CC BY
139
Влияние пластической деформации при гидростатическом давлении на поврежденность и магнитные характеристики низкоуглеродистой стали 3сп
Э.С. Горкунов, С.В. Смирнов, С.С. Родионова
Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия
Изучено влияние пластической деформации растяжением на изменение плотности и характеристик магнитных свойств образцов из низкоуглеродистой стали 3сп при всестороннем давлении в испытательной камере от 0.1 до 500 МПа. Показана возможность определения степени пластической деформации и связанной с ней структурной поврежденности металла по магнитным параметрам частных петель магнитного гистерезиса.
1. Введение
Известно [1], что при холодной пластической деформации происходит нарушение сплошности металла. Появление микропор и микротрещин наблюдается уже на начальных стадиях пластической деформации, которое связывают с взаимодействием полей напряжений дислокаций с препятствиями в металле (межзеренные и меж-фазные границы, включения, частицы, дислокационные скопления и др.), а также с декогезией матрицы и включений из-за различия их упругих свойств. Образование дефектов сплошности сопровождается частичной релаксацией упругой энергии [2].
Параллельно с процессами возникновения и развития микродефектов в пластически деформируемом металле при деформации в условиях всестороннего сжатия могут протекать процессы их «залечивания». Например, полное «залечивание» дефектов сплошности при всестороннем сжатии наблюдали на образцах чистой меди [3]. Отмечено также, что в условиях всестороннего сжатия наиболее эффективно «залечивание» дефектов происходит при пластической деформации металла.
Так как процессы образования и закрытия дефектов сплошности сопровождаются локальным изменением
упругой энергии материала, то, следовательно, происходит изменение и магнитноупругой энергии ферромагнитного материала в областях, прилегающих к дефектам, что должно отражаться на магнитных структурночувствительных характеристиках [4-7].
Целью работы являлось исследование влияния изменений структурных параметров и процессов накопления микродефектов при деформации в условиях разного напряженного состояния применительно к разработке магнитных методов определения степени пластической деформации и оценки структурной поврежденности металла.
2. Образцы и методика измерений
Исследовали низкоуглеродистую сталь 3сп промышленной плавки. Разрывные образцы диаметром рабочей части 5 мм изготавливали из горячекатаных прутков, шлифовали, подвергали часовому отжигу в вакуумиро-ванных ампулах при температуре 700 °С. С целью изменения напряженного состояния, при котором осуществляли деформацию, и уменьшения возможности образования микродефектов растяжение производили на установке [8] при одновременном действии гидростатичес-
© Горкунов Э.С., Смирнов С.В., Родионова С.С., 2003
кого давления жидкости в рабочей камере Р = 0.1, 200 и 500 МПа. В процессе каждого испытания давление в жидкости поддерживали постоянным. В качестве жидкости в рабочей камере использовали техническое касторовое масло. Образцы растягивали при различных степенях деформации Л, не превышающих степень деформации в момент образования шейки. Диаметр образцов до d0 и после d1 испытания измеряли на инструментальном микроскопе с точностью до 5 -10-3 мм. Степень деформации сдвига рассчитывали по формуле Л = = 2л/31п^ 0/ dl) [9].
Для проведения дальнейших исследований из деформированных образцов вырезали среднюю часть и приготовляли образцы длиной 9.55±0.1 мм и диаметром 4.7^5.0 мм.
В качестве характеристики накопления дефектов сплошности использовали величину изменения плотности деформированного металла. Плотность образцов измеряли методом дифференциального гидростатического взвешивания [10] в тетрабромэтане, имеющем плотность 2960 кг/м3 при температуре 20 °С. Температуру жидкости контролировали с помощью ртутного термометра. Плотность образцов, измеренную при различающихся температурах, расчетным путем приводили к температуре 20 °С. Результат взвешивания образцов усреднялся по 5^7 измерениям.
