CC BY
9
УДК 620.179.14
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ГРАФИТИЗИРОВАННОЙ СТАЛИ С ПОМОЩЬЮ ДИНАМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
© 2007 г В.М. Жураковский, А.В. Попов
The structural condition of graphite steel has been researched with using dynamical effects of domain structure. The methods of non - destructive testing (NTD) of quality of graphite steel have been worked out.
Графитизированные стали, кроме высоких антифрикционных характеристик и износостойкости при трении скольжения, имеют также хорошую демпфирующую способность. При исследовании структуры такой стали необходимо определять степень графити-зации ДСэ, которая оказывает решающее влияние на ее эксплуатационные свойства. Определение ДСэ химическими методами весьма трудоемко, количественный микроструктурный анализ также требует применения сложной стереометрической металлографии, особенно в случае образования структуры зернистого перлита. Целью работы является определение возможностей использования динамических эффектов доменной структуры для контроля качества деталей из графитизированных сталей.
Исследования проводили на образцах следующего химического состава: С - 1,34 %; 81 - 1,65; Мп - 0,53; 8 - 0,04; Р - 0,04; Сг - 0,06 %. Заливку образцов проводили в керамические формы с температурой 380-
g ( f) -10 17 , В 2 / Гц.-вит.
1,4
1 , 2
1 ,0
0,8 0,6
0,4
J 1
// л \ >>| \ 24
V V/ V
/} //
У /
0 50 100 150 200 f кГц а
400 оС, в результате чего в структуре литой стали происходила частичная графитизация с образованием шаровидных включений графита. После проведения термической обработки из полученной стали вырезались образцы размером 60*20*10 мм и проводилось снятие поверхностного слоя электролитическим травлением на глубину 0,5 мм. Степень графитизации ДСэ определяли показателем, представляющим собой разность между равновесным содержанием углерода в перлите и фактическим количеством связанного углерода [1]. Исследования динамических эффектов доменной структуры проводили как с использованием известных характеристик потока скачков намагниченности [2, 3], так и с помощью параметров, разработанных в [4-7]. На рис. 1 приведены результаты измерения сплошной компоненты спектра эдс индукции исследуемых образцов.
g ( f )/g ( f)f= 10 кГц
1.0
0,5
3
\\\ 1 4
/
101
10-
10J f кГц
б
Рис. 1. Спектры шумов циклического перемагничивания графитизированной стали: 1-4 соответствуют Д Сэ = -0,27 %; +0,02; +0,04 и +0,12 %
п
Анализ полученных результатов показывает, что увеличение Д Сэ приводит к уменьшению g во всем интервале частот исследуемых спектров. Аналогичные зависимости наблюдаются в широком диапазоне частот перемагничивания от 0,5 до 500 Гц. Кроме этого, в измеренных спектрах практически нет области «плато». Для выяснения возможного влияния на полученные результаты частотной характеристики измерительного тракта были проведены ее исследова-
ния по методике, предложенной в [2]. Для этого сигнал генератора синусоидальных колебаний с помощью очень слабой индуктивной связи подавался на индикаторную катушку датчика. Поддерживая постоянную величину выходного напряжения генератора, снимали частотную характеристику всего измерительного тракта от датчика до анализатора спектра. В результате было установлено, что коэффициент усиления оставался практически постоянным до частоты анализа ^ = 620 кГц. Затем наблюдался равномерный
спад амплитудно-частотной характеристики, обусловленный индуктивностью датчика. Таким образом, снижение величины g (Г) при 1 порядка 200 кГц определяется структурным состоянием и свойствами исследуемых образцов, а не характеристиками датчика и параметрами измерительной аппаратуры. Доказательством этого является также то, что с увеличением степени графитизации наблюдается смещение высо-
кочастотного спада измеряемых спектров в область более высоких частот. Это наглядно проявляется в нормированных спектрах, приведенных на рис. 1б.
Результаты исследования амплитудных спектров (рис. 2) также указывают на то, что увеличение степени графитизации должно сопровождаться смещением спектров шумов в область более высоких частот.
N 10 -
ln N
16 12
1 1
2
Гчх 3
1 ^
10 20 30 40
Порог селекции,. мкВ
13 11
9
ч 1 2 /
№ 3
1 ч 1 1 /ч
4 Л S^s *
10 20 30 40 Порог селекции,. мкВ
Рис. 2. Амплитудные спектры скачков намагниченности графитизированной стали: 1-4 соответствуют Д Сэ = -0,2 7 %, +0,02, +0,04%, +0,12 %
8
4
7
5
0
0
Так, анализ амплитудных спектров показывает, что с увеличением степени графитизации число скачков намагниченности с малыми амплитудами возрастает. Это в свою очередь сопровождается уменьшением длительности импульсов эдс скачков намагниченности и, следовательно, расширением спектра g (Г).
