CC BY
52
УДК 620.179.14
Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочненным поверхностным слоем магнитными методами
Э.С. Горкунов, С.Ю. Митропольская, А.Л. Осинцева, Д.И. Вичужанин
Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия
Изучено влияние деформации растяжения на полевую зависимость дифференциальной магнитной проницаемости составных двухслойных образцов стали 45, моделирующих поверхностное упрочнение, и образцов этой же стали, подвергнутых термоупрочнению лазером. Показано, что полевая зависимость дифференциальной магнитной проницаемости отражает многослойный характер полученной микроструктуры и изменения, происходящие в каждом из слоев при растяжении. Установлено, что значительные смещения пиков магнитной проницаемости в область более сильных магнитных полей и резкие снижения высоты пиков обусловлены вовлечением различных слоев изделия в пластическую деформацию и происходят в строго определенной последовательности, по мере достижения напряжений, соответствующих пределу текучести каждого из слоев. Показано, что потеря бимодального характера полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости, зарегистрированной после снятия нагрузки, указывает на близость материала с упрочненным поверхностным слоем к разрушению.
Ключевые слова: поверхностное упрочнение стали, деформация растяжения, магнитные характеристики
Magnetic methods for deformation investigation and stress estimation in surface-hardened materials
E.S. Gorkunov, S.Yu. Mitropolskaya, A.L. Osintseva and D.I. Vichuzhanin
Institute of Engineering Science UrB RAS, Ekaterinburg, 620219, Russia
In the paper we study the influence of tensile deformation on the field dependence of the differential magnetic permeability for bilayer surface-hardened specimens and for laser hardened specimens of constructional steel 45. The field dependence of the differential magnetic permeability is shown to reflect the multilayer character of the formed microstructure and changes taking place in each layer in tension. Considerable shifts of magnetic permeability peaks to higher magnetic fields and abrupt decreases in peak height are governed by the involvement of different specimen layers into plastic deformation and occur in a strict sequence on achieving the yield stress for each layer. The loss of the bimodal character of the field dependence of the differential magnetic permeability registered after unloading demonstrates that the material with a hardened surface layer is close to fracture.
Keywords: steel surface hardening, tensile deformation, magnetic characteristics
1. Введение
Оценка напряжений и деформаций, возникающих в элементах конструкций и деталях машин в условиях эксплуатации, является актуальной задачей и привлекает внимание специалистов по различным методам неразрушающего контроля [1]. Перспективными представляются возможности магнитной структуроскопии, потенциал которой используется пока не в полную силу. В частности, для конструкционных сталей с ферритоперлитной структурой показана возможность оценки
действующих напряжений и деформаций магнитными методами, поскольку выявлено качественное подобие между диаграммой «напряжение - деформация» и изменением коэрцитивной силы от деформации [2]. Между тем во многих отраслях техники широкое распространение получили элементы конструкций, имеющие в своем составе слои с различными физическими свойствами. Среди них детали, подвергнутые поверхностной термической и химико-термической обработке, поверхностному наклепу различными способами, сварные со-
© Горкунов Э.С., Митропольская С.Ю., Осинцева А.Л., Вичужанин Д.И., 2009
единения, стальные канаты, свитые из проволоки разного типа, биметаллические изделия, композитные, слоистые и коаксиальные стержневые конструкции и многие другие. Однако деформационное поведение таких высокопрочных элементов имеет свою специфику по сравнению с однородными [3, 4]. При этом возникает проблема определения параметров, характеризующих изменение состояния каждого из слоев, учет которых позволил бы контролировать уровень опасных напряжений. Эта задача может быть решена на основе анализа эволюции магнитных характеристик нагружаемых многослойных изделий, предлагаемого в данной работе.
