Электромагнитные методы
УДК 620.179.14:620.179.16
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЯЧЕКАТАНОЙ СТАЛИ 08Г2Б ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ
НАГРУЖЕНИИ
© 2019 г. Э.С. Горкунов1, А.М. Поволоцкая1*, С.М. Задворкин1, Е.А. Путилова1,
А.Н. Мушников1, Е.Г. Базулин2, А.Х. Вопилкин2
1ИМАШ УрО РАН, Россия 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34
2ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+», Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8, Технопарк
«Строгино»
E-mail: *us@imach.uran.ru
Поступила в редакцию 11.07.2019; после доработки 24.07.2019
Принята к публикации 02.08.2019
Приведены результаты изучения влияния циклического нагружения по схеме отнулевого растяжения с амплитудой,
примерно соответствующей условному пределу текучести, на магнитные и акустические параметры горячекатаной труб-
ной стали 08Г2Б, в том числе продольную и поперечную магнитострикции. Определены параметры, однозначно изме-
няющиеся с увеличением количества циклов нагружения, что дает принципиальную возможность их использования для
разработки неразрушающих методов контроля усталостной деградации материала конструкций из исследованной стали.
Ключевые слова: циклическое нагружение, растяжение, магнитострикция, коэрцитивная сила.
DOI: 10.1134/S0130308219110034
ВВЕДЕНИЕ
Усталость материала является одной из основных причин разрушения деталей машин и эле-
ментов конструкций [1—5], поэтому оценка уровня усталостной деградации металла представ-
ляется актуальной задачей, которая до сих пор не решена, несмотря на многочисленные исследо-
вания, посвященные этой проблеме (например, [6—8]). В то же время неразрушающие методы
контроля, в частности магнитный и акустический, показали свою эффективность при диагности-
ке напряженно-деформированного состояния и поврежденности различных стальных изделий и
оценки их остаточного ресурса после термической обработки и в условиях статического дефор-
мирования по различным схемам [9—16]. Представляет интерес изучить возможности магнит-
ной структуроскопии и акустических методов применительно к оценке усталостной деградации
конструкционных сталей.
Задача настоящей работы — исследование влияния отнулевого циклического растяжения с ам-
плитудой, примерно соответствующей условному пределу текучести горячекатаной трубной ста-
ли 08Г2Б, на закономерности изменения ряда ее магнитных характеристик, в том числе магнито-
стрикции в продольном и поперечном направлениях, и акустических параметров с целью изучения
возможностей магнитных и акустических методов для оценки состояния металла конструкций,
работающих в условиях циклических нагрузок.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объекта исследования была выбрана горячекатаная трубная сталь 08Г2Б, химиче-
ский состав которой представлен в табл. 1.
Таблица
1
Химический состав исследованной стали
С
Si
Mn
P
S
Сr
Ni
Mo
Nb
V
Ti
0,081
0,278
1,669
0,015
0,009
0,140
0,193
0,041
0,071
0,022
0.014
Для исследований из прямошовной трубы ∅1420×15,7 мм были вырезаны вдоль направления
прокатки плоские образцы с головками. Рабочая часть образцов сечением 6×34,6 мм имела длину
22
Э.С. Горкунов, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин и др.
100 мм. После изготовления образцы отжигали в вакууме при температуре 700 °С в течение 3 ч для
снятия внутренних напряжений.
Для аттестации исходного состояния материала исследованных образцов, в частности, на пред-
мет отсутствия кристаллографической текстуры, наличие которой может существенно сказаться
на результатах усталостных испытаний, был проведен комплекс металлографических и рентгено-
структурных исследований. Металлографические исследования проводили при помощи оптиче-
ского микроскопа Neophot, а также сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA II XMU
с системой рентгеновского волнодисперсионного микроанализа INCA WAVE 700, энергодисперси-
онного микроанализа INCA ENERGY 450 с ADD детектором OXFORD.
Структура исследованной стали представляет собой феррито-перлитную смесь с практиче-
ски равноосными зернами размером 5—35 мкм в плоскости поперек длинной оси образца и
3—25 мкм — вдоль длинной оси образца. Наличие градиента цвета в образцах исследованной
стали в обоих направлениях на EBSD-картах разориентировок (рис. 1) указывает на отсутствие
преимущественной кристаллографической ориентировки зерен в материале.
а
б
25 мкм
25 мкм
Рис. 1. EBSD-карты разориентировок в плоскости поперек (а) и вдоль (б) длинной оси образца.
Проведенные на дифрактометре SHIMADZU XRD-7000 рентгеноструктурные исследования
показали, что остаточные напряжения в образцах составляют в среднем -45 МПа вдоль оси образ-
ца (то есть вдоль направления прокатки металла) и -56 МПа — в поперечном направлении.
