УДК 620.179.14
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА
© 2019 г. В.Н. Костин1,2,*, Е.Ю. Сажина1,**
1 Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук,
Россия 620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
2 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия 620002
Екатеринбург, ул. Мира, 19
Поступила в редакцию 23.06.2019; после доработки 12.07.2019
Принята к публикации 15.07.2019
Экспериментально установлено, что изменение температуры образцов, широко используемых в технике сталей в
диапазоне (-10 — +40) °С, приводит к существенному изменению их магнитных свойств вещества. При повышении
температуры увеличивается площадь петли гистерезиса. Коэрцитивная сила и остаточная магнитная индукция растут
при практически неизменном значении намагниченности насыщения. Растет также значение максимальной магнитной
восприимчивости. Наибольшее изменение свойств наблюдается у близкой по составу к техническому железу стали
10880. Установленные изменения магнитных свойств следует учитывать при проведении магнитного контроля в клима-
тических (природных) условиях.
Ключевые слова: магнитные свойства вещества, температура, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность,
магнитная восприимчивость, диагностический параметр.
DOI: 10.1134/S0130308219100051
ВВЕДЕНИЕ
Для каждого измерительного устройства определяется и записывается в нормативные доку-
менты температурный диапазон применения. Однако этот температурный диапазон связан, как
правило, с температурной стабильностью элементов самого устройства. В то же время диагно-
стика деталей и конструкций из ферромагнитных металлов и сплавов может выполняться при са-
мых различных температурах контролируемых объектов (арктические, тропические, свыше 100 °C
для паропроводов тепловых и атомных электростанций). Как известно [1, 2], температура может
оказывать значительное влияние на магнитные свойства ферромагнетиков, а эти свойства, в свою
очередь, могут измеряться и анализироваться как диагностические параметры состояния ферро-
магнитных объектов. Более того, исследование температурной зависимости магнитных свойств
является основой термомагнитного анализа различных веществ [3, 4]. Таким образом, знание тем-
пературной зависимости магнитных свойств является весьма важным.
Повышение температуры от 150—200 °C вплоть до температуры Кюри приводит к монотон-
ному уменьшению намагниченности насыщения и росту магнитной восприимчивости обычных
ферромагнетиков [1, 2]. При нагреве и охлаждении может наблюдаться температурный гистерезис
[1], причинами которого могут быть перестройки доменной структуры (магнитное старение) или
перестройка кристаллической структуры гетерогенного ферромагнитного материала (структурное
старение). В работе [5] для ряда углеродистых сталей было показано, что при повышении темпера-
туры выше 150 °C заметно меняется их коэрцитивная сила, однако это изменение немонотонно и
его характер зависит от химического состава стали.
Наиболее часто диагностику эксплуатируемых изделий и объектов выполняют при темпера-
туре окружающей среды в диапазоне (-10 — + 40) °С. Однако для этого интервала практически
нет данных о влиянии температуры на измеряемые магнитные параметры диагностики. Поскольку
не только коэрцитивная сила, но и другие магнитные свойства могут использоваться в качестве
диагностических параметров, то актуальным является определение степени влияния температуры
климатического диапазона на комплекс магнитных свойств технических ферромагнитных сплавов,
что и явилось целью настоящей работы.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования влияния температуры на магнитные свойства вещества были выбраны от-
личающиеся по химическому составу стали (табл. 1), изделия из которых эксплуатируются в раз-
46
В.Н. Костин, Е.Ю. Сажина
Таблица
1
Содержание основных легирующих элементов (%) и размеры (мм) исследованных образцов
Сталь
C
Cr
Si
Mn
S
P
Размеры
10880
до
0,035
—
до 0,3
до 0,3
до 0,03
до 0,02
10,5×10,5×99,6
Ст3
0,18
—
0,24
0,46
—
—
10×10×101
65Г
0,6
0,19
0,3
1,1
0,02
0,02
5×40,4×90,2
личных климатических условиях. Cталь 10880, близкая по химическому составу к техническому
железу, применяется для изготовления различной электротехнической продукции и, в частности,
магнитопроводов реле железнодорожной автоматики. Сталь Ст3 используется для производства
нагруженных элементов сварных конструкций (балки, швеллеры) и для изготовления строитель-
ной арматуры. Сталь 65Г используется для изготовления рессор и пружин, а также является основ-
ным материалом для изготовления железнодорожных рельсов. Образцы из этих сталей перед изме-
рениями были отожжены при температуре 850 °C и отшлифованы до указанных в табл. 1 размеров.
