Влияние фракционного состава на гистерезисные свойства порошкового железа при одноосном растяжении

Размещено на http://www.allbest.ru/

влияние фракционного состава на гистерезисные свойства порошкового железа при одноосном растяжении

Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Субачев Ю.В., Анциферов В.Н.*

Екатеринбург, Россия; *Пермь, Россия

Особенностью структурного состояния спеченных порошковых материалов является наличие остаточной пористости и неоднородность ее распределения, как по объему изделия, так и в различных изделиях одной партии. Поэтому разработка методов неразрушающего контроля структуры и напряженно-деформированного состояния порошковых сталей является актуальной проблемой, причем методы магнитной структуроскопии, хорошо развитые для компактных сталей, могут быть адаптированы для контроля структуры и напряженно-деформированного состояния порошковых материалов на основе железа [1]. При решении этой задачи следует учитывать влияние на магнитные свойства спеченных сталей, помимо других факторов, такого параметра как размер частиц исходного порошка и пор.

В [2] было рассмотрено влияние размера частиц железного порошка на магнитные и электрические характеристики железных спеченных материалов, а также вклад различных стадий изготовления образцов в формирование размера пор.

Данная работа, являющаяся продолжением исследований, результаты которых приведены в [2], посвящена исследованиям влияния одноосного растяжения на изменение коэрцитивной силы спеченных материалов, изготовленных из порошков разных фракций.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

порошковый сталь неоднородность деформированный

Для изготовления образцов использовали порошок железа марки ПЖР3-160-28, рассеянного на вибрационном столе с набором сит на 7 фракций: 40-56, 56-63, 63-80, 80-100, 100-125, 125-160, 160-200 мкм.

Образцы разрывного типа с головками и рабочей частью прямоугольного сечения 55 мм длиной 80 мм из порошков разных фракций формовали в твердосплавной пресс-форме при давлении 600 МПа. Прессовки отжигали при 800 С в течение часа в атмосфере водорода, после чего часть образцов подвергали доуплотнению при 700 МПа (двукратное прессование). Спекание проводили в вакууме 310-4 мм рт. ст. при температуре 1250 С в течение 1,5 часов с последующим охлаждением с печью.

Форму, размеры и состояние поверхности частиц исходных порошков исследовали в отраженных электронах и в характеристическом рентгеновском излучении кислорода с помощью растрового электронного микроскопа при увеличении до 1000. Металлографические исследования проводили с помощью оптического микроскопа. Размеры наиболее характерных зерен и пор определяли с помощью микрометрической шкалы путем усреднения размеров, полученных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Измерения выполняли многократно.

Плотность (пористость П) прессовок и спеченных образцов определяли методом гидростатического взвешивания в глицерине с погрешностью измерений 5 %.

Измерения магнитных характеристик спеченных образцов проводили в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра. Максимальная напряженность внутреннего поля в образцах достигала 60 кА/м. Измеряли также параметры петель гистерезиса при максимальной индукции в образцах bмакс=0,4 Тл и bмакс=0,05 Тл. Погрешность измерения поля и индукции не превышала 3 %.

Рентгенографические исследования проводили в Kб-излучении хромового анода. Микроискажения кристаллической решетки определяли методом моментов А. Вильсона [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показано влияние среднего размера частиц исходного порошка железа на величину пористости и средний размер пор спеченных образцов, полученных однократным и двукратным прессованием.

Рис. 1. Влияние размера частиц шихты на величину пористости (---) и средний размер пор (- -) спеченных образцов, полученных однократным (¦) и двукратным (^) прессованием.

Пористость спеченных образов, полученных однократным прессованием, несколько падает с ростом размера частиц порошка, что объясняется наследованием меньшего уровня внутренних напряжений более крупных частиц, а также более развитой поверхностью частиц, что требует меньше усилия при прессовании в компактный материал [4].

