О возможности использования методик электромагнитно-акустического преобразования для оценки степени наводороживания ферромагнетиков

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ НАВОДОРОЖИВАНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Ильясов Р.С. , Лебедева М.Ю., Бабкин С.Э., *Бурнышев И.Н.

Физико-технический институт УрО РАН, 42600, г. Ижевск, ул. Кирова, д.132 *Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, д.34

АННОТАЦИЯ. Предложено использовать для оценки наводороживания ферромагнитных материалов электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Экспериментально показано, что информационные параметры ЭМАП монотонно изменяются при наводороживании. Установлено, что оценить степень наводороживания можно как резонансной методикой ЭМАП в цилиндрических образцах, так и импульсной методикой ЭМАП с приставным датчиком при одностороннем доступе к поверхности контроля.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электромагнитно-акустическое преобразование, акустические волны, напряженно-деформированное состояние, наводороживание, ферромагнетики.

Известно, что водород, накапливающийся в металлах, изменяет целый ряд их физикомеханических характеристик [1]. Отсюда возникает необходимость разработки неразрушающих методов оценки степени наводороживания конструкционных материалов, что позволит уменьшить риск разрушений технических объектов водородной, атомной и ядерной энергетики, транспорта, химической и нефтегазовой промышленности, которые могут привести к техногенным катастрофам. На сегодняшний день нельзя считать, что данная техническая проблема окончательно решена.

Для решения этой проблемы в данной работе предложено использовать явление электромагнитно-акустического преобразования (ЭМАП) акустических волн в ферромагнитных материалах. Суть явления ЭМАП заключается в электромагнитной генерации акустических волн в металлах за счет пондермоторных и магнитострикционных сил. При этом в преобразовании участвуют подсистемы ферромагнетика различной физической природы: электрическая, магнитная, магнитоупругая и упругая. Этим

объясняется чувствительность ЭМАП к различным изменениям, происходящим в исследуемых образцах [2].

Методы, основанные на явлении ЭМАП, относятся к бесконтактным методам, позволяющим проводить быструю экспресс-диагностику как в лабораторных, так и в сложных производственных условиях, в широком диапазоне температур и в процессе движения объекта контроля.

На практике используются две основные методики ЭМАП: резонансная и импульсная [3]. По резонансной методике испытываются образцы правильной формы (например, цилиндры), в которых с помощью проходных катушек в режиме непрерывной генерации устанавливаются резонансы стоячих волн, а подмагничивающее поле, как правило, создается с помощью соленоида. Основными параметрами резонансного ЭМАП, несущими информацию о структурных изменениях и о напряженно-деформированном состоянии являются: амплитуда принятого сигнала после двойного преобразования (А), прямо пропорциональная динамической магнитострикции, частота акустического резонанса (^,), прямо пропорциональная скорости и акустическая добротность ^).

При использовании импульсной методики ЭМАП акустические волны генерируются в виде короткого импульса с высокочастотным заполнением, которые распространяются от генерирующей катушки к приемной (раздельный режим), либо принимаются той же самой катушкой после отражения от края (совмещенный режим). Если при этом использовать ЭМАП поверхностных волн Релея и раздельный режим преобразования, то испытания

можно проводить при одностороннем доступе к поверхности. Подмагничивающее поле при этом можно создавать приставным П-образным электромагнитом. В этом случае основным информативным параметром является амплитуда принятого сигнала А, связанная с затуханием (внутренним трением Q"1). Вторым информационным параметром импульсной методики может быть скорость волны, правда ее точное измерение проблематично и требует привлечения цифровой техники.

РЕЗОНАНСНОЕ ЭМАП

Исследования влияния объемного катодного наводороживания на параметры ЭМАП проводили на образцах, изготовленных из стали 20, стали 35 и стали 45, прошедших закалку и отпуск при температурах 200 и 400 оС. Образцы были изготовлены в виде цилиндров диаметром 9 мм и длиной 96 мм, анализировались параметры преобразования на двух резонансных частотах - вблизи 80 и 106 кГц. Возбуждение и прием осуществлялось за счет магнитострикционного механизма с помощью проходных индуктивных катушек. Наводороживание проводили по стандартной методике [4] при токе 15 мА/см2. Известно, что в этом случае насыщение происходит через 4 - 6 ч.

^ тт

Рис. 1. Зависимость амплитуды ЭМА сигнала (А) и добротности ^) для образца из стали 45 после отпуска при 400 оС от времени наводороживания

В процессе наводороживания частота резонанса, акустическая добротность и амплитуда сигнала для всех без исключения сталей и режимов термической обработки монотонно уменьшаются до насыщения. Характерное изменение амплитуды и добротности от времени наводороживания для резонансной частоты 106 кГц на примере образца стали 45, прошедшего отпуск при температуре 400 оС, продемонстрировано на рис. 1. Относительные изменения (в процентах) параметров ЭМАП для всех образцов при 6-часовом наводороживании приведены в сводной табл. 1.