Механические характеристики образцов при статическом растяжении (временное сопротивле-
ние разрыву σв, условный предел текучести σ0,2 и относительное остаточное удлинение образцов
δ после разрыва) на универсальной испытательной машине Tinius Olsen Super L60 определяли по
ГОСТ 1497—84. Диаграмма нагружения исследованной стали представлена на рис. 2. Механиче-
ские характеристики стали 08Г2Б: условный предел текучести — 280 МПа, временное сопротив-
ление — 535 МПа, относительное удлинение при разрыве — 30 %.
500
400
300
200
100
0 0
10
20
30
ε, %
Рис. 2. Диаграмма нагружения стали 08Г2Б.
Дефектоскопия
№ 11
2019
Особенности поведения магнитных и акустических характеристик...
23
Далее образцы подвергали циклическим испытаниям по схеме отнулевого растяжения с ам-
плитудой 300 МПа, что немного выше значения условного предела текучести σ0,2 с частотой 3 Гц.
Испытания проводили на сервогидравлической установке Instron 8801. Количество циклов n ва-
рьировали, в результате были получены образцы после 0, 30, 50, 100 и 300 тыс. циклов.
Измерения магнитных характеристик в замкнутой магнитной цепи осуществляли вдоль оси
нагружения образцов с помощью гистерезисграфа Remagraph C-500. Напряженность внутреннего
магнитного поля H достигала 600 А/см. Величину H измеряли с помощью магнитного потен-
циалметра. Из петель магнитного гистерезиса определяли коэрцитивную силу Нс и остаточную
магнитную индукцию Br, по основной кривой намагничивания — максимальную магнитную про-
ницаемость μмакс. Указанные магнитные характеристики также измеряли в средних полях при мак-
симальной индукции в образце при bмакс = 0,4 Тл и слабых полях при bмакс = 0,05 Тл. Проведение
измерений в средних и слабых полях обусловлено тем, что магнитные характеристики частного
цикла перемагничивания могут иметь другие корреляционные связи со структурным и напряжен-
но-деформированным состоянием [17], и в таких случаях требуется определить намагничиваю-
щие поля, при которых происходит это изменение. Погрешность измерения поля и индукции в
максимальном приложенном поле и средних полях не превышала 3 %, в слабых (область Релея) —
не более 8. Кроме того, определяли магнитную проницаемость в слабых магнитных полях (до
2,5 А/см) в двух различных магнитных состояниях: размагниченном (начальная проницаемость
μнач) и остаточно намагниченном после намагничивания до технического насыщения (обратимая
проницаемость μобр).
При измерениях в полузамкнутой магнитной цепи использовали в качестве первичного пре-
образователя П-образный приставной электромагнит с сечением полюсов 18×9 мм и расстоя-
нием между ними 16 мм. Сигнал с измерительной катушки, расположенной на перемычке ярма
электромагнита, поступал на канал измерения магнитного потока гистерезисграфа, а на канал
напряженности магнитного поля — сигнал, пропорциональный величине намагничивающего
тока в катушке преобразователя. Запись петли магнитного гистерезиса осуществляли при макси-
мальном намагничивающем токе, равном 2,5 А, что обеспечивало получение петель магнитного
гистерезиса, близких к предельным. Из петель определяли величину коэрцитивной силы Нсэ.
Измерения с помощью приставного магнитного устройства проводили как вдоль, так и поперек
оси нагружения. Необходимость проведения измерений в двух взаимно перпендикулярных на-
правлениях связана с возможным возникновением анизотропии напряжений после циклического
нагружения образцов.
С помощью цифрового анализатора шумов Баркгаузена Rollscan 300 измеряли также средне-
квадратичные значения напряжения U магнитных шумов Баркгаузена и число скачков Баркгаузена
N за 10 циклов перемагничивания. В этом случае первичным преобразователем служил накладной
датчик с сечением полюсов 3,5×8,0 мм и расстоянием между ними 3 мм. Амплитуду напряжения
и частоту тока перемагничивания подбирали экспериментально для достижения наибольшей чув-
ствительности — 5 В и 95 Гц соответственно. Измерение параметров шумов Баркгаузена осущест-
вляли, размещая датчик в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль и поперек направ-
ления приложенной нагрузки. На каждом этапе нагружения проводили серию из пяти измерений,
после чего полученные результаты усредняли. Максимальное отклонение измеренных величин от
средних значений не превышало 5 %.
