Контроль фазового состава и магнитных свойств изделий ответственного назначения из аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей

Версия для печати

Аннотация: В работе описаны результаты исследований корреляции магнитных свойств и фазового состава образцов из аустенитных сталей различных марок. Также в работе представлены приборы ИФМ УрО РАН, которые успешно применяются для неразрушающего контроля магнитных свойств и фазового состава аустенитных сталей и сплавов в различных отраслях промышленности РФ. Приборы позволяют определять качество материала как в лабораторных, так и в эксплуатационных условиях.

Ключевые слова: аустенитные стали и сплавы, феррит, мартенсит, относительная магнитная проницаемость.

***

В ИФМ УрО РАН на протяжении длитель­ного периода проводятся исследования по раз­работке методов и средств для производствен­ного контроля фазового состава и измерения магнитных свойств изделий из аустенитных сталей и сплавов [1][2][3][4][5][6][7]. Производственные и эксплуатационные характеристики таких изделий, в том числе жаропрочность, жаро­стойкость, коррозионная стойкость, пластич­ность, магнитные свойства и т. д., во многом определяются фазовым составом материала. Кроме основной фазы аустенита в стали обыч­но требуется наличие фазы феррита (2-12 %), присутствие которого обеспечивает прочност­ные и другие свойства как при низких, так и при высоких температурах. Количество фер- ритной фазы для разных марок аустенитных сталей строго регламентируется.

Кроме основной парамагнитной фазы аустенита (γ-фазы) и дополнительной фазы феррита (α-фаза) при изготовлении и эксплуа­тации изделий, при воздействии на них пластических деформаций в материале стали может появляться мартенсит деформации (α'-фаза). Ферромагнитные по своим свойствам феррит и мартенсит деформации существенным об­разом влияют на механические и прочност­ные свойства аустенитных сталей, определяют способность стали противостоять воздействию агрессивных сред, в связи с чем контроль фа­зового состава является одной из первостепен­ных задач при изготовлении и эксплуатации деталей и конструкций из аустенитных сталей.

Для данных целей широко используется метод магнитного насыщения, при котором содержание ферромагнитных включений в материале определяется по величине его намагниченности насыщения (Js, А/см). Однако для реализации метода магнитно­го насыщения на практике требуется круп­ногабаритное дорогостоящее оборудование для создания магнитных полей большой напряженности (Hs > 5000 А/см), что делает данный метод применимым скорее в лабора­торных условиях, затрудняя его использова­ние в условиях производства, где необхо­дим экспрессный неразрушающий контроль большого числа готовых изделий. В связи с этим актуальной является задача определе­ния корреляции других магнитных парамет­ров (помимо Js) с процентным содержанием ферромагнитных фаз в исследуемых сталях, т.к. на основе данных параметров в дальней­шем могут быть спроектированы и изготов­лены новые средства измерения фазового состава аустенитных сталей.

В первой части данной работы описаны результаты исследований корреляции меж­ду магнитными параметрами частных петель гистерезиса и процентным содержанием α- или α'-фазы в двухфазных (аустенитно-феррит- ных или аустенитно-мартенситных) образцах [8]. Образцы изготавливались из аустенитных и аустенитно-ферритных сталей различных марок. Из одного слитка стали вырезалось от двух до четырех образцов квадратного се­чения 8×8 мм и длиной 100 мм. Всего было получено 6 наборов аустенитно-ферритных и 1 набор аустенитно-мартенситных образцов. Марки сталей, из которых изготавливались аустенитно-ферритные образцы, приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Марки сталей аустенитно-ферритных образцов

№ набора

1

2

3

4

5

6

Марка стали

0Х17Н7ГТ

08Х20Н9С2БТЮ

12Х21Н5Т

12Х25Н5ТМФЛ

03Х22Н6М2

0Х32Н8

 

Аустенитно-мартенситные образцы были изготовлены из аустенитной стали 05Х18Н11, не содержащей ферромагнитные фазы в исход­ном состоянии (до деформации). Путем дефор­мирования прокаткой при комнатной температуре в структуре стали образовывалась мартенсит деформационная фаза. Процентное содержа­ние феррита (F %, %) и мартенсита деформации (M %, %) в образцах определялось по величине их намагниченности насыщения. Данные о про­центном содержании ферромагнитных фаз в об­разцах приведены в таблицах 2-4.

