Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 2, стр. 33-51

Оценка остаточных напряжений в стальных изделиях магнитными методами

С. М. Задворкин 1, Л. С. Горулева 1*

1 Институт машиноведения УрО РАН
Екатеринбург, Россия

* E-mail: sherlarisa@yandex.ru

Поступила в редакцию 14.08.2020
Принята к публикации 18.12.2020

Аннотация

В настоящей обзорной статье проанализированы литературные данные о результатах теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку научных основ оценки остаточных напряжений в ферромагнитных материалах по измерениям их магнитных параметров. Приведены сведения, свидетельствующие о целесообразности применения многопараметрового контроля для расширения диапазона контролируемых остаточных напряжений и снижения неопределенности результатов контроля.

Ключевые слова: остаточные напряжения, ферромагнитные материалы, неразрушающий контроль, магнитные методы

DOI: 10.31857/S0235711921020164

Список литературы

  1. Кудрявцев И.В. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность стали. М.: ВИНИТИ, 1957. 17 с.

  2. Кудрявцев П.И. Остаточные сварочные напряжения и прочность изделий. М.: Машиностроение, 1964. 95 с.

  3. Колмогоров Г.Л., Кузнецов Е.В., Тиунов В.В. Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надежность металлоизделий. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. 226 с.

  4. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М. Полезные и опасные остаточные напряжения // Природа. 2002. № 10. С. 17.

  5. Totten G.E. Handbook of residual stresses and deformation of steel. ASM International, 2002. 499 p.

  6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

  7. Бигус Г.А., Даниев Ю.Ф. Техническая диагностика опасных производственных объектов. М.: Наука, 2010. 415 с.

  8. Махутов Н.А. Прочность и безопасность: фундаментальные и прикладные исследования. Новосибирск: Наука, 2008. 528 с.

  9. Фортов В.Е., Махутов Н.А., Москвичев В.В., Фомин В.М. Машиностроение России: техника Сибири, Севера и Арктики. Красноярск: Изд-во СФУ, 2018. 178 с.

  10. Рожков И.И., Мыльников В.В. Расчет внутренних остаточных напряжений, возникающих в закаленных деталях машин после химико-термической обработки // Международный журнал экспериментального образования. 2014. № 1–2. С. 114.

  11. Махутов Н.А., Гаденин М.М., Одинцев И.Н., Разумовский И.А. Развитие методов расчетного и экспериментального определения локальных остаточных напряжений при сложных спектрах нагружения // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 6. С. 53.

  12. Сахвадзе Г.Ж. Особенности конечно-элементного моделирования остаточных напряжений, возникающих в материале при лазерно-ударно-волновой обработке, с использованием метода собственных деформаций // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 4. С. 87.

  13. Murugan N., Narayan R. Finite element simulation of residual stresses and their measurement by contour method // Mater. Desingn. 2009. V. 30. № 6. P. 2067.

  14. Гриб В.В. Диагностика технического состояния оборудования нефтегазохимических объектов. М. ЦНИИТЭнефтехим, 2002. 268 с.

  15. Богатов А.А. Остаточные напряжения и разрушение металла. Инновационные технологии в металлургии и машиностроении // Сб. научных трудов. Екатеринбург: Тип. “Альфа-принт”, 2013. С. 95.

  16. Биргер И.А., Дроздов B.M., Казанцев A.С. Оценка механических методов определения остаточных напряжений. Новые методы испытания и обработки материалов. Минск: Наука и техника, 1975. С. 23.

  17. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993. 252 с.

  18. Неразрушающий контроль. Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 6: Кн. 1: Магнитные методы контроля. М.: Машиностроение, 2006. 832 с.

  19. Withersand P.J., Bhadeshia H.K.D.H. Residual stress part 2 – nature and origins // Materials Science and Technology, 2001. V. 17. P. 366.

  20. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.

  21. Агеев В.А. Определение остаточных напряжений при помощи рентгеновских лучей // Журнал техн. физики. 1958. Вып. 28. № 11.

  22. Рентгенография в применении к исследованию материалов. Под общей редакцией проф. Курдюмова Г.В. М.; Л.: ОНТИ НКТП, 1936. 568 с.