Измерение продольной λ║ и поперечной λ магнитострикций образцов осуществляли с по-
┴
мощью разработанной в ИМАШ УрО РАН многоканальной прецизионной системы сбора данных
(ССД) [18], реализующей аналого-цифровое преобразование интегрирующего типа с нелиней-
ной шкалой и позволяющей измерять малые электрические величины с малыми погрешностями.
Для преобразования магнитострикции в электрические сигналы применена стандартная мосто-
вая схема Уинстона, выполненная на тензорезисторах типа КФ5П1-10-400-А-12. Измеритель-
ные тензорезисторы были наклеены посередине рабочей части образца, а термокомпенсацион-
ные — на медную пластину, которую располагали вблизи исследуемого образца. Питание моста
осуществляли постоянным стабилизированным током. Электрическая величина в виде разности
потенциалов с дифференциального выхода моста поступала в один из каналов ССД, имеющим
недифференциальный вход, через согласующий усилитель. Все эти решения позволили получить
разрешающую способность измерительной системы порядка десятых долей миллиОма. При из-
мерениях исследуемый образец перемагничивали в пермеаметре, при этом внутреннее магнит-
ное поле, напряженность которого измеряли с помощью C-образного потенциалметра, достигало
500 А/см. В результате измерений осуществляли запись полевых зависимостей продольной и
поперечной магнитострикций.
Дефектоскопия
№ 11
2019
24
Э.С. Горкунов, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин и др.
Скорости продольной и поперечной упругих волн определяли по методике, описанной в [19,
20], с помощью дефектоскопа «АВГУР АРТ», разработанного в ООО «НПЦ «ЭХО+», с исполь-
зованием антенной решетки в виде линейки из 32 пьезоэлементов размерами 0,9×10 мм, кото-
рые были установлены с зазорами между соседними пьезоэлементами 0,1 мм на рексолитовую
призму (угол наклона призмы 0°). Каждый из элементов линейки поочередно служил излучате-
лем зондирующего импульса и приемником эхосигнала, отраженного от противоположной сто-
роны образца. Скорости звука определяли при ориентации антенной решетки вдоль направления
приложения циклической нагрузки и поперек него. Погрешности определения скоростей звука
не превышали 0,25 % [20].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 представлены магнитные характеристики (коэрцитивная сила, остаточная индукция
и максимальная магнитная проницаемость) образцов после испытаний на отнулевое циклическое
растяжение, измеренные в замкнутой магнитной цепи как на предельном, так и на частных циклах
магнитного гистерезиса, приведенные к соответствующим исходным значениям магнитных пара-
метров в ненагруженном состоянии, в зависимости от количества циклов n. Зависимости магнит-
ных характеристик частных циклов от количества циклов n имеют качественное согласие с зави-
симостями, полученными на предельных циклах перемагничивания. На начальной стадии цикли-
ческого нагружения с ростом количества циклов наблюдается интенсивное изменение магнитных
2,0
а
а
160
1
1,5
1,0
120
3
0,5
2
80
2,0
б
80
б
1
1,5
70
1,0
2
3
0,5
60
1,0
2,0
1
в
в
0,8
1,5
0,6
2
1,0
3
0,4
0,5
0
100
200
300
0
100
200
300
Количество циклов n, тыс.
Количество циклов n, тыс.
Рис. 3. Относительные изменения магнитных параметров
Рис. 4. Зависимости от n значений начальной магнитной
(коэрцитивной силы (кривые 1), остаточной индукции
проницаемости μнач (а), обратимой проницаемости в оста-
(кривые 2) и максимальной магнитной проницаемости
точно намагниченном состоянии μобр (б) и отношения
(кривые 3)), измеренных в условиях замкнутой магнитной
μобр/μнач (в).
цепи, в зависимости от количества циклов n:
а — измерения на предельном цикле; б — в средних полях;
в — в слабых.
Дефектоскопия
№ 11
2019
Особенности поведения магнитных и акустических характеристик...
25
характеристик. Так, значения остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости на
предельных циклах магнитного гистерезиса уменьшаются более чем на 29 %, а коэрцитивная сила
увеличивается на 34 %. В дальнейшем с ростом количества циклов магнитные характеристики из-
меняются менее заметно, в пределах 10 %.
На рис. 4 представлены зависимости от количества циклов n значений начальной магнитной
проницаемости μнач, обратимой проницаемости в остаточно намагниченном состоянии после на-
магничивания до технического насыщения μобр, а также отношения μобр/μнач для нагруженных на
разное количество циклов образцов. Отношение величин обратимой проницаемости, измеренной
в остаточно намагниченном состоянии, к величине начальной проницаемости монотонно увели-
чивается с ростом количества циклов во всем диапазоне их изменения. В связи с принципиально
разным характером изменения величин μобр и μнач от n отношение проницаемостей демонстрирует
большую чувствительность к изменению количества циклов по сравнению со всеми ранее рассмо-
тренными параметрами. Величина μобр/μнач для образца после 300 тыс. циклов нагружения превы-
шает аналогичную для образца в ненагруженном состоянии более чем в 2,4 раза.