 

Таблица 2. Процентное содержание феррита в образцах из наборов № 1, 2, 3

Набор № 1

Набор № 2

Набор № 3

№ образца

F%, %

№ образца

F%, %

№ образца

F%, %

1-1

1,36

2-1

6,88

3-1

13,0

1-2

1,58

2-2

5,45

1-3

1,41

2-3

6,68

3-2

13,0

1-4

1,82

2-4

5,56

среднее F%

1,54

среднее F%

6,14

среднее F%

13,0

 

 

Таблица 3. Процентное содержание феррита в образцах из наборов № 4, 5, 6

Набор № 4

Набор № 5

Набор № 6

№ образца

F%, %

№ образца

F%, %

№ образца

F%, %

4-1

20,1

5-1

40,6

6-1

61,3

4-2

22,6

5-2

42,0

6-2

58,8

4-3

20,6

5-3

39,4

6-3

61,8

4-4

22,2

5-4

41,4

6-4

60,0

среднее F%

21,4

среднее F%

40,85

среднее F%

60,5

 

 

Таблица 4. Процентное содержание мартенсита деформации в образцах из стали 05Х18Н11

№ образца

М1

М2

М3

М4

M %, %

2,50

7,45

12,5

18

 

С помощью установки Remagraf C-500 «Magnet-Physik» для каждого из образцов были проведены измерения его намагничен­ности (J, А/см) в трех диапазонах магнит­ного поля (Н, А/см): -300...300; -450...450; -600...600 А/см. Для графического представ­ления полученных результатов в виде петель магнитного гистерезиса и дальнейшей математической обработки данных были исполь­зованы специализированные математические программные пакеты. Пример петель, по­строенных в трех диапазонах поля для аусте- нитно-ферритного образца № 4-1 (содержание феррита 20,1 %), приведен на рисунке 1.

 

Рис. 1. Пример измеренных петель гистерезиса для образца № 4-1 в полях: а) -300.300 А/см; б) -450.450 А/см; в) -600.600 А/см

 

Также были построены зависимости дифференциальной магнитной восприимчи­вости от магнитного поля - Xdif(H). Примеры полученных зависимостей Xdif(H) для образца № 4-1 в трех диапазонах поля показаны на ри­сунке 2.

 

Рис. 2. Зависимости Xdif(H) для образца № 4-1 в полях: а) -250.250 А/см; б) -400.400 А/см; в) -550.550 А/см

 

По петлям магнитного гистерезиса и кри­вым Xdif(H) для всех исследуемых образцов были определены магнитные параметры: ко­эрцитивная сила - Нс, остаточная намагничен­ность - Jr, максимальная намагниченность - Jmax, максимум дифференциальной магнитной восприимчивости - xDmax, площадь кривой Xdif(H) - Sxdif. Как показали дальнейшие ис­следования, каждый из данных параметров в большей или меньшей степени коррелиру­ет с процентным содержанием α- или α'-фазы в образце. Далее были построены зависимости параметров Нс, Jr, Jmax, XDmax, SXdif от процент­ного содержания ферромагнитных фаз в образ­цах. Наилучшую корреляцию с процентным

содержанием α- или α'-фазы показали пара­метры Jmax, XDmax, Sxdif, ЧТО ПрОиЛЛЮСТрирО­вано ниже на рисунках 3-8. Для построения зависимостей на данных рисунках исполь­зованы значения магнитных параметров, из­меренных на петлях магнитного гистерези­са и кривых магнитной восприимчивости, построенных в диапазоне магнитного поля -300...300 А/см. В диапазонах магнитных полей -450.450 и -600.600 А/см характер зависимостей не изменялся.

