Bolesław Augustyniak, Leszek Piotrowski, Marek Chmielewski

Ocena właściwości magnetoakustycznych
próbek stali 13HMF o różnym czasie eksploatacji
Bolesław AUGUSTYNIAK
Leszek PIOTROWSKI
Marek CHMIELEWSKI
Politechnika Gdańska
Wydział Fizyki Technicznej
i Matematyki Stosowanej
1. WSTĘP
Prezentujemy tu wyniki badań laboratoryjnych dotyczących poznania właściwości
magneto-akustycznych stali 13HMF po różnym czasie eksploatacji. Badania te stanowią
początkowy fragment realizowanego właśnie programu badawczego mającego na celu
zastosowanie nowych, nieniszczących technik diagnozowania zmiany stanu mikrostruktury
tego gatunku stali [1]. Chodzi tu o komplementarne użycie metod magnetycznych oraz
ultradźwiękowych. Stal 13HMF jest powszechnie używana w krajowej energetyce jako
materiał dla konstrukcji, np. rurociągów dla transportu pary a ocena stanu mikrostruktury tego
typu ciśnieniowych elementów po długim okresie eksploatacji jest bardzo ważnym zadaniem
technicznym. Bezsporna jest teza o zasadności poszukiwania skutecznych nieniszczących
metod diagnozowania zmian w mikrostrukturze stali eksploatowanych w energetyce w
warunkach zmiennych naprężeń i wysokiej temperatury. Proces degradacji pogarsza
właściwości mechaniczne tych stali, aż do wystąpienia makroskopowych uszkodzeń.
Złożoność problemów technicznych występujących w sferze diagnostyki urządzeń
energetycznych, a jednocześnie dążenie do podwyższenia dokładności prognozowania trwałości
resztkowej są powodem ciągłego rozwoju nowych metod diagnostycznych stanu materiału [2, 3,
4]. Szczególne znaczenie ekonomiczne i techniczne mają metody nieniszczące badań, a wśród
nich – w przypadku stali wykazujących właściwości ferromagnetyczne - metody wykorzystujące
ich specyficzne właściwości magnetosprężyste.
W Kraju rozwinięto ostatnio badania nad wykorzystaniem efektów
magnetosprężystych, a w szczególności emisji magnetoakustycznej, do diagnozowania stanu
mikrostruktury eksploatowanych stali ferromagnetycznych [5]. Dotychczasowe wyniki tych
badań dla stali ferrytyczno-perlitycznych i perlityczno–bainicznych (typu 15HM i 10H2M)
wskazują jednoznacznie na to, że metoda bazująca na efekcie emisji magnetoakustycznej
(EMA) charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami użytecznymi dla potrzeb badań
nieniszczących [5, 6, 7, 8]. Właściwością najcenniejszą jest to, iż natężenie EMA okazuje się
być dla tych stali monotonicznią i silnie malejącą funkcją stopnia degradacji już na wczesnym
etapie procesu degradacji (przed wystąpieniem uszkodzeń mikrostruktury). Tego typu
‘pozytywne’ wyniki stanowiły główną przesłankę dla podjęcia badań właściwości
magnetosprężystych dla stali typu 13HMF.
Należy tu jednak zaznaczyć, iż dotychczasowe nasze badania właściwości magnetoakustycznych dotyczyły głównie cienkościennych elementów kotła (przegrzewacze pary),
teraz natomiast przystąpiono do badania grubościennych elementów. Ze względu na
objętościowy charakter badania materiału z wykorzystaniem EMA (rejestrowane sygnały
akustyczne pochodzą z całego magnesowanego obszaru) należy przy interpretacji wyników
1
badań brać pod uwagę także efekt wpływu zmian mikrostruktury ‘po głębokości’ badanego
elementu na generacje EMA w takim obszarze. O zasadności tej uwagi świadczą wyniki
badań przeprowadzonych ostatnio dla wycinków ze stali martenzytycznej typu
X20CrMoV12.1 pobranych z różnych głębokości ścianki rurociągu nowego oraz
eksploatowanego przez 115 tys. godzin [9]. Stwierdzono wówczas ogólne obniżenie całki z
natężenia EMA dla materiału eksploatowanego w porównaniu z materiałem w stanie dostawy,
ale zmiana ta różna dla próbek pobranych z różnych głębokości. Tego typu wynik sprawił, iż
w przypadku badania elementów grubościennych ze stali 13HMF nasze badania dotyczą także
tego aspektu. W niniejszym materiale prezentujemy wyniki badań porównawczych
przeprowadzonych dla próbek pobranych z warstwy zewnętrznej, środkowej i wewnętrznej z
fragmentów grubościennych rurociągów o różnym czasie eksploatacji.