  23. Munsi A.S., Waddell A.J., Walker C.A. A method for determining x-ray constants for the measurement of residual stress // Strain. 2003. V. 39. P. 3.

  24. Давиденков Н.Н. Об остаточных напряжениях // Заводская лаборатория. 1935. № 6. С. 688.

  25. Давиденков Н.Н. Динамические испытания металлов. М.: Л.: ОНТИ, 1936. 395 с.

  26. Gert Nolze The Determination of Residual Stress. Conference: Powder diffraction International school. At: Kolkata, India, October 2002.

  27. Давиденков Н.Н. К вопросу о классификации и проявлении остаточных напряжений // Заводская лаборатория. 1959. № 3. С. 318.

  28. Gorkunov E.S., Zadvorkin S.M., Goruleva L.S. Specific Features of the Determination of Residual Stresses in Materials by Diffraction Techniques // AIP Conf. Proc. 2017. 1915. P. 030006.

  29. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1971. 264 с.

  30. Остаточные напряжения, сборник статей / под ред. Осгуда В.Р. Издательство иностранной литературы, 1957. 396 с.

  31. Cagliotti V., Sachs G. Die Entwicklung von Eigenspannungen durch Dehnen // Z. Phys. 1932. V. 74. P. 647.

  32. Голубков В.М., Ильина В.А., Крицкая В.К., Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. Изучение физических факторов, определяющих упрочнение легированного железа. В сб.: Проблемы металловедения и физики металлов. М.: Металлург издат., 1958. С. 65.

  33. Русаков А.А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. 480 с.

  34. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. К теории магнитной проницаемости ферромагнитных тел, cм. Л.Д. Ландау. Собрание трудов. М.: Наука, 1972. Т. I. 510 с.

  35. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: Изд. МГУ, 1985. 336 с.

  36. Барьяхтар В.Г., Иванов Б.А. В мире магнитных доменов. Киев: Наукова думка, 1986. 159 с.

  37. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М.: Мир, 1987. 419 с.

  38. Barkhausen H. Zwei mit Hilfe der neuen Verstarker entdeckte Erscheinungen // Phys. Ztschr., 1919. V. 20. № 17. P. 401.

  39. Рудяк В.М. Эффект Баркгаузена // УФН. Т. 101. Вып. 3. 1970. С. 429.

  40. Венгринович В.Л., Винтов Д.А., Прудников А.Н., Подугольников П.А., Рябцев В.Н. Особенности измерения напряжений в ферромагнетиках методом эффекта Баркгаузена // Контроль. Диагностика. 2017. № 8. С. 10.

  41. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.: Л.: ОГИЗ, 1948. 816 с.

  42. Becker R., Doring W. Ferromagnetismus. Berlin, Springer, 1939. 440 p.

  43. Jiles D.C. Microstructure and Stress Dependence of the Magnetic Properties of Steels. In: Thompson D.O., Chimenti D.E. (eds) Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. Boston, Springer, 1990. P. 1821.

  44. Villary E. Ueber die Aenderungen des magnetischen Moments, welche der Zug und das Hindurchleiten eines galvanischen Stroms in einem Stabe von Stahl oder Eisen hervorbringen // Ann. Phys. Chem. 1865. V. 126. P. 87.

  45. Белов К.П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнитных металлах. М.: Гостехиздат, 1951. 254 с.

  46. Акулов Н.С. Ферромагнетизм. М. Л.: Гостеоретиздат, 1939. 188 с.

  47. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

  48. Gorkunov E.S., Zadvorkin S.M., Mushnikov A.N., Povolotskaya A.M. Studying magnetoelastic effects in ferromagnetic structural materials // X International Conference Navy and Shipbuilding Nowadays NSN Proceedings, Saint Petersburg, 2019. P. 26.

  49. Бозорт Р.М. Современное состояние теории ферромагнетизма // Успехи физических наук. 1936. Т. 16. № 8. С. 1044.

  50. Кондорский Е.И. К вопросу о природе коэрцитивной силы и необратимых изменениях при намагничивании // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 1117.

  51. Кулеев В.Г., Горкунов Э.С. Механизмы влияния внутренних и внешних напряжений на коэрцитивную силу ферромагнитных сталей // Дефектоскопия. 1997. № 11. С. 3.