Магнитные характеристики (коэрцитивную силу и остаточную индукцию) определяли баллистическим методом на частных циклах петель магнитного гистерезиса при намагничивании в средних (Втах = 0.4 Т) и слабых (Втах = 0.05 Т) магнитных полях.
3. Влияние пластической деформации на поврежденность и магнитные характеристики
Пластическая деформация и разрушение являются процессами, сдерживающими накопление упругой энергии при механическом нагружении. В ОЦК-метал-лах пластическая деформация в отсутствие температурного воздействия осуществляется преимущественно дислокационным путем, а каждое перемещение дислокаций является элементарным актом локальной релаксации упругих напряжений. При приложении нагрузки выше предела текучести в металлических материалах начинается скольжение имеющихся и возникновение новых дислокаций, у препятствий образуются дислокационные скопления, возрастает запасенная энергия, и для продолжения деформирования необходимо увеличивать действующие напряжения (процесс деформационного упрочнения). Релаксация упругих напряжений за счет только актов пластической деформации оказывается недостаточно эффективной и в металле одновременно происходит возникновение и развитие локальных микроразрушений. При холодной деформации они имеют, как правило, дислокационный механизм или обус-
ловлены декогезией некогерентных границ в металле. Среди многообразия дислокационных механизмов разрушения для ОЦК-металлов наиболее вероятно реализуются механизмы, связанные с образованием упругих микротрещин при слиянии головных дислокаций в плоских дислокационных скоплениях у препятствий (механизмы Зинера, Стро-Екобори) и при пересечении полос скольжения (механизм Коттрелла) [11]. В пластичных металлах такие микротрещины тут же «затупляются» и превращаются в микропоры (рис. 1, а). Начальный размер микропор 0.5^2 мкм. Образование микродефектов приводит к релаксации напряжений в полосах скольжения. Дальнейшее деформирование приводит к развитию процессов фрагментации и активизации коллективных дислокационных дефектов, развитию ротационной моды пластической деформации, которые также вносят свой вклад как в упрочнение металла, так и в релаксацию локальных напряжений.
Уже на начальных этапах упругопластического деформирования декогезии подвержены слабосвязные границы между металлической матрицей и структурными неоднородностями в виде неметаллических частиц, включений, интерметаллидов, карбидов и др. Образование этих микродефектов приводит к релаксации микронапряжений в некотором объеме матрицы, который зависит от размера структурных неоднородностей и может быть от нескольких до десятков микрометров, такой же размер могут иметь возникшие микроразрывы. При продолжении деформирования происходит рост микродефектов, их объединение по механизму внутреннего шейкообразования, возникновение микротрещин (пор) (рис. 1, б). Микротрещины (поры) формируют фронт предразрушения, где возникает разрушающая трещина. Поры, образовавшиеся на труднодеформиру-емых включениях по механизму декогезии, постепенно приобретают вытянутую форму в направлении максимальных растягивающих деформаций (рис. 1, в).
Из рис. 2, а следует, что с возрастанием степени деформации Л наблюдается пластическое разрыхление материала за счет образования и развития дефектов сплошности, характеризующееся монотонным уменьшением относительной плотности материала образцов Ду/т о = (У i -У о)/У о, где у 0 = 7872.4 кг/м3 — плотность материала образцов в исходном состоянии; у г- — плотность материала образцов после деформации. Видно, что снижение Ду/у0 тем меньше, чем больше величина всестороннего сжатия Р в испытательной камере, что связано со снижением интенсивности образования микродефектов сплошности. Увеличение гидростатического давления препятствует развитию микродефектов при деформации, а также способствует закрытию части дефектов сплошности, уже образовавшихся ранее.
С ростом степени деформации образцов происходит увеличение значений коэрцитивной силы и остаточной
Рис. 1. Возникновение микродефектов при пластической деформации низкоуглеродистой стали (пояснения в тексте). х 1000 (а, б); Х2000 (в)
индукции, измеренных в различных по величине магнитных полях (рис. 2, а), что указывает на затруднение протекания процессов намагничивания и перемагничи-вания. Это вызвано появлением дефектов с более высокими значениями критических полей взаимодействия доменных границ с дефектами структуры металла [5, 12-20].