Как более информативные для структуроскопии [6, 7] и не зависящие от формы и размеров образ-
цов в работе исследовались магнитные свойства вещества [1, 2]. Измерения кривых намагничивания
и предельных петель гистерезиса исследуемых образцов выполняли с использованием комплекса
Remagraph C-500 в замкнутой магнитной цепи [8]. Измерение потока в REMAGRAPH C-500 осу-
ществляется путем интегрирования сигнала с измерительной обмотки, охватывающей образец. Из-
мерение внутреннего поля выполняется с помощью потенциалмера [9]. Нормированная погрешность
измерения внутреннего поля не превышала 1 %, а погрешность измерения индукции — 2 %. Перед
измерением образец охлаждался или нагревался до заданной температуры и помещался в измери-
тельное устройство, имеющее комнатную температуру 25 °C. Цикл измерения кривой намагничива-
ния и предельной петли гистерезиса занимал не более 40 с. За это время существенного изменения
температуры образца и измерительного устройства не происходило. Температура образцов контро-
лировалась с помощью мультиметра M890G с выносной термопарой. Для уменьшения случайной
погрешности при каждой фиксированной температуре измерения выполнялись не менее 5 раз.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены фрагменты предельных петель магнитного гистерезиса образца из стали
10880 при температурах -10 и +40 °C. Можно увидеть, что увеличение температуры приводит
к увеличению площади петли гистерезиса. Максимальная индукция при изменении температуры
практически не изменилась и ее величина составила Bmax= 2,01 Т в поле 50 кА/м.
B, T
1
T = -10 °C
T = +40 °C
0
-1
-0,5
0,0
0,5
H, кА/м
Рис. 1. Фрагменты предельных петель магнитного гистерезиса образца из стали 10880, измеренные при температурах
-10 и +40 °C.
На рис. 2 и 3 приведены зависимости коэрцитивной силы Hc, остаточной магнитной индукции
Br и определенной на кривой намагничивания максимальной магнитной проницаемости μmax от
температуры образцов из стали 10880, стали Ст3 и стали 65Г.
Дефектоскопия
№ 10
2019
Влияние температуры климатического диапазона на магнитные свойства сталей...
47
а
б
μmax
μmax
4500
960
4200
920
3900
880
Br, Т
Br, Т
0,75
0,71
0,70
0,70
0,65
0,69
Hc, А/см
Hc, А/см
0,8
3,2
0,7
3,1
0,6
3,0
-10
0
10
20
30
40 T, °С
-10
0
10
20
30
40 T, °С
Рис. 2. Зависимости коэрцитивной силы Hc, остаточной магнитной индукции Br и максимальной магнитной
проницаемости μmax от температуры образцов из стали 10880 (а) и стали Ст3 (б).
Видно, что повышение температуры приводит к увеличению указанных магнитных свойств.
Для стали 10880 прирост коэрцитивной силы составил около 35 %, прирост остаточной магнит-
ной индукции — около 18 %, а максимальной магнитной проницаемости — более 15 %. Меньшее
изменение свойств наблюдалось для стали Ст3, для которой прирост Hc составил чуть более 6 %,
прирост Br — около 2,5 %, прирост μmax — 6,7 %.
Повышение температуры образцов из стали 65Г (см. рис. 3) вызвало увеличение максимальной
магнитной проницаемости в среднем на 8,5 %, а коэрцитивная сила и остаточная магнитная индук-
ция увеличились менее чем на 2 %.
Можно отметить, что увеличение содержания углерода в составе сталей сопровождается замет-
ным снижением чувствительности магнитных свойств к вариации температуры в исследованном
климатическом диапазоне.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Как известно, коэрцитивная
сила поликристаллических ферромагнетиков пропорциональна средней толщине междоменных
границ δ как в «теории напряжений», так и в «теории включений» Кондорского [1]. Логично пред-
положить, что повышение Hc с температурой может быть связано с повышением разупорядочиваю-
щего теплового воздействия на вектора самопроизвольной намагниченности в доменных границах
и соответствующим ростом средней величины δ.
Повышение магнитной проницаемости μmax связано с повышением удельного электрического
сопротивления материалов и соответствующим уменьшением вихревых токов, что повышает под-
вижность доменных границ и облегчает процессы намагничивания [10].
С повышением подвижности доменных границ может быть связано и повышение остаточной
магнитной индукции с ростом температуры. При высоких магнитных полях магнитострикция
железа и сталей отрицательна и в этих материалах реализуется структура «легкая плоскость» [1,
10, 11]. Но в области слабых магнитных полей магнитострикция железа и сталей положительна
[1, 11] и направление приложенного магнитного поля является осью легкого намагничивания.
