на­
правлении (рис. 3.13, а).
В начальной части вольт-амперной
характеристики (интервал ОА на рис. 3.13,
б) сопротивление 2-элемента велико и ток,
протекающий через него, мал. С увеличе­
нием напряжения сила тока постепенно
возрастает. Напряжение, приложенное к
2-элементу, падает в основном на участке
«-зоны с высоким сопротивлением. В не­
которые моменты времени напряжение
достигает критического значения I/,ф, при
котором интенсивность электрического
поля увеличивается до значения, соответ­
ствующего энергии активации носителей
тока.
С ростом напряжения в структуре до
значения 1/\ (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 г-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 р-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 г-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.
2-Элемент может работать в двух ре­
жимах: генераторном и принужденном.
Преобразование первого режима во вто­
рой осуществляется увеличением тока,
протекающего через г-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 г-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 МАГНИТНЫХ 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:
и пл=1пл(я0 + М мсо82е);
(3.8)
где / пд - сила тока, протекающего через
пленочный элемент; К0 - сопротивление
пленки при взаимно перпендикулярном
направлении протекания тока и вектором
намагниченности М; АКМ- максимальное
изменение сопротивления пленки в маг­
нитном поле; 0 - угол между направлени­
ем тока в пленке и вектором намагничен­
ности М; Я* - 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
2500 мВ • см/А; диапазон измерения от
10-4 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 -200 ...
+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
Чувствитель­
рения напря­
Инерцион­ меньшие
ность,
женности, А/см
ность, с размеры,
мВ • см/А
мм
пип
шах
Магниторезистор на
эффекте Гаусса
Магнитотранзисторы
Полевой ГМР-транзистор
Феррозонд
Магниторезисторы
на ферромагнитных
пленках
-30
150
-270
й +.
150
+
-60
рЦ
85
НГ4
10Г3
КГ1
>10*
,+
0,12
10*
+
Ю-1°
10-3
5
|+
30
2 ■103
+
10*
,+
1<Г3
10
+
+
10"2
->
5 10"2
5 -4 -;
2
-
0,05
+
-20
-
■ Й 1
40
40
-40
100
0,1
20
+
80
*0,1
+-
+
10Г3г
(# < ЮА/см)
-
.>10*
+ ё-
25
+
«103
Ч:
12,5
+
1(Г2
1
-
-
1(Г5
103
103
1(Г5
10Г1
+
+
+
1(Г3
5
2,5-103
10-9
10Г3
30
-210
150
+
; 11?
+
+
-|
' 5-5 1
+
! .+5
1
'
ОД
2
1
Магнитодиоды
шах
103
1(Г3
+
ГМР
пип
1<Г3
10
Диапазон рабочих
температур, °С
- |
1<Г3
+
>10*
>104
>10"*
-
|%
+1
1
'- :
-40
+
^0,1
:
н
-
-20
40
ИНН
-
-210
200
|+
+
Число характе­
ристик, удовле­
творяющих
требуемым
5
3
4
2
- 3
4
7
6
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Преобразователь, не­
обходимый для маг­
нитного контроля
Преобразователь
Холла
Температурная
погрешность
О/^вХЛ/вв/Л).0/»
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. М агниторезисторы с гигантским
магниторезистивны м 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-
1
2
^7777777777Р7777^7Т7Т7^Гг773 А/
Рис. 3.15. Многослойный
магниторезистор с гигантским
магниторезистивным эффектом
ответственно I 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
и /н:
(ФМ, /ф/НМ, /н)я. 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 (Ре/Сг)„, 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-,° 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 АЯ
многослойной структуры под действием
магнитного поля, к ее сопротивлению Я5
при насыщении всех магнитных слоев в
одном направлении:
АЯ/Я3 = А.
(3.9)
Второй параметр С - нормализован­
ное значение магниторезистивного эффек­
та, обычно используемое и при оценке А
магниторезистивного эффекта, определя­
ется как
АЯ/Я0 = С ,
(3.10)
где Я,, - сопротивление структуры при
отсутствии внешнего магнитного поля.
Между этими двумя параметрами
существует следующая связь:
ДЛ_
АЯ/Яо
1 - А Я /Я 0
С
1 -С
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 (Ре/Сг) и (Со/Си) получены
значения Л > 1, что соответствует С > 0,5.
Однако высокие значения А или С
еще недостаточны для практического ис­
пользования таких структур в магниторе­
зистивных 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 (},
значение которой может быть равно
2,5
10,5 А/см:
л ДЯ /Я ,
А
(3.12)
0 = 7----—“ = -----
АН
63
АН
где АН - изменение напряженности маг­
нитного поля, вызывающее данное изме­
нение сопротивления АЯ. В этом слу­
чае АН = Н е . Одним из главных направ­
лений исследований, проводимых в облас­
ти гигантского магниторезистивного эф­
3.3.10. Ф еррозондовые преобразователи
м агнитны х полей
В магнитной дефектоскопии 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 / в,
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 2/й. Когда напря­
женность внешнего поля равна нулю, перемагничивание 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 перемагничивания нарушается из-за нелинейности ха­
рактеристики, и в измерительных обмот­
ках появляется ЭДС четных гармоник. Дли
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 ( / ) = 4 с о и # ц и^ Г [ л ц 2>1 8ш (2 ло> / | , (3.13)
п= 1
где со - частота тока возбуждения; м/ число витков измерительной обмотки; 8 площадь поперечного сечения сердечника;
и - номер четной гармоники (для второй
гармоники п = 1); \х2п - 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 чувствительности10“ 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
65
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 # в(0 , создаваемого пере­
менным током, который протекает по об­
мотке элемента, и измеряемого внешнего
поля напряженностью Не:
Я ( ; ) = # в( 0 + # е .
(3-14)
Для упрощения будем считать, что
поля Н„ и Не параллельны. Пусть ампли­
туда переменного поля равна Н т и
Нт> Н5. Если напряженность измеряемого
поля Не = 0, то сердечник перемагничивается переменным полем на участке в его
характеристике и полное изменение ин­
дукции за период равно 2В5. При наличии
измеряемого поля с Не > 0 точки а и Ъ (см.
рис. 3.17, а) сместятся вправо, что приве­
дет к уменьшению полного изменения
индукции. Существенное уменьшение
индукции ДВ будет наблюдаться при На,
превышающих пороговое значение
Н „ о р ^ Н ,- Н ,( Н т > Н ! ),
когда точка а переходит на крутую часть
предельной гистерезисной петли (см. кри­
вую 1 на рис. 3 .1 7 , 6).
Рис. 3.17. Предельная петля гистерезиса (а)
и зависимости полного приращения
индукции АВ от соотношений Нти Я, (б)
При Н е > # пор1
А® — (р</ щах —
кип
»
где Н-^тах > й«/тт ~ дифференциальная
магнитная проницаемость соответственно
на крутой и пологой части предельной
гистерезисной петли.
При Нт < Н5
Я П0Р2 = Я , - Я М.
(3.15)
Зависимость изменения магнитной
индукции от Не имеет вид кривой 2 на
рис. 3.17, б. Если Н т = Н 5 , то Нпор\ «
* Я ПОр2 « 0 и зона нечувствительности на
графической зависимости АВ (Яд) отсут­
ствует (кривая 3). Очень малые значения
Нт, 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 (р^тах >
> Р«/тт)- 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
Я
^
0
Я с1
Щ )
Щ )
ДО)
0,8
0,4
I
О
б)
Рис. 3.18. Конструкция индуктивного
элемента (а) и эквивалентная схема
замещения однообмоточного феррозонда (6)
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 Д Я д) повторяет зависимость
№ )•
0
■ 1\
V
8
12 Я Д СП, А/см
Рис. 3.19. Зависимость относительного
изменения индуктивности преобразователя
от напряженности магнитного поля:
1 - й = 30, ДО) = 4,4 мкГн; 2 - к = 200,
I (0) = 47 мкГн
С ростом Я д будут происходить соот­
ветствующие уменьшение индуктивного
сопротивления
обмотки
феррозонда
1/1 =(йЬ[Нй) и возрастание напряжения
на сопротивлении нагрузки Ки:
ЙЯВЙЙ
Полученное выражение справедливо
для значения К„, при котором выполняется
равенство 1/1 = IIс ~ IIт соз со/.
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 Я д = 0, для чего
контур Ь, 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 корпу­
са. С ее помощью измеряется сила, необ­
ходимая для отрыва магнита от поверхно­
сти контролируемого изделия. Техника
измерений заключается в следующем.
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 1 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 6. 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
Рис. 4.1. Схема контроля толщины
покрытий магнитным толщиномером
рычажного типа
вает магнит от поверхности изделия. Тол­
щина покрытия Тп отсчитывается по ви­
димой части шкапы, 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 условиями на прибор. Это требует тщательной
подготовки таких толщиномеров к работе
и, при необходимости, своевременного
ввода соответствующих поправок.
Рассматриваемые приборы предадзначены 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 "спрямил,"
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
69
л
Ц ная схема толщиномера показана на
'I) рис. 4.2.
Автогенератор 1 питает синусоиI дальным током измерительный преобраI зователь 2, сигнал которого поступает на
^ вход усилителя 4. Для компенсации начального напряжения измерительного
ц преобразователя 2 используется компенсатор 3, запитываемый, как и преобразоваI тель, от автогенератора. Выходное напря]| жение компенсатора 3 суммируется с на^ пряжением измерительного преобразова5. теля 2 на входе усилителя 4. Выходное
I! напряжение усилителя с помощью детек8| 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 сер1 дечнике из ферромагнитного материала.
Для 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 мм . 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-
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: Не1шШ р18сЬег (прибор Беказсоре),
Каг1 БеШвсЬ (приборы серии Ьерйэзсор
2030, 2041, 2051), Е1ек1горЫз1к (прибор
М1сго1е51 РВ1250). Также хорошо извест­
ны толщиномеры британской фирмы
Е1соше1ег (Е1соше1ег 345, Е1соте1ег 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.
Глава 4. МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
70
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;
6 - 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 о д н о п о л ю сные
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.
11
N
^
Щ
%
№
*1ц
КВь
ЗК(.
щ
1в|
^
№
^
л
’
*
|
1
1
*
|
I
I
I
I
|
МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
Для измерения толщины покрытий
изоляции трубопроводов до 100 мм применяют приборы типа МТП-01 с однополюсными преобразователями на постоянных магнитах с использованием преобразователей Холла (рис. 4.3, б).
Специальная схема питания преобразователя 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 точности индукционные толщиномеры, так
как большинство из них имеют дополни­
тельную погрешность измерений, обусловленную изменением температуры окружающей среды.
Наряду с тем, что магнитостатиче_
ские толщиномеры имеют более простую
схемную реализацию и более технологич­
ный в исполнении измерительный преобразователь (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 магнитостатического толщиномера приведена
на рис. 4.4.
Источник 1 тока питает магниточувствительный измерительный преобразователь 2. В качестве измерительного преобразователя 2 могут использоваться магниторезисторы,
преобразователи
Холла,
феррозонды, рамки с током и другие магниточувствительные элементы. Напряжение 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.
РоМ Д оз
*гц
**Тц
Со* Д а н * ^ У б
Р е н Ия
Моста
°тан
Д руг
лааа
еРе **Ня
Маг
* > ины
**Итц Ые
Пот,
^н ки
Фер.
О РЖ
О й ^ " ^ *ый °ЧнОМ
ПРОЦ
Два Г°Дят
*»»
"^ к од.
• ^ Р гн
Л
ги а я
^ еча
Их
СеР
*СОЦп
^
**ег°Лом
К ото
Рого
*"»> Йзм:
Ыагц
^тног
л«РУем’; С^ > 1«)1
эЛ е|ст^Г ^ У б ь ,
0Д1агн и т а
толщ ,
ПеРемычк«
Ке ^Остя
бог элемента
"°го
30
‘
^
кач,
еСТй
Пре^ н “а " ! > н ен
СОставля
1'**
* дл, О
Г рро-*о«Т>«-
6 мм п02 Мм с 3>
ш Ш
Ш
пРи
и; V
н
к0(г
■
ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
5.1. О БЩ И Е 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 = -м>8— ,
<и
(5.1)
где XV - число витков индикаторной об­
мотки; 8 - 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 е/ наводится также е у - ЭДС уд­
военной частоты, причем при определен­
ных условиях вг/ - кНо, где к - 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\ + (-«г) - 0. Чтобы оце­
нить влияние измеряемого поля Но, рас­
смотрим рис. 5.2.
На рис. 5.2, а построены кривые на­
магничивания 7, 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 # в в сердечниках находятся в
противофазе) - индукцию -В 1. При этом
суммарная ЭДС
5.2. Д В У Х Э Л ЕМ ЕН ТН Ы Й
Ф Е РРО ЗО Н Д
Принцип работы феррозондов рас­
смотрим на примере двухэлементной мо­
Рис. 5.1. Схема включения
феррозонда-полемера
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
74
градиентометра
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.) 4Н/Ж = согЫ, поскольку
Н0 « Н В.
в)
Рис. 5.2. Зависимости, поясняющие
принцип действия феррозонда-полемера
е=
+ (-2?!)]/ Ж = 0 .
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 Ш то
(5.2)
Под действием поля Щ при Я , = 0 в
первом сердечнике индукция будет равна
некоторому значению ВА, кривая 1 сме­
стится в положение
Но во втором сер­
дечнике при этих условиях индукция так­
же будет равна ВА, и кривая 2 сместится в
положение 2'. Теперь уже сумма В\ + В2 ф
Ф0, а В будет зависеть от
как показано
на рис. 5.2, б.
График функции с1(В1+В2)/сШв по­
а)
казан на рис. 5.2, в, а график функции
с „ т + в 2)
А
Ш тШ щн
щ
М
-
приведен на рис. 5.2, г. Видно, что сум­
марная ЭДС проходит полный период (см.
Рис. 5.4. Зависимости, поясняющие принцип
действия феррозонда-градиентометра
75
АНАЛИТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
кривые сместились бы в одну сторону,
например в положение Г, так что на вы­
ходе было бы е = 0. Это чрезвычайно важ­
ное свойство градиентометров — не
реагировать на однородное поле.
Далее идут рассуждения такие же,
как и в случае полемера, но вместо В] + В2
необходимо брать В\ - В2(рис. 5.4, б).
Отметим, что схема на рис. 5.3 полу­
чена из схемы, изображенной на рис. 5.1,
простым поворотом одного из ферроэле­
ментов на 180° в плоскости, перпендику­
лярной к плоскости чертежа. Таким обра­
зом, если позволяет длина соединитель­
ных проводов между ферроэлементами,
один и тот же прибор может служить и как
суммарный полемер, и как разностный
полемер (градиентометр).
Если элементы разнести в простран­
стве, то можно использовать одноплече­
вую схему измерений, когда на один фер­
роэлемент воздействуют заданным опор­
ным полем, а измерения проводят вторым
ферроэлементом, так что значение е будет
соответствовать увеличению или умень­
шению напряженности измеряемого поля
относительно опорного.
5.3. А Н А Л И ТИ Ч ЕСК И Е РА С Ч Е Т Ы
Существует большое количество рас­
четов феррозондовых преобразователей.
Это связано с тем, что кривая намагничи­
вания (или тем более петля гистерезиса)
не имеет точного математического описа­
ния, поэтому приходится допускать те или
иные приближения. Приведем наиболее
простой из расчетов.
Аппроксимируем кривую перемагничивания сердечника ферроэлемента сте­
пенным рядом, в котором ограничимся
двумя первыми членами:
В ~ аН-ЪН*.
(5.4)
Подставим в уравнение (5.4) выраже­
ние для поля
Н —Но +НВ31п(со/).
(5.5)
После несложных тригонометриче­
ских преобразований, имея в виду, что
зга2 а = —------соз(2а) и
2 2
• з
3 .
1 .
.
зш а = —з ш а — 8ш(3а),
4
4
получим
В = а[Н0 + Я в8т(со/)] - Ь[Н0 +
+ Дгв81п(со/)]3 = аНо - ЪНц | | ЬН^Н0 + (аН в -ЪЬНВН% ~ \ Ь Н Ц х
з А
X 8т(с0/) + —ЪН2Н 0 С08(2ю/) +
+ —ЪН\ 8ш(Зсо/)Г
(5.6)
В соответствии с выражением (5.6)
е = —тл>8 аН„ -ЪЬН.НЪ -•^6#Л с08(сО /)—3ЬНдН0 5ш(2со/) 1 —ЬН\ со8(3со/) .
(5.7)
Из формулы (5.7) следует, что при Н0
выходная ЭДС ферроэлемента содержит
только члены с со8(<о/) и соз(Зй>/), т.е. пер­
вую и третью гармоники, причем третья
гармоника появляется вследствие нели­
нейности сердечника: при Ь = 0 член с
соз(3со/) исчезает.
При НоФО появляется член с зт(2со/) вторая гармоника, амплитуда которой
пропорциональна Но. Эта гармоника мо­
жет быть выделена соответствующим
фильтром и использована для измере­
ния НоФормула (5.7) выведена для одного
ферроэлемента. Для другого ферроэле­
мента в выражении (5.5) перед Я в81п((0/)
нужно поставить знак минус, и легко убе­
диться, что при суммировании в оконча­
тельной формуле члены с соз(ом) и
соз(3<в/) взаимно вычтутся и останется
только вторая гармоника - в этом еще од­
но преимущество двухэлементных зондов.
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
76
Проанализируем выражение (5.8).
Прежде всего, величина В51Н5 есть не что
иное, как проницаемость сердечника цт.
Если сердечник изготовлен из магнито­
мягкого материала, то ц т = Цф, где Цф проницаемость формы, зависящая от гео­
метрических размеров. При одинаковых
диаметрах с! чувствительность зонда
больше у длинных сердечников (чувстви­
тельность у = А„ / Н 0 ).
Если Нв = Н$, т.е. нелинейность от­
сутствует, то А„ = 0.
Для случая высокопроницаемых сер­
дечников, когда Н5 / Н в —>0 из формулы
(5.8) получаем
А„ = 2/ко Ш Н 0 Н , / Н а,
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:
А„ = —со н'57/,
А
н.
2 Н.
(5.8)
где Ап - амплитуда гармоники (и = 2, 4,
6, ...). Остальные обозначения указаны на
рис. 5.5.
(5.9)
однако при очень больших Нв А„ —►0.
Таким образом, зависимость А„ от Я,
достаточно сложная: при малых Йш(Яв <
< Й,) А„ = 0 и при Йв —* оо также А„ = 0.
Существуют оптимальные значения Я„
которые можно определить по формуле
(5.8), когда значение у максимально.
Зависимость А„ от Но также неодно­
значна: формула (5.8) справедлива только
для малых Но. Из рис. 5.5 следует, что при
больших Но А„ = 0.
В табл. 5.1 приведены данные для
зонда с разным числом витков обмоток
возбуждения
и индикаторных обмоток
и',,, с различными длиной / и диаметром 4
сердечников. Здесь также указаны значе­
ния оптимального тока возбуждения /,.
5.1. Параметры феррозондовых преобразователей
№
И'в
И'и
/, мм
</с>мм
1
230
300
2,0
0,10
70
2
114
107
1,0
0,10
135
3
70
60
0,5
0,05
125
п/п
мА
МАТРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
О
50
100
Яр, А/см
Рис. 5.6. Характеристики преобразования
феррозондов
На рис. 5.6 приведены характеристи­
ки преобразования (1-3) этих зондов, т.е.
зависимость А(Но). 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 Н0.
5.4. М АТРИЧНЫ Е
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Известный матричный преобразова­
тель (разработки ИФМ) представляет со­
бой тонкопленочную матрицу (32 строки и
77
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 Ф ЕРРО ЗО Н ДО ВО Й
ДЕФЕКТОСКОПИИ
5.5.1. Техника применения феррозондов
Для измерения Н0 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-
а)
б)
Рис. 5.9. Схемы включения полимера (в),
градиентометра (б) и их символы
обходимо иметь Н в = пН5, 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 ( I), 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 (йс- и пх-градиентометры) или
по вертикали (р ! и яг-градиентометры).
Применение градиентометров позво­
ляет, во-первых, в значительной степени
избавиться от влияния внешних (в том
числе намагничивающих) полей и, во-вто­
ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
/
п
ПХ
П2
79
йс
Рис. 5.10. Расположение сердечников преобразователей относительно
поверхности изделия (в) и трещин (б)
Рис. 5.11. Зависимость сигнала преобразователя типа пх от базы Ь:
К - коэффициент; # э- 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 инструментом
оптимизации процесса контроля. На
рис. 5.11 показано изменение нормальных
составляющих Н„ двух дефектов, один из
которых узкий (трещина) и имеет локаль-
80
Глава 5. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
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 Л
ное поле, другой - широкий (лунка,
раковина, утонение стенки).
Можно выбрать базу Ь = 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
Ь = СО, 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 5 = Ад/Ап, где АДи АП- 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 Ъ приводит к увеличению 8.
Значение Ь 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 с/ (расстояние
между нижними концами сердечников и
поверхностью изделия). Видно, что для
получения максимального 8 необходимо,
чтобы с/ —+ 0, I —* 0, Ь - оптимум. Однако
при увеличении с! для коротких преобра­
зователей база становится неоптимальной
и значение 8 резко падает. Изменение 8
для длинных преобразователей не являет­
ся столь резким, поскольку они интегри­
руют поле по своей длине и при </ = 0 оп­
тимальная база преобразователя с / = 2 мм
соответствует полю примерно на высоте
1 мм от поверхности.
5.5.2. К онтроль 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 поступа­
тельно-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 их-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'п = И"„). Чтобы избежать этого сигнала,
необходимо установить сердечники по
радиусу прутка, тогда Н„ - 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 / 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 И составил 0,86) и ос­
новной недостаток магнитопорошкового
Число
дефектов
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Рис. 5.13. Контроль цилиндрических
поверхностей
метода - субъективный фактор. Те дефек­
ты, которые первоначально пропущены
контролерами, при повторном осмотре
Число
дефектов
а Выявлено
0 Пропущено
а Выявлено
■ Пропущено
20
18
16
14
12
10
ш
0,05 0,15 0,25 0,35 0,45
а)
И, мм
0,05 0,15 0,25 0,35
0,45
б)
Рис. 5.14. Результаты контроля прутков феррозондовым (в) и
магнитопорошковым (б) методами
И, мм
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 /и-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. 5.15 показано расположение
сердечников ферроэлементов внутри феррозондового преобразователя (ФП) и дана
привязка декартовых координат (х, 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
Метка
помещаются оба стержня. Внутри этого
объема ФП позволяет измерять Нг (рис.
5.15, а) и Нх (рис. 5.15, б), где Нг, Нх проекции вектора Н напряженности не­
возмущенного магнитного поля на оси г и
х соответственно.
При измерении градиента С напря­
женности статического поля погрешности
гарантируются, если невозмущенное поле
однородно вдоль стержней. Для измере­
ния С используются ФП согласно
рис. 5.15, а. Значение С вычисляют по
формуле
С = {ЬхУ 1[Нх(х2,0, а 2) - Н г(хь 0, а,)],
где Дх - база ФП; х2;\ = ± Ах/2; а2;] - вели­
чины, принимающие любые значения от О
до /; / - длина стержней.
