Коэрцитиметра от относительных значений глубины закаленного слоя

( - показания коэрцитиметра на полностью закаленном изделии)

1. Глубина закаленного слоя находится в пределах от нуля до = 0,03^. ( - площадь поперечного сечения полюса приставного электромагнита). Показания коэрцитиметра практически постоянны и зависят только от коэрцитивной силы сердцевины.

2. Глубина слоя меняется от до = 0,6^. . Показания коэрцитиметра зависят от коэрцитивной силы и глубины закаленного слоя и от коэрцитивной силы сердцевины. Показания коэрцитиметра растут по мере увеличения глубины закаленного слоя, так как увеличивается доля магнитотвердой фазы в промагничиваемом объеме и, следовательно, среднее значение коэрцитивной силы промагниченного объема. Величина является предельной контролируемой глубиной закаленного слоя.

3. Глубина слоя меняется от до = 2^. . Показания коэрцитиметра определяются главным образом коэрцитивной силой закаленного слоя и слабо зависят от изменения его глубины и изменения свойств сердцевины.

4. . Показания коэрцитиметра зависят только от коэрцитивной силы закаленного слоя.

Обобщенная кривая позволяет выбрать необходимую площадь сечения полюса электромагнита, а также оценить возможности электромагнита с известной величиной .

На показания коэрцитиметра на "рабочем" участке 2 кроме толщины закаленного слоя оказывает влияние величина коэрцитивной силы самого слоя и коэрцитивной силы сердцевины. Влияние исходной структуры (сердцевины) учитывают путем измерений показаний коэрцитиметра на незакаленном участке изделия или путем предварительного, то есть до термообработки, определения на контролируемом участке изделия с последующим использованием выражения:

, (2.101)

где - показания коэрцитиметра при контроле поверхностно упрочненного изделия; А и С - эмпирически определяемые коэффициенты, зависящие от конструкции и конфигурации приставного электромагнита и формы контролируемого участка изделия.

Контроль прочностных свойств закаленного слоя можно осуществить при малой (меньше ) глубине проникновения магнитного потока в изделие. При этом также необходимо учитывать влияние исходной структуры.

Фазовый магнитный анализ

При решении задач фазового анализа независимо от характера выбираемого метода должно быть определено, из каких фаз состоит исследуемый сплав. Под фазой понимают однородную часть исследуемой системы, характеризующуюся кристаллической решеткой, определенным химическим составом и значением плотности. В этом отношении выбираемый метод должен быть структурно чувствительным, т.е. позволяющим отличать одну от другой, в противоположность, например, спектральному (бесструктурному) анализу, определяющему только общее содержание того или иного химического элемента в сплаве, без указания на то, по каким фазам этот элемент распределен.

Различные методы фазового анализа отличаются друг от друга тем, что в каждом из них выбираются свои характеристики фаз (набор физических параметров), по значению которых и проводят “рассортировку” фаз. Информация, которая заложена в выбранном физическом параметре, определяет и сумму сведений о самой фазе. Например, в рентгеновском анализе за характеристику фазы выбирают её кристаллическую решетку, которую косвенно определяют (с использованием специальных методик) по дифракционной картине (рентгенограмме). Эта характеристика, позволяющая определить расположение атомов в пространстве, дает возможность также составить представление о плотности и других особенностях фазы.

Если исследуемый сплав состоит из ряда фаз, отличающихся кристаллическими решетками, то каждая из них будет представлена на рентгенограмме своей серией линий. Расшифровка рентгенограммы позволяет определить фазовый состав сплава.

Для оценки достоверности результатов фазового анализа очень важно установить влияние формы, дисперсности и степени напряженного состояния фазы и значения физических параметров, которые выбирают в качестве её характеристик. Также важно установить, не приводит ли это к осложнению методик, по которым эти параметры определяют. Подобная ситуация может наблюдаться при рентгеновском анализе, когда различные факторы могут настолько сильно исказить дифракционную картину, что расшифровка рентгенограммы становится практически невозможной.

Слабая зависимость намагниченности насыщения и температуры Кюри от напряженного состояния, от формы и степени дисперсности ферромагнетика позволяет выбрать эти физические параметры в качестве характеристик фазы. Если в рентгеноструктурном анализе классификация фаз системы проводится по кристаллографическим решеткам, то в магнитном анализе для этой цели используются магнитные свойства фаз и . Структурная нечувствительность этих свойств значительно облегчает исследование систем, в которых напряженность фаз, их дисперсность и форма изменяются в широких пределах в зависимости от тех или иных условий термической обработки. Как раз те факторы, которые сильно влияют на результаты рентгеновского количественного анализа, в магнитном фазовом анализе практически не влияют на результаты исследования.

