УДК 620.179.14
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ
УПРУГОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ КОРПУСНОЙ СТАЛИ 20ГН С РАЗЛИЧНЫМ
ИСХОДНЫМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ
© 2022 г. А.М. Поволоцкая1,2,*, А.Н. Мушников1,**
1ФГБУН Институт машиноведения им. Э.С. Горкунова УрО РАН, Россия 620049 Екатеринбург,
ул. Комсомольская, 34
2ФГБУН Институт физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, Россия 620108 Екатеринбург,
ул. С. Ковалевской, 18
E-mail:*anna.povolotskaya.68@mail.ru; **mushnikov@imach.uran.ru
Поступила в редакцию 18.08.2022; после доработки 21.09.2022
Принята к публикации 04.10.2022
Приведены результаты изучения особенностей поведения магнитных характеристик, в том числе продольной маг-
нитострикции, образцов из корпусной стали 20ГН, предварительно пластически деформированных растяжением на
различные степени (вплоть до 17,5 %), в условиях последующего упругого одноосного растяжения. Показано, что
рассматриваемые в работе параметры магнитного гистерезиса с ростом приложенных напряжений изменяются не-
монотонно, с образованием экстремумов. Величины приложенных напряжений, при которых формируются эти экстре-
мумы, зависят от уровня остаточных напряжений сжатия, наведенных предварительным пластическим растяжением
вдоль направления его действия. Сопоставлены результаты измерений зависимостей дифференциальной магнитной
проницаемости и магнитострикции от напряженности магнитного поля исследуемых образцов. Экспериментально
определены величины приложенных напряжений, при которых происходит смена знака магнитострикции предвари-
тельно пластически деформированных образцов при последующем упругом деформировании, показано их совпаде-
ние с величинами напряжений, при которых формируются экстремумы функций максимумов полевых зависимостей
дифференциальной магнитной проницаемости от растягивающей нагрузки.
Ключевые слова: пластическая деформация, упругое одноосное растяжение, магнитострикция, дифференциальная
магнитная проницаемость.
DOI: 10.31857/S0130308222110045, EDN: BUHNWQ
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных направлений решения задачи оценки параметров напряженно-де-
формированного состояния (НДС) и остаточного ресурса стальных конструкций для диагности-
ки их состояния является применение магнитных методов контроля, чему посвящено большое
количество работ, например, [1—13]. Основная цель исследований в этих работах заключалась
в создании методов контроля упругих деформаций, возникающих в процессе эксплуатации из-
делий из ферромагнитных конструкционных материалов. В данных работах (см., например,
[8—13]) рассмотрены возможности применения параметров магнитного гистерезиса и шумов
Баркгаузена исследуемого материала. Однако для использования в неразрушающем контроле
указанных характеристик необходимо понимание физических явлений, которые определяют вли-
яние на эти магнитные характеристики упругих деформаций, а, значит, и понимание взаимосвязи
гистерезисных и магнитострикционных свойств ферромагнитных материалов, подвергающихся
такого рода контролю.
На практике конструкции могут претерпевать непредсказуемую и сложную историю нагру-
жения, и вопрос о влиянии предыстории нагрузки на поведение магнитных характеристик име-
ет большое значение для практического применения магнитных методов контроля. В работах
[14—17] представлены экспериментальные результаты, подтверждающие факт существенного
влияния истории нагружения в виде пластической деформации растяжением на характер изме-
нения магнитных параметров в условиях последующего упругого деформирования. Однако в
перечисленных выше литературных источниках исследования ограничивались изучением влия-
ния предварительной пластического растяжения на поведение лишь гистерезисных параметров и
параметров шумов Баркгаузена при упругом деформировании, в то время как поведение магни-
тострикционных параметров при такой схеме нагружения рассмотрено не было.
Магнитоупругий эффект, являющийся следствием перестройки доменной структуры ферро-
магнитного материала под действием механических напряжений, определяет как особенности по-
ведения магнитных характеристик ферромагнетика в процессе нагружения, так и характер изме-
нения его магнитострикции, поэтому для получения более полного представления об эволюции
Особенности поведения магнитных характеристик при упругом деформировании ...