При работе в качестве дефектоскопа
приборы сравнивают градиент С с поро­
гом. Превышению порога соответствует
срабатывание индикатора дефекта. Уча­
сток контролируемой поверхности должен
сканироваться с помощью ФП вручную.
При дефектоскопии и измерении С
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 - Н2.
Метка
Рис. 5.15. Привязка осей координат к феррозондовому преобразователю:
1 ,2 - пермаллоевые стержни; 3 - донышко
ТЕХНИКА ФЕРРОЗОНДОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
83
Дефект
8
У
N
X
I
б)
Рис. 5.16. Обнаружение дефекта с постоянным (а) и следящим (6) 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
5 определяют по формуле
5 = 5ц+ 51,
где 5Ц - центрированный порог (постоян­
ная величина);
усредненный градиент,
который подчиняется рекуррентному со­
отношению
51(п) = 51( п - \ ) + кАС(п),
в котором АС(п) = С(п) - 0(п - 1); к = А.,,
если IV, й АС(п) < Щ+й * = 0,1» •••» Щ
X/ < Х(+1, ]У1>
Величины ^"заш и ты "
в программу дефектоскопа, т - 5.
Глава 6
МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
6.1. О БЩ И Е 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-Ре20 3),
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.
Ел
б)
Рис. 6.1. Процесс магнитографической дефектоскопии:
а - запись; б - воспроизведение; 1 - объект контроля; 2 - электромагнит;
3 —магнитно-силовые линии; 4 - лента; 5 - дефект; б - преобразователь; 7 - линия сканирования;
8 ,9 - представление информации
ЗАПИСЬ НА ЛЕНТУ
Рис. 6.2. О сновная м агнитная
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 можно ли
распространить на поле отпечатка те све­
дения, которые накоплены при исследова­
нии полей различных дефектов.
Одна из важнейших магнитных ха­
рактеристик ленты - функция МГ(Н). На
рис. 6.2 показана кривая намагничива­
ния 1 некоторой ленты. Если довести лен­
ту до насыщения полем Н„ а затем его
отключить, то лента будет иметь макси­
мальную остаточную намагниченность
Мгт. Но если лента намагничена полем Нл
или полем Нв, то остаточная намагничен­
ность соответственно будет равна МгА и
МгВ. Кривая 2 на рис. 6.2 характеризует
зависимость М,(Н).
Теперь обратимся к рис. 6.3. Он со­
стоит из четырех частей (1-1V). Справа
внизу (Г) изображено поле дефекта в очень
упрощенном виде - в форме треугольника
в координатах Нх(х). Справа вверху (II),
также в очень упрощенной аппроксима­
ции, даны кривые М,(Н) для лент 1,2.
Рис. 6.3. Запись поля деф екта (Г) на ленте с характеристикам и 1 и 2 (1Г),
остаточная нам агниченность (III) и поляризация (IV) лент
86
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Н , А/см
Н,г , А/см
А
0,10
0,05
-20 -10
^____ I
10 20 х, мм
-0,05
-0,10
Ь =7 мм
I)
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;
20= 1,3 мм; сила тока I - 425 А
Рассмотрим ленту 1. Несмотря на то,
что поле дефекта до воздействия Нп суще­
ствует, это не оставят отпечатка на ленте,
так как Мг = 0 при Н < Н„. Поле дефекта
изменяется при Н > Н5, однако Мг не меня­
ется, поскольку Мг= М„ = сопз1 при Н > | | .
Отметим, что Но соответствует полю де­
фекта при некоторой координате х = ± к\, а
Н5 - при координате ±Ь. Таким образом, на
ленте Мг будет изменяться отх Ц 1 к\ до
х = ±Ь\. На участке от Ь\ до Ь2 будет
Мг - М5 (см. III на рис. 6.3). Там, где меня­
ется Мг (IV), образуются заряды, величина
которых р(х) = - ц0с1Мг/с1х.
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. =
(х + к)2 + 22]
Н
-1п 1 И
[(дг- 6 ) 2 + 2 2] (х + Ь)2 + 2 2]
(6 .1)
ЗАПИСЬ В ПРИЛОЖЕННОМ ПОЛЕ
р (
к+ х
к -х
Ш% = — — I агс1§--------- агс1§--------+
4яр0 V
Ь~х
Ь+х
+ агс1§--------- агс1§-------
(6 .2 )
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 «ЛЦЛ/Я; параметр
А/„ ленты; размер участка Нн-Н 5\ значе­
ние Я н.
III \
х
х
87
6.3. ЗА П И С Ь В П Р И Л О Ж Е Н Н О М
ПОЛЕ
Для наглядности рассмотрим два
предельных случая: внешнее (намагничи­
вающее) поле Я внеш = Я н и Я в„еш = Я,. Поле дефекта Нх аппроксимируем также
прямыми, но с учетом всех экстремумов.
Разумеется, при Я внеш — Я* поле дефекта
больше, чем при Я ВНеш ~ Я„. 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.
/
II
1
/
Ян
Я
'Л
IV
/
<
Л
2
/
2
<1
2
\г
Н А
Л
Рис. 6.5. Запись поля дефекта при разных значениях Нп
(дефект 2 значительно больше дефекта I)
,
88
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 6.6. Запись поля дефекта с параметрами 2Ь = 0,25 мм и Л = 2 мм
при разных значениях Н0 (эксперимент)
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 Я 0. При напряженности Но,
равной 180 и 270 А/см, поле дефекта зна­
чительно превышает Н$. Зависимость
Яд(Я0) имеет вид кривой с насыщением, а
поле отпечатка НХН0) 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.
На рис. 6.7, а показано поле валика
Н,ь, оно имеет обратный знак и достаточно
большую величину (Я0 = Я„). На рис.
6.7, б приведены поля дефектов 1-3 при
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.
Рис. 6.7. Распределение поля над валиком (а),
дефектами на разной глубине (б) и суммарное (в)
МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
6.4. М А ГН И ТН Ы Е Л Е Н Т Ы
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.
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 д о 400 ... 600 А/см.
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.
6.1. Х арактеристики м агнитны х лент
Основа
Магнитный слой
Тип
ленты
Материал
Толщина,
мкм
Толщина,
мкм
Коэрцитивная
сила, А/см
Остаточная
индукция, Тл
МК-2
Лавсан
25 ... 30
20
80
0,05
40
16
> 175
> 0,10
6
Триацетатцеллюлоза
ТЛЦ-2
Лавсан
25
12
265
0,09
А
«
25
12
320
0,10
Б
«
21
6
370
0,12
6.5. М А ГН И Т О ГРА Ф И Ч Е С К И Е
ДЕФ ЕКТОСКОПЫ
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
У-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
в)
Рис. 6.10. Яркостиая (У) и импульсная (1Г) индикации
(кадры) участков сварного шва:
а - без дефектов; б - 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-
92
Глава 6. МАГНИТОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 6.11. Функциональная схема
магнитографического дефектоскопа со
скользящим носителем:
1 - контролируемое изделие; 2 - магнитная
лента; 3 , 4 , 6 - натяжной, ведущий и промежу­
точный ролики; 5 - шкив; 7 - электродвига­
тель; 8 , 9 - стирающая и воспроизводящая
головки; 10 - намагничивающее устройство
водного узла со шкивом 5, вращение кото­
рого осуществляется от электродвигателя
7 через обрезиненный 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
магничивается стирающей головкой 8. В
настоящее время, к сожалению, магнито­
графические дефектоскопы не находят
широкого применения в промышленности.
Это связано, в первую очередь, с прекра­
щением выпуска магнитных лент.
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 труб 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
усилительно-регистрирующими блоками,
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 величине 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
МАГНИТНЫ Е Д ЕФ ЕК ТО С К О П Ы
ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ С ТЕН О К ТРУБОПРОВОДОВ И
РЕЗЕРВУАРОВ
Магнитный метод неразрушающего
размеров и массы сканеров, что усложняет
контроля нашел широкое распростране­
их использование при оперативном кон­
ние благодаря высокой производительно­
троле. Еще одной проблемой является
сти и получению достоверной информа­
применение пассивных преобразователей
ции о состоянии стенок трубопроводов и
рассеянного поля, фиксирующих инфор­
резервуаров практически в реальном ре­
мацию на поверхности контролируемого
жиме времени. К преимуществам метода
изделия, что усложняет определение типа
относится и то, что не требуются (или
дефекта (поверхностный, внутренний) и
предусматривается минимум) работы по
приводит к перебраковке изделий. Значи­
подготовке контролируемой поверхности.
тельное влияние на величину сигнала пре­
Появились установки и приборы маг­
образователя оказывает изменение рас­
нитного метода контроля, эффективно
стояния между преобразователем и кон­
работающие в нефтегазовой и химической
тролируемой поверхностью.
промышленности, в теплоэнергетике.
В целях увеличения диапазона при­
В настоящее время наиболее распро­
боров МРЬ целесообразно применять
страненным, быстрым и надежным явля­
иной тип преобразователя в сочетании с
ется метод рассеянного магнитного пото­
другим
электронным
оборудованием.
ка МРЬ (рис. 8.1).
Улучшенный метод вместо пассивных
Принцип метода заключается в ло­
преобразователей Холла предусматривает
кальном намагничивании объекта контро­
применение вихретоковых преобразовате­
ля и фиксации магнитных полей рассея­
лей, которые улавливают изменения маг­
ния, вызванных нарушением сплошности
нитной индукции внутри материала.
и утонением контролируемого изделия.
Для отличия от традиционного мето­
Принцип получил развитие в середине
да МРЬ введено понятие ЗЬОРЕС (8аШга1960-х годов, причем для детектирования
1юп Ь о\у Рге§иепсу Е(Шу-Сштеп1). Фирма
изменений магнитного потока, вызванных
КоШгоН ТесЬшк (Германия) обладает ин­
дефектом, использовали пассивные пре­
теллектуальной собственностью на эту
образователи (индукционные). В даль­
технологию.
нейшем чаще стали использовать преобра­
Применение метода низкочастотных
зователи Холла.
вихревых токов кроме высокой чувстви­
В связи с развитием технологии изго­
тельности к дефектам имеет еще одно не­
товления мощных постоянных магнитов (в
оспоримое преимущество перед пассив­
частности, на основе неодима-железаными преобразователями - информацию о
бора), появилась возможность создания
глубине залегания дефекта. Это объясня­
компактных сканирующих устройств, что
ется тем, что благодаря подмагничиванию
позволило локально намагничивать зону
вихревые токи проникают в глубь контро­
контроля при толщине стенок до 16 мм.
лируемой стенки изделия, что, в свою оче­
Дальнейшее увеличение толщины стенки
редь, выражается в изменении фазы
сигнала вихревого преобразования в зави­
контролируемого изделия предполагает
симости от глубины залегаемого дефекта.
существенное увеличение габаритных
МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТЕНОК
97
Магнит
Магнитный поток
Трещина
Искажение магнитного
потока
Рис. 8.1. Принцип метода рассеянного магнитного потока М П
Использование фазового метода обработ­
ки информации и локального подмагничивания (выравнивающие обычно сущест­
вующие локальные неоднородности) су­
щественно повышают основной параметр
контроля - соотношение сигнал/шум. Кро­
ме того, использование фазы в качестве
информативного параметра снижает влия­
ние вариации расстояния между преобра­
зователем и поверхностью контролируе­
мого изделия. Данный метод наряду с
ферромагнитными изделиями позволяет
контролировать изделия из неферромаг­
нитных материалов (коррозионно-стойкая
сталь, алюминий и т.д.). Сравнительные
возможности метода рассеянного магнит­
ного потока (МРЬ) и использования низ­
кочастотных вихревых потоков (ЗЬОРЕС)
иллюстрирует рис. 8.2.
Укажем преимущества и недостатки
того и другого метода.
К преимуществам метода МРЬ отно­
сятся быстродействие, надежность, доста­
точное простое решение по конструирова­
нию многоканальных систем. Его недос­
татки - отсутствие прямой информации о
глубине залегания дефекта; временные,
конструктивные и технологические труд­
ности по созданию систем, позволяющих
контролировать изделия с толщиной стен­
ки свыше 16 мм.
Для метода ЗЬОРЕС преимуществом
является получение прямой информации о
глубине залегания дефекта благодаря
применению вихретоковых преобразова­
телей, а также существенное повышение
соотношения сигнал/шум за счет исполь­
4 - 3360
зования в качестве информативных пара­
метров амплитуды и фазы сигнала вихре­
токовых датчиков. Однако, в связи с
использованием низкочастотного сигнала,
для получения максимальной фазовой ин­
формации необходимо использовать пре­
образователи большого диаметра, что су­
щественно снижает локальность контроля
и требует достаточно сложной и сильноточной (мощной) системы формирования
приема и обработки информации.
Разработаны приборы для контроля
коррозионных дефектов типа утонения
стенки, точечной коррозии, трещин на
внутренней поверхности стенок экранных
трубок теплообменников, трубопроводов
химической промышленности, магист­
ральных нефтегазопроводов. Эти приборы
позволяют проводить контроль без удале­
ния изоляционного покрытия и остановки
работы оборудования, что дает возмож­
ность повысить производительность и
уменьшить затраты на проведение кон­
троля по сравнению с традиционными
методами.
В России создан ряд приборов типа
М ИТ-1/2, принцип действия которых ос­
нован на сканировании ферромагнитного
объекта контроля постоянным магнитным
полем и на индикации полей рассеяния,
вызванных нарушениями сплошности и
изменением геометрии стенок объекта.
Сканирующее устройство (сканер)
включает П-образную магнитную систе­
му, от одного до восьми преобразователей
Холла (один канал), систему подъема и
опускания на контролируемую поверх­
ность, систему перемещения и установки
98 Глава 8. МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТЕНОК
Рис. 8.2. Сравнение относительной чувствительности методов МГЬ и 8ЬОРЕС
требуемого зазора на контролируемой по­
• возможность с высокой точностью
верхности, разъемы для подключения
идентифицировать пространственное рас­
электронного блока и осциллограф.
пределение рассеянного магнитного поля
О
глубине обнаруженного дефекта в
от дефекта, что позволяет определять вид
контролируемом изделии можно судить
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
верхностный, внутренний) по пространст­
• проведение автоматической калиб­
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
Мо*еЪоок (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
(контроля);
бора, обусловленные использованием сис­
• контроль в реальном режиме вре­
темы позиционирования:
мени с одновременным просмотром ре­
| точное определение пройденного
зультатов контроля на экране монитора;
пути контроля и месторасположения де­
• распознавание поверхностных и
фекта;
внутренних
дефектов, что позволяет из­
•
независимость определения коор­
бежать перебраковки контролируемых из­
динат от скорости сканирования, что осо­
делий.
бенно важно при ручном сканировании;
Глава 9
МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ 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 АМР ТиЬозсоре
(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 АМР ТиЬозсоре,
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 1лпа1о§ для
контроля
трубопроводов
диаметром
1420 мм.
Общими
тенденциями
развития
средств технической диагностики трубо­
проводов нефти и газа являются:
создание конструкций дефектоско­
пов-снарядов, устойчивых к воздействию
агрессивной среды, ударных и вибрацион­
ных нагрузок, пониженных и повышенных
температур, давления до 10 МПа и др.;
разработка конструкций дефектоско­
пов-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 ДНх 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 ... 1 1,6)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. Слияние 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 1лпа1о§ приведены
в табл. 9.1.
Дефектоскопы серии 1лпа1о§ 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 ДЕФЕКТОСКОПЫ-СНАРЯДЫ
103
9.1. Основные технические характеристики дефектоскопов снарядов
*
Характеристика
1лпа1о§ 1420 (фирма АМР
ТиЬоксоре, США)
Газопроводы диаметром
1420 мм с толщиной
стенки 15,7 ... 25 мм и из­
гибом траектории радиу­
сом не менее 3.0
чувствитель­ Каверны глубиной 0,3 Г и
0,2 Г на внешней и внут­
ренней поверхности тру­
бопровода соответственно
"Код-2М"
Параметры объекта
контроля
Газопроводы диаметром 1420 мм
с толщиной стенки 15,7 ... 25 мм
и изгибом траектории радиусом
не менее 52)
Порог
ности
Коррозионные каверны глуби­
ной 0,3Г и 0,2Т на внешней и
внутренней поверхности трубо­
провода соответственно и про­
тяженностью 0,7 Т. Эрозионный
износ глубиной 0,2 Т и протя­
женностью Т. Поперечная тре­
щина глубиной 0,3 5 Г и 0,4 Г на
внутренней и внешней поверх­
ности трубопровода соответст­
венно, шириной 0,1 мм и про­
тяженностью 100 мм
Глубина: (0,2 ... 1,0)Г ± 0,15Г,
протяженность: от (0,70 ± 0,35)Г
Двухсекционный дефектоскопснаряд с размещением источни­
ка питания (в первой секции),
системы обнаружения дефектов
(во второй секции), аппаратуры
обработки информации в анало­
говой и цифровой форме, энер­
гонезависимого накопителя ин­
формации
Система для обработки накоп­
ленных в дефектоскопе данных,
проверки технического состоя­
ния и тестирования дефектоско­
па перед пуском, имитации ра­
бочих режимов контроля трубо­
провода, вывода на дисплей вы­
явленных опасных областей
трубопровода и их углубленно­
го анализа
Диапазоны и погреш­
ность измерения
Конструктивные осо­
бенности
Глубина: (0,2 ... 1,0)Г ±
±0,157’
Трехсекционный дефектоскоп-снаряд с размеще­
нием на борту аппаратуры
обработки в аналоговой и
цифровой форме, энерго­
независимого накопителя
информации и источника
питания
Наличие сервисной
аппаратуры
Диагностический
блок
для приведения дефекто­
скопа в рабочий режим
перед запуском, передачи
данных из памяти снаряда
в считывающее устройст­
во (для анализа), ввода
данных в процессе про­
верки электронного блока
снаряда; считывающее пе­
чатающее
устройство
(персональная ЭВМ)
Условные
провода.
о б о з н а ч е н и я : й - 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
0,851) (Р - диаметр трубопровода) и уча­
стки с изгибом строительной оси радиу­
сом 32). 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 Г 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 0,2Г.
Габаритные размеры дефектоскопа I
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.
ОБЪЕМ НО-Ш ОВНЫ Й
ДЕФЕКТОСКОП Д ЛЯ МАГНИТНОГО
КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ
ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ В
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПОТОКЕ
Объемно-шовный дефектоскоп обес­
печивает возможность магнитной дефек­
тоскопии тела трубы по всему сечению,
включая сварной шов и околошовную зо­
ну. Конструктивно дефектоскоп представ­
ляет собой две самостоятельные системы,
одна из которых служит для магнитной
дефектоскопии верхней половины трубы,
а вторая •— нижней. Различием в выпол­
няемых функциях обусловливается разли­
чие в конструкции механических частей
этих систем. Однако их электронные части
идентичны. В их основе —интеллектуаль­
ные сенсоры с многоэлементными преоб­
разователями магнитного поля, которые
объединены во взаимозаменяемые элек­
тронные блоки. Каждый из них представ­
ляет собой самостоятельно функциони­
рующий 16-элементный магниточувстви­
тельный блок, магнитные элементы кото­
рого находятся в двух защитных твердо­
сплавных лыжах, скользящих по поверх­
ности трубы и охватывающих зону по 8 ...
10 мм каждая, благодаря чему возможен
105
контроль криволинейных поверхностей.
Поскольку неразрушающему контролю
подвергаются трубы диаметром от 20 до
152 мм, механическая часть обеспечивает
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 от­
туда — на исполнительные устройства
(сортирующее устройство и др.), а также
на дефектоотметчик и видеоконтрольные
устройства. Одновременно сигнал о де­
фекте поступает на пульт сварщика, об­
служивающего
трубоэлектросварочный
агрегат, который оперативно изменяет
режим сварки для получения качественно­
го шва.
Магнитные элементы, образующие
интеллектуальный преобразователь, изго­
товлены по интегральной технологии, их
размеры чрезвычайно малы, и они распо­
ложены достаточно близко к поверхности
сварного шва, поэтому дефектоскоп по­
зволяет выявлять такие тонкие дефекты,
как слипания, и уверенно фиксировать
протяженные дефекты типа трещин, не-
Рис. 9.1. Измерительная позиция объемно-шовного дефектоскопа для НК
всего тела электросварных труб, включая сварной шов и околошовную зону
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 % толщины стенки трубы, а также протяженные
дефекты основного металла высотой более
4 % и длиной более 6,3 мм и объемные
дефекты в сварном соединении и основном металле, сравнимые со сверлениями
диаметром 0,79 мм. Так как намагничивание трубы проводится под углом к оси
трубы и многоэлементные преобразовать
ли расположены к ней под определенным
углом, одновременно с продольными треа
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 дефектоскопа (для контроля верхней половины
трубы), а на рис. 9.2 дано расположение ее
в технологическом потоке трубоэлектросварочного агрегата (ТЭСА) для производства газопроводных труб диаметром
Ю ... 60 мм.
Чувствительность дефектоскопа соответствует наивысшим уровням чувстви­
тельности по стандартам А5ТМ , АР1 и
т
к
Ш1Ч, а надежность достаточна для использования в цеховых условиях,
„
Ниже приведены основные технические харакгеристики установок объемнощовной дефектоскопии электросварных
труб*
Диаметр контролируемых прямошовных
электросварных труб, м м ..........................................................................
20 ... 219
Толщина стенки труб, м м .........................................................................
1 ... 10
Ширина зоны контроля, м м ......................................................................
8 ,1 6 ,3 2 ,..., 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, к г .................................................................
500
Масса электрической части, к г .................................. .............................
50
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В .................... .................. 1.................................."......
частота, Г ц ...................... ..................................................................
мощность, В • А .................................................................................
220(380) и 36
50
Менее 1000
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
9.3. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ
ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ
Создан ряд магнитных дефектоско­
пов для неразрушающего контроля свар­
ных изделий из ферромагнитных материа­
лов, полученных методом высокочастот­
ной, электродуговой и лазерной сварки,
сварки трением, - прямошовных и спи­
рально-шовных нефтегазопроводных электросварных труб, нефтяных бурильных
труб с приварными муфтозамковыми со­
единениями, а также сварных швов пло­
скостных конструкций или конструкций с
небольшой кривизной контролируемой
поверхности. В этих дефектоскопах для
регистрации топографии магнитного поля
поперечное перемещение преобразователя
относительно дефекта не требуется. Вза­
мен этого применяется многоэлементный
преобразователь на переходных процес­
сах. Преобразователь содержит миниа­
тюрные МЭ, расположенные на расстоя­
нии 1 мм друг от друга вдоль линии или
нескольких линий.
Применение многоэлементного пре­
образователя, который по существу явля­
ется электронной системой сканирования
зоны контроля, обеспечивает дискретное
считывание топографии магнитного поля
с шагом 1 мм как в продольном, так и в
поперечном направлении при скорости
контроля 2 м/с, что вполне достаточно в
отношении требуемой плотности сканиро­
вания.