Наиболее информативной характеристикой магнитного контроля многослойных ферромагнитных изделий признана картина пиков на зависимости дифференциальной магнитной проницаемости цА от величины пе-ремагничивающего поля Н [5]. Количество таких пиков соответствует числу различных по магнитным свойствам слоев, поля пиков Н|Лйтах близки к значениям коэрцитивной силы соответствующих слоев, а соотношение высот пиков определяется соотношением сечений соответствующих слоев. Этот же подход применяют и для магнитного контроля поверхностно упрочненного изделия, поскольку в магнитном отношении его можно представить как двухслойное, один из слоев которого — магнитотвердый, а другой — магнитомягкий [6]. В настоящее время современные магнитоизмерительные комплексы дают возможность оперативно и подробно регистрировать петли магнитного гистерезиса, а прикладные программы — строить на их основе полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости. Это позволяет ставить вопрос об изучении эволюции пиков дифференциальной магнитной проницаемости в условиях внешних воздействий с целью оценить состояние каждого из слоев изделия и их поведение в процессе эксплуатации.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании эволюции магнитных характеристик стали 45 с упрочненным поверхностным слоем под действием растяжения на всех участках диаграммы «напряжение - деформация» до образования шейки. Были поставлены следующие задачи:
- сравнить механические свойства при растяжении двухслойных составных образцов стали 45, моделирующих поверхностное упрочнение, и образцов стали 45, поверхностно термоупрочненных лазером, а также рассчитать напряжения, возникающие в различных слоях указанных образцов в рамках теории пластин и оболочек;
- с помощью магнитоизмерительного комплекса зарегистрировать петли магнитного гистерезиса т^йи при растяжении указанных образцов одновременно с записью диаграммы «напряжение - деформация», а также после снятия нагрузки;
- путем математической обработки зарегистрированных петель получить полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости и исследовать их связь с напряжениями, возникающими в отдельных слоях изделия при нагружении;
- выявить особенности поведения магнитных характеристик при переходе от упругой деформации к пластической, а также вблизи исчерпания ресурса.
2. Материал и методика исследования
Растяжению на универсальной испытательной машине с максимальным усилием 50 кН подвергали плоские модельные образцы и цилиндрические поверхностно упрочненные образцы стали 45 (рис. 1). В первом случае упрочненный слой моделировали сталью 45, закаленной от 850 °С в масло с последующим отпуском при 350 °С (2 ч), а сердцевину — той же сталью в нормализованном состоянии. Указанные пластины были жестко соединены между собой в местах захвата зажимами испытательной машины путем клепки. Во втором случае образцы стали 45 с феррито-перлитной структурой были подвергнуты термоупрочнению лазером мощностью 320 Вт при величине пятна 6 х 1.5 мм, скорость вращения образца в процессе обработки составила 30 об/мин при скорости подачи 155 мм/мин. Размеры образцов были выбраны с учетом конструктивных особенностей разрывной машины и магнитоизмерительного комплекса. Для сравнения было исследовано деформационное поведение магнитных характеристик однородных образцов стали 45 после объемной закалки с отпуском (имитация слоя, термоупрочненного лазером) и после нормализации (имитация сердцевины изделия). Режимы термической обработки исследованных образцов, их основные механические и магнитные характеристики приведены в табл. 1.
Простое нагружение путем одноосного растяжения проводили с весьма малым шагом по нагрузке с последующим разгружением до нуля после каждого шага нагружения. Петли магнитного гистерезиса регистрировали как в нагруженном, так и в разгруженном состоянии. Нагрузка на каждом последующем шаге несколько превышала нагрузку на предыдущем шаге. Перед началом
Рис. 1. Внешний вид исследованных образцов после разрушения: а — модельный двухслойный образец стали 45; 6 — сталь 45, термоупрочненная лазером
Таблица 1
Режимы термической обработки, механические и магнитные характеристики исследованных образцов из стали 45
№ Образец Термообработка Твердость, ГПа а02, МПа HN ,кА/м rMmax
1 Однородный Нормализация 2.0 З90 0.52
2 Однородный Закалка + отпуск 2.9 900 1.34
З Двухслойный: - магнитомягкий слой - магнитотвердый слой Нормализация Закалка + отпуск 2.0 2.9 560 0.52 1.34
4 Поверхностно термоупрочненный: - сердцевина - поверхностный слой Лазерное термоупрочнение 2.2 2.4 -2.9 490 0.56 1.30
каждого магнитного измерения и по окончании его образец размагничивали. Измерения магнитных характеристик образцов проводили в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра. Запись предельных петель магнитного гистерезиса при максимальном внутреннем поле 60 кА/м осуществляли на плоскости В-Н (В — магнитная индукция) путем запоминания не менее 2500 точек. Полевую зависимость дифференциальной магнитной проницаемости
г АБ дБ
ц . = 11т----=---- (1)
д н^о АН дН
определяли при помощи дифференцирования нисходящих ветвей предельных петель по полю в интервале от +60 до -60 кА/м (на рисунках приведены только те участки полевых зависимостей, на которых формируются максимумы проницаемости). При анализе полевых зависимостей, полученных в нагруженном и разгруженном состояниях, определяли величину поля пика
H,
Nd1n
(HNd1m.x ) по модулю и высоту пика N dm.x (Ndm.x )
дифференциальной магнитной проницаемости магнитомягкого и магнитотвердого слоев (здесь и далее звездочкой помечены величины, измеренные на образце после снятия нагрузки).
