книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения
.pdfВ общем случае /, образует с осью образца не который угол ф, т. е.
М = VIsH sin(\\f-(p),
где у — угол между осью образца и направлением
поля.
Момент М\ может быть уравновешен при по мощи пружины, прикрепленной к держателю об разца. Момент пружины пропорционален углу за кручивания:
М2= СДф,
где С — модуль жесткости пружины. В состоянии равновесия
М\ —М2
или
Vis #sin (ф - ф) = СДф,
откуда
биться многократного отражения луча, увеличивая таким образом его отклонение в соответствующее число раз.
Отклонение Дф составляет 2-3 °С, поэтому от клонение «зайчика» по шкале невелико — порядка 40-50 мм при расстоянии от зеркала до шкалы 1 м. Применение оптического умножителя позволяет значительно увеличить чувствительность прибора.
Л= „ „ • С7-------чАУ VH з т (ф - ф )
При ф < 20 °С и Дф < 2-КЗ °С разность (ф - ф)
почти |
не |
изменяется, |
т. е. |
величина |
|
С |
и является |
практически постоян- |
|
--------------- - = к |
VHsт (ф -ф )
ной величиной. Поэтому
Is = АДф.
Величину Дф измеряют при помощи зеркальца, прикрепленного к верхней части держателя, осве тителя и шкалы. Конструкция головки анизометра, применяемой в современных приборах этого типа, представлена на рис. 2.5.16.
Важным элементом головки является так назы ваемый оптический умножитель, образованный двумя зеркалами — подвижным 1, прикрепленным к держателю, и неподвижным 2 , прикрепленным к верхней части головки. Эти зеркала устанавлива ются под таким углом, что луч света от осветите ля, отражаясь от подвижного зеркала, падает на неподвижное и повторно отражается от подвижно го зеркала. За счет этого угол отклонения удваива ется. Уменьшая угол между зеркалами, можно до
Рис. 2.5.16. Головка анизометра:
1— подвижное зеркало; 2— неподвижное зеркало;
3— линза; 4-— регулятор положения неподвижного зеркала;
5— регулятор угла отклонения образца; б— лимб;
7 — пластинчатые пружины; 8— ванна демпфера;
9— радиационные экраны; 10— немагнитная трубка;
11— образец
Показания анизометра регистрируют либо ви зуально, по шкале, либо записывают на фотобума ге, которая помещается на вращающийся барабан. Длительный процесс распада аустенита записыва ется в течение нескольких оборотов барабана (рис. 2.5.17). По ординате на рис. 2.5.17 можно судить о количестве распавшегося аустенита. Рас стояние между линиями 1 и II пропорционально 100 % ферромагнитной фазы.
Рис. 2.5.17. Запись перемещения луча от зеркала анизометра при распаде аустенита
Анизометр оснащен двумя печами, помещен ными на подвижную платформу, позволяющую накатывать на образец одну или другую печь.
Одна из печей высокотемпературная и исполь зуется для аустенизации при исследовании распа да переохлажденного аустенита, вторая печь — низкотемпературная, служит для изучения процес сов отпуска или для переохлаждения аустенизированных образцов, причем в этом случае в печь по мещают тигель с расплавленным оловом, сплавом Вуда или смесью солей — обычно селитр (нитра тов Na, К, NH*, Са, Ва), имеющих низкую темпе ратуру плавления. Для поддержания необходимых температур в печах применяют терморегуляторы с программным управлением.
Анизометр Акулова позволяет надежным обра зом регистрировать превращение аустенита в на чальной стадии даже при быстром течении про цесса, например при образовании мартенсита.
Фсрритомстры. Для проведения контроля со держания ферритной фазы в хромоникелевых ста лях аустенитного и аустенитно-ферритного клас сов наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получил магнитный метод, основан ный на том. что в хромоникелевых сталях аусте нитная фаза парамагнитна, а ферритная фаза явля ется сильным ферромагнетиком. Намагниченность насыщения ферритной фазы, находящейся в аусте нитной матрице в виде мелких частиц неправиль ной формы, в зависимости от ее химического состава может составлять 0,4—0,6 от намагничен ности насыщения чистого железа.
