РАЗДЕЛ 2
ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГНИТНЫМ КОЭРЦИТИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Снижение ресурса стальных конструкций связано главным образом с накоплением повреждений в сварных соединениях. Это повреждения механического (усталость, изнашивание, растрескивание, накопление пластических деформаций) и физико-химического (коррозия, эрозия, адсорбция) происхождения. Некоторые виды повреждений носят смешанный характер.
Для повышения достоверности оценки состояния сварной конструкции необходимо детальное изучение изменений различных зон сварных соединений конструкции применительно к реальным условиям эксплуатации в течение длительного периода.
Магнитный коэрцитиметрический метод, является наиболее распространенным методом неразрушающего контроля, благодаря высокой чувствительности к структурным изменениям, механическим свойствам и значительной точности измерений. Однако, стандартные приборы, применяемые для магнитной структуроскопии стального проката, не обладают достаточной локальностью измерений величины коэрцитивной силы сварного шва и зон термического влияния сварного соединения в условиях эксплуатации.
Поэтому необходимо на основе экспериментальных исследований разработать способ, позволяющий оценить величину коэрцитивной силы сварного шва и зоны термического влияния с использованием современных коэрцитиметров с достаточной точностью и достоверностью с применением поверенных стандартных образцов. Это предоставит новые возможности для прогнозирования остаточного ресурса сварных конструкций на основе данных мониторинга в процессе эксплуатации.
2.1. Обоснование выбора магнитного коэрцитиметрического метода и аппаратуры для определения состояния сварных соединений
Коэрцитиметрический метод контроля и испытаний нашел широкое применение при производстве стального проката для контроля структуры, фазового состава, прочностных свойств при слабой зависимости от геометрических размеров изделий.
Ранее наиболее широко использовалась зависимость между коэрцитивной силой и твердостью углеродистых и низколегированных сталей [125]. Так как твердость стали зависит от режима ее термической обработки, то практически во всех случаях корреляция между твердостью и коэрцитивной силой позволяет установить также и корреляцию между коэрцитивной силой и температурой закалки и отпуска.
Существование ферромагнитных доменов впервые было постулировано П. Вейссом [126]. Он ввел это понятие для объяснения размагниченного состояния реальных ферромагнитных образцов. Согласно гипотезе Вейсса, если образец не помещен во внешнее магнитное поле, то он разбивается на области, или домены (от лат. domain - область), намагниченные до насыщения. Домены отделены друг от друга доменными границами. Каждый домен намагничен до насыщения. В соседних доменах намагниченность направлена в разные стороны, поэтому намагниченность всего образца может быть меньше максимальной или равной нулю. В доменных границах намагниченность разворачивается от направления М в первом домене к направлению М во втором домене. Необходимо отметить, что наличие доменов с противоположными направлениями намагниченности обусловлено изотропией обменной энергии We и равенством энергий анизотропии Wa для состояний с направлением намагниченности М, параллельным одной из осей, например, оси Z, и с М, антипараллельным этой оси.
Гипотеза существования доменов в ферромагнетиках получила подтверждение в экспериментах Г. Баркгаузена. Он установил, что намагниченность при намагничивании ферромагнетика изменяется скачками и соответствует перемагничиванию отдельного домена или некоторой группы доменов.
В настоящее время для наблюдения доменных структур используются магнитооптический метод, метод электронной микроскопии, рентгенографический и нейтронографический методы. С их помощью удается получать картины магнитных доменов, как на поверхности образца, так и в объеме.
Доменная структура реальных образцов может быть весьма сложной. Она зависит от анизотропии кристалла, его размеров и формы. Многообразие видов доменной структуры и ее чувствительность к внешним воздействиям (например, к внешнему магнитному полю) в основном обусловлено тем, что она формируется благодаря магнитодипольному взаимодействию. В каждом конкретном образце ферромагнетика формируется такая доменная структура, которая соответствует минимуму суммарной энергии: обменной, анизотропии, магнитодипольной и энергии доменных стенок. При этом силовые линии магнитного поля могут как замыкаться внутри образца, так и выходить на его поверхность и создавать магнитное поле вне ферромагнетика.
Коэрцитивная сила, как параметр, характеризующий магнитное состояние ферромагнетика, определяется величиной внешнего поля обратной полярности по отношению к намагничивающему полю, способному сместить доменную границу из одного положения, соответствующего минимальной энергии материала, в другое через энергетический барьер максимальной амплитуды. При этом около половины векторов намагниченности доменов образца должно изменить свое направление на обратное.
Теория магнитного гистерезиса отождествляет упомянутые энергетические барьеры с изменением энергии самой доменной границы. Например, теория "включений" базируется на наличии поверхностного натяжения границы: междоменная граница удерживается на пустотах и немагнитных включениях (микродефекты), пересекая максимальное количество этих пустот или включений при минимальной поверхности самой доменной границы. Для смещения границы требуется энергия, которая идет на увеличение ее поверхности.
В бездефектном материале междоменная граница легко смещается 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 г