Способ определения напряжений в ферромагнитных материалах на железной основе

 

Изобретение относится к контролю внутренних напряжений в ферроматериалах и может быть использовано для контроля качества термообработки. Цель изобретения - повышение достоверности контроля за счет измерения коэрцитивной силы при деформации образца материала. Последний многократно нагружают и фиксируют минимальное значение коэрцитивной силы. По этому значению судят о результатах контроля. 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть применено для неразрушающего контроля остаточных напряжений II рода в ферромагнитных материалах и изделиях.

Известен рентгеновский способ определения остаточных напряжений II рода [1] Однако он является разрушающим и потому не может быть применен для решения поставленной задачи.

Известен способ определения напряжений при нагружении деталей из ферромагнитных материалов на железной основе [2] По известному способу о напряжениях, возникающих в детали при нагружении, судят по соотношению величины коэрцитивной силы, измеренной в направлениях параллельном и перпендикулярном нагружению как под действием нагрузки, так и в разгруженном состояниях, с пределом текучести. Таким образом, известный способ позволяет определять напряжения I рода (маконапряжения).

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет определять остаточные напряжения II рода, вызванные холодной пластической деформацией, что снижает технологические возможности известного способа.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе деталь нагружают растягивающими напряжениями до тех пор, пока коэрцитивная сила стали не уменьшится до минимальной величины Hc_min, и по напряжению, соответствующему этой величине, судят о величине остаточных напряжений в детали.

На фиг. 1 приведены график (диаграмма) растяжения отожженной стали 45, обозначенный на упомянутом рисунке σ ε (напряжение-деформация) и соответствующий график изменения коэрцитивной силы того же образца стали при растяжении, обозначенный Hc_н ε Растяжение образца было закончено, как это видно из графика, сразу же после площадки текучести, т.е. после исчерпания способности стали 45 к пластическому течению. В результате этого растяжения, проводившегося при 20^оС, сталь была подвергнута холодной пластической деформации для того, чтобы после разгрузки в ней возникли остаточные напряжения II рода, которые и нужно определить.

Из сопоставления графиков σ ε и Нс_н- ε видно, что между коэpцитивной силой Нс_н и напряжениями, приложенными к образцу, существует корреляционная связь. Так, например, напряжению σ21,6 кгс/мм² соответствует Нс_i=4,4 А/см. Следовательно, имеется возможность определить величину приложенных напряжений, т.е. напряжений I рода.

Кроме того, из графика Нс_н- ε видно, что коэрцитивная сила стали увеличивается сразу же после появления весьма малой нагрузки (напряжений). Это свидетельствует о том, что сталь отожжена хорошо, и в ней отсутствуют напряжения II рода.

Вследствие появления напряжений II рода при растяжении сталь была деформированно упрочнена, т.е. получила наклеп.

Напряжения II рода всегда уравновешены, так как присутствуют растягивающие и сжимающие напряжения, равные между собой по абсолютной величине.

Из фиг. 1 видно, что после разгрузки стали ее коэрцитивная сила увеличилась до ≈ 5,9 А/см (это показано штриховой линией, заканчивающейся стрелкой Нс_р). Увеличение коэрцитивной силы после разгрузки является объективным доказательством появления остаточных напряжений II рода. Потому что только напряжения и их градиенты увеличивают магнитную анизотропию и коэрцитивную силу.

Таким образом, в результате первого растяжения (холодной пластической деформации) сталь приобрела остаточные напряжения II рода (сжимающие и растягивающие).

Если образец, имеющий остаточные сжимающие и растягивающие напряжения II рода, подвергнуть растяжению, то растягивающие приложенные напряжения скомпенсируют остаточные сжимающие напряжения, уменьшают магнитную анизотропию снизят коэрцитивную силу стали.

На фиг. 2 приведены графики повторного растяжения образца, который был до этого растянут, и график растяжения которого приведен на фиг. 1. Из графика Нс- ε видно, что коэрцитивная сила стали начала уменьшаться сразу же после приложения весьма незначительной нагрузки. Когда приложенные растягивающие напряжения достигли величины 7,2 кгс/мм²коэрцитивная сила стали уменьшилась с 5,9 А/см до ≈ 5,0 А/см (это показано стрелками абв).

Таким образом, приложение растягивающих напряжений (напряжений I рода) к образцу, имеющему остаточные напряжения II рода, приводит к тому, что коэрцитивная сила стали уменьшается. Объясняется это тем, что приложение напряжений I рода в данном случае повлекло уменьшение магнитной анизотропии.