Контроль осуществляется следую­
щим образом. Труба с выхода ТЭСА не­
прерывным потоком поступает в зону
контроля, где одновременно происходят
ее намагничивание с помощью электро­
магнита и электронное сканирование шва
многоэлементным преобразователем. Ин­
формация о качестве шва, т.е. о наличии
нарушений сплошности, извлекается в
результате соответствующей обработки
сигнала преобразователя с помощью элек­
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
ка (оператора), который оперативно изме­
няет режим сварки для получения качест­
венного шва. Забракованные дефектоско­
пом трубы проходят все технологические
операции, затем поступают на гидропресс
и столы ОТК. Годные трубы гидропрессо­
ванию не подвергаются.
Дефектоскоп встраивается непосред­
ственно в линию ТЭСА на расстоянии
5 ... 10 м от узла сварки, поэтому темпе­
ратура шва достаточно высокая и может
достигать 100 ... 150 °С. При таких темпе­
ратурах магнитный контроль приемлем, а
в конструкции дефектоскопа предусмот­
рено охлаждение преобразователя техни­
ческой водой.
Для контроля прямошовных электросварных труб дефектоскоп имеет электро­
магнит П-образной формы. Дефектоскоп
снабжен набором полюсных наконечников
для каждого диаметра труб. Преобразова­
тель (16-элементный) помещен в специ­
альный корпус, в котором размещены
также коммутирующие элементы. Этот
преобразователь устанавливается на спе­
циальную подставку, которая скользит по
поверхности сварного шва со снятым на­
ружным гратом. Имеется предохранитель­
ная планка толщиной 0,5 мм для защиты
поверхности преобразователя от механи­
ческих ударов и попадания посторонних
предметов, пыли, грязи и т.п.
Каждая установка кроме электронно­
го блока включает механическую систему
ввода и вывода электромагнита и преобра­
зователя в технологический поток, кото­
рая позволяет после настройки дефекто­
скопа на стандартном образце установить
их непосредственно над сварным швом.
Установка работает в полностью автома­
тическом режиме, обеспечивая технологи­
ческий и сдаточный контроль.
108
Глава 9. МАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
характерные для высокочастотной сварки, В установке для контроля качества
10 %-ные трещины, слипания, непровары,
нефтепроводных спирально-шовных элекпрожоги, смещение кромок и утонение
тросварных труб диаметром до 600 мм
использованы многоэлементные преобра­ шва более 15 % толщины стенки трубы, а
зователи на переходных процессах. На­ также дефекты основного металла в окомагничивание трубы осуществляется с лошовной зоне высотой более 4 %.
В установках предусмотрена автома­
помощью соленоида, который запитыватическая система слежения за отклонени­
ется постоянным током силой 12 ... 20 А
ем шва в пределах ± 30° от вертикали,
(в зависимости от диаметра контролируе­
проходящей через ось трубы, а также ме­
мых труб). Преобразователь помещен в
ханическая система обеспечения постоян­
защитный корпус, который с небольшим
ства зазора между преобразователями и
усилием прижат с помощью специального
изделием.
приспособления к поверхности сварного
В УМД применена механическая сис­
шва, благодаря чему обеспечивается по­
тема,
позволяющая легко вводить и выво­
стоянство зазора между преобразователем
дить
измерительную
позицию из техноло­
и трубой. На днище этого корпуса разме­
гического
потока
для
настройки и калиб­
щены твердосплавные пластины, защи­
ровки
дефектоскопа
на
стандартном об­
щающие измерительную часть от механи­
разце
(стандарты
А8ТМ
требуют
произво­
ческих повреждений и изнашивания. Име­
дить
операцию
калибровки
каждые
4 ч
ется система аварийного подъема преоб­
или
перед
началом
и
после
окончания
ра­
разователя над поверхностью трубы в
боты).
случае появления неснятого грата или
Поскольку размеры МЭ многоэле­
участков трубы, где была применена руч­
ментного
преобразователя чрезвычайно
ная сварка. Скорость контроля составляет
малы (0,1 ... 0,3 мм) и они расположены
около 0,6 м/с.
достаточно
близко к поверхности сварно­
Технология контроля качества свар­
го
шва,
эти
установки
позволяют выявлять
ных соединений спирально-шовных труб
такие
тонкие
дефекты,
как слипания, и, в
аналогична технологии контроля прямо­
отличие
от
вихретоковых
дефектоскопов,
шовных труб. С помощью установок маг­
уверенно
фиксируют
протяженные
дефек­
нитной дефектоскопии (УМД) для прямо­
ты
типа
смещений
кромок
и
утонений.
шовных и спирально-шовных труб уве­
Информация о качестве шва с дис­
ренно выявляются искусственные дефекты
кретностью
1 мм может быть выведена на
типа сверлений в сварном шве диаметром
видеоконтрольное
устройство, располо­
1,6 мм (при хорошем качестве поверхности
женное
вблизи
пульта
сварщика, что по­
трубы - отверстия диаметром 0,79 мм), а
зволяет ему отслеживать ухудшение каче­
также поверхностные и внутренние де­
ства шва еще до появления макродефектов
фекты типа прямоугольной канавки глу­
(устанавливать наличие микротрещин,
биной 10 % толщины стенки независимо
связанное с отклонениями режимов свар­
от глубины залегания (до 10 мм) и диа­
ки, плохое снятие наружного грата и т.п.)
метра контролируемых труб.
и своевременно корректировать режим
В результате металлографических ис­
сварки до получения качественного шва
следований на образцах, забракованных в
процессе промышленной эксплуатации
(обратная связь). Чувствительность УМД
УМД, установлено, что они позволяют
соответствует стандартам А8ТМ, АР1,
обнаруживать практически все дефекты,
ОТ*
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
Сопоставление результатов магнитного контроля с результатами рентгенотелевизионного контроля показало, что при
одинаковой чувствительности к объемным
дефектам рентгенотелевизионный метод
уступает магнитному по выявлению линейных дефектов (узкие трещины, подрезы и т.п.), а также по производительности
109
контроля. Кроме того, рентгенотелевизионный метод требует обязательного присутствия оператора, в то время как магнитный метод может быть полностью автоматизирован.
О сновные технические характеристики установок магнитной деф ектоскопии приведены ниже:
Диаметр контролируемых электросварных труб, мм:
прямошовных.......................................................................
спирально-шовных........................................................... .
Толщина стенки труб, мм ..................;................................■„...
Ширина зоны контроля, м м ........................................... .
2 0 ... 219
20 ... 600
1 ... 10
8,16,32, 64
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, к г ............ ........... ...................... .
250
Масса электрической части, к г .....................................................
50
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В ........... ...................V.............................. :......
частота, Гц ......... ............... ......................... ■=.;.....................
мощность, В • А ............... Пи................................................
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.
П О П ЕРЕЧН А Я
ТА Н ГЕН Ц И А ЛЬН А Я
СОСТА ВЛЯЮ Щ А Я М А ГН И ТН О ГО
П О ЛЯ
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 1 составляет некоторый угол а с
границей раздела двух сред с магнитными
проницаемостями Ц1 и ц2 (рис. 10.1). При
переходе через границу раздела вектор Н1
преломляется в зависимости от соотноше­
ния р.] и Ц2, изменяет свое направление (на
рисунке показан случай, когда |Д( > Цг)-
ПОПЕРЕЧНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
111
При этом появляется поперечная танген­
циальная составляющая напряженности
магнитного поля Ну, 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\п ~
ИЛИ
Ц о Ц |Н ,п= Ц о Ц г ^ г л ;
( 10. 1)
|Д] Н\ 81п а 1 = ц2# 2 з т а 2;
2) непрерывность тангенциальной со­
ставляющей вектора напряженности маг­
нитного поля на границе раздела:
Н и=Нь -
В1»
В21
_
(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
« 1 Ц1 =
<Х2 р 2 >
(Ю .З )
где 1§а, = Н Хп/ Н \ , , \%аг = Н 2п / Н 2, , по­
перечную составляющую Ну можно выра­
зить следующим образом:
Ну = # 2$тДа = Я2з т (а 2 - а)).
(10.4)
Рис. 10.1. Преломление вектора
напряженности поля на границе раздела
двух сред с магнитными
проницаемостями Ц] и ц2
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 ц2; Ну достигает макси­
мального значения при а = 45° и тождест­
венно обращается в ноль при а = 0 и 90°.
На границе раздела двух сред с маг­
нитными проницаемостями р.] и ц2 возни­
Подставив значения а из равенства
(10.3) и # 2 из выражения (10.1) в послед­
нее выражение, найдем
^11 С1
•П п
Иг
и» ж
зш агс1§ — *8в1 - а ,
1^2
)
51П
агс1§
— ^1
М2
(10.5)
После несложных
окончательно получим
преобразований
вш (2а).
(10.6)
Рис. 10.2. Расположение оси дефекта
под углом а относительно вектора
напряженности намагничивающего
поля Яд
112
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
кают поверхностные магнитные "фиктив­
ные" заряды, плотность ст0 которых выра­
жается следующей зависимостью:
Н2п- Н 1п= 4по0.
(10.7)
С учетом В2„ - ВХпили Я 1я(д, - Я^Цг
= 4кап
Я,
(10.8)
Выразив Я] в формуле (10.6) через оо,
получим
Ну = 4лоо соза.
(10.9)
Тогда с учетом, что для воздуха
И2= 1,
Я У= М„ соза,
(10.10)
где М„ = Я„(ц 1 1 1) = Я|(Ц] - 1) зша - на­
магниченность среды с магнитной прони­
цаемостью Ц| на границе раздела с возду­
хом (цг ~ 1)- При этом выражение (10.8)
преобразуется к виду
Я л (Ц1_ 1)= 4яо0 = М„.
(10.11)
Поперечная тангенциальная состав­
ляющая магнитного поля возникает на
границе раздела двух сред с магнитными
проницаемостями Ц] и \х2:
Ы
Ну = 4лоо соза = — (Ц| - 1) зш(2а).
( 10.12)
Для бесконечно глубокого дефекта
(А —> оо) граница раздела между Ц1 и ц2
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 (р( = соп$1), можно выразить
составляющую магнитного поля дефекта в
функции угла а, под которым расположе­
на ось этого дефекта к направлению при­
ложенного поля:
Яд = Я д0з т а ,
Нуа =Я Д соз а =
*
со)
2 .Я у
8 7 1 (1 0 С О З(X
/< л
= Я 1(ц] -1 )з т (2 а ).
Рассмотрим бесконечно протяжен­
ный дефект глубиной А с раскрытием 2 Ь.
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
(10.14)
где Я д ~ напряженность магнитного поля
дефекта при а = 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 Яхд, 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
Н ХА = Я Д 8 т а
ДО
Л з т ( 2 а ) ; (10.15)
Я ДО
= '
[1 - соз(2а)].
(10.16)
Анализ выражения (10.15) показыва­
ет, что составляющая Нуа симметрична
относительно угла а = я/4, а при а = 0 и
а = 90° она обращается в нуль. При а - 45°
достигается максимальное значение Яуд, в
то время как Нха при изменении а от 90°
до нуля монотонно уменьшается. Состав-
ПОПЕРЕЧНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
113
ляющая Нхд симметрична относительно
угла а = 71/2, при котором она принимает
максимальное значение, в то время как Я уд
при этом обращается в нуль (см. рис.
10.3). Максимальные значения Нха в 2 раза
превышает максимальные значения Нш, 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
И (х со » а + Ь)
Я д= 2 а 0 агс1§ ■
(х соз а + Ь) + г (г + И)
агс*ё
И (х соз а + Ъ)
(х соз а - Ь) + г (г + И)
81П а
(10.17)
получим
Нуа - аоР (х, г, И, 2Ь) зт (2 а ); (10.18)
ЯгД= а0Р (х, г, Н, 2 Ъ ) [ \- соз(2а)],
(10.19)
где
Р (х ,г , И, 2 Ь) =
И (х соз а + Ь)
агс1§
(х соз а + ЬУ +2 (2 + й)
Л (х с о за -б )
- агс1§
Рис. 10.3. Зависимости тангенциальных
составляющих магнитного поля
дефекта Нха (1) и Нт (2) от угла а
соотношение сигнал/фон. Уровень на­
чального фона определяется конструктив­
ным исполнением и правильной ориента­
цией преобразователя поля (ферроэле­
мент, индукционная катушка) перпенди­
кулярно к приложенному намагничиваю­
щему полю в случае отсутствия дефекта.
(х с о з а -Ъ У + 2 (г + И)
функция, отображающая топографию маг­
нитного поля дефекта в зависимости от
его размеров (Л, 2 Ь) и координат (х, 2).
Нормальная Я гд составляющая с уче­
том выражения (10.17) принимает сле­
дующий вид:
[(х с о за + ЬУ + {г +ИУ ]
Щд 1 Сто зш а ш
Нуа/(2а)
а=45°
0,4
^30°
15°
/
0,2
х с о за + ЬУ + г2
60
[(х соза - ЬУ + г 2]
х со за - ЬУ + (г +ИУ
\
\
а = 7 5 ° \ч
( 10.20 )
Измерения по поперечной тангенци­
альной составляющей магнитного поля
дефекта позволяют значительно повысить
0
1,0
2,0
х, мм
Рис. 10.4. Изменение составляющей Нуа
при разных значениях а для прорези
(г - 0,5 мм, А = 8 мм, 1Ь = 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:
Не = Нд + Нф,
(10.21)
где Нд - поле рассеяния от дефекта;
Н Ф - поле рассеяния, обусловленное пер­
вичным приложенным полем НоПри намагничивании, например, при­
ставными магнитами деталей сложного
профиля (резьба, галтельный переход)
задача усложняется из-за значительного
увеличения поля рассеяния первичного
поля Н0, 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 Н д магнитно­
го поля дефекта, поэтому
Щ = Н д.
(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 Нуя соответствуют истинному
раскрытию 2 Ь, 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:
26эф = 2Ь / сов а .
(10.23)
Рис. 10.4 отражает топографию сос­
тавляющей магнитного поля дефекта в
виде прорези (г = 0,5 мм, И = 8 мм,
2 Ь = 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:
0,5/
Нуд = Стоу |н уд<*,
(10.24)
-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 Н0,
зону контроля одним преобразователем
можно расширить за счет увеличения ра­
бочего зазора г.
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
Я
=—
2
— 51п(2а).
ц
(10.25)
10.2.
ДВУХЧАСТОТНЫЙ
МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ
ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОЙ
ФОРМЫ
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
а = 0 и а = 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 П или ее гармоник лП.
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 Я в, отличающихся друг от
друга на малую случайную величину
ДЯв. Поскольку распределение величины
ДЯв 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
5
15
х, мм
а)
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. 10.5 показаны относительные
приращения ЭДС, измеренной ферроэле­
ментом с отключенной возбуждающей
обмоткой: в режиме индукционной ка­
тушки - кривая 1 и в двухчастотном ре­
жиме работы - кривая 2.
Результаты измерений по продольной
и поперечной тангенциальным составляю­
щим магнитного поля дефекта представлены
соответственно на рис. 10.5, 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
V ^ от величины измеряемого поля Я п
при двухчастотном способе.
Рис. 10.6. Зависимость напряжения
от
напряженности измеряемого поля Яц
ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД
117
10.3. НАМ АГНИЧИВАЮ Щ АЯ
СИ СТЕМ А
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 О) 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 о2. 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 /о в среде с сгг, которая
перпендикулярна к направлению вектора
первичного тока 1\ в случае отсутствия
границы двух сред (или в среде с О]).
С учетом условий непрерывности
вектора нормальной составляющей плот­
ности тока
1\п ~ ?2п '•>1\ 8;>п «1 = / 2 з т а 2
(10.26)
и закона преломления линий плотности
тока на границе раздела
Ш Ъ ЗН ?
(10.27)
<8«2
ог
опустив промежуточные вычисления, по­
лучим
.
/
\
(10.28)
/0 = у зт(2 а )
'1 У
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
О] И 02
лом а к направлению вектора плотности
приложенного тока 1\, изменяется по зако­
ну двойного угла.
Учитывая, что в формировании попе­
речной тангенциальной Нуд составляющей
магнитного поля дефекта принимает уча­
стие только составляющая / 0 и для дефек­
та с Ог= 0 можно считать, что
зш(2аИ
(Ю.29)
где к - коэффициент пропорциональности,
м‘\
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.
10.4. Ф А ЗО ЧУ В С ТВ И ТЕЛ ЬН Ы Й
Э Л Е К Т РО М А ГН И ТН Ы Й М ЕТО Д
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; 6 - 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 Над 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: е,°, е°, е® - ЭДС
индикаторных катушек 1, 2 и результи­
рующая ЭДС без дефекта; в2, 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-
ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД
119
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 г между преобразователем и контроли­
руемой поверхностью. Дефект имеет сле­
дующие параметры: длина / = 40 мм; рас­
крытие 2 Ь = 0,4 мм; глубина А = 3 мм.
Результаты измерений приведены на рис.
10.10 (кривая 1) в полярных координатах
(Фтах>а )> гДе Фтах соответствует радиусу-вектору, а - полярному углу, а ось Ох полярной оси. Кривая 2 построена по за­
кону двойного угла. Для наглядности чи­
словой коэффициент перед зш(2а) выбран
равным фтах, полученному эксперимен-
Рис. 10.10. Полярная диаграмма
фазы ЭДС индикаторных катушек
Рис. 10.11. Топография поля
над дефектом с параметрами:
1 —1= 20 мм, 2Ь = 0,35 мм, к = 2 мм;
2 —1= 20 мм, 2Ь = 0,35 мм, к = 1 мм
тально при а = 45°, что привело к слия­
нию кривых 7 и 2 при а = 45°. Поэтому
если известно вероятное направление оси
дефекта, то для повышения чувствитель­
ности нужно располагать намагничиваю­
щую систему под углом а = 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.
Рис. 10.12. Зависимость фазы <р
от глубины дефекта к
120
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
Зависимость фазы результирующего
сигнала от глубины дефекта при воздуш­
ном зазоре г - 0,5 мм показана на
рис. 10.12. Значительный разброс экспе­
риментальных точек объясняется тем, что
дефекты
имели
разное
раскрытие:
2Ь = 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
121
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
а)
б)
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 1 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, 6)
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 1 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
-Ф -
б
Рис. 10.15. Структурная схема
дефектоскопа МД-4
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 намагничивающей
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 7 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. М еханическая 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, о) состоит
из преобразователя (рис. 10.17, б) и элек­
тронного блока. Электромагнит 2 и чувст­
вительный ферроэлемент б 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
ф п = ф шахп81п( ° 0 ,
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
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОфцдд
Г
п.1
Вид А
1э_________ ь
...
™т—
о
с1
а)
йп
1Р
б)
Рис. 10.17. Преобразователь бесконтактного электромагнитного дефектоскопа
где К - коэффициент пропорционально­
возбуждается высокочастотным полем Нш сти, зависящий от параметров ферроэле­
и подмагничивается слабым постоянным мента (магнитной проницаемости формы
полем Н 0. В этом случае индукция в сер­ сердечника т , коэрцитивной силы мате­
дечнике ферроэлемента является функци­ риала сердечника и т.п.); Н& - направ­
ленная вдоль оси ферроэлемента попереч­
ей трех полей:
ная тангенциальная составляющая маг­
нитного поля, обусловленная дефектом.
В = / ( Я Ш;Я 0;Н ТП).
При таком способе обработки сигна­
Если из спектра ЭДС, наводимой во ла кроме высокой чувствительности дос­
вторичной обмотке ферроэлемента, выде­ тигается хорошая устойчивость к поме­
лить вторую гармонику 2со высокочастот­ хам, значительно повышается соотноше­
ного сигнала, промодулированную удво­ ние сигнал/шум, поскольку в результате
енной частотой низкочастотного поля двойного преобразования снижается уро­
вень помех, обусловленных как посторон­
Н 2п после предварительного детектиро­
ними электромагнитными полями, так и
вания, и в качестве параметра (сигнала), собственными высокочастотными (Яш) и
характеризующего измеряемое поле, ис­ намагничивающим низкочастотным (Яп)
пользовать напряжение, пропорциональ­
полями.
ное глубине модуляции М 2П, вторая гар­
На рис. 10.18 приведена структурная
моника выражается через величину изме­ схема прибора. Генератор низкой частоты
ряемого поля следующей зависимостью:
ГНЧ вырабатывает напряжение (П =
= 85 Гц) для питания электромагнита пре­
образователя. Генератор высокой частоты
тангенциальной составляющей поля Н ТП ,
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
125
Рис. 10.18. Структурная схема бесконтактного электромагнитного дефектоскопа
ГВЧ и фильтр-пробка ФП (2©) обеспечи­
вают синусоидальное напряжение (ю =
- 10 кГц) для возбуждения ферроэлемен­
та. Другая фильтр-пробка ФП (со) и изби­
рательный усилитель ИУ (2м) служат для
выделения второй гармоники высокочас­
тотного сигнала измерительной обмотки
ферроэлемента. Продетектированный сиг­
нал поступает на избирательный усили­
тель ИУ (20), 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:
I —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 койес 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 Яг40.
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
Ф 77777
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 КС,
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
а
Рис. 10.21. Макрошлифы дефектных
участков, обнаруженных дефектоскопами при глубине дефекта А), кг, мм:
- 0,3; б - 2; в - 0,16 и 0,25; г - 1,1; д - 0,16 и 0,25; е - 0,16 и 0,15; лс - 1,35 и 0,65;
з - 0,35 и 1,05; и -0,63
5 - 3360
129
130
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
10.6. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ
ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ
РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
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.
Ь, мВ
Рис. 10.22. Зависимость показаний
прибора от глубины искусственных (7)
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 (5)
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
а)
б)
1
2
3
4
5
6
2яЛ/6
«)
Рис. 10.24. Изменение показаний прибора А вдоль витка резьбы с
усталостной трещиной при разных значениях Ртях и N (2К - наружный диаметр
резьбы шпильки):
а= 3,0 МН; А - # = 4000; 2 - 4500; 3 - 5500; 4 - 7500; 5 - 8500 циклов;
| - Рта = 3,8 МН; 1 - # = 2000; 2 - 3000; 3 - 4000; 4 - 5000 циклов; в - Ртах = 4,55 МН;
1 УМт 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 /У, а также от нагрузки Ртах
зарождение и рост трещин происходят
по-разному: чем больше Ртях, тем на бо­
лее ранней стадии зарождается усталост­
ная трещина и тем круче ее рост, а уста­
5*
лостное разрушение шпильки происходит
при меньшем числе циклов. Так, если для
Р шах= 3,0 МН (кривая /) обрыв произошел
при N = 1 0 циклов, то для Ртах —4,55 МН
(кривая 5) - при 7У= 3,5 • 10 циклов.
Рис. 10.24 иллюстрирует изменение
показаний прибора вдоль развивающейся
усталостной трещины в зависимости от
числа циклов нагружения при разных
значениях Ртм. Ход кривых позволяет
Глава 10. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ
132
Рис. 10.25. Кинетика развития
усталостной трещины в сечении шпильки в
условиях знакопеременного нагружения
при Рт„ = 3,0 МН:
а - И = 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 Ртп —3,8 МН:
а - N 1 2000; б 33000; в - 4000;
г - 5000 циклов
Рис. 10.27. Кинетика развития
усталостной трещины в сечении шпильки в
условиях знакопеременного нагружения
при Ртя1 = 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 Ртах 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 Ртт.
