article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Maciej Kachniarz1, Dorota Jackiewicz2, Krzysztof Rożniatowski3,
Julita Dworecka3, Roman Szewczyk1, Jacek Salach1, Adam Bieńkowski1,
Wojciech Winiarski2
CHARAKTERYSTYKI TEMPERATUROWE I MAGNETOSPRĘŻYSTE STALI
13CrMo4-5 Z UWZGLĘDNIENIEM STEP-COOLINGU TEST
1. Wstęp
Ze względów bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji stalowych niezbędne jest
okresowe prowadzenie badań mających na celu wykrycie niekorzystnych zmian w
strukturze materiału. Ze względu na redukcję dodatkowych kosztów pożądane jest, aby
badania były badaniami nieniszczącymi [1]. Wśród nich na szczególną uwagę zasługują
metody wykorzystujące magnetosprężyste zjawisko Villariego [2], polegające na
zmianie stanu magnetycznego materiału wywołanej naprężeniami. Metody oparte na tym
zjawisku nie znalazły dotychczas szerszego zastosowania w aplikacjach przemysłowych.
Główną przyczyną takiego stanu rzeczy jest brak wiedzy na temat charakterystyk
magnetosprężystych poszczególnych gatunków stali, które umożliwiałyby ocenę stanu
materiału na podstawie pomiaru jego parametrów magnetycznych.
2. Badany materiał
Stal 13CrMo4-5 jest ferromagnetyczną stalą konstrukcyjną stopową chromowomolibdenową przeznaczoną do pracy w warunkach podwyższonej temperatury. Znalazła
zastosowanie głównie w przemyśle energetycznym, jako materiał do wytwarzania m.in.
rur kotłowych oraz łopatek turbin parowych [3].
W trakcie prowadzonych pomiarów zbadano właściwości magnetosprężyste trzech
próbek wykonanych ze stali 13CrMo4-5, które uprzednio zostały poddane procesowi
step-cooling test. Jest to obróbka cieplna wpływająca na obrabiany materiał w sposób
imitujący oddziaływanie upływającego czasu i warunków środowiska pracy
(temperatury i naprężeń). Proces ten stosuje się w szczególności do przyspieszonej,
bazującej na kilkusetgodzinnym procesie obróbki cieplnej, oceny zmian udarności
materiału zachodzącej w realnych warunkach w trakcie długotrwałej (rzędu 100.000 h)
eksploatacji. W pracy zastosowano, obok klasycznego procesu step-cooling test (rys. 1),
również 2 inne procesy bazujące na klasycznym schemacie obróbki. W pierwszym z
nich (dalej oznaczanym cyfrą 1) obróbkę przerwano po dojściu do temperatury 524 oC i
wytrzymaniu próbki przez 24h w tej temperaturze, w drugim zaś, (oznaczanym cyfrą 2)
obróbkę przerwano po dojściu do temperatury 496oC i wytrzymaniu próbki przez 60h w
tej temperaturze (rys. 1). Dla każdej z uzyskanych na tej drodze próbek przeprowadzono
badania właściwości magnetosprężystych. Postępowanie to pozwoliło na wyznaczenie
charakterystyk dla 3 zróżnicowanych struktur uzyskanych na drodze obróbki cieplnej
inż. Maciej Kachniarz, prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk, dr inż. Jacek Salach,
prof. dr hab. inż. Adam Bieńkowski, Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej
mgr inż. Dorota Jackiewicz, mgr inż. Wojciech Winiarski, Przemysłowy Instytut Metrologii i Inżynierii
Biomedycznej
3
prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Rożniatowski, mgr inż. Julita Dworecka, Wydział Inżynierii Materiałowej
Politechniki Warszawskiej
1
2
119
symulującej warunki degradacji w warunkach przemysłowych. Zaznaczyć należy
jednocześnie, że zastosowana procedura kształtowania struktury nie pozwala na
jednoznaczne określenie czasu po jakim ma szansę się ujawnić w rzeczywistych
warunkach eksploatacji. Ponadto, poza oceną charakterystyk magnetycznych,
przeprowadzono również badania wpływu zmian temperatury na charakterystyki
magnetyczne nieobciążonych rdzeni.
