ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
МАГНИТНАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ СТАЛИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Знакомство с понятиями магнитного структурного анализа
1.2 Изучение основных структурно-чувствительных магнитных свойств ферромагнетиков, способов измерения этих свойств и анализ возможности их применения в качестве параметров неразрушающего контроля.
1.3 Анализ влияния термической обработки на величину коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции стальных образцов, подвергнутых наклепу и закалке
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1 Изучить работу лабораторных установок для измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы ферромагнитных материалов.
2.2. Провести измерение остаточной индукции стальных образцов в различных структурных состояниях:
2.2.1 Снять зависимость коэрцитивной силы и твердости наклепанных образцов от температуры нагрева.
2.2.2 Снять зависимость остаточной индукции и твердости закаленных образцов от температуры отпуска
2.2.3Сопоставить изменение магнитных характеристик с изменением твердости
2.3 Проанализировать результаты измерений и сопоставить изменение магнитных характеристик с изменениями в структуре стали.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Все стали ( за исключением аустенитных ) являются ферромагнетиками и поэтому к изделиям из них могут быть применены магнитные методы анализа и контроля
. В основе этих методов лежит измерение тех или иных магнитных характеристик , которые однозначно связаны с интересующими нас параметрами материала или изделия - прочностью, твердостью, наличием или отсутствием несплошностей и т.д. Рассмотрим основные магнитные характеристики ферромагнетика и их связь с его структурой и механическими и другими свойствами
|
|
|
Как известно, магнитную структуру ферромагнетика можно представить себе как конгломерат доменов – микро-областей, намагниченных до насыщения внутренним молекулярным полем, как представлено на Рис. 1
Рис.1 Доменная структура поликристаллического ферромагнетика при отсутствии внешнего магнитного поля
На этом рисунке условно показано, что каждый объем ферромагнитного металла разбит на множество доменов, вектора которых ориентированы взаимно-противоположно . Средний размер доменов - от 1 до 10 микрометров, т.е. каждое зерно содержит сотни и тысячи доменов. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные поля соседних доменов компенсируют друг друга и общая намагниченность тела отсутствует
Рис 2 Доменная структура в сильном внешнем магнитном поле
В сильном магнитном поле вектора доменов ориентируются вдоль внешнего поля и их намагниченности складываются и возникает сильное внутреннее магнитное поле ( магнитная индукция). На Рис 2 представлен случай предельно намагниченности ( намагниченность насыщения), когда вектора всех доменом повернулись в направлении внешнего поля . Такой поворот происходит в несколько этапов по мере увеличения напряженности внешнего магнитного поля. При наложении внешнего поля происходит постепенное изменение доменной структуры и тело намагничивается Этот процесс представлен на рис 3
|
|
|
Рис 3 Кривая начального намагничивания ферромагнетика (а) и соответствующее изменение доменной структуры (б, в, г, д)
В полностью размагниченном образце ( рис 3,б) расположение векторов намагниченности равновероятно по всем направлениям. У образца, находящегося в очень слабом поле, соответствующем участку 0а, происходит обратимое смещение границ доменов и увеличение тех доменов, вектор намагниченности которых образует наименьший угол с направлением намагничивающего поля Н . Это увеличение происходит за счет соответствующего уменьшения объема соседних доменов. Этот процесс обратим ( пунктирная кривая оа на рис 3,а). У образца ( рис3, г) , находящегося в поле средней величины, соответствующей участку аб, происходит необратимое смещение границ доменов и поворот их векторов на 90 и 180 градусов. При этом все вектора оказываются ориентированы вдоль той оси легкого намагничивании кристалла, направление которой составляет наименьший угол с направлением намагничивающего поля Н. Этот процесс необратим (пунктирная кривая бд на рис 3,а). У образца (рис 3,д), находящегося в сильном магнитном поле, соответствующем участку вС (зоне насыщения), происходит процесс вращения векторов намагниченности из направления вдоль оси легкого намагничивания в направление, параллельное намагничивающему полю Н .
