книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

При нагреве образцов непосредственным пропусканием электриче­ ского тока вследствие отвода тепла к зажимам температура на кон­ цах образца распределяется неравномерно. В этом случае приходит­ ся учитывать не начальную длину образца, а некоторую эффектив­ ную для данной скорости нагрева длину / э ф , меньшую исходной /0 . Увеличение скорости нагрева, а значит и количества тепловой энер­ гии, генерируемой проходящим током в виде джоулева тепла, при­ ближает условия нагрева образца к адиабатическим, поскольку как контактные, так и неконтактные (конвективные и лучистые) теплопотери уменьшаются. Это приводит к увеличению эффективной длины образца. Экспериментальная проверка распределения темпе­ ратуры по длине образца в зависимости от скорости нагрева выпол­ нена в работе [11]. Показано, что увеличить эффективную длину образца при постоянной скорости нагрева можно при помощи увели­ чения отношения длины образца к его сечению, а также исполь­ зования для зажимов материала с малым значением коэффициента теплопроводности, уменьшая при этом их размеры и повышая их температуру.

В неизотермическом участке длиной / перепад температур можно записать в виде Т (t) —Т0, где Т (t) и Т0 —температура соответ­ ственно изотермического участка образца и зажимов. Учитывая адиабатичность нагрева, примем Т0 = const = 20° С. Для удобства расчета предположим, что распределение температуры по неизо­ термическому участку образца подчиняется линейному закону. Тогда скорость нагрева образца

а скорость нагрева неизотермического участка пропорциональна kvH, т. е. скорость нагрева середины неизотермического участка рав­ на -у , следовательно,

dt 2 dt 2 '

Положим, далее, ^ = . Тогда уравнение теплового ба­ ланса для случая теплоотвода через торцы образца можно записать

Учитывая, что для участка длиной L — 21 с изотермическим тем­ пературным профилем справедливо равенство

нагрева и перепада температур между зажимом и образцом. Факти­ чески

Знание зависимости распределения температуры по длине образца от времени нагрева и теплофизических свойств образца позволяет повысить точность количественных измерений дилатометрических эффектов, относя их к значению эффективной длины образца. Полу­ ченное по данным В. Т. Черепина фактическое значение неизотермичности по длине образца превышает теоретически рассчитанное потому, что площадь теплоотвода от образца к зажимам больше значения 5 (сечение образца), принятого в оценочном расчете (теплоотвод в данном случае [11] осуществляется с боковой поверх­ ности). Экспериментальные результаты по определению эффективной длины показали, что она практически не изменяется при скоростях нагрева более 1000 град/сек. Ошибку в оценке истинного дилатомет­ рического эффекта можно уменьшить, увеличив длину образца / или уменьшив теплоотвод с концов его (при помощи, например, уменьшения сечения образца, а также использования для токоподводов материалов с небольшими коэффициентами температуропро­ водности и высокой теплоемкостью).

Определение эффективной длины образца, который подверга­ ется охлаждению, — более сложная задача. Однако решить ее мож­ но, например, при сравнении прямого и обратного а <> у превра­ щений. При больших скоростях охлаждения (закалка водой) и на­ грева величины эффективной длины почти совпадают, и этот случай не требует особого обсуждения. При более медленном охлаждении

образца, по сравнению с нагревом, температурный фронт фазового превращения перемещается не от центра образца к его краю, как при нагреве, а, наоборот, от края к центру. Исходной в этом случае является не начальная длина образца /0 , а эффективная длина его

мое на осциллограмме охлаждения уменьшение дилатометрическо­ го эффекта только кажущееся, кажущимся также является увеличе­ ние длительности процесса превращения вследствие перемещения фронта от края образца к центру при экзотермичности реакции 7 -> а.

