Контроль магнитоупругим методом напряженно-деформированного состояния стальных металло-конструкций в условиях Севера

магнитные поля, а его остаточная намагниченность жет изменяться во времени [9].

Конструкционные стали обладают сравнительно высоким значением коэрцитивной силы (2-10)А/см мо-

не-[7].

Важно установить, в какой мере остаточная намагниченность конструкционных сталей в условиях климатического изменения температуры, вибраций, уровня электромагнитных полей стабильна во времени. Знание магнитных релаксационных процессов материала в определенных условиях, позволило бы делать долгосрочные прогнозы, оценивать остаточный ресурс металлоконструкции и предупреждать аварийные ситуации.

Целью работы ставится выяснение возможности применение метода магнитоупругого размагничивания для долгосрочного контроля механических напряжений стальных конструкций в условиях Севера [6]. Для исследования была взята широко распространенная конструкционная сталь 09Г2С и сталь 10 в виде пластин (15×198×3) мм. Она намагничивалась и затем подвергалась деформации. Размеры образцов стали 09Г2С составили (15x198x3) мм, стали 10 - (24x196x3) мм. Четыре образца подвергались отжигу при 600 ºС в течении 5 часов и 4 образца при температуре 900ºС в течении 2 часов. Отжиг проходил в защитной атмосфере, поэтому окисление и обезуглероживание верхних слоев металла было минимизировано.

Образцы консольно закреплялись в немагнитном зажиме, и часть из них нагружалась изгибом с помощью винтов. Максимальные напряжения рассчитывались по формуле:

ЕAd

^max расЧеТНое =      (1)

где Е - модуль упругости Е = 2,06 • 1011 Н/  ■А - стре- м2

ла прогиба;

d - толщина образца, L - длина изгибаемой части.

Локальное намагничивание образцов производилось вблизи зажима Ш-образным электромагнитом из электротехнической стали тремя разнонаправленными импульсами тока. Этим самым на пластине создавались два разнонаправленных намагниченных участка. В этом случае внешнее магнитное поле усиливает намагниченность на одном из участков и ослабляет в другом. В результате ослаблялось воздействие магнитного поля лаборатории на результирующее поле рассеяния, и уменьшалась ошибка измерения. Температура окружающей среды изменялась от + 15 до + 400 С. Электромагнитный фон среды соответствовал фону помещения без сильноточного электроснабжения.

Регистрация нормальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния H n локальной намагниченности проводилась феррозондовым магнитометром ИКНМ-2ФП. Температура окружающей среды изменялась от +15 до +40⁰ С.

На рисунке 1 показано изменения напряженности магнитного поля рассеяния при нагружении образца стали 09Г2С. Из графика видно, что первый цикл нагружения и разгружения стали на 50 МПа привел к изменению магнитного поля рассеяния примерно на 20 А/м. Последующие циклы с возрастающей амплитудой приводят к монотонному уменьшению напряженности поля

Таким образом, опыт показывает, что убыль магнитного поля в зоне локальной намагниченности тем больше, чем больше деформация. Снятие нагрузки мало сказывалось на величине сигнала. То есть материал достаточно хорошо запоминал однократно приложенную нагрузку не только в момент ее приложения, но и после снятия. Повторное приложение нагрузки с меньшей амплитудой практически не сказывается на величине поля. То есть материал «запоминает» максимальную нагрузку.

Рис. 1. Влияние нарастающих напряжений по амплитуде нагружений и разгружений на магнитное поле рассеяния пластины из стали 09Г2С.

Это свойство может быть использовано для контроля пиковых нагрузок:

• –    величины напряжений испытываемых в разных местах устройства при гидродинамическом ударе [8];

• –    величины и распределения напряжений, возникающих в трубопроводе при его опрессовке;

• –    при определении напряжений, которому подвергается металл в условиях пучения грунта [1];

• –    при оценке максимальных деформаций, которые возникают при больших перепадах температуры (-50⁰ -+40⁰ С) в металлоконструкциях вследствие разницы в термическом коэффициенте длины грунта и металла;

  – при определении работоспособности стальной опоры путем распознавания, несет ли опора нагрузку или она осела, и в результате нагрузка перераспределилась на соседние опоры, создавая в некоторых случаях аварийную ситуацию. При этом, большое значение, имеет свойство сталей сохранять величину остаточного магнитного поля при охлаждении металла.

В ряде случаев от момента намагничивания до окончания измерения требуется значительный промежуток времени. Поэтому возникает необходимость в исследовании временной стабильности остаточной намагниченности конструкционных сталей [4, 8].

Исследования временной стабильности магнитного поля рассеяния (или локальной остаточной намагниченности) проводилось на стали 09Г2С и стали 10 после дополнительной термической обработки и в различных напряжениях. Полученные данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Марки стали, температура отжига и напряжения при долговременной и постоянной деформации (нагрузки)

Номер образца	Марка стали	Т, ºС	Нагрузка σ mах расчетная, МПа
1	Сталь10	600	0
2	Сталь 10	600	272
3	09Г2С	600	0
4	09Г2С	600	204
5	09Г2С	900	170
6	09Г2С	900	590
7	Сталь 10	900	пластическая деформации
8	Сталь 10	900	0

Регистрация в месте локального намагничивания нормальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния H n проводилась в течении 45-350 суток после намагничивания. Результаты некоторых измерений представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Изменение напряженности магнитного поля рассеяния H_r намагниченного участка на образцах № 1-4 после отжига при 600ºС.

В процессе отжига стали при температуре 600º идет движение частиц металла дислокаций, при этом снимаются остаточные напряжения, происходит диффузионный дрейф примесных атомов, уменьшается структурная неоднородность. Эти процессы приводят к уменьшению твердости и прочности стали при высокой пластичности.