|
|
|
При снятии намагничивающего поля Н из-за необратимости процессов на участке аб индукция не обращается в ноль, а остается некоторая величина остаточной индукции (отрезок 0f на рис 3,а). Возникает гистерезис – запаздывание ( в переменном поле возникает петля гистерезиса). Степень этой необратимости, а следовательно, величина остаточной индукции ( и некоторых других магнитных характеристик) во многом определяются структурными особенностями строения ферромагнетика, такими, как размер зерна, наличие внутренних напряжений, наклеп и др. . На этом основана магнитная структуроскопия, то-есть определение фазового и структурного состояния материала на основании измерения магнитных характеристик
|
|
|
Основные магнитные характеристики ферромагнетика представлены на рис. 4
Рис.4 Петля гистерезиса и основные характеристики ферромагнетика:
µ - магнитная проницаемость
B S – индукция насыщения
В r – остаточная индукция
Нс – коэрцитивная сила
Магнитная проницаемость µ характеризует связь между индукцией и напряженностью внешнего поля. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H) . При этом различают начальную проницаемость µн при Н = 0 и максимальную µмакс . . Начальная магнитная проницаемость и коэрцитивная сила обратно пропорциональны друг другу. Обе эти характеристики определяют легкость намагничивания и размагничивания материала .
Легко намагничиваются (большое значение µ, малое значение Нс ) имеют химически чистые ферромагнетики и твердые растворы на их основе, например, феррит. Появление большого количества дефектов в кристаллической решетке (наклеп, границы зерен, блоков), напряжения, распад твердого раствора, выделения второй фазы – все эти процессы вызывают уменьшение проницаемости и увеличение коэрцитивной силы и остаточной индукции. Поэтому характеристики Нс, µ, В r называют структурно-чувствительными. Измеряя эти характеристики, можно делать заключение о структуре и механических свойствах материала, поскольку прочность, пластичность, вязкость сталей определяется их структурой. Для примера на Рис 5 представлено влияние пластической деформации на параметры петли гистерезиса низкоуглеродистой стали.
Рис 5 Петли гистерезиса низкоуглеродистой стали в отожженном (а) и наклепанном (б) состояния (схема)
Из рисунка видно, что при наклепе возрастает как коэрцитивная сила, так и остаточная индукция
Структура наклепанного металла сильно искажена, зерно разбито на блоки
Рис 5а Схематическое изображение сильно деформированной структуры металла
Размеры блоков –порядка 0,1 мкм ( размер зерна металла – порядка 100мкм). Внутри блока порядок атомов сохраняется, но атомные плоскости искривлены , т.е. здесь имеет место упругая деформация. По границам блоков расположены переходные области, где наблюдается большое скопление дефектов кристаллического строения – дислокаций, вакансий, межузельных атомов . Дальнейшее движение дислокаций затрудняется, как следствие этого - возрастает твердость и прочность металла. Эти же искажения кристаллической решетки вызывают уве личение коэрцитивной силы и остаточной индукции
При нагреве наклепанного металла. Процессы, протекающие при этом в структуре наклепанного металла, подразделяются на две основные стадии: возврат и рекристал лизация На стадии возврата за счет диффузии уменьшается количество точечных дефектов (вакансий), частично перераспределяются дислокации, уменьшаются внутренние напряжения ( диапазон температур 200 – 450 град на Рис 5) . Как известно, возврат сопровождается некоторым понижением первоначальной твердости и прочности (на 10-20%) и соответствующим повышением пластичности. Эти же структурные изменения приводят к понижению остаточной индукции и коэрцитивной силы . При повышении температуры нагрева до 450 град С начинается процесс рекристаллизации: образуется новое зерно и резко уменьшается плотность дислокаций. В результате структура и свойства металла (как механические, так и магнитные) возвращаются к исходному ( до наклепа) состоянию
При закалке стали образующая мартенситная структура представляет собой ферромагнитную альфа- решетку железа находящуюся в состоянии очень высокой плотности дефектов кристаллического строения и больших внутренних напряжений. Поэтому закаленное состояние стали характеризуется большими значениями коэрцитивной силой и остаточной индукцией , при отпуске их значения уменьшаются , однако, немонотонным образом.
В качестве примера на Рис 6 приведена зависимость коэрцитивной силы закаленной стали У10 от температуры отпуска.