Разработанные в Институте металлофизики АН УССР конструк­ ции крепления образцов позволяют заменять рычажно-оптическую систему регистрации удлинений электрическими датчиками переме­ щений, например тензодатчиками или механотронами. Хорошо за­ рекомендовал себя емкостный датчик с простой и удобной в работе и настройке схемой. В емкостном датчике, представляющем собой систему подвижных и неподвижных пластин, изменение емкости зависит от изменения длины исследуемого образца. Пластины датчи­ ка включены в резонансные колебательные контуры. При изменении емкостей резонанс нарушается, вследствие чего изменяются соб­ ственные частоты контуров и анодных токов лампы. Линейность характеристики дилатометра зависит от выбора зазора между

ИЗМЕРЕНИЕ

ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Наиболее удобным методом измерения и записи на осциллограмме удельного электросопротивления образца в процессе нагрева яв­ ляется метод амперметра—вольтметра. Сила нагревающего тока измеряется при помощи шунта, включенного в цепь нагрева образ­ ца последовательно, а падение напряжения на образце или на его мерной части снимается при помощи медных проводников, прива­ риваемых к поверхности точечной сваркой или электроискровым карандашом, и через выпрямитель регистрируется шлейфом. Мед­ ные проводники одновременно выполняют роль плавких предохра­ нителей в цепи регистрирующего шлейфа. Однако более надежной защитой шлейфа являются электронные системы. При перегорании образца на шлейф поступает напряжение холостого хода трансфор­ матора, намного превышающее те 1 —2 в, которые подаются на него

при измерении падения напряжения на образце. Медные предохра­ нители не всегда успевают расплавиться, и шлейф может перегореть. В блоке электронной защиты (рис. 1) отрицательный сигнал после выпрямления переменного напряжения подается на первую сетку двойного триода, потенциал второй сетки которого равен потенциа­ лу катода. При AU = 0 потенциалы между диодами равны и ток через шлейф не протекает. При AU Ф 0 величина тока, протекаю­ щего через шлейф, пропорциональна AU. Левый триод запирается при входном напряжении более 2,5 в, ограничивая тем самым силу

1

Рис. 1. Схема электронной защиты шлейфа:

тока, проходящего через шлейф. Значения силы нагревающего тока и падения напряжения на образце в каждый момент нагрева снимаются непосредственно по осциллограмме.

Измерение электросопротивления оказывается эффективным при исследовании процессов распада твердых растворов, концентра­ ции дефектов при отжиге, а также фазовых превращений в сплавах,

вращении в титановых сплавах [12]). Однако метод электросопро­ тивления имеет определенные ограничения, особенно при исследова­ нии сложных гетерогенных структур. Так, изменение состава твер­ дого раствора при растворении или при выделении карбидной фазы может сопровождаться перераспределением легирующих элементов, изменением структуры матрицы, появлением или релаксацией де­ фектов и т. д. Зависимость изменения электросопротивления в этом случае носит сложный характер и не всегда ее можно точно опреде­ лить. Поэтому при скоростном нагреве метод электросопротивле­ ния следует использовать только в сочетании с другими структур­ но-чувствительными методами. Точность его зависит от точности измерения силы тока и падения напряжения (обычно 3—5%). При незначительном изменении электросопротивления приходится при­ менять графическое дифференцирование полученной кривой, что связано с дополнительными трудностями и погрешностями. Поэтому чаще используется методика прямого дифференцирования кривой

электросопротивления (точнее, кривой проводимости) при скорост­ ном нагреве образцов постоянным током [133. В основу одной из та­ ких методик положен принцип дифференцирующей /?С-цепочки (рис. 2). В цепь нагрева образца с сопротивлением RH последова­ тельно включается токовый шунт. Поскольку RH значительно пре­ вышает шунтирующее сопротивление ток в цепи зависит толь­ ко от сопротивления исследуемого образца и напряжения источника

-91*350 -р-350

Рис. 2. Принципиальная схема для дифференцирования электро­ проводимости при быстром нагреве:

