ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение • • 4
1. Постановка задачи ................................... 6
2. Физические основы неразрушающего магнитного контроля механических свойств стального листового про* ката (Литературный обзор) ........................ II
2.1. Природа прочности, пластичности и вязкости. Взаимосвязь между ними............... ............... II
2.2. О магнитном гистерезисе ................... 14
2.3. Влияние структурного состояния на механические свойства и коэрцитивную силу ............. 16
2.4* Влияние химического состава ....................... 37
2.5. Влияние процесса выплавки ........................ 46
2.6. 3 а к л в ч<е:!н й е: .......................... 47
3. Методика отбора проб, исследований и измерений, статистической обработки результатов. Образцы. Определение погрешностей......................... *...... 49
3.1. Методика отбора проб ............................... 49
3.2. Методики исследований и измерений. Образцы ......... 51
3.3. Методика статистической обработки результатов измерений .................................... 55
3.4. Методика определения доверительных интервалов по коэрцитивной силе ••••• 56
3.5# Определение погрешностей прямых методов измерений
механических свойств .............................. 57
3.5. О погрешности неразрушающего метода определения механических свойств ......................... 60
~ 2 -
Стр.
4. Исследование корреляционной связи между механическими и магнитными свойствами сталей Ст.Зсп,
20к и 09Г2 ............................................ 61
4.1. Исследование влияния температуры конца прокатки и степени обжатия на механические и магнитные свойства стали Ст. Зсп ........................... 61
4.2. Определение корреляционной связи между механическими свойствами и коэрцитивной силой сталей
20к и 09Г2 .......................................... 70
4.3# Внедрение неразрушавшего магнитного контроля
прочностных и пластичных свойств проката ..... 74
4.4. Исследование возможности определения механических свойств проката по измерениям коэрцитивной
силы непосредственно на листах и балках ...... 75
4.5. о ак л ю ч е н и е .................................. 83
5. Установление корреляционной связи ударной вязкости
с коэрцитивной силой сталей 09Г2 и С9Г2Д ........ 85
5.1. Установление характера корреляционной связи ... 85
5.2. Определение доверительного интервала по коэрцитивной силе .................................... 89
5.3. О составляющих погрешности магнитного метода определения ударной вязкости ..................... 92
5.4. Заключение ......................................... 92
6. Исследование влияния структуры и неметаллических включений на ударную вязкость и коэрцитивную силу .. 94
6.1. Влияние структурных составляющих, величины зерна и балла полосчатости ............................. 94
I
- 3 -
Стр.
6.2. Влияние неметаллических включений ......... 103
6.3. Заключение .............................. 103
7. Исследование возможности повышения точности магнитного метода определения ударной вязкости ••••• 107
7.1. Учет размера зерна феррита......... 108
7.2. Учет химического состава.............. ИЗ
7.3. Учет интервала коэрцитивной силы •••.••••• 116
7.4. Заключение ............................... 121
8. Исследование работы приставных индикаторных систем ............................... 122
8.1. Конструкция, принцип действия, область применения, технические требования ........... 122
8.2. Расчет коэрцитиметра с внутренней отрица-тельной обратной связью .................. 127
8.3. Расчет коэрцитиметра с цилиндрическим приставным электромагнитом ................... 136
8.4. Учет влияния толщины листового проката при магнитном контроле механических свойств ... 146
8.3. Заключение .............................. 151
9» Выводы ..................................... 153
Литература .................................... 156
Приложения ................................... 175
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Малоуглеродистые и низколегированные стали являются основным материалом, предназначенным для изготовления сварных конструкций» Применяются они в различных важных отраслях народного хозяйства страны - тяжелом машиностроении, судостроении, мостостроении, железнодорожном транспорте, промышленном строительстве и др* С каждым годом область применения и условия эксплуатации этих сталей, особенно низколегированных, расширяются, при этом возрастает их удельный вес в общем объеме конструкционных сталей» Объясняется это их относительно высоким уровнем механических свойств, удовлетворительной технологичностью у потребителя (формоизменяемость, обрабатываемость, свариваемость и т.п.) и сравнительно небольшой стоимостью» Неуклонно растет и выпуск готового проката: в 1970 году он составлял 80,6 млн.тонн, в 1974 - 94,3 млн.тонн, в 1975 году - 99,3 млн.тонн. За 9-ю пятилетку производство листопроката увеличилось на ЗС$; проката из низколегированных сталей - 71#♦ Значительно возросли задачи металлургической промышленности в 10 пятилетке. Объем проката к 1980 году составит 115 ♦ 120 млн.тонн. Увеличились и требования к качеству выпускаемой продукции, его эксплуатационной надежности.