Рис 6 Влияние температуры нагрева на величину коэрцитивной силы закаленной стали У10
В области температур низкого отпуска ( 20 – 200 град С) наблюдается заметное снижение величины Нс, связанное с выделением углерода из мартенсита и уменьшением искаженности его решетки (уменьшение степени тетрагональности мартенсита). При температурах среднего отпуска ( 200 – 350 град С) мы видим резкое уменьшение коэрцитивной силы. В этом диапазоне температур, как известно, происходит полный распад мартенсита на феррито – карбидную смесь (троостит) в результате чего происходит дальнейшее снижение напряжений и плотности дефектов в альфа–решетке железа и ,как следствие, понижение коэрцитивной силы. Выделяющиеся при распаде мартенсита карбиды на этой стадии не оказывают влияния на магнитные свойства ввиду их малости ( сотые доли микрометра). В области температур высокого отпуска (400 – 600 град С) наблюдается рост величины Нс . Это связано с процессом укрупнения (коагуляции) карбидов. На этой стадии формирующиеся частицы цементита достигают размеров десятых долей микрометра и начинают тормозить процесс смещения границ между доменами (блоховских стенок)
Рис 7 Схема изменения векторов намагничивания в соседних доменах
Толщина междоменных стенок составляет величину порядка десятых долей микрометра и, когда частицы цементита становятся близки им по размерам, они в наибольшей степени затрудняют смещение стенок доменов при намагничивании и размагничивании. Таким образом, кривая Нс = f ( T отп) отражает процессы распада мартенсита и превращений в карбидной фазе. Таким же образом изменяется и остаточная индукция Вr при нагреве закаленной стали.
Величина индукции насыщения B S , а также температура Кюри θ ( температура, при которой исчезает ферромагнитность) относятся к структурно-нечувствительным характеристикам. Их значения зависят, в основном, от химического состава материала.
Примеры применения магнитной структуроскопии на производстве
1 Небольшие детали из углеродистых сталей (болты, гайки, кольца подшипников, сверла и т.д.) разбраковывают по величине коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции В r на автоматических установках – до 100000 штук в день. Тем самым исключаются более трудоемкие операции измерения твердости и прочности.
2.В кольцах подшипников качения количество остаточного аустенита определяют по величине индукции насыщения B S (чем больше остаточного аустенита, тем ниже B S)
3. При изготовлении инструмента из твердых сплавов контроль структурного состояния материала осуществляют путем измерения величины Нс. В технических условиях определены интервалы значений, в которых должна находиться величина Нс сплавов, прочностные характеристики которых определены соответствующими ГОСТами. ( в данном случае величина коэрцитивной силы чувствительна к содержанию кобальта в сплаве и величине карбидных зерен).
4. Магнитный метод контроля , основанный на измерении индукции насыщения B S , применяют при выплавке нержавеющих сталей переходного класса (09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3 и др.). Механические свойства этих сталей зависят от соотношения в структуре аустенита (немагнитная фаза), мартенсита и дельта-феррита (ферромагнитные фазы). Для этого в период рафинирования расплава отбирают пробы металла и заливают в специальные чугунные кокили. Пробы охлаждают до 950 град С и извлекают из кокиля. При выплавке стали с контролем дельта-феррита пробы сразу охлаждают в воде при 80 – 100 град С, после чего с помощью прибора быстро измеряют величину B S . Затем эту же пробу немедленно переносят в холодную воду и снова измеряют B S . Первый замер показывает количество дельта-феррита. Второй – суммарное количество дельта – феррита и мартенсита.
Магнитные методы контроля механических свойств изделий во многих случаях имеют огромное практическое преимущество по сравнению с другими методами, так как они:
1) сравнительно просты и осуществляются с большой скоростью;
2) чрезвычайно чувствительны ко всяким изменениям структуры, происходящим в процессе механической и термической обработок;
3) не связаны с нарушением целостности изделия (в то время как любое механическое испытание сопряжено с разрушением или изменением формы контролируемого изделия или его поверхности).
Кроме того, при соответствующей конструкции аппаратуры, магнитные методы могут отражать свойства как всего объема изделия, так и его поверхностных слоев заданной толщины, в то время как, например, измерение твердости дает сведения только о свойствах поверхности
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!