автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Неразрушающий контроль термически упрочненных изделий в разомкнутой и составных магнитных цепях с отстройкой от влияния мешающих факторов

г! о и л

1 3 7 На правах рукописи

Ч У Л К И Н А Алевтина Антониновна

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ В РАЗОМКНУТОЙ И СОСТАВНЫХ МАГНИТНЫХ ЦЕПЯХ С ОТСТРОЙКОЙ ОТ ВЛИЯНИЯ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ

05.02.11 - Методы контроля и диагностики в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в Физико-техническом институте УрО РАН.

Научные руководители: доктор технических паук,

профессор Э.С.Горкунов; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник А.И.Ульянов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.Ф.Мужицкий,

доктор технических наук Г.С.Корзуннн.

Ведущее предприятие - Ижевский государственный технический

университет.

Защита состоится иЛ&^й-- 1997г. в ¿3 часов на заседании

диссертационного совета К 002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620219, г.Екатеринбург, ГСП-170, ул. С.Ковалевской, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан " " РшЛЫнУХ 997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико- математических наук

В.Р.Галахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях рыночного производства успешная деятельность предприятий определяется конкурентоспособностью выпускаемой продукции - ее качеством и надежностью.

Задача существенного улучшения качества промышленной продукции может быть решена при условии совершенствования технологии производства и методов неразрушающего определения физико-механнческнх свойств изделий.

Контроль качества термической обработки, в частности, закалки и закалки с последующим низкотемпературным отпуском преимущественно осуществляется магнитными методами, основанными на наличии однозначной связи магнитных параметров со структурным состоянием и механическими характеристиками контролируемых изделий.

Особое место в практике магнитной структуроскопии занимает контроль качества средне- и высокотемпературного отпуска изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3%, коэрцитивная сила которых в данном интервале температур отпуска изменяется неоднозначно. Для неразрушающего определения структурного состояния этих сталей после термической обработки используют остаточную индукцию частично размагниченного состояния, получаемую размагничиванием испытуемого изделия из состояния остаточного намагничивания по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса до фиксированных значений напряженности магнитного поля или до фиксированных значений магнитной индукции и последующего уменьшения внешнего размагничивающего поля до нуля.

В зависимости от размеров изделий измерения магнитных характеристик можно осуществить как в разомкнутой, так и в полузамкнутой и в замкнутой магнитных цепях. Наиболее массовые изделия средних размеров обычно контролируют бесконтактным методом в разомкнутой магнитной цепи. Удобно определять структурное состояние таких изделий в процессе движения, с высокой производительностью контроля, что очень важно при организации 100%-ных испытаний деталей, прошедших термическую обработку. Однако до сих пор плохо разработана и остается актуальной проблема влияния вариаций геометрических размеров изделий даже в пределах допуска на информативный сигнал преобразователя, что приводит к сни-женшо достоверности контроля.

Актуальна также проблема контроля очень мелких деталей (массой в несколько граммов), на которых далеко не всегда удается осуществить пря-

мое измерение твердости без разрушения. Возникают трудности и при измерении магнитных характеристик мелких деталей, так как полезный сигнал становится соизмерим с уровнем промышленных помех.

Контроль крупногабаритных изделий обычно проводят с помощью приставных магнитных устройств (замкнутая магнитная цепь). Погрешности определения магнитных параметров, возникающие при сьеме информации с помощью данного типа преобразователей, в том числе обусловленные отсутствием надежного магнитного контакта между приставным магнитным устройством и крупногабаритным изделием вследствие наличия на поверхности контролируемого изделия, например, окалины, кривизны, неровностей, вносят весомый вклад в суммарную погрешность при осуществлении неразрушающего контроля. Повысить достоверность получения информации о магнитных свойствах изделия можно за счет исключения влияния на показания приборов как случайного зазора между полюсами приставного магнитного устройства и крупногабаритным изделием, так и других мешающих факторов, таких как свойства приставного магнитного устройства, возможная нелинейность выходного сигнала первичного преобразователя и так далее.

Несмотря на то, что магнитные методы определения структурного состояния и прочностных свойств хорошо зарекомендовали себя на практике при контроле стальных изделий широкого диапазона форм и размеров, одной из причин, сдерживающих использование этих методов в условиях производства, является низкая, в ряде случаев, достоверность контроля, обусловленная неадекватностью получения информации преобразователями о магнитном состоянии испытуемых изделий из-за влияния на полезный сигнал различного рода мешающих факторов.

Цель работы состояла в изучении влияния мешающих факторов, часто встречающихся в условиях производства, на параметры магнитного контроля качества термической обработки изделий из среднеуглеродистых сталей и разработке методик отстройки от влияния этих мешающих факторов на результаты контроля.

В связи с этим поставлены следующие задачи: - исследование влияния коэффициента размагничивания разомкнутых однородно намагниченных тел на процессы перемагничивания по несимметричным петлям гистерезиса;

- разработка методик неразрушающего контроля качества термической обработки стальных изделий близких типоразмеров в разомкнутой магнитной цепи с использованием общей градуировочной кривой;

4

- изучение процессов перемагничивания изделий в условиях составной полузамкнутой магнитной цепи с целыо выработки рекомендаций по увеличению чувствительности магнитного метода контроля механических свойств термически обработанных малогабаритных изделий;

- исследование влияния случайных зазоров, неизбежно возникающих между приставным магнитным устройством и изделием при измерениях в замкнутой магнитной цепи, на процессы перемагничивания изделий по несимметричным петлям гистерезиса, а также изучение закономерностей изменения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи поверхности крупногабаритного изделия, перемагничиваемого с помощью приставного магнитного устройства, с целью поиска информативных параметров контроля, слабо зависящих от зазора.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена феноменологическая модель, объясняющая причины возникновения различий в зависимостях остаточной индукции частично размагниченного состояния от температуры отпуска однородно намагниченных тел с различными коэффициентами размагничивания.