  52. Щербинин В.В., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов, Екатеринбург: Изд. УрО РАН, 1996. 264 с.

  53. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: справ. М.: Машиностроение, 2005. 656 с.

  54. Бида В.Г., Ничипурук А.П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле // Дефектоскопия. 2000. № 10. С. 3.

  55. Вицена Ф. По поводу связи коэрцитивной силы ферромагнетиков с внутренними напряжениями // Чехословацкий физический журнал. 1954. V. 4. С. 419.

  56. Махалов М.С., Блюменштейн В.Ю Неразрушающий контроль остаточных напряжений магнитными методами в условиях простого нагружения // Вестник машиностроения. 2016. № 4. С. 22.

  57. Горкунов Э.С., Митропольская С.Ю., Задворкин С.М., Шершнева Л.С., Туева Е.А. Влияние внутренних и внешних напряжений на магнитные свойства трубной стали после контролируемой прокатки // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 6. С. 35.

  58. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Горулeва Л.С., Бухвалов А.Б. Об эффективности использования магнитных и электрических параметров неразрушающего контроля микроискажений кристаллической решетки в углеродистых сталях после термической обработки // Дефектоскопия. 2012. № 3. С. 27.

  59. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Горулева Л.С. Сопоставление магнитных параметров закаленных трубных сталей с остаточными макро- и микронапряжениями, определенными рентгеновским методом // Дефектоскопия. 2019. № 5. С. 22.

  60. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. Ч. 1. Постоянное электрическое и магнитное поле. М. Л.: ОНТИ НКТП, 1934. 230 с.

  61. Меськин В.С. Ферромагнитные сплавы. М., Л.: ОНТИ НКТП, 1937. 791 с.

  62. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Горулева Л.С., Туева Е.А., Веселов И.Н., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Мордовской П.Г. Влияние режимов равноканального углового прессования на механические и магнитные свойства стали 09Г2С // Дефектоскопия. 2012. № 10. С. 18.

  63. Филинов В.В., Шатерников В.Е., Аракелов П.Г. Контроль технологических напряжений методом магнитных шумов // Дефектоскопия. 2014. № 12. С. 58.

  64. Stupakov A., Takagi T., Kolarik K. Barkhausen Noise Testing of Residual Stresses Introduced by Surface Hardening Techniques. Conference: 18th International Workshop on Electromagnetic Non-destructive Evaluation At: Bratislava, Slovak Republic, 2013. Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, 2013. V. 39.

  65. Santa-aho, Vippola M., Saarinen T., Isakov M., Sorsa A., Lindgren M., Leiviskä K., Lepistö T. Barkhausen noise characterisation during elastic bending and tensile-compression loading of case-hardened and tempered samples // Journal of Material Science. 2012. V. 47. P. 6420.

  66. Vourna P., Ktena A., Tsakiridis P.E., Hristoforou E. An accurate evaluation of the residual stress of welded electrical steels with magnetic Barkhausen noise // Measurement. 2015. V. 71. P. 31.

  67. Ilker Yelbay H., Ibrahim Cam, Hakan Gur Non-destructive determination of residual stress state in steel weldments by Magnetic Barkhausen Noise technique // NDT & E International. 2010. V. 43. P. 29.

  68. Hizli H., Hakan GU RC. Applicability of the magnetic Barkhausen noise method for nondestructive measurement of residual stresses in the carburized and tempered 19CrNi5H steels // Res Nondestr. Eval. 2018. V. 29. № 4. P. 221.

  69. Венгринович В.Л., Якунин В.П., Леготин С.Д., Бусько В.Н. К вопросу о толщине информативного слоя при магнитно-шумовой структуроскопии // Дефектоскопия. 1986. № 2. С. 89.

  70. Филинов В.В., Аракелов П.Г., Кунин Н.Т., Головченко Д.А. К вопросу о толщине информативного слоя при магнитошумовом контроле // Дефектоскопия. 2019. № 1. С. 32.

  71. Stupakov O., Perevertov O., Tom’aˇs I., Skrbek B. Evaluation of surface decarburization depth by magnetic Barkhausen noise technique // JMMM. 2011. V. 323. P. 1692.