питания. Если емкость аккумуляторов велика, а внутреннее со­ противление их незначительно, то падением напряжения на источ­ нике можно пренебречь. Величина напряжения £/в х , снимаемая с шунта Rm, отражает изменение проводимости исследуемого образ­ ца. Напряжение UBX подается на сетку первого усилительного кас­ када на лампе Л х с коэффициентом усиления Klt равным примерно 80. Усиленный сигнал поступает на дифференцирующую цепоч­ ку R3 — Ci_6- Для того чтобы смещение дифференцирующей кри­ вой по отношению к термической, измеренное в градусах, не превы­

заданном R можно легко определить необходимую емкость. Очевид­ но, что постоянная времени цепочки должна быть меньше времени нарастания импульса. С другой стороны, при уменьшении постоян­ ной времени уменьшается величина импульсного напряжения на вы­ ходе дифференцирующей цепочки. Поэтому для повышения чувст­ вительности схемы поставлен еще один каскад усиления на лампе Л 2 с коэффициентом усиления К2, равным Ки

нагрева и электрических свойств исследуемых образцов. Для того чтобы i / в ы х не превышало допустимой для регистрирующего шлей­ фа величины, переключателем емкостей Сг — С6 изменяют элементы ^С-цепочки. После второго каскада усиления сигнал поступает на сетку лампы Л 3 , в катодную цепь которой включен измерительный шлейф и миллиамперметр. Для обеспечения необходимой величины тока (до 20 ма) обе половины лампы 6Н8С включены параллельно. Начальный ток регулируется потенциометром Rn по миллиампер­ метру при отключенном шлейфе. Связь между вторым каскадом и

Для питания схемы используется выпрямитель ЭСВ-б, а цепи накала ламп —аккумуляторы, во избежание наводок с частотой питающей сети. (Схему можно использовать и при нагреве образца переменным током повышенной частоты. В этом случае необходимо детектировать сигнал от Однако детектирование резко повыша­ ет инерционность схемы, а также ее чувствительность к помехам, проникающим по цепям генератора на вход первого усилительного каскада. Отфильтровывание этих помех вызывает добавочную инерционность, так как приходится искусственно сужать полосу частот входного сигнала при помощи специальных фильтров). '

водной. «Всплеск» на кривой производной в области первого пре­ вращения при отпуске мартенсита объясняется резким уменьшени­ ем электросопротивления при выходе углерода из твердого рас­ твора. В интервале третьего превращения наблюдается некоторое замедление скорости роста производной, что может быть обуслов­ лено небольшим уменьшением электросопротивления. Снижение

точке Кюри феррита. При а у превращении происходит измене­ ние величины производной, обусловленное полиморфным превра­ щением. Полученная производная хорошо согласуется с результа­ том графического дифференцирования кривой силы тока, протекаю­ щего через образец, по методу касательных. Характерно, что на

кривой силы тока почти не фиксируются описанные явления отпуска стали. Наилучшие результаты при использовании методики диффе­ ренцирования достигаются в случае постоянной скорости нагрева.

МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Магнитометрический анализ ферромагнитных материалов при ско­ ростном нагреве осуществляется при помощи быстродействующих магнитометров, работающих в ненасыщающих переменных магнит­ ных полях. Хорошо известные магнитометры [9], для питания ко­ торых используются сильные постоянные магнитные поля, инер­ ционны и трудноприменимы в комплексе методик. Поэтому пред­

но получаемая информация о превращениях ограничена теми объе­ мами металла, в которые проникают вихревые токи. Поэтому при­ менение такого магнитометра эффективно при изучении поверх­ ностных изменений, например при скоростной химико-термической обработке.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы магнитометра с намагничивающей катушкой. Намагничивающая катушка WQ ус-

тановлена на средней перемычке сердечника. На каждом из полюсов

даются навстречу друг другу. Э. д. с. разбаланса между обеими па­ рами регистрируется при помощи шлейфа-вибратора на осцилло­ грамме или при помощи двухкоординатного самописца типа ПДС-21 на диаграммной бумаге. При прохождении тока питания через об­ мотку W0 в сердечнике возникает переменный магнитный поток, максимальное мгновенное значение которого Ф т а х зависит от при­