После отжига при 900ºС сталь имеет мелкозернистую структуру, высокую вязкость, пластичность, низкую твердость и пониженную коэрцитивную силу. Выдержка в вакуумной печи при данной температуре обеспечивает завершение фазовых превращений и растворение примесей. В результате формируется боле стабильная кристаллическая структура.

Первая серия опытов по отслеживанию изменения магнитного поля от времени была проведена в течение 45 дней. В качестве уравнения аппроксимации выбрали характерную для релаксационных процессов экспоненциальную функцию. В экспоненте степенной показатель характеризует скорость релаксационных процессов.

Рассчитанный степенной показатель уравнения аппроксимации релаксационных процессов образца № 1 стали 10 ( 7 = 0 МПа ) составил 5Н0^-4, а в образце № 2 ( 7 = 272,4 МПа ) - 1Ы0^-4. Таким образом, по степенным показателям видно, что во втором образце релаксационные процессы протекают несколько быстрее, чем в первом. Причиной может быть механическая деформация, приводящая к диффузионному перераспределению примесных атомов (прежде всего атомов углерода и азота), которое в свою очередь приводит к движению междоменных границ, что и сопровождается некоторым размагничиванием.

Степенной показатель уравнения аппроксимации релаксационных процессов за те же 45 дней у образца № 3 стали 09Г2С нагруженной до ( 7 = 0 МПа ) составил -■ 1-10⁴, а в образце № 4 ( 7 = 136,2 МПа ) - - 23^10⁴. Степенной показатель образца 4 заметно больше, чем у образца 3. Отсюда также можно сделать вывод, что релаксационные процессы в неоднородно нагруженном образце (изгиб) протекают быстрее.

На рисунке 3 показаны релаксационные процессы после отжига при 900ºС. Образец № 5 из стали 09Г2С находящийся это время под нагрузкой 7 = 204,3 МПа , а образец № 6 под нагрузкой 7 = 170,2 МПа .По степенным показателям уравнения аппроксимации видно, что релаксационные процессы протекают быстрее в более нагруженном образце. Подобная картина наблюдается и на образцах из стали I0.

Несмотря на то, что релаксационные процессы в нагруженных образцах протекают быстрее, сам эффект остается достаточно малым. Так за 45 дней убыль напряженности магнитного поля рассеяния составила у стали 10 порядка 2–3% и 7–8 % у стали 09Г2С [1]. Причем процесс наиболее интенсивно протекает впервые I5-30 дней.

Исследование релаксационных процессов в одноос-но и однородно нагруженном образце и, в практически экранированном состоянии нагружения, осуществлялось с помощью винтового зажима.

Размеры образца из стали 09Г2С в виде тонкостенной трубки диаметром 30 мм и длиной 140 мм. Образец в состоянии поставки долгое время находившийся без нагрузки, закрепили в специальной установке и нагрузили до 250 МПа. Внутрь образца помещались две намагничивающие катушки, включенные встречно. С помощью импульсного устройства многократными импульсами намагничивалась центральная область образца. Затем катушки вынималась, а на их место помещались два феррозондовых магнитометра ФМ-1Т., включенные встречно, что исключало влияние внешнего магнитного поля.

H r , A|M

Рис. 3. Изменение напряжённости магнитного поля рассеяния H r намагниченного участка на трубчатом образце.

Показатель скорости релаксации на образце не прошедшем термическую обработку составил 6Н0^-4, что говорит о весьма малых релаксационных процессах при 7 = 250 МПа . Изменение напряженности магнитного поля рассеяния за 50 суток составило 3 - 4%.

Результаты долговременных испытаний динамики магнитных полей рассеяния приведены на рисунке 4.

Дальнейшие наблюдения за образцами, представленными на рисунке 3, показало, что за последующие 300 дней убыль напряженности магнитного поля рассеяния составила у стали 10 порядка 30-35% и 15-20 % у стали 09Г2С.

Обращает на себя внимание высокая стабильность магнитного поля локальной намагниченности у наклепанного изгибом перед испытанием образца. Казалось бы, что после наклепа вновь созданная дислокационная структура спровоцирует сток примесных атомов к дислокациям и создание вокруг них «облаков» Котрелла, а это в свою очередь приведет в движение междоменные границы и, как следствие, к размагничиванию. Но вероятно взаимодействие междоменных границ с системой дислокаций сильно наклепанного образца достаточно велико, что бы противостоять изменениям в металле и изменениям внешних факторов.

Из рис. 5 следует, что за последующие 300 дней убыль напряженности магнитного поля рассеяния составила порядка 30-35% без нагрузки, под нагрузкой 2% у стали марки 10 и 7-8 % у стали 09Г2С.

Выводы:

• 1 . В нагруженных до 7 _{0 2} образцах стали 20 и стали 09Г2С убыль величины магнитного поля рассеяния и локальной намагниченности достаточно не велика.

• 2.В качестве уравнения аппроксимации выбрали характерную для релаксационных процессов экспоненциальную функцию. В экспоненте степенной показатель характеризует скорость релаксационных процессов.

  

  Рис. 4. Изменение напряжённости магнитного поля рассеяния H_r намагниченного участка на образцах № 1-4 после отжига при 600ºС.

  
  
  

  Рис. 5. Изменение напряжённости магнитного поля рассеяния H_r намагниченного участка на образцах № 5-8 после отжига при 900ºС.

  
  

В указанном интервале их можно учесть в первом приближении при проведении долгосрочного контроля динамики напряженно-деформированного состояния с помощью экспоненциальной функции.

Таким образом, для изучения снеговой и ветровой нагрузок достаточно 3-6 месяцев. Многие сезонные изменения длятся не более 8 месяцев и могут быть учтены по результатам приведенных исследований [4].