Влияние накопленной деформации сдвига и поврежденности при кручении на магнитные характеристики стали

Влияииє накoилeннoй дeфopмации сдвига и иoвpeждeннoсти ири ^учєнии на магнитные хаpактepистики стали

Э-C. Гopкyнoв, C.B. Cмиpнoв, C.M. Зaдвopкин, Д.И. Bичyжaнин, C-Ю. Mитpoпoльcкaя

Институт маши^ведения УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Poccra

Изyчeнo влияние дeфopмaции сдвига при кручении и нaкaпливaeмoй при этом пoвpeждeннocти на магнитные характеристики цилиндрических oбpaзцoв. Пoлyчeны кoppeляциoнныe зaвиcимocти магнитных характеристик oт степени дeфopмaции и ^вреж-дeннocти. Cyщecтвoвaниe значимых кoppeляциoнныx связей свидетельствуют o вoзмoжнocти oпpeдeлeния дeфopмaции сдвига, текущей пoвpeждeннocти металла и oцeнки ocтaтoчнoгo ресурса изделий, ^двергаемых кручению, пo величинам магнитных характеристик.

Effect of shear strain and accumulated damage on magnetic properties of steel in torsion

E.S. Gorkunov, S.V. Smirnov, S.M. Zadvorkin, D.I. Vichuzhanin, and S.Yu. Mitropolskaya

The effect of shear strain and accumulated damage on magnetic properties was studied for cylindrical steel rods subjected to torsion. The correlations obtained make it possible using its magnetic parameters to determine shear strain and current damage of the metal, as well as to estimate residual lifetime of an article under torsion.

1. Введение

В процессе пластической деформации, в частности при кручении, в металле возникают дефекты сплошности (микропоры, микротрещины, вакансии и т.д.). Дефекты сплошности возникают уже на начальных стадиях пластической деформации. Образование дефектов сплошности сопровождается частичной релаксацией упругой энергии [1], что, в свою очередь, приводит к изменению магнитоупругой энергии ферромагнитного материала в областях, прилегающих к дефектам. Это явление должно влиять на изменение магнитных характеристик материала.

В работе исследовано влияние степени деформации сдвига и поврежденности металла при кручении на его магнитные характеристики, а также получены зависимости, описывающие коэрцитивную силу на предельной и частных петлях магнитного гистерезиса как функцию накопленной степени деформации и поврежден-ности металла.

2. Методы

Для проведения экспериментов использовали цилиндрические образцы диаметром 5 мм из стали 45 пос-

ле горячей прокатки. Измерения магнитных свойств проводили на установке, позволяющей снимать магнитные характеристики непосредственно в процессе нагружения.

Измерения магнитных характеристик осуществляли на предельной и частных петлях магнитного гистерезиса. В отличие от работы [3] все характеристики измеряли в зависимости от внутреннего магнитного поля. При измерениях регистрировали максимальную магнитную проницаемость ^шах, коэрцитивную силу Нс(^,), остаточную индукцию ВГ(ЬГ) для предельной Нтах = = 60 кА/м и частных петель магнитного гистерезиса, соответствующих максимальной магнитной индукции цикла гистерезиса Ьтах = 0.4 Т и 0.1 Т соответственно.

Степень деформации сдвига Л при кручении определяли исходя из гипотезы об отсутствии искривления радиуса в поперечном сечении образца в процессе деформации [2], при этом степень деформации сдвига на поверхности образца будет равна:

Л = tg ф,

где ф — угол наклона риски, напечатанной типографским способом на поверхности образца, к образующей.

© Изр^тав Э.С, Cмиpнoв C.B., Зaдвopкин C.M., Bичyжaнин Д.И., Mитpoпoльcкaя СЮ., 2004

0

Н,., кА/м

0.6

0.4

0.2

0.4

д

? .

1.2 Л

0

Рис. 1. Зависимости степени деформации и поврежденности от коэрцитивной силы на частных (при максимальной индукции

0.1Т (а, б); 0.4Т (в, г)) и предельной (при максимальной индукции 1.5Т (д, е)) петлях магнитного гистерезиса для образцов из стали 45

Среднюю по сечению образца степень деформации сдвига определяли по формуле [2]:

Л =

1

2п R

где R — радиус образца; г — текущий радиус, меняющийся от 0 до R.

Накопленную среднюю интегральную степень деформации сдвига Лсум определяли суммированием полученных степеней деформации на предыдущих этапах деформирования.