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 [13, 15-19] коэрцитивная сила связана с плотностью дислокаций как Нс ~ . Поэтому с увеличением плотности дисло-
каций 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 [4, 21-23], 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 [24]. Причем эти зоны могут иметь достаточно большие объемы. Так, например в работах [21, 22], показано, что зона искажения доменной структуры около включения может в 300 раз превышать его объем.
Под действием приложенных нагрузок при пластической деформации будет также формироваться магнитная текстура, что сопровождается появлением наведенной магнитоупругой анизотропии, приводящей к появлению преимущественного направления перемагничивания (магнитной одноосности) [4, 25]. При положительных значениях магнитострикции это будет некоторым образом облегчать протекание процессов намагничивания и перемагничивания в случаях, когда направление действия магнитного поля и направление действия нагрузок совпадают. При достаточно больших приложенных нагрузках может оказаться, что в некоторых областях материала вблизи микродефектов будет возникать пластическое течение, что приведет к релаксации в этих областях микронапряжений. Эти процессы будут сопровождаться релаксацией упругой энергии Ее в близлежащих локальных объемах и вызовут некоторое снижение в этих объемах магнитноупругой энергии Ете. Это, в свою очередь, будет сопровождаться перестройкой доменной структуры и уменьшением доли 90°-х доменов, имеющих более сильные критические поля взаимодействия 90°-х доменных границ с дефектами [24].
Рис. 2. Зависимости магнитных характеристик, измеренных при различных индукциях (^Соо5 и Ьі005 ПРИ максимальной индукции 0.05 Т; Л^4 и Ьіо4 — 0.4 Т; ^15 — 1.5 Т), и относительной плотности образцов стали 3сп от степени деформации Л при различных значениях гидростатического давления Р: Р = 0.1 (•); 200 (о) и 500 МПа (х)
Рис. 3. Взаимосвязь изменений относительной плотности образцов Ду/у ной стали при различных значениях гидростатического давления: Р =
Появление дефектов типа микропор, в свою очередь, согласно «теории включений» [7, 9, 13] должно сопровождаться возникновением магнитных полей рассеяния и повышением магнитостатической энергии в этих объемах, что будет затруднять движение доменных стенок и увеличивать коэрцитивную силу. Влияние пор на подвижность доменных стенок в значительной степени зависит от их размеров и взаимного расположения дефекта и доменной стенки. Присутствие протяженного дефекта, расположенного параллельно смещающейся доменной стенке, может в десятки раз повысить величину коэрцитивной силы [26-28]. Однако в нашем случае вклад этого механизма, видимо, невелик по сравнению с сокращением объема 90°-х доменных границ в результате релаксации микронапряжений в зонах, прилегающих к микропорам.
со степенью деформации и магнитными характеристиками исследован-.1 (•); 200 (А) и 500 МПа (о)
Как было показано выше, на процессы перемагни-чивания оказывают воздействие многие факторы, часто различным образом влияющие на поведение магнитных свойств, что затрудняет оценку влияния каждого из упомянутых механизмов на магнитные характеристики.
Из рис. 2, а следует, что появление дополнительной деформации всестороннего сжатия достаточно слабо влияет на процессы перемагничивания, протекающие в слабых магнитных полях (Втах = 0.05 Т). Это свидетельствует о том, что наибольшее влияние на них оказывает релаксация напряжений вблизи пор, которое можно проследить на рис. 2, б для коэрцитивной силы ^ и остаточной индукции Ъ^ . Измерение в более сильных
магнитных полях приводит к тому, что влияние дополнительной деформации всестороннего сжатия проявляется несколько больше для коэрцитивной силы
с0.4’
Ч,4. А/см
со о
Рис. 4. Взаимосвязь изменений накопленной поврежденности образцов ю со степенью деформации Л и магнитными характеристиками исследованной стали при различных значениях гидростатического давления: Р = 0.1 (•); 200 (Л) и 500 МПа (о)
(рис. 2, а, кривые ^04 и ^ ). Причиной относительно слабого влияния всестороннего сжатия является то, что наложение дополнительной деформации на уже пластически деформированный материал практически не оказывает влияния на структурные изменения в основной матрице исследуемого материала.