Структуру образцов после обработки лазером исследовали на поперечных шлифах, травленых в 3%-м растворе азотной кислоты в спирте. Анализ поверхностей разрушения проводили при помощи сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega. Микротвердость в поперечном сечении образцов определяли на приборе Leica под нагрузкой 0.49 Н, при скорости нагружения 40 мкм/с и времени выдержки 15 с.
3. Результаты и их обсуждение
3.1. Магнитные свойства двухслойных ферромагнетиков
На рис. 2 показаны нисходящие ветви петель магнитного гистерезиса и полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости для стали 45 после нормализации, объемной закалки и отпуска для двухслойного модельного образца и для поверхностно тер-
моупрочненного образца. Видно, что нисходящие ветви петель двухслойного и термоупрочненного образцов носят явно выраженный искаженный характер. Такие искажения проявляются на зависимости цд (Н) в виде двойных максимумов. Из рис. 2, в ясно, что один из пиков, локализующийся в области меньших полей, соответствует магнитомягкому слою составного образца (стали 45 после нормализации), а другой — его магнитотвердой компоненте (стали 45 после закалки с отпуском). Каким именно структурам отвечают пики на полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости образца, термоупрочненного лазером (рис. 2, г), становится понятно из рис. 3.
Приведенные на рис. 3 результаты измерения микротвердости в поперечном сечении образца, термоупрочненного лазером, а также результаты микроструктурных исследований свидетельствуют о том, что с помощью высокоэнергетического воздействия не удалось получить мартенситную структуру. Очевидно, малый размер поперечного сечения образцов не обеспечил необходимой критической скорости охлаждения при отводе тепла вглубь материала. Однако заметное поверхностное упрочнение все-таки было реализовано: в стали сфор-
-2
-1
0 -2 Н, кА/м
-1
Рис. 2. Нисходящие ветви петель магнитного гистерезиса (а, б) и полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости (в, г) для стали 45 после нормализации (1), объемной закалки и отпуска (2) для двухслойного (5) и поверхностно термоупрочненного образца (4)
Расстояние от поверхности, мм
Н, кА/м
Рис. 3. Микроструктура (а) при увеличении 220 (1, 2) и 1 375 крат (5), микротвердость Ну в поперечном сечении (б) и полевая зависимость дифференциальной магнитной проницаемости (в) образца стали 45, подвергнутого термоупрочнению лазером: 1 — поверхностный слой; 2 — переходная зона; 5 — сердцевина образца
мировались поверхностный слой 1 толщиной около 0.3 мм со структурой сорбита и твердостью 2.5 - 2.9 ГПа и зона термического влияния или переходная зона 2 примерно такой же толщины твердостью 2.3 - 2.5 ГПа. Вследствие незавершенности диффузионных процессов и недостаточной гомогенизации аустенита в переходной зоне сохраняется исходный феррит. В сердцевине образца сохранилась исходная структура, состоящая из пластинчатого перлита и феррита.
