автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Магнитный контроль структуры, фазового состава и прочностных характеристик многокомпонентных материалов

На правах рукописи

Л

005538944

ПУТИЛОВА ЕВГЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 "ОЯ 2013

Екатеринбург -

2013

005538944

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: Горкунов Эдуард Степанович,

академик РАН, доктор технических наук, профессор, директор ИМАШ УрО РАН

Официальные оппоненты: Гладковский Сергей Викторович, доктор

технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией

Дерягин Анатолий Иванович, кандидат физико-математических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск

Защита диссертации состоится 10 декабря 2013 в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 004.023.01 при Федеральном государственной бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « Ъ » ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Л а

доктор технических наук, профессор Коновалов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие современной промышленности тесно взаимосвязано с созданием и внедрением новых технологий и в особенности перспективных материалов, которые удовлетворили бы постоянно повышающиеся требования к их прочностным и технологическим свойствам, а также долговечности, надежности и экономичности. Анализ тенденций развития современного производства свидетельствует о том, что одно из эффективных решений отмеченной проблемы заключается в разработке и создании многокомпонентных или многослойных материалов. Слои или компоненты таких материалов по-отдельности обладают разным набором требуемых свойств, но при их соединении возможно получение материала, который будет сочетать в себе преимущества каждого из слоев.

Примерами многокомпонентных материалов, получивших широкое распространение в промышленности, являются конструкционные стали, плакированные коррозионностойкой сталью. Применение подобных биметаллов обусловлено требованиями химической промышленности, например, для создания различного рода резервуаров для хранения химически-активных веществ.

Сварное соединение, в принципе, также можно считать макронсоднородным и отнести к классу многокомпонентных материалов. Компонентами данной системы являются - основной металл, околошовная зона (ОШЗ) и зона шва. В виду термического воздействия и различия в химическом составе между основным материалом и металлом шва структура всех трех зон будет различной. И, как известно, структура материала определяет его свойства - физические и механические. Поэтому в процессе изготовления и эксплуатации материал различных участков сварных конструкций будет по-разному реагировать на влияние окружающей срсды, например на действующие в процессе эксплуатации упругопластические деформации.

Применение макронеоднородных материалов с одной стороны позволяет достичь необходимого уровня свойств при одновременном снижении стоимости продукции, но с другой стороны наличие компонентов с разным уровнем свойств приводит к возникновению проблемы контроля и диагностики таких изделий, как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации. Оценивать подобные материалы как единое целое оказывается неэффективно, поскольку изменения могут происходить лишь в какой-то одной составляющей, либо в каждом компоненте, но в разной степени.

В связи с этим решение задач, связанных с созданием и разработкой методов неразрушающего контроля, позволяющих диагностировать изменения, происходящие в структуре и свойствах отдельных слоев или компонентов макронеоднородных изделий, является актуальным.

С середины прошлого столетия рядом авторов (М.Н. Михеев, И.А. Кузнецов, Э.С. Горкунов, Б.М. Лапидус, Г.В. Вида, А.П. Ничипурук, В.Н. Костин и др.) было опубликовано большое количество работ, посвященных

магнитному контролю структуры и прочностных характеристик повсрхностно-упрочнснных изделий, которые также можно отнести к макронсоднородным материалам. В литературе также описаны распределение магнитных свойств двухслойных материалов с компонентами различной степени жесткости и расчеты коэрцитивной силы двухслойного образца (И.Я. Дехтяр, Keun-Long Wang, Э.С. Горкунов, A.M. Поволоцкая и др.). Работ, посвященных исследованию изменений, происходящих в многокомпонентных системах в целом и их отдельных слоях при приложении внешней нагрузки, при помощи магнитных методов практически нет. При анализе литературных данных работ, направленных на исследование магнитных свойств отдельных зон сварных соединений, и действия различного вида деформаций на них не было обнаружено. Поэтому проведение исследований, направленных на разработку основ для создания неразрушающего магнитного метода контроля структурно-фазового состава и уровня физико-механических свойств макронсоднородных материалов, является весьма актуальным.

Целью диссертационного работы является определение возможностей применения магнитного контроля для оценки изменений, происходящих в структуре, фазовом составе, физико-механических свойствах отдельных слоев в многокомпонентных материалах под действием приложенных напряжений и деформаций.

Для достижения цели диссертационного исследования, необходимо решить следующие задачи.

1. Экспериментально исследовать и установить зависимости магнитных свойств модельных и реально используемых слоистых материалов, компоненты которых обладают значительно отличающимися структурой и физико-механическими свойствами, от степени упругопластической и пластической деформаций.

2. Определить магнитные параметры, чувствительные к протеканию деформационных фазовых превращений в одном из компонентов слоистого материала.

3. Экспериментально исследовать структуру и физико-механические свойства различных зон сварного соединения (материала шва, околошовной зоны и основного металла), с целью выбора информативных параметров, позволяющих оценивать изменения текущего состояния в каждой отдельной зоне сварного соединения. Для основного металла трубы установить информативные параметры, позволяющие контролировать качество термической обработки в процессе изготовления трубы.

4. Оценить влияние приложенных нагрузок по разным схемам нагружения на чувствительность магнитных параметров материалов с разным структурным состоянием.

5. Определить возможность и адекватность применения накладных преобразователей для оценки текущего состояния как многокомпонентного изделия в целом, так и его отдельных компонентов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Показано, что для диагностики деформационно-фазовых превращений в коррозионностойких аустенитных сталях в составе макронеоднородного материала может использоваться значение максимума дифференциальной проницаемости, определяемого из зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

2. Экспериментально установленные различия в структуре и уровне физико-механических свойств основного металла, материала околошовной зоны и сварного шва позволяют рассматривать его в магнитном отношении как многослойный материал.