2. Разработан способ неразрушающего контроля качества термической обработки малогабаритных изделий, в том числе с малой относительной длиной. Получено выражение для оценки чувствительности метода контроля таких изделий в составной симметричной цепи. Показано, что магнитные поля рассеяния, измеренные в нейтральной плоскости системы "сердечник-изделие-сердечник" и на некотором расстоянии от ее оси, не зависят от положения контролируемого изделия относительно жестко закрепленных сердечников.

3. Обнаружены магнитные состояния на кривых возврата участков изделии, перемагничиваемых приставным магнитным устройством, для которых информативные параметры практически не зависят от зазоров между полюсами приставного магнитного устройства и участком изделия. Предложены методики контроля крупногабаритных изделий при отсутствии надежного магнитного контакта между накладным преобразователем и контролируемым участком изделия.

4. Установлено, что при размагничивании с помощью приставного магнитного устройства (ПМУ) участка изделия по предельной петле магнитного гистерезиса, а также при перемагничивании его по кривой возврата из состояния частичного размагничивания до заданного значения магнитной индукции, вблизи поверхности изделия между полюсами ПМУ устанавливается магнитное поле, тангенциальная составляющая напряжен-

5

ности которого практически не зависит от зазора между ПМУ и изделием. Данные значения напряженности магнитного поля могут быть использованы параметром контроля термически обработанных стальных изделий. Найдены соотношения размеров изделия и полюсов магнитопровода ПМУ, при которых измеряемая напряженность магнитного поля может быть равна коэрцитивной силе материала изделия.

Практическая ценность работы. Разработаны методики отстройки от влияния на информативные параметры магнитного контроля вариаций геометрических размеров изделий при измерениях характеристик в разомкнутой магнитной цепи, а также методики отстройки от влияния на информативные параметры магнитного контроля случайных зазоров между приставным магнитным устройством и крупногабаритным изделием при измерениях характеристик в замкнутой магнитной цепи, позволяющие повысить достоверность метода магнитной структуроскопии при контроле широкой номенклатуры изделий.

Получено аналитическое выражение для оценки чувствительности метода контроля структуры малогабаритных изделий при вариации размеров (длина, диаметр) дополнительных магнитомягких сердечников в симметричной полузамкнутой магнитной цепи. Предложенные методики использованы при разработке приборов неразрушающего контроля.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- феноменологическая модель, объясняющая причины возникновения различий в зависимостях остаточной индукции частично размагниченного состояния от температуры отпуска однородно намагниченных тел с различными коэффициентами размагничивания;

- способ и методика контроля качества термической обработки изделий близких типоразмеров из одной и той же марки стали в разомкнутой магнитной цепи с использованием общей градунровочной кривой;

- алгоритм контроля качества термически обработанных изделий из среднеуглеродистых сталей с коэффициентом размагничивания близким или равным нулю;

- результаты исследования процессов перемагничнвания и методы контроля малогабаритных изделий в составной полузамкнутой магнитной цепи;

- методика оценки качества термически упрочненных крупногабаритных изделий при отсутствии надежного магнитного контакта между накладным преобразователем и контролируемым участком изделия;

- способ измерения магнитных параметров контроля качества термической обработки крупногабаритных изделий, слабо зависящих от случайного зазора между приставным магнитным устройством и контролируемым участком изделия.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Уральских научно-технических конференциях "Современные методы нераз-рушающего контроля и их метрологическое обеспечение" (Ижевск, 1984, 1986, 1989), на областной научно-практической конференции "Новые методы и средства неразрушающего контроля полуфабрикатов, деталей и изделий" (Куйбышев, 1985).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Она изложена на 191 странице, включая 52 рисунка и 1 таблицу. Список литературы состоит из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи, показаны научная новизна, практическая значимость, приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ работ, материалы которых были использованы при обсуждении полученных результатов.

В первом параграфе изложено современное состояние вопроса по контролю структурного состояния и качества термической обработки сталей различных классов.

Во втором параграфе обсуждаются возможности использования магнитных характеристик для контроля среднего и высокотемпературного отпуска закаленных изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3%, которые трудно контролировать классическими магнитными методами (коэрцитивная сила изменяется незначительно или неоднозначно при указанных температурах отпуска).

В третьем параграфе описываются средства контроля качества термической обработки изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3% в разомкнутой и замкнутой магнитных цепях, их достоинства и недостатки. Обзор методов и средств испытаний изделий из этого класса сталей показал, что одной из причин, сдерживающих широкое использование этих методов, является, в ряде случаев, недостаточная достоверность контроля, обусловленная неадекватностью передачи информации о магнитном состоянии испытуемых изделий из-за влияния метающих факторов, в частности,

возможной нелинейностью выходного сигнала преобразователя, зависимостью этого сигнала от параметров преобразователя, малостью геометрических размеров ряда испытуемых изделий, отсутствием надежного магнитного контакта между преобразователем и поверхностью контролируемого изделия (замкнутая цепь) или вариацией геометрических размеров изделий в пределах допуска при контроле в разомкнутой магнитной цепи. Хотя предложено различными авторами уже множество способов отстройки от влияния неконтролируемого зазора между приставным магнитным устройством и изделием, большинство из них относится лишь к коэрцитиметрам, параметром контроля которых является ток размагничивания. Поиску способов отстройки от влияния мешающих факторов при контроле сталей, коэрцитивная сила которых изменяется неоднозначно при средних и высоких температурах отпуска, уделено внимания недостаточно, количество публикаций невелико и они не решают проблему в полном объеме.

Дальнейшее развитие магнитных методов контроля видится в создании высоконадежных автоматизированных, компьютеризированных систем, встроенных непосредственно в технологическую цепочку изготовления деталей, с помощью которых осуществляют неразрушающие испытания с учетом всех мешающих факторов, при минимальном участии человека.

Анализ литературных данных позволил сделать обобщающие выводы, сформулировать цель и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена магнитному контролю качества термической обработай стальных изделий близких типоразмеров в разомкнутой магнитной цепи.