2. EFEKTY BADANE
Właściwości efektu Barkhausena oraz emisji magnetoakustycznej wynikają ze
specyficznego związku pomiędzy mikrostrukturą i strukturą magnetyczną stali. W przypadku
stali bainityczno-perlitycznych ziarno ferrytu jest podzielone na kilka domen magnetycznych
stanowiących obszary namagnesowane do nasycenia, [10, 11, 12]. Domeny magnetyczne są
rozdzielone tzw. granicami domen. Ilustrację tego typu struktury zawiera rysunek 1, [5].
Rys. 1. Schemat struktury domen magnetycznych wewnątrz ziarna ferrytu stali 10H2M
Wyróżnia się dla ferrytu dwa rodzaje granic: granice typu ‘180o’ oraz typu ‘90o’.
Oznaczenia te określają kąt miedzy kierunkiem namagnesowania w sąsiadujących domenach
magnetycznych (białe strzałki na rys. 1). Histereza magnetyczna powstaje podczas
magnesowania ferromagnetyka przemiennym polem magnetycznym i przejawia się w sposób
makroskopowy poprzez pętlę histerezy między namagnesowaniem wnętrza materiału a
natężeniem zewnętrznego pola magnetycznego, [11,12]. Histereza ta wynika z procesu
kotwiczenia granic domen magnetycznych ferromagnetyka przez defekty struktury takie jak
granice ziarn, dyslokacje, wydzielenia faz twardych magnetycznie lub niemagnetycznych (np.
węgliki widoczne na rys. 1), [13, 14].
Odkotwiczanie granicy domen magnetycznych skutkuje szybkim ruchem tej granicy,
zwanym skokiem Barkhausena. Lokalna szybka zmiana indukcji magnetycznej w
przemagnesowanym podczas skoku Barkhausena obszarze może być stwierdzona w formie
sygnału napięciowego indukowanego w cewce zbliżonej do powierzchni ferromagnetyka (lub
nawiniętej na magnesowany materiał), [13].
2
Ten efekt określany tu będzie jako polowy efekt Barkhausena (HEB) dla odróżnienia
od efektu związanego ze skokiem granic domen magnetycznych pod wpływem naprężeń
(mechaniczny efekt Barkhausena) [5]. Efektem skojarzonym z procesem magnesowania i
polowym efektem Barkhausena jest efekt emisji akustycznej zwany emisją
magnetoakustyczną (EMA). Generacja fali akustycznej w magnesowanym ferromagnetyku
jest tłumaczona zazwyczaj przez powstanie różnicy lokalnych odkształceń sieci
krystalograficznej po obu stronach poruszającej się granicy magnetycznej w
ferromagnetykach wykazujących własności magnetostrykcyjne, [5, 14, 15].
Zjawisko magnetostrykcji polega na makroskopowej zmianie wymiarów
magnesowanego ferromagnetyka i jest – dla małych natężeń pola - skutkiem wzrostu
objętości obszarów o namagnesowaniu zbliżonym do kierunku zewnętrznego pola
magnetycznego, [11]. Przyjmuje się zatem za słuszny pogląd iż EMA jest wynikiem głównie
ruchu granic typu ‘90o’, [13]. Należy zaznaczyć, iż polowy efekt Barkhausena jest skutkiem
ruchu obu typów granic domenowych, ale głównie granic typu ‘180o’.
Zaznaczyć jeszcze należy, iż HEB dostarcza informacji o stanie mikrostruktury w
stosunkowo cienkiej warstwie przypowierzchniowej (rzędu 0,1 mm). W przypadku EMA, jest
to efekt, którego natężenie jest sumą emisji zachodzących w całym magnesowanym obszarze.
Takie właściwości obu efektów wynikają z faktu znacznego tłumienia fal
elektromagnetycznych w metalu i stosunkowo nieznacznego (w porównaniu z falami
elektromagnetycznymi) tłumienia fal akustycznych. Wynika stąd wniosek, iż EMA jest
efektem szczególnie przydatnym dla badania w sposób nieniszczący właściwości elementów
‘grubościennych’, jakimi są, np. rury transportujące parę.