Проблема повышения эксплуатационной надежности проката - комплексная проблема. Она решается усовершенствованием технологии производства, созданием новых марок сталей, повышением технического уровня эксплуатации, а также применением и совершенствованием методов контроля качества продукции*
Эксплуатационная надежность и долговечность изделий и конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей, а также техно-
- 5 -
логические характеристики определяются комплексом физических свойств, достигаемым в процессе металлургического производства. Уровень механических свойств, обеспечивающий надежную и безварийную работу из-делий и конструкций, задан соответствующими ГОСТами и техническими условиями. Эти свойства определяются испытаниями образцов на статическое растяжение, холодный загиб, измерениями ударной вязкости при различных температурах и т.п.
Однако прямые методы определения механических свойств, являясь разрушающими, не могут дать сведений о качестве всего изделия, а лишь о той его части, от которой вырезан образец. Кроме того, они связаны с значительными экономическими затратами: это затраты металла, предназначенного для изготовления образцов, а также идущего в связи с этим в обрезь и на переплавку, затраты, связанные с изготовлением и испытанием образцов, а также временем ожидания результатов испытаний и др. Объем металла, направляемого на повторный переплав, для толстолистового проката (при полистных испытаниях) может достигать Это означает, что металлургический комбинат, выпускающий толстый лист, примерно 14 * 17 дней в году вновь выпускает уже однажды выпущенный им металл и народное хозяйство страны недополучает тысячи тонн готовой продукции. В связи с этим разработка неразрушающих методов контроля механических свойств проката имеет важное экономическое значение. При этом трудно оценить ту часть экономического эффекта, которая достигается увеличением срока службы и надежности изделий и конструкций за счет возможности применения 100#-ного контроля, а также гарантии удовлетворительной структуры и механических свойств в пределах всего изделия, чего нельзя добиться разрушающими методами. Благодаря этим возможностям неразрушающие методы контроля сдособны более полно решать задачи по увеличению производительности труда и улучшению качества выпускаемой продукции, которые поставлены перед народный хозяйством страны в 10-й пятилетке, именуемой пятилеткой качества.
- 6 -
I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В качестве параметра неразрушающего контроля механических свойств стальной продукции наиболее часто используют коэрцитивную силу* Она является одной из наиболее структуро-чувствительных характеристик ферромагнитного материала* ее измерение легко осуществимо, при необходимости процесс измерений можно автоматизировать* По измерениям коэрцитивной силы в настоящее время решают ряд задач неразрушающего контроля - контроль качества закалки, отпуска, отжига и нормализации изделий из углеродистых и легиро-ванных сталей, контроль глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев на изделиях, контроль качества твердосплавных изделий и др. Измерение коэрцитивной силы в участках изделий наиболее часто осуществляют с помощью коэрцитиметров с приставными индикаторными системами [I] , либо приборов типа ИМА [2] *
Для контроля механических свойств горячекатанной стали 10 кл толщиной 1,5 мм коэрцитиметр с приставным электромагнитом впервые применен в 1945 году [3] * Была отмечена линейная зависимость между показаниями коэрцитиметра и пределом прочности , а также чувствительность прибора к структурному состоянию (содержанию структурно-свободного цементита, размеру зерна) и процентному содержанию углерода*
В последние годы коэрцитиметрический метод получил широкое распространение в металлургической промышленности. Он применяется для контроля предела прочности 6*в , предела текучести (эт и относительного удлинения & углеродистых труб общего назначения [ 4 ] , холоднодеформированных труб из сталей марок 12X1» и 12Х2МФСР [5,6] , тонколистового и мелкосортового проката из малоуглеродистых горячекатаных сталей [7,8 199-201] ,
холоднокатаных листов [2,9} .