33
доменной структуры ферромагнитного материала при силовом воздействии необходимы, как уже
отмечалось выше, экспериментальные исследования по установлению взаимосвязи гистерезисных
свойств материала с его магнитострикционными параметрами.
Настоящая работа направлена на изучение влияния предварительного деформирования рас-
тяжением до различных уровней пластической деформации в широком диапазоне (вплоть до
17,5 %) корпусной стали 20ГН на закономерности поведения ряда ее магнитных характеристик,
в том числе и магнитострикции, при последующем упругом одноосном растяжении с целью вы-
явления характера наведенной таким силовым воздействием магнитной анизотропии, а также
определения взаимосвязи гистерезисных и магнитострикционных свойств исследуемой стали в
условиях упругого деформирования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследований служили плоские образцы с головками, вырезанные из стали 20ГН.
Образцы имели сечение 8×5 мм, длина рабочей части образцов составляла 60 мм. Дополнительную
термическую обработку образцов не проводили. Химический состав исследованной стали приве-
ден в табл. 1.
Таблица
1
Химический состав исследованной стали, мас. %
C
Si
Mn
Ni
Nb
Mo
Cu
0,194
0,283
1,155
0,823
0,096
0,050
0,049
Механические испытания исследуемого материала выполнены в соответствии с ГОСТ 1497—84
на универсальной испытательной машине Tinius Olsen Super L60. Определено, что условный предел
текучести σ0,2 = 440 МПа (верхний предел текучести — 450 МПа), временное сопротивление разрыву
σв = 550 МПа, относительное удлинение после разрыва δ = 25 %. Диаграмма растяжения стали 20ГН
приведена на рис. 1.
Исходя из полученных механических свойств, образцы для исследований были деформирова-
ны одноосным растяжением до различных уровней пластической деформации на испытательной
машине Tinius Olsen Super «L». Были получены образцы со следующими значениями остаточной
пластической деформации ε: 0,75; 1,28; 1,96; 5,01; 7,53; 10; 12,5; 15,1 и 17,5 % (на рис. 1 приведены
соответствующие линии разгрузки). Один образец оставили для дальнейших испытаний в исход-
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
ε, %
Рис. 1. Диаграмма растяжения стали 20ГН.
Дефектоскопия
№ 11
2022
34
А.М. Поволоцкая, А.Н. Мушников
ном состоянии (ε = 0 %). В [18] авторами ранее были проведены исследования по влиянию пласти-
ческой деформации изучаемой корпусной стали 20ГН на поведение ее магнитных характеристик и
магнитострикции, при этом диапазон изменения степени пластической деформации ограничивался
10 %, в настоящей работе он расширен до 17,5 %.
Полученные образцы подвергали упругому одноосному растяжению на испытательной машине
УММ-5. Максимальную нагрузку, прикладываемую к образцам, определяли таким образом, чтобы
не был превышен предел пропорциональности исследуемого материала. На каждом шаге упругого
деформирования через 1 кН, что для образца с исходным сечением соответствует 25 МПа, процесс
нагружения приостанавливали и осуществляли измерения магнитных характеристик. После про-
ведения измерений на каждом шаге образец размагничивали, после чего нагружали до следующей
точки измерений. Перед началом следующего цикла магнитных измерений образец вновь размаг-
ничивали. Истинное напряжение σ на каждом шаге растяжения определяли с учетом поперечного
сечения образца при растяжении.
Кривую намагничивания и петли магнитного гистерезиса регистрировали с помощью ком-
пьютеризированного гистерезисграфа Remagraph C-500. Намагничивание при этом осуществля-
ли вдоль направления растяжения образцов. Максимальное значение внутреннего поля достига-
ло 500 А/см. Из петель магнитного гистерезиса определяли коэрцитивную силу Нс и остаточную
магнитную индукцию Br. По основной кривой намагничивания определяли максимальную маг-
нитную проницаемость λмакс. Погрешность измерения магнитного поля и индукции составляла
не более 3 %.
Мост Уитстона для измерений полевых зависимостей продольной магнитострикции состоял из
фольговых тензорезисторов BF350-3AA с номинальным сопротивлением 350 Ом и базой 3 мм. Для
питания моста и регистрации сигналов была использована тензостанция Zetlab 017T8.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2а приведены зависимости линейной продольной магнитострикции l от приложенного
магнитного поля для образцов, испытанных на пластическое растяжение на различные степени.