 

Рис. 3. Зависимости Jmax(F%) аустенитно-ферритных об­разцов, построенные по средним значениям Jmax и F%

 

 

Рис. 4. Зависимости Jmax(M %) аустенитно-мартенситных образцов

 

 

Рис. 5. Зависимости Sxdif(F%) аустенитно-ферритных об­разцов, построенные по средним значениям Sxdlf и F%

 

 

Рис. 6. Зависимости Sxdif(M7o) аустенитно-мартенсит- ных образцов

 

 

Рис. 7. Зависимости xDmax(F%) аустенитно-ферритных образцов, построенные по средним значениям Sxdlf и F%

 

 

Рис. 8. Зависимости ^^(M %) аустенитно-мартенситных образцов

 

Так как количество аустенитно-феррит- ных образцов достаточно велико, то на рисун­ках 3, 5 и 7 для более удобного представления полученных результатов при построении графи­ков используются средние значения процентно­го содержания ферритной фазы и исследуемого магнитного параметра в пределах одного набо­ра аустенитно-ферритных образцов.

Таким образом, исходя из приведенных выше зависимостей, для контроля процентного содержания ферромагнитных фазовых состав­ляющих в аустенитной стали, помимо намагни­ченности насыщения, может быть использован еще ряд магнитных параметров. Это позволит отказаться от использования крупногабаритно­го оборудования, необходимого для контроля величины Js, и перейти к разработке малогаба­ритных портативных устройств, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль маг­нитных параметров в полях малой (по сравне­нию с Hs) напряженностью.

ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФАЗО­ВОГО СОСТАВА И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ

Определение магнитной проницаемости маломагнитных аустенитных сталей. Изме­рение магнитной проницаемости парамагнит­ных материалов и близких к ним по свойствам аустенитных сталей проводят обычно на уста­новках баллистического типа или на магнит­ных весах. Для исследований изготавлива­ют образцы в виде миниатюрных таблеток или пластинок и помещают их между полюса­ми электромагнита. По силе втягивания образ­ца в межполюсное пространство с известным градиентом магнитного поля определяют маг­нитную восприимчивость или проницаемость исследуемого материала. К недостаткам мето­да следует отнести невозможность примене­ния в промышленных условиях на готовых изделиях. Из других методов контроля маг­нитной проницаемости можно отметить ме­тод прохождения изучаемого материала через дифференциальные катушки с большим ко­личеством измерительных витков (как это происходит в аэропортах). При наличии ме­таллических включений срабатывает звуковая и видеосигнализация. Недостатком этого ме­тода является то, что при таком контроле не создаются требуемые большие магнитные поля и метод является чисто качественным.

На некоторых предприятиях страны применяются приборы иностранного произ­водства, работающие на аналогичных прин­ципах с российскими ферритометрами. Это в первую очередь Feritscope MP30 и Feritscope МР30Е-S (Германия), которые имеют возмож­ность измерения относительной магнитной проницаемости индукционным методом. Из­мерительная часть датчика имеет вид полу­сферы, которая позволяет концентрировать магнитное поле до магнитных полей поряд­ка 102-103 А/см. Это существенно повышает чувствительность и точность измерений. Од­нако «точечное» намагничивание полусфе­рическим преобразователем уменьшает зону контроля. Минусом этого метода является также небольшая глубина промагничивания объекта.

В Институте физики металлов Ураль­ского отделения Академии наук на основании опыта многолетних работ [9-12] предложен и внедрен в производство прибор «Измеритель магнитной проницаемости аустенитных ста­лей - ИМПАС» (в настоящее время «Ферро­КОМПАС»), представленный на рисунке 9.

 

Рис. 9. Измеритель магнитной проницаемости аусте- нитных сталей «ФерроКОМПАС»

 

Прибор «ФерроКОМПАС» предназна­чен для измерения относительной магнитной проницаемости μ (магнитной восприимчиво­сти χ = μ - 1) изделий из аустенитных сталей локальным методом. Измерение магнитной проницаемости производится по величине маг­нитного поля рассеяния намагниченного мате­риала и осуществляется накладным преобразователем Холла, который закреплен в центре локального постоянного магнита (рис. 10).