Фракционный состав порошка оказывает слабое влияние на пористость образцов, полученных двукратным прессованием (рис. 1), то есть вторичное прессование нивелирует влияние размера частиц порошка и обеспечивает близкую к среднему значению (2,8 %) пористость образцов во всем интервале фракций от 40 до 200 мкм.

На среднюю величину пор технология прессования при изготовлении образцов влияния практически не оказывает (рис. 1), но с ростом размера частиц порошка наблюдается увеличение размеров пор. Так, с ростом среднего размера частиц порошка с 48 до 180 мкм величина пор образцов, полученных однократным прессованием, повышается с 12 до 21 мкм, а величина пор образцов, полученных двукратным прессованием, - с 13 до 18 мкм. Поры имеют форму близкую к равноосной [2].

Количественный анализ размеров зерен показал, что во всем диапазоне фракций порошка средний размер зерен однократнопрессованных спеченных образцов составляет приблизительно 40 мкм, а двукратнопрессованных - около 150 мкм. Таким образом, размер частиц исходного порошка железа не оказывает заметного влияния на средний размер зерен спеченных образцов, полученных как однократным, так и двукратным прессованием. Существенное влияние на величину зерна оказывает технология прессования при изготовлении образцов. После отжига в водороде и последующего повторного прессования улучшается межчастичный контакт, который создает благоприятные условия для формирования более крупного зерна при спекании.

Результаты механических испытаний железных спеченных материалов на растяжение показали, что степень дисперсности исходного порошка и технология изготовления материалов оказывает слабое влияние на величину предела текучести 0,2 и относительное удлинение спеченных материалов (рис. 2). В интервале фракций порошка от 40 до 200 мкм величина предела текучести образцов, полученных как однократным, так и двукратным прессованием составляет около 42 МПа, а относительное удлинение - примерно 14 %.

Двукратное прессование повышает временное сопротивление в материалов со 151 до 179 МПа. Это объясняется влиянием двух противоположных факторов. С одной стороны двукратное прессование приводит к снижению пористости спеченного материала в среднем с 8,5 до 2,8 %, тем самым повышая временное сопротивление. С другой стороны двукратное прессование формирует в образце более крупное зерно (150 против 40 мкм), что, как известно [5], снижает предел текучести и временное сопротивление материала. Очевидно, что вклад пористости в величину в в данном случае превалирует над вкладом размера зерна, а в случае предела текучести - вклады сравнимы.

Рис. 2. Влияние размера частиц шихты на величину предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения спеченных образцов, полученных однократным (а) и двукратным (б) прессованием.

На рис. 3 показаны зависимости относительной коэрцитивной силы, полученной в максимальном намагничивающем поле, средних и слабых полях, от внешних растягивающих напряжений, приведенных к пределу текучести 0,2 спеченных образцов. Из рисунка видно, что и средний размер частиц порошка, и технология изготовления спеченных материалов оказывают слабое влияние на характер зависимостей Hc/Hc0(/0,2).

Вначале деформирования величина коэрцитивной силы снижается, а затем возрастает, тем самым образуя минимум на зависимости Hc/Hc0(/0,2). Это наблюдали на многих литых материалах на основе железа [10-12]. Согласно литературным данным немонотонный характер этой зависимости в упругой зоне деформаций можно представить как результат действия ряда факторов. В частности, растяжение образцов в упругой области приводит к формированию магнитной текстуры напряжения, получившей также название наведенной магнитной анизотропии [13]. Если имеет место положительный магнитоупругий эффект (магнитострикция и внешние напряжения одного знака), то магнитные моменты ориентируются вдоль оси растяжения, и при намагничивании вдоль направления растяжения наблюдается уменьшение коэрцитивной силы и рост магнитной проницаемости. Однако при дальнейшем нагружении магнитострикция железа может менять знак [14, 15], за счет этого возникает отрицательный магнитоупругий эффект и меняется тип магнитной текстуры. Кроме того, «знак» магнитоупругого эффекта может определяться второй константой магнитострикции л111, которая в кристаллитах железа и железоуглеродистых сплавов отрицательна. Под действием этих факторов коэрцитивная сила будет возрастать.