Rys. 1. Schemat zastosowanej obróbki step-cooling test
Do badań użyto próbek w formie rdzeni o kształcie okiennym (rys. 2). Taki kształt
umożliwiał zamocowanie podczas badania. Ponadto zastosowanie rdzenia okiennego
pozwoliło uzyskać równomierny rozkład naprężeń rozciągających w materiale i
zamkniętej drogi magnetycznej.
Rys. 2. Kształt i wymiary geometryczne badanych rdzeni stalowych 13CrMo4-5
Rys. 3. Schemat rozkładu uzwojeń na badanym rdzeniu na przykładzie uzwojenia
magnesującego: I – prąd magnesowania, H – pole magnesujące
Na każdy z rdzeni nawinięto uzwojenie magnesujące (500 zwojów) i uzwojenie
pomiarowe (200 zwojów), przy czym każde z uzwojeń było nawijane na obu kolumnach
rdzenia równomiernie, celem utworzenia zamkniętego obwodu magnetycznego i
uniknięcia rozproszenia strumienia magnetycznego w materiale (rys. 3).
120
3. Metodyka badań
3.1. Stanowisko pomiarowe
Do przeprowadzenia badań wykorzystano stanowiska pomiarowe w dwóch
konfiguracjach. Podstawowym elementem każdej z nich był automatyczny system do
badania materiałów magnetycznie miękkich HB-PL30, który wykorzystywano do
pomiaru charakterystyk magnetycznych stali 13CrMo4-5.
Rys. 4. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do badania charakterystyk
magnetycznych: a) konfiguracja do pomiaru charakterystyk temperaturowych,
b) konfiguracja do pomiaru charakterystyk magnetosprężystych
121
Pomiarów charakterystyk temperaturowych stali 13CrMo4-5 dokonano przy użyciu
stanowiska pomiarowego w konfiguracji przedstawionej na rys. 4a. Do zadawania
żądanych temperatur, w których dokonywano pomiaru charakterystyk magnetycznych,
wykorzystano kriostat MLW MK70. Urządzenie posiadało możliwość zarówno
schładzania, jak i ogrzewania obiektów umieszczonych w komorze termicznej.
Stanowisko w konfiguracji do badania charakterystyk magnetosprężystych (rys. 4b)
składało się z opisanego uprzednio systemu HB-PL30 oraz układu zadawania naprężeń
rozciągających. Do zadawania obciążeń używano ręcznej prasy hydraulicznej typu
PLH-12/4-WK-54. Pomiar wartości zadawanego obciążenia odbywał się za pomocą
czujnika siły ZEPWN CL16U. Zamiana siły ściskającej, wytwarzanej przez prasę, na
siłę rozciągającą oddziałującą na rdzeń odbywała się z wykorzystaniem rewersora sił,
którego budowę i zasadę działania przedstawia rys. 5 [4].
Rys. 5. Budowa i zasada działania rewersora sił: -F – siła ściskająca, +F – siła
rozciągająca, +σ – naprężenia rozciągające, 1 – badany rdzeń, 2 – belka ruchoma,
3 – mocowanie rdzenia, 4 – kolumny cylindryczne, 5 – podstawa rewersora, 6 – belka
górna
3.2. Procedura pomiarowa
Dla każdego z badanych rdzeni jako pierwsze wyznaczono charakterystyki
temperaturowe. Rdzeń umieszczano w termostacie i dokonywano pomiarów
charakterystyk magnetycznych w temperaturach z zakresu -20÷60°C z krokiem
wynoszącym 10°C. Następnie badany rdzeń umieszczano w rewersorze i poddawano
naprężeniom rozciągającym od 0 MPa do momentu zerwania (ok. 480 MPa), mierząc
przy każdym z zadawanych naprężeń charakterystyki magnetyczne. Pomiaru
charakterystyk magnetycznych dokonywano w czterech punktach o ustalonych
122
wartościach amplitudy pola magnesującego Hm wynoszących 450 A/m, 850 A/m, 1680
A/m i 2800 A/m.
4. Wyniki
Rys. 6, 7 i 8 przedstawiają wyniki pomiarów charakterystyk temperaturowych
w badanych rdzeniach. Jak widać, wpływ temperatury na indukcję maksymalną
badanego materiału jest niewielki. Jedynie przy najniższej amplitudzie pola
magnesującego można zaobserwować niewielki wzrost indukcji w funkcji temperatury.
Dla większych pól nie zaobserwowano istotnych zmian.
