книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

В 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