На информативный параметр - остаточную индукцию частично размагниченного состояния В(1, как и на многие другие параметры магнитных методов контроля, существенное влияние оказывает коэффициент размагничивания изделий. В связи с этим возникают определенные трудности при внедрении данного метода контроля в производство, так как приходится отыскивать однозначную связь остаточной индукции Ва с прочностными характеристиками (например, твердостью, которая определяется режимом термической обработки) непосредственно для каждого контролируемого типоразмера изделий из одной и той же марки стали. Кроме того, в случае вариации геометрических размеров изделий в пределах допуска, достоверность результатов контроля будет снижена из-за влияния этого мешающего фактора.

С целью изучения влияния коэффициента размагничивания изделий на характер зависимости Ва от температуры отпуска Тогппри различных ва-

8

риантах частичного размагничивания постоянным полем (напряженность размагничивающего поля Нре = const или индукция размагничивания ВР = const) проводилось определение характеристик Bd однородно намагниченных тел с различными коэффициентами размагничивания. Состояние Bd получали из петель гистерезиса и семейства кривых возврата вещества, измеренных на тороидальных образцах из стали 60С2А, прошедших термическую обработку, путем введения линии сдвига, тангенс угла наклона которой характеризует коэффициент размагничивания однородно намагниченного тела. Характер полученных зависимостей Bd(Tom) подобен характеру зависимостей Bd(Torn) образцов типа ударных с различными коэффициентами размагничивания из этой же марки стали, приведенных в работе [1л]. Из полученных результатов следует, что неоднородность намагничивания изделий из среднеуглеродистых сталей не является определяющим фактором перехода неоднозначного характера зависимости Вй(Тотп) при N = 0 к монотонной взаимосвязи остаточной индукции частично размагниченного состояния с температурой отпуска при некотором значении коэффициента размагничивания N'. Установлено, что характер поведения зависимости Вй(Т„тп) определяется взаимным влиянием коэффициента размагничивания, магнитной проницаемости на кривой возврата, коэрцитивной силы и проницаемости на нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса, а также режимом и степенью частичного размагничивания. Предложена феноменологическая модель, объясняющая причины возникновения различий в зависимостях остаточной индукции частично размагниченного состояния от температуры отпуска. Условием однозначного характера зависимости остаточной индукции частично размагниченного состояния однородно намагниченных тел из среднеуглеродистых сталей от температуры отпуска в режиме размагничивания до заданного значения напряженности магнитного поля является существование такого магнитного состояния при перемаг-ничивании ферромагнитных тел по кривым возврата, когда при одном и том же значении "внутреннего поля" магнитная индукция тел, отпущенных на минимальную и максимальную температуры из интервалов монотонного изменения коэрцитивной силы Нс от температуры отпуска Т0тп, принимает одинаковые значения, причем в интервале температур, где коэрцитивная сила возрастает с ростом температуры отпуска, эти значения должны быть меньше величины остаточной индукции частично размагниченного состояния исследуемых тел, а в интервалах температур, где Нс убывает с ростом Тотп, - больше Bd тел, отпущенных в рассматриваемом интервале температур. Полученные результаты не противоречат результатам работ [2л, Зл].

9

Определенный интерес представляет контроль качества термически обработанных изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3% и коэффициентом размагничивания близким нулю, для которых не существует монотонной взаимосвязи остаточной индукции В а с температурой отпуска. Предложена методика контроля таких изделий, заключающаяся в измерении текущих значений индукции контролируемого изделия по кривой возврата и сравнении их со значением остаточной индукции частично размагниченного состояния стандартного изделия с таким коэффициентом размагничивания, для которого известно о существовании монотонной, в заданном интервале температур отпуска, взаимосвязи параметра контроля с температурой отпуска.

Из-за зависимости большинства магнитных свойств от коэффициента размагничивания изделий приходится отыскивать однозначную связь между параметром контроля и механическими свойствами для каждого конкретного типоразмера контролируемых изделий из одной и той же марки стали. Предложена методика учета влияния вариаций размеров изделий (непостоянства коэффициента размагничивания N) на результаты измерений остаточной индукции Bd, полученной размагничиванием до Нре = const или ВР = const, при контроле качества средне- и высокотемпературного отпуска изделий близких типоразмеров в разомкнутой магнитной цепи. Область применения этой методики определяется возможностью расчета коэффициентов размагничивания изделий по измеренным величинам остаточной индукции изделия Вгт и коэрцитивной силы изделия Н0. Определены границы применимости формулы расчета коэффициента размагничивания по величинам Вп- и Н0. Минимальный коэффициент размагничивания изделий для реальных условий вычисляется по формуле Nmin = (1 - 5)/8 %сг, где х« - максимальная магнитная восприимчивость вещества на нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса, 5 - относительная погрешность определения внутреннего поля Нгт изделия в состоянии остаточного намагничивания. Если материал контролируемых изделий обладает максимальной восприимчивостью на нисходящей ветви петли гистерезиса не менее 1000, что как раз и характерно для исследуемых сталей, то возможно определение в достаточно широком диапазоне коэффициентов размагничивания изделий по измерениям параметров Bn и Н0.

Влияние непостоянства N контролируемых изделий (в некотором интервале N) на величину Ва, получаемую путем размагничивания до Нре = const, может быть существенно снижено, если размагничивание изделий проводить не до определенной величины Нре = const, а варьируя размагни-

10

чивающее поле, добиваться для изделий с различными N одинакового магнитного состояния на нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса, соответствующего состоянию стандартного изделия с известным N, при размагничивании его до постоянного поля Нре = const. При этом контроль изделий осуществляется не по остаточной индукции частично размагниченного состояния Bd, а по некоторому значению индукции, лежащему на той же кривой возврата, что и значение Bd, но отличное от него, если коэффициент размагничивания контролируемого изделия не равен коэффициенту размагничивания стандартного изделия, и равному остаточной индукции частично размагниченного состояния Bd стандартного изделия.