а
2,8
1
2,6
2,4
2,2
2
б
32 000
1
30 000
2
28 000
в
600
2
400
1
0
100
200
300
Количество циклов n, тыс.
Рис. 5. Зависимости от количества циклов n значений коэрцитивной силы Нсэ (а), числа скачков Баркгаузена N (б) и средне-
квадратичных значений напряжения U (в), измеренных с помощью приставных магнитных устройств.
Кривые 1 — приставные датчики расположены вдоль оси нагружения, 2 — поперек.
Результаты измерений, проведенных с использованием накладных преобразователей, представ-
лены на рис. 5. Как известно, направлениями экстремальных (наибольших и наименьших) значе-
ний коэрцитивной силы при одноосном нагружении являются 0 и 90º к оси приложения нагрузки.
На рис. 5 показаны зависимости от количества циклов n значений коэрцитивной силы Hcэ, числа
скачков Баркгаузена N, а также среднеквадратичных значений напряжения U магнитных шумов
Баркгаузена, измеренных при расположении преобразователей на исследуемых образцах соответ-
ственно вдоль и поперек направления приложения нагрузки.
Дефектоскопия
№ 11
2019
26
Э.С. Горкунов, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин и др.
В случае измерений вдоль направления растяжения зависимость значений Hcэ(n) (рис. 5а, в,
кривая 1) качественно подобна зависимостям коэрцитивной силы от n на рис. 3: так же, как и в
замкнутой магнитной цепи на предельных и частных циклах перемагничивания, с увеличением
количества циклов испытаний значения Hcэ возрастают. В отличие от этого коэрцитивная сила,
измеренная с помощью накладного преобразователя в направлении, перпендикулярном оси нагру-
жения, изменяется неоднозначно, с образованием минимума (рис. 5а, кривая 2).
Увеличение значений продольной коэрцитивной силы после циклического нагружения по срав-
нению с ненагруженным состоянием можно объяснить следующим образом: в процессе разгрузки
после испытаний на отнулевое циклическое растяжение в существенной части зерен вдоль направ-
ления растяжения возникают значительные остаточные сжимающие напряжения [21—26], при этом
создаются предпосылки для формирования магнитной текстуры типа «плоскость легкого намагни-
чивания», при которой векторам спонтанной намагниченности энергетически выгоднее выстроить-
ся в плоскости, перпендикулярной оси растяжения и, соответственно, намагничивающему и пере-
магничивающему полю, вследствие этого процессы перемагничивания затрудняются, что и приво-
дит к росту значений коэрцитивной силы и, соответственно, уменьшению значений остаточной ин-
дукции и максимальной магнитной проницаемости. При этом в перпендикулярном оси растяжения
направлении играют роль остаточные напряжения растяжения, что и обуславливает неоднозначный
характер изменения коэрцитивной силы при ее измерении в поперечном нагружению направлении
(см. рис. 5а, кривая 2), поскольку в этом случае схема измерений соответствует измерениям магнит-
ных характеристик в продольном направлении под действием растягивающей нагрузки.
Среднеквадратичные значения напряжений шумов Баркгаузена U имеют противоположный
характер изменения в зависимости от параметра n по сравнению с Hcэ(n). При измерениях вдоль
направления растяжения (см. рис. 5в, кривая 1) они монотонно снижаются с ростом количества ци-
клов испытаний (приращение составляет 80 % по отношению к исходному значению без нагрузки).
При расположении датчика в перпендикулярном оси нагружения направлении измеренные значе-
ния U с увеличением количества циклов изменяются неоднозначно, с образованием максимума
(см. рис. 5в, кривая 2). Число скачков Баркгаузена с ростом количества циклов как в продольном,
так и поперечном направлениях изменяется несущественно (см. рис. 5б).
Расхождение точек, полученных в двух направлениях для образца в исходном состоянии
(см. рис. 5, кривые 1 и 2), можно объяснить, в частности, условиями измерений: при расположении
датчика перпендикулярно направлению нагрузки, в отличие от продольных измерений, края полю-
сов датчика находились в непосредственной близости от краев образца.