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; <р - 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 Ртлх 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
И
~рЗ{р2|
х
А + 1 к+2к+Ък+4к+5
-200
Рис. 10.28. Распределение показаний
прибора по виткам резьбы п при
Ртах = 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-
Рис. 10.29. Распределение показаний
прибора вдоль витка резьбы с основной
усталостной трещиной при Ртп = 3,0 МН
после циклового нагружения:
1 - N 1 6500; 2 - 7500; 3 - 8500 циклов
134
Глава 10 ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ С/ЮЖНОГО ПРОФИЛЯ
нитиых полей со знаком минус может
быть объяснено с помощью выражения
ИЛ т
2 И
81П(2а),
где ДЯ - изменение напряженности маг­
нитного поля, обусловленное изменением
Ар относительно* магнитной проницае­
мости и; Н » напряженность приложен­
ного магнитного поля; а - угол между
образующей витка и направлением при­
ложенного магнитного ооля //*.
В процессе испытаний угол о, 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), Л. Неелем (Франция), С. Ти-
кадзуми (Япония) позволило понять при­
роду процессов намагничивания и перемагничивания такого гетерогенного фер­
ромагнетика, как сталь. Работы А.С. Займовского, Б.Г. Лившица, В.С. Меськина,
С.С. Штейнберга, 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, чяк-яг^
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.
Глава 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-меха­
нических 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 Ре, N1 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.
2. Гистерезис, вызванный задержкой
роста зародыша обратной магнитной фазы
вследствие увеличения площади поверху
ности и поверхностной энергии гранично^
го слоя, отделяющего зародыш от основйП
ного домена.
‘ Щ
'■
3. Гистерезис, обусловленный необратимыми 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,
1
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
11.1.1. Причины магнитного
лах ("усах"). Можно предположить, что в
гистерезиса
ферромагнетике имеется эффективное
поле, которое препятствует отклонению
Теория магнетизма для большинства
элементарных магнитных моментов мате­
задач магнитного структурного анализа не
риала от оси легкого намагничивания. Та­
может предсказать количественную связь
между магнитными параметрами и струк­ кое поле получило название поля анизо­
тропии в материале. Для магнитоодноос­
турным состоянием ферромагнетика. Од­
ного кристалла напряженность поля ани­
нако ее можно успешно использовать для
зотропии
качественного описания закономерностей
Яа = 2/СЭ(Ь/(1ДоМ),
(11.1)
изменения магнитных свойств при структурно-фазовых превращениях в сталях.
где /С,* - 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 а, еще и магни­
(предварительно намагниченном до на­ тоупругой анизотропией:
сыщения) в отсутствие поля нет зароды­
Ям.упв =
,
(1 1 .2 )
шей обратной магнитной фазы и отсутст­
вуют условия для ее образования при пегде Р - коэффициент (порядка единицы);
ремагничивании.
Щ - магнитострикция насыщения.
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ
Для ферромагнитных частиц воз­
можно также возникновение анизотропии
формы в результате различия значений
коэффициентов размагничивания вдоль
и поперек
частицы. Поле анизотропии
формы
Я а = /Гф/(ц0 М ) ,
(1 1 .3 )
где Аф - константа анизотропии формы:
М ].
(11-4)
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
, которое требуется для отклоне­
ния намагниченности от исходного одно­
родно намагниченного состояния. Теоре­
тически в однородном ферромагнетике
зародышеобразование должно начинаться
при полях, близких к Н а , 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 перемагничивания, 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:
с
16 ц0М, с/3 ’
где у - энергия доменной границы, отде­
ляющей зародыш от остальной части кри­
сталла; с/3- 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
Нс=А/с13+ В,
(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
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Н , А/см
11.1.2. Влияние напряжении на
процессы перемагничивания
Н , А/см
В случае легкого зародышеобразования перемагничивание будет происходить
путем смещения доменных границ, а ко­
эрцитивная сила будет определяться вели­
чиной Нк\
1 ^д у Л
~Я =
0
8
16
Число зёрен на 1 мм
0
а)
б)
Рис. 11.1. Зависимость коэрцитивной
силы от размера зерна:
а - для чистого железа (« 0,002 % С);
б - для мартеновской низкоуглеродистой стали
ния (связанные с дефектами типа дисло­
каций, с неоднородной деформацией при
фазовых превращениях).
Состояние образовавшегося зароды­
ша обратной магнитной фазы в идеальном
кристалле является нестабильным, поэто­
му он при определенных условиях может
продолжить рост или, наоборот, уничто­
житься. Так, при анализе работ К. Сиктуса и Л. Тонкса, В. Деринг, не выясняя
причин возникновения зародышей, рас­
смотрел условия необратимого роста
сильно вытянутых зародышей эллипсои­
дальной формы и теоретически получил
выражение для поля старта Но, опреде­
ляющего начало процесса перемагничива­
ния:
но =Й
+
а
дх
4
Балл зерна
[у/(р0 М,
<*)],
(11.7)
где Нк - критическое поле, необходимое
для преодоления смещающейся доменной
границей всех потенциальных барьеров,
возникающих из-за наличия разного рода
дефектов в реальном ферромагнетике;
а - коэффициент (порядка единицы); (1 максимальный диаметр поперечного сече­
ния зародыша.
В таких ферромагнетиках, как железо
и его сплавы, зародышеобразование про­
исходит легко, поэтому коэрцитивная сила
в основном определяется величиной Нк,
т.е. вступает в силу третий вид (причина)
гистерезиса.
(И -8)
'т а х
где (ду / йс)тах - среднее значение гради­
ента энергии доменных границ.
Вычисление величины Нк 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:
Н^ ~ Н„
8Х,
(П .9 )
где 8 ширина доменной стенки;
А* - магнитострикция насыщения; #тах =
= (да,-/дх)тах - максимальный градиент
внутренних напряжений.
Выражение (11.9) можно представить
в виде
X. Да,
Нс - р о - ~ ,
(11.10)
где Д а, - 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
Нс =
ШЛ1)
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 Х,оо = 4 • КГ6 и К = 4,9 • 103Дж/м3). В
материалах с низкими значениями кон­
стант магнитострикции (для железа А-юо =
= 19,5 • 10 ) основной вклад в эффек­
тивную константу анизотропии вносит
кристаллографическая анизотропия, кото­
рая, как правило, велика (для железа
К » 4,8 • Ю4Дж/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 */,
образующие кубическую решетку с пара­
метром
Я С* Я К* - ^ — у2/3,
,с
к м м
(11.12)
где V - относительная объемная кон­
центрация включений; К - константа ани­
зотропии.
Начальную восприимчивость можно
выразить следующим образом:
Хнач =
2Ц°М^ 2 .
(11.13)
71 у а
Коэрцитивную силу, полученную из
теории включений, можно записать как
Нс = р
(11.14)
где Куф - эффективная константа магнит­
ной анизотропии; р - фактор, зависящий
от степени дисперсности включений (при
8 « с ! р « 8/</, при 8 » с! р * сИ8);
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 г/«8.
142
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Рис. 11.3. Типичные замыкающие доменные структуры
на включениях (а-ч)) и искажения доменной структуры (е)
Эта теория сопоставлена с результа­
тами измерений, выполненных на углеро­
дистых сталях, где углерод, находящийся
в связанном состоянии в форме цементита,
играет роль включений. Было установле­
но, что при содержании углерода до 2 %
значение Нс действительно пропорцио­
нально объему включений в степени 2/3.
На рис. 11.2 показана зависимость коэрци­
тивной силы от массовой доли углерода.
Кривые построены в соответствии с теорией
включений. Следует отметить, что при от­
носительно крупных включениях {с1 > 8) и
их значительной объемной концентрации
(у > 0,01) выражение (11.14) становится
малопригодным для вычисления коэр­
цитивной силы.
При расчете коэрцитивной силы фер­
ромагнитных материалов, имеющих круп­
ные включения Щ > 6), необходимо учи­
тывать магнитные поля рассеяния, возни­
кающие на поверхности включений или
пустот, поскольку в данном случае изме­
нения магнитостатической энергии в 200
раз больше изменения плотности гранич­
ной энергии. Следуя этому предположе­
нию, Л. Неель теоретически предсказал
возможность существования замыкающих
доменов на включениях с с1 » 5, значи­
тельно снижающих магнитостатическую
энергию. На рис. 11.3 представлены наи­
более типичные случаи замыкания домен­
ной структуры на включениях, а также
искажения, доменной структуры вследст­
вие существования напряженной зоны
около включений.
Возможным местом образования за­
родышей являются включения или пусто­
ты, имеющиеся в большом количестве в
реальном ферромагнетике. Рост возни­
кающего зародыша может прекратиться
при встрече с включениями, размеры ко­
торых меньше по сравнению с критиче­
скими размерами зародыша </0, несмотря
на то что приложенное поле больше, чем
поле старта Но. При прохождении домен­
ной стенки через включение потребуется
совершить работу А \, связанную с увели­
чением поверхности доменных границ на
величину Д5 ~ кЛ2/4, и работу А^, обуслов-
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ
143
ленную перераспределением магнитных
зарядов на поверхности включения:
1 у;
1
4
И р С Л Г М ,2
^
2
2
ж,
6
.
(11.15)
где С - численный коэффициент (порядка
единицы); N - средний коэффициент раз­
магничивания включения.
Сопоставив выражения для А\ и А2,
получим, что при с/ < 8 преобладает Л\, в
то время как А2 ~ 0. При с/ « 6 величины А \
и Аг одного порядка, и при больших раз­
мерах включений (с/» 6) А\ < А2.
Сравнивая значение А2 с прираще­
нием энергий во внешнем магнитном по­
ле, можно оценить порядок величины кри­
тического поля, вызванного магнитным
действием включений при условии
Ь < с1 < с1о, т.е. в случае, когда растущий
зародыш взаимодействует с включениями,
размеры которых меньше критического
(^о). Значение критического поля
(11.16)
где у' - объемная концентрация включе­
ний с диаметрами (I в пределах 5 < с1< до.
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 (у '« у) критическое поле
Я, * Я * С
ЯЛ/.
И
,2/3
(11.17)
■ I_' ■■■
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 А » б по формуле (11.18);
а', Ь’ - предполагаемое изменение Нс за счет
поверхностного натяжения границы и измене­
ния магнитостатической энергии при
8
и критическим полем Я к (а), обусловлен­
ным наличием градиентов внутренних
напряжений в ферромагнитной матрице
(теория напряжений). При внешнем поле
Я < Но (Аср) мелкие включения задержи­
вают рост зародышей, возникающих на
более крупных включениях (с/ > до), и ко­
эрцитивная сила определяется выражени­
ем (11.17). Если же поле достигает вели­
чины Я > Но ( 4 Р) + Я к (а), то начинается
рост вторичной доменной структуры от
многих включений и ферромагнетик перемагничивается, а критическое поле
(следовательно, и Но) определяется сле­
дующим образом:
я „ * я е * я ,,( ^ ) +
(11.18)
ср
где </„ - средний диаметр большинства
включений.
В случае
крупных
включений
(у ' « V), присутствующих в ферромаг­
нетике, напряженность критического поля
определяется полем старта зародышей Я0
я ,*
3ку
\х0М 5д
-V,
(11.19)
где к = 1Ш- отношение удвоенной длины
замыкающего домена к его диаметру.
144
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Нс ,А/см
500200-
100 -
поведение коэрцитивной силы в зависи­
мости от размеров неферромагнитных
частиц в случае их статистического распре­
деления и постоянной доли (у = 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
гг „ N ( М - М к)2 2/3
# с * С — 5 ^ -----у , (11.20)
Щ
Рис. 11.5. Зависимость коэрцитивной
силы от объема включений:
1 - Ре3С; 2 - СиС; 3 - Ре3Т1; 4 - Ре3Мо2;
5 - Ре3Р; б - А120 3; 7 - Ре3Ш2; 8 - РеВе;
9 - С; 10 - Ре^; 11 - Ре8; 12 - Р е , ^
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,
с1 * 1006), а для мелких частиц (Л « 105),
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 Ре3С (V= 0,003)
где Мк - намагниченность насыщения
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 Нс « у1/2 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 (у = 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 перемагничивания 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
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.
145
11.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ СТАЛИ
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 а-железе. Различают две модифи­
кации
феррита:
низкотемпературный
а-феррит и высокотемпературный 8-фер­
рит. Для низкотемпературного феррита
характерно незначительное растворение
углерода. Максимальная растворимость в
а-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) о в = 250 МПа;
условный предел текучести сго.2 = 120 МПа;
относительное удлинение 8 = 50 %; от­
При термической обработке в резуль­
тате фазовых изменений и структурных
превращений в стали могут присутство­
носительное сужение у = 80 %; твердость
по Бринеллю НВ 80 ... 90 при содержании
углерода в твердом растворе 0,006 %.
146
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Мартенсит - неравновесный пере­
сыщенный твердый раствор углерода в
а-железе с той же концентрацией, что и у
исходного аустенита, т.е. образующийся
твердый раствор может содержать углеро­
да на два порядка больше нормальной
растворимости в а-железе. Мартенсит
имеет тетрагональную объемно-центрированную решетку (см. рис. 1.18, в). Тетрагональность мартенсита обусловлена
внедрением атомов углерода в октаэдри­
ческие междоузлия решетки железа. Чем
выше содержание углерода в стали, тем
сильнее выражена тетрагональность ре­
шетки мартенсита (соотношение парамет­
ров решетки с/а > 1). Отношение периодов
с/а и значение параметра решетки с воз­
растают с увеличением содержания угле­
рода, а величина а несколько уменьшает­
ся:
с/а = 1 + уР\ с = ао + а Р; а = а о - РР,
( 11.21)
где Р - массовая доля углерода в твердом
растворе; ад « 0,3 нм - параметр решетки
а-железа; у = 0,046 Я 0,001, а = 0,116 ±
± 0,002 и Р I 0,013 ± 0,002 - коэффициен­
ты.
Соотношения (11.21) достаточно хо­
рошо выполняются для высокоуглероди­
стых и низколегированных малоугле­
родистых сталей. В закаленной стали с
содержанием углерода 1,78 % отношение
осей с/а достигает 1,08.
При значительном легировании ста­
лей Щ и А1 обнаружено аномальное воз­
растание, а при легировании Мп - умень­
шение соотношения с/а в зависимости от
содержания углерода. Следовательно,
можно предположить, что при образова­
нии мартенситной структуры в стали, ле­
гированной № и А1, константа кристалло­
графической анизотропии будет несколько
выше, чем в углеродистых сталях, и, ви­
димо, следует ждать дополнительного
увеличения коэрцитивной силы при леги­
ровании закаленной стали этими элемен­
тами. Присутствие в стали марганца, на­
оборот, должно сопровождаться некото­
рым снижением коэрцитивной силы.
Микроструктура мартенсита пред­
ставляет собой кристаллы в форме пла­
стинок, пересекающихся между собой под
углами 60 и 120°. Кристаллы мартенсита
редко попадают полностью в плоскость
шлифа, поэтому они просматриваются на
шлифах, особенно в высокоуглеродистых
сталях, в виде игл, и к ним иногда приме­
няют термин "игольчатый мартенсит". Для
средне- и малоуглеродистых сталей с вы­
сокой температурой начала мартенситного
превращения характерно образование па­
кетного или реечного мартенсита, т.е. на­
блюдаемый кристалл мартенсита сос-тоит
как бы из отдельных пластин, соеди­
ненных между собой посредством малоуг­
ловых границ. В пакетном мартенсите могут
существовать тонкие прослойки остаточно­
го аустенита шириной 10 ... 50 нм, которые
располагаются преимущественно на грани­
цах реек или между пакетами в исходном
аустенитном зерне.
Размеры кристаллов (игл) мартенсита
зависят от диаметра исходного зерна ау­
стенита. Как правило, кристалл мартенси­
та, который образуется первым, имеет
наибольшие размеры, а последующие,
стесненные в своем развитии, - меньшие.
Если исходное зерно аустенита было мел­
ким, то возникает так называемый бес­
структурный мартенсит, истинное строе­
ние которого не выявляется металлогра­
фическим методом. Средние размеры кри­
сталла мартенсита: длина 300 ... 400 нм,
ширина 25 ... 40 нм, толщина 5 ... 6 нм.
Для мартенсита характерны доста­
точно высокие твердость и прочность,
которые зависят от содержания углерода в
пересыщенном твердом растворе. Для ма­
лоуглеродистого мартенсита с содержани­
ем углерода 0,015 % ств 1 1000 МПа, а при
содержании углерода 0,6 ... 0,8 % ов =
= 2600 ... 2700 МПа Для углеродистых
сталей твердость составляет 62 ... 65 ИКС,
что примерно в 5 ... 6 раз больше твердо­
сти феррита. Однако с повышением проч­
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
а-железа (примерно на 2 ... 4 %) с тем же
содержанием углерода.
Аустенит сплава Ре-С 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 РезС.
Цементит ферромагнитен при низких
температурах. Температура Кюри цемен­
тита 210 °С, намагниченность насыщения
М5 « 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-
148
Глава 11. ВЗАИМОСВЯЗЬ МАГНИТНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ющийся в цементите в больших количест­
вах. Растворение атомов кобальта и нике­
ля в цементите приводит к снижению
удельной намагниченности насыщения.
Цементит имеет высокие значения кон­
стант кристаллографической анизотропии:
К\ = 1,18 ■105Дж/м3 и Кг = 3,94 • 105Дж/м3.
Высокая анизотропия приводит к
магнитной одноосности частиц цементита.
Наблюдаемые домены имеют различную
ширину - (5 ... 100)10'8 м. Направления
легкого намагничивания в частицах це­
ментита совпадают с осью [001], а трудно­
го - с осью [010]. Теоретические оценки
дают толщину доменной границы порядка
8 нм. Коэрцитивная сила цементита долж­
на быть очень высокой, гораздо выше ко­
эрцитивной силы мартенсита. Различие
магнитных свойств матрицы и цементита
приводит к тому, что присутствие вклю­
чений цементита в стали оказывает силь­
ное влияние на процессы намагничивания
и перемагничивания сталей. Помимо це­
ментита в сильно легированных сталях
присутствуют специальные карбиды с фи­
зическими свойствами, отличными от
свойств цементита.
11.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ
МЕХАНИЧЕСКИМИ И
МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Упрочнение отдельных фаз стали за­
ключается в увеличении сопротивления
пластическому деформированию, которое
определяется перемещением дефектов
кристаллической решетки - дислокаций.
Различают несколько дислокационных ме­
ханизмов упрочнения, связанных с умень­
шением подвижности дислокаций.
Вклад механизмов торможения сколь­
зящих дислокаций в общий условный пре­
дел текучести ферритно-перлитных сталей
приближенно можно представить как
сумму следующих компонент:
Оо,2 = Сто + ДСТт.р | Дстп | Дстд.ч I ДСд I ДСТф ,
( 11.22)
где Со - напряжение трения решетки а-железа; Дат.Р- упрочнение твердого раствора
феррита растворенными в нем легирую­
щими элементами; Дстп - упрочнения за
счет образования перлита в нормализо­
ванных ферритно-перлитных сталях либо
сорбита в улучшаемых сталях; Дстдч - уп­
рочнение дисперсионными частицами;
ДсУд - упрочнение за счет повышения
плотности дислокаций; Дагр - зерногра­
ничное упрочнение.
Эффект упрочнения твердого раство­
ра при легировании определяется пара­
метрами несоответствия атомных разме­
ров и модулей упругости растворителя и
растворенного вещества. Для оценки уп­
рочнения, зависящего от этих факторов,
обычно пользуются формулой
П
Д а ,р = ] Г * , С , ,
(11.23)
1 =1
где К{ - коэффициент упрочнения а-железа при легировании каким-либо элемен­
том с массовой долей 1 %; С, - концентра­
ция элемента, растворенного в а-железе.
Упрочняющее действие атомов внедрения
выше, чем атомов замещения.
Упрочнение за счет перлитной со­
ставляющей можно определить по форму­
ле
Дстп=0,24/>п,
(11.24)
где Рп - массовая доля перлита, %.
Присутствие в стали когерентно и
некогерентно связанных с матрицей
включений приводит к упрочнению (дис­
персионному) стали вследствие торможе­
ния скользящих дислокаций на этих де­
фектах. Например, для некогерентных
карбидных частиц наилучшее согласие с
экспериментом дает расчет дисперсионно­
го упрочнения по механизму Орована:
д
СЪ
“ =
(ь -к)
,л* ч
~2Ь~'
<И-25)
где а! - константа; Ь - усредненное рас­
стояние между частицами; К - усреднен­
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:
сгд ~сх х СЬл[Л.
(11.26)
Повышение прочности за счет границ
зерен в материале можно определить как
(11.27)
где К - коэффициент, зависящий от угла
разориентации границ, степени упрочне­
ния границ частицами карбидной фазы;
- средний размер зерна.
При оценке состояния упрочнения
мартенсита следует учитывать также
влияние дальнодействующих напряжений:
Аодм = — Е ,
а
(11.28)
где Аа/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:
о = <тмСм + схаСа ,
(11.29)
где <тм, См и ста, Са — 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 (То,2 и Нс пропорциональны
. Рост
микронапряжений в стали и увеличение
объема перлитной составляющей в струк­
туре стали сопровождаются повышением
Не и СУ0.2. Для перлита пластинчатой фор­
мы Нс ~ V, для зернистой - Яс ~ V27 (см.
рис. 11.2), тогда как значение сто,2 не зави­
сит от его формы (оо,2 ~ V). Увеличение
размера зерна сопровождается снижением
как Со,2, так и Нс, при этом Нс ~ \/6, а
СТ0>2~ II
.
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
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРН О-Ф АЗОВЫ Х И ЗМ ЕН ЕН И И
П РИ ТЕРМ ИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Н А М АГН И ТН Ы Е,
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И М ЕХАН ИЧЕСКИЕ С В О Й С Т ВА СТАЛЕЙ
При термической обработке изменя­
ется внутреннее строение (микрострукту­
ра) стали, в результате чего изделия при­
обретают определенные физико-механи­
ческие свойства. Основные технологиче­
ские операции термической обработки:
отжиг, нормализация, закалка, отпуск и
старение.
12.1. ОТЖИГ СТАЛЕЙ
В черной металлургии наиболее рас­
пространенным видом термической обра­
ботки, позволяющей получить необходи­
мые физико-механические свойства ме­
таллопродукции, является отжиг. Разли­
чают следующие виды отжига: гомогени­
зирующий, рекристаллизационный, отжиг
для уменьшения напряжений, сфероидизирующий, нормализационный.
Основные параметры первых трех
видов отжига - температура нагрева и
время выдержки. Микроструктура стали
последующих видов отжига зависит от
степени переохлаждения аустенита и ре­
жима охлаждения.
Гомогенизирующему (диффузионно­
му) отжигу для уменьшения внутрикристаллитной ликвации подвергают слитки
высококачественной легированной стали.