Rys. 6. Wykres zależności indukcji maksymalnej od temperatury B m(T) dla rdzenia 1
(step-cooling przerwany w temp. 524oC)
Rys. 7. Wykres zależności indukcji maksymalnej od temperatury B m(T) dla rdzenia 2
(step-cooling przerwany w temp. 496oC)
123
Rys. 8. Wykres zależności indukcji maksymalnej od temperatury B m(T) dla rdzenia 3
(po pełnym cyklu obróbki step cooling)
Na rys. 9, 10 i 11 przedstawiono pętle histerezy uzyskane dla każdego z badanych
rdzeni przy amplitudzie pola magnesującego wynoszącej 850 A/m (obserwowalne
największe zmiany) i przy naprężeniach 0 MPa, 100 MPa i 450 MPa. Można na nich
zaobserwować wyraźny wpływ naprężeń rozciągających na kształt pętli i jej parametry.
Przy naprężeniach 100 MPa indukcja maksymalna osiąga największą wartość – jest to
tzw. punkt Villariego. Wartość koercji jest zbliżona do wartości uzyskanej przy
zerowych naprężeniach. Dalszy wzrost naprężeń powoduje spadek indukcji
maksymalnej oraz wyraźny wzrost koercji, co widać w przypadku pętli uzyskanej przy
naprężeniach 450 MPa (rdzeń bliski zerwania). Dla wszystkich trzech rdzeni charakter
zmian wykresów B(H) w funkcji naprężeń jest podobny.
Rys. 9. Charakterystyki magnetyczne B(H) w zależności od naprężeń dla rdzenia 1 (stepcooling przerwany w temp. 524oC)
124
Rys. 10. Charakterystyki magnetyczne B(H) w zależności od naprężeń dla rdzenia 2
(step-cooling przerwany w temp. 496oC)
Rys. 11. Charakterystyki magnetyczne B(H) w zależności od naprężeń dla rdzenia 3 (po
pełnym cyklu obróbki step cooling)
Rys. 12, 13 i 14 prezentują wykresy zależności indukcji maksymalnej od wartości
naprężeń Bm(σ) dla badanych rdzeni. Wyraźnie widać, że w początkowej fazie
obciążania rdzenia wzrostowi naprężeń towarzyszy wzrost indukcji maksymalnej
materiału. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy niskich amplitudach
magnesowania (450 A/m i szczególnie 850 A/m). Po osiągnięciu punktu Villariego,
gdzie indukcja przyjmuje maksymalną wartość, następuje spadek jej wartości
towarzyszący wzrostowi naprężeń. Podobnie, jak w przypadku charakterystyk B(H), nie
jest widoczny wyraźny wpływ momentu przerwania procesu step-cooling na
charakterystykę magnetosprężystą materiału – rezultaty uzyskane dla wszystkich trzech
badanych rdzeni są zbliżone.
125
Rys. 12. Wykres zależności indukcji maksymalnej od naprężeń B m(σ) dla rdzenia 1
(step-cooling przerwany w temp. 524oC)
Rys. 13. Wykres zależności indukcji maksymalnej od naprężeń B m(σ) dla rdzenia 2
(step-cooling przerwany w temp. 496oC)
Rys. 14. Wykres zależności indukcji maksymalnej od naprężeń B m(σ) dla rdzenia 2
(step-cooling przerwany w temp. 496oC)
126
Tłumaczyć powyższe zjawisko można praktycznym brakiem różnic pomiędzy
strukturą uzyskaną w 3 analizowanych wariantach obróbki. We wszystkich przypadkach
obserwowano strukturę typu ferrytyczno-węglikowego z wyraźnie widocznym ziarnem
pierwotnego perlitu, w którym obserwuje się efekty rozpadu struktury płytkowej
(rys. 15).
Rys. 15. Struktura ferrytyczno-węglikowa obserwowana w próbkach po procesie stepcooling test (również w wariantach przerwanych) przed osiągnięciem końca procesu
(mikroskop świetlny, pole jasne, trawione odczynnikiem Nital 5%)
5. Wnioski
Metoda badania właściwości magnetosprężystych zaprezentowanych w niniejszej
pracy stwarza nowe możliwości dla opisu właściwości pod wpływem naprężeń dla stali
konstrukcyjnych. Opracowane stanowisko badawcze pozwala na wyznaczenie tych
charakterystyk, które pozwalają na właściwą ocenę stanu naprężeń w elementach
konstrukcyjnych. Odpowiednio dobrany kształt rdzeni zapewnia zamknięty obwód
magnetyczny oraz jednorodny rozkład naprężeń. Przedstawiono metodyka badań
pozwala na uzupełnienie luki w wiedzy na temat cech magnetosprężystych różnych
rodzajów stali konstrukcyjnych.