В силу небольшой толщины упрочненного слоя и слабого отличия его свойств от свойств сердцевины задача магнитного контроля была достаточно сложной. Однако, в отличие от коэрцитивной силы, показанная на рис. 3, в полевая зависимость дифференциальной магнитной проницаемости отражает многослойный характер полученной микроструктуры. Учитывая локализацию пиков по величине поля и сравнивая ее с картиной пиков двухслойного образца (рис. 2, в, кривая 5), можно заключить, что пик с хорошо выраженным максимумом при Н. = 0.56 кА/м соответствует ферри-
то-перлитной сердцевине образца, а второй, с менее четко выраженным максимумом в поле Нц д2 = 1.30 кА/м, соответствует упрочненному поверхностному слою. Соотношение высот наблюдаемых пиков указывает на то, что объемная доля сорбита в структуре существенно меньше, чем доля феррито-перлитной смеси, а отсутствие четкой границы между ними говорит о наличии пе-
реходных структур с промежуточными значениями магнитных характеристик.
Чтобы установить, обусловлен ли второй пик дифференциальной магнитной проницаемости (в поле Н.. = 1.25 кА/м) именно наличием упрочненного
гМ2тах '
слоя, с поверхности образца путем токарной обработки с охлаждением было последовательно снято до 0.6 мм. На рис. 4 приведены полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости для образца, обработанного лазером, после снятия с его поверхности
Рис. 4. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости образца стали 45, подвергнутого термоупрочнению лазером (1), после снятия с его поверхности слоев толщиной 0.4 (2) и 0.6 мм (5)
слоев толщиной 0.4 и 0.6 мм. Видно, что после снятия слоя пик в области более сильных полей становится заметно ниже, поскольку объем данной структурной компоненты уменьшается. Таким образом, образец после лазерной обработки в магнитном плане состоит из двух подсистем: магнитомягкой (феррито-перлитная смесь) и более магнитотвердой (сорбит). Наличие между ними переходной зоны (зоны термического влияния) приводит к отсутствию четкой границы между двумя пиками, что несколько усложняет интерпретацию полученных результатов по сравнению с двухслойным модельным образцом.
3.2. Влияние растяжения на магнитные свойства двухслойного модельного образца
На рис. 5 приведены диаграммы «напряжение - деформация», полученные при растяжении стали 45 после нормализации, стали 45 после объемной закалки и отпуска, двухслойного модельного образца, состоящего из двух перечисленных материалов, и составного модельного образца. Разрушение составного образца всегда происходило путем образования магистральной трещины в пластине, подвергнутой объемной закалке, после чего эксперимент прекращали. Из рис. 5 видно, что прочностные характеристики двухслойного образца занимают промежуточное положение между характеристиками составляющих его слоев, а пластичность соответствует пластичности более прочного слоя. С учетом того, что оба слоя составного модельного образца в ходе эксперимента растягиваются на одну и ту же величину, для любого значения относительного удлинения можно рассчитать напряжения в магнитомягком и магнитотвердом слоях по методике, предложенной в [7]:
а1 - Е8п + £1(8-8п), ^2 — Е821 + Е2 (8 — 821 ),
(2)
где 8 — текущее значение деформации, при которой
Рис. 5. Диаграммы «напряжение - деформация» исследованных образцов: 1 — сталь 45 после объемной закалки с отпуском; 2 — сталь 45 после нормализации; 3 — модельный двухслойный образец стали 45; 4 — сталь 45, термоупрочненная лазером
определяется напряжение; 811 и 821 — значения деформации, соответствующие пределам текучести; Е — модуль упругости, равный при комнатной температуре 2 • 105 МПа; Е1 и Е2 — тангенсы углов наклона участков пластической деформации соответствующих слоев. С учетом билинейной аппроксимации кривых растяжения Е1 и Е2 были вычислены как тангенсы углов наклона в1 и в2 на участке пластической деформации:
-1 — ^Рі —
812 811
-2 — tgP2 —
(3)
822 821
где стп, ст21 и 811, 821 — напряжения и деформации, соответствующие пределу текучести; ст12,812 и ст22, 822 — координаты любых точек на участках пластической деформации стали 45 после нормализации и стали 45 после закалки с отпуском соответственно. Для повышения точности расчетов в качестве точек ст12, 812 и ст22, 822 были взяты напряжения и деформации, соответствующие временному сопротивлению.
