Современные возможности магнитного контроля структуры изделий

На металлургических и машиностроительных предприятиях выпускаются массовые партии изделий из сталей и чу-гунов заданной структуры. Возможные отклонения в химическом составе материала изделий, режимов их охлаждения и термообработки приводят к недопустимым отклонениям свойств изделий, требуют контроля всей продукции. Прямые методы определения механических свойств и структуры являются разрушающими и не могут быть использованы для контроля качества изделий, предназначенных для эксплуатации. Современный уровень развития науки позволяет прогнозировать возможность использования магнитного метода для НК режимов термообработки, химического, структурного и фазового состава изделий из ферромагнитных материалов, а современный уровень приборной реализации метода позволяет осуществлять такой контроль в автоматическом режиме непосредственно в цехах и заводских лабораториях.

Цель настоящего обзора - систематизация и обобщение основных принципов магнитного контроля структуры изделий из сталей и чугунов для расширения применения метода в промышленности.

Ферромагнитные свойства конструкционных сталей и чугунов

Большинство сталей и чугунов обладают ферромагнитными свойствами - при изменении магнитного поля H их намагниченность M изменяется нелинейным и неоднозначным образом - по петле гистерезиса. Не существует точной аналитической формы записи функции М(Н) с учетом процессов формирования, роста, переориентации элементарных объемов намагничивания - магнитных доменов. Наиболее точно намагничивание конструкционных материалов по параметрам предельной петли гистерезиса описывают формулы: для основной кривой намагничивания.

По формулам кривая намагничивания, предельная и частные петли гистерезиса конструкционных ферромагнитных материалов могут быть рассчитаны с достаточной для практики точностью по He, Ms и MR.

Измерения магнитных свойств конструкционных материалов проводятся на кольцевых или прямолинейных образцах на аппаратуре (установках У5045, БУ-3, их аналогах), в соответствии с требованиями. Современная аппаратура (например, автоматизированные компьютеризированные комплексы «REMAGRAPH e-500» и «REMAGRAPH e-300») обеспечивают построение полного статического гистерезисного цикла магнитомягких и магнитотвердых материалов за 70 с. Измерения проводятся на прямоугольных образцах в замкнутой магнитной цепи пермеаметра. Магнитоизмерительный комплекс,например, успешно используется для исследований влияния деформационного состояния сталей на их магнитные характеристики. Но существующая аппаратура не применима в производственных условиях для контроля промышленных изделий из-за высокой стоимости, низкой производительности и необходимости разрушения контролируемых изделий для изготовления образцов. Проведение таких измерений может быть рекомендовано при исследовании магнитных свойств новых ферромагнитных материалов. Для большинства сталей и чугунов такие исследования проведены, а их результаты обобщены.

Физическая основа магнитного структурного анализа

Как механические, так и магнитные свойства сталей и чугунов чувствительны к структурным превращениям, происходящим в них при различных термических обработках. К настоящему времени исследованы зависимости магнитных и механических свойств от структурного состояния, температуры нагрева при закалке и отпуске для большинства сталей и чугунов разных классов. Установлено, что изменения структурного состояния сталей и чугунов приводит, как правило, к закономерному изменению их магнитных и механических свойств. Характерные зависимости изменения основных магнитных параметров углеродистых сталей от температуры отпуска приведены на рис. 2, а возможные диапазоны изменения основных магнитных параметров чугунов с различной структурой - в табл. 1. Наиболее структурочувствительным магнитным параметром конструкционных материалов является коэрцитивная сила, которая определяется средней величиной сил, задерживающих необратимое смещение границ между доменами при перемагничивании. Факторами, задерживающими такое смещение, могут быть неферромагнитные включения различной формы и дисперсности; напряжения, обусловленные дислокациями и другими причинами, градиент напряжений; границы фаз, зерен и другие неоднородности и дефекты кристаллического строения. Закономерный характер установленных зависимостей позволил обобщить их и получить аналитические взаимосвязи  с температурой закалки и отпуска различных сталей с учетом содержания в них легирующих элементов. Полученные выражения позволяют, например, при известном химическом составе и температуре закалки аппроксимировать зависимости He различных марок сталей от температуры отпуска.

 

Коэрцитиметрические методы магнитного структурного анализа

Магнитный контроль качества термообработки и структуры стальных и чугунных изделий во многих случаях может быть основан на различии их коэрцитивных сил. В промышленности наибольшее распространение получили следующие методы, основанные на косвенном определении Hc.

Метод магнитного контроля структурного состояния изделий из конструкционных ферромагнитных материалов по току размагничивания приставных магнитных устройств. К последним достижениям отнесем его использование для контроля степени деградации металла в процессе эксплуатации. Среди особенностей приборной реализации метода отметим создание портативных автономных от сетевого источника питания коэрцитиметров, использование постоянных магнитов для намагничивания и размагничивания изделия с плоской поверхностью, использование дополнительных магнитных параметров для структуроскопии при «неэлектрическом» намагничивании контролируемых изделий. Несмотря на современный уровень микрокомпьютерной обработки сигналов, недостатком приборов с приставным магнитным преобразователем остается сильная зависимость результатов измерения от зазора между преобразователем и контролируемой поверхностью и низкая производительность.

Методы контроля изделий из конструкционных ферромагнитных материалов по полю от остаточной намагниченности после намагничивания изделий по методу «точечного полюса» и по остаточному магнитному потоку Ф в изделии используют особенности формирования остаточной намагниченности изделий при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи.

Малогабаритное изделие, намагниченное до технического насыщения, после снятия внешнего поля сохраняет остаточную намагниченность тела Md, которая меньше остаточной намагниченности материала изделия MR.

При постоянных размерах изделия (N = const) Md определяется He и является структурно чувствительным параметром.

На использовании этого явления основан и метод «точечного полюса», заключающийся в кратковременном контакте одного из полюсов постоянного магнита (электромагнита, соленоида с током) с контролируемой поверхностью и в последующем измерении составляющих поля остаточной намагниченности (или его градиентов) над намагниченным участком. Коэрцитиметрический эффект метода обусловлен большим значением N намагниченного участка. Анализ теоретических и экспериментальных исследований по применению метода «точечного полюса» в магнитном структурном анализе и приборной реализации метода проведен в. К последним достижениям метода отнесем результаты контроля твердости чугунных отливок, анализ влияния размеров датчиков на их чувствительность к He материала изделия и анализ изменения чувствительности метода при измерении различных параметров поля на расстоянии от намагниченной поверхности. Установлено, в частности, что вблизи полюсно намагниченной поверхности чувствительность нормальной составляющей градиента поля остаточной намагниченности к Hc материала изделий выше, чем чувствительность к Hc нормальной составляющей поля остаточной намагниченности. Чувствительности этих параметров к Hc материала изделий резко уменьшаются с увеличением расстояния до намагниченной поверхности и размеров измерительных преобразователей. По результатам анализа разработан способ снижения (более, чем на порядок) влияния непостоянства зазора между датчиком и изделием на результаты контроля при одностороннем доступе к поверхности изделия (рис. 3). Полученные результаты делают перспективным совершенствование базового прибора МС-1 для структурного анализа крупногабаритных отливок при наличии окалины на поверхности непосредственно в цехах промышленных предприятий.



Просмотров: 1435

Дата: Четверг, 06 Сентября 2012

Новости