3. Полученные новые экспериментальные результаты по влиянию различных схем нагружения (растяжение/сжатие, кручение и комбинированное нагружение) на магнитные характеристики показали снижение чувствительности последних в условиях приложения касательных напряжений. При изменении уровня нормальных напряжений от -200 до 200 МПа, что более, чем в 10 раз превышает рабочее давление в трубе, коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость ведут себя однозначно.

4. Показана возможность использования магнитных характеристик, определяемых при помощи накладных преобразователей, в качестве параметров, чувствительных к структурным и деформационным изменениям, а также установлен минимальный относительный объем компонента макронеоднородного материала, участвующего в перемагничивании, необходимого для получения достоверной информации.

Практическая значимость результатов исследований.

В качестве параметров, чувствительных к образованию магнитно-упорядоченной фазы в метастабильных аустенитных коррозионностойких сталях, как отдельного материала, так и в составе многокомпонентной системы в процессе пластического и упругопластичсского деформирования, предложено использовать значения максимумов дифференциальной проницаемости, намагниченности в максимальном приложенном поле, среднеквадратичных напряжения МШБ.

На основании установленных отличий в структурном состоянии и физико-механических свойствах различных зон сварных соединений труб больших диаметров из сталей контролируемой прокатки предложено использование коэрцитиметричсского метода, являющегося структурно-чувствительным, для контроля структурной однородности сварного соединения. Также коэрцитивная сила может быть использована для оценки качества термической обработки основного металла.

Результаты измерений магнитных характеристик с применением накладных магнитных устройств определенных геометрических размеров дают возможность получения информации о состоянии той компоненты слоистого материала, со стороны которой размещен преобразователь.

Коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость и остаточная индукция могут быть использованы при оценке величин приложенных нормальных напряжений как макронеоднородного материала в целом, так и его отдельных компонентов в диапазоне напряжений до 0,4 от предела текучести.

Результаты работы используются в курсе лекций по дисциплине «Физические методы структуроскопии и фазового анализа материалов», входящей в учебный план по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов» магистерской программы «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии» кафедры металловедения Института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; планируются к использованию в научно-исследовательской деятельности ОАО «РосНИТИ». Соответствующие документы приложены к диссертационной работе.

Диссертационная работа выполнялась в рамках работ по Программе Президиума РАН №25 «Разработка моделей и исследование сопротивления деформации, поврежденности и разрушения при интенсивной пластической деформации металлических сплавов и композиционных материалов с использованием экспериментальных методов механики, материаловедения и физических методов контроля», планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН, проектам молодых ученых и аспирантов УрО РАН в 2011 и 2013 годах, и грантам РФФИ 09-08-01091-а, 11-01-12126-офи-м-2011 и 13-01-00732.

Методология и методы исследования.

Научные исследования были проведены с привлечением современных методов материаловедения, механики прочности, физики магнитных явлений. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных и поверенных приборов и средств измерений, входящих в состав материальной базы ЦКП «Пластометрия». Применялись стандартизованные методики для проведения механических испытаний, определения твердости.

Положения, выносимые на защиту:

1. Возможность использования параметров, определяемых из полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости для диагностики образования и последующей количественной оценки магнитно-упорядоченной фазы в коррозионностойких аустенитных сталях в процессе пластического и упругопластического деформирования.

2. Новый подход к контролю однородности структурного и напряженно-деформированного состояния сварного соединения: предложены магнитные параметры, отражающие различия в структуре и в уровне свойств между основным металлом и материалом шва и околошовной зоны и позволяющие использовать их в качестве основы для создания методик по контролю структуры и прочностных свойств сварных соединений с целью диагностики отклонения от требуемого состояния.

3. Совокупность экспериментальных данных о влиянии нагружения по различным схемам (растяжснис/сжатис, кручение и комбинированное нагружение) на поведение магнитных характеристик отдельных зон сварных соединений.

4. Диапазоны применения коэрцитивной силы, остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости, однозначно изменяющихся с увеличением уровня действующих напряжений и деформаций, в качестве параметров для оценки напряженно-деформированного состояния макронеоднородных материалов и их отдельных компонентов в процессе изготовления и эксплуатации.

Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена применением апробированных методик и современного оборудования, проверкой полученных результатов альтернативными методами исследования, а также их соответствием данным других исследователей.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих российских и международных конференциях: VI и VII Российская научно-техническая конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2010 и 2012); I0th European Conférence on NonDestructive Testing (Москва, 2010); V Российская конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2011); II Всероссийская молодежная школа-конференция «Современные проблемы металловедения» (Пицунда, 2011); 9-я и 10-я Международные научно-технические конференции «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2011 и СММТ'13)» (Санкт-Петербург, 2011 и 2013); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011)); XIX и XX Международные научно-технические конференции «Трубы - 2011» и «Трубы-2012» (Челябинск, 2011; Сочи, 2012)); 18th World Conférence of Non-Destructive Testing (ЮАР, 2012); XX Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2012); 5th International Conférence on NDT of HSNT- 1С MINDT (Греция, 2013); Международная научно-техническая конференция «Достижения физики неразрушающего контроля» (Минск, 2013); XXV, XXVI, XXVII, XXVIII Международные конференции неразрушающего контроля, «Дни Неразрушающего контроля» (Болгария, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.).

Публикации: основное содержание работы отражено в 24 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК России и 5 статей в международных журналах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 131 наименование. Содержание диссертации изложено на 143 страницах, включая 51 рисунок, 11 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики исследований, сформулирована цель работы и задачи исследования, перечислены полученные автором результаты, раскрыта их научная и практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

Первая глава посвящена обзору современного состояния исследуемой тематики. Представлен краткий анализ существующих методов магнитного контроля поверхностно-упрочненных материалов, как частного случая многокомпонентной системы. Рассмотрены также различные теории, касающиеся распределения магнитных свойств двухслойных материалов с компонентами различной степени жесткости, и расчеты коэрцитивной силы двухслойного образца. Подробно описано совершенствование технологий производства трубных марок сталей за последние шесть десятилетий; требования, предъявляемые к уровню прочностных, эксплуатационных и технологических свойств трубных сталей разных классов прочности. Анализ литературных источников по состоянию проблемы контроля сварных соединений показал, что работы в основном ведутся в направлении выявления различного рода дефектов, возникающих при изготовлении и эксплуатации. При работе с литературными источниками публикации, посвященные исследованию магнитных свойств отдельных зон сварных соединений, и влиянию различного вида нагружения на них, не встречались.