Для образца в исходном состоянии (ε = 0) продольная магнитострикция с увеличением напряжен-
ности магнитного поля сначала возрастает до максимума λмакс, затем уменьшается, достигает ну-
левого значения и продолжает уменьшаться уже с отрицательным знаком (кривая 1 на рис. 2а).
Для образцов, подвергнутых пластическому растяжению (кривые 2—10 на рис. 2а), наблюдается
изменение характера полевой зависимости магнитострикции: во всем исследованном диапазоне
напряженности магнитного поля λ(Н) положительна. При этом, с ростом ε до значения 1,96 %
существенно увеличивается площадь положительного участка полевой зависимости магнито-
стрикции и, как можно видеть на рис. 2б, значительно возрастает величина максимума магнито-
стрикции λмакс. При дальнейшем увеличении степени пластической деформации от 1,96 % вплоть
а
б
10
6
5
10
4
7
8
8
9
9
2
10
6
3
8
4
7
2
1
0
6
ε, %
(1)— 0
(6)—7,53
-2
(2)—0,75
(7)—10
(3)—1,28
(8)—12,5
5
(4)—1,96
(9)—15,1
-4
(5)—5,01
(10)—17,5
4
0
100
200
300
400
500
0
4
8
12
16
H, А/см
ε, %
Рис. 2. Зависимости λ(Н) образцов, пластически деформированных на различные степени (а): кривая 1 — ε = 0; 2 — 0,75;
3 — 1,28; 4 — 1,96; 5 — 5,01; 6 — 7,53; 7 — 10; 8 — 12,5; 9 — 15,1; 10 — 17,5 %; б — зависимость λмакс(ε).
Дефектоскопия
№ 11
2022
Особенности поведения магнитных характеристик при упругом деформировании ...
35
до 17,5 % площадь положительного участка полевой зависимости магнитострикции и величина ее
максимума изменяются незначительно.
Поведение λ(Н) для образцов, подвергнутых пластическому деформированию, характерно
для поведения кривых магнитострикции при одноосном статическом сжатии [19—23] и является
следствием формирования текстуры типа «плоскость легкого намагничивания» и возникнове-
ния в значительной части зерен остаточных сжимающих напряжений различного уровня, ори-
ентированных вдоль направления проведенной пластической деформации. Характер изменения
λмакс(ε) при ε > 10 % свидетельствует, скорее всего, о том, что уровень остаточных сжимающих
напряжений достиг своего насыщения. Можно предположить, что на поведение магнитострик-
ции в первую очередь влияют внутренние напряжения, сформированные в образце, и в гораздо
меньшей степени сказываются изменения его структурного состояния (увеличение плотности
дислокаций, образование дислокационных стенок, образование субзерен), происходящие в про-
цессе пластической деформации.
На рис. 3 показаны зависимости магнитных характеристик образцов от приложенных напряже-
ний s при упругом растяжении после их предварительного пластического растяжения на различные
степени. С увеличением растягивающих напряжений коэрцитивная сила Hc, остаточная индукция
Br и максимальная магнитная проницаемость µмакс всех образцов, одноосно деформированных до
различных величин пластической деформации, изменяются с образованием экстремумов различ-
ной степени «выраженности» (минимумов на зависимостях Hc(σ) и максимумов на зависимостях
Br(σ) и µмакс(σ)). При этом можно отметить, что экстремумы Hc(σ), Br(σ) и µмакс(σ) для образцов, де-
формированных растяжением до различных уровней пластической деформации, наблюдаются при
различных величинах приложенных напряжений. Соответственно, различен диапазон σ, в котором
указанные магнитные характеристики образцов демонстрируют монотонный характер изменения.