Из фиг. 2 видно, что снижение коэрцитивной силы прекратилось при Нс_н ≈ 3,9 А/см; при дальнейшем нагружении коэрцитивная сила увеличивается. Это объясняется тем, что приложенные растягивающие напряжения превысили остаточные сжимающие напряжения и, суммируясь с остаточными растягивающими напряжениями, увеличили магнитную анизотропную и коэрцитивную силу.

Из фиг. 2 видно, что минимальному значению коэрцитивной силы Нс_н=3,9 А/см соответствует напряжение, равное 17 кгс/мм² (указано стрелками гд).

Следовательно, холодная пластическая деформация отожженной стали 45 до конца пластического течения привела к возникновению остаточных сжимающих /- σ / и растягивающих /+ σ / напряжений II рода, равных: /+ σ /=/- σ /=17 кгс/мм^2. Исследования показали, что отмеченное явление имеет место в конструкционных сталях марок 15кп, 25, 35, 45, 40Х, 30ХГСА и др.

Следовательно, отмеченный характер связи величины коэрцитивной силы с величиной остаточных напряжений, связанных с холодной деформацией, является свойством, общим для всех конструкционных сталей, находящихся в состояниях, в которых на диаграммах их растяжения образуется площадка текучести.

П р и м е р.

Образец из отожженной стали 45 был пластически деформирован растяжением до величины относительной деформации ε14,36% Приложенные напряжения растяжения были равны пределу прочности σ_в=43,3 кгс/мм². Величина возникших после разгрузки остаточных напряжений не известна и ее предстояло определить.

После разгрузки образец был повторно подвергнут растяжению с одновременным измерением величины коэрцитивной силы. Диаграмма повторного растяжения σ ε и соответствующий ей график изменения Нс_н- ε приведены на фиг. 3.

Из графиков видно, что возникшие при холодной пластической деформации растяжением остаточные сжимающие и растягивающие напряжения равны: /+ σ /=/-σ /=35 кгс/мм².

Стрелками абв указан путь получения ответа о величине напряжений.

Рентгеноструктурный анализ, принятый в качестве арбитражного способа, показал что искажения кристаллической решетки железа (основы стали) -- (a=2,861 период решетки железа), вызванные остаточными напряжениями, равны ±0,00175. Тогда, используя зависимость σ E находим, что: σ ± 0,00175 ˙ 2,1 ˙ 10⁴= ± 36,8 кгс/мм². где Е=2,1˙ 10⁴ модуль нормальной упругости, кгс/мм².

Как видно, рентгеноструктурный метод показал, что в стали возникли остаточные напряжения, равные ±36,8 кгс/мм², т.е. примерно на 5% больше, чем по способу, заявляемому в качестве изобретения.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять остаточные напряжения II рода в сталях после холодной пластической деформации.

Для того, чтобы проверить соблюдение режима отжига в производстве деталей из конструкционных сталей, детали не обязательно подвергать растяжению до значительных деформаций. Для этого достаточно нагрузить деталь до напряжений 3-5 кгс/мм² и, измерив коэрцитивную силу, сравнить ее с исходной величиной (величина до нагружения). Если коэрцитивная сила после нагружения уменьшилась, значит остаточные напряжения полностью не сняты и отжиг был проведен некачественно, его нужно повторить. Если же после нагружения коэрцитивная сила увеличилась, это значит, что остаточные напряжения отсутствуют, что отжиг проведен качественно.

Если деталь позволяет подвергнуть ее изгибу в пределах упругих деформаций, то указанная процедура проверки может быть проведена не растяжением, а изгибом. При этом датчик коэрцитиметра следует установить на выпуклую сторону детали. При установке датчика на вогнутой стороне, где возникнут сжимающие напряжения, изменение коэрцитивной силы будет обратным.

Возможно также применение вместо растяжения сжатия, однако при сжатии искажается форма детали, что нарушает контакт датчика с поверхностью детали, и, кроме того, при сжатии имеет место искажение величины относительной деформации, что вносит значительную погрешность определения напряжений и коэрцитивной силы.

Заявляемое техническое решение позволит повысить надежность и долговечность деталей и качество их термообработки.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ, заключающийся в непрерывном измерении коэрцитивной силы нагружаемого ферромагнетика, по которой судят о напряжениях, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем определения остаточных напряжений в детали, испытавшей пластическую деформацию, деталь нагружают возрастающими растягивающими напряжениями, в процессе нагружения регистрируют уменьшение коэрцитивной силы, фиксируют ее минимальное значение Hc_min и по величине растягивающих напряжений, соответствующих Hc_min, судят о величине остаточных напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3