Из углеродистых сталей только автомат­
ные стали подвергают гомогенизации. Для
этого вида отжига, проводимого при вы­
сокой температуре, вследствие большого
времени выдержки, необходимой для пол­
ного протекания диффузионных процес­
сов в стали, характерно увеличение зерна,
которое сопровождается изменением маг­
нитных свойств стали. Часто гомогениза­
цию совмещают с операцией нагрева
слитков перед обработкой давлением, уве­
личивая длительность выдержки при на­
греве.
Рекристаллизационный отжиг прово­
дят в целях восстановления пластичности
стали после деформации: холодной про­
катки листов и лент, холодного волочения
труб, прутков и проволоки, холодной
штамповки и других видов холодной об­
работки давлением. При таком способе
отжига холоднодеформированной стали,
варьируя способы обработки, одновре­
менно можно достичь измельчения или
укрупнения (если это требуется) зерна.
Свойства холоднокатаной и отожженной
сталей зависят от технологии выплавки,
химического состава, технологии горячей
и холодной прокатки, температуры
отжига.
Горячекатаные стали поставляются
как в термически обработанном состоянии
(отожженном, нормализованном), так и
без термической обработки (низкоуглеро­
дистые стали). В последнем случае основ­
ными факторами, определяющими физи­
ко-механические свойства сталей, являют­
ся химический состав, температуры конца
прокатки и смотки в рулон. Влияние ука­
занных факторов на магнитные и механи­
ческие свойства низкоуглеродистых ста­
лей подробно изучено сотрудниками
ИФМ УрО РАН, что позволило применить
коэрцитиметрические методы для контро­
ля прочностных и пластических свойств
проката.
У низкоуглеродистых сталей с по­
вышением температуры отжига до 400 °С
механические свойства изменяются незна­
чительно (рис. 12.1), так как в этом интер­
вале особых изменений микроструктуры
не наблюдается. Уменьшение внутренних
напряжений в металле вызывает снижение
ОТЖИГ СТАЛЕЙ
коэрцитивной силы Нс и остаточной ин­
дукции Вг. Максимальная
и начальная
рнач 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. рекристаллизационными 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 (7) 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, Н с) 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 Вг незначительно
152
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
уменьшаются. Структура образцов в дан­
ном интервале температур отжига пред­
ставлена в основном сорбитом и пластин­
чатым перлитом (сталь 35), сорбито­
образным и пластинчатым перлитом (ста­
ли 45 и 50) с вытянутыми, деформирован­
ными прокаткой зернами и ферритной
полосчатостью. При температуре отжига
выше 500 °С в структуре образуется то­
чечный и зернистый перлит.
В интервале температур отжига
550 ... 800 °С, в котором указанные стали
приобретают требуемые механические
свойства, магнитные (Нс, Вп цмах) и меха­
нические (твердость НВ и предел прочно­
сти ств) свойства имеют одинаковый ха­
рактер изменения в зависимости от темпе­
ратуры отжига. При температурах отжига
более 800 °С магнитные свойства облада­
ют высокой чувствительностью к измене­
ниям структуры, что создает благоприят­
ные условия для отбраковки магнитными
методами структур перегрева металлопро­
дукции при отжиге.
Одинаковый характер зависимости
физико-механических свойств от темпера­
туры рекристаллизационного отжига на­
блюдается и у холоднокатаных листовых
сталей 65Г и 30ХГСА, что также свиде­
тельствует о возможности контроля отжи­
га этих сталей по магнитным параметрам
(Нс, Вг).
Магнитные и механические свойства
горячекатаных тонколистовых среднеуг­
леродистых (35, 40, 45 и 50), низколегиро­
ванных (65Г) и легированных (ЗОХГСА)
сталей при температурах отжига выше
600 °С имеют почти тот же характер из­
менения, что и у холоднокатаных сталей
указанных марок (см. рис. 12.1). Следова­
тельно, существует возможность контроля
механических свойств данных сталей по­
сле технологического отжига (например,
отжиг стали ЗОХГСА осуществляется при
650 ... 675 °С по величинам остаточной
индукции или коэрцитивной силы).
Изучение закономерностей связи маг­
нитных и механических свойств сталей
различных классов позволило предложить
ряд методик неразрушающего определе­
ния механических свойств проката. На
предприятиях черной металлургии и ма­
шиностроения наибольшее распростране­
ние получили
коэрцитиметры типа
КИФМ, КРМЦ и импульсные магнитные
анализаторы типа ИМА, с помощью кото­
рых контролируется свыше 30 млн т про­
ката и труб.
При внедрении указанных приборов
для учета конкретных особенностей тех­
нологического процесса на предприятии
проводятся сбор и обработка статистиче­
ских данных. Для каждого типоразмера
проката и конкретной марки стали по
уравнениям регрессии рассчитывают зна­
чения контролируемых параметров (пре­
дела текучести, предела прочности, отно­
сительного удлинения) для построения
градуировочных кривых или таблиц соот­
ветствия между показаниями приборов и
механическими свойствами.
При большом ассортименте видов и
марок проката задача внедрения магнит­
ных методов контроля его механических
свойств становится трудоемкой. Сроки
внедрения приборов НК можно значи­
тельно сократить заменой большого числа
парных корреляционных зависимостей
меньшим числом множественных регрес­
сионных моделей, учитывающих одно­
временно марку стали, толщину и химиче­
ский состав проката. Эта задача может
решаться поэтапно.
Отжиг для снятия остаточных на­
пряжений применяют в целях уменьшения
внутренних напряжений в стали, возни­
кающих не только вследствие неравно­
мерного охлаждения после высокотемпе­
ратурных технологических операций горячего деформирования, сварки, но и
после холодного деформирования и прав­
ки. Магнитные свойства чувствительны к
холодному пластическому деформирова­
нию - наклепу (например, коэрцитивная
сила при наклепе стали 20 повышается
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 перед 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. НОРМАЛИЗАЦИЯ
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, Юсп, 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 (Гм*), 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 Лез, а для заэвтектоидных сталей -
154
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
на 30 ... 50 °С выше точки Ас| Некоторый
перегрев вызван тем, что диаграмма желе­
зо-углерод справедлива для очень мед­
ленного нагрева. При быстром нагреве под
закалку, например при индукционном,
превращение перлита в аустенит происхо­
дит при более высоких температурах.
Выбор температуры закалки и време­
ни выдержки сильно влияет на качество
термической обработки изделий. Образо­
вавшийся при нагреве стали аустенит, как
правило, неоднороден даже в объеме од­
ного зерна. В тех местах, где были пла­
стинки (зерна) цементита, содержание
углерода выше, чем там, где находились
пластинки феррита. Чтобы ликвидировать
эту неоднородность, необходимо нагреть
сталь выше температуры перлитноаустенитного превращения и сделать вы­
держку при этой температуре для завер­
шения диффузионных процессов внутри
аустенитного зерна.
Если температура будет недостаточ­
но высокой (недогрев при закалке), то ос­
танется большое количество нерастворенных карбидов. Твердый раствор будет
обеднен углеродом и легирующими эле­
ментами (в случае легированных сталей).
Это приведет к тому, что в некоторых
наиболее обедненных участках мартенситного превращения не произойдет. При
малой скорости охлаждения в этом месте
образуется структура троостита закалки,
для которой характерны пониженные зна­
чения твердости, коэрцитивной силы и
электрического сопротивления. Если объ­
ем образовавшегося троостита будет дос­
таточно большой, то, измеряя магнитные и
электрические характеристики, можно
выявить его наличие в структуре закален­
ной стали.
Высокая температура нагрева (пере­
грев при закалке) способствует росту зер­
на аустенита и переходу большинства
карбидов в твердый раствор. При закалке
в крупных зернах аустенита получается
очень грубая крупноигольчатая структура
мартенсита, что является одним из видов
брака при закалке, поскольку ударная вяз­
кость при наличии структур такого типа
снижается. Исходная структура стали
(форма и дисперсность карбидов) сильно
влияет на величину зерна аустенита, кото­
рая оказывает последующее влияние на
структуру мартенсита, образующегося при
закалке. Поскольку основным структур­
ным элементом, в котором начинается
разрушение высокопрочной стали, являет­
ся мартенситный пакет, уменьшение раз­
меров зерна аустенита и соответственно
размеров мартенситных кристаллов и па­
кетов сопровождается одновременным
повышением прочности, пластичности и
сопротивления хрупкому разрушению.
Влияние исходной структуры стали
можно проследить на примере высокоуг­
леродистых инструментальных и подшип­
никовых сталей. Наличие в исходной
структуре стали ШХ15 однородного мел­
копластинчатого перлита приводит к об­
разованию в процессе закалки бесструк­
турного мартенсита с грубым строением.
При этом возможно сохранение карбидной
сетки при ее наличии до закалки.
Влияние скорости охлаждения тесно
связано с мартенситным превращением в
сталях при закалке. Превращение аустени­
та в мартенсит заключается только в из­
менении решетки твердого раствора. Оно
происходит без изменения концентрации
твердого раствора и является бездиффузионным. Сохраняется также строгая кри­
сталлогеометрическая связь между решет­
ками мартенсита и исходного аустенита.
Превращение связано с незначительным
смещением атомов железа (не более одно­
го межатомного расстояния) без обмена
их местами, причем атомы углерода, на­
ходящиеся в октаэдрических порах гранецентрированной решетки аустенита, попа­
дают в октаэдрические поры объемноцентрированной тетрагональной решетки
мартенсита.
Такой закономерный сдвиговый ха­
рактер перестройки атомов вызывает по­
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 Мн, 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 < МИвызывает 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 ау­
стенит.
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
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 34ХНЭМ (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.
в. Тл
Рис. 12.2. Кривые намагничивания и
проницаемости тороидальных образцов из
стали Э4ХНЗМ, закаленных от разных
температур, °С:
1 - 700; 2 - 725; 3 - 750; 4 - 800; 5 - 850;
Ч- 900 (закалочная среда - масло при / = 20 °С)
Рис. 12.3. Петли частного цикла магнитного гистерезиса (в ти = 1,0 Тл)
для тороидальных образцов из стали 34ХНЗМ, закаленных от разных температур
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
Рис. 12.4. Зависимости магнитострикции
закаленных образцов из стали 34ХНЗМ
от индукции и магнитострикции,
измеренной при В = 1,4 Тл, от температуры
закалки, °С:
1 - 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 0,885М, 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 Асз 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 Ас\,
158
и
* шах
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Нц щах’, А/см
Рис. 12.5. Зависимости физико­
механических характеристик сталей марок
30 (/), 45 (2) и 50РА (5) от температуры
закалки (закалочная среда - масло при
/ = 20 °С)
превращение перлита в аустенит не про­
исходит и при охлаждении мартенсит не
образуется.
С увеличением в структуре стали ко­
личества мартенсита твердость НК.С воз­
растает. При температурах закалки 800 ...
850 °С твердость достигает максимально­
го значения и далее не изменяется. Намаг­
ниченность насыщения отражает измене­
ния, происходящие в фазовом составе ста­
ли. Снижение М5 (см. рис. 12.5) в интерва­
ле температур 750 ... 850 °С связано с по­
явлением в структуре закаленной стали
остаточного аустенита. Удельное электри­
ческое сопротивление р с повышением
температуры закалки до 800 ... 850 °С
растет, что связано с повышением содер­
жания углерода в пересыщенном твердом
растворе и появлением некоторого коли­
чества остаточного аустенита. При темпе­
ратуре выше 800 ... 850 °С значение р, как
и НК.С, практически не изменяется, по­
скольку при этих температурах закалки
весь углерод переходит в твердый раствор.
Присутствие постоянного для этих темпе­
ратур закалки количества остаточного
аустенита не влияет на характер зависи­
мости р от Гза*.
В закаленном состоянии наведенная
эффективная магнитная анизотропия ста­
ли с мартенситной структурой оказывает­
ся существенно выше по сравнению с
магнитной анизотропией стали в исход­
ном состоянии. Значение константы эф­
фективной анизотропии зависит от доли
углерода в пересыщенном твердом рас­
творе и уровня микронапряжений, поэто­
му в соответствии с теорией напряжений
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.
Кроме указанных факторов на значе­
ние коэрцитивной силы закаленной стали
может влиять степень магнитного взаимо­
действия кристаллов мартенсита между
собой, которая зависит от содержания ос­
таточного аустенита в стали. Присутствие
в этих сталях до 8 % остаточного аустени­
та, играющего роль неферромагнитных
прослоек, затрудняет процессы намагни­
чивания и перемагничивания закаленных
сталей и тем самым приводит к росту аб­
солютного значения Нс. Увеличить коэр­
цитивную силу может также и неоднород­
ность мартенсита.
Закалка сталей от температур 800 ...
850 °С и выше не изменяет магнитные
свойства стали, поскольку практически
весь углерод переходит в твердый раствор,
параметры решетки мартенсита стабили­
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 М5 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 Асэ 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 М5
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 Тзяк — 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.
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
160
р, мкОм-см
р р , мкОм-см р, мкОм-см
р, мкОм-см
р, мкОм-см
НКС Р> мкОм-см
■450 31|-»^>-оо.
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 (3);
е - 45ХН (закалочная среда - масло при / = 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-механических свойств происходит в относи­
тельно узком диапазоне температур: Т^к =
= 700 ... 750 °С, поскольку интервал Ас\-Асз
примерно соответствует 720... 770 °С. У ста­
ли 17ХН2 (рис. 12.6, д) интервал Ас\-Асз
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 НКС и М5.
Для стали 45ХН (рис. 12.6, е ) интер­
вал Ас\-Асз очень узок (740 ... 755 °С),
поэтому все исследованные физико­
механические свойства интенсивно меня­
ются в интервале Тмк = 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, ЗОХГСА, 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 сопро-
161
А/Т0'2,
А/см
Я
9
Рис. 12.7. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
25ХГСА (7), ЗОХГСА (2), 35ХГСА (3)
от температуры закалки
(закалочная среда - масло при I - 20 °С)
тивления, твердости и снижением намаг­
ниченности насыщения.
Хромоникелъмолибденовые стали 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
М - 10-2, А/см
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 (5) от температуры закалки (закалочная
среда - масло при / = 20 °С)
нения
намагниченности
насыщения
(рис. 12.8), заключающаяся в появлении
минимума Ма 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
Ч'Ю ^А/см
Рис. 12.9. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
34ХНЗМ (/) и 40ХН2М (2) от температуры
закалки (закалочная среда - масло
при / = 20 °С)
содержится остаточного аустенита на 2 ...
4 % больше, чем при закалке в масле. Не­
большой минимум В5 при Т1ак = 780 ...
850 °С наблюдается и для стали 18ХНМА
(причины образования минимума М5 об­
суждаются ниже). Различия в исходной
структуре стали 18Х2Н4ВА оказывают
заметное влияние на структурно-чувст­
вительные магнитные характеристики при
Тюк ~ 700 ... 875 °С.
Стали 34ХНЭМ и 40ХН2М (рис. 12.9)
по закономерностям изменения магнит­
ных, электрических свойств и твердости
163
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
650 750
850
Тзак7,°С
а)
750
850
950
б)
Тзаж",°С
Рис. 12.10. Зависимости физико-механических
характеристик сталей от температуры закалки:
а - 20ХФНА (1) и 30ХН2МФА (2); б - 45ХНФМА (закалочная среда - масло
при I = 20 (а) и (30 ± 2) °С (б))
от температуры закалки близки к сталям
35ХМ и 45ХН. Представляет интерес из­
менение потерь энергии на перемагничивание в зависимости от температуры за­
калки. В слабых магнитных полях
(5тах = 0,05 Тл) потери энергии на перемагничивание с увеличением температуры
закалки убывают, в средних (Втах =1,0 Тл)
имеют закономерности, аналогичные за­
кономерностям изменения Нс от Тж\ в
сильных магнитных полях (5тах =1,9 Тл)
они опять убывают.
Хромоникелъмолибденованадиевые и
хромоникельванадиевые 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
Гзак = 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 Т’звк = 700 ... 800 °С. Минимум на
кривых М/Тэяк) при 750 °С (см. рис. 12.10, а)
свидетельствует о том, что образовавшийся
164
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Л/ТО'2, А/см
свой рост до Гза1С = 950 °С, что свидетель­
ствует о довольно широкой температур,
ной области растворения карбидов вана­
дия. Для М3 в области Тшк = 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 (/), 23СГМ (2) и 35СГМ (3) от
температуры закалки (закалочная среда масло при / = 20 (7,2) 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
Гзак = 780 ... 800 °С некоторого значения,
далее изменяются несущественно. Такие
параметры, как коэрцитивная сила, поле
максимальной проницаемости и твер­
дость, при нагреве до 7 ^ = 800 °С возрас­
тают, а затем незначительно умень­
шаются. Кривые изменения р продолжают
широкая область изменения физических
свойств в диапазоне 7 ^ = 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 Гза1С = 900 °С, для сталей
23СГМ и 35СГМ —на 800 °С. Для стали
35СГМ, с наибольшим количеством ау­
стенита, в области температур образова­
ния минимума М5 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
Тзак = 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 -
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
165
Рис. 12.12. Зависимости физико-механических характеристик
сталей 60С2А (1 ) и 65Г (2) от температуры закалки (закалочная среда - масло
при / = 20 (/) и 30 °С (2))
углеродистые и легированные. В углеро­
дистых сталях с содержанием углерода
0,65 ... 0,85 % после окончательной тер­
мической обработки ств < 1150 МПа, а
Оо,2 ^ 800 МПа. В легированных рессорно­
пружинных сталях с повышением содер­
жания углерода о, 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, о)
аналогичны наблюдаемым для доэвтектоидных 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 Гмк = 780 ... 820 °С (см. рис. 12.12, а).
При
т 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 (Гзак = 820 ... 850 °С) не приводит к
существенному изменению физико-меха­
нических свойств. Как и в случае стали
34ХНЭМ, 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'эак = 700 ... 800 °С для заэвтектоидных и эвтектоидных 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 (5 = 0,3 ... 1,0 Тл), как
и для доэвтектоидных сталей. Увеличение
Т’зак эвтектоидной стали У8 выше 850 °С к
изменению Нс, Цпшх, М5 и р не приводит,
поскольку при этих температурах не на­
блюдается существенных структурных
изменений и фазовых превращений.
В заэвтектоидных сталях У9А, У10 и
У 12 закалка от температур выше 800 °С
вызывает неоднозначное изменение маг­
нитных характеристик Нс, Рв/г, Нишах. При
Т’зак - 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 М5в
зависимости от Тзах 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, У10 и У12 с
повышением температуры закалки намаг­
ниченность насыщения убывает (для У9А,
У 10 до Гзак 1 900 °С, для У 12 до 950 °С).
Снижение М5 при увеличении Гзд 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, о) и У9А оно воз­
растает до
= 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.
Рис. 12.13. Зависимости физико-механических
характеристик углеродистых сталей от температуры закалки:
а-У8 (/), УЮ(2), У12 (3); 6 - 9 Х (/), 9X2 (2) (закалочная среда - масло при / = 20 °С)
Легированные углеродистые стали.
Из сталей 9Х и 9X2 изгот овляю т 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 Нсв зависимости от Тш выра­
жен не так явно, как в заэвтектоидных
углеродистых сталях, и смещен в область
больших температур закалки. Некоторое
снижение твердости стали при Тш > 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. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Рис. 12.14. Зависимости физикомеханических характеристик стали
ШХ15СГ от температуры закалки для
разных исходных структур:
/ - крупнозернистый перлит; 2 - зернистый
перлит; 3 - 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 ШХ15 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
! 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 Мн 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 М5 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 Гик (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 ШХ15СГ НВ 1 7 9 ... 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 ШХ15 и ШХ15СГ 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 НК.С смещаются в область более
низких температур закалки, а при Гм* =
= 750 ... 1000 °С увеличивается количест­
во остаточного аустенита.
170
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
12.1. Физические свойства сталей ШХ15 (в числителе) и
ШХ15СГ (в знаменателе) в исходном состоянии
НВ
Нс, А/см
Цтах
Крупнозерни­
стый неодно­
родный пер­
лит
176 ±5
187±5
7.44 ±0.56
6,88 + 0,64
565 ±30
565 ±35
14 050 ±50
13790140
Зернистый
однородный
перлит
191 ±3
202 ±3
8.8 ±0.16
8,8 ±0,24
530 ±10
550 ± 10
14 050 ±50 20.9 ± 0 2
13 800 ±30 27,6 ± 0,33
Зернистый
перлит с кар­
бидной сет­
кой
194±6
205 ±3
9.0 ±0.66
9,36 ±0,16
420 ±10
420 ±10
14 100±40
13 830 ±30
212 ± 0 2
27,8 ± 03
107 ±3
39±2
Грубопластин­
чатый перлит с
карбидной сет­
кой
268 ±5
255 ±10
11.68 ±032
16,64±0,4
220 ±5
245 ±10
14 220 ±60 22.8 ± 0 2
14 070 ± 10С 28,8 ±0,3
85 ±15
35 ±3
Пластинча­
тый перлит
_
260 ±10
"_
15,76±0,56
235 ±5
12.3.6. Высоколегированные стали
Механизм мартенситного превраще­
ния аустенита в легированных сталях тот
же, что и в углеродистых, однако кинетика
превращений в них различается, и в неко­
торых случаях существенно. Легирование
стали элементами, не образующими кар­
бидов, оказывает количественное влияние
на процессы превращения. Они могут ус­
корять его (Со) или замедлять (№, Си, А1).
Карбидообразующие легирующие элемен­
ты, кроме того, вносят качественные из­
менения в кинетику изотермического пре­
вращения. Большинство легирующих эле­
ментов повышает устойчивость аустенита
и снижает точку начала мартенситного
превращения (за исключением Со и А1). В
легированных сталях характер изменения
магнитных свойств от температуры закал­
ки во многом определяется тем, какими
элементами и в каком количестве легиро­
вана стань. Понижение температурного
_
М3 • 10~2,
р, мкОм ■см ТермоЭДС,
(/ = 20 °С)
усл.ед.
Микрострук­
тура
А/см
_
20.9 ±0.3
27,6 ±0,4
117±3
45±3
117±3
44 ±2
_
14 000 ± 50 29,5 ±0,5
45 ±3
интервала мартенситного превращения в
зависимости от степени легирования
влияет на количество остаточного аусте­
нита в сталях.
Хромистые стали. Наиболее распро­
страненными хромистыми сталями данно­
го класса являются стали типа Х13. На
примере стали 20X13 (рис. 12.15) рас­
смотрим изменение физико-механических
свойств при вариации температуры закал­
ки. Оптимальная температура закалки 1010 ... 1015 °С. При этих значениях Тт и
последующем отпуске сталь приобретает
наилучшие механические свойства. Леги­
рование стали хромом сопровождается
увеличением его содержания в твердом
у-растворе при повышении температуры
аустенизации, что, в свою очередь, приво­
дит к непрерывному росту количества ос­
таточного аустенита. При этом намагни­
ченность насыщения уменьшается, а
удельное электрическое сопротивление
171
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
М5Л 01,7А/см
А /10'2, А/см
р, мкОм-см
65
51V
НС , А/см
35
тНКА
700 750 800 850 900 950 10001050 Г ,°С
Рис. 12.15. Зависимости физикомеханических характеристик стали 20X13
двух плавок от температуры закалки:
1 - 0,21 % С, 0,48 % 81,0,26 % Мп, 12,8 % Сг,
0,21 %№, 0,009 % 8, 0,026 % Р; 2 - 0,23 % С,
0,68 % 81,0,29 % Мп; 13,1 % Сг, 0,15 % №,
0,015 % 8,0,020 % 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, Де)7Сз и (Сг, Ре)гзСб. Молибден и
вольфрам способствуют образованию кар­
бида МегзСб вместо карбида МеуСб.