Сущность этой методики поясняет рис. 1. Пусть имеется группа стандартных изделий с коэффициентом размагничивания N', для которых при некотором значении размагничивающего поля Н'ре наблюдается однозначная зависимость B'd от температуры отпуска. Если контролируемое тело из того же материала имеет коэффициент размагничивания N Ф N', например, отличается от стандартных изделий данной, то его магнитное состояние после размагничивания до Н'ре и выключения внешнего поля будет определяться остаточной индукцией Bd B'd. Размагничивание изделий внешним полем Н'ре приводит нх в состояния ВР и В'Р. Магнитные состояния на нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса для стандартного и контролируемого изделий будут одинаковыми только в том случае, если контролируемое изделие размагничивать не до внешнего магнитного поля Н'Ре, а

В U

IJoM

Рис.1. Магнитные параметры ферромагнитных изделий

Hi.Hp

до поля Нре = Н'ре - В'р(Ы7цо + Но'/Вгт), где (До = 4л-ю-7 Ги/м - магнитная постоянная, Н0 - коэрцитивная сила контролируемого изделия, Вп- - остаточ-

II

ная индукция изделия. Магнитное состояние В'Р определяем пересечением нисходящей ветви петли гистерезиса с линией Bi = (Н'рс - Нс)/(Н0/Вгг + Ы'/цо), имеющей размерность индукции, проходящей через точку с координатами (Н'ре.О) и параллельную линии сдвига ON'. Нс - текущая координата внешнего размагничиваю1цего поля.

Изменение магнитного состояния по одной кривой возврата в координатах "индукция В-внутреннее поле Hi" для деталей с неодинаковыми коэффициентами размагничивания дает возможность на контролируемом изделии измерить величину, равную величине остаточной индукции частично размагниченного состояния стандартного изделия В'а. Искомое состояние получаем пересечением кривой возврата с линией сдвига ON' стандартного изделия, которая в координатах "индукция В-внешнее поле Не" имеет ВИД В2 = - Не / (Но/Вгг + N'/Цо).

Практически контроль изделий с непостоянным коэффициентом размагничивания N по измерению остаточной индукции частично размагниченного состояния, полученной в режиме размагничивания Н'ре = const, можно осуществить следующим образом. Каждое контролируемое изделие намагничивают до насыщения, выключают намагничтающее поле, измеряют остаточную индукцию Вгг, запоминают ее и продолжают размагничивание, в процессе которого измеряют и запоминают значение коэрцитивной силы изделия. При дальнейшем размагничивании текущее магнитное состояние испытуемого изделия сравнивают с текущим расчетным значением Bi(Ht) и при равенстве значений размагничивание прекращают. После размагничивания изделия до значения В'Р его перемагничивают по кривой возврата, одновременно вычисляя текущее значение параметра ВгСНе), и сравнивают его с текущим значением индукции В в изделии. В момент совпадения В и Вг отсчитывают величину Вк = B'd, по которой и определяют качество изделия.

Контроль качества изделий близких типоразмеров по измерениям Bd, получаемой путем размагничивания до Вр = const, проводится аналогично, но в упрощенном варианте, так как при данном условии размагничивания магнитное состояние на нисходящей ветви петли гистерезиса Вр = В'р будет одинаковым автоматически для контролируемых изделий с разными коэффициентами размагничивания.

Данная методика контроля прошла проверку на образцах из стали 40Х и 60С2А, причем для стали 60С2А изменяли сечение образцов при неизменной длине, а для стали 40Х - длину при неизменном сечении. Возможности предложенного метода иллюстрирует рис.2, на котором приведены

12

зависимости остаточной (после размагничивания до ВР = const) индукции Bd = B'd стандартных образцов (кривая 1) из стали 60С2А (а) и стали 40Х (б). Размеры стандартных образцов из стали 60С2А составляли 4x4x62 мм (N' = 0,0095), из стали 40Х - дааметр 7.5, длина 40 мм (N' = 0,04). Зависимости Ва(Тотп) для контролируемых образцов из стали 60С2А с размерами 2x2x62 мм и 1x1x62 мм приведены на кривых 2 и 3 (рис.2а) и из стали 40Х с длиной 60 мм - на кривой 2 (рис.2б). На кривой 1 крестиками и треугольниками обозначены значения Вк контролируемых образцов, измеренные по предложенной методике. Эти значения практически не отличаются от остальных индукций B'd для стандартных образцов, так как лежат в пределах погрешности измерения индукций B'd стандартных образцов.

Bd,Bi,BK-10z,T

300 500 700 EDO 400 600 ТОТп.°С

Рис.2. Зависимости остаточной индукции В'а стандартных (I) и В л контролируемых (2,3) образцов от температуры отпуска: а - для образцов стали 60С2А, индукция размагничивания Вр=0;б-для образцов стали 40Х, индукция размагничивания Вр = -0,1 Т.

Методика учета влияния колебаний геометрических размеров изделия на информативный параметр контроля, в которой использована линия сдвига, может быть применена и для учета аналогичного влияния коэффициентов размагничивания на величину остаточной индукции изделия Вгг, которая служит параметром контроля качества отпуска изделий из сталей с содержанием углерода менее 0,3%.

Достаточно сложный алгоритм предложенной методики не представляет трудностей в реализации, если в приборах контроля содержатся микропроцессоры, которые все шире используются на производстве.

В третьей главе описаны результаты исследования составной полузамкнутой магнитной цепи применительно к неразрушающему контролю качества термической обработки малогабаритных изделий.

Реализация магнитных методов контроля малогабаритных изделий с большим коэффициентом размагничивания сталкивается с определенными трудностями, так как для их намагничивания требуются высокие поля. Кроме того, малогабаритные изделия даже в остаточно намагниченном состоянии имеют малый магнитный момент и, соответственно, малые значения полей рассеяния от детали в области датчика, сравнимые с полями индустриальных помех, что снижает чувствительность, а, следовательно, и достоверность метода контроля.

Устранению этих недостатков способствует использование в проходных датчиках полузамкнутой магнитной цепи, состоящей из контролируемого изделия и приставленных к изделию магнитомягких сердечников. Исследования проводили на закаленных и отпущенных образцах из стали 40Х диаметром 7,5 мм с вариацией длины от 10 до 60 мм. В качестве магнитомягких сердечников использовали цилиндры диаметром от 5 до 13 мм и длиной от 10 до 50 мм из армко-железа в состоянии поставки, которые могли приставляться с одного (несимметричная цепь) или двух (симметричная цепь) торцов образца. Вариацию размеров магнитомягких сердечников осуществляли по двум вариантам: 1) изменение длины при фиксированном диаметре; 2) изменение диаметра при фиксированной длине.