3. MATERIAŁ BADANY
Materiał do badań ze stali 13HMF został dostarczony przez Politechnikę Warszawską
(Wydział Inżynierii Materiałowej) w postaci czterech zestawów po 3 próbki wyciętych z rur
po różnym czasie eksploatacji. W tablicy 1 podano: oznaczenia próbek dla każdej serii, czas
eksploatacji i średnie wymiary. Próbki pobrane z różnych warstw oznaczono dodatkowymi
indeksami: ‘g’ dla warstwy zewnętrznej, ‘s’ dla warstwy środkowej oraz ‘d’ – dla warstwy
wewnętrznej.
Tablica 1. Opis badanych próbek
Materiał
Czas eksploatacji
[tys. godz.]
Długość
[mm]
Szerokość
[mm]
Grubość
[mm]
‘22’
‘g2’
‘c2’
‘a1’
0
58
136
152
79,8 ± 0,1
81,3 ± 0,1
70,17 ± 0,02
68,18 ± 0,02
9,97 ± 0,01
10,01 ± 0,01
10,00 ± 0,01
10,00 ± 0,01
4,94 ± 0,02
4,96 ± 0,02
4,95± 0,02
4,95± 0,02
Trzeba podkreślić, iż nie zostały jeszcze wykonane dokładne badania metalograficzne
otrzymanego materiału i ‘stopień degradacji’ jest parametrem umownie związanym z czasem
eksploatacji.
3
4. UKŁAD POMIAROWY
Układy do magnesowania i detekcji właściwości magneto-akustycznych zostały
wykonane w Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG. Wykorzystywano
dwa układy: 1) służący do pomiaru szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej i
związanej z tym przenikalności magnetycznej a następnie pętli histerezy oraz 2) służący do
badania natężenia polowego efektu Barkhausena (HEB) oraz emisji magneto-akustycznej
(EMA). Układy te różnią się sposobem magnesowania próbki.
Rys. 2. Schemat układu do pomiaru szybkości Rys. 3. Schemat układu do pomiaru HEB
zmian strumienia indukcji magnetycznej:
i EMA: 1 – próbka, 2 – cewka magnesu1 – próbka, 2 – cewka magnesująca,
jąca, 3 – zwora magnetyczna, 4a – rdzeń
3 – cewka detekcyjna, 4 – zwora
sondy HEB, 4b – cewka detekcyjna HEB,
magnetyczna
5 – przetwornik EMA
W pierwszym układzie (pokazanym na rysunku 2) próbka (1) magnesowana jest za
pomocą pola wytwarzanego przez cewkę (2). Sygnał napięciowy Uo indukowany w cewce
detekcyjnej (3) jest miarą szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej. Ten sygnał jest
wykorzystywany do wyznaczenia pętli histerezy indukcji magnetycznej. Straty strumienia
indukcji w próbce zmniejszone są za pomocą zwory magnetycznej (4) wykonanej z
miękkiego magnetycznie materiału. Natężenie pola magnetycznego wewnątrz cewki
magnesującej zmierzono za pomocą sondy hallotronowej. Tego typu układ pomiarowy daje
możliwość wyznaczenia w sposób możliwie rzetelny zarówno natężenia pola H jak i zmian
indukcji magnetycznej.
Drugi układ pomiarowy (pokazany na rysunku 3) jest układem wykorzystywanym w
badaniach przemysłowych (poza laboratorium). Jego istotą jest magnesowanie obiektu za
pomocą elektromagnesu jarzmowego. W przypadku tego typu badań próbka (1) znajduje się
w obwodzie magnetycznym, w którym źródłem strumienia indukcji magnetycznej jest rdzeń
(3) magnesowany cewką (2). Stosowane są w tym układzie dwa detektory: jeden dla efektu
HEB i drugi dla efektu EMA. Rdzeń ferrytowy (4a) oraz cewka detekcyjna (4b) tworzą sondę
służącą dla detekcji HEB.