  72. Moorthy V., Shaw B.A., Mountford P., Hopkins P. Magnetic Barkhausen emission technique for evaluation of residual stress alteration by grinding in case-carburised En36 steel // Acta Materialia. 2005. V. 53. P. 4997.

  73. Клюев В.В., Васильев В.М., Дегтярев А.П., Есилевский В.П. К статической теории связи характеристик эффекта Баркгаузена с параметрами петли гистерезиса // ФММ. 1981. Т. 52. № 5. С. 971.

  74. Киренский Л.В., Саланский Н.М., Родичев А.М. Эффект Баркгаузена при приближении петли гистерезиса к прямоугольной // ФММ. 1963. Т. 16. № 4. С. 630.

  75. Stupakov O., Pal’a J., Yurchenko V.V., Tomas Ivan, Bydžovský J. Measurement of Barkhausen noise and its correlation with magnetic permeability // JMMM. 2008. V. 320. Iss. 3–4. P. 204.

  76. Hristoforou E., Vourna P., Ktena A., Svec P. On the Universality of the Dependence of Magnetic Parameters on Residual Stresses in Steels // IEEE Trans. Magn. 2016. V. 52. P. 1.

  77. Vourna P., Ktena A., Tsakiridis P.E., Hristoforou E. A novel approach of accurately evaluating residual stress and microstructure of welded electrical steels // NDT E Int. 2015. V. 71. P. 33.

  78. Vourna P., Ktena A., Tsakiridis P.E., Hristoforou E. Magnetic residual stresses monitoring technique for ferromagnetic steels // Metals. 2018. V. 8. P. 592.

  79. Горкунов Э.С., Сомова В.М., Ничипурук А.П. Способ электромагнитного контроля качества термической обработки изделий. Авторское свидетельство. Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР, 1990.

  80. Горкунов Э.С., Хамитов В.А., Бартынев О.А., Сомова В.М., Волков В.А. Магнитоупругая акустическая эмиссия в термически обработанных конструкционных сталях // Дефектоскопия. 1987. № 3. С. 3.

  81. Dahl O., Pfaffenberger J., Sprung H. Neue Magnetische Werkstoffe fur Pupinspulen // Elektr. Nachr. Technik. 1933. V. 10. P. 317.

  82. Abuku S., Cullity B.D. A magnetic method for the determination of residual stress // Experimental Mechanics. 1971. V. 11. P. 217.

  83. Gorkunov E.S., Zadvorkin S.M., Goruleva L.S. Correlation of Residual Stresses with Magnetic Properties of Armco Iron // AIP Conf. Proc. 2018. V. 2053. P. 030022.

  84. Кулеев В.Г., Царькова Т.П. Особенности зависимости коэрцитивной силы сталей от упругих растягивающих напряжений после пластических деформаций и термообработки // Физика металлов и металловедение. 2007. Т. 104. № 5. С. 479.

  85. Кулеев В.Г., Сташков А.Н., Царькова Т.П., Ничипурук А.П. Экспериментальное нахождение полей необратимых смещений 90-градусных доменных границ в пластически деформированных малоуглеродистых сталях // Дефектоскопия. 2018. № 10. С. 37.

  86. Сташков А.Н., Кулеев В.Г., Щапова Е.А., Ничипурук А.П. Исследование зависимостей обратимой проницаемости от поля в пластически деформированных малоуглеродистых сталях // Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 35.

  87. Кулеев В.Г., Дегтярев М.В., Сташков А.Н., Ничипурук А.П. О физической природе пиков дифференциальной магнитной проницаемости в пластически деформированных малоуглеродистых сталях // ФММ. 2019. Т. 120. № 2. С. 137.

  88. Кулеев В.Г., Сташков А.Н., Ничипурук А.П. Причина отличия полей пиков обратимой и дифференциальной магнитной проницаемости в деформированных малоуглеродистых сталях // ФММ. 2019. Т. 120. № 7. С. 688.

  89. Вонсовский С.В. Влияние слабых упругих напряжений на начальную обратимую восприимчивость ферромагнетиков // ЖЭТФ. 1947. Т. 17. № 12. С. 1094.

  90. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.

  91. Kobayashi E., Sano K. Microstructure dependence of acoustic emission in magnetization process // Transaction ISIJ. 1985. V. 25. P. 128.