При внешних напряжениях, превышающих предел текучести, основным фактором, определяющим изменение Нс, становится рост плотности дефектов кристаллического строения, в первую очередь, рост плотности дислокаций.

Рис. 3. Зависимости относительной коэрцитивной силы, полученной из предельных (а, а?) и частных петель гистерезиса при bмакс = 0,4 Тл (б, б?) и при bмакс=0,05 Тл (в, в?) от внешних растягивающих напряжений, приведенных к пределу текучести спеченных образцов, полученных однократным (а-в) и двукратным (а?-в?) прессованием.

Следует отметить, что минимум на зависимостях Hc/Hc0(/0,2) локализуется вблизи напряжений, равных пределу текучести материала. При этом указанный минимум становится более ярко выраженным в слабых полях (рис. 3). Момент достижения минимального значения продольной коэрцитивной силой при растяжении образцов в [12] связывается с моментом компенсации внешними приложенными напряжениями части внутренних напряжений. В [16] по величине внешних растягивающих напряжений, при которых наблюдается минимум продольной коэрцитивной силы, предлагается определять внутренние напряжения в сталях. По утверждению авторов микронапряжения, определенные на ряде конструкционных сталей рассмотренным методом, находятся в хорошем согласии с результатами рентгеноструктурного анализа. Аналогичные результаты наблюдали и на порошковых сталях [17].

Если использовать принципы, изложенные в [16, 17], для оценки внутренних напряжений в порошковых сталях, то, очевидно, необходимо предварительно учесть влияние пористости на ход зависимостей Hc/Hc0(/0,2), что достигается при использовании зависимостей hc/hc0(/0,2) для частных циклов. Дело в том, что в процессе намагничивания образцов до технического насыщения доменные стенки взаимодействуют со всеми встречающимися на их пути препятствиями: дефектами кристаллического строения, немагнитными или слабомагнитными включениями и т.д., содержащими весь набор критических полей. При намагничивания образцов в слабых полях (частные петли магнитного гистерезиса) доменные стенки в процессе измерения коэрцитивной силы на пути движения закрепляются за препятствия с критическими полями, бьльшими, чем приложенное поле. При этом 90-градусные доменные стенки, оставаясь закрепленными на препятствиях с такими значениями критических полей, например, на порах, в процессе формирования коэрцитивной силы не участвуют. Другими словами, можно подобрать такое значение намагничивающего поля, при котором доменные границы, закрепленные на замыкающих доменах вблизи пор, не будут участвовать в формировании гистерезисных свойств образцов. Коэрцитивная сила частного цикла при этом уже не будет зависеть от пористости образцов [18]. Состоятельность такого предположения нами ранее была подтверждена на конструкционной порошковой стали с различной пористостью в [17].

На рис. 4 представлены зависимости относительной коэрцитивной силы, измеренной в слабых полях (hc0,05/hc00,05), от растягивающих напряжений. Видно, что минимумы зависимостей hc0,05/hc00,05(), как в случае однократного прессования, так и в случае двукратного, приходятся на примерно одинаковое значение растягивающих напряжений - 41…42 МПа. И действительно, внутренние напряжения в этих образцах должны быть одинаковыми, так как спекание проводилось в одинаковых условиях. Единственным отличием образцов, полученных однократным и двукратным прессованием, является размер зерна, но этот фактор на внутренних напряжениях, как известно, сказывается незначительно. Как показали рентгеноструктурные исследования, образцы, полученные однократным и двукратным прессованием, вне зависимости от степени дисперсности исходного порошка железа имели практически одинаковый уровень микроискажений кристаллической решетки (0,04-0,05 %), которые характеризуют уровень внутренних напряжений. Это подтверждает предположения о связи положения минимума коэрцитивной силы частного цикла намагничивания с внутренними напряжениями спеченного материала.