8
а
7
ε, %
7
6
10
(1)— 0
9
5
6
(2)—0,75
4
8
(3)—1,28
3
5
(4)—1,96
2
1
(5)—5,01
4
(6)—7,53
1,5
1
б
(7)—10
2
9
10
(8)—12,5
(9)—15,1
3
(10)—17,5
6
1,0
7
4
8
5
0,5
в
1
1500
2
4
6
3
8
1000
7
9
5
10
500
0
100
200
300
400
500
Рис. 3. Зависимости от приложенных растягивающих напряжений значений коэрцитивной силы (а), остаточной индук-
ции (б) и максимальной магнитной проницаемости (в), измеренных на образцах, предварительно пластически деформи-
рованных на различные степени: кривая 1 — ε = 0; 2 — 0,75; 3 — 1,28; 4 — 1,96; 5 — 5,01; 6 — 7,53; 7 — 10; 8 — 12,5;
9 — 15,1; 10 — 17,5 %.
Дефектоскопия
№ 11
2022
36
А.М. Поволоцкая, А.Н. Мушников
Смещение экстремумов на зависимостях Hc(σ), Br(σ) и µмакс(σ) с ростом σ обусловлено различным
уровнем внутренних остаточных напряжений, вносимых предварительным пластическим дефор-
мированием, а местоположения этих экстремумов (то есть величины s, при которых они формиру-
ются), в свою очередь, связаны с моментом частичной компенсации приложенными растягиваю-
щими напряжениями части внутренних остаточных напряжений сжатия [24].
Зависимости дифференциальной магнитной проницаемости µдиф(H) от напряженности маг-
нитного поля для образца, не подвергнутого предварительно пластической деформации растя-
жением (ε = 0), при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ показаны
на рис. 4. С увеличением растягивающих напряжений σ до величины σextr = 150,9 МПа высота
пика μдиф макс, формируемого в отрицательных полях на зависимостях μдиф(H), сначала растет,
его местоположение при этом смещается в сторону более слабых полей, а затем, при дальней-
шем увеличении растягивающих напряжений, уменьшается по величине, при этом расположение
пика продолжает смещаться в сторону более слабых полей. Иными словами, для пластически
недеформированного образца σextr = 150,9 ± 12,5 МПа является величиной растягивающих на-
пряжений, при которой формируется экстремум функции максимумов полевых зависимостей
дифференциальной магнитной проницаемости от растягивающей нагрузки. Результаты, приве-
денные на рис. 2а, 3 и 4, согласуются с результатами, полученными в работах [16, 17, 24—27].
30 000
σ, МПа
5
ε = 0 %
6
4
(1)— 0
(2)—25,1
3
25 000
(3)—100,6
(4)—125,8
7
(5)—150,9
20 000
(6)—176,1
2
(7)—327
15 000
10 000
1
5000
0-6
-4
-2
H, А/см
Рис. 4. Зависимости µдиф(H) для образца с ε = 0 при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ.
Зависимости магнитострикции λ от напряженности магнитного поля для того же, пластиче-
ски не деформированного образца при различных величинах растягивающей нагрузки показаны
на рис. 5. Как видно из рис. 5, по мере увеличения приложенных растягивающих напряжений умень-
шается величина максимума магнитострикции, формируемого в области слабых полей. Это обу-
словлено тем, что на начальной стадии намагничивания превалируют процессы смещения домен-
ных границ, в то время как процессы вращения, благодаря которым главным образом осуществляет-
ся возрастание магнитострикции, с ростом растягивающей нагрузки замедляются вследствие уве-
личения анизотропии. Кроме того, можно отметить, что при величине напряжений, превышающей
σsign = 150,9 МПа, положительный участок зависимости магнитострикции от напряженности маг-
нитного поля совсем исчезает и магнитострикция во всем интервале магнитных полей принимает
только отрицательные значения.
Изменения λ(H), происходящие под действием упругого одноосного растяжения, отражаются и
в особенностях поведения гистерезисных параметров при тех же условиях нагружения [4, 12, 13,
20, 21, 28—31]. Объяснением данного факта служит следующее. При небольших нагрузках созда-
ются предпосылки для формирования магнитной текстуры типа «ось легкого намагничивания» и
преимущественной ориентации магнитных моментов доменов вдоль направления легкого намаг-
Дефектоскопия
№ 11
2022
Особенности поведения магнитных характеристик при упругом деформировании ...
37
4
ε = 0 %
1
2
3
0
4
5
7
6
8
-4
(1)— 0
(2)—25,1
(3)—50,3
(4)—100,6
(5)—125,8
-8
(6)—150,9
(7)—176,1
(8)—327
0
100
200
300
400
500
H, А/см
Рис. 5. Полевые зависимости магнитострикции λ(H) для образца с ε = 0 при различных величинах приложенных
растягивающих напряжений σ.