Процессы образования микропор при пластической деформации и сдерживание их развития в результате всестороннего сжатия существенным образом, благодаря релаксации микронапряжений и, как следствие, сокращению объемов 90°-х доменных границ, влияют на поведение магнитных характеристик, измеренных как в слабых, так и в средних магнитных полях, что можно наглядно проследить на рис. 2, б (кривые ^ и
*а)-
Поскольку в процессе эксплуатации изделий может происходить как пластическая деформация, так и обра-
зование микродефектов, ведущие в последующем к их разрушению, то для предотвращения аварийных ситуаций желательно оценивать степень развития микро-пор на начальных этапах этого процесса. Из анализа рис. 2 следует, что использование магнитных характеристик, измеренных в различных магнитных полях, позволяет оценить величину пластической деформации и изменений плотности материала вследствие развития дефектов сплошности металла при деформации в слабых магнитных полях, для которых характерно необратимое смещение доменных границ при их отрыве от дефектов с критическими полями, меньшими коэрцитивной силы Нс.
При формальном рассмотрении связи между уменьшением плотности металла Ау/у0 при деформации и изменением магнитных характеристик при перемагни-чивании можно было бы прийти к выводу, что возник-
новение объемных микродефектов в деформируемом металле увеличивает кс и Ъй (рис. 2, б). Благодаря принятой схеме эксперимента удалось за счет изменения давления в рабочей камере получить образцы с одинаковой степенью деформации Л, но различной величиной изменения плотности.
Проведя регрессионный анализ, получили разделение вкладов в изменение магнитных характеристик от увеличения степени деформации и от разуплотнения, связанного с накоплением микродефектов. В результате были получены следующие аналитические зависимости:
йС005 = 0.33 + 1.60Л033 + 3.42Л Ау/у 0,
Ъй = 0.074 + 0.40Л0 32 + 0.80Л Ау/у0 ,
005 (1)
к^ = 1.16 + 4.38Л0 37 + 25.11Л Ау/у0 ,
ЪЙ04 = 0.30 + 1.47Л043 + 9.71Л Ау/у0.
Представленные на рис. 3 зависимости позволяют оценить возможность использования магнитных характеристик для определения степени пластической деформации и объема микропор, появляющихся вследствие этой деформации. Причиной уменьшения кс и Ъй при возникновении деформационных микродефектов, по-видимому, является то, что их роль как факторов, способствующих релаксации упругой энергии, является более значимой по сравнению с механизмом изменения магнитостатической энергии на микропорах. Из рис. 3 следует, что наиболее чувствительны к процессам релаксации микронапряжений при образовании микро-пор магнитные характеристики, измеренные в средних магнитных полях. Изменение величин Акс , АЪЛ
с0.4 10.4
(рис. 3, в и г) примерно в два раза больше по сравнению с Акс и АЬІ005 (рис. 3, а и б). Магнитные характе-
ристики также чувствительны к степени пластической деформации, поэтому, используя данные рис. 3, можно оценивать как степень пластической деформации, так и процессы развития микродефектов.