Наличие у обоих торцов образца добавочных сердечников уменьшает неоднородность намагничивания во всем объеме образца. Поскольку измеритель магнитного поля расположен в нейтральной плоскости составного образца и на фиксированном расстоянии от его оси для любых длин дополнительных сердечников, то для симметричной составной полузамкнутой цепи изменение чувствительности метода контроля от длины магнитомягких сердечников определяется лишь вкладом, связанным с формой и размерами сердечников.

Чувствительность метода контроля твердости в несимметричной цепи "образец-сердечник" практически не зависит от диаметра приставных сердечников, в то время как чувствительность в симметричной магнитной цепи с увеличением диаметра сердечников растет линейно во всем рассматриваемом диапазоне диаметров сердечников. Это объясняется тем, что чувствительность прямо связана с напряженностью измеряемого преобразователем магнитного поля в режиме остаточного намагничивания системы, которая растет с увеличением диаметра сердечников. Оценивая влияние параметров симметричной составной полузамкнутой магнитной цепи на величину потока Ф через измеритель при переходе от составного образца с меньшим диаметром сердечников к системе с большим диаметром, прихо-

14

днм к выводу, что длина участков трубки потока в образце и сердечниках изменяется незначительно, поэтому м.д.с. И образца и сердечников практически остаются без изменений (эксперименты показывают, что напряженность магнитного поля в месте пересечения кривой возврата с осью абсцисс незначительно, всего на 5-10%, снижается при увеличении диаметра сердечников). Маг нитные сопротивления образца и сердечников хотя и изменяются за счет некоторых изменений длины и площади поперечного сечения соответствующих участков трубок, но благодаря тому, что проницаемости образца и сердечников для магнитомягких материалов значительно больше единицы (составляют сотни единиц), эти сопротивления значительно меньше магнитного сопротивления воздушного участка трубки, а вариации сопротивлений образца и сердечников практически не оказывают влияния на поток Ф. Что же касается сопротивления части трубки потока, проходящей через воздух, то оно существенно уменьшается за счет уменьшения длины участка трубки магнитного потока, проходящей по воздуху, при увеличении диаметра сердечников, что приводит к значительному увеличению потока Ф и, соответственно, чувствительности метода контроля твердости малогабаритных изделий.

Даны рекомендации по оценке чувствительности метода контроля твердости малогабаритных изделий в составной полузамкнутой магнитной цепи.

В том случае, если магнитомягкие сердечники жестко закреплены на расстоянии, равном сумме длины изделия и некоторого фиксированного зазора, магнитные поля рассеяния, измеренные в нейтральной плоскости системы "сердечник-изделие-сердечник" и на некотором расстоянии от ее оси, не зависят от положения изделия относительно сердечников.

Результаты исследования влияния добавочных магнитомягких сердечников в составных полузамкнутых магнитных цепях на величину Ва отпущенных образцов показали, что данные магнитные цепи могут быть рекомендованы для магнитной структуроскопии термически обработанных мелких коротких деталей с целью повышения чувствительности метода контроля.

Четвертая глава посвящена повышению достоверности контроля качества отпуска крупногабаритных изделий.

Исследованы зависимости величины остаточной индукции Ва, получаемой размагничиванием системы "приставное магнитное устройство-изделие" до различных состояний \\,1р=соп$1 (аналог размагничивающего поля НРе в разомкнутой магнитной цепи) или Вр=сопз1 от температуры от-

15

пуска при различных зазорах между приставным магнитным устройством (ПМУ) и контролируемым участком изделия. Исследования проводили на образцах в виде шайб диаметром 59 мм и толщиной 9 мм из стали 40Х и параллелепипедов длиной 100 мм, шириной 40 мм и толщиной 7 мм из стали ЗОХГСА. С целью вариации механических свойств образцы были закалены и отпущены в интервале температур (150+700)°С. На основе полученных зависимостей разработаны методики отстройки от влияния случайного зазора между ПМУ и контролируемым участком крупногабаритного изделия на информативные параметры контроля изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3%.

Физической основой методики контроля по величине магнитной индукции, получаемой размагничиванием изделий из остаточно намагниченного состояния до заданного значения индукции на нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса и уменьшением размагничивающего тока до некоторого значения, в общем случае не равного нулю, при нестабильном магнитном контакте контролируемого участка изделия с полюсами ПМУ является следующее. Исследования по измерению магнитных параметров с помощью составной замкнутой магнитной цепи показали, что при размагничивании предварительно намагниченного до технического насыщения изделия существует состояние в системе "ПМУ-изделие", когда при одной и той же магнитодвижущей силе И или ампервитках размагничивания (где I - ток в обмотке ПМУ с числом витков показания В датчика ПМУ не зависят от зазора между полюсами ПМУ и изделием в достаточно широком диапазоне изменения последнего. Слабой зависимости показаний датчика ПМУ от зазора при определенном токе (обозначим его Г) можно достичь и перемагничиваннем системы, предварительно размагниченной до определенной индукции Вр на нисходящей ветви петли гистерезиса, по кривой возврата. Изменяя значения индукций размагничивания, можно получить множество таких состояний в системе координат "В-\УГ, которые расположены практически на одной прямой, проходящей в нервом и третьем квадранте и вблизи начала координат. При подборе индукции размагничивания для деталей, отпущенных на различные температуры, можно получить монотонную зависимость показаний В* датчика ПМУ, соответствующих току Г, от температуры отпуска изделий свободную от влияния зазора между изделием и полюсами магнитопровода.