На рис. 6 приведены полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости
µдиф(H) для образцов, испытанных на отнулевое циклическое растяжение с различным количе-
ством циклов n. Для образца в недеформированном состоянии на полевой зависимости диффе-
ренциальной магнитной проницаемости наблюдается один пик, в то время как на циклически
нагруженных образцах можно наблюдать наличие двух максимумов. Первый пик наблюдается
в отрицательных полях, второй — в положительных, то есть в области полей от насыщения до
остаточной индукции. На рис. 6 показаны только те участки µдиф(H), на которых формируются
2500
1
2000
1500
2
3
1000
4
5
2
4
500
1
3
5
0
–20
-10
0
10
20
H, А/см
Рис. 6. Дифференциальная магнитная проницаемость в зависимости от напряженности магнитного поля для образцов,
испытанных на отнулевое циклическое растяжение с различным количеством циклов n.
Кривая 1 — n = 0; 2 — 30; 3 — 50; 4 — 100; 5 — 300 тыс. циклов.
Дефектоскопия
№ 11
2019
Особенности поведения магнитных и акустических характеристик...
27
пики. Максимумы дифференциальной магнитной проницаемости, локализующиеся в отрица-
тельных полях, по величине заметно больше пиков, наблюдаемых у деформированных образцов
в положительных магнитных полях. При этом можно отметить, что с увеличением количества
циклов высота пика в отрицательных полях на полевой зависимости уменьшается, а его локали-
зация смещается в сторону более сильных полей. В то же время на кривых μдиф(H) для цикличе-
ски нагруженных образцов с ростом количества циклов пик, расположенный в положительных
полях, становится более выраженным, а его расположение также смещается в сторону более
сильных полей. Результаты согласуются с данными, полученными в [22, 27—29], для образцов,
деформированных путем статического одноосного растяжения.
Формирование двух пиков на зависимостях µдиф(H) у циклически деформированных образцов
связано с особенностями перераспределения обратимых и необратимых процессов перемагничи-
вания и разделением вкладов в процессы перемагничивания 90- и 180-градусных доменных гра-
ниц. После циклического растяжения в существенной части зерен вдоль направления проведенно-
го растяжения возникают значительные остаточные сжимающие напряжения. В этом направлении
возникают предпосылки для формирования наведенной магнитной анизотропии типа «плоскость
легкого намагничивания», которая еще до изменения знака магнитного поля вынуждает векторы
спонтанной намагниченности выстроиться в направлении, перпендикулярном оси растяжения и,
соответственно, уменьшающемуся приложенному магнитному полю и направлению измерений.
При уменьшении намагничивающего поля, направленного вдоль оси растяжения, до некоторой
величины энергии магнитного поля становится недостаточно для удержания векторов намагничен-
ности перпендикулярно этой плоскости (магнитоупругая энергия становится больше энергии маг-
нитостатической), большой вклад в процесс перемагничивания начинают вносить необратимые
скачки 90-градусных доменных границ (ДГ), скачки в наиболее энергетически выгодное легкое
направление (с небольшой добавкой обратимого вращения намагниченности, которое есть всег-
да). При изменении знака магнитного поля, то есть в области отрицательных магнитных полей,
существенный вклад начинают вносить необратимые смещения 180º ДГ, следствием чего являет-
ся формирование максимума в отрицательных полях на полевой зависимости дифференциальной
магнитной проницаемости.
По наличию, положению и высоте пика в области положительных полей на зависимости диф-
ференциальной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля можно судить о ве-
личине деформации, накопленной в изделии при циклическом нагружении.
На рис. 7 приведены зависимости линейной продольной λ║ (а) и поперечной λ (б) магнито-
┴
стрикций от приложенного магнитного поля для образцов, испытанных на отнулевое циклическое
растяжение с различным количеством циклов n. В исходном состоянии при n = 0 продольная маг-
нитострикция с увеличением напряженности магнитного поля сначала возрастает до максимума,
затем уменьшается, достигает нулевого значения и продолжает уменьшаться уже с отрицательным
знаком (кривая 1 на рис. 7а). Для образцов, подвергнутых циклическому нагружению (кривые 2 и 3
на рис. 7а), наблюдается изменение характера полевой зависимости продольной магнитострикции:
а
б
3
12
12
2
8
8
4
1
4
0
0
1
2
-4
-4
3
0
100
200
300
400
500
0
100
200
300
400
500
H, А/см
H, А/см
Рис. 7. Полевые зависимости продольной (а) и поперечной (б) магнитострикций для образцов, испытанных на отнулевое
циклическое растяжение с различным количеством циклов n.
Кривые 1 — n = 0; 2 — 30; 3 — 100 тыс. циклов.
Дефектоскопия
№ 11
2019
28
Э.С. Горкунов, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин и др.