В качестве характеристики уровня развития деформационных микродефектов в механике используют параметр «поврежденность» ю. Для оценки поврежден-ности образцов, подвергнутых деформации, будем использовать феноменологическую теорию [9], в соответствии с которой до деформации ю = 0, а в момент возникновения разрушающей трещины ю = 1. Исходные данные для расчета поврежденности при растяжении образцов из стали 3сп приведены в работе [29]. Так как изменение плотности и величины поврежденности пропорциональны, то графические зависимости кс(Ъй) ~ ~ Ау/у0 ~ X и кс (Ъё) ~ ю ~ X (рис. 4) качественно подобны. Регрессионные уравнения (1) дополним уравнениями:
hc = 0.33 + 1.603Л0335 - 2.95Лю,
c0.05
bd = 0.074 + 0.401Л0317 - 0.674Лю,
d0.05
(2)
hc = 1.16 + 4.58Л0'384 - 24.78Лю,
c0.4
bd = 0.30 + 1.55Л0'517 -9.44Arn.
d0.4
В отличие от физической характеристики Ду/у0 , которая измеряется de facto в элементах конструкций, величина ю является расчетной и может использоваться для прогнозных оценок при оценке долговечности по текущему состоянию.
4. Заключение
В результате проведенных исследований показана возможность контроля больших степеней одноосной деформации и связанной с ней поврежденности металла с использованием магнитных характеристик, измеренных на частных циклах магнитного гистерезиса. Зная плотность материала и начальные значения магнитных характеристик в исходном состоянии, а также условия эксплуатации, можно, например, по величине коэрцитивной силы или остаточной индукции, измеренных на частном цикле при максимальной индукции 0.4 Т, оценивать развитие микродефектов, связанное с изменением плотности материала в детали при ее эксплуатации или определять текущую поврежденность металла ю. В свою очередь, зная параметры Л и ю, можно, пользуясь соответствующими моделями механики, рассчитать остаточный ресурс долговечности детали.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты №№ 02-01-96423 и 03-01-00794.
Литература
1. Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кодомцев А.Г. и др. Пластическая деформация и разрушение твердых тел // Проблемы прочности. - 1979. - № 7. - C. 38-45.
2. ЛоуДж.Р. Связь хрупкого разрушения с микроструктурой // Струк-
тура металлов и свойства. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1957. - C. 170-189.
3. БересневБ.И., МартыновЕ.Д., РодионовК.П. и др. Пластичность и прочность твердых тел при высоком давлении. - М.: Наука, 1970.- 162 с.
4. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Родионова С.С. Влияние структуры сталей на процессы перемагничивания в слабых и сильных магнитных полях и решение задач магнитной структуро-скопии изделий из этих сталей // Дефектоскопия. - 1998. - №2 6. -C. 42-59.
5. Бозорт Р. Ферромагнетизм. - М.: Иностр. литер., 1956. - 337 с.
6. Горкунов Э.С., ДрагошанскийЮ.Н., Миховски М. Эффект Баркгау-зена и его использование в структуроскопии ферромагнитных материалов (обзор II). 2. Влияние упругой и пластической деформаций // Дефектоскопия. - 1999. - № 7. - C. 3-32.
7. ГоркуновЭ.С., ДрагошанскийЮ.Н., ХамитовВ.А. Магнитоупругая
акустическая эмиссия в ферромагнитных материалах. 2. Влияние упругих и пластических деформаций на параметры магнитоуп-
ругой акустической эмиссии // Дефектоскопия. - 2001. - № 12. -C. 3-30.
8. ШишминцевВ.Ф., Родайкин А.А., Богатов А.А., Мижирицкий О.И. Установка для испытаний металлов под гидростатическим давлением // Заводская лаборатория. - 1978. - Т. 44. - Вып. 10. -С. 1270-1280.
9. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986. - 688 с.
10. Шалимова А.В. Гидростатический метод определения плотности // Заводская лаборатория. - 1967. - № 5. - С. 55-57.
11. Екобори Т Физические о сновы пластической деформации металлов. - М.: Металлургия, 1971. - 264 с.
12. Кондорский Е.И. К вопросу о теории коэрцитивной силы сталей // Докл. Акад. наук СССР. - 1948. - Т. 63. - № 5. - С. 507-510.