Изменения параметров ЭМАП при наводороживании

Параметр, % Т °С отп Сталь 20 Сталь 35 Сталь 45

А/ 200 0,035 0,057 0,13

400 0,024 0,051 0,036

АЛ 200 28 54 50

400 45 53 65

А Q 200 46 32 45

400 44 50 63

Изменение частоты резонанса при 6-часовом наводороживании в зависимости от состава и режима термической обработки происходило в пределах 0,024 - 0,13 %, амплитуды -28 - 65 %, добротности - 32 - 63 %. Как видно из табл. 1, наиболее чувствительными параметрами к наводороживанию являются амплитуда сигнала ЭМАП и акустическая добротность. Незначительные изменения скорости акустической волны, наблюдаемые при наводороживании, могут быть зафиксированы лишь при использовании резонансных методик, обеспечивающих погрешность измерения в рассматриваемом частотном диапазоне порядка 0,001 %. При реализации импульсных методик, наиболее часто используемых для контроля протяженных изделий, погрешность измерения скорости составляет около 0,05 %, и этот параметр вряд ли может быть использован для диагностики степени наводороживания сталей данного класса. Тем не менее, данный параметр остается привлекательным для исследования физики процессов, происходящих при катодном наводороживании.

Как видно из таблицы, для амплитуды и акустической добротности чувствительность к наводороживанию в основном растет с увеличением процентного содержания углерода. Рост чувствительности этих параметров также наблюдается при увеличении температуры отпуска с 200 до 400 оС. Изменение частоты при наводороживании носит иной характер, здесь возможно необходимо учитывать другие факторы (например, ЛЕ-эффект). В образцах, прошедших закалку без последующего отпуска, из-за высокого уровня внутренних напряжений, наблюдался очень слабый уровень сигнала, что затруднило проведение всего комплекса измерений в процессе наводороживания. Удалось измерить лишь изменение частоты и амплитуды в стали 35. Эти измерения продемонстрировали наибольшие изменения параметров ЭМАП для образцов, прошедших закалку. Например, для стали 35 при 6-часовом наводороживании изменение частоты составило 1,7 %, а амплитуды - 75 %.

В табл. 2 представлены результаты анализа корреляционных связей между параметрами резонансного ЭМАП и временем наводороживания. Наибольшие значения коэффициентов корреляции R были получены при использовании в качестве аппроксимирующих функций экспоненциально падающих кривых. Коэффициенты корреляции амплитуды R(A) и добротности R(Q) в зависимости от процентного содержания углерода и режима термообработки варьируются от 0,58 до 0,97.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между параметрами резонансного ЭМАП и временем наводороживания

Марка стали R(A) при ^=80 кГ ц R(Q) при ^=80 кГ ц R(A) при ^=106 кГц при ^=106 кГц

Сталь 20 (Тотп=200 оС) 0,791 0,736 0,867 0,877

Сталь 20(Тотп=400 оС) 0,584 0,694 0,712 0,951

Сталь 35 (Тотп=200 оС) 0,784 0,564 0,766 0,781

0,969 0,932 0,922 0,91

Сталь 45 (Тотп=200 оС) 0,86 0,824 0,912 0,868

0,911 0,896 0,915 0,919

Данные табл. 2 демонстрируют следующие тенденции. Коэффициенты R(A) и R(Q) для частоты 106 кГц имеют большие значения, чем для частоты 80 кГц. Эти коэффициенты растут также с увеличением содержания углерода при повышении температуры отпуска. Значения R(A) и R(Q) во всех случаях близки. Это указывает на то, что изменение амплитуды определяется, главным образом, изменением акустической добротности (внутреннего трения). Отсюда также следует, что наводороживание слабо влияет на динамическую магнитострикцию, определяющую эффективность генерации и приема акустических волн.

Исследование процессов релаксации после 6-часового наводороживания показало, что за такое же время обезводороживания не приводит к полному восстановлению параметров ЭМАП. Примерно через сутки происходит практически полная релаксация этих параметров, что свидетельствует об отсутствии необратимых структурных изменений при заданном режиме наводороживания. Монотонное уменьшение частоты и амплитуды при наводороживании, по аналогии с влиянием на эти параметры температуры отпуска [5], косвенно указывают на то, что основной причиной этих изменений является накопление внутренних напряжений.

ИМПУЛЬСНОЕ ЭМАП ВОЛН РЭЛЕЯ

Изучение процессов наводороживания по этой методике проводили на плоских образцах размерами 70*40*5 мм из разных ферромагнитных материалов: Армко-железо, никель, пермендюр 49КФ. В отличие от резонансного ЭМАП, требующего образцов конечной формы (для установки в испытательный соленоид), импульсное ЭМАП поверхностных волн Рэлея можно проводить в приставном варианте [6] с односторонним доступом к поверхности образца, имеющего свободную площадку размерами 50*30 мм. Это было реализовано в ЭМАП установке с П - образным приставным малогабаритным преобразователем. Установка работает в импульсном режиме, вырабатывая короткие импульсы (10 мкс) с частотой 1 кГц. Частота заполнения импульсов около 2,5 МГц обеспечивает ЭМА возбуждение и прием поверхностной акустической волны Рэлея, длиной

1 мм. Такая волна распространяется по поверхности и несет основную часть энергии в приповерхностном слое толщиной в одну длину волны, то есть 1 мм.