Для стали 45 после закалки с отпуском: ст11 = 900 МПа, ст12 = 1080 МПа, 811 = 0.0045,
812 = 0.025, Е = 2 • 105 МПа, Е1 = 0.088 • 105 МПа.
Для стали 45 после нормализации:
ст21 = 390 МПа, ст22 = 5 93 МПа, 821 = 0.0025,
822 = 0.143, Е = 2 • 105 МПа, Е2 = 0.0159 • 105 МПа. Результаты расчетов напряжений в каждом из слоев двухслойного модельного образца как функции достигнутого удлинения приведены на рис. 6, а. Построенные диаграммы напряжений в отдельных компонентах составного образца указывают, в частности, на то, что 1) существует некоторый интервал удлинения, когда мягкий слой уже деформируется пластически, а деформация твердого слоя еще носит упругий характер; 2) при одной и той же пластической деформации напряжения в твердом слое значительно превышают напряжения, возникающие в мягком слое.
Эти факты находят свое отражение в эволюции полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости составного образца. На рис. 7 в 3D-представ-лении показано изменение картины пиков составного модельного образца с деформацией в случае регистрации петли магнитного гистерезиса под нагрузкой и после разгружения соответственно. При этом на рисунке показаны не все экспериментально полученные полевые зависимости магнитной проницаемости, а лишь картины, наиболее характерные для различных стадий растяжения, что позволило избежать усложнения рисунков и при этом наглядно показать трансформацию пиков. Результаты подробных исследований изменения характеристик пиков под действием растягивающих напряжений представлены на рис. 8 и 9.
а12 а11
а22 а21
Рис. 6. Диаграммы «напряжение - деформация» для растяжения: а — двухслойного образца (1), его мягкого слоя (2) и твердого слоя (5); б — термоупрочненного лазером образца (1), его сердцевины (2) и поверхностного слоя (5). 1 — эксперимент, 2, 5 — расчет
На рис. 8 изменение поля пиков Н,, и высоты
А гМтах
пиков ц д дифференциальной магнитной проницае-
мости магнитомягкого слоя составного образца представлены как функция напряжений, возникающих в данном слое при растяжении, темные значки соответствуют магнитным измерениям в нагруженном состоянии, незакрашенные значки — измерениям после снятия нагрузки. Видно, что все представленные кривые имеют перегибы в области напряжений 390-400 МПа, что соответствует пределу текучести ст02 материала данного слоя. При этом регистрация петли магнитного гистерезиса под нагрузкой дает двухпараметрический инструмент оценки напряжений в интервале от 0 до 400 МПа. Величину напряжений в мягком слое в пластической области растяжения оценить данным методом не удается, но сам факт превышения предела текучести в
предыстории нагружения элемента конструкции надежно регистрируется по изменению поля пика НЦд1 и
высоты пика ц д в разгруженном состоянии: в случае
превышения величины ст0 2 указанные характеристики меняются скачкообразно на 100 % и более.
На рис. 9 приведены зависимости поля пика и высоты пика максимальной дифференциальной магнитной проницаемости магнитотвердого слоя двухслойного образца от величины растягивающих напряжений в данном слое. И в этом случае видно, что величина поля пика Нц , измеренная на разгруженном образце, претерпевает скачок в области напряжений, соответствующих пределу текучести ст02 данного материала — 900920 МПа. Рост поля пика Н цд при измерении в нагруженном состоянии начинается при напряжениях около 400 МПа и продолжается неуклонно вплоть до разруше-
Н, к А/м
Рис. 7. Эволюция полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости двухслойного образца как функция относительного удлинения. Измерения в нагруженном состоянии (а) и после разгружения (б )
Напряжение, МПа
Рис. 8. Зависимости поля пика (а) и высоты пика (б) максимальной дифференциальной магнитной проницаемости магнитомягкого слоя двухслойного образца от величины растягивающих напряжений в данном слое
ния материала, что создает основу для оценки напряжений, превышающих (0.4-0.5) ст0 2 данного слоя.