Показано, что в работах российских и зарубежных авторов описано решение проблемы, связанной с необходимостью контроля свойств отдельных слоев в многокомпонентных изделиях, которую можно решить путем использования особенностей перемагничивания двухслойного ферромагнетика. Проведен анализ работ, посвященных влиянию пластического и упругопластичсского деформирования на магнитные характеристики однородных материалов. Однако, результатов, представленных в опубликованных работах, оказывается недостаточно для обоснования применения и создания методик по оценке влияния упругопластичсских деформаций на структуру и физико-механические свойства многокомпонентных материалов, и тем более их отдельных слоев.

Вторая глава посвящена описанию исследуемых материалов, применяемого оборудования и использованных методик.

Круг исследованных материалов включает в себя: слоистые материалы -трехслойный модельный пакет «сталь 12Х18Н10Т - армко-железо - сталь 12Х18Н10Т» и изготовленный по технологии сварки взрывом двухслойный материал «сталь 08Х18Н10Т - сталь СтЗ»; отдельные компоненты слоистых материалов - армко-железо, коррозионностойкие стали аустенитного класса 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, конструкционная сталь СтЗ; трубные стали 22ХГ2А, ЗОХМА и 32Г2; трубные низкоуглеродистыс стали контролируемой прокатки классов прочности Х70 и Х80.

Приведены технические характеристики приборов и установок, использованных в экспериментах.

В третьей главе рассматривали влияние пластического и упругопластичсского деформирования на структуру, фазовый состав и физико-мсханичсскис свойства слоистых материалов.

Проведенные микроструктурные исследования отдельных компонентов и слоистых материалов, составленных их них, показали, что увеличение степени деформации прокаткой епр приводит к измельчению зерна всех исследуемых материалов и формированию кристаллографической текстуры деформации. В структуре мстастабильной аустснитной стали под действием пластической деформации происходит протекание фазового у—>а превращения с образованием в структуре коррозионностойких сталей типа 18-10 магнитно-упорядсчснной фазы - а'-мартенсита деформации. Экспериментально установлено, что более интенсивное протекание фазового превращения идет на поверхности прокатываемой пластины. Из рисунка 1 видно, что количество а'-фазы для обеих сталей, определенное при помощи рентгенофазового анализа (берется в расчет только тонкий поверхностный слой) несколько больше, чем при определении магнитным методом (анализируется весь объем материала). Пластическая деформация прокаткой биметаллического соединения, полученного по технологии сварки взрывом, приводит к выравниванию волнообразной границы раздела двух компонентов и к увеличению прочностных свойств материала (Рисунок 2).

п рентгеноструктурныи

анализ -■—магнитный метод

Рисунок 1 - Количество мартенсита деформации а'в стали 12Х18Н1 ОТ в зависимости от степени деформации прокаткой епр

300-

200-

стал ь 08X18Н10Т сталь СтЗ

-2-10 1 2 3 4 Расстояние от границы раздела, мм

Рисунок 2 - Распределение твердости НУ по сечению двухслойного материала при различных степенях деформации прокаткой епр

Установлен однозначный характер изменения коэрцитивной силы //с армко-жслсза и углеродистой стали на основе железа, а также слоистых материалов «сталь 12Х18Н10Т - армко-железо - сталь 12Х18Н10Т» и «сталь 08Х18Н10Т - сталь СтЗ», компонентами которых они являются, с увеличением степени деформации прокаткой (Рисунок 3).

Величины коэрцитивной силы с увеличением степени обжатия возрастают. Очевидно, подобное поведение обусловлено увеличением

плотности дислокаций (//с

N

1/2

где N - плотность дислокаций) и

измельчением зерна в обоих материалах при пластической деформации прокаткой (//с ~ сГ\ где с1 - размер зерна). Можно предположить, что для углеродистых сталей подобного класса будут наблюдаться качественно похожие однозначные зависимости 11с от уровня пластической деформации прокаткой. Количественный уровень магнитных характеристик углеродистых сталей в основном будет определяться химическим составом сталей. Схожий характер поведения /Д. отдельного компонента и слоистого материала в целом позволяет говорить о том, что основной вклад в формирование магнитных свойств многокомпонентных материалов вносит составляющая с более высоким уровнем магнитных свойств.

е г

гр пр

Рисунок 3 - Изменение коэрцитивной силы Яс армко-железа, СтЗ (а) и трех- и двухслойных материалов (б) в зависимости от степени деформации прокаткой

£цр

Как видно из рисунка 4 такие магнитные характеристики как намагниченность в максимальном приложенном поле среднеквадратичные значения напряжений магнитных шумов Баркгаузена (МШБ) и, значение максимума дифференциальной проницаемости |лд„фМако определяемое из полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости, с увеличением степени деформации прокаткой монотонно возрастают. Это позволяет использовать установленные параметры для диагностики образования и количественной оценки магнитно-упорядоченной фазы - а'-мартенсита деформации, образующейся в коррозионностойких аустенитных сталях типа 18-10 под действием приложенных напряжений и деформаций.