13. Кондорский Е.И. К вопросу о природе коэрцитивной силы и необратимых изменениях при намагничивании // ЖЭТФ. - 1937. -Вып. 7. - С. 1117-1131.
14. Неель Л. Влияние пустот и включений на коэрцитивную силу // Физика ферромагнитных областей. - М.: ИЛИ, 1951. - С. 215239.
15. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. - М.-Л.: Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1948. - 816 с.
16. Kersten M. Uber die Bedeutung der Versetzungsdichte fur die Theorie der Koerzitivkraft rekristallisierter Werkstoffe // Zs. Angtw. Phys. -1956. - Bd. 8. - Nb. 10. - S. 496-502.
17. Вицена Ф. О влиянии дислокаций на коэрцитивную силу ферромагнетиков // Чехосл. физ. журнал. - 1955. - Т. 5. - №2 4. - С. 480501.
18. MalekZ. A study of the influence of dislocation on some of the magnetic properties of permalloy alloys // Czechols. J. Phys. - 1959. - V. 9. -No. 5. - P. 613-627.
19. Trauble H. Modern der Metallphysik. - Berlin: Springer, 1966. -Pt.2. - P. 157-475.
20. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. - М.: Наука, 1993. - 252 c.
21. МакаровВ.П., МолотиловБ.В., Москвин А.С. и др. Влияние внешних напряжений на доменную структуру вокруг включений в кристаллах сплава Fe-3 % Si // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1975. -Т. 39. - № 7. - С. 1410-1414.
22. Рытвин В.М., Молотилов Б.В., Макаров В.П. Процессы намагничивания вокруг включений в кристаллах Fe-3 % Si // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1975. - Т. 39. - № 7.
23. Молотилов Б.В., Казаджан Л.Б. Об источниках фазового наклепа в трансформаторной стали. Прецизионные сплавы // Труды ЦНИИЧерМет. - 1967. - Вып. 51. - С. 227-232.
24. Тройбле Г., Зегер А. Влияние дефектов кристаллической решетки на процессы намагничивания в ферромагнитных монокристаллах. Пластическая деформация монокристаллов. - М.: Мир, 1996. -С. 201-264.
25. Lo C.C.H., Tang F, Biner S.B., Jiles D.C. Effects of fatigue-induced changes in microstructure and stress on domain structure and magnetic properties of Fe-C alloys // J. Appl. Phys. - 2000. - V. 87. - No. 9. -P. 6520-6522.
26. Schwabe E. Theoretische Betrachtungen uber die Beeinflussung der ferromagnetischen Koerzitivkraft durch Einschlusse mit rotationsel-liptischer Form, fur den Fall, dap deren Abmessungen klein gegen die Dicke der Blochwand sind // Ann. Phys. - 1952. - V. 11. - Nb. 6. -
S. 99-112.
27. Precht W. Koerzitivfeldstarke bei discusformiger Ausscheidung im a- Eisen // Zs. Angtw. Phys. - 1966. - V. 21. - No. 1. - S. 54-58.
28. Thompson S.M., Tanner B.K. The magnetic properties of pearlitic steels as a function of carbon content // J. Magn. Magn. Mater. -1993. - V. 123. - P. 283-298.
29. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. - М.: Металлургия, 1984. - 144 с.
Influence of plastic deformation at hydrostatic pressure on damage and magnetic characteristics of low-carbon steel 3sp
E.S. Gorkunov, S.V Smirnov, and S.S. Rodionova
Institute of Machine Science, UB RAS, Ekaterinburg, 620219, Russia
Consideration is given to the influence of tensile plastic deformation on changes in density and magnetic characteristics of low-carbon steel 3sp specimens at a hydrostatic pressure of 0.1 to 500 MPa in a test chamber. We show the possibility to determine the degree of plastic strain and corresponding structure damage of the metal by magnetic parameters of incremental magnetic-hysteresis loop.