Однако результаты перечисленных работ нельзя непосредственно распространить на толстолистовой и крупнооортовой прокат*
С увеличением поперечного размера проката понижается уровень механических свойств* Браковочный минимум, предусмотренный ГОСТами, снижен мало* В связи с этим области определения механических свойств сужаются. Кроме того увеличивается степень неоднородности химического состава, структуры и механических свойств по сечению [14, с. 312; 25, с* 42; 85, с. 101; 143] . Эта неоднород-
ность может усугубляться вариациями режима прокатки. Все это требует тщательного изучения структуры и физических свойств проката и связи механических свойств с магнитными.
Второй задачей была разработка неразрушающего метода контроля ударной вязкости &и проката, в настоящее время практически полностью отсутствующего.
В объеме механических испытаний малоуглеродистых и низколегированных сталей ударные испытания занимают значительное место. Многие ответственные категории проката и марки сталей подвергаются поштучным испытаниям, причем пробы вырезаются от верхней и нижней части листа (балки). Отсутствие неразрушающего метода контроля ударной вязкости препятствует полной отмене вырезки и испытаний образцов и достижению максимального экономического эффекта за счет экономии металла и ресурсов по изготовлению и испытанию образцов.
Однако данному вопросу не уделяли должного внимания.
Одной из главных причин этого было явление отпускной хрупкости, свойственное средне- и высокоуглеродистым сталям. В процессе отпуска некоторые элементы химического состава (например, фосфор), химические соединения и примеси выделяются на границах зерен и ослабляют межкристаллитные связи. В этом случае ударная вязкость
- 8 -
значительно падает даже при комнатной температуре [ю] . Коэр-
цитивная сила, как и другие физические характеристики, оказывается нечувствительной к этому явлению. Кроме того, ударная вязкость больше, чем какая-либо другая физическая характеристика металла, чувствительна к содержанию и характеру неметаллических включений. Сложилось мнение о неконтролируемости ударной вязкости неразрушающими методами.
Не способствовал широкому изучению возможности неразрушающего контроля ударной вязкости и тот факт, что до недавнего времени не было единого взгляда на понятия "вязкость” и "хрупкое разрушение” [II, 12] ♦ Разные авторы при определении вязких свойств сталей
использовали разные критерии оценки (работа разрушения, доля волокна в изломе, утяжка дна надреза и др.)# применяли различные по форме, размерам и типу надреза образцы [13, 14] 4 Результаты
их исследований были порой несопоставимы друг с другом. Решение задачи неразруиающего контроля осложняется самой природой ударной вязкости, как характеристики механических свойств стали.
Ударная вязкость является величиной интегральной: она одновременно зависит от прочности и пластичности. Высокая ударная вязкость предполагает повышенную прочность при наличии достаточной пластичности - сочетание свойств, обратно связанных друг с другом.
Ударная вязкость является также характеристикой статистической. Она чувствительна к качеству изготовления образца, форме надреза, распределению кристаллитов и неметаллических включений в вершине надреза, температурному режиму испытаний [15] . Некачественное изготовление образца или различие условий испытаний могут привести к значительному занижению ударной вязкости. Повышенная погрешность в ее определении (особенно при низких температурах) приводит к ухудшению корреляции с физическими характеристиками,
- 9 ~
используемыми неразрушаемыми методами контроля*
Тем не менее, для малоуглеродистых и низколегированных сталей можно ожидать успешного решения вопроса о неразрушающем контроле ударной вязкости.