Металлографический анализ показал, что количество графитных включений на единицу площади поверхности шлифа в исследуемом интервале степени графитизации практически не менялось и находилось в пределах 120-160 на 1 мм2 площади шлифа. При этом наблюдается довольно значительное изменение g (Г). Так, экспериментальные данные показывают уменьшение ее максимальной величины от 1,32-10-17 до 0,96 • 10-17 В2/Гцвит.2 Наибольшее значение g (Г) наблюдается в стали с минимальной степенью графи-тизации. Ее структура состоит из среднепластинчато-го перлита и шаровидного графита в количестве Сграф = 0,48 % (Д Сэ = -0,27 %). При этом вокруг зерен наблюдается тонкая сетка вторичного цементита. Такая структура формировалась непосредственно из жидкого состояния, что определяет некоторые особенности, не способствующие большим значениям g (Г). Так, фактором, снижающим спектральную интенсивность g (Г), является наличие значительных внутренних напряжений, присущих структуре металла в литом состоянии даже в условиях его медленного охлаждения. Наблюдаемое наибольшее значение g (Г) при этом может быть обусловлено тем, что матрица такой стали полностью состоит из среднепластинчатого перлита, имеющего более высокие значения g (1), чем в структуре зернистого перлита [3]. Наличие цементит-
ной сетки по границам зерен не является в данном случае определяющим структурным фактором, влияющим на формирование величины g (Г). Так, зерно графитизированной стали состоит из множества различно ориентированных перлитных колоний и вероятность захвата доменом нескольких зерен, очевидно, крайне мала.
Увеличение Сграф до 0,77 % (Д Сэ =+0,02 %) сопровождается уменьшением g(f) во всем диапазоне частот исследуемого спектра (пунктир, рис. 1). При этом присутствуют структурные факторы, способствующие росту интенсивности шумов циклического пере-магничивания. Так, уменьшаются внутренние напряжения в процессе нормализации и последующего отпуска литой стали. Наблюдаемое уменьшение g (1) при этом может быть вызвано появлением в матрице стали структурной составляющей в виде зернистого перлита.
Повышение Сграф до 0,79 % (Д Сэ =+0,04 %) сопровождается также снижением g (1). Это происходит в условиях дальнейшего уменьшения внутренних напряжений при отжиге стали, что в принципе благоприятствует повышению g (1). Наблюдаемое уменьшение g (1) в данном случае можно объяснить повышением дисперсности перлитных составляющих структуры матрицы при увеличении Дсэ. Получение
максимальной величины Сграф = 0,89 % (Д Сэ =+0,12 %) сопровождается образованием матрицы в виде зернистого перлита. Такая ее структура способствует дальнейшему снижение спектральной интенсивности g (1). Таким образом, на основе анализа изменения строения матрицы исследуемой стали можно объяснить
характер наблюдаемых зависимостей. Однако количественное сопоставление полученных данных с результатами дополнительно проведенных исследований углеродистой эвтектоидной стали с полностью перлитной структурой и различной степенью сферои-дизации цементита не дают оснований для объяснения наблюдаемых зависимостей только за счет изменения строения матрицы сплава. Очевидно, что в гра-фитизированной стали определяющий вклад в уменьшение g (Г) вносит увеличение в ее структуре количества немагнитной фазы в виде свободного графита от 0,48 до 0,89 %, т.е. почти в два раза.
На рис. 3 приведена осциллограмма текущего спектра g (ю ,1) стали, совмещенная с петлей гистерезиса.
Рис. 3. Осциллограммы текущего спектра и петли гистерезиса стали
Влияние графитизации стали на распределение текущего спектра g (ю ,1) по периоду перемагничиваю-щего поля определяется распределением скачков намагниченности по петле гистерезиса. Поэтому параметры этого распределения определяются в основном количеством скачков с определенной величиной поля старта и их интенсивностью (суммарной площадью соответствующих участков текущего спектра). Вихревые токи на распределение g (ю, 1) по петле гистерезиса практически не влияют. Анализ приведенных осциллограмм показывает, что необратимые процессы перемагничивания в общем случае наблюдаются как
Параметры текущего спектра
до, так и после перехода напряженности внешнего перемагничивающего поля Н (1) через нулевое значение. При этом необходимо отметить, что скачки намагниченности, протекающие до момента перехода Н (1) через нулевое значение, формируются в условиях сохранения направления внешнего поля. Следовательно, необратимые процессы перемагничивания, протекающие при уменьшении Н (1) от максимального до нулевого значения, формируют текущий спектр g (ю,1) за счет необратимого смещения в основном 90-градусных доменных границ, так как при этом напряженность внешнего поля и намагниченность ферромагнетика совпадают по направлению. Вероятность перестройки доменной структуры за счет протекания необратимых смещений 180-градусных доменных границ при этом, очевидно, крайне незначительна.