  92. Юдин А.А., Лопатин М.В. К теории магнитной акустической эмиссии. Деп. в ВИНИТИ. 1987. № 3158-В-877. 19 с.

  93. Горкунов Э.С., Ульянов А.И., Хамитов В.А. Магнитоупругая акустическая эмиссия в ферромагнитных материалах // Дефектоскопия. 2002. № 5. С. 87.

  94. Васильев А.Н., Гайдуков Ю.П. Электромагнитное возбуждение звука в металлах // УФН. 1983. Т. 141. С. 431.

  95. Конторович В.М., Глуцюк А.М. Преобразование звуковых и электромагнитных волн на границе проводника в магнитном поле // ЖЭТФ. 1961. Т. 41. С. 1195.

  96. Комаров В.А. Квазистационарное электромагнитно-акустическое преобразование в металлах. Свердловск: Изд УНЦ АН СССР, 1986. 235 с.

  97. Комаров В.А. Электромагнитно-акустическое преобразование – метод неразрушающего контроля // УФН. 1986. Т. 150. С. 164.

  98. Горкунов Э.С., Хамитов В.А., Бартенев О.А. Исследование возможности контроля внутренних напряжений в ферромагнитных сталях методом магнито-упругой акустической эмиссии. Тезисы докл. науч.-техн. конф. “Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение”. Ижевск, 1986. С. 38.

  99. Ng D.H.L., Jakubovics J.P., Scruby C.B., Briggs G.A.D. Effect of stress on magnetoacoustic emission from mild steel and nickel // J. Magnetism and Magnetic Materials. 1992. V. 104. P. 355.

  100. Tochilin S.B., Jakubovics J.P., Briggs G.A.D. Use of Magnetoacoustic Emission for Studying Stress in Industrial Components // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 1995. V. 31. № 6. P. 4163.

  101. Namkung M., Heyman J.S., Allison S.G., Ultata D. Low-Field Magnetoacoustic Residual Stress Measurement in Steel // NDT & E International. 1987. V. 24. P. 301.

  102. Комаров В.А., Мужицкий В.Ф. Особенности электромагнитно-акустического преобразования при наличии механических напряжений. III Внутренние напряжения // Дефектоскопия. 2005. № 11. С. 70.

  103. Комаров В.А. Магнитоупругое электромагнитно-акустическое преобразование часть 5*. Связь приложенных и внутренних напряжений с ЭМАП при эффекте Джоуля // Контроль. Диагностика. 2019. Т. 253. № 7. С. 14.

  104. Муравьев В.В., Волкова Л.В., Платунов А.В., Куликов В.А. Электромагнитно-акустический метод исследования напряженно-деформированного состояния рельсов // Дефектоскопия. 2016. № 7. С. 12.

  105. Fujisawa Kazuo, Murayama Riichi, Yonehara Sadao, Sakamoto Haruo Nondestructive measurement of residual stress in railroad wheel by EMAT (Electromagnetic acoustic transducer) // NDT & E International. 1995. V. 28. Iss. 2. P. 113.

  106. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Соломеин М.Н. Использование метода электромагнитно-акустического преобразования для оценки микронапряжений в сталях // Дефектоскопия. 2004. № 7. С. 26.

  107. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Родионова С.С., Соломеин М.Н., Царькова Т.П. Оценка внутренних микронапряжений в высокоуглеродистых сталях по параметрам электромагнитно-акустического преобразования // Дефектоскопия. 1999. № 9. С. 38.

  108. Мельгуй М.А. Многопараметровые методы магнитной структуроскопии и приборы для их реализации (обзор), ч. I. Многопараметровая магнитная структуроскопия с использованием параметров петли гистерезиса, измеряемых в замкнутой магнитной цепи электромагнит–изделие // Дефектоскопия. 2015. № 2. С. 27.

  109. 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.

  110. Lachmann C., Nitschke-Pagel T., Wohlfahrt H. Characterisation of Residual Stress Relaxation in Fatigue Loaded Welded Joints by X-Ray Diffraction and Barkhausen Noise Method Materials, Science Forum, 2000. V. 347–349. P. 374.

Дополнительные материалы отсутствуют.