Wyniki badań eksperymentalnych właściwości magnetosprężystych stali
potwierdzają słuszność zaproponowanej metodologii badawczej. Pod wpływem
naprężeń rozciągających, dla niższych wartości amplitudy pola magnesującego, indukcja
magnetyczna zmienia się znacząco, co potwierdza możliwość wykorzystania pomiarów
bazujących na efekcie magnetosprężystości w badaniach nieniszczących w przemyśle.
Charakterystyki magnetyczne zmieniają się w znikomym stopniu pod wpływem
temperatury. Umożliwia to zastosowanie charakterystyk magnetosprężystych do badań
nieniszczących konstrukcji ze stali konstrukcyjnej, ponieważ temperatura nie jest
parametrem zaburzającym charakterystyki magnetosprężyste.
Podziękowana:
Praca została częściowo wsparta przez krajowe Centrum Badań i Rozwoju (Polska)
w ramach projektu PBS1/B4/6/2012.
127
Literatura:
[1]
Lewińska-Romicka A.: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii, Warszawa
2001, WNT.
[2]
Bieńkowski A., Szewczyk R., Kolano R.: Magnetoelastic Villari Effect in
Nanocrystalline Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9 Alloy, Physica Status Solidi, 2002, vol.
189, p. 821–824.
[3]
Chikazumi S.: Physics of Ferromagnetism, New York 1997, Oxford University
Press.
[4]
Szewczyk R., Švec Sr P., Švec P., Salach J., Jackiewicz D., Bieńkowski A.,
Hoško J., Kamiński M., Winiarski W.: Thermal annealing of soft magnetic
materials and measurements of its magnetoelastic properties, Pomiary
Automatyka Robotyka, 2013, 2, s. 513-518.
Streszczenie
W przedstawionym artykułu zaprezentowano badania wpływu naprężeń
rozciągających oraz temperatury na rdzenie wykonane ze stali konstrukcyjnej 13CrMo45. Do badań użyto trzech rdzeni okiennych o zamkniętej drodze magnetycznej wcześniej
poddanych procesowi step-cooling test. Proces ten jest obróbką cieplną wpływającą na
obrabiany materiał w sposób imitujący oddziaływanie upływającego czasu i warunków
środowiska pracy (temperatury i naprężeń). W artykule została opisana metody
badawcza ze specjalnie skonstruowanym stanowiskiem pomiarowym. Zaprezentowano
również wynik badań, na podstawie których stwierdzono, że temperatura nie wpływa
znaczą na charakterystyki magnetyczne. Z kolei naprężenia rozciągające wpływają
znacząco na te charakterystyki, co potwierdziło możliwość zastosowania pomiarów
bazujących na efekcie magnetosprężystości w badaniach nieniszczących stali
konstrukcyjnych w przemyśle.
Słowa kluczowe: badania nieniszczące, charakterystyki magnetosprężyste,
ferromagnetyczna stal konstrukcyjna, pomiary naprężeń
TEMPERATURE AND MAGNETOELASTIC CHARACTERISTICS OF
13CrMo4-5 STEEL AFTER STEP-COOLING TEST
Abstract
In the paper investigation of tensile stresses and temperature influence on cores
made of 13CrMo4-5 constructional steel is presented. In the investigation three frame
shaped and step-cooling treated samples with closed magnetic path were used. The stepcooling process is a type of heat treatment simulating effects of passing time and
environmental conditions (temperature and stress) on the sample. The article describes
the method of testing with a specially designed test station. The results of the
investigation are also presented. It was found that temperature does not significantly
affect the magnetic characteristics. On the other hand tensile stresses result in significant
change of the measurement results. That confirms the possibility of using measurements
based on the magnetoelastic effect in industrial NDT of constructional steels.
Keywords: nondestructive testing, magnetoelasticity characteristic, ferromagnetic
construction steel, stress measurement
128