Влияние магнитоупругого эффекта на гистерезисные свойства среднеуглеродистой стали при одноосном нагружении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние магнитоупругого эффекта на гистерезисные свойства среднеуглеродистой стали при одноосном нагружении

Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М.,

Соловьев К.Е., Задворкин С.М.

Екатеринбург, Россия

Контроль упругих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации в изделиях из ферромагнитных конструкционных сталей, является одной из важных задач магнитной структуроскопии. Для ее решения в ряде работ рассмотрены возможности использования параметров магнитного гистерезиса (коэрцитивной силы и остаточной индукции (намагниченности)), параметров шумов Баркгаузена, динамических и статических магнитоупругих параметров исследуемого материала. Очевидно, что для применения в неразрушающем контроле указанных характеристик необходимо понимание физических явлений, которые определяют влияние на них упругих напряжений и, следовательно, понимание взаимосвязи гистерезисных, магнитоупругих и магнитострикционных свойств ферромагнитных материалов, подвергающихся такого рода контролю.

Целью настоящей работы было комплексное сопоставление экспериментальных данных: зависимостей коэрцитивной силы, размагничивающего тока приставного электромагнита, остаточной индукции, относительной максимальной проницаемости, параметров шумов Баркгаузена и продольной магнитострикции среднеуглеродистой стали 45 от величины упругих напряжений, и определение возможностей использования измеренных магнитных параметров для оценки действующих упругих напряжений.

Для объяснения взаимосвязи гистерезисных и магнитострикционных свойств данной стали изучали зависимости линейной магнитострикции от приложенного магнитного поля при одновременном воздействии на исследуемые образцы растягивающих нагрузок различной величины.

Исследовали плоские образцы из нормализованной стали 45, имеющие длину рабочей части 110 мм, ширину - 25,3 мм и толщину - 3,6 мм. Предел пропорциональности испытуемого материала составлял 450 МПа, условный предел текучести - 440 МПа, временное сопротивление - 750 МПа.

Образцы подвергали одноосному растяжению на испытательной машине УММ-5. Максимальную нагрузку, прикладываемую к образцам, определяли таким образом, чтобы, во-первых, не был превышен предел пропорциональности исследуемого материала, во-вторых, не происходило пластической деформации и разрушения тензорезисторов. Шаг изменения нагрузки составлял 5 кН. На каждом шаге при достижении определенной нагрузки процесс нагружения приостанавливали и проводили измерения исследуемых магнитных свойств и зависимостей продольной магнитострикции от приложенного магнитного поля. После проведения измерений образец размагничивали, а затем растягивали дальше до следующей точки измерений. Перед началом следующего цикла магнитных измерений образец вновь размагничивали. Истинное напряжение у на каждом шаге нагружения определяли с учетом поперечного сечения образца при растяжении.

Измерения коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции и относительной максимальной магнитной проницаемости проводили вдоль направления нагрузки с использованием компьютеризированного гистерезис-графа Remagraph C-500. При этом обеспечивали замкнутую магнитную цепь с измерением внутреннего поля в образце, максимальное значение которого достигало 600 А/см.

Измерения размагничивающего тока приставного электромагнита осуществляли с помощью магнито-измерительного комплекса, в качестве первичного преобразователя использовали П-образный приставной электромагнит с сечением полюсов 16Ч4 мм и расстоянием между полюсами 8 мм. Сигнал с измерительной катушки, расположенной на перемычке ярма электромагнита, поступал на канал измерения магнитного потока магнито-измерительного комплекса, после чего сигнал интегрировали и регистрировали в виде зависимости ЭДС от перемагничивающего тока. Запись петли магнитного гистерезиса осуществляли при максимальном намагничивающем токе, равном 2А, что обеспечивало получение петель магнитного гистерезиса, близких к предельным. Из полученных петель гистерезиса определяли значения размагничивающего тока, пропорционального коэрцитивной силе.

Параметры шумов Баркгаузена (среднеквадратичное значение напряжения U и число скачков Баркгаузена за цикл перемагничивания) измеряли, используя цифровой анализатор шумов Баркгаузена. Первичным преобразователем служил накладной датчик с сечением полюсов 8Ч9 мм и расстоянием между полюсами 9 мм. Амплитуда и частота тока перемагничивания, которую подбирали по максимальному отношению сигнал/шум, составляли для исследуемых образцов соответственно 120 мА и 20 Гц.

С помощью приставных электромагнитов запись петель магнитного гистерезиса и измерение параметров шумов Баркгаузена проводили в двух направлениях: вдоль и перпендикулярно направлению растягивающей нагрузки. магнитоупругий сталь упругий напряжение

Измерение продольной магнитострикции осуществляли с помощью тензорезисторов, соединенных по схеме моста Уитстона. Измерительные тензорезисторы были наклеены на противоположных сторонах посередине рабочей части образца, а термокомпенсационные - на медную пластину, которую располагали вблизи исследуемого образца. Питание моста осуществляли постоянным стабилизированным током.

