Изменение напряженности поля остаточной намагниченности металла при деформации стального изделия

 

Изменение напряженности поля остаточной намагниченности металла при деформации стального изделия

 

Остаточная намагниченность металла является одним из структурно-чувствительных магнитных параметров, используемых при магнитном контроле качества термообработки конструкционных сталей, их механических свойств, структуры и. т. д.

Предпринимаются попытки аналитического описания зависимостей магнитных параметров от механического напряжения исходя из микроструктурных изменений в металлах, применимость которых на практике магнитного контроля оказывается весьма ограниченной, так как часто отсутствуют необходимые сведения о микроструктуре материала, размерах зерен и т. д. [1].

Наиболее практичными и удобными для применения являются аналитические выражения, полученные исходя из макроскопических представлений о структуре магнитных материалов, которые опираются на известные соотношения между основными магнитными и механическими параметрами металлов.

Поэтому получение аналитических зависимостей остаточной намагниченности и напряженности поля остаточной намагниченности стального изделия от величины механического напряжения, которые выражаются через основные (макроскопические) магнитные  параметры, является актуальной задачей.

Здесь рассматриваются два случая:

-формирование остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия, когда начальное магнитное состояние (остаточная намагниченность металла Jr) создается в напряженно-деформированном состоянии металла стального изделия (Jr ≠ 0, механическое напряжение σ ≠ 0);

-формирование остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, когда начальное магнитное состояние создается без влияния внешнего механического напряжения (Jr ≠ 0, σ = 0).

Остаточная намагниченность и поле остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия

В работе [2] приводится приближенное соотношение между основными магнитными параметрами и механическим напряжением металла в области упруго-пластической деформации:

σ χ ≈ μ0 Js2 / λs,         (1)                                      

где χ – магнитная восприимчивость, λs – магнитострикция насыщения, Js – намагниченность насыщения металла, σ – механическое напряжение, μ0 – магнитная постоянная.

Известна приближенная аналитическая зависимость дифференциальной магнитной восприимчивости от основных магнитных параметров металла:

,   (2)

где Нс – коэрцитивная сила металла.

На основе формул (1)-(2) с учетом ряда упрощающих условий, справедливых для конструкционных сталей, получаем аналитическое выражение для зависимости величины остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия от механического напряжения (промежуточные расчеты опускаем):

,   (3)

где Jr0 - остаточная намагниченность металла при отсутствии механического напряжения, N – размагничивающий фактор остаточно намагниченного участка стального изделия.

Видно, что величина остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия линейно возрастает с ростом механического напряжения, при этом зависимость определяется магнитными свойствами металла.

Если область с остаточной намагниченностью металла намагничена однородно (что весьма близко к действительности), то напряженность магнитного поля Hr определяются по формуле [3]:

,   (4) 

где TF(x, y, z, а, b) - топографическая функция от координат и линейных размеров остаточно намагниченной области металла стального изделия.

Тогда из формул (3)-(4) получаем аналитическое выражение для напряженности поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия:

.                      (5)

Видно, что напряженность поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия линейно возрастает с ростом механического напряжения.

На рис.1 представлены экспериментально полученные зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения при деформации изгиба стальных пластин, изготовленных из разных марок сталей. Видно, что они полностью согласуются с аналитическим выражением (5).

Рис.1. Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения деформированного стального изделия

1-Ст3, 2 – ВСт3сп, 3 – 09Г2С, 4 – 17Г1С.

 

Остаточная намагниченность и поле остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия

Для этого случая на основе теоретических расчетов было получено следующее аналитическое выражение для зависимости остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия от механического напряжения:

.   (6)

Видно, что области упругой и упруго-пластической деформации увеличение механического напряжения приводит к монотонному снижению величины остаточной намагниченности металла.

Из формул (4), (6) получаем выражение для напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия:

,   (7)

где Bs – магнитная индукция насыщения, B0 – магнитная индукция металла, соответствующая минимуму магнитострикции.

На рис.2 представлены экспериментально полученные зависимости поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения

Рис.2. Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения деформируемого стального изделия

1-Ст3, 2 – ВСт3сп, 3 – 09Г2С, 4 – 17Г1С.

 

при деформации изгиба стальных пластин, изготовленных из разных марок

сталей, которые полностью согласуются с аналитической зависимостью (7).

 

Выводы

Получены аналитические выражения для зависимости остаточной намагниченности и напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения в зависимости от соотношения его магнитного и механического состояния, выраженные через основные магнитные параметры металла, которые хорошо согласуются с экспериментально полученными зависимостями.

 

Список литературы

1. Новиков В.Ф., Изосимов В.А., Костюков А.И. и др. Стабильность остаточной намагниченности сплавов Fe-Co-V. – ФММ, 1996, т.81, вып.4, с.105-112.

2. Исследования по физике металлов и неразрушающим методам контроля. Под ред. Акулова Н.С., Минск.: Наука и техника, 1968. -  355 с.

3. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Загидулин Т.Р. Исследование поля остаточной намагниченности над стальной пластиной, подвергнутой деформации изгиба. - Сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения» - Уфа: Изд-во УГНТУ, № 20, 2006 г., с. 24-32.