Использование накладных преобразователей для определения магнитных свойств макронеоднородных материалов и их отдельных компонентов позволяет решать широкий круг задач, как в лабораторных условиях, так и на производстве. Кроме того, в случае двухслойных материалов применение накладных датчиков даст возможность проводить измерения магнитных характеристик на каждой из их сторон, в отличие от использования проходных преобразователей, позволяющих получать только интегральные магнитные характеристики слоистых материалов. Результаты измерений магнитных характеристик с применением накладных магнитных устройств определенных геометрических размеров дают возможность получения информации о

состоянии той компоненты слоистого материала, со стороны которой размещен преобразователь. Значения тока размагничивания /рс, пропорциональные коэрцитивной силе, и величина э.д.с.ШК[:, пропорциональная магнитному потоку при максимальном намагничивающем токе, измеренные при помощи приставных преобразователей на компонентах двухслойного материала «сталь СтЗ - сталь 08Х18Н10Т» демонстрируют качественно похожие зависимости кривым, полученные при измерении в замкнутой магнитной цепи на отдельных компонентах этого материала.

б)

Рисунок 4 - Зависимости намагниченности в максимальном приложенном поле Ц(|Ммакс (а), среднеквадратичные значения напряжений МШБ С/ (б) и максимальной дифференциальной проницаемости ¡.1д„фмакс («) стали 08Х18Н1 ОТ от степени деформации прокаткой е,ф

Величина магнитного поля, соответствующего значению максимума дифференциальной проницаемости на полевых зависимостях слоистых материалов, приблизительно соответствует коэрцитивным силам компонентов их образующих. Максимум, соответствующий стали СтЗ, как отдельному компоненту, так и в составе биметалла, с увеличением степени деформации прокаткой сдвигается в сторону более сильных полей.

На рисунке 5 представлены кривые цд„ф(//) для сталей СтЗ, 08Х18Н10Т и двухслойного материала «сталь СтЗ - сталь 08Х18Н10Т», прокатанных на различные степени деформации. В исходном состоянии (см. Рисунок 5а) на полевой зависимости биметалла мы видим только один пик, соответствующий компоненту из стали СтЗ (поля, в которых локализуются максимумы биметалла

и стали СтЗ практически совпадают), поскольку коррозионностойкая сталь при епр = о парамагнитна и пик не образуется. Как видно из рисунка 5б на кривой ЦдифС^Л для двухслойного материала, прокатанного с £пр = 0,62, наблюдается уже два пика, соответствующие двум ферромагнитным фазам - ферриту в стали СтЗ и мартенситу в стали 08Х18Н10Т.

Рисунок 5 - Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости двухслойного материала «сталь 08Х18Н10Т - сталь СтЗ» и его отдельных компонентов, построенные для различных степеней деформации прокаткой епр (Пунктирной линией обозначены значения Д., соответствующие двум ферромагнитным фазам - ферриту и мартенситу)

Таким образом, по значению поля соответствующего максимуму дифференциальной проницаемости на полевых зависимостях дифференциальной магнитной проницаемости углеродистых сталей и слоистых материалов на их основе можно оценивать степень пластической деформации прокаткой в материале. Максимум дифференциальной проницаемости, определяемый из полевых зависимостей слоистых материалов, может служить параметром для диагностики количества, образовавшейся в процессе пластической и упругопластичсской деформации новой магнитно-упорядоченной фазы - а'-мартснсита деформации.

Экстремумы, наблюдаемые на зависимостях коэрцитивной силы от уровня приложенных растягивающих напряжений //с(о/аа2) стали СтЗ и биметалла (Рисунок 6а и 6«) в упругой области растяжения, можно объяснить формированием магнитной текстуры напряжений, получившей также название наведенной магнитной анизотропии. Действие напряжений, достигающих и превышающих предел текучести, приводит к разрушению магнитной текстуры напряжений, и основным фактором, влияющим на коэрцитивную силу в области пластической деформации, является увеличение плотности дислокаций и дислокационных скоплений. Для стали 08Х18Н10Т (см. Рисунок 6б) образование максимума при напряжениях, превышающих предел текучести (для епр = 0) и в районе о0.2 (для Епр = 0,19 и епр = 0,27) может быть обусловлено переходом магнитоупорядоченной фазы из однодоменного в многодомсннос состояние и последующим ростом этой фазы.

а) б) в)

Рисунок 6 - Зависимость коэрцитивной силы Д. сталей СтЗ («), 08Х18Н1 ОТ (б) и двухслойного материала «сталь 08Х18Н1 ОТ - сталь СтЗ» (в) от приложенных растягивающих напряжений 0/0,12

Однако в упругой области растяжения при напряжениях меньше, чем 0,4 от предела текучести, как для отдельных компонентов, так и для слоистых материалов коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость изменяются монотонно. Это позволяет использовать эти характеристики для оценки степени деформации одноосным растяжением на стадии упругих напряжений в изделиях из исследованных материалов в процессе эксплуатации.

В четвертой главе приводятся результаты, отражающие возможность применения магнитных характеристик для оценки текущего состояния отдельных зон сварных соединений.

Проведено исследование структуры, механических и магнитных свойств материала тела труб, изготовленных из сталей марок 22ХГ2А, 30ХМА и 32Г2, после различных операций термической обработки. Из рисунка 1а видно, что недогрев под закалку приводит к снижению твердости и коэрцитивной силы, ввиду образования в структуре мягкой структурной составляющей - феррита. При дальнейшем увеличении температуры закалки до оптимальных температур аустснитизации и выше НЯС и //с в пределах погрешности не изменяются. С увеличением температуры отпуска твердость и коэрцитивная сила изменяются однозначно (Рисунок 16). Установлено, что коэрцитиметрический метод может быть использован для контроля качества таких операций термической обработки как недогрев под закалку и отпуск сталей 22ХГ2А, 30ХМА и 32Г2. Установлено качественное подобие зависимостей коэрцитивной силы, определенной в замкнутой магнитной цепи и с применением приставного электромагнита. Небольшие количественные отклонения возникают ввиду того, что при намагничивании приставным электромагнитом состояние технического насыщения не достигается, поэтому значения Пе ниже, чем при измерениях в замкнутой магнитной цепи.