При измерениях кривой магнитострикции исследуемый образец перемагничивали в пермеаметре. При этом внутреннее магнитное поле, напряженность которого измеряли с помощью C-образного потенциалметра, достигало 500 А/см. В результате измерений осуществляли запись полевых зависимостей продольной магнитострикции, из которых затем определяли магнитострикцию в максимально приложенном магнитом поле s.

На рис. 1 приведены кривые продольной магнитострикции в зависимости от приложенного магнитного поля при различных значениях растягивающей нагрузки. Видно, что уже при незначительном увеличении напряжений меняется ход кривой магнитострикции. Данный факт связан с изменением распределения спонтанной намагниченности ферромагнетика под действием упругих деформаций (упругая деформация вызывает переориентацию направлений намагниченности Ms областей в ферромагнетике). При этом в зависимости от приложенной нагрузки меняется характер поведения кривых магнитострикции, представленных на рис. 1. Во-первых, уменьшается величина максимума положительной магнитострикции.

Рис. 1. Полевые зависимости продольной магнитострикции при различных значениях приложенной нагрузки. (а) - во всем диапазоне изменения магнитного поля; (б) - начальный участок. Кривая 1 - = 0; 2 - 63; 3 - 105; 4 - 157; 5 - 209; 6 - 262; 7 - 284 МПа.

Во-вторых, под действием напряжений происходит уменьшение значений магнитных полей, при которых магнитострикция меняет свой знак с положительного на отрицательный. В-третьих, при величине напряжений, равных примерно 160 МПа, положительный участок полевой зависимости магнитострикции совсем исчезает, и при определенных значениях напряжений, находящихся в диапазоне от 160 до 200 МПа, магнитострикция, начиная с нулевого значения магнитного поля, принимает только отрицательные значения. Переход магнитострикции в отрицательную область, а значит, и изменение знака магнитоупругого эффекта объясняется тем, что при данных растягивающих напряжениях в стали возникает магнитная текстура. При этом исчезают 90-градусные соседства доменов, остаются только 180-градусные доменные границы, смещения которых не приводят к магнитострикционным эффектам. При нагрузке, превышающей некоторую величину напряжений в диапазоне 160 - 200 МПа, происходят только процессы вращения векторов намагниченности, в результате которых суммарная магнитострикция стали определяется ее отрицательной константой 111.

Рис. 2. Зависимости величин продольной магнитострикции насыщения лs от растягивающих напряжений

На рис. 2 показана зависимость величины продольной магнитострикции, измеренной в максимальном магнитном поле, от приложенных напряжений. Можно видеть, что величина магнитострикции насыщения лs по абсолютной величине монотонно увеличивается.

На рис. 3 и рис. 4 приведены в зависимости от приложенных напряжений значения коэрцитивной силы, остаточной индукции, относительной максимальной проницаемости, размагничивающего тока Ic приставного электромагнита и параметры шумов Баркгаузена (среднеквадратичные значения напряжения U и число скачков за цикл перемагничивания).

Характеристики, представленные на рис. 4, измеряли в центральной части образцов с помощью приставных датчиков при их расположении вдоль и перпендикулярно направлению нагрузки.

Рис. 3. Зависимости от растягивающих напряжений

а) кривая 1 - значений коэрцитивной силы Hc на предельном цикле, кривая 2 - значений коэрцитивной силы частного цикла H*c;

б) остаточной индукции Вr;

в) относительной максимальной проницаемости µr max.

Зависимости, представленные на рис. 3, с увеличением нагрузки изменяются неоднозначно. В диапазоне приложенных напряжений 160-200 МПа наблюдаются максимумы Br(), µrmax() и минимум Hc(). Полученные зависимости могут быть объяснены следующим образом. При малых нагрузках магнитострикция стали положительна, вследствие чего формируется магнитная текстура типа “легкая ось”. При этом вектора намагниченности выстраиваются преимущественно вдоль направления перемагничивающего поля: коэрцитивная сила уменьшается, а остаточная индукция и относительная максимальная проницаемость растут. При определенных напряжениях, в нашем случае в диапазоне 160-200 МПа, наблюдаются экстремумы данных зависимостей. При дальнейшем увеличении растягивающих напряжений, как следует из рис. 1, магнитострикция принимает только отрицательные значения. При отрицательных значениях магнитострикции в процессе растяжения формируется текстура типа “легкая плоскость”, при которой вектора намагниченности стремятся выстроиться перпендикулярно оси растяжения и, соответственно, намагничивающему и перемагничивающему полю, что приводит к увеличению значений коэрцитивной силы и уменьшению Br() и µrmax().