На практике полная отстройка от влияния мешающего фактора требуется, как правило, лишь на границах диапазона годности изделий. При этом могут быть два варианта контроля. В первом случае каждое контро-

16

лируемое изделие после намагничивания до технического насыщения размагничивают по петле гистерезиса до заданного значения индукции ВР (выбираемого, как правило, из условия получения однозначной зависимости показаний аппаратуры от контролируемого параметра), затем уменьшают ток в обмотке ПМУ до величины II*, соответствующей параметру В1* (состояние свободное от влияния зазора) для стандартного изделия, отпущенного на минимальную температуру (первая граница диапазона годности), и отсчитывают индукцию В1 при этом токе. Далее устанавливают ток Ь*, соответствующий параметру В2* для стандартного изделия, отпущенного на максимальную температуру (вторая граница диапазона годности), и фиксируют индукцию Вг. Величины В1 и В2 сравнивают с параметрами В1* и В2* и определяют качество термообработки контролируемого изделия (разбраковывают на группы: "норма", "меньше", "больше").

Предложенный способ контроля иллюстрирует рис.За, на котором дана зависимость параметра В* (состояние свободное от влияния зазора) от температуры отпуска Т0тп, а также зависимость показаний датчика ПМУ (индукции В1 и В2) ОТ 1 отп при токе 1| , соответствующем первой границе (Тотл = Т|, В* = ВГ) и при токе Ь", соответствующем второй границе диапазона годности (Тотп = Тз, В* = Вг*); кривые . соответствуют двум различным зазорам 5| и 5г. Как видно из рисунка, на любом изделии, соответствующем норме (Т| < Тотп = Тз< Тг), индукция В) < В]*, а Вг> Вг* независимо от зазора. На изделиях, Т0тп которых ниже нормы, например, Тотп = Т4 < Ть индукция В1 > В|*, а Вг> Вг'.С другой стороны, для изделий с Т0тп больших нормы, например, с Тотп = Тб > Тз, индукция В| < В/, а Вг < Вг*. Таким образом, изделия однозначно разделяются на группы контроля вне зависимости от непостоянства зазора.

Для случая пересечения однозначной зависимостью В*(Т0тП) (получающейся при тех или иных значениях индукции Вр на петле гистерезиса) оси абсцисс вблизи диапазона годности изделий может быть применен также следующий способ контроля (см. рис.Зб). Допустим, что, как и в предыдущем случае, контролируется структурное состояние изделий, определяемое температурой отпуска, причем изделия с Тотл = Т1 и Тотп = Тг со-отвествуют границам диапазона годности. Если подобрать индукцию Вр= ВР1, при которой после выключения тока (I = 0) остаточная индукция Ва равна нулю на первом стандартном изделии (Вш = В|* = 0), а также индукцию Вр = Врг, при которой индукция В(1 равна нулю на втором стандартном изделии (Вйг = Вг* = 0), то возможен следующий вариант контроля изделий по остаточной индукции В а: намагнитить изделие до технического насыще-

17

ния, размагнитить до индукции Вр = ВР2, соответствующей стандартному изделию, отпущенному на более высокую температуру, уменьшить ток до нуля, зафиксировать Ваз, затем размагнитить до индукции ВР — Bpi, соответствующей стандартному изделию с меньшей температурой отпуска, уменьшить ток до нуля и зафиксировать Bai. Далее сравнить Bdi и Ваг с Bi* и Вг*.

Рис.3. Магнитные параметры при контроле изделий: а - способом, требующим фиксации тока перемагничивания на двух уровнях; б - способом, требующим двойного перемагничивания по кривым возврата на каждом изделии.

Для данной методики контроля выбор индукции размагничивания определяется получением состояния Ва = 0 для стандартного образца. При этом зависимость Ва(Тотп) в общем случае может быть немонотонной. Это не влияет на результаты контроля. Должно жестко выполняться лишь требование однозначности зависимости Ва(Тотп) вблизи пересечения с осью абсцисс.

Аналогичный подход отстройки от влияния случайного зазора между ПМУ и контролируемым изделием лишь на границах интервала годности можно применить и в случае размагничивания изделия из остаточно намагниченного состояния по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса до определенных ампервитков \У1Р и последующего уменьшения тока до определенной величины (чаще всего до нуля).

В отличие от режима размагничивания до одинаковых индукций, при котором добиваются, чтобы величина остаточной индукции частично раз-

18

магниченного состояния на границах годности изделии была близка к нулю, при режиме размагничивания до одинаковых ампервитков величина Bd на границах годности в общем случае отлична от нуля. Обозначим ее ВаГ и Ваг* для соответствующих границ годности. В этом случае возможен следующий режим контроля изделий по остаточной индукции Bd: контролируемое изделие после намагничивания перемагничивают по петле гистерезиса до заданного значения ампервитков Wh (поскольку отстройка от зазора на стандартном изделии с большей температурой отпуска происходит при меньшем значении размагничивающего поля), затем выключают ток в обмотке ПМУ и отсчитывают значение Ваз, далее вновь намагничивают изделие по петле гистерезиса до ампервитков WIi и после выключения тока фиксируют остаточную индукцию Bdi. По параметрам Bai и В<ц определяют качество изделия. На изделиях, соответствующих норме (Ti< Т0Тп = Тз < Тг), индукция Bdi всегда меньше или равна Bdi* (Bai ^ Bai*), а индукция Ваг -больше или равна Ваг* (В¿2 >: Bai*) независимо от зазора. Соответственно, для недоотпущенных изделий (Т4 < Ti) имеем Bai > Bai* и Bd2 > Ваг*, а для переотпущенных изделий (Ts> Тг) - Bai < Bai* и Ва2< Ваг*.

Вводя начальный зазор порядка 0,4 - 0,5 мм, можно применять предложенную методику отстройки от влияния зазора между ПМУ и контролируемым изделием даже несмотря на неоднозначный характер зависимости Ва(Тотп) при нулевом зазоре. Невозможность отстройки от влияния зазора на границе с заданной температурой отпуска может возникнуть в случае неоднозначного характера исследуемых зависимостей при различных зазорах вблизи их точки пересечения.

Таким образом, используя предложенные алгоритмы контроля, можно с высокой степенью точности провести диагностику прочностных свойств термически упрочненных изделий из среднеуглеродистых сталей.