5.5. Влияние растяжения на магнитные свойства образца, термоупрочненного лазером
Сравнение диаграмм «напряжение - деформация» для модельного двухслойного образца и образца, термоупрочненного лазером (рис. 5, кривые 5 и 4), показывает, что прочностные характеристики последнего несколько ниже, что, очевидно, обусловлено небольшой
Напряжение, МПа
Рис. 9. Зависимости поля пика (а) и высоты пика (б) максимальной дифференциальной магнитной проницаемости магнитотвердого слоя двухслойного образца от величины растягивающих напряжений в данном слое
толщиной термоупрочненного слоя. Будем считать, что сердцевина образца не претерпела упрочнения при обработке лазером и при растяжении ведет себя как нормализованная сталь 45. Для упрощения анализа будем также условно считать, что поверхностный слой однороден по своим физическим свойствам и при растяжении ведет себя как сталь 45, подвергнутая закалке и отпуску при 350 °С. Тогда согласно формулам, предложенным в [7], можно рассчитать напряжения, возникающие в основе и в поверхностно упрочненном слое образца как
Рис. 10. Эволюция полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости образца, термоупрочненного лазером, как функция относительного удлинения. Измерения в нагруженном состоянии (а) и после разгружения (б )
0 200 400
Напряжение, МПа
Рис. 11. Зависимости поля пика (а) и высоты пика (б) максимальной дифференциальной магнитной проницаемости сердцевины образца, термоупрочненного лазером, от величины растягивающих напряжений в сердцевине
Напряжение, МПа
Рис. 12. Зависимости поля пика (а) и высоты пика (б) максимальной дифференциальной магнитной проницаемости поверхностного слоя образца, термоупрочненного лазером, от величины растягивающих напряжений в данном слое
функции удлинения. Результаты расчетов приведены на рис. 6, а.
На рис. 10 в 3D-представлении показано изменение картины пиков термоупрочненного лазером образца в условиях растяжения для случая регистрации петли магнитного гистерезиса под нагрузкой и после разгруже-ния. Результаты подробных исследований характеристик пиков, отвечающих сердцевине и упрочненному слою, показывают, что под нагрузкой характер изменений весьма близок к наблюдавшемуся на двухслойном модельном образце: значительный рост полей пиков Н.. отмечается при напряжениях 390-400 МПа
rVl max А А
(рис. 11), что примерно равняется пределу текучести ст0 2 феррито-перлитной основы, и при напряжениях 950-1000 МПа (рис. 12), что приблизительно соответствует сорбиту поверхностного слоя. Одновременно наблюдается падение максимальной магнитной проницаемости . d .
dmax
Более сложная картина формируется на зависимостях поля пика Н. и высоты пика .d максималь-
H-dl max max
ной дифференциальной магнитной проницаемости, измеренных после разгружения образца (рис. 12). Скачок поля пика Н. магнитотвердого слоя, который, как
^dlmax
правило, фиксируется на разгруженном материале после его перехода в пластическую область деформирования, отмечается здесь при напряжениях около 500 МПа. Этот факт говорит о том, что в поверхностном слое имеется еще один структурный подслой с пределом текучести ст0 2 около 500 МПа.
О наличии такого подслоя свидетельствует внешний вид поверхности излома образца, термоупрочненного лазером (рис. 13, а, б ), где четко выделяются три зоны. На поверхности излома термоупрочненного слоя 1 наблюдаются чрезвычайно мелкие плоские ямки, что свидетельствует о малой локальной пластической деформации в этой зоне. Тонкая структура излома в переходной зоне 2 имеет смешанное строение. В ней наблюдаются и ямки отрыва различной дисперсности, и внутри-зеренный хрупкий излом с веерообразными фасетками квазискола, что обусловлено неоднородной структурой переходной зоны и присутствием сетки исходного феррита. В центральной зоне 5 наблюдается вязкий ямочный излом, характерный для сталей этого класса с фер-рито-перлитной структурой. На полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости отдельный пик, соответствующий переходному слою, не выявляется (рис. 13, в), но усиливает размытие максимума от поверхностного упрочненного слоя. Однако ход кривых, приведенных на рис. 12, позволяет на основе магнитных измерений дать заключение об опасном превышении напряжений, допустимых для данного слоя.