при всех значениях напряженности магнитного поля λ║(Н) положительна. Следует отметить, что с
ростом количества циклов увеличивается площадь положительного участка полевой зависимости
магнитострикции и растет величина ее максимума.
Для циклически ненагруженного образца (n = 0) поперечная магнитострикция λ (H) с ростом
┴
напряженности магнитного поля сначала убывает до минимума, затем растет, достигает нулевого
значения и продолжает увеличиваться с положительным знаком (кривая 1 на рис. 7б). Поперечная
магнитострикция циклически нагруженных образцов во всем диапазоне изменения напряженности
магнитного поля имеет отрицательный знак. Как и в случае измерения продольной магнитострик-
ции, с увеличением количества циклов происходят увеличение площади отрицательного участка
поперечной магнитострикции и рост абсолютной величины ее минимума.
Наблюдаемые изменения зависимостей λ║(Н) и λ (H) для образцов, подвергнутых отнулевому
┴
циклическому растяжению на различное количество циклов, аналогичны поведению полевых за-
висимостей продольной и поперечной магнитострикций при одноосном статическом сжатии [23,
24, 30, 31] и являются свидетельством формирования остаточных сжимающих напряжений раз-
личного уровня вдоль оси циклического растяжения и остаточных растягивающих напряжений —
в поперечном направлении.
а
б
3300
5920
3250
1
5915
3200
2
5910
3150
5905
3100
5900
3050
3000
0
100
200
300
0
100
200
300
Количество циклов n, тыс.
Количество циклов n, тыс.
Рис. 8. Зависимости от количества циклов нагружения скоростей продольной (а) и поперечной (б) волн:
1 (•) — вдоль направления нагрузки; 2 (ο) — поперек.
Эксперименты по определению скоростей продольной и поперечной упругих волн, результаты
которых представлены на рис. 8, показали, что скорость продольной волны практически не зависит
от ориентации антенной решетки. Кроме того, скорость продольной волны в пределах погрешно-
сти не изменяется с изменением числа циклов нагружения.
В отличие от случая продольной волны, для поперечной обнаружена заметная анизотропия ско-
рости распространения при различной ориентации антенной решетки: при ее ориентации вдоль на-
правления приложения нагрузки скорость поперечной волны примерно на 1 % больше, чем при попе-
речном расположении антенной решетки. Однако следует отметить, что после 300 000 циклов нагру-
жения отнулевым растяжением эта анизотропия исчезает. Скорости поперечных волн при различной
ориентации антенной решетки с увеличением количества циклов нагружения от 0 до 300 000 моно-
тонно уменьшаются более чем на 6 %, то есть примерно в 25 раз превышает интервал погрешностей
определения скоростей упругих волн. Такое поведение скорости упругой волны соответствует совре-
менным представлениям об акустоупругости [32]: с увеличением количества циклов нагружения, то
есть накоплением усталостной поврежденности материала, увеличивается число центров рассеяния
упругих волн и, соответственно, уменьшается скорость распространения этих волн. Это обстоятель-
ство позволяет рассматривать величину скорости поперечной упругой волны как перспективный ин-
формативный параметр накопления усталостной деградации материала при отнулевом циклическом
нагружении с амплитудой нагрузки, примерно соответствующей пределу текучести материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучено влияние циклического нагружения по схеме отнулевого растяжения с амплитудой,
примерно соответствующей условному пределу текучести, на магнитные и акустические параме-
тры горячекатаной трубной стали 08Г2Б.
Дефектоскопия
№ 11
2019
Особенности поведения магнитных и акустических характеристик...
29
Установлено, что среднеквадратичные значения напряжений магнитных шумов Баркгаузена,
величина скорости поперечной упругой волны, а также отношение обратимой проницаемости в
остаточно намагниченном состоянии после намагничивания до технического насыщения к началь-
ной магнитной проницаемости однозначно изменяются с увеличением количества циклов нагру-
жения, что позволяет использовать данные параметры для разработки методов оценки состояния
металлоконструкций, работающих в условиях циклических нагрузок.
По наличию на полевых зависимостях дифференциальной магнитной проницаемости экстре-
мумов в области положительных полей, величине полей, при которых они формируются, а также
величине экстремумов можно судить о величине деформации, накопленной в изделии при цикли-
ческом нагружении.
Закономерности изменения полевых зависимостей продольной и поперечной магнитострикций
исследованной стали с увеличением числа циклов отнулевого растяжения аналогичны закономер-
ностям изменения этих характеристик при возрастании напряжений при одноосном статическом
сжатии, что может свидетельствовать о формировании преимущественно сжимающих остаточных
напряжений вдоль направления приложения циклической нагрузки и растягивающих остаточных
напряжений — в поперечном.
