ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Maciej Kachniarz 1, Dorota Jackiewicz 2, Krzysztof Rożniatowski 3, Julita Dworecka 3, Roman Szewczyk 1, Jacek Salach 1, Adam Bieńkowski 1, Wojciech Winiarski 2 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 o C i wytrzymaniu próbki przez 24h w tej temperaturze, w drugim zaś, (oznaczanym cyfrą 2) obróbkę przerwano po dojściu do temperatury 496 o C 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 1 inż. Maciej Kachniarz, prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk, dr inż. Jacek Salach, prof. dr hab. inż. Adam Bieńkowski, Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej 2 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 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 H m 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. 524 o C) Rys. 7. Wykres zależności indukcji maksymalnej od temperatury B m (T) dla rdzenia 2 (step-cooling przerwany w temp. 496 o C) 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. 524 o C) 124
Rys. 10. Charakterystyki magnetyczne B(H) w zależności od naprężeń dla rdzenia 2 (step-cooling przerwany w temp. 496 o C) 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 B m (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. 524 o C) Rys. 13. Wykres zależności indukcji maksymalnej od naprężeń B m (σ) dla rdzenia 2 (step-cooling przerwany w temp. 496 o C) Rys. 14. Wykres zależności indukcji maksymalnej od naprężeń B m (σ) dla rdzenia 2 (step-cooling przerwany w temp. 496 o C) 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 13CrMo4-5. 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