Ввиду того, что намагниченность насыщения практически не зависит от формы, дисперсности и напряженного состояния фазы, магнитный момент ферромагнетика оказывается линейно зависящим от его объема:

,

где – объем ферромагнетика.

Такая зависимость справедлива не только для однофазных ферромагнитных тел, но она сохраняется и в том случае, если тело состоит из нескольких ферромагнитных фаз. Магнитный момент гетерогенной системы подчиняется закону аддитивности, т.е. складывается из магнитных моментов различных фаз:

.

При практическом использовании закона аддитивности удобнее оперировать не с магнитными моментами, а с их удельными характеристиками

,

где – объем i-той фазы; – объем всей системы.

Выражая количество фаз через их объемные проценты, получаем

, (2.102)

где – объемный процент i-той фазы; – её намагниченность.

Дополняя это уравнение соотношением объемных процентов

, (2.103)

приходим к системе уравнений, которая используется во всех задачах количественного магнитного анализа.

При исследовании ферромагнитных сплавов следует учитывать, что в их состав всегда входит какое-то количество парамагнитных (диамагнитных) фаз – оксиды, сульфиды и др. По этой причине, строго говоря, в выражения (2.102) и (2.103) должны входить доли намагниченности и объемные проценты для фаз, находящихся в системе. Однако в обычных расчетах при написании намагниченности системы (2.102) и соотношения объемных процентов (2.103) пренебрегают “парамагнитными” элементами. Такое приближение оправдано тем, что, во-первых, намагниченность парамагнитных (или диамагнитных) фаз на несколько порядков меньше намагниченности ферромагнитных фаз и, во-вторых, общий объем всех этих фаз обычно не превышает 2-3 %. Поэтому принимаемое приближение не вносит грубых ошибок при определении объема ферромагнитных фаз. При определении же количества аустенита характер приближения несколько изменяется: не учитывается доля намагниченности, вносимой этой фазой, при написании уравнения (2.102), но объем аустенита вводится в соотношение объемных процентов (2.103).

Если система состоит из двух фаз, одна из которых является парамагнитной (диамагнитной), то, как следует из выражения (2.102), намагниченность такой системы должна быть пропорциональна объему ферромагнитной фазы. Справедливость такой зависимости была подтверждена на системе железо + воздух, на системе мартенсит + аустенит, а также на системах железо + медь и железо + цементит.

Закон аддитивности был использован для определения намагниченности насыщения цементита. Измерения проводили на образцах из углеродистых сталей без экстрагирования цементита. Полученное значение =1050 Гс подтверждено результатами измерения намагниченности на изолированной цементитной фазе.

Объемный процент цементита определяется магнитным методом из соотношений:

,

,

где и - объемные проценты цементита и феррита; - их намагниченности насыщения.

Если при нагреве исследуемой гетерогенной системы входящие в неё фазы остаются в состоянии магнитного насыщения, то закон аддитивности для намагниченности насыщения сохраняется и при температурах, отличающихся от комнатной. Для равновесных (отожженных) систем при введении температурной зависимости выражение (2.102) примет вид:

(2.104)

Поскольку при обычных измерениях пренебрегают тепловым расширением, объемные проценты фаз считаются постоянными, т.е. не изменяющимися с температурой. Поэтому соотношение объемных процентов фаз (2.103) для равновесных систем не изменяет своего вида.

Выражение (2.104) характеризует изменение намагниченности системы с температурой. Это изменение будет обусловлено только разрушением доменной структуры в отдельных фазах. Закон изменения намагниченности для всей системы (и для отдельных фаз) будет одним и тем же, как при нагреве, так и при охлаждении, т.е. кривая является обратимой.

В процессе непрерывного нагрева при приближении к точке Кюри данной фазы разрушение её доменной структуры протекает наиболее быстро. В точке Кюри намагниченность фазы становится равной нулю. Это отражается на изменении общей намагниченности системы: на кривой при температурах, соответствующих точкам Кюри отдельных фаз, появляются характерные перегибы. Чем выше намагниченность фазы и больше её количество, тем более резко выражен соответствующий перегиб. На рис. 2.58 представлена серия таких кривых для отожженных углеродистых сталей. Как видно из рисунка, эффект при 210 ^оC (спад кривой в точке Кюри цементита) возрастает с увеличением количества углерода (цементита) в стали. Определение точек Кюри по характерным перегибам на обратимых кривых используется в магнитном анализе как один из методов обнаружения ферромагнитных фаз в исследуемой системе.