ничивания, ближайшего к оси растяжения, что способствует намагничиванию и перемагничива-
нию в этом направлении и, соответственно, приводит к уменьшению коэрцитивной силы. Когда в
процессе растяжения магнитострикция принимает только отрицательные значения, идет образова-
ние магнитной текстуры типа «плоскость легкого намагничивания», магнитным моментам доме-
нов энергетически выгоднее располагаться в плоскости, перпендикулярной направлению действия
растяжения, что препятствует процессам намагничивания и перемагничивания, вследствие чего
коэрцитивная сила увеличивается.
Последнее обуславливает тот факт, что растягивающие напряжения σsign, при превышении ко-
торых происходит смена знака магнитострикции и изменение типа магнитной текстуры (в нашем
случае 150,9 МПа), соответствуют напряжениям σextr, при которых на зависимостях от растягива-
ющих напряжений максимумов дифференциальной магнитной проницаемости формируются экс-
тремумы. Для недеформированного образца (ε = 0) совпадение величин σextr и σsign более наглядно
продемонстрировано на рис. 6, на котором представлены зависимости от приложенных напряже-
ний максимумов дифференциальной магнитной проницаемо-
сти μдиф макс (рис. 6а) и максимумов кривых магнитострикции
30 000
λмакс, имеющих положительный участок (рис. 6б).
а
Аналогичное сопоставление величин приложенных на-
пряжений σsign, при превышении которых полевые зависимо-
25 000
сти магнитострикции становятся отрицательными, с величи-
нами приложенных напряжений σextr, при которых формиру-
20 000
ются экстремумы на кривых максимумов полевых зависи-
мостей дифференциальной магнитной проницаемости, при
упругом деформировании было проведено для всех образцов,
15 000
предварительно подвергнутых пластическому растяжению на
разные степени. В качестве примера на рис. 7—10 показа-
5
ны полевые зависимости дифференциальной магнитной про-
σextr
б
ницаемости µдиф(H) (рис. 7а — 10а) и соответствующие им
4
полевые зависимости магнитострикции (рис. 7б — 10б) при
3
Рис.
6. Зависимости от приложенных напряжений максимумов
2
дифференциальной магнитной проницаемости μдиф макс (а) и максимумов
полевых зависимостей магнитострикции λмакс, имеющих положительный
участок: σextr — величина растягивающих напряжений, при которых
1
формируется экстремум функции максимумов полевых зависимостей
дифференциальной магнитной проницаемости; σsign — величина
0
растягивающих напряжений, выше которых полевые зависимости
0
100
200
300
400
σ
магнитострикции полностью лежат в отрицательной области.
sign
σ, МПа
Дефектоскопия
№ 11
2022
38
А.М. Поволоцкая, А.Н. Мушников
а
б
σ, МПа
10
16 000
ε = 0,75 %
(1)— 0
6
ε = 0,75 %
(2)—51,2
5
(3)—102,3
7
(4)—153,4
1
(5)—281,3
2
12 000
8
3
(6)—306,9
4
4
(7)—332,5
5
(8)—383,6
6
3
0
7
8000
2
8
9
4000
1
σ, МПа
(1)— 0
(4)—153,4
(7)—306,9
(2)—51,2
(5)—204,6
(8)—332,5
-10
(3)—102,3
(6)—281,3
(9)—383,6
0
0
100
200
300
400
500
-5
0
H, А/см
H, А/см
Рис. 7. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости μдиф(H) (а) и полевые зависимости магни-
тострикции λ(H) (б) при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ для образца, предварительно
пластически деформированного на степень ε = 0,75 %.
а
б
σ, МПа
7
10
8 ε = 5,01 %
(1)— 0
ε = 5,01 %
(2)—52,2
6
1
12 000
(3)—130,5
2
(4)—208,9
9
(5)—313,3
3
5
4
(6)—365,5
5
(7)—391,6
6
0
8000
(8)—417,8
4
(9)—443,9
7
8
9
4000
3
σ, МПа
(1)— 0
(4)—208,9
(7)—391,6
2
(2)—52,2
(5)—313,3
(8)—417,8
-10
1
(3)—130,5
(6)—365,5
(9)—443,9
0
0
100
200
300
400
500
-10
-5
H, А/см
H, А/см
Рис. 8. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости μдиф(H) (а) и полевые зависимости магни-
тострикции λ(H) (б) при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ для образца, предварительно
пластически деформированного на степень ε = 5,01 %.