Исследовано изменение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи поверхности ферромагнитных изделий, пе-ремагничиваемых приставным магнитным устройством с П-образным маг-нитопроводом. Установлено, что при размагничивании изделия по предельной петле гистерезиса, а также при перемагничиваниии его по кривой возврата из состояния частичного размагничивания, определяемого заданным значением индукции размагничивании, вблизи поверхности изделия между полюсами ПМУ устанавливается магнитное поле, тангенциальная составляющая напряженности которого постоянна, не зависит от зазора между полюсами ПМУ и изделием и может быть использована в качестве параметра контроля термически обработанных стальных изделий. При

19

определенном соотношении размеров изделия и полюсов магнитопровода измеренная величина тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля может быть равна по величине коэрцитивной силе материала изделия. Это дает возможность измерять магнитные свойства вещества на участках крупногабаритных изделий, перемагничиваемых с помощью приставных магнитных устройств.

Проверку предложенного способа измерения Нс проводили на образцах ввиде параллелепипедов из стали 40Х (размеры 56x28x12), закаленных и отпущенных в интервале температур (20^700)°С, коэрцитивная сила которых изменялась в пределах (7,6+33,2) А/см.

Процесс изменения магнитного состояния изделия, перемагничи-ваемого с помощью ПМУ, сложный. Перемагничиваншо подвергаются не только участки изделия между полюсами ПМУ, но и другие его части, например, участки, выступающие за габариты полюса магнитопровода ПМУ, которые будут оказывать влияние на магнитное состояние контролируемого участка изделия, вызывая эффект "статического саморазмагничивания". Степень "саморазмагничивания" будет определяться соотношением размеров магнитопровода ПМУ и контролируемого изделия. В зависимости от степени "статического саморазмагничивания" величина "внутреннего поля" изделия, находящегося в остаточно намагниченном состоянии Нгг, может быть близка к коэрцитивной силе материала, равна ей пли превышать по модулю значения Нс.

Как показывает опыт, наиболее сильное влияние на эффект "саморазмагничивания" оказывает размер выступающих за ширину П-образного магнитопровода частей образца. При слабом "саморазмагничивании" (когда изделие незначительно выступает за боковые кромки полюсов ПМУ) I Не I > I Нгг I. В случае, когда изделие выступает за пределы полюсов ПМУ на величину, примерно равную толщине полюса, имеем Нгг = Нс; при сильном "саморазмагничивании" (когда изделие значительно выступает за боковые кромки полюсов ПМУ) I Нп I > I Нс I.

Для фиксации постоянного значения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в системе "ПМУ-изделне" в указанной зоне достаточно установить на различном расстоянии над поверхностью изделия два измерителя напряженности магнитного поля и соединить их с компаратором. Тогда при установлении над изделием в процессе перемаг-ничивания искомого магнитного поля показания преобразователей будут одинаковыми и приближенно равными Нгг, то есть по сигналу компаратора можно зафиксировать от одного из измерителей магнитного поля параметр,

20

равный "внутреннему полю" магнетика, и по нему оценить качество изделия, а при определенных условиях непосредственно определить величину коэрцитивной силы вещества на контролируемом участке изделия. Измеряемый параметр практически не зависит от коэрцитивной силы материала магнитопровода.

Показания датчиков магнитного поля, размещенных в области однородного поля мевду полюсами электромагнита, в широких пределах слабо зависят от случайного зазора между полюсами приставного устройства и изделием. Для надежного выполнения условий этого утверждения необходимо установить на полюсах ПМУ неферромагнитную прокладку порядка 1 мм для стабилизации топографии магнитных полей контролируемого изделия с высокой коэрцитивной силой и приставного магнитного устройства.

Пятая глава посвящена практической реализации неразрушагощего контроля качества термической обработки изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3% с помощью приборов РК-2 и РК-3, которые позволили реализовать ряд физических идей, улучшающих достоверность контроля.

На Ижевском механическом заводе внедрен метод контроля качества среднего и высокотемпературного отпуска деталей из сталей 35ХГСА, 35ХГСЛ, 50, 50Л по величине остаточной индукции частично размагниченного состояния, измеренной с помощью релаксационного коэрцитпметра РК-2.

На Боткинском машиностроительном заводе внедрен метод повышения чувствительности контроля посредством введения в магнитную цепь дополнительных магнитомягких сердечников при определении структуры и прочностных свойств термически упрочненных мелких коротких изделий из сталей ШХ15, 50ХФА по измерению величины остаточной магнитной индукции частично размагниченного состояния на приборе РК-2.

На производственном объединении "КАМАЗ", на Ижевском механическом заводе внедрен метод контроля качества среднего и высокотемпературного отпуска крупногабаритных изделий из сталей 30ХГСА, 30ХГСН2А, 35, 40, 42ХМФА по измерению величины остаточной индукции частично размагниченного состояния, осуществляемой с помощью релаксационного коэрцитпметра РК-3.

выводы

1. Графо-аналитическим методом определены величины остаточной индукции частично размагниченного состояния Ва однородно намагниченных ферромагнитных изделий с различными коэффициентами размагничивания; получены зависимости индукции Ва от температуры отпуска для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,3%. Определены условия перемагничивания, при которых эти зависимости монотонны и пригодны для контроля качества высокотемпературного отпуска изделий.

2. Разработаны методика неразрушающего контроля качества термической обработки изделий в проходном преобразователе при вариации их геометрических размеров и методика контроля с помощью приставного магнитного устройства при отсутствии надежного магнитного контакта между его полюсами и изделием, позволяющие повысить достоверность контроля.

3. Экспериментально установлено, что в межполюсном пространстве приставного магнитного устройства в приповерхностной зоне над изделием при перемагничивании по нисходящей ветви петли гистерезиса или кривой возврата формируется магнитное поле, тангенциальная составляющая которого постоянна и практически не зависит от зазора между полюсами преобразователя и изделием до 2 мм. Данная характеристика использована как параметр неразрушающего контроля изделий с плохим качеством поверхности. В случае, когда изделие выступает за пределы полюсов на величину соизмеримую с толщиной полюса, значение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля соответствует коэрцитивной силе материала изделия.