В существующих средствах измерения содер жания ферритной фазы — от специализированных магнитоизмерительных установок высшей точно сти до применяемых в заводских условиях пере носных магнитных приборов-ферритометров,
предназначенных для неразрушающего контро ля, — используется намагничивание образца или участка изделия и измерение отклика металла с помощью преобразователя, чувствительного к ка кой-либо магнитной характеристике стали. Маг нитный метод позволяет получить наиболее на дежные результаты измерения содержания фер ритной фазы. Однако он требует в стационарных установках создания намагничивающего поля, при котором ферритная фаза достигает состояния маг нитного насыщения. Для сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов со случайно рас пределенными и ориентированными частицами ферритная фаза «насыщается» в магнитных полях напряженностью порядка 500 кА/м. Такие поля используются в методе магнитного насыщения, в котором производятся измерения намагниченно сти стали. Этот вариант магнитного метода явля ется одним из наиболее надежных в магнитном фазовом анализе, и хотя он достаточно сложен в реализации и дорогостоящ, однако позволяет по лучить вполне надежные результаты измерений фаз в парамагнитной матрице (не зависящие от их морфологии), в том числе и информацию о содер жании ферритной фазы в сталях.
Устройство установки для выполнения измере ний содержания ферритной фазы методом магнит ного насыщения схематически изображено на рис. 2.5.18. Подобным образом устроены зарубеж ные установки аналогичного назначения.
Рис. 2.5.18. Схема установки для измерения содержания ферритной фазы
методом магнитного насыщения:
1— блок регулирования тока электромагнита;
2— ключ коммутации тока; 3 — мощный электромагнит;
4— образец; 5— измерительная катушка;
6— милливеберметр; 7— блок контроля напряженности магнитного поля; 8 — амперметр
Содержание ферритной фазы в исследуемом образце из аустенитной или аустенитно-феррит ной стали, выраженное в процентах, в методе маг нитного насыщения определяется из линейного соотношения:
а сФФ = у - 1 0 0 % ,
V
где 4п1х — удельная намагниченность насыщения образца и Anlf— удельная намагниченность насы щения ферритной фазы, содержащейся в образце.
В качестве настольных приборов для измерения содержания ферритной фазы в лабораторных и производственных условиях применяются ферритометры объемного типа, в которых цилиндриче ский образец (диаметром 5 или 7 мм и длиной 60 мм) помещается в катушку, создается магнит ное поле и с помощью микроамперметра измеря ется величина тока во вторичной катушке, про порциональная содержанию ферритной фазы в образце.
Устройство для определения остаточного аустенита. Для целей промышленного контроля широкое распространение получил дифференци альный магнитный прибор, блок-схема которого приведена на рис. 2.5.19.
Намагничивающее устройство прибора пред ставляет собой Н-образное симметричное ярмо из трансформаторной стали, намагничивающие об мотки (Ю1-СО4) обеих половин ярма включены по следовательно-встречно, что позволяет создавать при намагничивании магнитный поток одного на правления. Магнитное поле в таком намагничи
вающем устройстве достигает 400 А/см. Разность намагниченностей AMs испытуемой и стандартной деталей можно определять рамкой с током или феррозондом (ФЗ), вмонтированным в перемычке Н-образного ярма электромагнита. При одинако вых геометрических размерах и структурном со стоянии контролируемого изделия и стандартного образца, а также при абсолютной симметрии обе их половинок ярма и отсутствии значительных различий в потоках рассеяния в местах соприкос новения изделий с полюсами электромагнита, магнитные потоки Фх и Фст должны быть одинако выми, а показания прибора должны быть равны 0 . В остальных случаях отклонения в ту или другую сторону соответствуют большему или меньшему содержанию неферромагнитной фазы, например аустенита в испытуемом изделии по отношению к стандартному образцу. При определении оста точного аустенита в стали ШХ15 в качестве стан дартного образца взято изделие, подвергнутое закалке и последующей обработке холодом при -70 °С.
Градуировку дифференциального прибора про водят обычно по изделиям, прошедшим различ ную термическую обработку и имеющим различ ное количество остаточного аустенита. Градуи ровка заключается в определении взаимосвязи между разницей в содержании остаточного аусте нита в изделиях и показаниями дифференциального магнитного прибора. Данная методика определе ния количества остаточного аустенита в подшип никовой стали ШХ15 справедлива при условии, что содержание других фаз, например карбидов, не очень меняется от детали к детали.
Рис. 2.5.19. Блок-схема магнитного прибора с приставным дифференциальным преобразователем для измерения на изделиях индукции насыщения и коэрцитивной силы
На практике используются всевозможные схе мы элеюроиндуктивного определения остаточно го аустенита. Погрешность этих методов относи тельно велика, поскольку помимо чувствительно сти к фазовому составу они чувствительны и к структурному состоянию стали. Однако при не больших колебаниях структуры эти методы вслед ствие своей экспрессное™ широко используются для оценки содержания остаточного аустенита в инструментальных сталях, особенно в концевом режущем инструменте.