а
б
10
ε = 10 %
6
σ, МПа
8000
(1)— 0
ε = 10 %
5
7
(2)—84
1
2
8
(3)—196
(4)—252
3
6000
4
(5)—335,9
4
(6)—363,9
6
5
(7)—391,6
0
3
(8)—419,9
4000
7
8
9
σ, МПа
2000
(1)— 0
(4)—252
(7)—363,9
2
(2)—84
(5)—308
(8)—391,6
1
-10
(3)—196
(6)—335,9
(9)—419,9
0
0
100
200
300
400
500
-10
-5
0
H, А/см
H, А/см
Рис. 9. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости μдиф(H) (а) и полевые зависимости магнито-
стрикции λ(H) (б) при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ для образца, предварительно
пластически деформированного на степень ε = 10 %.
Дефектоскопия
№ 11
2022
Особенности поведения магнитных характеристик при упругом деформировании ...
39
а
б
σ, МПа
6
10
8000
ε = 15,1 %
(1)— 0
ε = 15,1 %
(2)—59,7
7
(3)—179,1
5
1
(4)—268,66
8
(5)—328,36
2
6000
4
(6)—358,2
(7)—388,1
3
(8)—447,76
6
4
0
3
7
5
4000
8
2
σ, МПа
2000
(1)— 0
(5)—328,36
(2)—59,7
(6)—358,2
1
-10
(3)—179,1
(7)—388,1
(4)—268,66
(8)—447,76
0
0
100
200
300
400
500
-10
- 5
H, А/см
H, А/см
Рис. 10. Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости μдиф(H) (а) и полевые зависимости магни-
тострикции λ(H) (б) при различных величинах приложенных растягивающих напряжений σ для образца, предварительно
пластически деформированного на степень ε = 15,1 %.
ε = 1,28 %
ε = 1,96 %
ε = 7,53 %
а
в
д
б
г
е
ε = 17,5 %
ε = 12,5 %
и
ж
Рис. 11. Зависимости μдиф макс(σ) и λмакс(σ)
для образцов, предварительно пластиче-
ски деформированных на различные
степени: ε = 1,28 % (а, б); 1,96 % (в, г);
7,53 % (д, е); 12,5 % (ж, з); 17,5 % (и, к).
з
к
Дефектоскопия
№ 11
2022
40
А.М. Поволоцкая, А.Н. Мушников
400
350
300
250
200
150
0
5
10
15
ε, %
Рис. 12. Величины приложенных напряжений σsign (σsign = σextr) в зависимости от уровня предварительной пластической
деформации ε.
растягивающей нагрузке различной величины для образцов, предварительно деформированных
растяжением до уровней пластической деформации 0,75; 5,01; 10 и 15 % соответственно. Анализ
представленных на рис. 7—10 зависимостей показал совпадение величин σsign и σextr.
Демонстрацией совпадения величин σsign и σextr для остальных образцов, предварительно пла-
стически деформированных на степени 1,28; 1,96; 7,53; 12,5 и 17,5 %, служит рис. 11, на котором
приведены результаты, аналогичные результатам на рис. 6.
Величины σextr и σsign, соответствующие напряжениям, при которых при упругом деформирова-
нии произошло изменение типа магнитной текстуры для всех исследованных образцов в зависи-
мости от степени, на которую они предварительно были пластически деформированы, показаны
на рис. 12. Можно отметить качественное подобие кривой σsign(ε) и кривой максимумов магнито-
стрикции λмакс(ε), приведенной на рис. 2б: существенное увеличение на начальном этапе пластиче-
ской деформации при ε от 0 до 1,96 %, затем незначительные изменения при ε от 1,96 до 7,53 % и
небольшое снижение величин при ε > 7,53 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Закономерности изменения полевых зависимостей линейной магнитострикции пластически де-
формированной растяжением на различные степени корпусной стали 20ГН подтверждают факт воз-
никновения в образцах текстуры типа «плоскость легкого намагничивания», что, в свою очередь, свя-
зано с наличием в образцах остаточных сжимающих напряжений различного уровня вдоль направле-
ния пластической деформации. Анализ параметров полевых зависимостей магнитострикции показал
их скачкообразное и значительное по величине изменение на начальном этапе деформации, примерно
до 2 %, и затем несущественное — в интервале относительных удлинений порядка от 2 до 17,5 %.