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 Мв7Сз, а за­
тем карбиды типа Ме^Св. При этом кон-
Рис. 12.16. Зависимости физико­
механических характеристик сталей
Х12М (/) и Х12Ф1 (2) от температуры
закалки на воздухе (/, 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 НКС в ин­
тервале Гзак= 850 ... 1000 °С.
При Ги* > 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
М„ и Мк. Так, для Гдак = 950 °С М„ = 300 °С
И и N -20 °С, а для Гзак= 1200 °С М и = 0 °С
и Мк - -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 М,), что
172
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
р, мкОм-см
Рис. 12.17. Зависимости физико­
механических характеристик сталей Р9 (7) и
Р9К5 (2) от температуры закалки
(закалочная среда - масло при ( = 20 °С)
оказывает существенное влияние на физико-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: НК.С 56 ... 57 для ста­
ли Х12Ф1 и НК.С 63 ... 64 для стали Х12М,
а затем снижается. При этих температурах
закалки в стали Х12М 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 Тж =
= 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 Х12Ф1 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 НК.С, Нс и р для
этих сталей с повышением температуры
аустенизации растут. Коэрцитивная сила
претерпевает наибольшие изменения при
Гзак > 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, а |лтах
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 МвбС связано относительно неболь­
шое количество углерода (до 0,1 % С на
1 % \У). 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 ИКС 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 ХВ5 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. Мартенситно-стареющие и
аустенитно-мартенситные 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-
174
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
А/-10'2,
I
’ А/см
Рис. 12.18. Зависимости физико­
механических характеристик стали ЧС5ВИ
от температуры закалки (закалочная среда воздух; состав стали: 0,01 % С, 18,3 % №,
0,78 % И , 3,33 % Мо)
точно высоким сопротивлением развитию
трещины. Этим требованиям удовлетво­
ряют мартенситно-стареющие стали, ко­
торые упрочняются в два этапа: за счет
получения мартенситной структуры в ре­
зультате у —> а-превращения и последую­
щего старения. Мартенситно-стареющие
стали являются безуглеродистыми (со­
держание С не превышает 0,03 %), поэто­
му мартенсит этих сталей отличается от
мартенсита углеродистых сталей. В ре­
зультате закалки мартенсит стареющих
сталей остается мягким, а его упрочнение
происходит в процессе старения. В отли­
чие от углеродистых сталей скорость ох­
лаждения не оказывает влияния на пре­
вращение аустенит-мартенсит. Даже при
скоростях охлаждения 1 °С/с температура
превращения в мартенситно-стареющих
сталях была настолько низкой, что можно
говорить о чисто мартенситном превра­
щении. Чтобы мартенсит сплава Ре-№
приобрел способность упрочняться, в
двойную систему необходима добавка
ряда элементов (Мо, Л , А1 и др.), которые
в процессе старения способствуют образо­
ванию интерметаллидных упрочняющих
фаз.
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
= 700 ... 800 °С
(см. рис. 12.18, кривая М5). 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, для ЧС25ВИ Мк = 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 М5 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 13Х15Н4АМЭ-П1 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 трехсгупенчатого 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
М,), 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
М-10'2, А/см
Рис. 12.19. Зависимости физико­
механических характеристик стали
13Х15Н4АМЭ-Ш от температуры закалки и
последующей обработки (закалочная среда —
вода при / = 20 °С)
при этом твердость практически не изме­
няется. Минимальному содержанию оста­
точного аустенита в интервале
= 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 5-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
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
При
* 1050 °С карбидная фаза
растворяется полностью, в результате чего
количество остаточного аустенита в стали
становится постоянным и все изученные
физические свойства при этих температу­
рах практически не изменяются.
12.3.8.
Особенности изменения
намагниченности насыщения при
закалке сталей в интервале температур
А с1~АсЗ
При изучении физических свойств
доэвтектоидных сталей отмечено, что для
ряда конструкционных легированных ста­
лей, закаленных из межкритического ин­
тервала температур Ас\-Асз, наблюдается
существование минимума намагниченно­
сти насыщения. Появление минимума М5
вызвано образованием легированного ау­
стенита, который весьма устойчив при
мартенситном превращении.
При закалке из межкритического ин­
тервала температур количество образо­
вавшегося остаточного аустенита сильно
зависит от температуры нагрева. Значение
максимума остаточного аустенита (мини­
мума М5) и его местоположение зависят от
химического состава стали. Кроме того,
значение этого максимума определяется
исходной структурой стали и скоростью
охлаждения при закалке. Из анализа изме­
нения намагниченности насыщения следу­
ет, что количество образовавшегося оста­
точного аустенита в интервале температур
закалки Ас\-Асз превышает величину, со­
ответствующую закалке от более высоких
температур. Увеличение степени легиро­
вания стали никелем и марганцем приво­
дит к снижению температуры начала об­
разования остаточного аустенита, а также
к смещению максимального содержания
аустенита в область низких температур
закалки, что связано с понижением под
влиянием этих легирующих элементов
нижней границы критического интервала.
Появление минимума намагниченно­
сти насыщения обусловлено образованием
легированного аустенита, очень устойчи­
вого к полному или частичному переох­
лаждению до комнатной температуры. В
этой связи рекомендуется для точного
определения нижней границы критическо­
го интервала конструкционных легиро­
ванных сталей использовать магнитные
методы.
12.3.9. Магнитный структурный анализ
закаленных изделий
Анализ закономерностей изменения
магнитных свойств в зависимости от тем­
пературы закалки указывает на возмож­
ность использования большинства из них
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, пове­
дение которой определяется изменениями
в фазовом составе стали.
Начиная с некоторой температуры
нагрева под закалку дальнейшее ее увели­
чение не приводит к существенному изме­
нению магнитных свойств большинства
сталей. Однако для ряда сталей (см.
рис. 12.5-12.10) при перегреве наблюда­
ются небольшие изменения коэрцитивной
силы, твердости и удельного электриче­
ского сопротивления, по которым судить о
перегреве сталей не представляется воз­
можным. Поскольку физико-механические
свойства закаленной стали при перегреве
практически не изменяются, то можно
предположить, что перегрев доэвтектоид­
ных сталей в каких-то пределах допустим.
Небольшие изменения состава стали
по углероду и легирующим элементам в
пределах марки оказывают в равной мере
влияние на магнитные и прочностные
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 пределах^марки оказывают влияние на элек­
трические и соответственно на электро­
магнитные свойства сталей.
В отличие от доэвтекгоидных, 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
и
зона соответствует оптимальной темперар!
туре закалки). Высокие значения намагни-7.
ченности насыщения и низкие коэрцитивЩ
ной силы свидетельствуют о недогреве,
пониженные значения коэрцитивной силы
до
и низкие намагниченности насыщения —о
ртр
перегреве. Данная методика неразрушаюда
щего контроля качества закалки изделий
те
из заэвтектоидных сталей широко испольотсв
зуется на многих подшипниковых заводах
воя
страны. Одновременно с качеством закал­
ила!
ки она позволяет определить количество
остаточного аустенита в стали после за­
юли
калки.
177
Мз1, Я С7, ИКС
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 доэвтекгоидных и
заэвтектоидных сталей. Так, для магнит­
ных свойств стали 50ХВС (см. рис. 12.6, в)
характерна та же зависимость, что и для
доэвтекгоидных 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 Мх 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-
178
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
мендовать те же магнитные параметры
контроля. Наиболее сильно к колебаниям
химического состава чувствительны ха­
рактеристики М3 и р, в меньшей степени коэрцитивная сила и твердость.
Для сталей Х12М и Х12Ф1 (см.
рис. 12.16) характерно несколько отличное
по сравнению с углеродистыми заэвтектоидными сталями поведение магнитных
свойств при вариации температуры закал­
ки. Анализ закономерностей изменения
магнитных свойств указывает на возмож­
ность контроля качества закалки изделий
из этих сталей. По значениям намагничен­
ности насыщения и коэрцитивной силы
можно судить как о недогреве, так и о пе­
регреве сталей при закалке.
Для контроля качества изделий из
сталей Р9, Р9К5, Р9Ф5 и Р10К5Ф5 можно
использовать намагниченность насыщения
(см. рис. 12.17), поскольку основные из­
менения, происходящие в сталях при ва­
риации температуры закалки, связаны с
изменением количества остаточного ау­
стенита.
Прочностные свойства мартенситностареющих сталей определяются темпера­
турой нагрева и временем выдержки при
аустенизации. Достижение гомогенности
твердого у-раствора приводит к тому, что
при охлаждении образуется чисто мартенситная структура. Присутствие в стали
ЧС5ВИ определенного количества оста­
точного аустенита, свидетельствующего о
недостаточной гомогенизации у-фазы,
можно установить как по намагниченно­
сти насыщения, так и по значению коэр­
цитивной силы (см. рис. 12.18).
В
высокопрочной
коррозионностойкой стали 13Х15Н4АМЗ-Ш переход­
ного аустенитно-мартенситного класса для
получения высоких значений ударной вяз­
кости применяют нагрев под закалку от
1050 ... 1070 °С, поскольку именно при
этих температурах отмечается наиболее
полное растворение карбидов. Измерив
два параметра - намагниченность насы­
щения и удельное электрическое сопро­
тивление (см. рис. 12.19), можно качест­
венно установить, произошло ли раство­
рение карбидов. Когда значение М, мини­
мально, а р относительно велико, можно
считать, что сталь была нагрета при закал­
ке до температур 1050 ... 1150 °С.
Определенное воздействие на уро­
вень физических свойств стали после за­
калки оказывает исходная структура. На­
глядно это можно проследить на примере
сталей 18Х2Н4ВА (см. рис. 12.8) и ШХ15,
ШХ15СГ (см. рис. 12.14), для которых
различие в исходной структуре до закалки
сопровождается различием магнитных и
электрических свойств сталей после за­
калки.
Изменение скорости охлаждения при
закалке (вследствие использования разных
закалочных сред) влияет как на механиче­
ские, так и на магнитные свойства стали
(см. рис. 12.16). Поэтому выбранные ме­
тодики неразрушающего контроля качест­
ва закаленных изделий, как правило,
должны применяться только для закалоч­
ных сред, которые обеспечивают пример­
но одинаковую скорость охлаждения.
Таким образом, магнитные и элек­
трические характеристики сталей могут
широко применяться при разработке ме­
тодов неразрушающего контроля струк­
турно-фазового состояния и прочностных
свойств закаленных сталей различных
классов.
12.4. ОТПУСК СТАЛЕЙ
12.4Л. Структурно-фазовые изменения
при отпуске закаленных сталей
Отпуск - процесс термической обра­
ботки, 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 после­
дующего охлаждения. В результате отпус­
ка получаются более устойчивые структу­
ры по схеме мартенсит-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 тетрагональности 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);
П - твердый раствор с 0,20 ... 0,25 % С,
имеющий меньшую степень тетрагональ­
ности решетки с отношением с/а * 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
тетрагональности 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
тетрагональности 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 тетрагональности решетки
и снижаются внутренние напряжения, что,
в свою очередь, должно сопровождаться
уменьшением удельного электрического
сопротивления и снижением магнитной
жесткости стали.
180
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Превращение
при
температурах
180 ... 260 °С сопровождается увеличени­
ем объема стали и связано с переходом
остаточного аустенита в гетерогенную
смесь со структурой, напоминающей
структуру бейнита, состоящего из пере­
сыщенного твердого раствора и карбидной
фазы. Остаточный аустенит расположен в
виде тонких прослоек толщиной в не­
сколько сотен ангстрем между слоями в
мартенситных пакетах.
Превращение при отпуске (300 ...
400 °С) заключается в превращении е-карбида в цементит. В низкоуглеродистых
сталях (< 0,4 % С) осуществляется пере­
ход е-карбида непосредственно в цемен­
тит. По мнению многих исследователей,
верхняя температурная граница сущест­
вования е-карбида находится в пределах
250 ... 300 °С. В средне- и высокоуглеро­
дистых сталях образование цементита
идет путем постепенного перехода е-кар­
бида в промежуточный ^-карбид, который
в интервале температур отпуска 300 ...
550 °С превращается в цементит. Возмож­
ны также более сложные схемы перехода
^-карбида в цементит.
В легированных сталях в начальный
период отпуска образуется цементит, со­
став которого не отличается от среднего
состава стали по легирующим элементам.
Марганец, хром, вольфрам и молибден
присутствуют в цементите, замещая ато­
мы железа. Марганец замещает железо
неограниченно - от (Ре, Мп)зС до МпзС;
хром - до 18 %, молибден - до 1 % и
вольфрам - до 0,6 %. Более сильные кар­
бидообразующие элементы (V, "П, 7л, НЬ)
практически не присутствуют в цементи­
те. Образование специальных карбидов
обычно связано с измельчением карбид­
ной фазы, что вместе с задержкой разу­
прочнения матрицы вызывает вторичное
твердение.
Четвертое превращение (400 ... 700 °С)
сопровождается интенсивным развитием
процессов коагуляции и рекристаллиза­
ции. При коагуляции карбидов тонкая
ферритно-цементитная смесь (троостит
отпуска) превращается в более грубую сорбит отпуска. Сорбит с повышением
температуры отпуска превращается в пер­
лит отпуска (зернистый перлит), при этом
геометрические размеры карбидных час­
тиц увеличиваются в десятки раз. По мере
увеличения карбидных частиц и уменьше­
ния содержания углерода в стали общая
скорость процесса коагуляции понижает­
ся. Хром, молибден, ванадий, вольфрам
замедляют процесс коагуляции, который
начинает интенсивно развиваться при
температурах выше 450 °С. Никель уско­
ряет коагуляцию. Одновременно с процес­
сом коагуляции происходит рост зерен
феррита, а также уменьшение уровня мик­
ронапряжений. Карбидообразующие эле­
менты (Сг, >У, Мо) затрудняют процессы
рекристаллизации феррита.
Таким образом, при отпуске закален­
ной стали могут происходить следующие
процессы:
1) перераспределение атомов угле­
рода в твердом растворе (мартенсите) перемещение атомов углерода к дислока­
циям, перераспределение их по междуузлиям кристаллической решетки;
2) распад мартенсита с образовани­
ем областей, обогащенных углеродом, а
затем карбидных выделений; изменение
структуры и состава карбидов, их взаимо­
связи с матрицей;
3) превращение остаточного аусте­
нита в зависимости от легирования и тем­
пературного интервала - промежуточное
(бейнитное) и перлитное; превращение
остаточного аустенита при охлаждении
после высокого отпуска (вторичная
закалка);
4) выделение дисперсных частиц
специальных карбидов из твердого рас­
твора (вторичное твердение); изменение
состава и структуры карбидов в легиро­
ванных сталях по мере повышения темпе­
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 б). Карбидные части-
Низкий
отпуск
Средний
отпуск
Высокий
отпуск
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 а-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-
141-
РИС. 12.22. Кривые намагничивания и проницаемости, п о л уч ен н ы е д л я
тороидальных образцов из стали 18ХНВА при разных значениях Тотп, °С :
1-150; 2 - 250; 3 - 450; 4 - 560; 5 - 600; б - 650
Для сталей 12ХНЗА и 30ХН 2М Ф А
ния. Относительно небольшое количество
наблюдается
резкое уменьшение намагни­
остаточного аустенита (см. рис. 12.23,
■ кривыеЦ ) в этих сталях оказывает незна­ ченности насыщения при высоких темпе­
чительное влияние на процессы намагни­ ратурах отпуска (см. рис. 12.23, б, в), что
связано с образованием легированного
чивания и перемагничивания.
Для сталей 10ГН, 18ХНВА, 20ХНФА аустенита.
и 20Х2Н4А при температурах отпуска
В сталях, легированных молибденом
выше 600 °С, а для стали 18ХНМА при и ванадием, твердость при высоких темпе­
температуре 575 °С и выше большинство ратурах отпуска снижается незначительно,
физических характеристик, таких как ко­ поскольку в этих условиях образуются
эрцитивная сила, потери энергии на пере- специальные мелкодисперсные карбиды,
магничивание, максимальная магнитная которые вызывают вторичное твердение.
проницаемость, удельное электрическое
В сложнолегированных сталях типа
сопротивление, возрастают, а максималь­ 12Х2НВФА,
28ХЗСНМВФА-Ш
(см.
ная магнитная проницаемость и потери рис. 12.23, г) магнитные и электрические
энергии на перемагничивание, измерен­ свойства изменяются монотонно с тем пе­
ные в слабых магнитных полях, убывают ратурой отпуска. Изменение механиче­
вследствие частичной закалки сталей при ских характеристик до 7 ^ = 400 °С незна­
этих температурах.
чительно по сравнению с магнитными ха-
1
184
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Рис. 12.23. Зависимости физико-механических характеристик
сталей 1 -й группы от температуры отпуска:
а - 10ГН (7), 18СГМ (2), 20ХГСНМ (3); б - 12ХНЗА (7), 18ХНМА (2), 20ХНФА (3);
в - 18ХНВА (/), ЗОХЗМФ (2), 30ХН2МФА (3); г - 12Х2НВФА (7), 28ХЗСНМВФА-Ш (2)
ОТПУСК СТАЛЕЙ
рактеристиками. 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 М5).
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 Т^ = 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 Мх). 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
- 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
Г™ - 450 ... 700 °С, в стали 12Х2НВФА
при600 ... 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
Тот = 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-раствора 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
100 300 500 700 Тотп , °С
а)
0
200 400 600 Готп7, °С
б)
0
200 400 600 Готп,°С
в)
Рис. 12.24. Зависимости физико-механических
характеристик сталей 2-й группы от температуры отпуска:
а - 30 (1), 35ХМ (2), 40ХС (3); б - 30ХГСА (У) и 35ХГСА (2), 35СГМ (5);
в - 32X06 (/), 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 Не.
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 - М3. 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
187
12.4.4. Средне-, высокоуглеродистые и
легированные стали с содержанием
углерода более 0,4 %
иных манитных параметров для неразру­
шающего контроля качества отпущенных
изделий можно установить, исходя из
К 3-й группе относится большое ко­ исследований закономерностей изменения
личество сталей различных классов, кото­ магнитных, электрических и механиче­
рые широко используются в современном ских свойств в зависимости от температу­
машиностроении. Особенностью поведе­ ры и условий отпуска изделий.
Магнитострикция является структур­
ния структурно-чувствительных магнит­
но-чувствительной
характеристикой, и с
ных свойств сталей этой группы является
то, что большинство из них в области увеличением температуры отпуска ее зна­
средних и высоких температур отпуска чение для стали 34ХНЗМ растет (см.
изменяются неоднозначно (рис. 12.25— рис. 12.25). Для температур отпуска 500 ...
650 °С характерно совпадение кривых
12.28).
Такое изменение магнитных свойств магнитострикции, т.е. магнитострикция
сталей этой группы существенно затруд­ высокоотпущенных образцов, измеренная
няет проведение неразрушающего контро­ при определенных значениях индукции
ля качества закаленных и отпущенных (например, при В = 1,4 Тл), должна изме­
изделий. Границы применимости тех или няться неоднозначно.
АЛО6
Рис. 12.25. Зависимости магнитострикции отпущенных образцов из стали 34ХНЭМ
от индукции и магнитострикции, измеренной при В —1,4 Тл, от температуры отпуска, °С:
1 - 150; 2 - 250; 3 - 400; 4 - 450; 5 - 500; 6 - 560; 71 600; 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 34ХНЗМ с разной температурой отпуска
Изменение большинства магнитных
параметров сталей при отпуске можно
проследить на примере петель магнитного
гистерезиса, измеренных на тороидах из
стали 34ХНЭМ (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 напряжений 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 Нс.
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
мкОм-см
30
154
мкОм-см
30
р, мкОм-см
0
200
400 600 Г . °С
0
200
400 600Г ,°С
Рис. 12.27. Зависимости физико-механических
характеристик сталей 3-й группы от температуры отпуска:
а, б —40Х (шесть плавок; состав, %: / —0,40 С, 0,26 51,0,57 Мп, 0,87 Сг, 0,17 Си, 0,019 Р;
2 - 0,41 С, 0,35 81,0,63 Мп, 0,84 Сг, 0,15 Си, 0,017 Р; 3 - 0,42 С, 0,21 8», 0,54 Мп, 0,94 Сг, 0,06 Си,
0,02 Р; 4 - 0,43 С, 0,17 Ш 0,59 Мп, 0,83 Сг, 0,16 Си, 0,017 Р; 5 - 0,41 С, 0,22 8», 0,59 Мп, 0,84 Сг,
0,06 Си, 0,02 Р; 6 - 0,42 С, 0,23 § 1,0,53 Мп, 0,92 Сг, 0,21 Си, 0,025 Р); в - 40ХН (/), 40ХНМ (2);
г - 45 (/), 45Х (2), 45ХН (5), 45ХНМФА (4)
190
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
М - 10-2, А/см
в)
М - 10-2, А/см
г)
Рис. 12.28. Зависимости физико-механических
характеристик закаленных сталей 3-й группы от температуры отпуска:
а - сталь 50 (/), 50РА (2), 50ХГ (3), 50ХВА (4); б - 55С2 (1), 60С2А (2), 65Г (3);
в - 9Х (/), 9ХС (2), ХВГ (3), ШХ15СГ (4); г - У8А (7), 8ХФ (2), У9А (5), 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
а-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 Т^п, =
= 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 Т^ = 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 М5, 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 е-Ре,С 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 У 12 - 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 ех от Готп в основном должна
определяться теми же механизмами, что и
зависимость удельного электрического
сопротивления от температуры отпуска. В
целом характер зависимости ех(Г0ТП) бли­
зок к зависимости р(7,отп). Однако относи­
тельное изменение ех(Тотп) 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 Готп = 150 ... 480 °С значи­
тельных изменений физико-механических
свойств не происходит (рис. 12.29).
Уменьшение удельного электрического
сопротивления при Г т = 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-
ОТПУСК СТАЛЕЙ
193
Л/’10"\ А/см
а)
б)
Рис. 12.29. Зависимости физико-механических
характеристик высокохромистых сталей от температуры отпуска:
а-Х 12Ф 1, закаленная от 1050 °С; 6-20X 13 (/) 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
а-фазы с практически кубической решет­
кой и карбидов типа МегзСб. 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 (I = 60 °С) и отпущенных сталей от температуры отпуска:
а - сталь Р6МЗ, 7^, = 1210 °С, Г0П1 = 560 °С; б - сталь Р6М5,
= 1220 °С, Т^, = 550 °С;
1, 2,3 - первый, второй, третий отпуск соответственно
кольку значение р для аустенита больше,
чем для мартенсита.
Характер
изменения
магнитных
свойств при Гот = 600 ... 700 °С опреде­
ляется, с одной стороны, уменьшением
искаженности а-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 Р18,
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, Мо, 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 1).