 

Рис. 10. Принципиальная схема работы датчика приборов серии «ИМПАС» («ФерроКОМПАС»): 1 - постоянный магнит; 2 - датчик Холла; 3 - объект контроля (ОК); 4 - область внутри ОК намагничивае­мая с помощью постоянного магнита

 

Так как конструкция датчика исключа­ет влияние поля постоянного магнита на ре­зультат измерений, то на преобразователь Хол­ла воздействует только поле рассеяния (Нрас) от намагниченного участка. Поле рассеяния от намагниченного контролируемого участка однозначно связано с величиной магнитной проницаемости μ (или восприимчивости χ = μ - 1) через выражение:

Формула (1) справедлива и для слабомаг­нитных материалов, когда μ < 1,05 и (μ - 1)/ (μ + 1) ~ χ / 2. Тогда (1) принимает вид:

Нраc = const · χ.                                                      (2)

Видно, что изменения восприимчиво­сти со значения χ = 0,001 до χ = 0,002 (то есть всего на одну тысячную) повышает величину поля рассеяния Нрас сразу в два раза, что делает предложенный авторами метод чувствитель­ным к малым значениям магнитной воспри­имчивости (проницаемости).

Разработанный в ИФМ УрО РАН при­бор «ФерроКОМПАС» (серии ИМПАС), ис­пользующий феррозонды или датчики Холла в качестве магниточувствительных преобразо­вателей, позволяет проводить локальный не­разрушающий контроль величины магнитной проницаемости в диапазоне 1,001 < μ < 1,200, определяя таким образом наличие ферромаг­нитных включений в парамагнитном матери­але при их содержании на уровне 0,01-1 %. Данная модификация прибора, помимо циф­рового индикатора, имеет встроенный АЦП, позволяющий передавать результаты измере­ний на персональный компьютер для их даль­нейшего сохранения и обработки.

Определение фазового состава аустенитных и аустенитно-ферритных сталей. Помимо приборов контроля магнитной про­ницаемости маломагнитных хромоникеле­вых сталей с содержанием ферромагнитных фаз менее 1 %, в ИФМ УрО РАН разработа­ны и успешно внедрены приборы контро­ля фазового состава аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей. На рисун­ке 11 представлен прибор «Ферритометр ФХ-3 ИФМ», предназначенный для контроля про­центного содержания феррита в аустенитных сталях в диапазоне 0,1-20 и 20-80 % (обзор­ный диапазон). На рисунке 12 изображен при­бор ИМДС-1 (Измеритель мартенсита дефор­мации сталей), который помимо содержания ферритной фазы может измерять процентное содержание мартенсита деформации в хромо­никелевых сталях и сплавах.

 

Рис. 11. Прибор «Ферритометр ФХ-3 ИФМ»

 

 

Рис. 12. «Прибор ИМДС-1»

 

По аналогии с прибором «Ферро­КОМПАС» первичные преобразователи дан­ных приборов имеют в своем составе по­стоянный магнит и магниточувствительные элементы, с помощью которых осуществляет­ся регистрация и измерение полей рассеяния от намагниченного участка объекта контроля. Первичный преобразователь представляет со­бой датчик накладного типа, позволяющий проводить измерения как на образцах, так и на поверхности готовых изделий в лабора­торных, цеховых и полевых условиях без вы­вода изделий и объектов из эксплуатации.