Заметим, что при стабилизированном напряжении общая вели­ чина магнитного потока в приборе строго постоянна. При отсутст­ вии вблизи полюсов магнитных масс весь поток распределяется сим­ метрично через правую и левую ветви магнитопровода и в каждой паре измерительных катушек возникают равные по величине и ком­ пенсирующие друг друга э. д. с. Если у одной из пар полюсов поме­ щен магнитный образец, то происходит перераспределение магнит­ ных потоков. При этом в одной магнитной цепи (с образцом) поток

Ф

увеличивается, — 4 - Ф 0 , а в другой —уменьшается на ту же

Ф

величину, • ™ах — Ф0 . Разность потоков 2Ф0 приводит к различию в э. д. с. на величину А(У:

где Ht — напряженность магнитного поля внутри образца, Нс — напряженность внешнего магнитного поля в полюсном промежутке магнитометра, N — размагничивающий фактор образца. Рабочая формула прибора имеет вид

Ш = 8nkWuB0S0W-8b,

где т — постоянный коэффициент, если коэффициент k не изменяет­ ся. Поскольку при осциллографировании установлено, что кривая изменения э. д. с. имеет форму синусоиды, коэффициент k можно счи-

зависят от расстояния между образцом и измерительными полюсами и при количественном анализе это расстояние должно строго огова­ риваться.

Для исследований при скоростях нагрева, превышающих 2000 град!сек, применяется магнитометр, питаемый токами повышен­ ной частоты. В высококачественном магнитометре [16] намагничи­ вающая катушка питается переменным током звуковой частоты от генератора ГЗ-33 с последующим усилением мощности выходного сигнала через усилитель мощности. Применимость приведенного вы­ ше анализа работы магнитометра к высокочастотному магнитометру несколько ограничена в силу ряда особенностей цепей с токами по­ вышенной частоты. Главная особенность заключается в том, что при токе повышенной частоты присутствие образца в одной из ветвей магнитопровода проявляется не только во влиянии на распределение магнитного потока, но и в том, что в массе образца индуктируются вихревые токи. Магнитное поле вихревых токов оказывает размагни­ чивающее действие, которое тем сильнее, чем больше размер образ­ ца и частота тока. Поэтому пропорциональную зависимость между намагниченностью образца и отклонением измерительного шлейфа установить не удается. Таким методом удобно пользоваться при ре­ шении задач, в которых приемлем и достаточно эффективен качест­ венный подход. Получаемая при помощи высокочастотного магни­ тометра магнитограмма имеет вид огибающей линии, поскольку резонансная частота магнитометра почти на порядок превышает резо­ нансную частоту шлейфа (600 гц), используемого для регистрации выходного сигнала магнитометра. При нагреве образца током про­ мышленной частоты происходит модуляция выходного сигнала, исчезающая при выключении тока нагрева, например при регистра­ ции процессов, протекающих во время распада переохлажденного аустенита или при исследовании кинетики мартенситообразования.

УСТАНОВКИ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ БЫСТРОМ НАГРЕВЕ

ная рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Конструкция трубки позволяет перемещать анод вдоль горизонтальной оси и вра­ щать его, что увеличивает светосилу трубки и удлиняет срок ее службы. Подробное описание трубки дано в работе [17]. Перемеще­ нием катода и катодного стержня можно изменять расстояние меж­ ду катодом и анодом, регулировать размеры фокусного пятна и, не разбирая трубки, менять материал анода. Непрерывное вращение анода со скоростью до 500 об/мин, предусмотренное конструкцией, дает возможность доводить величину рабочего тока до 25 ма и напря­ жение до 45 кв при фокусном пятне анода до 0,8—1,0 мм2, т. е. удель-