Natężenie efektu EMA może być wyznaczane na podstawie wielkości sygnału
napięciowego uzyskiwanego z przetwornika piezoelektrycznego (5) sprzężonego akustycznie
z podłożem, [5]. Chwilowe wartości sygnałów napięciowych uzyskiwane na cewce
detekcyjnej i w przetworniku EMA podawane były na wejście analizatora sygnałów
(wykonany przez firmę Mag-Lab). Analizator ten zawiera filtry, wzmacniacze napięcia a
także układy wyznaczające chwilową wartość napięcia skutecznego. Za miarę chwilowego
4
natężenia HEB oraz EMA przyjęto napięcie skuteczne. Wyznaczano je za pomocą
wbudowanego w analizator analogowego przetwornika typu ‘RMS” (Root Mean Square).
W niniejszym opracowaniu te napięcia oznaczane są jako Ub dla HEB i jako Ua dla
EMA. Sygnał wyjściowy z analizatora zamieniano na postać cyfrową i rejestrowano z
wykorzystaniem komputera PC. Do magnesowanie próbek stosowano prąd przemienny o
natężeniu zmieniającym liniowo w czasie z częstością około 1 Hz. Źródłem tego prądu jest
specjalny tzw. prądowy wzmacniacz mocy. Natężenie prądu magnesującego proporcjonalne
jest do napięcia Ug otrzymanego po wzmocnieniu spadku napięcia na oporniku włączonym
szeregowo z cewką magnesującą, [5].
5. WYNIKI BADAŃ
Pokazane na rysunku 4 dwa wykresy zmian napięcia Uo w funkcji natężenia pola
magnetycznego ilustrują wyniki otrzymane dla próbek z materiału ‘g2’. Próbki te
charakteryzowały się największą (dla ‘g2g’) oraz najmniejszą (dla ‘g2d’) wartością amplitudy
zmian napięcia Uo spośród wszystkich przebadanych próbek.
Rys. 4. Wykresy sygnału napięciowego Uo Rys. 5. Zestawienie wartości amplitud (pikdla trzech próbek z materiału ‘22’.
pik) sygnału napięciowego Uo
Syntetyczne zestawienie wartości między szczytowych tego napięcia (Uopp) dla
wszystkich próbek stanowi wykres kolumnowy na rysunku 5. Wyniki te uszeregowano w
funkcji wzrostu czasu eksploatacji oraz w w funkcji położenia (‘d’, ‘s’ i ‘g’).
Na podstawie tej prezentacji trudno jest opisać charakter zmian wartości parametru
Uopp w funkcji czasu eksploatacji. Średnia wartość parametru Uopp dla danego materiału
początkowo maleje (dla ‘g2’) a następnie wzrasta dla ‘c2’ i ponownie maleje dla ‘a1’. Zmiany
tego parametru w zakresie danego materiału są stosunkowo niewielkie za wyjątkiem
materiału ‘g2’. Parametr Uopp może być traktowany, jak wspomniano wyżej, jako miara
wartości maksymalnej różniczkowej przenikalności magnetycznej (μr). Dotychczasowe
doświadczenia wskazywały na występowanie minimum tego parametru w funkcji stopnia
degradacji, [5]. Przedstawione zmiany Uopp są niezgodne z taką zależnością, jeżeli przyjąć
czas eksploatacji za główny wskaźnik zawansowania procesu degradacji.
Kolejne dwa rysunki zawierają przykładowe wykresy zależności ‘polowych’ natężenia
efektu HEB (rys. 6) oraz efektu EMA (rys. 7). Wyniki te uzyskano za pomocą drugiego
układu pomiarowego. Wielkość Ug jest miarą natężenia pola magnesującego zworę
5
magnetyczną. Dla HEB pokazano dwa sygnały napięciowe: dla wartości skutecznej (Ub) oraz
dla szybkości zliczania impulsów (Ubn).
Rys. 6. Sygnały napięciowe HEB dla próbki
‘22s’: Ub – wartość skuteczna, Ubn –
szybkość zliczania impulsów
Rys. 7. Wartości napięcia skutecznego Ua z
EMA zmierzone dla ‘środkowych’ próbek
(’s’) z czterech zbadanych materiałów.
Oba przebiegi pokazują pojedyncze maksimum, które położone jest w zakresie
natężenia pola magnetycznego, w którym następuje maksymalna liczba przeskoków granic
typu 180o. Wykresy dla EMA z drugiego rysunku pokazują, iż występują dwa maksima
natężenia tego efektu. Jest to wynik zgodny z analogicznymi przebiegami uzyskanymi dla
stali typu 10H2M czy 15HM. Owe dwa maksima tłumaczy się jako skutek wzrostu dynamiki
przemieszczeń granic typu 90o podczas kreacji i anihilacji domen magnetycznych, [5].