2.5.3. Способы неразрушающего контроля физико-механических свойств
иструктуры металлов
исплавов с помощью различных физических полей
Рост технического уровня производства, требо ваний к качеству и надежности, а также необхо димость сертификации продукции различных от раслей промышленности обусловливает потреб ность в средствах и методах неразрушающего контроля, обеспечивающих 100% контроль струк турного состояния металла, фазового состава, фи зико-механических свойств и ряда эксплуатацион ных структурночувствительных характеристик изделий. Очевидно, чем позднее от начала процес са производства обнаружен брак, тем дороже ста новится его исправление, тем выше себестоимость продукции.
На промышленных предприятиях неразру шающему контролю подлежит качество изделий из металлических материалов, подвергаемых тер мической и химико-термической обработке, раз личным видам упрочнения. В ряде случаев необ ходимо определять уровень напряженного состоя ния, фазовый состав, специальные свойства металлов.
Объективный количественный анализ струк турно-механического состояния металлических материалов достаточно сложен, и его результаты в значительной степени определяются уровнем развития научных основ создания аппаратурных средств и методологии неразрушающего контроля металлов. Прогресс в области неразрушающего контроля обеспечивается совершенствованием традиционных методов, поиском новых явлений и эффектов, а также созданием комплексных средств, использующих одновременно различные
по физической природе методы исследования. Только разные по физической природе и принципу взаимодействия с металлом методы контроля мо гут взаимно дополнять друг друга и обеспечивать получение необходимой информации о качестве изделия.
Особую роль в современном производстве иг рают методы неразрушающего контроля как важ нейшая составная часть гибких автоматизирован ных производств. Поэтому одним из основных требований к современному аппаратурному обес печению неразрушающего контроля является снижение субъективных факторов участия опера тора в процессе измерений и повышение точности получаемых характеристик и надежности контро ля за счет применения микропроцессорной техно логии управления контролем.
Предметом физического неразрушающего кон троля является оценка качества полуфабрикатов и изделий при их изготовлении и в процессе экс плуатации. Под нарушением качества понимают отступления от заданного химического и фазового состава, физико-механического состояния контро лируемых изделий, возникающие вследствие на рушения технологии изготовления или эволюции структуры в процессе эксплуатации и выявляю щиеся задолго до появления трещин или других дефектов.
Для решения перечисленных задач разрабаты вают аппаратуру на основе магнитных, электро магнитных, магнитоиндукционных, магнитошумо вых и термоэлектрических методов исследования и создают комплексные системы неразрушающего контроля качества материалов, полуфабрикатов и изделий. Особенностью построения и применения таких систем является сочетание различных физи ческих методов для одновременного измерения нескольких характеристик качества изделия в по токе его производства.
В зависимости от конкретных задач использу ются те или иные первичные физические инфор мативные параметры. К числу наиболее распро страненных относятся следующие параметры: коэрцитивная сила, намагниченность, остаточная индукция, магнитная проницаемость, напряжен ность, амплитуда шумов Баркгаузена, электропро водность, ТЭДС и др. По способу получения пер вичной информации различают магнитные, элек тромагнитные и термоэлектрические методы.
2.5.З.1. Магнитный метод неразрушающего
контроля
Физические основы метода. Физической ос новой неразрушающих методов контроля является взаимосвязь между структурночувствительными магнитными параметрами и физико-химическими и механическими свойствами металлов и сплавов. Она возникает в тех случаях, когда физические и химические процессы образования и перестройки структуры и фазового состава металла одновре менно формируют его магнитные свойства.
Форма и размеры петли гистерезиса зависят от химического состава материала, определяющего особенности межспиновых взаимодействий, а сле довательно, обменную энергию, кристаллографи ческую анизотропию, наличие и расположение примесей и атомов легирующих элементов, микро- и макронапряжения и структурные неоднородно сти, наличие и расположение дислокаций, размеры зерен и т. п.
Магнитный метод неразрушающего контроля применяют для контроля изделий из ферромаг нитных сталей, т. е. материалов, которые способ ны существенно изменять свои магнитные харак теристики под воздействием внешнего магнитного поля. Метод занял значительное место в неразру шающем исследовании структуры, фазового со става, физико-механических и других эксплуата ционных характеристик изделий металлургиче ской, машиностроительной и судостроительной промышленности.