4. Достигнуто повышение чувствительности метода контроля качества термической обработки малогабаритных изделий посредством использования в проходных преобразователях составных симметричных и несимметричных полузамкнутых магнитных цепей. Получено аналитическое выражение для оценки чувствительности метода контроля изделий в симметричной цепи. Установлено, что перемещение детали между магни-томягкими сердечниками в системе "сердечник-деталь-сердечник" не вызывает изменений полезного сигнала, измеренного в нейтральной плоскости этой системы.

5. Предложен алгоритм контроля качества термической обработки изделий из среднеуглеродистых сталей с коэффициентом размагничивания, близким или равным нулю, заключающийся в преобразовании графо-

аналитическим методом магнитных характеристик контролируемого изделия к соответствующим характеристикам однородно намагниченного тела того же структурного состояния, но с таким коэффициентом размагничивания, для которого известна монотонная, в заданном интервале температур отпуска, зависимость остаточной индукции частично размагниченного состояния Bd от температуры отпуска; контроль осуществляют по значению Bd, рассчитанному для однородно намагниченного тела.

6. Разработана методика расчета составных замкнутых магнитных цепей при перемагничивании контролируемого изделия по несимметричной петле гистерезиса. Определены условия независимости информативного параметра преобразователя от зазора между приставным устройством и изделием при перемагничивании изделий по кривым возврата.

Предложенные методики контроля качества изделий использованы при разработке приборов неразрушающего контроля.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Чулкова A.A., Захаров A.B., Ульянов А.И., Петров Р.П., Горкунов Э.С., Антонов A.B. Учет влияния коэффициентов размагничивания при не-разрушающем контроле качества термической обработки изделий из сред-неуглеродистых сталей. 4.1 // Дефектоскопия.-1993,- N2,- С.64-70.

2. Чулкова A.A., Захаров A.B., Ульянов А.И., Петров Р.П., Горкунов Э.С., Антонов A.B. Учет влияния коэффициентов размагничивания при не-разрушающем контроле качества термической обработки изделий из сред-неуглеродистых сталей.Ч.Н // Дефектоскопия.-1993.- N5.- С.55-64.

3. A.c. 1698730 СССР, МКИ G 01 N27/80. Способ контроля качества ферромагнитных изделий / А.А.Чулкова, В.А. Захаров, А.И. Ульянов, А.В.Антонов (СССР).-Опубл. 23.12.91. Бюл.Жб.

4. А.с.1817014 СССР, МКИ G 01 N27/80. Способ контроля качества ферромагнитных изделий / А.А.Чулкова, В.А. Захаров, А.И. Ульянов, Э.С. Горкунов, A.B. Антонов (СССР).- 0публ.23.05.93. Бюл. N19.

5. Горкунов Э.С., Антонов A.B., Чулкова A.A. Контроль качества гермической обработки изделий в составной полузамкнутой магнитной це-ти // Дефектоскопия,- 1985,- N7,- С.49-53.

6. Горкунов Э.С., Антонов A.B., Чулкова A.A. Применение симметричной составной полузамкнутой магнитной цепи для контроля качества гермической обработки малогабаритных изделий // Дефектоскопия.- 1985,-^10,- С.87-89.

7. Горкунов Э.С., Чулкина A.A., Захаров В.А., Ульянов А.И. Использование составных магнитных цепей для повышения разрешающей способности метода контроля структуры малогабаритных стальных изделий // Дефектоскопия,- 1996.- N11.- С. 3-9.

8. Антонов A.B., Чулкова A.A. Контроль качества термической обработки стальных изделий методом измерения остаточной магнитной индукции возврата // Сб.: Структурно-фазовые превращения в металлах: проблемы прочности и пластичности.- Свердловск, 1987. С.139-147.

9. Горкунов Э.С., Антонов A.B., Чулкова A.A., Кузьминых В.П. Контроль качества отпущенных изделий из среднеуглеродистых сталей с использованием приставных электромагнитов II Дефектоскопия.-1987.- N2.-С.30-34.

10. A.c. 1744629 СССР, МКИ G 01 N27/80. Способ контроля качества ферромагнитных изделий / А.А.Чулкова, А.И. Ульянов, А.В.Антонов, Э.С. Горкунов (СССР).- Опубл. 30.06.92. Бюл. N24.

11. Захаров В.А., Чулкина A.A., Ульянов А.И., Горкунов Э.С. Учет влияння зазора между приставным устройством и изделием в задачах магнитной структуроскопии // Дефектоскопия.- 1994. - N6. - С.43-52.

12. Ульянов А.И., Захаров В.А., Чулкина A.A., Горкунов Э.С., Арсентьева Н.Б. Способ измерения коэрцитивной силы с помощью приставных магнитных устройств //Дефектоскопия,- 1996.- N5. - С.70-77.

13. Кузьминых В.П., Антонов A.B., Горкунов Э.С., Чулкова A.A., Панин C.B., Грицков П.Ф., Маликов С.А., Филиппов A.B. Контроль качества средне- и высокотемпературного отпуска крупногабаритных стальных изделий прибором РК-3 с П-образным электромагнитом // Дефектоскопия.-1988,- N5,- С.83-84.

14. Горкунов Э.С., Кузьминых В.П., Антонов A.B., Филиппов A.B., Чулкова A.A. Релаксационный коэрцнтиметр РК-2 для магнитного контроля качества термической обработки стальных изделий // Дефектоскопия,-1985,-N9,- С.57-61.

Цитируемая литература

1л. Горкунов Э.С., Сомова В.М., Булдакова Н.Б. Устойчивость состояния остаточной намагниченности различно термически обработанных сталей к воздействию постоянных размагничивающих полей // Дефектоскопия,- 1986,-N9,- С.23-31.

2л. Михеев М.Н., Бида Г.В., Царькова Т.П., Костин В.Н. Исследование режимов перемагничивания при контроле качества закаленных и отпу-

щенных изделий по величине остаточной магнитной индукции // Дефектоскопия.- 1982.-N8.- С.69-79.

Зл. Вида Г.В, Царькова Т.П., Сажина ЕЛО. О выборе режима пере-магничивания при неразрушающем контроле качества отпущенных деталей по вторичной остаточной магнитной индукции // Дефектоскопия,- N3.-1994,- С. 26-31.