Полученные результаты могут быть использованы для разработки методов неразрушающего
контроля усталостной деградации материала в условиях эксплуатации.
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № АААА-А18-118020790148-1
и проекту УрО РАН № 18-9-1-20 (№ АААА-А18-118020790149-8). При выполнении настоящей
работы было использовано оборудование ЦКП «Пластометрия» при ИМАШ УрО РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. М.: Наука, 2002. 248 с.
2. Терентьев В.Ф., Петухов А.Н. Усталость высокопрочных металлических материалов. М.: ИМЕТ—
ЦИАМ, 2013. 514 с.
3. Шанявский А.А. Масштабные уровни процессов усталости металлов // Физическая мезомеханика.
2014. Т. 17. № 6. С. 87—98.
4. Новиков И.И., Ермишкин В.А. Физическая механика реальных материалов. М.: Наука, 2004. 328 с.
5. Емельянов И.Г., Миронов В.И. Долговечность оболочечных конструкций. Екатеринбург: РИО УрО
РАН, 2012. 220 с.
6. Dobmann G., Lang M. On-line monitoring of fatigue in the LCF and HCF range by using micro-
magnetic NDT at plain carbon and austenic stainless steel / Proc. of the 8th Japanese-German Joint Seminar
on Structural Integrity and NDE in Power Engineering. 2001. Tokyo. P. 357—364.
С. 32, 33.
8. Ермишкин В.А., Мурат Д.П., Подбельский В.В. Применение фотометрического анализа структур-
ных изображений для оценки сопротивления усталостному разрушению // Автоматизация и современ-
ные технологии. 2008. № 2. С. 11—21.
накопленной деформации сдвига и поврежденности при кручении на магнитные характеристики стали
// Физическая мезомеханика. 2004. № 1—2. С. 311—314.
10. Горкунов Э.С., Смирнов С.В., Родионова С.С. Влияние пластической деформации при гидроста-
тическом давлении на поврежденность и магнитные характеристики низкоуглеродистой стали 3сп //
Физическая мезомеханика. 2003. № 5. С. 101—108.
11. Gary S. Schajer. Practical residual stress measurement methods. Vancouver, Canada: John Wiley &
Sons Ltd, 2013. 310 p.
12. Костин В.Н., Василенко О.Н., Филатенков Д.Ю., Чекасина Ю.А., Сербин Е.Д. Магнитные
и магнитоакустические параметры контроля напряженно-деформированного состояния углероди-
стых сталей, подвергнутых холодной пластической деформации и отжигу // Дефектоскопия. 2015.
No. 10. P. 624—632.]
13. Мирошниченко Б.И. Роль напряженного состояния в формировании дефектов стресс-коррозии
V. 44. No. 6. P. 403—408.]
Дефектоскопия
№ 11
2019
30
Э.С. Горкунов, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин и др.
14. Mihovski M., Mirchev Y., Chukachev H., Sergienko V. Assessment of mechanically stressed
state in pipelines according to Russian standards // AIP Conf. Proc. 2016. V. 1785.
15. Mirchev Y., Chukachev P., Mihovski M. Methods for evaluation of mechanical stress condition of materials
16. Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я., Зарудный В.В., Левин Е.А. Магнитный контроль
напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций грузо-
подъемных кранов // Дефектоскопия. 1996. № 2. С. 12—18.
17. Горкунов Э.С., Якушенко Е.И., Задворкин С.М., Мушников А.Н. Влияние упругих деформаций на
магнитные характеристики хромоникелевых сталей // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116.
№ 2. С. 156—164.
18. Lukin N.A., Rubin L.S. Use of Nonlinear Functional Analog to Digital Conversion in Precision
Measurements of Small Electrical Quantities // Gyroscopy and Navigation. 2015. V. 6. No. 2. P. 149—155.
19. Базулин Е.Г., Исмаилов Г.М. Измерение скорости звука и толщины в плоскопараллельных объек-
тах контроля с использованием двух антенных решеток // Дефектоскопия. 2013. № 8. С. 20—34. [Bazulin
E.G., Ismailov G.M. Simultaneous measurement of the velocity of an ultrasonic shear wave and the thickness
Testing. 2013. V. 49. No. 8. P. 446—457.]
20. Bazulin E.G., Vopilkin A.Kh. Reference-Free Method for Thickness Gaging of a Test Object and
Measuring the Speed of Longitudinal and Transverse Waves in It Based on Echo Signals Picked by an
Antenna Array // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. No. 6. P. 463—475. [Базулин Е.Г.,
Вопилкин А.Х. Безэталонный метод измерения толщины объекта контроля и скорости продольной и
поперечной волны в нём по эхосигналам, измеренным антенной решёткой // Дефектоскопия. 2019.