Należy zauważyć, iż sygnały napięciowe HEB dla poszczególnych materiałów miały
bardzo zbliżony charakter co do kształtu: praktycznie tę sama szerokość oraz tylko
nieznacznie różniąca się wysokość. Z obu sygnałów napięciowych HEB przyjęto zatem
wysokość maksimum to jako parametr ‘opisujący’ ilościowo natężenie tego zjawiska.
Rys. 8. Zestawienie wartości amplitud (pikpik) sygnału napięciowego Ub dla HEB
Rys. 9. Zestawienie wartości amplitud (pikpik) sygnału napięciowego Ubn dla HEB
Zestawienie parametru Ubpp znalezionego dla natężenia HEB pokazano na rysunku 8 a
analogiczne zestawienie dla szybkości zliczania (parametr Ubnpp) zawiera rysunek 9.
6
Dla obu parametrów stwierdza się również nie monotoniczny charakter zmian ich
wartości w funkcji czasu eksploatacji. Dla materiału ‘g2’ HEB ma największe natężenie.
Natężenie dla materiału ‘c2’ jest bardzo zbliżone do natężenia dla materiału ‘w stanie
dostawy’ natomiast natężenie materiału ‘a1’ ma wartość pośrednią pomiędzy materiałem ‘11’
a g2’. Można zauważyć dla materiałów eksploatowanych pewną tendencję w różnicy
względnych wartości natężenia HEB dla warstwy środkowej (próbki ‘s’): jest ono
systematycznie nieco mniejsze od natężenia dla warstw górnej i dolnej.
Dotychczasowe badania pokazywały, iż charakterystyczne jest występowanie
maksimum natężenia HEB w początkowym etapie procesu degradacji – gdy wzrastające
wydzielenia wewnątrz ziaren ferrytu osiągały wymiary zbliżone do szerokości granic domen
magnetycznych (wartość około 100 nm). W przypadku tu analizowanych wyników stwierdza
się także owo maksimum ale po nim występuje minimum (materiał ‘c2’).
Zmiany w natężeniu EMA dla kolejnych materiałów, jak sugeruje rysunek 7, wydają
się być odmienne od tych, jakie zaobserwowano dla zmian natężenia HEB. Sygnał
napięciowy EMA ma złożony przebieg – występują dwa maksima. Jako parametr ‘opisowy’
przyjęto zatem dla EMA wartość z całki pod wykresem sygnału napięciowego Ua w zakresie
jednego okresu przemagnesowania.
Na rysunku 10 pokazano zestawienie tych całek wyliczonych dla wszystkich próbek.
Rys. 10. Zestawienie wartości całek z sygnału Rys. 11. Wartości względnych zmian czterech
napięciowego EMA (Ua) dla wszystkich wielkości: 1 – przenikalności magnetycznej,
badanych próbek
2 – napięcia skutecznego HEB, liczby
impulsów HEB i 4 – całki z natężenia EMA
Zwraca ponownie uwagę również brak ‘monotoniczności’ w charakterze zmian tego
parametru w funkcji czasu eksploatacji. Natężenie EMA dla materiału ‘g2’ jest zbliżone do
tego dla stanu wyjściowego ale mocno zmienne w zależności od położenia wycinka
(najmniejsze w strefie zewnętrznej rury). Natężenie EMA jest wyraźnie najmniejsze dla
materiału ‘22’. Materiał ‘a1’ charakteryzuje się natężeniem EMA zbliżonym, choć nieco
mniejszym od natężenia dla stanu wyjściowego. Wyniki poprzednich badań wskazywały na
‘monotoniczne’ zmniejszanie się natężenia EMA w miarę postępu procesu degradacyjnego
dla stali 15 HM oraz 10H2M. Obserwowany dla stali 13HMF przebieg zmian natężenia jest
zatem niezgodny z oczekiwanym, o ile za poprawną traktować kolejność uszeregowania
próbek według czasu ich eksploatacji.