При Готп = 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
= 350 ... 400 °С со­
провождается уменьшением твердости на
3 ... 5 ед. НКС (см. рис. 12.31, а , кри­
вые 7). Затем при Гот — 400 ... 500 °С
твердость опять возрастает, поскольку
происходит превращение некоторой части
цементитного карбида в специальный
дисперсный карбид хрома. Структурно­
чувствительные магнитные характеристи­
ки до Т0ТП= 500 ... 550 °С практически не
изменяются (см, рис. 12.30, 12.31, <*> кри­
196
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
вые 1). Это определяется тем, что, с одной
стороны, выделение углерода и частичная
релаксация микронапряжений способст­
вуют снижению Нс, а с другой, - образо­
вание дисперсных парамагнитных карби­
дов и появление дисперсионных микрона­
пряжений, а также существование цементитных выделений должны повышать Нс.
Удельное электрическое сопротивление по
мере увеличения температуры отпуска
продолжает снижаться, так как выделение
углерода приводит к увеличению прово­
димости твердого раствора.
При нагреве стали до 7 ^ = 500 ...
600 °С одновременно с распадом мартен­
сита происходит частичное превращение
остаточного аустенита (см. рис. 12.30,
12.31, а, кривые М5) в мартенсит с выде­
лением из твердого раствора мелкодис­
персных специальных карбидов, а обед­
ненный углеродом и легирующими эле­
ментами аустенит при охлаждении пре­
вращается во вторичный мартенсит. Твер­
дость при указанных температурах дости­
гает максимального значения вследствие
исчезновения менее твердой фазы - аусте­
нита и образования дисперсных карбидов.
Все магнитные характеристики сталей при
этих температурах отпуска претерпевают
существенные изменения (см. рис. 12.30,
12.31, а).
Дальнейшее повышение температуры
отпуска до 640 °С приводит к полному
распаду мартенсита, и параметры его ре­
шетки уменьшаются до значений парамет­
ров а-фазы отожженной стали. При 7 ^ =
= 600 ... 700 °С происходит коагуляция
выделившихся карбидов: игольчатые кар­
биды достигают длины 20 ... 30 нм, а гло­
булярные карбиды имеют размеры 40 ...
100 нм. Эти процессы приводят к разу­
прочнению, при этом коэрцитивная сила и
удельное электрическое сопротивление
уменьшаются, максимальная магнитная
проницаемость растет и практически оста­
ется без изменения значение термоЭДС.
Высоколегированный остаточный ау­
стенит быстрорежущих сталей очень ус­
тойчив к распаду, поэтому при первом
отпуске он распадается не полностью. Для
наиболее полного превращения остаточ­
ного аустенита в мартенсит быстрорежу­
щие стали подвергают второму отпуску
при температурах 550 ... 570 °С, который
сопровождается дополнительным незна­
чительным распадом остаточного аусте­
нита для сталей Р6М5 и Р6МЗ (см.
рис. 12.30, кривые 2) и более существен­
ным для стали Р18 (см. рис. 12.31, а, кри­
вые 3). Одновременно с этим для образ­
цов, отпущенных при 7 ^ = 150 ... 570 °С,
при втором отпуске происходит распад
мартенсита. Эти два процесса в основном
и определяют поведение физических
свойств стали при вторичном отпуске.
Характер изменения твердости после вто­
рого отпуска в интервале температур пер­
вого отпуска 150 ... 570 °С тот же, хотя ее
значение немного возрастает по отноше­
нию к первому отпуску (см. рис. 12.30,
кривые 2 и 12.31, а, кривая 2). Удельное
электрическое сопротивление, коэрцитив­
ная сила при втором отпуске уменьшают­
ся по сравнению со значениями Нс и р,
полученными при первом отпуске, однако
существенных отличий в характере зави­
симости перечисленных выше свойств от
температуры первого отпуска не наблюда­
ется (см. рис. 12.30, кривые 2 и рис. 12.31, а,
кривые 2).
Третий отпуск при температурах
560 °С для стали Р6МЗ и 550 °С для стали
Р6М5 приводит к повышению М„ сниже­
нию Нс и р в интервале температур 400 ...
450 °С первого отпуска (см. рис. 12.30).
Старение при 170 °С, необходимое для
снятия внутренних напряжений, возни­
кающих при распаде остаточного аустени­
та, практически не влияет на магнитные,
электрические свойства и твердость стали
Р18 (см. рис. 12.31, а , кривые 5).
При контроле качества термической
обработки быстрорежущих сталей воз­
можны случаи нарушения технологии
второго отпуска. На примере стали Р18
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,
НКС, М,) 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 НКС убывает.
12.4.6.
М артенситно-стареющие,
аустенитно-мартенситные и ферритноаустенитные 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 НКС, а„)
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 % N 1,
легированных молибденом и титаном, на
стадии максимального упрочнения (480 ...
500 °С) и в перестаренном состоянии при­
сутствуют частицы РегМо, №3Мо и №зТ1.
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 интерметаллидных 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
198
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
М Л О'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 Та = 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
а-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 магнитнои жесткости мартенситностареющих сталей в интервале температур
обратного а ^ у-превращения связано с
перемагничиваем участков а-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
М3 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 13Х15Н4АМЭ-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 Тт „ = 100 ... 500 °С фазовый
состав стали 13Х15Н4АМЭ-Ш 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 СггИ. Выделение
этой фазы, по-видимому, несколько за­
тормаживает снижение Нс и 2?'г По дан­
ным рентгеноструктурного анализа, при
Т’отп = 550 .... 600 °С выделяются частицы
карбонитрида хрома, а при 650 ... 700 °С частицы МегзСбПовышение 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
у-превращение. Отпуск
выше 600 °С сопровождается повышением
содержания остаточного аустенита, коли­
чество которого достигает максимального
значения при Т’отп = 625 ... 650 °С (см.
рис. 12.33, а, кривые Л/,). 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
Л/-10'2, А/см
аг Дж/см2
Рис. 12.33. Зависимости физико-механических характеристик
стали 1ЭХ15Н4АМЗ-Ш, закаленной от 1070 °С в воде (I = 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 8-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 5-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 % N 1 и ряд дру­
гих элементов. В исходном состоянии (без
термической обработки) сталь обладает
низким сопротивлением хрупкому разру­
шению (а, я 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
1 800 ... 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.
I 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 а-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
а(, Дж/см2
обработки
Рис. 12.34. Зависимости физико­
механических характеристик ферритноаустенитной стали от температуры отжига
(предварительная обработка - закалка
от 1150 °С)
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 температуры
хрупкости. Основной причиной охрупчи­
вания стали в интервале 800 ... 900 °С
является образование а-фазы. Появление в
двухфазной стали близкого состава о-фазы (3 ... 5 %) приводит к снижению удар­
ной вязкости на порядок.
При изучении зависимости магнит­
ных свойств от температуры нагрева уста­
202
Глава 12. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
новлено, что намагниченность насыщения
нечувствительна к процессам, протекаю­
щим при нагреве до 700 °С (см.
рис. 12.34), что связано, по-видимому, с
небольшим количеством выделяющихся
при этих температурах фаз. Повышение
температуры приводит к сильному сниже­
нию намагниченности насыщения, кото­
рая достигает минимального значения при
температуре 900 °С. Уменьшение М$ обу­
словлено распадом 8-феррита на неферро­
магнитные ст-фазу и вторичный аустенит,
а глубина образовавшегося минимума ха­
рактеризует их суммарное количество. С
повышением температуры значение М5
возрастает, что связано с увеличением
количества ферритной фазы.
При температурах выше 1200 °С
структура стали становится полностью
однофазной (ферритной), резко возрастает
размер ферритного зерна. При этом про­
исходит некоторое повышение твердости
стали, которое свидетельствует об обога­
щении твердого раствора легирующими
элементами (в том числе примесями вне­
дрения —углеродом, азотом) в результате
растворения при этих температурах избы­
точных карбидных и нитридных фаз. Ве­
роятно, увеличение размеров ферритного
зерна, повышение легированности твердо­
го раствора и обогащение границ охрупчивающими элементами - основные при­
чины хрупкости феррита при Т> 1200 °С.
Коэрцитивная сила до температуры
500 °С практически не изменяется, хотя
для 450 ... 500 °С характерно образование
интерметаллидов. При дальнейшем увели­
чении температур происходит рост коэр­
цитивной силы, вызванной появлением
ст-фазы и вторичного аустенита. При на­
греве выше 900 °С коэрцитивная сила дос­
тигает максимального значения. Посколь­
ку при этой температуре в стали содер­
жится большое количество остаточного
аустенита, можно предположить, что уча­
стки ферромагнитной фазы (6-феррит) в
значительной степени обособлены и перемагничиваются, не взаимодействуя друг с
другом. В этом случае значение Нс будет
зависеть от размеров участков 6-феррита в
аустенитной матрице, а также от наличия
в 5-феррите ст-фазы определенной степени
дисперсности. Поэтому величина макси­
мума Нс и температурный интервал, в ко­
тором он наблюдается, в соответствии с
теорией включений будут определяться не
только количеством 6-феррита, но и объе­
мом и степенью дисперсности ст-фазы в
нем.
На промышленных плавках стали
было обнаружено, что максимум коэрци­
тивной силы не всегда соответствовал ми­
нимуму намагниченности насыщения.
Однако во всех случаях максимум Нс сов­
падал с минимумом на кривой ударной
вязкости, тогда как минимум М5 мог соот­
ветствовать либо минимуму ударной вяз­
кости (900 °С), либо ее максимуму, кото­
рый в случае промышленных плавок при­
ходился на Т = 1000 °С.
Хрупкости, обусловленной ростом
зерна и повышением степени легирован­
ности твердого раствора (выше 1200 °С),
соответствует значение коэрцитивной си­
лы, которое более чем в 2 раза меньше Н)
в исходном состоянии (закалка от 1150 °С).
Повышенная хрупкость стали в ли­
том состоянии, по-видимому, также обу­
словлена главным образом присутствием
ст-фазы и увеличенным значением коэрци­
тивной силы.
12.4.7. Магнитный структурный
анализ закаленных и отпущенных
изделий
Для низкоуглеродистых, низко- и
среднелегированных
конструкционных
сталей с содержанием углерода менее
0,3 % характерно монотонное изменение
всех рассмотренных физических характе­
ристик при изменении температуры от­
пуска, поэтому для целей НК прочностных
свойств и структурного состояния можно
использовать любую из них. Наиболее
предпочтительной и широко используе­
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
температуры 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 о 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, а и Т 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~х
приводит к смещению доменных границ,
для которых Яр, > Я к1, и они закрепля­
ются в новом положении. Если уменьшить
значение поля Я “, до нуля, то вновь при­
обретенное состояние остаточной индук­
ции Вах будет меньше Вг на величину
АВ ^ . Она характеризует объем ферро­
магнетика АУХ, 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
ЬВ~42 = В~а\ - Вд2 ■ Она характеризует объ­
ем ферромагнетика Д У2 с критическими
полями Нк1 - Яц2, потерявший устойчи­
вость остаточной индукции под действием
поля Яр| < Я ” <; Яр2 . Суммарное значе­
ние АВм и АВ^2 позволяет оценить перемагничиваемый объем с критическими
полями 0 - Я к, причем Я к2 ^ Я"2.
На рис. 13.1 показано изменение ос­
таточной индукции В^ в зависимости от
величины размагничивающего поля Н~
для образцов, отпущенных при разных
температурах и имеющих различное ис­
ходное значение остаточной индукции
(рис. 13.1, б, кривая /).
На рис. 13.1, а можно выделить три
области устойчивости В~ к воздействию
постоянного магнитного поля: I - область
небольших размагничивающих полей, в
которой значения В~а слабо изменяются
при увеличении поля Я"-; 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—Ш, 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 ВГЛ 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
207
а)
Рис. 13.1 Зависимости остаточной индукции В~а тороидальных образцов
из стали 34ХНЭМ от напряженности размагничивающего поля
(в) и от температуры
отпуска при частичном размагничивании полем Нр!0 = соп.ч( (б):
а - Г™ = 20 (1), 200 (2), 250 (3), 300 (4), 400 (5), 450 (б), 500 (7), 560 (5), 600 (9), 650 °С (10);
б - Н~= 0 (1), 10 (2), 12 (3), 15 (4), 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
(7отп= 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 34ХНЭМ (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 высокоотпущенных образцов (Готп > 600 °С),
структура которых представляет собой
магнитомягкую матрицу с относительно
крупными включениями » 5. Так, воз­
действие постоянного магнитного поля
Н ~ 1 = 10 А/см (см. рис. 13.1, а, кривая 10)
приводит к уменьшению остаточной ин­
дукции образцов с
= 650 °С стали
34ХНЗМ 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 В ~[, 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 Н Т (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 В~/ =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 Вщ^ 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. 13.3. Первичные (/) и вторичные (2) спектры жесткости
тороидальных образцов стали Э4ХНЗМ 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 Вг (Н) и
обратного
(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
[А5ДАЯ5гтах)]АЯ1С. Вторичный спектр
аналогичен первичному, но отражает не­
обратимые изменения намагниченности
при перемагничивании образца в объеме
[Д Вд /(2АНВгтлх]\Н к. При совпадении
спектров считается, что необратимые про­
цессы протекают одинаково. В сталях
34ХНЭМ (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 тетрагональное™
решетки а-Ре), 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 Топ = 500 ... 600 °С включения крити­
ческого размера. Эго приводит к росту
среднего значения критических полей и
первичных, и вторичных спектров. На­
пример, сравнение вторичных спектров
образцов стали 34ХНЭМ с Т0 = 500 и
560 °С позволяет увидеть (см. рис. 13.3),
что спектр, соответствующий Т„т ~ 560 °С,
несколько шире и смещен в сторону
больших полей. В полях Я р/> 15 А/см
ренных в отдельных точках кривои намаг­
ничивания
(кривая /), нисходящей
ветви петли магнитного гистерезиса
(кривая 2), а также в состояниях остаточ­
ной намагниченности после действия раз­
ных по значению намагничивающих
(кривая 3) и размагничивающих р ^ р
(кривая 4) полей.
В слабых магнитных полях обрати­
мые проницаемости
и
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
^абр> наблюдаемый при изменении на­
нисходящая ветвь спектра образца с Тт„ =
* 560 °С идет ниже аналогичной ветви
образца, отпущенного при 500 °С, т.е. на­
блюдается однозначная связь остаточной
индукции
с Топ, и появляется возмож­
ность контроля качества отпуска изделий
пряженности поля в интервале 0-Нс (см.
с малым коэффициентом размагничива­
рис. 13.4, кривые 2), по-видимому, связан
ния.
с увеличением площади и подвижности
О
структурном состоянии сталей
смещающихся доменных границ.
можно судить по виду самих спеггров и
В полях Я, > Нс происходит анниги­
их расположению в определенной области
ляция части доменных границ, что вызы­
полей. В случаях, когда вторичные спек­
вает снижение значений обратимых про­
тры похожи (например, при высокотемпе­
ницаемостей. При этом кривые ЦобрШ) и
ратурном отпуске), для анализа структур­
ц'обр (Я) идут ниже кривых ц^р(Я) и
ного состояния отпущенной стали можно
Мобр (Н) (ср. кривые /, 2 и 3, 4). Следова­
привлечь первичные спектры, тогда иден­
тификация структур отпущенной стали по тельно, можно предположить, что под*
параметрам обоих спектров получится
вижность и площадь смещающихся до­
более достоверной.
менных стенок в метастабильном остаточ­
Сопоставить вклады обратимых про­
ном состоянии выше, чем в приложенном
цессов при намагничивании и перемагничиполе. Совпадение Цобр й ц'овр (соответст­
вании можно при рассмотрении закономер­
венно
р и
) свидетельствует об
ностей изменения в зависимости от напря­
женности магнитного поля обратимых маг­ общности протекания обратимых процес­
нитных проницаемостей (рис. 13.4), изме­ сов намагничивания и перемагничивания.
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Рис. 13.4. Зависимости обратимых проницаемостей
211
(/), р„бр (2),
Мобр (^)» Мобр (/) стали 60С2А от напряженности магнитного поля
Анализ результатов измерений обра­
тимых проницаемостей показывает, что
отношение |д^р в поле Н( = 0 (см.
рис. 13.4) однозначно изменяется с темпе­
ратурой отпуска. Для сталей 34ХНЗМ,
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 ВНг (Т ^ )
и на нисходящей ветви петли магнитного
гистерезиса Вн (Т ^ ) (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 В~л
отличается от состояния В^ , обусловлен­
ного действием постоянного размагничи­
вающего поля (см. рис. 13.2).
Закономерности изменения остаточ­
ной индукции В4 , измеренной после час­
тичного размагничивания образцов из со­
стояния остаточной индукции под дейст-
214
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
Нс, А/см
Рис. 13.7. Зависимости коэрцитивной силы
от напряженности переменного магнитного
поля для тороидальных образцов из стали
60С2А при разных значениях Т ^ , °С:
1 - 150; 2 - 200; 3 - 250; 4 - 300; 5 - 350;
6 - 400; 7 - 450; 8 - 530; 9 - 560; 1 0 - 600;
И - 700
Устойчивость магнитных состояний
ферромагнетика зависит от способа полу­
чения исходного состояния (например,
состояния остаточной намагниченности).
Нс, А/см
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 В}
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 В^ от Гоп,,
соответствующие одним и тем же значе­
ниям размагничивающих полей Н~ при
Рис. 13.8. Зависимости коэрцитивной силы
от температуры отпуска сталей 34ХНЗМ (1),
60С2А (2) и У8А (3) при действии перемен­
ного магнитного поля Н~е = 61,5 А/см
уменьшении величины коэффициента
размагничивания изделий видоизменяют­
ся (рис. 13.9, а -г). Для образцов 10 х 10 х
х 62 мм (]У* 0,038) однозначная зависи-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
215
ц
-
0,06
а)
0
200 400 Тт *С
д)
300 500 Т ^ С
е)
300 500 Г ^ Х
ж)
300 500 Т ^ Х
з)
Ряс. 13.9. Зависимость остаточной индукции Вл 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) н 1 х 1 х 62 мм (г, з) из
стала 60С2А от температуры отпуска при разных условиях частичного размагничивания:
о -г -Н ^ = 0 (1 \ 15,4(2),20(3), 25 (4 \ 30,8 (5), 46,2 (б), 57,7 (7), 92,4 (Я), 230 А/см (9);
* -з - В~ = 0,4 СО, 0,2 (2), 0,1 (3), 0,05 (4), -0,05 (5), -0,1 (б), -ОД (7), -0,4 (8), -0,8 Тл (9)
мость наблюдается при Н ^ = 30 ... 46 А/см,
температурой отпуска, причем закономер­
для образцов 4 х 4 х 62 мм (# * 0ДЮ9) при 20 А/см, а для образцов 1 х 1 х 62 мм
(М * 0,0009) однозначная зависимость
ности изменения В} от Т ^, для образцов с
ЗЖ ош ) не получена.
При размагничивании образцов до
одинаковых значений индукции В~ (см.
рис. 13.9, д-з) величина остаточной ин­
дукции В~а также монотонно меняется с
разным коэффициентом размагничивания
для случаев
= соп$( и В~ = соп$( раз­
личаются, что можно использовать при
решении соответствующих задач конт­
роля.
Сопоставление кривых, характери­
зующих зависимости Нс и Нг от Т„ д л я
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 (/),
2 х 2 х 62 (2), 4 х 4 х 62 (3) 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 7 ^ , °С:
1 - 250; 2 - 450; 3 - 600; 4 - 700
на коэрцитивную силу практически не
влияет значение коэффициента размагни­
чивания, а релаксационная коэрцитивная
сила Нп 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 Ятах = 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 8 остаточной индукции к
действию внешних магнитных полей.
Максимальное значение 5 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 5 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
Рис. 13.12. Зависимость остаточной индукции после частичного
размагничивания стальных образцов постоянным магнитным полем
от температуры отпуска:
а - ЗОХГСА; 6 - 30ХН2МФА; в - 34ХНЭМ; г - 35ХГСА; д - 40Х; е - 45; ж - 50; з - 50РА;
и - 50Л; к - 60С2А; л - 8ХФ; м - У9А; / = 0; 2 - 15,4; 3 - 30,8; 4 - 46,2; 5 - 57,7;
б - 77,0; 7-92,4 А/см
217
О
25 0
500
0
250
500
0
250
500
0
250 500 т °г
ОТО'^
Рис. 13.13. Зависимость остаточной индукции после частичного
размагничивания стальных образцов до одинаковых значений индукции
от температуры отпуска:
а - м - то же, что и на рис. 13.12; 7 —В~ = —0,02; 2 — 0,04,5 — 0,1; ^—0,2; ЕЯ0,3 Тл
13.1.2. Устойчивость магнитных
состояний стальных ферромагнитных
изделий с различной структурой к
действию упругих напряжений
При воздействии упругих деформа­
ций на ферромагнетик, находящийся в
остаточно-намагниченном состоянии, про­
исходит необратимое смещение доменных
границ или вращение векторов спонтан­
ной намагниченности, в результате чего
ферромагнетик приобретает новое маг­
нитное состояние. Изменение значения
напряжений и возвращение его в исходное
состояние сопровождаются магнитоупру­
гим гистерезисом. Одни и те же структур­
ные параметры оказывают разное влияние
на устойчивость состояния остаточной
намагниченности ферромагнетика при
действии магнитного поля и упругой де­
формации. Под действием магнитного
поля происходит изменение остаточнонамагниченного состояния ферромагнети­
ка за счет смещения доменных границ
всех типов. В случае действия упругих
деформаций смещение доменных границ
вызывается магнитоупругим взаимодейст­
вием 90-градусных доменов с полем дей­
ствующих напряжений, которое, в свою
очередь, может вызвать движение 180градусных доменных границ, т.е. будет
происходить как бы кластерное перемаг­
ничивание. Предполагая различие в дейст-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
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 ,о ~ НМ при перестройке доменной
структуры стремится обеспечить состоя­
ние с минимумом свободной энергии, что
приведет к уменьшению величины М г
(кривая /). 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 М г в
зависимости от внешних упругих напря­
жений растяжения (рис. 13.14, б) и сжатия
показало, что значение АМ г линейно
убывает по мере их роста. Только для
магнитомягких образцов наблюдаются
зависимости, близкие к экспоненциаль­
ной. Тангенс угла наклона линейного уча­
стка зависимости АМ г ( ст0 ), характери­
зующий магнитоупругую чувствитель­
ность ДМг /Д а 0 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)
ДМГ, кА/м
б)
Мг, А/см
АМг,А/см
400 _
.
0
100
/ а = 30°
г)
500 Т ^ С
Рис. 13.14. Зависимости величин М, и АМг
для образцов из сталей 45 и 51ХФА
от напряжений (а, б), угла закручивания (в)
и температур отпуска (г)
220
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
ДМг, кАУм
в)
г)
Рис. 13.15. Зависимость изменения остаточной намагниченности Ш ®
установившегося цикла от температуры отпуска сталей ЗОХГС (а), 45 (б), 60Г (в) и У8 (г)
после действия упругих напряжений растяжения о 0
тивной силы от приложенных напряжений
свидетельствуют о возможности оценки
значений действовавших ранее одноосных
растягивающих или сжимающих напря­
жений в стальных изделиях по измерен­
ным значениям остаточной намагниченно­
сти.