30

о £ 20

800 850 900 950

■Hb замкнутой магнитной цепи -Н приставным ^лектромагнитдм

550 600 650 7000 Температура отпуска, С

б)

Температура закалки, С

а)

Рисунок 7 - Зависимости твердости HRC и коэрцитивной силы //с. от температуры закалки (а) и отпуска (б) для трубной стали 30ХМА

Показано, что материал шва обеих исследованных сталей обладает большей дисперсностью по отношению к основному металлу и тем более к материалу ОШЗ, где происходит формирование крупнозернистой структуры. По уровню прочностных свойств сварное соединение стали класса прочности Х80 является более равнопрочным, чем у стали класса прочности Х70, о чем свидетельствует показатель aojan (Таблица 1). Большее значение Coj/on для материала ОШЗ стали Х70 по сравнению с основным металлом и материалом шва свидетельствует о меньшей способности к деформационному упрочнению, этого материала.

Таблица 1 - Механические и магнитные свойства металла из различных зон

Класс прочности Зона сварного соединения МПа Оц, МПа 6,% СоУ^и IIс. А/см В„ Тл М-маке Ц..Л/™«, Тл

Х70 Основной металл 505 635 17,2 0,79 5,3 0,922 788 2,0

Х80 595 650 14,7 0,91 7,1 1,125 744 2,03

Х70 Металл шва 490 640 17,5 0,77 8,9 0,58 342 1,95

Х80 640 710 14,8 0,90 10,6 1,063 544 1,97

Х70 Металл ОШЗ 525 615 19,5 0,85 6,2 0,86 670 2,05

Х80 600 680 14,2 0,88 7,1 1,127 760 2,04

Установлено, что значения поля максимума дифференциальной проницаемости на полевых зависимостях, коррелируют с различным структурным состоянием и уровнем физико-механических свойств отдельных зон сварных соединений (Рисунок 8). Показано также, что по величине максимума дифференциальной проницаемости можно судить о вкладе каждой из зон в сигнал первичного преобразователя измерительного прибора.

а) б)

Рисунок 8 -Зависимости дифференциальной магнитной проницаемости ц;„,ф от напряженности магнитного поля Н материала из различных зон сварных соединений сталей классов прочности Х70 (а) и Х80 (б)

Полученные новые экспериментальные результаты по влиянию различных схем нагружения (растяжсние/сжатис, кручение и комбинированное нагружение) на магнитные характеристики, показали, снижение чувствительности последних в условиях приложения касательных напряжений (Рисунки 9 и 10). Из рисунка 9 видно, что при уровне нормальных напряжений от -200 до 200 МПа, не превышающих 0,4 от предела текучести и в несколько раз превышающих рабочее давление в трубе (порядка 10-15 МПа), коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость ведут себя однозначно, что позволяет использовать их в качестве параметров для оценки текущего состояния отдельных зон сварных соединений труб большого диаметра.

а, МПа о, МПа а, МПа

Рисунок 9 - Зависимости коэрцитивной силы //с, остаточной индукции В, и максимальной магнитной проницаемости цыакс основного металла (■), материала шва (А) и ОШЗ (о) стали класса прочности Х70 от нормальных напряжений о

Из рисунков 10 и 11 видно, касательные напряжения оказывают слабое влияние на магнитные характеристики.

О 100 200 0 100 200 0 100 200

т, МПа т, МПа т, МПа

Рисунок К) - Зависимости коэрцитивной силы Д., остаточной индукции Вг и максимальной магнитной проницаемости ц,ши. основного металла (■), материала шва (А) и ОШЗ (о)стали класса прочности Х70 от касательных

с, МПа а, МПа

Рисунок 11 - Зависимости коэрцитивной силы //с материала шва сталей классов прочности Х70 (а) и Х80 (б) от нормальных напряжений о при различном уровне касательных напряжений т

При комбинированном нагружении (см. Рисунок 11) наложение касательных напряжений лишь приводит к небольшому изменению наклона зависимостей коэрцитивной силы от уровня нормальных напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложено использовать значение максимума дифференциальной проницаемости, определяемого из зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, в качестве параметра при диагностике образования магнитно-упорядоченной фазы в коррозионностойких аустенитных сталях, как компоненте макронсоднородной системы, в процессе пластического и упругопластического деформирования.

2. Экспериментально установлено, что основной металл и материал шва и околошовной зоны сварных соединений трубных сталей обладают различной структурой и уровнем механических и магнитных свойств, что позволяет рассматривать сварное соединение в магнитном отношении как многослойный материал. Установленные различия могут быть использованы в качестве основы для создания методик по контролю однородности структурного состояния и физико-механических свойств сварных соединений с

целью диагностики отклонения от требуемого состояния. Показано, что коэрцитиметричсский метод может быть использован для контроля прочностных свойств термически упрочненных трубных сталей, причем измерения, возможно, проводить как в замкнутой магнитной цепи, так и с использованием накладных преобразователей.

3. Установлено снижение чувствительности магнитных характеристик к приложенным касательным напряжениям по сравнению с нормальными напряжениями. При уровне нормальных напряжений от -200 до 200 МПа, более чем в десять раз превышающих рабочее давление в трубопроводе, коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость ведут себя однозначно, что позволяет использовать их в качестве параметров для оценки текущего состояния отдельных зон сварных соединений труб большого диаметра.

4. В качестве параметров для оценки величин приложенных нормальных напряжений в диапазоне напряжений до 0,4 от предела текучести для макронеоднородных материалов и их отдельных компонентов могут быть использованы коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость и остаточная индукция.

5. Показана возможность использования магнитных характеристик, определяемых при помощи накладных преобразователей, в качестве параметров, чувствительных к структурным и деформационным изменениям, а также установлен минимальный относительный объем компонента макронеоднородного материала, участвующего в перемагничивании, необходимого для получения достоверной информации.