№ 6. С. 40—52.]
21. Кулеев В.Г., Царькова Т.П., Ничипурук А.П., Воронин В.И., Бергер И.Ф. Исследование причин
существенных различий величин коэрцитивной силы, остаточной намагниченности и начальной маг-
нитной проницаемости ферромагнитных сталей в нагруженном и разгруженном состояниях при их пла-
стическом растяжении // ФММ. 2007. Т. 103. Вып. 2. С. 136—146.
22. Кулеев В.Г., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю., Дорошек А.С. О влиянии пластической деформации
малоуглеродистых ферромагнитных сталей на изменение формы их петель гистерезиса и зависимо-
стей дифференциальной проницаемости от поля // Дефектоскопия. 2015. № 12. С. 32—45. [Kuleev V.G.,
permeability // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2015. V. 51. No. 12. P. 738—749.]
23. Bulte D.P., Langman R.A. Origins of magneto-mechanical effect // J. of Mag. and Magnetic Materials.
2002. V. 251. P. 229—243.
24. Abukus S. Magnetics Studies of Residual Stress in Iron and Steel Induced by Uniaxial Deformation //
Jap. Journal of Appl. Phys. 1977. V. 16. No. 7. P. 1161—1170.
25. Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A. Comparative Analysis of the
Magnetic Characteristics of Plastically Deformed Metal in Different Zones of a Welded Pipe under Elastic
Deformation // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2017. V. 53. No. 9. P. 636—643. [Горкунов Э.С.,
Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А. Сравнительный анализ поведения магнитных харак-
теристик пластически деформированного металла различных зон сварной трубы при упругой деформа-
ции // Дефектоскопия. 2017. № 9. С. 26—34.]
26. Горкунов Э.С., Субачев Ю.В., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М. Влияние предварительной пла-
стической деформации на поведение магнитных характеристик высокопрочной трубной стали кон-
тролируемой прокатки при упругом одноосном растяжении (сжатии) // Дефектоскопия. 2015. № 9.
С. 49—60. [Gorkunov E.S., Subachev Yu.V., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M. The Influence of a Preliminary
Plastic Deformation on the Behavior of the Magnetic Characteristics of High Strength Controllably Rolled Pipe
Steel under an Elastic Uniaxial Tension (Compression) // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2015.
V. 51. No. 9. P. 563—572.]
27. Ничипурук А.П., Розенфельд Е.В., Огнева М.С., Сташков А.Н., Королев А.В. Эксперименталь-
ный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформирован-
ных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали // Дефектоскопия. 2014. № 10. С. 18—26.
Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. V. 50. No. 10. P. 566—573.]
28. Огнева М.С., Ничипурук А.П., Сташков А.Н. Локальное определение поля наведенной маг-
нитной анизотропии и уровня остаточных механических напряжений в деформированных растя-
жением объектах из малоуглеродистых сталей // Дефектоскопия. 2016. № 11. С. 3—9. [Ogneva M.S.,
Nondestructive Testing. 2016. V. 52. No. 11. P. 617—622.]
Дефектоскопия
№ 11
2019
Особенности поведения магнитных и акустических характеристик...
31
29. Kuleev V.G., Stashkov A.N., Tsar′kova T.P., Nichipuruk A.P. Experimental Determination of Critical
Fields of 90-Degree Domain Wall Displacement in Plastically Deformed Low-Carbon Steels // Russian
Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. No. 10. P. 711—716. [Кулеев В.Г., Сташков А.Н., Царь-
кова Т.П., Ничипурук А.П. Экспериментальное нахождение критических полей смещения 90-градус-
ных доменных границ в пластически деформированных малоуглеродистых сталях // Дефектоскопия.
2018. № 10. С. 37—42.]
30. Горкунов Э.С., Субачев Ю.В., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М. Влияние упругой одноосной де-
формации среднеуглеродистой стали на ее магнитострикцию в продольном и поперечном направлениях
// Дефектоскопия. 2013. № 10. С. 40—52. [Gorkunov E.S., Subachev Yu.V., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M.
The Influence of Elastic Deformations on the Hysteresis Properties of a Two-Layer Ferromagnet Composed
of Components with Magnetostrictions of Opposite Signs // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014.
V. 50. No. 8. P. 469—480.]
31. Serbin E.D., Kostin V.N. On the Possibility of Evaluating Magnetostriction Characteristics of Bulk
Ferromagnets Based on Their Magnetic Properties // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55.
No. 5. P. 378—383.
32. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: Наукова думка, 1977. 151 с.
Дефектоскопия
№ 11
2019