В качестве характеристики деформационных дефектов использовали параметр поврежденности т. В соответствии с феноменологической теорией разрушения [4] поврежденность до начала процесса деформации принимается равной нулю, а к моменту разрушения образца принимает значение ш = 1.

Так как напряженное состояние в процессе деформирования не меняется, то величину поврежденности определяли по линейной модели накопления повреж-денности Колмогорова [2]:

^ dЛ н—,

0 л р

где Л Р — степень деформации сдвига на момент разрушения.

3. Результаты

На рис. 1-3 представлены зависимости магнитных свойств от степени деформации. Из этих рисунков следует, что использование магнитных характеристик, измеренных в различных магнитных полях, позволяет оценивать величину пластической деформации и степень поврежденности, связанной с накоплением микро-

б

0

Рис. 2. Зависимости степени деформации и поврежденности от остаточной индукции на частных (при максимальной индукции 0.1Т (а, б); 0.4Т (в, г)) и предельной (при максимальной индукции 1.5Т (д, е)) петлях магнитного гистерезиса для образцов из стали 45

дефектов. По результатам экспериментов были получены аналитические зависимости между магнитными характеристиками и расчетной величиной поврежден-ности:

К = 0.04 + 0.0917Л0'384 - 0.0055Лю,

с0.1 ’

К = 0.148 + 0.2Л0'485 + 0.009ЛЮ,

с0.4 ’

Нс = 0.24 + 0.35Л0'41 + 0.09ЛЮ,

ЬГ = 0.037 + 0.0107Л0177 - 0.0068ЛЮ,

Г0.1

ЬГ = 0.294 - 0.039Л0'593 + 0.0059ЛЮ,

Г0.1

ВГ = 1.025 - 0.3Л0'33 + 0.124ЛЮ,

^тах = 1539 - 1185.7Л033 + 215.962ЛЮ.

4. Обсуждение

С увеличением степени деформации наблюдается повышение «магнитной жесткости» образцов, поэтому значения коэрцитивной силы, остаточной индукции увеличиваются, а магнитной проницаемости — уменьшаются (рис. 1-3). Наблюдаемое явление связано с затруднением процессов намагничивания и перемагничива-ния. Это вызвано появлением в деформируемом образце дефектов с более высокими значениями критических полей взаимодействия доменных границ с дефектами структуры металла.

На процессы перемагничивания влияют несколько факторов. Заметное изменение магнитных характеристик происходит уже при малых степенях деформации. Согласно модельным представлениям о влиянии дислокаций на процессы перемагничивания коэрцитивная сила связана с плотностью дислокаций как Нс ~ >/ж.

\ а

\

б

Рис. 3. Зависимость степени деформации и поврежденности от магнитной проницаемости на предельной петле магнитного гистерезиса для образцов из стали 45

Поэтому с увеличением плотности дислокаций на начальном этапе деформирования коэрцитивная сила будет расти.

Дальнейшее увеличение значений магнитных характеристик вызвано эволюцией дислокационной и доменной магнитной структур, связанной с образованием дислокационных стенок, являющихся эффективными местами закрепления доменных границ. Около включений и в зонах, имеющих большие значения градиентов микронапряжений, будет формироваться дисперсная структура 90°-х магнитных доменов, для которой характерны критические поля, примерно в 1.5 раза превышающие критические поля магнитных структур со 180°-ми доменами. Причем эти зоны могут иметь достаточно большие объемы.

5. Выводы

В результате проведенных исследований показана возможность контроля больших степеней деформации сдвига и связанной с ней поврежденности металла с

использованием магнитных характеристик, измеренных на частных циклах магнитного гистерезиса. Зная параметры Л и ю, можно, пользуясь соответствующими моделями механики, рассчитать остаточный ресурс долговечности детали.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты №№ 03-01-00794 и 04-01-96112.

Литература

1. ЛоуДж.Р. Связь хрупкого разрушения с микроструктурой // Струк-

тура металлов и свойства. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1957. - С. 170-189.

2. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. - М.: Ме-

таллургия, 1970. - 230 с.

3. Горкунов Э.С., Смирнов С.В., Радионова С.С. Влияние пластической деформации при гидростатическом давлении на повреж-денность и магнитные характеристики низкоуглеродистой стали 3сп // Физ. мезомех. - Т. 6. - № 5. - С. 101-108.

4. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986. - 688 с.