Фундаментальные исследования связи струк турного состояния ферромагнитных сталей, вы полненные школой Михеева, позволили вырабо тать общие принципы осуществления контроля структуры и механических свойств сталей магнит ными методами.
Определены основные области применения магнитных методов неразрушающего контроля качества промышленной продукции из ферромаг нитных материалов:
•определение структурного состояния меха нических свойств холодно- и горячекатаного про ката, объемно-термически обработанных изделий из стали и чугуна (отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение);
•выявление кристаллографической текстуры, анизотропии механических свойств до и после де формации листового проката;
•контроль структуры, физико-механических свойств и толщины слоев, поверхностно упроч ненных различными методами (закалка ТВЧ, хи мико-термическая обработка, упрочнение концен трированными источниками энергии, обезуглеро живание);
•сортировка материалов и изделий из них по маркам, контроль соответствия марке, качествен ная оценка содержания основных легирующих элементов;
•оценка напряженного состояния и его изме нения в материалах и конструкциях после терми ческой обработки, пластической деформации, в зоне термического влияния сварного шва.
Из всего многообразия методов магнитного контроля наибольшее распространение и приме нение нашли методы коэрцитиметрии, методы магнитных шумов Баркгаузена, магнитоиндукци онные, термоэлектрические. Их используют для:
•контроля структурного состояния и проч ностных характеристик объемно-термически об работанных стальных изделий;
•контроля поверхностного упрочнения в ре зультате термической и химико-термической об работки, высокоэнергетического воздействия;
•фазового анализа аустенитно-ферритных сталей;
•оценки уровня напряжений в ферромагнетике. Контроль структурного состояния и проч
ностных характеристик объемно-термически обработанных стальных изделий. При термиче ской обработке (ТО) под воздействием различных температур происходит изменение внутреннего строения (микроструктуры) стали, в результате чего изделия приобретают определенные физико механические свойства. Основными технологиче скими операциями ТО являются: отжиг, нормали зация, закалка, отпуск и старение.
Рекристаллизационный отжиг проводят с це лью восстановления пластичности стали после деформации — холодной прокатки, волочения, холодной штамповки, снятия остаточных напря жений, смягчения сталей перед обработкой реза
нием.
Свойства отожженных сталей зависят от техно логии выплавки, химического состава, технологии прокатки, температуры отжига.
Учитывая, что магнитные свойства, и в частно сти коэрцитивная сила, чувствительны к степени
Рис. 2.5.22. Устройство локального ферритометра ФА-1:
1— образец; 2— постоянный магнит; 3—стрелка (рычаг); 4—спиральные пружины; 5—измерительный прибор;
6— блок формирования усилий отрыва (постоянный магнит и рамка с током); 7 —противовес
Современные образцы ферритометров локаль ного типа, созданные с использованием микро процессоров, позволяют запоминать результаты контроля, обрабатывать их по определенной про грамме, проводить отбраковку изделий по содер жанию ферритной фазы, просматривать на дис плее результаты контроля. Среди таких приборов можно назвать ферритометры МВП-2, МФ-51НЦ ИТ. д.
Метод коэрцитиметрии. Коэрцитивная сила — структурночувствительная характеристика ферро магнитных сталей и сплавов. Она определяется параметрами петли магнитного гистерезиса как величина магнитного поля, в которое необходимо поместить ферромагнетик, предварительно намаг ниченный до состояния технического насыщения, чтобы его остаточная намагниченность оказалась равной 0. Коэрцитивная сила зависит от структур ного и фазового состава материала. Она чувстви тельна к кристаллографической текстуре, измене ниям микроструктуры и изменениям напряжений, механических свойств в результате термической обработки. Структурночувствительные магнитные характеристики анизотропны. Монокристаллы ферромагнетиков имеют направления легкого и трудного намагничивания. Для железа, имеющего кубическую объемно-центрированную решетку, направлением легкого намагничивания является ребро куба, трудного намагничивания — про странственная диагональ 111.
При прокатке металла или направленной кри сталлизации и рекристаллизации возникает тек стура, которая приводит к анизотропии магнитных свойств, поэтому результаты измерения коэрци тивной силы используют для анализа текстуры и физико-механических свойств. При образовании твердых растворов внедрения решетка может быть искажена, что также может привести к анизотро пии магнитных свойств. Примером может служить мартенсит, имеющий тетрагональную объемно-цент рированную решетку, анизотропия отдельных игл которого растет по мере увеличения растворенного в решетке углерода. Теория магнетизма для боль шинства задач магнитного структурного анализа не может предсказать количественную связь меж ду магнитным параметром, в т. ч. коэрцитивной силой, и структурным состоянием. Однако она может быть использована для качественного опи сания закономерностей изменения коэрцитивной силы и структурно-фазовых превращений в стали.
