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 (J_s, А/см). Однако для реализации метода магнитно­го насыщения на практике требуется круп­ногабаритное дорогостоящее оборудование для создания магнитных полей большой напряженности (H_s > 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 J_s) 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.

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.

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.

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

По петлям магнитного гистерезиса и кри­вым X_dif(H) для всех исследуемых образцов были определены магнитные параметры: ко­эрцитивная сила - Нс, остаточная намагничен­ность - Jr, максимальная намагниченность - J_max, максимум дифференциальной магнитной восприимчивости - x_Dmax, площадь кривой X_dif(H) - Sx_dif. 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 J_max, XDmax, Sx_dif, 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.

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 J_s, и перейти к разработке малогаба­ритных портативных устройств, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль маг­нитных параметров в полях малой (по сравне­нию с H_s) 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.

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).

Так как конструкция датчика исключа­ет влияние поля постоянного магнита на ре­зультат измерений, то на преобразователь Хол­ла воздействует только поле рассеяния (Н_рас) 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:

Н_раc = 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 Н_рас 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.

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 χ_dif(H), максимум зависимости χ_dif(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"