Предложенные магнитные параметры могут быть использованы при создании методик:

- диагностики образования и количественной оценки мартенсита деформации, образующегося в коррозионностойких аустснитных сталях в результате пластического деформирования в процессе изготовления и эксплуатации, и приводящего к снижению коррозионной стойкости конструкций, используемых в химическом машиностроении;

- контроля структуры, ее однородности и уровня физико-механических свойств сварных соединений труб большого диаметра, эксплуатируемых в тяжелых климатических условиях, а также для оценки уровня действующих напряжений в различных зонах сварных труб с целью прогнозирования превышения допустимого уровня приложенных нагрузок.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в научных изданиях, входящих в список ВАК РФ:

I. Горкунов Э.С. Влияние деформации прокаткой и одноосным растяжением на структуру, магнитные и механические свойства армко-жслеза, стали 12Х18Н10Т и составного материала «сталь I2XI8H10T- армко-жслсзо -

сталь 12Х18Н10Т» [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Коковихин Е.А., Тусва Е.А. (Путилова), Субачев Ю.В., Горулева Л.С., Подкорытова A.B. // Дефектоскопия. - 2011. - №6. - С. 16-30.

2. Горкунов Э.С. Определение магнитных свойств отдельных зон сварного соединения и ширины сварного шва по магнитным измерениям [Текст] / Горкунов Э.С., Поволоцкая A.M., Тусва Е.А. (Путилова), Горулева JI.C., Задворкин С.М. // Дефектоскопия. - 2011. - №9. - С. 3-16.

3. Горкунов Э.С. Использование магнитного структурно-фазового анализа для диагностики состояния композиционного материала «сталь 08X18HI0T - сталь СтЗ» и составляющих его компонент, подвергнутых пластической деформации [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Поволоцкая A.M., Горулева JI.C., Веретснникова И.А., Каманцев И.С. // Дефектоскопия. - 2012. - №6. - С. 30-43.

4. Горкунов Э.С. Оценка приложенных напряжений при упругопластичсской деформации одноосным растяжением двухслойного композиционного материала «сталь СтЗ - сталь 08Х18Н10Т» магнитными методами [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Путилова Е.А. II Дефектоскопия. - 2012. - №8. - С. 64-76.

Основные публикации в научных изданиях, не входящих в список ВАК РФ:

1. Горкунов Э.С. Оценка напряжений в высокопрочных трубных сталях по магнитным измерениям [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Митропольская С.Ю., Тусва Е.А. (Путилова), Шершнева JI.C. // Научни известия на НТСМ. - 2010. - Година XVII. - Брой 5(115). - С. 18-23.

2. Горкунов Э.С. Диагностика состояния отдельных зон сварного соединения и геометрии сварного шва по магнитным измерениям [Текст] / Горкунов Э.С., Поволоцкая A.M., Тусва Е.А. (Путилова), Горулева JI.C., Задворкин С.М. // Научни известия на НТСМ. - 2011. - Година XIX. - Брой 1(121).-С. 29-35.

3. Горкунов Э.С. Влияние пластической деформации прокаткой на фазовый состав, механические и магнитные свойства композиционного материала «сталь СтЗ-сталь 08Х18Н10Т» [Текст] / Горкунов Э.С., Поволоцкая A.M., Путилова Е.А., Задворкин С.М., Миховски М. // Научни известия на НТСМ. - 2012. - Година XX. - Брой 1 ( 133). - С. 7-11.

4. Горкунов Э.С. Диагностика состояния композиционного материала «сталь СтЗ-сталь 12Х18Н10Т» и его компонентов при упругопластическом одноосном растяжении по магнитным измерениям [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Горулева JI.C., Иванова Й. // Научни известия на НТСМ.-2012.-Година XX.-Брой 1(133).-С. 3-6.

5. Горкунов Э.С. Влияние упругих деформаций растяжением и кручением на магнитные свойства металла в различных зонах труб большого

диаметра [Текст] / Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Путилова Е.А. // Научни известия на НТСМ. - 2013. - Година XXI. - Брой 2(139). - С. 22-25.

6. Путилова Е.А. Исследование влияния упругих деформаций растяжением и кручением на магнитные свойства металла в различных зонах труб большого диаметра [Электронный ресурс] / Путилова Е.А., Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, Р.А. Саврай, JI.C. Горулева. // "Трубы-2012": материалы XX научно-технической конф. - Сочи, 2012. - Электронно-оптический диск.

7. Evgeniia A. Putilova State Diagnostic of the metal in the different zones of welded large diameter pipes under elastic deformation by tension (compression) and torsion by means of magnetic measurements [Электронный ресурс] / Evgeniia A. Putilova, Edward S. Gorkunov, Sergey M. Zadvorkin // 5th International Conference on NDT of HSNT- 1С MINDT: материалы конф. - Греция, Афины, 2013. - Электронно-оптический диск.

8. Путилова Е.А. Структура и физико-механические свойства металла в различных зонах сварных труб большого диаметра [Текст] / Путилова Е.А., Горкунов Э.С., Задворкин С.М. // «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2013)»: труды международной научно-технической конф. -Санкт-Петербург, 2013. - С. 308-309.