Известно, что магнитные характеристики частного цикла перемагничивания зачастую имеют другие корреляционные связи со структурным и напряженно-деформированным состоянием железоуглеродистых сплавов. При этом важно знать уровень намагничивающих полей, при которых происходит изменение данных корреляционных связей. В связи с этим, были проведены измерения коэрцитивной силы деформированных образцов при максимальной напряженности намагничивающего поля 5 А/см. Полученная зависимость коэрцитивной силы частного цикла H*c() от приложенных напряжений приведена на рис. 4а (кривая 2). В данном случае можно отметить качественное согласие кривых, измеренных на предельном и частном циклах.

Применение неразрушающих методов магнитной структуроскопии, как правило, основывается на использовании приставных намагничивающих устройств - преобразователей. Именно в связи с этим нами были проведены исследования магнитных характеристик, представленных на рис. 4. Использование приставных первичных преобразователей в данном случае имеет существенное преимущество по сравнению с измерениями на стационарной установке, поскольку существует возможность определения магнитных характеристик как вдоль, так и перпендикулярно оси действующих растягивающих напряжений.

Из рис. 4 следует, что величины размагничивающего тока, измеренные при расположении электромагнита перпендикулярно направлению нагрузки (рис. 4а, кривая 2), с ростом приложенных напряжений монотонно увеличиваются, в то время как в случае измерений вдоль оси растяжения зависимость размагничивающего тока (рис. 4а, кривая 1) от растягивающих напряжений имеет тот же вид (с минимумом), что и кривые зависимостей Hc() и H*c(), приведенные на рис. 3а.

Расхождение точек при нулевом значении деформации можно объяснить условиями измерений: при расположении датчика перпендикулярно направлению нагрузки, в отличие от продольных измерений, края полюсов электромагнита находились в непосредственной близости от краев образца.

Среднеквадратичные значения напряжения шумов Баркгаузена U (рис. 4б, кривая 1), измеренные вдоль направления растяжения, монотонно увеличиваются во всем диапазоне приложенных нагрузок, а число скачков Баркгаузена за цикл перемагничивания, напротив, монотонно убывают (рис. 4в, кривая 1). Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки растут линейные размеры доменов и соответственно уменьшается число доменных границ, что приводит к уменьшению числа скачков Баркгаузена и росту значений U. При расположении датчика в перпендикулярном оси растяжения направлении измеренные значения U и число скачков Баркгаузена за цикл перемагничивания в зависимости от приложенных напряжений изменяются несущественно. Отмеченные монотонные зависимости Ic(), измеренные в перпендикулярном нагружению направлении, и параметров шумов Баркгаузена, измеренные при продольном расположении датчика, а также зависимость абсолютной величины магнитострикции насыщения позволяют рассчитывать на дополнительные возможности при оценке упругих напряжений в материале при использовании комбинации данных параметров.

Рис. 4. Зависимости от растягивающих напряжений

а) значений размагничивающего тока Ic приставного электромагнита;

б) среднеквадратичных значений напряжения U; в) числа скачков Баркгаузена за цикл перемагничивания. Кривые 1 - измерения вдоль направления нагрузки, 2 - перпендикулярно направлению нагрузки.

В результате экспериментально проведенных исследований полевых зависимостей магнитострикции для нормализованной стали 45, измеренных при различных растягивающих нагрузках, получено, что при увеличении растягивающих напряжений положительный участок кривой магнитострикции исследуемого материала становится меньше, а при величине напряжений, находящейся в диапазоне от 160 до 200 МПа, магнитострикция становится полностью отрицательной. Смена знака магнитострикции приводит к смене знака магнитоупругого эффекта, вследствие чего в указанном диапазоне напряжений наблюдаются минимумы на зависимостях коэрцитивной силы и продольного размагничивающего тока приставного электромагнита и максимумы на кривых остаточной индукции и относительной максимальной проницаемости.

Показано, что абсолютная величина магнитострикции насыщения исследуемой стали монотонно увеличивается с ростом упругих напряжений.

Установлена однозначность зависимостей от величины упругих растягивающих напряжений среднеквадратичных значений напряжений и числа скачков Баркгаузена за цикл перемагничивания, измеренных при расположении датчика вдоль приложенной нагрузки, и значений размагничивающего тока приставного электромагнита, пропорционального коэрцитивной силе, измеренных при расположении датчика в направлении, перпендикулярном оси растяжения. Измеренные магнитные характеристики могут быть использованы для оценки действующих растягивающих напряжений.

Размещено на Allbest.ru