Как уже упоминали, межкристаллитное охрупчивание присущее преимущественно сталям, подвергаемым термоулучшению. Что же касается неметаллических включений, то не все из них приводят к существенному снижению ударной вязкости. Мелкие, равномерно распределенные неметаллические включения не влияют на &н [1б] • Кроме того, как будет показано ниже, коэрцитивная сила может оказаться чувствительной к некоторым из них. Содержание и характер неметаллических включений в определенной мере зависят от химического состава стали и могут быть проконтролированы с его помощью.
Коэрцитивная сила чувствительна к изменению пластичности и прочности в отдельности [2-9] • Использование вспомогательных параметров контроля могло бы способствовать дифференцированию вклада в ударную вязкость прочности и пластичности.
Заключение о влиянии того или иного вида неметаллических включений, вероятности получения брака и его выявления можно дать лишь после тщательного изучения физических свойств проката из конкретной марки стали, полученного в конкретных производственных условиях. При этом необходимо статистически оценить погрешность прямого метода определения ударной вязкости и так подобрать параметры неразрушающего контроля и корреляционную модель, чтобы разброс значений ударной вязкости около линии (поверхности) регрессии с используемым параметром (параметрами), был как можно ближе к погрешности прямого метода.
В связи с этим на примере отдельных марок из числа малоуглеродистых и низколегированных сталей необходимо было установить и тщательно изучить характер корреляционной связи ударной вязкости
- 10 -
с другими структурочувствительными свойствами, применяемыми в неразрушающем контроле стальной продукции, например, коэрцитивной силой, исследовать влияние на эти свойства структуры, химического состава, характера и содержания неметаллических включений, оценить их вклад и на основе этого разработать метод неразрушающего контро**
ч. 4
ля«
И, наконец, третьей задачей диссертационной работы было исследование параметров приставных индикаторных систем коэрцитиметров.
Во-первых, при изучении связи ударной вязкости с коэрцитивной силой проката на достаточно большом статистическом материале не представлялось возможным измерение абсолютных значений коэрцитивной силы« Относительные величины коэрцитивной силы проката можно
I
-•
было измерять лишь с помощью коэрцитиметров, Поэтому следовало обосновать правомерность таких измерений.
^ Во-вторых, данные коэрцитиметры должны быть приспособлены для
неразрушающего контроля механических свойств проката« Условия измерений непосредственно на листах и балках требовали исследования и определения оптимальных параметров индикаторных систем, обеспечивающих хоровую чувствительность к изменению испытуемых свойств проката и слабую - к колебаниям толщины, наличию ферромагнитной подложки, остаточным магнитным полям после транспортировки магнитными кранами*
- II ~
2т ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ( Литературный обзор)
Малоуглеродистые и низколегированные стали в народном хозяйстве страны используются преимущественно в горячекатаином и нормализованном состоянии. Механические свойства (предел прочности
предел текучести 6ГТ, относительное удлинение 5 5, сужение V )# получаемые при испытаниях на растяжение, являются основными характеристиками, используемыми в расчетах изделий и конструкций из этих сталей на прочность, а также при определении способности проката к формоизменению в холодном состоянии. Не менее важной характеристикой малоуглеродистых и низколегированных сталей является ударная вязкость &н , отражающая степень загрязненности проката неметаллическими включениями, его способность к хрупкому разруиению и др. По измерениям ударной вязкости при пониженных температурах определяют хладостойкость проката.
Как механические, так и магнитные свойства исследуемых сталей определяются химическим составом и технологией производства, а также связанными с ними структурой, деформациями кристаллической решетки и др. Это в свою очередь приводит к взаимосвязи между механическими и магнитными свойствами проката.
2.1. Природа прочности, пластичности и вязкости.