Формат 60*84 1/6 Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Центр оперативной полиграфии «Копирус» 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 137

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201365034

ПУТИЛОВА Евгения Александровна

МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук, профессор, Э.С. Горкунов

Екатеринбург -

2013

зь

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения

Российской академии наук

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ...............................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................6

1. МЕТОДЫ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОСТАВЛЯЮЩИЕ КОТОРЫХ ИМЕЮТ РАЗЛИЧНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).......................................15

1.1 Магнитные методы НК поверхностно-упрочненных материалов..................16

1.2 Методы магнитного неразрушающего контроля многослойных материалов..................................................................................................................19

1.3 Сварные соединения как макронеоднородный объект для магнитных методов неразрушающего контроля........................................................................23

1.4 Развитие сталей для магистральных трубопроводов.......................................25

1.5 Особенности перемагничивания слоистого ферромагнетика.........................30

1.6 Современное состояние проблемы неразрушающего контроля структуры, механических свойств и действующих напряжений в макронеоднородных материалах..............................................................................33

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................36

2.1. Материалы и образцы для исследований.........................................................36

2.2 Оборудование и методы экспериментальных исследований..........................44

3. ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ..........53

3.1 Влияние пластической деформации прокаткой на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства армко-железа и сталей СтЗ, 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, а также полученных из них трех- и двухслойных материалов..........................................................................................53

3.2 Изменение фазового состава и магнитных характеристик двух- и трехслойных материалов «сталь 12Х18Н10Т - армко-железо - сталь 12Х18Н10Т» и «сталь СтЗ - сталь 08Х18Н10Т», а также их отдельных

компонентов в условиях упругопластического деформирования

растяжением...............................................................................................................77

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3...............................................................................................86

4. ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ НК ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.............................................................................................................88

4.1 Влияние режимов термической обработки на структуру, механические и магнитные свойства сталей для производства труб нефтегазового сортамента..................................................................................................................88

4.2 Влияние нагружения по различным схемам на структуру, механические и магнитные свойства различных зон сварных соединений (основной металл, материал шва и околошовной зоны) трубных сталей классов прочности Х70 и Х80..................................................................................94

4.2.1 Структура и физико-механические свойства отдельных зон сварных соединений сталей классов прочности Х70 и Х80 в исходном состоянии..........94

4.2.2 Изменение магнитных характеристик отдельных зон сварных соединений трубных сталей классов прочности Х70 и Х80 под действием нормальных напряжений одноосного растяжения (сжатия)...............................100

4.2.3 Изменение магнитных характеристик отдельных зон сварных соединений трубных сталей классов прочности Х70 и Х80 под действием касательных напряжений при кручении................................................................102

4.2.4 Изменение магнитных характеристик отдельных зон сварных соединений трубных сталей классов прочности Х70 и Х80 под действием комбинированного нагружения: растяжение (сжатие) и кручение....................104

4.3 Использование магнитных параметров для определения геометрии сварного шва.............................................................................................................107

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.............................................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................120

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ....................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ В.......................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной промышленности тесно взаимосвязано с созданием и внедрением новых технологий и в особенности перспективных материалов, которые удовлетворили бы постоянно повышающиеся требования к их прочностным и технологическим свойствам, а также долговечности и надежности, и, что не маловажно, экономичности. Анализ тенденций развития современного производства свидетельствует о том, что одно из эффективных решений отмеченной проблемы заключается в разработке и создании многокомпонентных и макронеоднородных материалов. Составные части таких материалов по-отдельности обладают разным набором требуемых свойств, но при их соединении возможно получение материала, который будет сочетать в себе преимущества каждого из слоев.

Одним из примеров многокомпонентных материалов с улучшенным комплексом свойств являются материалы, полученные при плакировании конструкционной стали коррозионностойкой сталью. Применение подобных биметаллов обусловлено требованиями химической промышленности, например, для создания различного рода резервуаров для хранения химически-активных веществ. Требования высокой коррозионной стойкости является основным в данной области, однако производство деталей полностью из коррозионностойкой стали было бы слишком затратно, а плакирование тонким слоем в несколько мм конструкционной стали позволяет улучшить коррозионную стойкость, при сохранении прочностных характеристик материала на требуемом уровне, но при этом значительно снизить стоимость конечного продукта.

Современные магистральные нефте- и газопроводы, прокладываемые на дальние расстояния, эксплуатация которых будет проводиться в суровых климатических условиях Ямала, Восточной Сибири, морских месторождений в северных широтах, при пониженных температурах, требуют применения высокопрочных сталей и современных методов сварки для получения прочного и надежного сварного соединения [1-4]. Ввиду термического воздействия и

различия в химическом составе между основным материалом и металлом шва структура всех трех зон будет различной. И, как известно [5], структура материала определяет его свойства - физические и механические. Поэтому в процессе изготовления и эксплуатации материал различных участков сварных конструкций будет по-разному реагировать на действие окружающей среды, например на действующие упругопластические деформации. Поэтому сварное соединение, в принципе, также можно считать макронеоднородным и многокомпонентным материалом. Компонентами данной системы являются несколько зон - основной металл, околошовная зона (ОШЗ) и зона шва.

Применение макронеоднородных материалов с одной стороны позволяет достичь необходимого уровня свойств при одновременном снижении стоимости продукции, но с другой стороны наличие компонентов с разным уровнем свойств приводит к возникновению проблемы контроля и диагностики таких изделий, как на стадии изготовления, так и в процессе последующей эксплуатации. Оценивать подобные материалы как единое целое оказывается неэффективно, поскольку изменения могут происходить лишь в какой-то одной составляющей, либо в каждом компоненте, но в разной степени. Так, например, иногда в одном из компонентов под действием приложенных нагрузок могут происходить фазовые превращения, приводящие к образованию новых составляющих в структуре материала, что может служить причиной ухудшения эксплуатационных свойств изделия в целом, приводящее к снижению долговечности и, впоследствии, к разрушению. Известно [6, 7], что многие коррозионностойкие стали обладают деформационно-нестабильной структурой, в которой при силовом воздействии могут протекать фазовые превращения, приводящие к образованию в парамагнитной аустенитной матрице ферромагнитных частиц а'-фазы. Процессы распада аустенита и образование мартенсита в подобных сталях в значительной степени определяют их коррозионную стойкость и другие физико-механические свойства [8]. Так, например, выделения а'-мартенсита деформации по границам зерен приводит к снижению сопротивления межкристаллитной коррозии [6, 7].

В связи с этим решение задач, связанных с созданием и разработкой методов неразрушающего контроля, позволяющих диагностировать изменения, происходящие в структуре и свойствах отдельных слоев или компонентах макронеоднородных изделий, является актуальным.