Повышение с температурой подвижности доменных границ в малых полях способствует допол-
нительному ориентированию части векторов самопроизвольной намагниченности в направле-
Дефектоскопия
№ 10
2019
48
В.Н. Костин, Е.Ю. Сажина
μmax
510
495
480
465
Br, T
1,01
1,00
Hc, А/см
8,15
8,10
8,05
-10
0
10
20
30
40 T, °С
Рис. 3. Зависимости коэрцитивной силы Hc, остаточной магнитной индукции Br и максимальной магнитной
проницаемости μmax от температуры образцов из стали 65Г.
нии приложенного магнитного поля, что является наиболее вероятной причиной роста остаточ-
ной магнитной индукции.
Интересно отметить, что для сплавов железо—углерод имеет место тенденция снижения тем-
пературного коэффициента электросопротивления α по мере роста содержания углерода [12] :
αжелезо= (0,005—0,006)град-1; αсталь = (0,003—0,0057)град-1; αчугун ≈ 0,001 ∙ град-1. Следовательно,
прирост подвижности доменных границ с ростом температуры должен падать при повышении
содержания углерода в стали и должно уменьшаться изменение связанных с подвижностью гра-
ниц магнитных характеристик μmax и Br. Это предположение согласуется с экспериментальными
результатами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально установлено, что при повышении температуры отожженных образцов из
сталей 10880, Ст3 и 65Г в диапазоне (-10 — + 40) °С увеличиваются значения их коэрцитивной
силы, остаточной магнитной индукции и максимальной магнитной проницаемости при практи-
чески неизменном значении намагниченности насыщения. Наиболее значительные изменения
свойств наблюдаются у близкой к техническому железу стали 10880; прирост коэрцитивной силы
составил около 35 %, прирост остаточной магнитной индукции — около 18 %. C ростом содержа-
ния углерода в стали уменьшается влияние температуры на магнитные свойства. Установленные
зависимости должны учитываться при проведении и анализе результатов электромагнитной диа-
гностики [13] объектов в климатических (природных) условиях.
Учитывая разнообразные условия эксплуатации, необходимо продолжить изучение влияния
температуры контролируемых объектов на их электромагнитные, акустические и другие характе-
ристики, которые могут быть диагностическими параметрами, а также на контролируемые свой-
ства (твердость, предел прочности и др.). При этом исследуемый диапазон температур должен
быть расширен и простираться, по меньшей мере, от -70 °C (Арктика) до +700 °C (трубопроводы
атомных станций).
Дефектоскопия
№ 10
2019
Влияние температуры климатического диапазона на магнитные свойства сталей...
49
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме
«Диагностика»,
№ АААА-А18-118020690196-3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.—Л.: ОГИЗ—Гостехиздат, 1948. 816 с.
2. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: Изд-во МГУ, 1985. 368 с.
3. Буров Б.В., Ясонов П.Г. Введение в дифференциальный термомагнитный анализ горных пород.
Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1979. 168 с.
4. Breczko T., Ilyashenko S., Bykov D. et al. Thermomagnetic analysis and domain structure in the phase
transition region of Ni-Mn-Ga and Co-Ni-Ga shape memory alloys // Rev. Adv. Mater. Science. 2009. V. 20.
P. 101—106.
5. Кузнецов И.А., Михеев М.Н. Влияние процесса карбидообразования на магнитные свойства угле-
родистой стали. Сб. Об электромагнитных методах контроля качества изделий. Свердловск: Средне-
уральское книжное изд-во, 1965. С. 36—46.
6. Костин В.Н., Осинцев А.А., Сташков А.Н., Цаpькова Т.П. Многопаpаметpовые методы
стpуктуpоскопии стальных изделий с использованием магнитных свойств вещества // Дефектоскопия.
2004. № 3. С. 69—82.
7. Костин В.Н., Кадров А.В., Кусков А.Е. Оценка упругих и пластических деформаций феррито-пер-
литных сталей по магнитным свойствам вещества // Дефектоскопия. 2005. № 10. С. 13—22.
9. Чечерников В.И. Магнитные измерения. М.: Изд-во МГУ, 1969. 387 с.
10. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.:
Металлургия, 1980. 320 с.
11. Меськин В.С. Ферромагнитные сплавы. М.—Л.: ОНТИ, 1937. 791 с.
13. Kostin V.N., Smorodinskii Ya.G. Multipurpose software-hardware systems for active electromagnetic
testing as a trend // Russian Journal of Nondestructive testing. 2017. V. 53. No. 7. P. 493—504.
[Костин В.Н., Смородинский Я.Г. Многоцелевые аппаратно-программные системы активного электро-
магнитного контроля как тенденция // Дефектоскопия. 2017. № 7. С. 23—34.]
Дефектоскопия
№ 10
2019