Так, повышение в структуре плотности дисло каций сопровождается повышением прочностных характеристик и коэрцитивной силы. Повышение уровня микронапряжений в стали приводит к рос ту условного предела текучести (а02) и коэрцитив ной силы. Увеличение перлитной составляющей в структуре стали также сопровождается повышени ем коэрцитивной силы и величины стогУвеличе ние размера зерна сопровождается снижением тех же параметров. Установлено, что коэрцитивная сила и условный предел текучести пропорцио нальны объему включений в стали; Нс(<зо2) ~ V2'3
Таким образом, анализ влияния структурных факторов на магнитные и механические свойства позволяет косвенно определять прочностные свойства материалов изделий по величине коэрци тивной силы.
При низкотемпературном отпуске коэрцитив ная сила для низкоуглеродистых, низко- и средне легированных сталей с содержанием углерода ме нее 0,3 % претерпевает большее изменение, чем прочностные свойства, что позволяет получить более достоверную информацию о структурном состоянии стали при отпуске.
Однако контроль качества прочностных харак теристик сталей всех перечисленных групп не все гда возможен по одной коэрцитивной силе. В этом случае необходимо использовать дополнительные параметры магнитного контроля. В каждом кон
кретном случае необходимо находить взаимосвязи между магнитными и контролируемыми свойст вами стали.
Наиболее известным примером корреляции явля ется связь между твердостью углеродистых и низ колегированных сталей и их коэрцитивной силой.
При 20-25 °С железо растворяет 0,006 % угле рода; при большем содержании углерода сплав Fe—С состоит из двух фаз: феррита и цементита Fe3C в различных структурных формах.
В мартенсите углерод внедрен в решетку желе за, искажая которую (создавая сильные внутрен ние напряжения), он увеличивает магнитную жесткость основы, вызывая рост коэрцитивной силы. Чем больше содержание углерода, тем выше коэрцитивная сила. Но в различных структурных составляющих углерод с разной интенсивностью увеличивает коэрцитивную силу сплава: в мень шей степени, когда он внедрен в форме графита, сильнее — в перлите и наиболее сильно — в це ментите. На рис. 2.5.23 показана зависимость ко эрцитивной силы углеродистой стали (без леги рующих элементов после закалки на мартенсит) от содержания углерода. Коэрцитивная сила углеро дистых сталей, как правило, хорошо коррелирует с их механической твердостью.
Кроме сплава Fe— С, можно назвать ряд сталей, в которых имеет место корреляция магнитных и механических свойств. К ним относятся стали 20X13, 30X13, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА, 20ХН4ФА, 40ХН2МА, 45ХН2МФА, 45Х, 30ХГСА, 38ХСА, 38ХА, 12Х17Н2, ШХ15, 60С2, 65Г и др.
На рис. 2.5.24 приведена кривая, показывающая связь коэрцитивной силы и твердости сталей 30X13 и 12Х17Н2.
Задача о корреляции магнитных и механиче ских свойств сталей тесно связана с установлени ем зависимости между магнитными свойствами и режимом термической обработки. Поскольку ре жим термической обработки одновременно влияет и на магнитные, и на механические свойства, то практически во всех случаях, когда магнитные свойства коррелируют с твердостью или другими механическими свойствами, они также однозначно связаны с режимами термической обработки.
Методом коэрцитиметрии определяют глубину закаленного и цементированного слоя, закаленно го токами промышленной частоты, для валков хо лодной прокатки из сталей 9X2, 9Х2НФ и 9Х2МФ.
При неразрущающем контроле широко приме няются коэрцитиметры с приставным электромаг нитом типа КИФМ. Схема преобразователя такого коэрцитиметра представлена на рис. 2.5.25. Он представляет собой П-образный электромагнит с намагничивающей W„ и размагничивающей Wp обмотками. Перемычкой электромагнита служит сердечник феррозонда ФЗ, являющийся одновре менно нулевым индикатором.
0 0,5 1,0 1,5 С,%
Рис. 2.5.23. Зависимость коэрцитивной силы углеродистой стали от содержания углерода
20 30 40 50 HRC
Рис. 2.5.24. Зависимость между коэрцитивной силой
итвердостью сталей:
/— 30X13:2— 12Х17Н2
Рис. 2.5.25. Схема преобразователя коэрцитиметра с приставным электромагнитом