Представленные в работе приборы вне­дрены более чем на 20 крупных предприятиях России в нефтегазовой отрасли, в судострое­нии, в химическом машиностроении, а также на предприятиях, имеющих отношение к аэро­космической индустрии: в «ФГУП ЦНИИ им. академика А.А. Бочвара» и АО «УПП «Вектор».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  1. На основании исследований магнит­ных свойств аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей установлены кор­реляционные связи фазового состава и ряда магнитных параметров, таких как: коэрцитив­ная сила, остаточная намагниченность, макси­мальная намагниченность, площадь под зави­симостью χdif(H), максимум зависимости χdif(H). Показано, что все исследуемые параметры кор­релируют с фазовым составом и могут быть использованы для контроля содержания фазы феррита или фазы мартенсита деформации в двухфазных хромоникелевых сталях при пере- магничивании по частным циклам.
  2. В работе представлен прибор «Ферро­КОМПАС» предназначенный для неразрушаю­щего контроля относительной магнитной про­ницаемости материалов деталей и механизмов на уровне μ ≤ 1,01, что очень важно для изде­лий с высокими требованиями к стабильности «маломагнитного» состояния.
  3. Представлены приборы «ФХ-3 ИФМ» и «ИМДС-1», с помощью которых может быть осуществлен экспрессный неразрушающий контроль фазового состава хромоникелевых сталей, имеющих в своем составе, помимо основной фазы аустенита, феррит и мартенсит деформации.

 

Авторы: Ригмант М.Б., Корх М.К. 

 

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"

 


 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 26364-90.Ферритометры для сталей аустенитного класса. Общие технические условия. М.: Издательство стандартов, 1991. 8 с.

2. ГОСТ 8.518-84. Государственная система единства измерений. Ферритометры для сталей аустенитного класса. Методика поверки. М.: Издательство стандартов, 1985. 11 c.

3. ГОСТ 22838-77. Сплавы жаропрочные. Методы контроля и оценки макроструктуры. М.: Издательство стандартов, 1979. 27 c.

4. ГОСТ 11878-66. Сталь аустенитная. Методы измерения содержания ферритной фазы в прутках. М.: ФГУП «СТАНДАРТИН-ФОРМ», 2011. 6 с.

5. ANSI/AWS A4.2M:2006 (ISO 8249:2000 MOD) an American National Standart. Standard Procedures for Calibrating Magnetic Instruments to Measure the Delta Ferrite Content of Austenitic and Duplex Ferritic-Austenitic Stainless Steel Weld Metal. American Welding Society, 2006. 47 p.

6. Merinov P., Entin S., Beketov B., et al. The magnetic testing of the ferrite content of austenitic stainless steel weld metal // NDT International. 1978. Vol. 11. No. 1. P. 9-14.

7. Меринов П. Е., Мазепа А. Г. Определение мартенсита деформации в сталях аустенитного класса магнитным методом // Заводская лаборатория. 1997. № 3. C. 47-49.

8. Корх М. К., Ригмант М. Б., Сажина Е. Ю. и др. Измерение содержания ферромагнитной фазы по магнитным свойствам в двухфазных хромоникелевых сталях // Дефектоскопия. 2019. № 11. С. 32-44.

9. Ригмант М. Б., Ничипурук А. П., Худяков Б. А. и др. Приборы для магнитного фазового анализа изделий из аустенитных коррозионно-стойких сталей // Дефектоскопия. 2005. № 11. С. 3-14.

10. Международная инженерная энциклопедия. Неразрушающие методы контроля. Спецификатор различий в национальных стандартах различных стран. Т. 3 / Под ред. проф. В. Я. Кершенбаума. М.: Центр «Наука и техника». 1995. С. 68-128.

11. Ригмант М. Б., Ничипурук А. П., Корх М. К. Возможность раздельного измерения количества феррита и мартенсита деформации в трехфазных сталях аустенитного класса магнитным методом // Дефектоскопия. 2012. № 9. С. 19-23.

12. Корх М. К., Ригмант М. Б., Давыдов Д. И. и др. Определение фазового состава трехфазных хромоникелевых сталей по магнитным свойствам // Дефектоскопия. 2015. № 12. С. 20-31.

 

При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема «Диагностика», № АААА-А18-118020690196-3)
14.12.2020
  • Эксклюзив
  • Проблематика
  • Россия
  • XXI век