Наводороживание образцов проводили как и в первом случае по методике объемного катодного наводороживания при токе 15 мА/см2 [4].

Изменения скорости волны в пределах возможной точности измерения (1 %) зафиксировано не было, поэтому основным информационным параметром в случае импульсного ЭМАП является амплитуда принятого сигнала. Было обнаружено, что она для всех образцов уменьшается в процессе наводороживания. Процесс уменьшения происходит по экспоненте аналогично случаю резонансного ЭМАП и, очевидно, связан с насыщением образца водородом. После 6 часов наводороживания изменение амплитуды практически прекращается. Изменение амплитуды принятого ЭМА сигнала при наводороживании Армко-железа приведено на рис. 2. Аналогичные характеристики получены и для других материалов.

В итоге было зафиксировано уменьшение амплитуды Армко-железа на 25 %, никеля на 26 %, пермендюра на 27 %.

После этого в процессе выдержки происходило медленное восстановление амплитуды, однако, до исходного состояния амплитуда не восстановилась и составила через 60 дней 90 - 95 % от исходного уровня (до наводороживания). Возможно, для полного восстановления необходим термический отжиг.

А/Ао, abs.units

Рис. 2. Относительное изменение амплитуды ЭМАП волн Рэлея в Армко-железе при наводороживании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, исследования показали, что наводороживание влияет на ЭМАП акустических волн в ферромагнетиках. При этом монотонность изменения информационных параметров преобразования позволяет оценивать степень наводороживания материала.

Контроль степени наводороживания возможен как по резонансной методике ЭМАП, так и по импульсной методике ЭМАП поверхностных волн Рэлея. По резонансной методике можно контролировать небольшие образцы по амплитуде принятого сигнала и добротности (внутреннему трению), а по импульсной возможен контроль участка поверхности с односторонним доступом с помощью малогабаритного приставного преобразователя по амплитуде принятого сигнала.

Привлечение такого важного информационного параметра как скорость волны возможно при использовании средств цифровой обработки сигнала [7].

При общей тенденции монотонного изменения информационных ЭМА параметров при наводороживании, степень их изменения для разных материалов различна. Для одного и того же материала она также зависит от таких факторов как вид термообработки и содержание углерода. Отсюда следует, что для точной оценки степени наводороживания ферромагнитного материала нужно предварительно иметь градуировочный график или знать характеристики начального состояния материала.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК №14.740.11.0062).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гельд П.В., Рябов Р.А., Мохрачев Л.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов. М. : Наука, 1985. 232 с. (С.155-209).

2. Васильев А.В., Бучельников В.Д., Гуревич С.Ю. и др. Электромагнитное возбуждение звука в металлах. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2001. 339 с.

3. Комаров В.А. Квазистационарное электромагнитно-акустическое преобразование в металлах. Свердловск : Изд-во УрО РАН,1986. 235 с.

4. Бурнышев И.Н., Абрамов К.А. Об акустической эмиссии при наводороживании малоуглеродистой стали // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35, вып.2. С. 90-94.

5. Ильясов Р.С., Величко В.В., Бабкин С.Э. Особенности электромагнитно-акустического преобразования в стали 30ХГСА, подвергнутой термической обработке // Дефектоскопия. 2001. № 9. С. 34-45.

6. Бабкин С.Э., Ильясов Р.С., Комаров В.А. и др. Устройство для бесконтактного возбуждения и приема волн Рэлея в ферромагнетика // Дефектоскопия. 1989. № 6. С. 93-94.

7. Барков А.И., Бабкин С.Э., Зверев Н.Н. и др. Автоматизированная установка для полевых и температурных исследований импульсного электромагнитно-акустического преобразования // Дефектоскопия. 1999. №5. С. 34-45.

ABOUT POSSIBILITY OF USE OF THE ELEKTROMAGNITNO-ACOUSTIC TRANSFORMATION TECHNIQUES FOR ESTIMATIONS OF THE DEGREE OF THE HYDROGEN PICKUP OF FERROMAGNETS

Il’yasov R.S., Lebedeva M.Yu., Babkin S.E., *Bumyshev I.N.

Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The method of the electromagnetic-acoustic transformation (EMAT) have been proposed for the testing of the degree of the hydrogening of the ferromagnets. It was shown experimentally that the informative parameters of the EMAT varies monotonically with the hydrogening process. It was established that the degree of the hydrogening can be tested with using as the resonant techniques of the EMAT at the cylindrical samples so the impulsive techniques of the EMAT with using the added detectors at unilateral access to the testing subject.

KEYWORDS: hydrogening, electromagnetic-acoustic transformation, acoustic waves, nondestructive testing, ferromagnets.

Ильясов Рустам Сабитович, доктор физико-математических наук, ФТИ УрО РАН

Лебедева Марина Юрьевна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории электромагнитных явлений ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-00-81, e-mail: emp@fti.udm.ru

Бабкин Сергей Энгелевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории электромагнитных явлений ФТИ УрО РАН, e-mail: emp@fti.udm.ru

Бурнышев Иван Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и механики новых материалов ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-74-33, e-mail: inburn@mail.ru