Взаимосвязь между ними
Разработка неразрушающего метода контроля нескольких механических характеристик [ 3-9 ] , определяющих пластичность и прочность стали, по одной магнитной возможна, прежде всего, благодаря наличию взаимосвязи между самыми механическими свойствами - между
- 12
пластичностью и прочностью.
Под прочностью понимают способность материала противостоять внешним нагрузкам; пластичность характеризуется максимальной деформацией материала до разрушения.
Вязкость металла предполагает способность поглощать механическую энергию при непрерывном увеличении пластической деформации [17] .
Ударную вязкость принято делить на две составляющие
ан = а5+а.р (2.1)
где СХ^ - работа зарождения трещины, (Хр - работа развития (распространения) трещины. Первая представляет собой работу упругой и пластической деформации образца до появления трещины критического размера, вторая - работа, затраченная на распространение трещины на все сечения образца. В зависимости от структуры металла вклад этих составляющих в ударную вязкость различный.
Пластическая деформация сопровождается движением дислокаций. Под действием напряжений они могут свободно двигаться в кристаллической решетке металла. Задержка в движении дислокаций приводит к уменьшению пластичности и к необходимости увеличения внешней нагрузки, способной возобновить такое движение. При увеличении нагрузки возможны два исхода; дальнейшая пластическая деформация, либо появление микротрещины.
Если возможности источников дислокаций исчерпываются, либо сами дислокации оказываются прочно заблокированными какими-либо препятствиями, в материале может появиться очаг разрушения -микротрещина. Последняя возникает там, где число дислокаций становится достаточно большим и напряжения в скоплениях достигают значений, превышающих прочность металла. Такими местами являются любые неоднородности (границы зерен, фаз и др.).
Б вершине зародившейся микротрещины возникают сильные локальные напряжения. Если развитие трещины сопровождается пластической деформацией (движением дислокаций в устье трещины), то разрушение вязкое; если скорость распространения трещины превышает скорость пластической деформации - разрушение хрупкое.
Этап зарождения трещины зависит от результирующего касательного напряжения, действующего на незакрепленные дислокации и их источники; этап развития трещины определяется величиной растягивающего напряжения, действующего в устье трещины и приводимого к разделению металла по определенным атомным плоскостям [18, с. 30, 69 ] • При хрупком разрушении напряжение, вызывающее образование трещины, полностью определяется пределом текучести, при вязком оно еще существенно зависит от релаксационной способности кристаллической решетки металла.
Ударная вязкость и ее составляющие и 0-р зависят от температуры. Существует температура (температурный интервал), при которой металл без каких-либо структурных изменений переходит из вязкого состояния в хрупкое. Такую температуру называют критической температурой хрупкости или порогом хладноломкости Тк*
В большинстве случаев увеличение прочности сопровождается понижением пластичности (это не относится к случаю ТМО, когда имеет место одновременный рост прочности, пластичности и вязкости), что является причиной однозначной корреляционной связи между характеристиками прочности и пластичности. Отмечается также однозначная связь между другими механическими свойствами. В частности, в [16 с. 88 1 приводится уравнение связи между пределом прочности и твердостью по Бринелю 0,35 НВ кг/мм^ для сталей, у которых
кгс/мм^. В виду того, что твердость, измеренная методом вдавливания, определяется сопротивлением материала деформации, из-
- 14 -
мерение предела текучести заменяют измерениями твердости [19] . Имеются и другие работы, подтверждающие взаимосвязь механических свойств стали [20*23] , причем для практических целей определение характеристик, получаемых при испытаниях на статическое растяжение, подчас рекомендуют заменять измерениями твердости.
Для ударной вязкости данный вопрос сложнее* Факторы, способствующие повышению прочности (и снижению пластичности), как правило уменьшают и работу зарождения, и работу развития трещины [15,17] •
В то же время увеличение прочности повышает напряжение разрушения б'р ( €Гр ^ 6*в ), что ведет к увеличению * Таким образом, прочность связана с ударной вязкостью неоднозначно. Возможно и другое: некоторые факторы (например, отмечаемое ранее выделение отдельных примесей на границы зерен) могут не оказывать заметного влияния на прочность и пластичность, в то же время существенно влиять на ударную вязкость,
2,2, 0 магнитном гистерезисе
Коэрцитивная сила * это магнитное поле, способное уменьшить до нуля остаточную намагниченность предварительно намагниченного образца.
Процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов протекают путем смещения междоменных границ (процессы смещения), либо вращением вектора намагниченности насыщения доменов в направлении приложенного магнитного поля Н (процессы вращения).
Магнитный гистерезис (необратимое изменение намагниченности при намагничивании и перем&гничивании) обусловлен следующими основными причинами [2*1 :
а) необратимыми процессами вращения (при отсутствии зародышей перемагничивания);
15
б) задержкой роста зародышей перемагничивания;
в) задержкой смещения границ между доменами.
У рассматриваемого класса сталей имеет место преимущественно тре-тий механизм магнитного гистерезиса - задержка в смещении междо-менных границ»
В идеальном материале междоменная граница должна бы легко смещаться при воздействии очень малого внешнего магнитного поля. При наличии факторов, мешающих такому смещению, после отключения намагничивающего поля граница будет занимать определенные положения в кристаллической решетке материала, соответствующие минимуму его энергии. Сместить доменную границу из этих положений можно с по* мощью внешнего магнитного поля. Коэрцитивная сила определяется величиной внешнего поля обратной полярности по отношению к намагничивающему, способного сместить доменную границу из одного положения, соответствующего минимальной энергии материала, в другое через энергетический барьер максимальной амплитуды; при этом примерно половина намагниченности образца должна изменить свое направление на обратное. Теория магнитного гистерезиса отождествляет упомянутые энергетические барьеры с изменением энергии самой границы. Например, теория "включений" основывается на наличии поверхностного натяжения границы: междоменная граница удерживается на пустотах, немагнитных включениях и т.п. вследствие ее минимальной поверхности при пересечении максимального числа этих пустот или включений. Для смещения границы требуется энергия, которая идет на увеличение ее поверхности. Барьерами на пути междоменной границы могут быть уже упоминавшиеся различные немагнитные и слабомагнитные включения, источники напряжений и силовые поля, границы зерен и фаз и т.п.
Механизм их влияния на коэрцитивную силу будет рассмотрен в следующих разделах.
- 16
2.3. Влияние структурного состояния на механические свойства и коэрцитивную силу сталей
В связи с тем, что одни и те же факторы могут быть причиной задержки движения дислокаций и задержки смещения междоменных границ, попытаемся установить эти факторы.
У малоуглеродистых и низколегированных сталей в холоднокатан-ном, горячекатанном и нормализованном состояниях фазовые превращения, которые происходят в процессе производства, не приводят к существенным вариациям структуры. Все изменения здесь происходят на основе ферритной или феррито-перлитной структуры. Механические свойства сталей с феррито-перлитной структурой определяются следующими основными факторами [25] : а) упрочнением твер-
дого раствора (через растворение); б) размером зерна феррита;
в) процентным содержанием перлита и игольчатых структур (бейнита, видманштеттовой структуры) и г) дисперсионным твердением. Для холоднодеформированных изделий необходимо учитывать субструктур-нов упрочнение [26] • На ударную вязкость могут влиять полосчатость, разнозернистость, размер аустенитного зерна и неметаллические включения.
Рассмотрим взаимосвязь механических овойств и коэрцитивной силы этих сталей с точки зрения упомянутых факторов.
2,3.1. Упрочнение твердого раствора
Прочность металлов и сплавов определяется прочностью межатомных связей и структурой [27] . Прочность межатомных связей можно увеличить соответствующим легированием. При введении в реиетку металла-растворителя "чужеродных" атомов происходит изменение дислокационной структуры в самом металле-растворителе: может из-
- Київ+380960830922