Важно отметить, что при относительном удлинении около 3 %, что соответствует расчетным напряжениям около 440 МПа в сердцевине и около 1100 МПа в поверхностном слое, т.е. незадолго до разрушения образца, на полевой зависимости, зарегистрированной после разгрузки, наблюдается только единичный достаточно размытый максимум (см. рис. 10, б ). При этом разделить
Рис. 13. Поверхность разрушения образца стали 45, термоупрочненного лазером (а, б), и полевая зависимость дифференциальной магнитной проницаемости (в), зарегистрированная под нагрузкой, непосредственно перед разрушением образца: 1 — упрочненный слой; 2 — переходная зона; 5 — сердцевина
его на пики от сердцевины и от поверхности образца
не удается. Таким образом, вырождение бимодальной
полевой зависимости Цн (И) в картину с одним макетах •*- ^
симумом указывает на близость к исчерпанию ресурса изделия с упрочненным поверхностным слоем.
4. Заключение
Экспериментально исследовано влияние растяжения на полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости составных двухслойных образцов стали 45, моделирующих поверхностное упрочнение, и образцов стали 45, подвергнутых термоупрочнению лазером. Показано, что полевая зависимость дифференциальной
магнитной проницаемости отражает многослойный характер полученной микроструктуры: пик с максимумом при Н = 0.5 кА/м соответствует феррито-перлитной сердцевине образца, а пик с максимумом при Нцд2 = = 1.3 кА/м соответствует упрочненному поверхностному слою со структурой сорбита. Установлено, что значительные смещения пиков в область более сильных магнитных полей наблюдаются для первого пика при напряжениях 390-400 МПа, что примерно равняется пределу текучести основы, а для второго пика — при напряжениях 950-1000 МПа, что приблизительно соответствует пределу текучести поверхностного слоя. Одновременно с этим происходит резкое снижение высоты пиков. Обнаружено, что потеря бимодального характера полевой
зависимости дифференциальной магнитной проницаемости, зарегистрированной после снятия нагрузки, указывает на близость материала с упрочненным поверхностным слоем к разрушению.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ и Правительства Свердловской области (грант № 0701-97623).
Литература
1. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряже-
ний: Справ. пособие / Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, Л.М. Лобанов и др. - Киев: Наукова думка, 1981. - 584 с.
2. Горкунов Э.С., Смирнов С.В., Задворкин С.М., Митропольская С.Ю., Вичужанин Д.И. Взаимосвязь между параметрами напряженно-деформированного состояния и магнитными характеристиками углеродистых сталей // ФММ. - 2007. - № 3. - С. 1-6.
3. Панин С.В. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями и поверхностным упрочнением // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. -Ч. 1. - С. 109-112.
4. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Деформация и разру-
шение материалов с азотированным поверхностным слоем при растяжении // Деформация и разрушение материалов. - 2007. -№ 4. - С. 27-31.
5. А.С. 252718 СССР, МКИ G 01 N 27/72, 27/80. Способ контроля качества многослойных ферромагнитных изделий / Э.С. Горкунов, Б.М. Лапидус, А.В. Загайнов. - Опубл. 23.08.1986. - Бюл. № 31.
6. Горкунов Э.С., Лапидус Б.М., Загайнов А.В. и др. Использование дифференциальной магнитной проницаемости для контроля качества поверхностного упрочнения // Дефектоскопия. - 1988. -№ 7. - С. 7-13.
7. Горкунов Э.С., Емельянов И.Г., Задворкин С.М., Митропольская С.Ю. Модель напряженно-деформированного состояния двухслойного стального изделия при одноосном растяжении // Металлы. - 2007. - № 1. - С. 78-82.
Поступила в редакцию 24.06.2008 г., после переработки 01.12.2008 г.
Сведения об авторах
Горкунов Эдуард Степанович, чл.-к. РАН, директор ИМаш УрО РАН, [email protected]
Митропольская Софья Юрьевна, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории технической диагностики ИМаш УрО РАН, [email protected]
Осинцева Алевтина Леонтьевна, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории микромеханики материалов ИМаш УрО РАН, [email protected]
Вичужанин Дмитрий Иванович, к.т.н., научный сотрудник лаборатории микромеханики материалов ИМаш УрО РАН, [email protected]