При упругом закручивании образцов
в виде стержней (рис. 13.14, в) также на­
блюдается уменьшение остаточной намаг­
ниченности. В зависимости от степени
магнитной жесткости образцов снижение
Мг может быть линейным или экспонен­
циальным. В образцах, деформируемых
кручением, возникают чисто сдвиговые
деформации, поэтому характер создавае­
мой магнитной текстуры отличается от
случаев растяжения или сжатия. Снятие
крутящих нагрузок сопровождается изме­
нением Мг только в области приближения
к нулевым значениям угла закручивания
а . Закручивание в другую сторону приво­
дит к дальнейшему уменьшению значений
Мг. При раскручивании величина М, со­
храняет свое значение, достигнутое при
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 АМ г
можно оценить структурное состояние
изделий, отпущенных в широком диапазо­
не температур. Однако для высоких тем­
ператур отпуска зависимость АМтот Готп
может быть неоднозначной или чувстви­
тельность АМг 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
Мг, пропорциональная магнитному полю
рассеяния от образцов На (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
АВ ,
обусловленной изменением магнитных
221
Мг~Нф 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 АВ 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 V в измерительной
катушке или значение усредненной по се­
222
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
ДЯ_-10'? Тл
16
8
40
0
60 НКС
а)
10
30
50 НКС
б)
Рис. 13.17. Зависимости параметров V и ДЯ_ от твердости образцов при
Н = 20 (1, 7), 25 (б), 37 (2), 180 (3 , 5 , 8,9) и 400 А/см (4) для сталей У8А (1-4), ЗОХГСА (5),
40Х (б), 45(7), 45ХНМФ (8) и ХВГ (9)
чению переменной магнитоупругой ин­
дукции АВ_ при возбуждении в намагни­
ченном ферромагнетике ультразвуковых ко­
лебаний частотой 16 ... 21 кГц с амплитуд­
ным напряжением ст = (0,5 ... 1,5) 107Н/м2.
На рис. 13.17, а приведены законо­
мерности изменения величин II и
от
твердости образцов из стали У 8 при раз­
ных значениях напряженности Н постоян­
ного магнитного поля. При небольших
значениях Н зависимости V и Д5_ от
НКС неоднозначные, но по мере увеличе­
ния напряженности магнитного поля они
становятся однозначными. Однако чувст­
вительность параметров II и Д5_ к изме­
нению твердости отпущенных образцов
для различных намагничивающих полей
неодинакова. На рис. 13.17, б показаны
закономерности изменения параметра II
от твердости для разных конструкцион­
ных сталей.
Изменения остаточной намагничен­
ности под действием напряжений растя­
жения, сжатия, кручения и знакоперемен­
ных динамических напряжений являются
структурно-чувствительными параметра­
ми и могут однозначно характеризовать
качество термической обработки. Иссле­
дования в этом направлении дают воз­
можность не только оценивать структур­
ное состояние стали и определять уровень
приложенных напряжений, но и запоми­
нать максимальные действовавшие на­
пряжения (создавать датчики запомина­
ния), а также осуществлять контроль из­
менений напряженного состояния в про­
цессе эксплуатации.
13.1.3.
Устойчивость магнитных
состояний стальных ферромагнитных
изделий к воздействию температуры
При температуре аустенизации кон­
струкционные стали находятся в парамаг­
нитном состоянии. Если изделие при за­
калке охладить в магнитном поле, то оно
приобретает термоостаточную намагни-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
ценность (индукцию) А/' ( В ') . 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 Т = 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.
223
Рис. 13.18. Зависимости термоостаточной
индукции Мг сталей 25Х2Н4ВА (1) и
40Х (2) при Н - 224 А/см и термоостаточной
намагниченности М г стали ЗОХРА (3) 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 1) 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 Мг (кривая 3)
и коэрцитивная сила данной стали при
повышении температуры отпуска изменя­
ются неоднозначно. Таким образом, реги­
страция значения М ’г изделия в опреде­
ленные моменты времени отпуска т по­
зволяет решить задачу контроля качества
термической обработки в тех случаях, ког-
224
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
М 1Г, А/см
Рис. 13.20. Зависимость термоостаточной
намагниченности стали 65С2ВА,
измеренной в точках начала (1), конца (2)
изотермической выдержки и после
охлаждения образцов до комнатной
температуры (5), от температуры отпуска
Рис. 13.19. Термокинетические кривые
термоостаточной намагниченности стали
65С2ВА при разных значениях Гото, °С:
1 - 150; 2 - 200; 3 - 250; 4 - 300;
4' - переход с кривой 4 (300 °С) на кривую 5
(350 °С); 5 -3 5 0 ; б - 400; 7 -4 5 0 ; 8 - 500;
9 - 560; 10 - 600; 1 1 - 650; 12 - 700
да классические методы, например коэрцитиметрические, не могут быть исполь­
зованы.
Используя термокинетические кри­
вые М ‘г (т), можно не только контролиро­
вать качество отпуска, но и в определен­
ных пределах корректировать процесс
отпуска с учетом изменения исходного
состояния и колебаний химического со­
става стали. Если предварительно опреде­
лить термокинетическую кривую М ' (х),
которую будем считать стандартной и для
которой прочностные свойства, например
твердость, соответствуют середине техно­
логически допустимого интервала, то от­
клонения кинетических кривых от стан­
дартной (неправильно выбрана темпера­
тура отпуска, различная исходная темпе-
ратура металла, колебания химического
состава) будут свидетельствовать о воз­
можном получении некачественного изде­
лия. Если различие термокинетических
кривых установлено в ранний период от­
пуска, например в конечной точке нагрева
изделия до заданной температуры, то
можно выполнить корректировку техноло­
гического процесса отпуска.
Так, рис. 13.19 иллюстрирует воз­
можность регулирования процесса терми­
ческой обработки по измерению значения
АМ‘Г . Допустим, в процессе отпуска дета­
ли при 350 °С было обнаружено, что зна­
чение М ‘г (кривая 4') выше стандартного
(кривая 5), тогда по полученной разности
ДА/' = М ‘ГСТМ ‘Г определяют необходимую
величину повышения температуры АГ
нагрева печи. Увеличив температуру на­
грева, следят, чтобы вновь полученная
термокинетическая кривая 4' совпадала со
стандартной 5; в противном случае необ­
ходимо провести дополнительную коррек­
тировку температуры.
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
225
Нс , А/см
_
20 -
3
3
л -ч
•ч *
Г•
4
200
*
-
<
'•VI
%
/V
»1
12 -
V *.
Г1
‘
1
400
■___ |
600
а)
-----1----- 1----- 1----- 1----200
400
600 Т ° С
б)
Рис. 13.21. Зависимость коэрцитивной силы сталей 45ХНМФА (а) и ШХ15 (б)
от температуры отпуска при температуре измерения 20 (/), 220 (2) и 300 °С (5)
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 Тот, когда температура изде­
лия превышает 210 °С. Смещение макси­
мума Нс, который наблюдается для
Тот = 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
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 Тт „ (кривые 1) в
начале и в конце изотермической выдерж­
ки различаются. В начале изотермической
выдержки в области низких и средних
температур М[ изменяется неоднозначно,
причем для стали 40ХА диапазон немоно­
тонного изменения М ' наибольший, а для
стали 8ХФ наименьший. Далее для всех
сталей значение А/' 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
Глава 13. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
А/;-10',А/см М'Л О'.А/см
М'-10", А/см
/(., А/см
Рис. 13.22. Зависимости намагниченности насыщения (I), остаточной
намагниченности (2) и коэрцитивной силы (3) в точках начала (а, г, ж), конца (б, д, з)
изотермической выдержки и после охлаждения до комнатной температуры (в, е, и)
для сталей 40ХА (а-в), 50РА (г-ё) и 8ХФ (ж-и) от температуры отпуска
Аналогичные заключения можно
сделать, анализируя характер поведения
остаточной намагниченности М ' (кривые
ператур отпуска 400 ... 650 °С для сталей
40ХА и 8ХФ и в интервале 450 ... 650 °С
для стали 50РА. При измерении М \ и Нс в
2) и коэрцитивной силы Нс (кривые 3 ) в
конце изотермической выдержки для сталей 50РА и 40ХА интервал их монотонного изменения незначительно расширяется,
а для стали 8ХФ монотонное уменьшение
А/' наблюдается во всем интервале тем­
процессе отпуска на разные температуры
(см. рис. 13.22). Значения А/' и Нс, изме­
ренные в начале изотермической выдерж­
ки, монотонно убывают в интервале тем-
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНЫХ СОСТОЯНИЙ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
ператур отпуска - от 250 до 650 °С. Зако­
номерности зависимости М' от Т „ (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 А/' 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 Нс. Термокинетиче­
ская кривая 1 снята для образца из стали
40ХА, отпущенного при
— 540 °С,
кривая 2 - для образца с Тотп= 580 °С.
Допустим, что в процессе отпуска де­
талей при 580 °С был обнаружен недогрев,
т.е. значение Нс выше значения Нсст для
стандартной детали, отпущенной при
580 °С. Увеличив температуру в печи до
необходимого значения, перейдем на
стандартную кривую 2 (по кривой 3) 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 Н с(т) при
Тотп = 540 °С). В этом случае, уменьшив
температуру в печи, в процессе выдержки
можно достичь значения коэрцитивной
силы, соответствующего стандартной кри­
вой 1 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
Не А/см
Рис. 13.23. Зависимость коэрцитивной
силы стали 40ХА от времени отпуска
при разных значениях Готп:
1 - 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, А.В. 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 вставл енным
внутрь сердечником 2 из трансформатор­
ной стали (рис. 14.1, о). 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
р
т
^
+нн-~
...
'■■
*
...... -т-ш -
Г
I
?)
Рис. 14.1. Н ам агничиваю щ ие устройства для измерения коэрцитивной силы в
коэрцитиметрах Нифонтова (а), Ферстера (б) и в приборе "К обальт-1" (в):
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 феррозондо­
вые 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 ..п
40 кА/м, основная погрешность измере­
ний- 4 % (на пределе 40 кА/м - 5 %),
время измерения - 6 с. Прибор имеет циф­
ровую индикацию.
230
Глава 14. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
а)
б)
Рис. 14.2. Схема коэрцитиметра с измерительным
генератором (а) и вибрационным преобразователем (б):
1 - образец; 2 - индукционные катушки; 3 - намагничивающее и размагничивающее
устройства; 4 - измерительное устройство
В качестве чувствительного элемента
для регистрации магнитного момента в
коэрцитиметрах также широко использу­
ются преобразователи Холла. Конструк­
тивно коэрцитиметры с преобразователя­
ми Холла незначительно отличаются от
коэрцитиметров с феррозондовыми пре­
образователями .
Основным источником погрешности
магнитометрического способа измерения
коэрцитивной силы служит влияние
внешних магнитных полей, главным из
которых является магнитное поле при
размагничивании.
Другим методом, позволяющим заре­
гистрировать нулевое значение намагни­
ченности (индукции) и соответственно
значение коэрцитивной силы ферромагне­
тика, является индукционный метод, осно­
ванный на измерении ЭДС в измеритель­
ной катушке, которая перемещается отно­
сительно исследуемого образца. Для опре­
деления коэрцитивной силы в открытой
магнитной цепи используется измери­
тельный генератор (рис. 14.2, а), в кото­
ром индукционная катушка 2 вращается
вблизи измеряемого образца. Момент ну­
левого сигнала в измерительной катушке
соответствует полю соленоида, равному
коэрцитивной силе, которую определяют
по силе тока в цепи соленоида /с с учетом
постоянной соленоида к:
Н с =к1 с .
(14.1)
Для измерения коэрцитивной силы
используют устройства с вибрационными
(индукционными) преобразователями, ко­
торые обладают высокой чувствительно­
стью и точностью, поэтому с их помощью
определяют Н с изделий, имеющих очень
малую массу и небольшой магнитный мо­
мент. Коэрцитиметр (рис. 14.2, б) состоит
18
N
КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
231
ржш
ш
а)
и
■И
1>
б)
Рис. 14.3. Схемы преобразователей коэрцитиметров:
а - хфиставной 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 1 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
232
Глава 14. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
мым участком массивного изделия Г, в ной частоты через лампу накаливания,
намагничивающие катушки 3 подают им­ измерительная обмотка которого подклю­
пульс намагничивающего тока, затем на­ чена к фазочувствительному индикатору.
правление тока в катушках изменяют на После намагничивания ток в соленоиде
противоположное и увеличивают его от отключают, и включают ток размагничи­
нуля до такого значения, при котором вания, увеличивая его до значений, соот­
стрелка, жестко связанная с подвижной ветствующих нулевому показанию ферро­
рамкой 4, покажет нулевое значение на зонда. По значению размагничивающего
шкале 5. По значению силы тока в обмот­ поля определяют коэрцитивную силу с
ках катушек 3 определяют относительное учетом постоянной соленоида (Нс =к1с).
значение коэрцитивной силы участка из­
При установленном заранее значении си­
делия.
лы
тока размагничивания, соответствую­
В коэрцитиметре, разработанном
щем
максимально допустимой коэрцитив­
А.И. Пискуновым (рис. 14.3, б), испытуе­
мую деталь 1 помещают в катушку 3, а ной силе для данной марки электротехни­
концы ее замыкают ярмом 2 из мягкого ческой стали, процесс контроля ускоряет­
железа. В ярме имеется зазор шириной ся и достигает 100 ... 300 листов в час.
Значительное повышение быстродей­
1 ... 6,5 мм, заполненный неферромагнит­
ным материалом. Над зазором на оси за­ ствия и увеличение точности измерения
креплена пластина 4 из трансформаторно­ коэрцитиметра с приставным электромаг­
го железа, к пластине прикреплен рыча­ нитом достигнуто благодаря применению
в качестве индикатора намагниченности
жок с контактами, замыкающими цепи
сигнальных ламп. Методика измерения на рамочного феррозонда, встроенного в пе­
данном коэрцитиметре не отличается от ремычку П-образного электромагнита.
Базовым прибором для контроля ка­
рассмотренной выше, только момент со­
чества
термической обработки, глубины и
ответствия силы тока размагничивания
значению коэрцитивной силы регистри­ твердости поверхностно упрочненных
руют по моменту "отлипания" пластины 4 изделий по значению коэрцитивной силы
является коэрцитиметр КИФМ-1. Прибор
и сигналу соответствующего индикатора.
В практике контроля качества терми­ снабжен преобразователями двух типов:
ческой обработки магнитомягких мате­ I - с сечением полюсов 12 х 28 мм и рас­
риалов известен способ определения ко­ стоянием между полюсами 32 мм, II - с
эрцитивной силы листов трансформатор­ сечением полюсов 5 х 15 мм и расстояни­
ного железа. Лист 1 (рис. 14.3, в) вставля­ ем 25 мм. Для решения специальных задач
ют в щель плоского соленоида 3 и намаг­ контроля изготовляют приставные магни­
ничивают его полем 90 А/см. Ярмо 2 из ты других размеров. Процесс намагничи­
трансформаторного железа толщиной
вания автоматизирован: после включения
20 мм примыкает верхними плоскостями кнопки "Измерение" обеспечивается цикл
(полюсами) к испытуемому листу и замы­ намагничивания, состоящий из серии им­
кает внешнюю часть магнитной цепи че­ пульсов магнитной подготовки. Установка
рез феррозонд 4. Прижимы 6 обеспечива­ тока размагничивания - ручная с помо­
ют плотное прилегание испытуемого лис­ щью регулирующих сопротивлений. Диа­
та к полюсам по всей ширине листа (ши­ пазон измерения коэрцитивной силы рина ярма равна максимальной ширине
1,5 ... 44 А/см. Минимальные размеры
испытуемых листов). Для регистрации
контролируемого изделия: по длине - от
магнитного потока использован ферро­ 30 мм, по сечению - от 3 мм2. Погреш­
зонд 4 обычного рамочного типа, возбуж­ ность измерения силы тока размагничива­
даемый 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)
Но
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-
^ИИЧЕСКИХ
Р и с . 14.4. С х ем ы измерительны х устройств для
р е г и с т р а ц и и остаточного магнитного момента изделий:
а - установка ТАМ -1; б - прибор Ферстера
ц и о н ал ьн ая зависимость величины сигнал а о т скорости движения изделий служит
и сто ч н и ко м больш их погрешностей в опр е д ел е н и и значения магнитной индукции,
Т о ч н о с ть измерения остаточной индукции
д в и ж у щ и х ся изделий удается существенно
п о в ы си ть, если измерять не амплитуду, а
и н тегр ал по времени однополярного имп у л ь с а наводимой ЭДС.
Д л я контроля малогабаритных издел и й в откры той магнитной цепи методом
и зм е р ен и я максимального значения ЭДС в
и зм ер и тел ьн о й катушке разработаны уста н о в к и серии ТАМ. Работа установки
Т А М -1 (рис. 14.4, а) заключается в елед у ю щ е м . Д еталь попадает в воронку входн о г о бун кера 1 и замыкает контакт 2 пуск о в о го устройства. После этого в намагн и ч и в а ю щ и й соленоид 3 подается ток от
вы п р я м и тел я .
Д ет ал ь останавливается под действие м м агн и тн о го поля соленоида и успокойт е л я 4 , вы полненного из магнитомягкой
с та ли. Далее ток соленоида отключается и
д е т а л ь под действием своего веса проход и т через измерительные катушки 5 и 6,
и н д уцируя в них импульсы. Амплитуда
им пульсов при постоянстве скорости дви-
жения детали прямо пропорциональна
значению ее остаточной индукции. Каждая измерительная катушка связана через
свой усилитель с соответствующим реле.
В зависимости от значения остаточной
индукции срабатывают реле "Твердая деталь" или "Годная деталь", и заслонки 7
или 8, связанные с этими реле, направляют деталь в соответствующий бункер. При
прохождении "мягкой" детали индуцируемый импульс недостаточен для срабатывания реле, и заслонки, оставаясь в исходном положении, направляют детали в
бункер для мягких деталей. Годные детали
при выходе из измерительного устройства
размагничиваются в переменном магнит­
ном поле соленоида 9.
В ИФП АН Республики Беларусь
разработан магнитный анализатор качества стальных изделий МАКСИ, предназначенный для измерения двух параметров:
максимального значения магнитного потока в движущемся изделии, намагничиваемом в магнитном поле заданной ам*
плитуды, и остаточного потока Фг после
завершения намагничивания. Контроль
осуществляется в процессе свободного 1
падения 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 Ф,(/) и индуцирует в
ней ЭДС е\. 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 Ф2(/) и индуцирует в ней ЭДС е2.
Значения е\(() и е2(/) 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 Фг 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
вого, чаше- или подковообразного вида.
На рис. 14.5, а показан один из наиболее
распространенных преобразователей по­
добного типа. Подпружиненный цилинд­
рический постоянный магнит вводится в
соприкосновение с поверхностью изделия
и создает точечный полюс. Значение ка­
жущейся остаточной индукции (магнитно­
го пятна) определяют по измеренному
феррозондами значению тангенциальной
составляющей напряженности полей рас­
сеяния. Градиентометрическое включе­
ние феррозондов позволяет компенсиро­
вать внешние однородные магнитные по­
ля.
236
Глава 14. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
а)
б)
«)
Рис. 14.5. Локальный магнитный контроль методом точечного полюса:
а - преобразователь с использованием постоянного магнита:
1 —изделие; 2 —неподвижное основание; 3 —шкала угла поворота; 4 —постоянный магнит;
5 - вращающийся держатель зондов; 6 - феррозонды; б - преобразователь с использованием
импульсного намагничивания; в - схематическое изображение распределения остаточного поля
при локальном намагничивании изделия
При вращении преобразователя с
феррозондом вокруг оси удается оценить
анизотропию магнитных свойств электро­
технических сталей, а также механических
свойств, например, листовых материалов.
Размер контролируемой детали и ее форма
оказывают влияние на показания прибора,
если преобразователь расположен вблизи
кромки изделия или установлен на неров­
ной поверхности. Для уменьшения влия­
ния краевого эффекта на преобразователь
используют не цилиндрический магнит, а
постоянный магнит в виде чашки. Прибо­
ры с локальным намагничиванием в виде
точечного полюса хорошо зарекомендова­
ли себя при контроле массивных изделий
на однородность структуры, контроле
листового проката, при определении сте­
пени отбела отливок из серого чугуна и
при оценке твердости труб, получаемых
методом центробежного литья.
Для определения качества термиче­
ской обработки подшипниковых колец
большого размера разработан прибор маг­
нитного контроля СКДМ-1. Устройство
(рис. 14.6) состоит из двойного Н-образного электромагнита с рамочным фер­
розондом 4 в перемычке. С одной стороны
электромагнита находится магнитный эк­
вивалент (стандартный образец) 3, с дру­
гой - контролируемое кольцо 5. При по­
ступлении тока в катушки намагничива­
ния 2 феррозонд 4 регистрирует разность
значений индукций насыщения стандарт­
ного и контролируемого колец. Контроли­
руемое кольцо приводится во вращение
роликами 6. Электромагнит, в свою оче­
редь, своими роликами (на рисунке не
показано) катится по контролируемой по­
верхности. От полюсов электромагнита
при включении тока намагничивания ос­
тается магнитная "дорожка" а. Феррозон­
ды 1 регистрируют поля рассеяния от "до­
рожки", которые пропорциональны коэр­
цитивной силе контролируемого участка
изделия.
Опыт эксплуатации намагничиваю­
щих устройств с электромагнитами пока­
зывает, что на величину сигнала преобра­
зователя значительно влияет зазор между
сердечником электромагнита и поверхно­
стью изделия. Высокая производитель­
ность контроля при меньшей чувствитель­
ности к зазору и местоположению детали
получена в импульсном коэрцитиметре
ИК-1 (или ИК-2), структурная схема кото­
ПРИБОРЫ НК ПО ИЗМЕРЕНИЮ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ
рого приведена на рис. 14.7. В приборе
предусмотрено измерение Нс ~ Вг . Меж­
ду ярмом П-образного электромагнита и
изделием устанавливается начальный за­
зор 8 ... 10 мм. Его наличие снижает чув­
ствительность к последующим небольшим
отклонениям зазора при контроле и пере­
мещениям деталей относительно полюсов.
Для намагничивания используют пристав­
ной электромагнит 1, через обмотку 2 ко­
торого пропускают импульсы тока (форма
импульсов показана справа). Значение
остаточной индукции регистрируется при­
бором 4 с помощью магнитометра на пре­
образователе Холла 3.
Дальнейшее развитие метод контроля
с намагничиванием участка изделия на­
кладным соленоидом получил в работах
М.А. Мельгуя. На основе приближенных
расчетов он получил выражения для гра­
диентов нормальной составляющей поля
от намагниченного пятна. Расчеты показа­
ли, что в общем случае градиент поля
сложным образом зависит от многих маг­
нитных характеристик. Градиент нор­
мальной составляющей пол