Процессы перестройки доменной структуры за счет необратимого смещения 180-градусных границ, формирующие основную часть текущего спектра g (ю, 1), возможны в основном после перехода напряженности внешнего поля через нулевое значение, т.е. тогда, когда его направление станет противоположным направлению намагниченности образца. Следовательно, нулевое значение Н (1) разделяет текущий спектр на две составляющие, формируемые при необратимом смещении доменных границ различного типа. В то же время известно, что соотношение основных 180-градусных и замыкающих 90-градусных областей соседства доменной структуры определяется структурным состоянием ферромагнетика. Таким образом, методы изучения состояния ферромагнетиков, основанные на измерении параметров g (ю,1), позволяют не только уменьшить влияние вихревых токов на результаты исследований, но и значительно расширить информативность магнитной структуроскопии с использованием динамических эффектов доменной структуры. В табл. 1 приведены результаты измерения этих параметров, полученные с помощью методов, разработанных в [4-7].
Таблица 1
g (ra,t) графитизированной стали
Термическая обработка Сграф.5 % АСэ, % т/тсн., отн. ед UH, мВ Н1, отн. ед Н2, отн. ед.
Литая сталь 0,48 -0,27 0,44 32 +7,8 -12,1
Нормализация+отпуск 0,77 +0,02 0,40 29 +6,9 -12,0
Отжиг 0,79 +0,04 0,38 26 +5,4 -11,8
Закалка + отпуск 0,89 +0,12 0,27 23 +4,7 -11,9
Измерениям подвергались следующие параметры: величина т/тс.н., пропорциональная отношению полей старта скачков намагниченности, обусловленных необратимыми смещениями 90-градусных доменных границ к интервалу полей старта всех скачков намагниченности; величина Н1, пропорциональная полю старта доменных границ, соответствующих началу протекания необратимых процессов перемагничива-ния; величина Н2, пропорциональная полю старта доменных границ, соответствующих окончанию протекания необратимых процессов перемагничивания;
величина ии, пропорциональная соотношению интен-сивностей необратимых процессов смещения доменных границ различного типа.
Анализ табл. 1 показывает, что изменение строения матрицы графитизированной стали от среднепла-стинчатого перлита к структуре зернистого перлита сопровождается относительным уменьшением интервала полей старта границ доменов, ориентированных неблагоприятно относительно напряженности внешнего поля (параметр т/тс.н. уменьшается). Аналогичные результаты наблюдаются и при исследовании
эвтектоидной стали с полностью перлитной структурой и различной ее сфероидизацией. Однако степень этого уменьшения в графитизированной стали несколько выше, что обусловлено особенностями ее структуры. Можно предположить, что увеличение поверхности раздела фаз между графитными включениями и матрицей стали с увеличением ДСэ должно сопровождаться образованием более сложной доменной структуры и соответственно относительным увеличением вклада смещения границ замыкающих доменов в необратимые процессы перемагничивания.
Однако результаты измерений не подтверждают этого предположения. Наряду с уменьшением интервала полей старта 90-градусных доменных границ наблюдается относительное уменьшение интенсивно-
сти смещений этого типа границ (параметр ии уменьшается). Более того, чем меньше степень графитиза-ции, тем раньше начинаются необратимые процессы перемагничивания (параметр Н1 увеличивается). Следовательно, увеличение ДСэ за счет размеров графитных включений в условиях постоянства их количества не сопровождается значительной перестройкой замыкающей доменной структуры, и в графитизированной стали факторами, определяющими динамические эффекты доменной структуры, являются не только степень графитизации, но и строение матрицы, характерное для различной величины ДСэ. В табл. 2 приведены значения чувствительности измеряемых параметров к изменению ДСэ.
Таблица 2
Результаты расчета чувствительности S
Чувствительность/параметр т/тс.н H1 H2 ии g (f) N
S 0,38 0,51 - 0,32 0,48 0,54
Величину 8 оценивали аналогично [8]. Прочерк в табл. 2 указывает на неоднозначную зависимость данного параметра от ДСэ. Результаты расчета необходимы при выборе оптимального метода контроля качества деталей из графитизированной стали.
Литература
1. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.; Л., 1966.
2. Васильев В.М. Связь магнитных шумов с необратимыми процессами перемагничивания массивных фер-
ромагнитных образцов: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ростов н/Д, 1974.
3. Васильев В.М., Попов А.В. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1981. С. 1709-1713.
4. Попов А.В. А. с. СССР № 868548.
5. Попов А.В. А. с. СССР № 1177738.
6. Попов А.В. А. с. СССР № 976409.
7. Попов А.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ес-теств. науки. 2005. № 2. С. 51-55.
8. Попов А.В. // Вестн. Ростовского гос. ун-та путей сообщения. 2002. № 3. С. 26-28.
Московский автомобильно-дорожный институт Государственного технического университета,
Ростовский государственный университет путей сообщения_15 сентября 2006 г.