Рис. 2.58. Магнитограммы отожженных углеродистых сталей:

Сталь 10; 2 - 20; 3 - 30; 4 - У7; 5 - У9; 6 - У10

По своему характеру кривая является суперпозицией кривых отдельных ферромагнитных фаз, поэтому уравнение (2.104) удобно переписать в виде:

(2.105)

В выражении (2.105) величина

(2.106)

выражает долю намагниченности, которую, вносит i-тая фаза в её общее значение при данной температуре.

Следует отметить, что количество членов в выражении (2.105) с повышением температуры будет уменьшаться, так как при достижении точки Кюри данной фазы её намагниченность становится равной нулю. Из выражения (2.106) легко видеть, что оно может быть использовано для определения количества фазы . Для этого нужно знать величину доли , которую вносит эта фаза в общее значение намагниченности, и значение намагниченности насыщения этой фазы при данной температуре .

Разработка экспериментальных методов построения обратимых кривых и разработка методов определения долей намагниченности отдельных фаз по этим кривым, являются основными задачами количественного магнитного анализа.

Поскольку обратимые кривые позволяют определить как число ферромагнитных фаз, входящих в исследуемую систему, так и их количества, то такие кривые с достаточным основанием могут быть названы магнитограммами по аналогии с рентгенограммами или электронограммами, хотя последние дают, конечно, больше информации об исследуемых системах.

Определение остаточного аустенита в закаленной стали. Рассмотрим наиболее простой случай, когда закаленная сталь представляет собой двухфазную систему, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита. Примером таких систем могут служить закаленные углеродистые стали и большой класс легированных сталей, в которых при нагреве под закалку достигается полное растворение карбидных фаз. Для таких систем выражения (2.102) и (2.103) примут вид[5]:

(2.107)

(2.108)

где и - намагниченности насыщения исследуемого закаленного

образца и его мартенситной фазы; и - объемные проценты мартенсита и остаточного аустенита в образце.

Расчет количества остаточного аустенита на основании уравнений (2.107) и (2.108) выполняется очень просто. Однако практически решение этой задачи оказывается достаточно сложным. Могут быть предложены два способа определения остаточного аустенита , полностью идентичных между собой.

1. С помощью выражения (2.107) вычисляют объемный процент мартенситной фазы:

(2.109)

затем, используя (2.108) , находят значение

2. Перепишем выражение (2.107) в несколько ином виде:

На основании производного свойства пропорции получим

Учитывая соотношение (2.108), найдем формулу для определения остаточного аустенита:

(2.110)

Какой бы из этих двух способов не был выбран для определения , из выражений (2.109) и (2.110) следует, что для осуществления вычислений необходимо знать значение намагниченности насыщения мартенситной фазы исследуемого образца, т.е. значение , с определением которого, и связаны существенные трудности.

Характер формулы (2.110) показывает, что магнитный метод определения количества аустенита (и любой другой фазы) является относительным методом определения. Правая часть этой формулы выражает степень различия (в процентах) намагниченности исследуемого образца и намагниченности его мартенситной фазы. В сравнение вводятся намагниченности как бы двух образцов – первого со структурой мартенсита и второго – мартенсита и остаточного аустенита. Наблюдаемое различие намагниченностей обусловлено только наличием в образце парамагнитной фазы (аустенита). Если бы имелся образец, изготовленный из той же стали, но состоящий целиком из мартенсита, то очевидно решение нашей задачи легко было бы осуществить. Намагниченность такого образца (назовем его эталоном) равна

(2.111)

где

(2.112)

Относительное различие намагниченностей образца и эталона на основании (2.111) и (2.107) запишем в виде

(2.113)

Поскольку по структурному состоянию и химическому составу выбираемый эталон должен быть идентичен мартенситной фазе исследуемого образца, то их намагниченности насыщения также должны быть равны, т.е.

(2.114)

Учитывая это, из уравнения (2.113) получаем

Подставляя в это выражение и из (2.108) и (2.112) , находим

(2.115)

т.е. искомое значение количества остаточного аустенита.

Принципиальное отличие формулы (2.115) от формулы (2.110) состоит в том, что в ней количество аустенита выражается через изменение намагниченности исследуемого образца по сравнению с намагниченностью выбранного эталона, а не с намагниченностью мартенситной фазы этого же образца. Однако, проведение расчетов по формуле (2.115) затруднено тем, что в практике термической обработки отсутствуют способы получения мартенситных эталонов, т.е. образцов с чисто мартенситной структурой. Известные процессы – обработка холодом после закалки, импульсная обработка – не приводят к полному протеканию мартенситного превращения, и после таких обработок даже в среднеуглеродистых сталях сохраняется 4 – 6 % остаточного аустенита.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: