книги из ГПНТБ / Дорофеев, А. Л. Индукционная структуроскопия

устанавливается путем химического и металлографиче­ ского анализа 1—2 детален от каждой группы. По дан­ ным А. М. Мушкина на одном предприятии за четыре года было проверено 1 222 плавки из сталей ЗОХГСА, 20ХНЗА, 45, 35, 25, 20, A42, У7, У8, УЮ. За этот пе­ риод было забраковано 18,6% поступившей прутковой стали, причем 14,6% являлись браком по неоднородности структуры. Этот брак .можно исправить повторной тер­ мообработкой. В 45 случаях выявлено несоответствие химического состава отдельных прутков сертификату. В четырех случаях отклонение показаний за границы поля рассеивания было вызвано обезуглероженным слоем и нарушением сплошности.

Низкочастотные структуроскопы с дифференциальны­ ми и мостовыми схемами включения испытательных ка­ тушек применяются для оценки качества структуры по­ верхностно-упрочненных слоев стальных деталей, полу­ ченных при химико-термической обработке [Л. 49—60> 85, 92]. Однако разработка конкретных методик требует значительной •организационной работы и занимает много времени (см. приложение 2).

В этом отношении характерна работа по внедрению структуроскопа ЭМИД-4М для контроля деталей мото­ роллеров «Вятка», проделанная Л. Е. Печенкиной [Л. 60]. Перечень контролируемых деталей включает шатуны, коробки передач, храповики, звездочки, шестерни, оси из сталей 12ХНЗА, 12ХН2, 15.

При отработке методик выяснилось, что в садке де­ тали цементируются по-разному. Детали, расположенные по краям садки, имеют большую глубину слоя, чем в се­ редине, и эта разница весьма ощутима. При нормальной глубине слоя в середине садки детали по краям садки имеют глубину, большую допустимой, а этот брак неис­ правим. Внедрение методик потребовало изменений всего технологического цикла. Как правило, часть деталей до­ полнительно проверяется по твердости. Многие пред­ приятия не готовы к поплавочному контролю качества обработки деталей. В этих случаях может оказаться дей­ ственным увеличение числа образцов-свидетелей или деталей, которые после химико-термической обработки подвергаются металлографическому анализу. Образцысвидетели закладываются в шахматном порядке на раз­ ную глубину, а после обработки проверяются на ЭМИД. На анализ передаются образцы с заниженными или за-

121

вышеинымн показаниями. О результатах контроля судят по данным, полученным при анализе микрошлнфов этих образцов.

Осциллограмма детали с нормальными свойствами на рис. б-7,а обозначена пунктиром. Кривая / соответствует

Рис. 6-7. Осциллограммы па экране прибора ЭМИД при разной глу­ бине цементированного слоя детален из стали 12X113А (о); зави­ симость между глубиной цементированного слоя а и показаниями ЭМИД (б).

При контроле цилиндрических деталей диаметром до 10—12 мм эффективно увеличение частоты питающего датчика тока. При контроле деталей такого диаметра из

характеризующая связь между амплитудой сигнала и средней глубиной цементированного слоя. Эта кривая построена по результатам анализа 300 образцов.

При производственном контроле глубины цементиро­ ванного слоя имеют место выпады, вызванные неодина­ ковой концентрацией углерода на поверхности и наруше­ нием структуры тонкого поверхностного слоя при шлифо­ вании. Поэтому приходится изыскивать методы оценки содержания углерода на поверхности.

123

Г л а в а с е д ь м а я

О Ц Е Н К А С О С Т О Я Н И Я Ф Е Р Р О М А Г Н И Т Н Ы Х М А Т Е Р И А Л О В ПРИ П О В Е Р Х Н О С Т Н О М УПРОЧНЕНИИ

И М Е Х А Н И Ч Е С К О Й О Б Р А Б О Т К Е

7-1. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПРИБОРОВ

Оценка состояния тонких поверхностных слоев дета­ лен из ферромагнитных материалов, подвергнутых меха­ нической обработке или поверхностному упрочнению: наклепу, химико-термической обработке, закалке ТВЧ, осуществляется структуроскопами с накладными датчи­

также (Л. 61]). Уже на частотах3—10 кгц амплитуда сиг­ нала накладного датчика при контроле стали примерно в 2 раза меньше, чем при контроле меди.

На частотах более 0,5 мгц для оценки структуры ча­ сто применяются фазочувствнтелыіые приборы, например ДНМ-500 и ДНМ-2000 [Л. 23]. Однако в ряде случаев резонансные приборы оказываются более удобными из-за их более высокой стабильности.

123

катушки уменьшается, но остается значительно большим, чем >при испытаниях немагнитного металла той же элек­ трической проводимости. Вариацией частоты и степенью подмагнпчивания можно добиться того, чтобы изменения магнитной проницаемости практически не изменяли индуктивности катушки, или выбрать нужный для отстрой­ ки угол, например угол между годографами, характери­ зующими влияние магнитной проницаемости и зазора. Следует учитывать, что при отсутствии подмагничивающего тока линия «отвода» (годограф полного сопротив­ ления при отводе датчика) —практически прямая липни, при наличии подмагнпчивания — это достаточно сложная кривая.

Существует несколько типов опытных разработок миогочастотных структуроскопов и приборов для послой­ ного анализа. Некоторые из этих приборов с проходной катушкой были описаны в [Л. 23, 49].

Многочастотные приборы представляют собой группу скомпонованных вместе одиочастотных приборов, позво­ ляющих осуществить различные комбинации из сигналов, получаемых по каждому каналу, или выдать их на упро­ щенную электронно-вычислительную машину.

В. Г. Пустынннковым и его сотрудниками была сде­ лана попытка представить выходной многочастотный сиг­ нал датчика системой линейных уравнений [Л. 3]. Эта система может быть решена при условии, что переменные параметры не зависят от частоты и друг от друга. Таких (да и то условно) независимых параметров всего три: электрическая проводимость, магнитная проницаемость и толщина контролируемого слоя. При одновременном использовании токов нескольких частот имеет место вза­ имное влияние.условий леремагничивания; следователь­ но, требование, необходимое для решения системы урав­ нений, не выполняется. Отсюда понятны неудачи, пресле­ дующие авторов этой теории при внедрении такого типа •многопараметровых устройств для контроля качества по- іверхностно-упрочненного слоя.

Характерной особенностью большинства методов •контроля является необходимость учета сильного влия­ ния иа показания приборов концентрации углерода на поверхности: насыщенности углеродом или, наоборот, по­ верхностного обезуглероживания. Величина обезуглеро-

124

живапня зависит от времен it выдержки деталей прн'з'а'- калке в печи. Так, образцы стали Р18, нагретые до900°С с выдержкой 0,5; 5 и 8 ч и охлажденные вместе

с печыо имеют глуоину ооезуглероженного слоя соответ­ ственно 0,25; 0,45; 0,6 и 0,8 мм. Содержание углерода на поверхности для первого образца 0,65, а для последнего 0,49. Неоднородность структуры, термическая и механи­ ческая обработка приводят к неравномерному распреде­ лению механических напряжений.

7-2. УПРУГИЕ И ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТАЛЯХ

На диаграмме растяжения при механических испыта­ ниях образцов на разрыв (рис. 7-2) имеются четыре зо­ ны. В первой зоне OA сила Р, приложенная к образцу, пропорциональна удлинению Ai В этой зоне действует закон Гука и для нее определяется модуль упругости

лы изменяется расстояние между атомами в кристалли­ ческой решетке. При пластическом деформировании одна,

В результате предварительной вытяжки, т. е. предва­ рительного нагруження силами, вызывающими остаточ­ ные деформации, материал приобретает способность без значительных остаточных деформаций воспринимать большие нагрузки. Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называют наклепом (нагартовкой)

125

вания и являются первопричиной возникновения мнкронаирнженип первого рода и вызванных ими изменении электромагнитных характеристик.

Сжимающие напряжения на поверхности во многих случаях увеличивают продолжительность жизни и срок службы деталей. Поэтому в промышленности широко применяют различные виды поверхностного упрочнения.

Любой вид механической обработки вызывает появ­ ление остаточных напряжений. Даже при тщательно вы­ полненной полировке создается тончайший упрочненный

напряжения в слое при различных видах обработки об­ разцов из стали ЭИ617 распределяются на толщину: по­ лирование фибровым кругом 50 мкм, обдувка дробью 200 мкм, обработка тупой фрезой 200 мкм, декоративное шлифование 200 мкм. Чем ближе к поверхности растяги­ вающие напряжения, тем меньше предел выносливости. Для перечисленных образцов он равен 26, 35, 24 и 33 кгс/мм2. При электромеханической обработке и элек­ трошлифовании остаточных напряжении не возникает, что объясняется отсутствием тепловых воздействий на поверхностные слои материала.

Наибольшие температуры возникают при шлифовке, для которой характерны прижоги закалки или прижоги отпуска. В этом случае имеется по меньшей мере пять зон с разной структурой. Самая глубокая — зона нормальной структуры. Вблизи поверхности имеется зона ползучести, где металл стремится увеличить свой объем. В этой зоне возникают напряжения сжатия и поэтому в предыдущей зоне

Если в поверхностных слоях преобладает мартенсит вторичной за­ калки, а отпущенный слой незначителен, то будут преобладать сжимающие напряжения.

Во время пластической деформации возникают то­ чечные, линейные и поверхностные дефекты, увеличи­ вается концентрация микродефектов: неподвижных дис­ локаций, вакансий п атомов внедрения. В результате в стали границы между доменами закрепляются, магнит­ ная вязкость и коэрцитивная сила увеличиваются, маг-

127

іштная проницаемость и магнитная индукция снижаются. При дальнейшем упрочнении увеличивается количество субмпкротрещин и магнитная проницаемость.возрастает [Л. 2].

Зависимость электросопротивления от плотности и подвижности дислокаций еще мало изучена. По Бюргерсу значительный прирост электросопротивления моно- и поликристаллов дают расширенные дислокации. Возра­ стание электросопротивления объясняется образованием вакансий, дислоцированных атомов и дислокаций. При­ рост электросопротивления за счет влияния первых двух типов дефектов пропорционален величине | 3 / 2 (где g — относительная деформация), а за счет влияния дислока­ ций пропорционален S,1/2.

Многочисленные результаты различных исследований m собственный опыт автора говорят о том, что в широко [распространенных немагнитных сплавах на основе алю­ миния и титана даже значительные пластические дефор­ мации, вызванные растяжением или наклепом, изменяют электросопротивление всего на несколько процентов (не ; , более -6%). Наиболее сильны эти изменения в области низких температур.

'Й-о данным Гудремона удельное сопротивление легн- 'роВМ-піых сталей при деформации практически не изме­ няется [Л. 19].

Современные методы упрочнения основаны на увели­ чении полезной плотности дислокаций, измельчении зер­ на и блоков термообработкой, легированием, созданием всякого рода несовершенств и искажений решетки, свя­ занных с образованием структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное старение. Нагрев наклепанного металла до 300—400°С ведет к снятию искажений решетки. Так, мелкозернистое железо переходит из вязкого в хрупкое состояние при температуре —40°С, а крупнозернистое — при 0°С.

При нагреве выше 400 °С наступает рекристаллизаиия. Температура начала этого процесса для металлов обычной технической чистоты примерно равна 0,3 — 0-4 /цл Если нагреву подвергается пластически деформи­ рованный металл, то рост зерна начинается при меньших •температурах и происходит более интенсивно, чем у недсформированного металла. Оценка величины остаточ­ ных напряжений осуществляется механическим или рентгеноструктурным методами.

напряжений механическими и электрическими тензометрами. С по­ мощью механического тензометра измеряют расстояние между какими-либо двумя точками образца до и после нагружения. Широ­ кое распространение получили проволочные датчики сопротивления.

сопротивления используются константам, нихром, элинвар и другие материалы с высоким сопротивлением.

Рентгеновский метод определения напряжений основан на изме­ рении расстояния между атомами кристаллической решетки с по­ мощью монохроматического излучения. О величине напряжений судят по' диаметру круга на фотографической пластинке, образованной отраженным лучом. Находят применение также метод лаковых покры­ тий, метод муаровых полос, оптический метод, с помощью которого изучают возникновение и перемещение системы полос на прозрачной модели.

Для измерения напряжений в упругой зоне при испытаниях сгалыіых образцов и деталей используется магннтоупругпй эффект. Имеется определенная связь между упругими напряжениями, направ­ лением, величиной и знаком магнптострнкцпн. У материалов с поло­ жительной магнптострнкцпей растягивающие напряжения, а у мате­ риалов с отрицательной — сжимающие напряжения вызывают рост намагниченности [Л. 5, 35]. Железо имеет положительную магнитострикцпю в слабых полях и отрицательную в сильных. Если знак деформации не совпадает со знаком магинтострнкцші, то петля гистерезиса расширяется из-за увеличения коэрцитивной силы и З'меньшенпя остаточной магнитной индукции.

Использование магнитоупругого эффекта для измерения механи­ ческих напряжений затрудняется влиянием структуры, колебаниями химического состава и другими факторами. Поэтому важное значе­ ние здесь имеют эмпирически построенные зависимости.

7-3. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЕЕ КАЧЕСТВА

Химико-термическая обработка стальных деталей основана на поверхностном насыщении стальных дета­ лей углеродом, азотом, алюминием, бором (цементиро­ вание, азотирование, алитирование, борирование). Она значительно повышает долговечность деталей, их кон­ тактную и усталостную прочность. Напряжения изгиба при хрупком разрушении и предел прочности получаются максимальными при поверхностном содержании углеро­ да 0,8—1,0%. Наиболее высокий предел выносливости имеют детали, диффузионный слон которых состоит из мелкоигольчатого мартенсита и . мелких карбидов