2121403354

20

2.1. Podstawy fizyczne i materiałowe badań magnetycznych zmęczenia mechanicznego stali konstrukcyjnych niskowęglowych i niskostopowych

Stał konstrukcyjna ze względu na dobre właściwości mechaniczne jest podstawowym materiałem stosowanym w technice. Stopy żelaza, będące w większości przypadków magnetyczne, diagnozować można także magnetycznie, nie wykluczając innych metod. Wielkościami magnetycznymi fizycznymi czułymi na strukturę realną materiału są przede wszystkim:

-    przenikalność magnetyczna początkowa i maksymalna,

-    natężenie koercji,

-    straty histerczowc,

-    straty wiroprądowe,

-    straty relaksacyjne.

Zmienność parametrów magnetycznych materiału od temperatury jest na tyle istotna, żc w fundamentalnym dziele: „Ferromagnetyzm" Bozofth wskazał, żc obok naprężeń, temperatura jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na jego parametry. Zmienność przenikał-ności materiału w danej ustalonej temperaturze (97) może być wywołana między innymi:

-    procesem obróbki plastycznej,

-    procesem obróbki cieplnej,

-    szybkością chłodzenia,

-    czynnikiem chłodzącym.

-    relaksacją naprężeń,

-    czasem starzenia.

-    obciążeniami sprężystymi i zmęczeniowymi.

Metodę magnetyczną można stosować do analizy struktury realnej oraz wyznaczania faz w stopach żelaza. Istnieje wiele odmian tej metody, w których wykorzystuje się odpowiednią wielkość fizyczną lub przebieg danego zjawiska. Stosowane są urządzenia oparte na pomiarze:

-    przenikalności magnetycznej,

-    magnetyzacji nasycenia,

-    magnetycznego pola rozproszenia,

-    strat magnetycznych.

Przenikalność magnetyczna ferromagnetyka zależy od wielu czynników wewnętrznych. W materiałach magnetycznych z anizotropią magnetyczną, a do takich zaliczyć można stale konstrukcyjne, przenikalność magnetyczna względna opisana jest zależnością [112-114]:

gdzie: J, -T -

ko -6 -I -

Ho -

K'f~ Ki -

magnetyzacja nasycenia, temperatura termodynamiczna, stała Boltzmanna,

grubość efektywnej ścianki domenowej, szerokość domeny, stała magnetyczna,

efektywna stała anizotropii magnctokrystalicznej, efektywny współczynnik magnetostrykcji.

o - naprężenie mechaniczne, p parametr zależny od rodzaju ścianki domenowej,

c stężenie elementów oddziałujących z wektorem spontanicznej magnetyzacji (mogą to być atomy międzywęzłowe węgla, azotu, tlenu), w - stała oddziaływania danego elementu z wektorem magnetyzacji spontanicznej, t - czas liczony od momentu rozmagnesowania (redystrybucji elementów porządkujących się kierunkowo), r - czas relaksacji dojścia do stanu równowagi.

Jak widać ze wzoru (2.1), także budowa domeny magnetycznej wpływa na przenikalność magnetyczną materiału.

W stalach konstrukcyjnych oprócz zmian parametrów magnetycznych od zewnętrznych czynników mechanicznych (w granicach odkształceń sprężystych) występują przemiany fazowe powodowane odkształceniami plastycznymi. W stalach austcnityczno-martenzy-tycznych (A+M) dochodzi nieraz do wydzielenia fazy martenzytycznej. Spodziewane zmiany pr/cnikalności magnetycznej materiału i natężenia koercji mogą zostać zakłócone lokalnymi przemianami fazowymi, zmieniającymi diametralnie namagnesowanie.

Dla fazy amorficznej stała anizotropii magnetokrystalicznej Kj jest zazwyczaj równa zero. W przypadku gdy mamy do czynienia z fazą amorficzną i krystaliczną oraz gdy rozmiary fazy krystalicznej są mniejsze od długości oddziaływania wymiennego wówczas [43,69]:

gdzie:    K\ - stała anizotropii magnetokrystalicznej fazy krystalicznej,

d - średnia średnica fazy krystalicznej,

A - stała oddziaływania wymiennego; gdy w ystępuje tylko faza krystaliczna, wówczas K_e(- K\.

Parametry magnetyczne zależą od składu chemicznego [115], struktury realnej, temperatury i obróbki cieplnej. Na przykład skład chemiczny w stopach Fc-Cr-Ni silnie wpływa na ich skład fazowy (rys. 2.2).

Ilote torty*/ 0% ito

■

■

■

^-

zr

-

^-

.Z

■

■

m

■

■

■■

■

u

■

■

■

■

■

■

■

■

m

■■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■■■■

_

-

■

■

■

■

■

L-

m

■

HHBI

■

■

p

■

■

u

■

■

■

L

_J

T

■

■

_

_!_

■

■

■

■

■

■

■

■

u

■

■

_

■

■

■

■

■

■

IB

■

■

■

T

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

-1

■

■

■

■

■

■

■

■

_ -

■

-i

—

3

c

d

R

3

t

—

—

U

Rys. 2.2. Skład fazowy stopów Fe-Cr-Ni

Fig. 2.2. Diagram ofphase composition Fe-Cr-Ni

gdzie: równoważnik chromu:

(2.3)

Cr_£ = 1 x %Cr +1 x %Mo +1,5 x %Si + 0.5 x %Nb + ...(%Ti. W.Ta. Al).