Stwierdzone tu ‘niezgodności’ w charakterze zmian przenikalności magnetycznej,
natężenia HEB i natężenia EMA dla zbadanych eksploatowanych rur stali ze 13HMF mogą
7
wynikać z nieprawidłowego uszeregowania próbek w funkcji stopnia degradacji. Brak
dokładnych badań mikrostruktury nie rozstrzyga tego zagadnienia. Uważamy, iż dwa ostatnie
czasy eksploatacji są relatywnie tak bliskie sobie, że można przypuszczać, iż materiały ‘c2’
oraz ‘a1’ można traktować za podobnie zdegradowane.
Nasza teza brzmi, iż materiał ‘a1’ jest bardziej zdegradowany, niż materiał ‘c2’.
Weryfikacja tej tezy polega na obserwacji wyniku prostego zabiegu – przestawienia
kolejności punktów dla tych dwóch materiałów. Na rysunku 11 pokazano rezultat takiego
formalnego przestawienia. Wszystkie cztery parametry zostały uśrednione (z trzech położeń)
a następnie unormowane do wartości średnich otrzymanych dla stanu wyjściowego. Widać,
że wykresy zmian w funkcji hipotecznego wzrastającego stopnia degradacji można opisać
‘gładkimi’ funkcjami z jednym ekstremum.
Jest to sytuacja, która odpowiada jakościowo dotychczas stwierdzonym przypadkom.
Tak jak dla stali 15HM czy 10H2M obserwuje się zatem występowanie maksimum natężenia
HEB, które ‘skorelowane’ jest z minimum przenikalności magnetycznej. Najważniejszym
efektem jest monotoniczne malenie natężenia EMA. Jak widać, po formalnej zmianie
kolejności materiałów w szeregu ‘stopień degradacji’ uzyskano jakościowo bardzo dobrą
zgodność co do charakteru zmian trzech wielkości fizycznych. Podkreślić należy, iż charakter
zmian tych trzech wielkości fizycznych jest analogiczny to tego, jaki stwierdzono i uznano za
typowy dla uprzednio badanych materiałów. Można zatem wnioskować, że także właściwości
magneto-akustyczne stali 13HMF zmieniają się w sposób analogiczny dla zmian
stwierdzonych dla stali 15HM czy 10H2M.
Zagadnieniem otwartym i wymagającym uwagi jest zgodność ‘ilościowa’ dynamiki
tych zmian a także ich zależność od położenia próbki względem promienia grubościennej
rury. Wartości zmian dla trzech podstawowych wielkości wskazane na rys. 10 można
porównać z wynikami analogicznych analiz przeprowadzonych dla dwóch wymienionych
wcześniej gatunków stali. Dla przenikalności magnetycznej obserwowano minimum na
poziomie około - 30%. Tu owo minimum jest znacznie mniejsze – na poziomie około - 5%.
Względna zmiana maksimum natężenia HEB osiągała wartość około 10 % i podobną wartość
obserwuje się dla stali 13HMF. Natężenie EMA dla stali 15HM czy 10HMF zmniejszało się
aż około 40 % natomiast dla stali 13HMF można mówić o spadku na poziomie kilkunastu %.
Są to zatem zmiany sugerujące, że albo proces degradacji badanych próbek ze stali 13HMF
jest mało zawansowany, albo, iż właściwości magneto-akustyczne tej stali zmieniają się z
mniejszą dynamiką w porównaniu z poprzednimi gatunkami stali.
Podkreślić należy też zauważony dla materiału ‘g2’ efekt wystąpienia bardzo dużych
różnic właściwości magneto-akustycznych w różnych warstwach ściany tej samej rury. Są to
różnice porównywalne z tymi, jakie występują między materiałami. Dowodzi to możliwości
występowania rur o mikrostrukturze ‘znacząco’ zmieniającej się po grubości ścianki.
6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Przedstawione wyniki badań właściwości magneto-akustycznych stali 13HMF po
różnym czasie eksploatacji zostały przeanalizowane pod kątem ich jakościowej i ilościowej
zgodności z dotychczas uzyskanymi wynikami dla stali 15HM oraz 10H2M. Zbadano zmianę
trzech głównych wielkości: przenikalności magnetycznej, natężenia efektu Barkhausena
(HEB) oraz emisji magneto-akustycznej (EMA).
Stwierdzono, iż zmiany tych trzech wielkości dla stali 13HMF okazują się być
analogiczne do zmian wykazanych dla stali 15HM oraz 10H2M o ile uzna się, iż materiał o
najdłuższym czasie eksploatacji 156 tys. godz. uznać za słabiej zdegradowany od materiału o
czasie eksploatacji 136 godz. Przy takim założeniu uzyskano charakterystyczne ekstrema dla
8
zmian przenikalności magnetycznej i natężenia HEB oraz monotoniczne malenie natężenia
EMA. Są to zatem właściwości, które są zgodne z oczekiwanymi i stanowić mogą podstawę
oceny stopnia degradacji tego typu stali.
W ten sposób wykazano, iż badany materiał wykazuje zmiany właściwości magnetoakustycznych zgodne ze zmianami uznanymi za typowe dla wynikających z procesu
degradacji.
Wniosek końcowy wydaję się być oczywistym: należy uzyskane wyniki potwierdzić
wynikami badań metalograficznych oraz wynikami prób wytrzymałościowych. Ważne będzie
również zestawienie wyników badań magnetycznych z wynikami badań właściwości
akustycznych otrzymanymi za pomocą technik ultradźwiękowych. Badania takie są w toku.
Niniejsze badania były finansowane z programu badawczego KBN Nr. 1133/T08/2005/29
LITERATURA
1. Projekt badawczy KBN pt. Nieniszcząca metoda oceny degradacyjnych zmian
mikrostruktury stali 13HMF z komplementarnym wykorzystaniem emisji
magnetoakustycznej i fal ultradźwiękowych. Nr. 1133/T08/2005/29
2. A. Hernas, J. Dobrzański: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych,
Wyd. Politechnika Śląska, Mon. 2, Gliwice 2003
3. J. Dobosiewicz: Badania diagnostyczne urządzeń cieplno-mechanicznych w energetyce cz. II, kotły i rurociągi. Diagnostyka Techniczna, Warszawa: Biuro-Gamma, 1999
4. J. Deputat: Nieniszczące metody badania materiałów; Warszawa: Biuro Gamma, 1997
5. B. Augustyniak: Zjawiska magnetosprężyste i ich wykorzystanie w nieniszczących
badaniach materiałów, Wyd. Politechnika Gdańska, Gdańsk, Mon. 38, 2003. s. 1-192
6. B. Augustyniak, L. Piotrowski, M. Chmielewski; Efekt Emisji magnetoakustycznej i jego
wykorzystanie w badaniach nieniszczących jakości materiału na przykładzie stali 15HM;
Zeszyty Problemowe - Badania nieniszczące, 5 (2000) s. 105-108.
7. L. Piotrowski, B. Augustyniak, M. Chmielewski, M. Głowacka; Badanie korelacji efektu
emisji magnetoakustycznej ze zmianami mikrostruktury stali 10H2M w trakcie procesu
degradacji; Zeszyty Problemowe – Badania Nieniszczące; 8 (2003) 67-70
8. B. Augustyniak; O diagnozowaniu procesu degradacji stali ferrytycznych z wykorzystaniem efektu emisji magnetoakustycznej, Dozór techniczny, nr 4 (2005) s. 74-78
9. B. Augustyniak, M. Chmielewski, L. Piotrowski, M. Głowacka: Właściwości magnetoakustyczne stali X20CrMoV12.1.; Materiały Konf. Powierzchnie ogrzewalne kotłów –
dobór, eksploatacja i modernizacje; Bełchatów 2006, Ed. RAFAKO, (2006) s. 9
10. M. G. Hetherington, J. P. Jakubovics, J. A. Szpunar, B. K. Tanner: High-voltage Lorentz
electron microscopy studies of domain structures and magnetization processes in pearlitic
steels. Philosophical Magazine B-Physics of Condensed Matter Structural Electronic
Optical & Magnetic Properties; vol. 56, No. 5, 1987, s. 561-577.
11. R. M. Bozorth: Ferromagnetism; Princeton: D. Van Nostrand Company, Inc., 1961,
12. A. H. Morrish: Fizyczne podstawy magnetyzmu. Warszawa: PWN, 1970.
13. J. C. McClure, K. Schröder: The magnetic Barkhausen effect. Critical Reviews in Solid
State Sciences; vol. 6, No. 1, 1976, s. 45-83.
14. D. C.Jiles : Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. London: Chapman and
Hall, 1991.
15. D. J. Buttle, C. B. Scruby, J. P. Jakubovics, G. A. D. Briggs: Magneto-acoustic and
Barkhausen emission: their dependence on dislocations in iron. Philosophical Magazine;
vol. 55, No. 6, 1987, s. 717-734.
9