Monitoring of relative magnetic permeability variation during cyclic bending testing of austenitic steel grade 10Kh18n10t samples

A. V. Kochnev; Кочнев А. В.; M. B. Rigmant; Ригмант М. Б.; M. K. Korkh; Корх М. К.; N. V. Gordeev; Гордеев Н. В.; A. M. Matosyan; Матосян А. М.

doi:10.31857/S0130308224090054

Monitoring of relative magnetic permeability variation during cyclic bending testing of austenitic steel grade 10Kh18n10t samples

作者: Kochnev A.V.¹, Rigmant M.B.¹, Korkh M.K.¹, Gordeev N.V.¹, Matosyan A.M.¹
隶属关系:
1. M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of UB RAS
期: 编号 9 (2024)
页面: 52-56
栏目: По материалам XXXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)»
URL: https://journal-vniispk.ru/0130-3082/article/view/265150
DOI: https://doi.org/10.31857/S0130308224090054
ID: 265150

如何引用文章

全文:

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

Cyclic bending testing of austenitic chromium-nickel steel grade 10Kh18N10T samples was carried out. Evalution of relative magnetic permeability showed its noticeable increase when the samples became fractured. This increase is related to deformation martensite appearance. Additional experiment showed, that deformation martensite formation starts before the actual destruction of the sample.

关键词

relative magnetic permeability, austenitic steel, deformation martensite, magnetic phase analysis, cyclic bending testing

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Аустенитные стали являются классом материалов, которые широко используются для конструкций ответственного назначения, обладающих повышенной коррозионной стойкостью, жаропрочностью и пластичностью. Аустенит метастабилен, поэтому в ходе эксплуатации в результате воздействия различного рода нагрузок фазовый состав данных сталей может меняться вследствие фазового перехода аустенит — мартенсит деформации. Образование мартенсита влечет за собой снижение пластичности и коррозионной стойкости [1] стали, что в дальнейшем может служить причиной ее разрушения. В связи с этим интересно рассмотреть, как циклические нагрузки влияют на образование мартенсита деформации и свойства аустенитной стали, а также оценить возможность обнаружения по магнитным свойствам зон предразрушения материала, в которых происходит накопление мартенсита деформации.

Исследования нержавеющих сталей на усталостную прочность достаточно хорошо представлены в литературе, где описаны как теоретические выкладки [2], так и различные варианты циклических деформаций: от переменных одноосных нагрузок растяжения сжатия [3], изгиба [4] до испытаний на фреттинг-усталость [5]. Однако авторам этих работ обычно интересны только механические свойства металла, в то время как вопросы фазовых превращений в них не затрагиваются. Тем не менее, в работах [6, 7] рассматривалось приложение ультразвуковых и вихретоковых методов для слежения за содержанием мартенсита, однако там не была рассмотрена возможность применения магнитных методов контроля фазового состава.

Так как при изгибе в сталях такого класса может образовываться очень малое количество мартенсита деформации (менее 1 %), информативным параметром при контроле является относительная магнитная проницаемость (µ), которая чувствительна даже к малым изменениям магнитных свойств [8].

Таким образом, целью данной работы было исследование изменения µ образцов из аустенитной хромоникелевой стали во время и после циклических испытаний на изгиб.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе были исследованы образцы из аустенитной хромоникелевой стали. Химический состав стали приведен в табл. 1. Размеры образцов: 2×8×100 мм.

Таблица 1. Химический состав аустенитной хромоникелевой стали

C	Si	P	S	Cr	Ni	Mn	Ti	Fe
0,094	0,59	0,020	0,013	17,19	9,83	1,21	0,58	ост.

Образцы были вырезаны на электроэрозионном станке, так как данная технология резки не допускает фазовых переходов аустенит — мартенсит в металле.