Предыстория в виде предварительной пластической деформации накладывает свой отпечаток
на закономерности изменения магнитных параметров материала при его последующем упругом
деформировании. Величины приложенных напряжений, при которых формируются экстремумы
зависимостей коэрцитивной силы, остаточной индукции, максимальной магнитной проницаемо-
сти, максимумов дифференциальной магнитной проницаемости от приложенных напряжений, и,
значит, диапазон приложенных напряжений, в которых перечисленные магнитные характеристики
изменяются однозначно, зависят от уровня наведенных предварительным пластическим растяже-
нием остаточных напряжений сжатия. Данное обстоятельство следует принимать во внимание при
разработке магнитных методик оценки параметров напряженно-деформированного состояния эле-
ментов конструкций из корпусной стали 20ГН.
Сопоставление результатов измерений гистерезисных и магнитострикционных свойств пред-
варительно пластически деформированной растяжением на различные степени исследуемой кор-
пусной стали 20ГН при последующем упругом деформировании показало, что величины растяги-
вающих напряжений, выше которых происходит смена знака магнитострикции и, соответственно,
Дефектоскопия
№ 11
2022
Особенности поведения магнитных характеристик при упругом деформировании ...
41
смена типа магнитной текстуры, практически совпадают с величинами напряжений, в которых
формируются экстремумы функций максимумов полевых зависимостей дифференциальной маг-
нитной проницаемости от растягивающей нагрузки.
Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России по темам
№ АААА-А18-118020790148-1 и «Диагностика» № 122021000030-1. При выполнении работы
было использовано оборудование ЦКП «Пластометрия» при ИМАШ УрО РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мужицкий В.Ф., Султанов М.Х., Загидулин Р.В., Макаров П.С. Многопараметровый метод
оценки напряженно-деформированного состояния стальных изделий и трубопроводов // Контроль.
Диагностика. 2006. № 8. С. 17—22.
2. Костин В.Н., Василенко О.Н., Филатенков Д.Ю., Чекасина Ю.А., Сербин Е.Д. Магнитные и магни-
тоакустические параметры контроля напряженно-деформированного состояния углеродистых сталей,
подвергнутых холодной пластической деформации и отжигу // Дефектоскопия. 2015. № 10. С. 33—41.
3. Муравьев В.В., Волкова Л.В., Платунов А.В., Куликов В.А. Электромагнитно-акустический ме-
тод исследования напряженно-деформированного состояния рельсов // Дефектоскопия. 2016. № 7.
С. 12—20.
4. Костин В.Н., Царькова Т.П., Ничипурук А.П., Лоскутов В.Е., Лопатин В.В., Костин К.В.
Необратимые изменения намагниченности как индикаторы напряженно-деформированного состояния
ферромагнитных объектов // Дефектоскопия. 2009. № 11. С. 54—67.
V. 55. Is. 12. P. 1806—1815.
6. Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Мушников А.Н., Базулин Е.Г.,
Вопилкин А.Х. Особенности поведения магнитных и акустических характеристик горячекатаной стали
08Г2Б при циклическом нагружении // Дефектоскопия. 2019. Т. 55. № 11. С. 21—31.
7. Vengrinovich V., Vintov D., Prudnikov A., Podugolnikov P., Ryabtsev V. Magnetic Barkhausen Effect in
Steel under Biaxial Strain/Stress: Influence on Stress Measurement // Journal of Nondestructive Evaluation.
8. Roskosz M., Fryczowski K. Magnetic methods of characterization of active stresses in steel elements //
9. Stefanita C.G., Atherton D.L., Clapham L. Plastic versus elastic deformation effects on magnetic
Barkhausen noise in steel // Acta Materialia. 2000. V. 48. No. 13. P. 3545—551.
10. Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A., Mushnikov A.N. The Effect of
Cyclic Preloading on the Magnetic Behavior of the Hot-Rolled 08G2B Steel Under Elastic Uniaxial Tension //
Research in Nondestructive Evaluation. 2021. V. 32. No. 6. P. 276—294.
11. Mierczak L.L., Jiles D.C., Fantoni G. A new method for evaluation of mechanical stress using the reciprocal
amplitude of magnetic Barkhausen noise // IEEE Transactions on Magnetics. 2011. V. 47. No. 2. P. 459—465.
12. Perevertov O. Influence of the applied elastic tensile and compressive stress on the hysteresis curves
of Fe-3%Si non-oriented steel // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V. 428. P. 223—228.
13. Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М., Соловьев К.Е., Задворкин С.М. Влияние магнитоупругого эффек-
та на гистерезисные свойства среднеуглеродистой стали при одноосном нагружении // Дефектоскопия.
2010. № 9. С. 17—25.
14. 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.
15. Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А. Сравнительный анализ поведе-
ния магнитных характеристик пластически деформированного металла различных зон сварной трубы
при упругой деформации // Дефектоскопия. 2017. № 9. С. 26—34.
16. Кулеев В.Г., Царькова Т.П. Особенности зависимости коэрцитивной силы сталей от упругих
растягивающих напряжений после пластических деформаций и термообработки // ФММ. 2007. Т. 104.
№ 5. С. 479—486.
17. Кулеев В.Г., Царькова Т.П. О влиянии пластического растяжения сталей на зависимости коэрци-
тивной силы от упругих сжимающих напряжений // Дефектоскопия. 2014. № 2. С. 34—45.
18. Povolotskaya A.M., Mushnikov A.N. Effect of Plastic Deformation on the Magnetic Parameters
and Magnetostriction of the 20GN Steel // Procedia Structural Integrity. 2022. V. 40. P. 359—364.
19. Anderson P.I., Moses A.J., Stanbury H.J. Assessment of the stress sensitivity of magnetostriction
in grain-oriented silicon steel
// IEEE Transactions on Magnetics.
2007. V.
43. P.
3467—3476.
Дефектоскопия
№ 11
2022
42
А.М. Поволоцкая, А.Н. Мушников
20. 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.
21. Dias M.B.S., Landgraf F.J.G. Compressive stress effects on magnetic properties of uncoated
grain oriented electrical steel // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. V. 504. Art. 166566.
22.Wun-Fogle M., Restorff J.B., Cuseo J.M., Garshelis I.J., Bitar S. Magnetostriction and Magnetization of
Common High Strength Steels // IEEE Transactions on Magnetics. 2009. V. 45. No. 10. P. 4112—4115.
23. Makar J.M., Tanner B.K. The effect of plastic deformation and residual stress on the permeability
and magnetostriction of steels // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000. V. 222. No. 3.
P. 291—304.
24. Кулеев В.Г., Горкунов Э.С. Механизмы влияния внутренних и внешних напряжений на коэрци-
тивную силу ферромагнитных сталей // Дефектоскопия. 1997. № 11. С. 3—18.
25. 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 зависимости
дифференциальной проницаемости от поля // Дефектоскопия. 2015. № 12. C. 32—45.
26. Кулеев В.Г., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю. Влияние необратимых переходов доменных границ
в пластически деформированных сталях на их остаточную намагниченность // Дефектоскопия. 2016.
№ 12. C. 78—86.
27. Stashkov A., Nichipuruk A., Kuleev V., Schapova E. Magnetic non-destructive testing of residual stresses
in low carbon steels // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1389. P. 012032.
28. Leuning N., Steentjes S., Schulte M., Bleck W., Hameyer K. Effect of elastic and plastic tensile mechanical
loading on the magnetic properties of NGO electrical steel // Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
jmmm.2019.166299
30. Yamasaki T., Yamamoto S., Hirao M. Effect of applied stresses on magnetostriction of low carbon steel
31. Makar J.M., Tanner B.K. The in situ measurement of the effect of plastic deformation on the magnetic
properties of steel. Part I — Hysteresis loops and magnetostriction // Journal of Magnetism and Magnetic
Дефектоскопия
№ 11
2022