Среди множества методов неразрушающего контроля сталей и сплавов на основе железа, наибольшее распространение получили именно магнитные методы. С середины прошлого столетия рядом авторов (М.Н. Михеев, И.А. Кузнецов, Э.С. Горкунов, Б.М. Лапидус, Г.В. Бида, А.П. Ничипурук, В.Н. Костин и др.) было опубликовано большое количество работ, посвященных магнитному контролю поверхностно-упрочненных изделий, которые также можно отнести к макронеоднородным материалам. В литературе также описаны распределение магнитных свойств двухслойных материалов с компонентами различной степени жесткости и расчеты коэрцитивной силы двухслойного образца (И.Я. Дехтяр, Keun-Long Wang, Э.С. Горкунов, A.M. Поволоцкая и др.). Работ, посвященных исследованию изменений, происходящих в многокомпонентных системах в целом и их отдельных слоях при приложении внешней нагрузки, при помощи магнитных методов практически нет. При анализе литературных данных работ, направленных на исследование магнитных свойств отдельных зон сварных соединений, и действия различного вида деформаций на них не было обнаружено. Поэтому проведение исследований, направленных на разработку основ для создания неразрушающего магнитного метода контроля структурно-фазового состава и уровня физико-механических свойств макронеоднородных материалов, является весьма актуальным.

Целью диссертационного исследования является определение возможностей применения магнитного контроля для оценки изменений, происходящих в структуре, фазовом составе, физико-механических свойствах отдельных слоев в многокомпонентных материалах под действием приложенных напряжений и деформаций.

Для достижения цели диссертационного исследования, необходимо решить следующие задачи.

1. Экспериментально исследовать и установить зависимости магнитных свойств модельных и реально используемых слоистых материалов, компоненты которых обладают значительно отличающимися структурой и физико-механическими свойствами, от степени пластической и упругопластической деформации.

2. Определить магнитные параметры, чувствительные к протеканию деформационных фазовых превращений в одном из компонентов слоистого материала.

3. Экспериментально исследовать структуру и физико-механические свойства различных зон сварного соединения (материала шва, околошовной зоны и основного металла), с целью выбора информативных магнитных параметров, позволяющих оценивать изменения текущего состояния в каждой отдельной зоне сварного соединения. Для основного металла трубы установить информативные параметры, позволяющие контролировать качество термической обработки в процессе изготовления трубы.

4. Оценить влияние приложенных нагрузок по разным схемам нагружения на чувствительность магнитных параметров материалов с разным структурным состоянием.

5. Определить возможность и адекватность применения накладных преобразователей для оценки текущего состояния как многокомпонентного изделия в целом, так и его отдельных компонентов.

Научная новизна результатов работы.

1. Показано, что для диагностики деформационно-фазовых превращений в коррозионностойких аустенитных сталях в составе макронеоднородного материала может использоваться значение максимума дифференциальной проницаемости, определяемого из зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

2. Экспериментально установленные различия в структуре и уровне физико-механических свойств основного металла, материала околошовной зоны и

сварного шва позволяют рассматривать его в магнитном отношении как многослойный материал.

3. Полученные новые экспериментальные результаты по влиянию различных схем нагружения (растяжение/сжатие, кручение и комбинированное нагружение) на магнитные характеристики показали снижение чувствительности последних в условиях приложения касательных напряжений. При изменении уровня нормальных напряжений от -200 до 200 МПа, что более, чем в 10 раз превышает рабочее давление в трубе, коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость ведут себя однозначно.

4. Показана возможность использования магнитных характеристик, определяемых при помощи накладных преобразователей, в качестве параметров, чувствительных к структурным и деформационным изменениям, а также установлен минимальный относительный объем компонента макронеоднородного материала, участвующего в перемагничивании, необходимого для получения достоверной информации.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы

В качестве параметров, чувствительных к образованию магнитно-упорядоченной фазы в метастабильных аустенитных коррозионностойких сталях, как отдельного материала, так и в составе многокомпонентной системы в процессе пластического и упругопластического деформирования, предложено использовать значения максимумов дифференциальной проницаемости, намагниченности в максимальном приложенном поле, среднеквадратичных напряжений МШБ.

На основании установленных отличий в структурном состоянии и физико-механических свойствах различных зон сварных соединений труб больших диаметров из сталей контролируемой прокатки предложено использование коэрцитиметрического метода, являющегося структурно-чувствительным, для контроля структурной однородности сварного соединения. Также коэрцитивная сила может быть использована для оценки качества термической обработки основного металла.

Результаты измерений магнитных характеристик с применением накладных магнитных устройств определенных геометрических размеров дают возможность получения информации о состоянии той компоненты слоистого материала, со стороны которой размещен преобразователь.

Коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость и остаточная индукция могут быть использованы при оценке величин приложенных нормальных напряжений как макронеоднородного материала в целом, так и его отдельных компонентов в диапазоне напряжений до 0,4 от предела текучести.

Результаты работы используются в курсе лекций по дисциплине «Физические методы структуроскопии и фазового анализа материалов», входящей в учебный план по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов» магистерской программы «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии» кафедры металловедения Института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; планируются к использованию в научно-исследовательской деятельности ОАО «РосНИТИ». Соответствующие документы приложены к диссертационной работе (ПРИЛОЖЕНИЯ А, Б).

Диссертационная работа выполнялась в рамках работ по Программе Президиума РАН №25 «Разработка моделей и исследование сопротивления деформации, поврежденности и разрушения при интенсивной пластической деформации металлических сплавов и композиционных материалов с использованием экспериментальных методов механики, материаловедения и физических методов контроля», планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН, проектам молодых ученых и аспирантов УрО РАН в 2011 и 2013 годах, и грантам РФФИ 09-08-01091-а, 11-01-12126-офи-м-2011 и 13-01-00732.

Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена пр