Исследования проводились на специальной лабораторной установке для циклических испытаний на изгиб. Образец закрепляется по консольной схеме, где один его конец жестко зафиксирован, а к свободному концу прикладывается усилие, приводящее к изгибу образца. Рабочая длина (длина колеблющегося участка) — 79 мм. Прилагаемая нагрузка варьировалась путем изменения амплитуды отклонения образца от нейтрального положения (значения приведены в табл. 2).

Таблица 2. Режимы циклирования образцов

Образец, №	1	2	3	4	5	6	7	8
Амплитуда колебаний, мм	5,37	5,7	5,7	6,0	6,0	6,0	7,0	8,3

Для измерения µ вблизи от места крепления (на расстояние 65—69 мм от свободного конца) образца устанавливался первичный преобразователь лабораторного прибора «ФерроКОМПАС», являющегося собственной разработкой авторов статьи. Сигнал с датчика поступал на прибор и далее через АЦП L-Card E14-140 на ПК, где записывался лог-файл программой Powergraph. Начальная величина µ образцов составила 1,003. Образцы № 2 и 8 после изготовления подвергались ручной шлифовке, в результате чего их µ выросла до значений 1,012 и 1,006 соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для образцов 1—6 были сняты зависимости изменения µ от количества циклов непосредственно в процессе испытаний, примеры которых представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость относительной магнитной проницаемости от количества циклов: образец № 6 (а); образец № 3 (б).

Как видно из рисунка, в конце испытания происходит резкое возрастание параметра µ, связанное с образованием мартенсита деформации.

Согласно эпюре напряжений, при консольном закреплении максимальные напряжения объект испытывает в месте зажима, вследствие чего разрушение образца происходит именно в данной области. Кроме того, в месте излома образуется наибольшее количество мартенсита, что приводит к росту µ. На рис. 2 показано распределение величины µ по длине образца от свободного конца до места излома.

Рис. 2. Изменение относительной магнитной проницаемости по длине образца после испытаний на изгиб; l — расстояние от свободного конца образца.

Как видно из графика, µ образцов не меняется практически по всей их длине. Значительные изменения μ наблюдаются по мере приближения к месту разрушения, где произошел фазовый переход аустенит — мартенсит деформации. С уменьшением нагрузки (амплитуды изгиба) величина µ падает, так как в месте излома образуется меньшее количество мартенсита деформации.

На результат испытаний также в значительной степени влияет подготовка поверхности образцов. После разрушения в зоне излома µ образцов № 2 и 8, подвергавшихся предварительной шлифовке, значительно превысила μ нешлифованных образцов и составила 1,101 и 1,106 соответственно.

Во время циклирования невозможно измерение µ непосредственно в зоне, испытывающей максимальные нагрузки, т.к. она располагается в месте крепления образца в держателе установки. Поэтому был сделан отдельный эксперимент для наблюдения за образованием мартенсита деформации непосредственно в месте будущего разрушения. Для этого образец в процессе циклирования периодически вынимался из установки, после чего проводилось измерение µ в области максимальной нагрузки, амплитуда изгиба составляла 6 мм. После измерения µ образец помещался обратно в установку для продолжения испытаний. Зависимость величины µ от количества циклов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Изменение относительной магнитной проницаемости в месте закрепления образца в процессе циклирования.

После десяти тысяч циклов в месте крепления начинается рост µ, т.е. можно говорить о начале образования мартенсита деформации. После двадцати тысяч циклов рост становится более резким и заканчивается разрушением образца.

ВЫВОДЫ

Проведены исследования по мониторингу изменения относительной магнитной проницаемости (μ) образцов из аустенитной хромоникелевой стали при циклических испытаниях на изгиб. Показано, что при разрушении образца наблюдается резкое увеличение µ в месте излома, связанное с образованием мартенсита деформации.

Исследования также показали, что образование мартенсита деформации в зоне, испытывающей максимальные напряжения, начинается задолго до разрушения образца. Использование µ в качестве информативного параметра позволяет определить такие зоны и выявить таким образом места, в которых произойдет разрушение материала.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема «Диагностика», № 122021000030-1).