Рис. 4. Зависимости относительной коэрцитивной силы, полученной из частных петель гистерезиса при bмакс=0,05 Тл от внешних растягивающих напряжений спеченных образцов, полученных однократным (а) и двукратным (б) прессованием.

ВЫВОДЫ

Средний размер частиц порошка в диапазоне 48ч180 мкм оказывает слабое влияние на значения предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения, а также на характер изменения коэрцитивной силы при растяжении железных спеченных материалов.

Образцы, полученные однократным и двукратным прессованием, имеют примерно одинаковые величины предела текучести и относительного удлинения. В то же время двукратное прессование приводит к повышению временного сопротивления спеченного материала приблизительно на 20 %, главным образом за счет сокращения пористости по сравнению с однократно прессованными образцами.

В упругой области растягивающих напряжений наблюдается монотонное снижение коэрцитивной силы с ростом внешних напряжений. Это позволяет использовать коэрцитивную силу для оценки напряжений в порошковых материалах на основе железа вне зависимости от степени дисперсности исходной шихты.

Минимум на зависимостях коэрцитивной силы от приложенных напряжений локализуется вблизи напряжений, равных пределу текучести материала. При этом указанный минимум становится более ярко выраженным при измерении коэрцитивной силы в слабых полях.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-08-01091 и междисциплинарного проекта УрО РАН № 09-М-13-2001.

Литература

1. Горкунов Э.С., Ульянов А.И. Магнитные методы и приборы контроля качества изделий порошковой металлургии. -- Екатеринбург: Изд. УрО РАН, 1996,-- 200 с.

2. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Субачев Ю.В., Анциферов В.Н., Вакутин А.П., Мельникова Е.В., Смирнова С.В. Влияние размера частиц шихты на магнитные характеристики спеченного порошкового железа. - Дефектоскопия, 2009, № 12, С.60-69.

3. Русаков А.А. Рентгенография металлов. Учебник для вузов. М., Атомиздат, 1977. - 480 с.

4. Акименко В.Б., Буланов В.Я., Гуляев И.А., Залазинский Г.Г., Калашникова О.Ю., Щенникова Т.Л., Анциферов В.Н. Состав, структура и свойства железных и легированных порошков. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1996. -- 351 с.

5. Гуляев А.П. Металловедение. -- М., Металлургия, 1977. - 648 с.

6. Youssef H, Etude des propertiйtйs magnйtiques des metaux ferromagnйtiques frittйs et contribution а l'etude de leur propertiйtйs mйcaniques et йlйctriques // Mataux, 1970, v. 45, № 355, p. 99-121.

7. Salak A. Ьber die Beziehungen zwischen Zugfestigkeit, Dehnung sowie Hдrte und Porigkeit von Eisensinterkцrpern // 5-the Inter. Pulvermetall, Tagung, Dresden, 1973, Bd. 7, S. 9/1-9/19.

8. Kersten M. Zur Theorie der ferromagnetischen Hysterese und der Anfдng-spermeabilitдt // Phys. Ztschr., 1943, Bd. 44, s. 63--77.

9. Бозорт Р. Ферромагнетизм, пер. с англ. -- М.: Изд. Ин. лит., 1956,-- 784 с.

10. Захаров В.А., Боровкова М.А., Комаров В.А., Мужицкий В.Ф. Влияние внешних напряжений на коэрцитивную силу углеродистых сталей. - Дефектоскопия, 1992, № 1, С. 41-46.

11. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Смирнов С.В, Митропольская С.Ю., Вичужанин Д. И. Взаимосвязь между параметрами напряженно-деформированного состояния и магнитными характеристиками углеродистых сталей. - ФММ, 2007, Т. 103, № 3, с. 1-6.

12. Кулеев В.Г., Горкунов Э.С. Механизмы влияния внутренних и внешних напряжений на коэрцитивную силу ферромагнитных сталей. - Дефектоскопия, 1997, № 11, с. 3-18.

13. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.-Л.: ОГИЗ, 1948,- 816 с.

14. Дунаев Ф.Н. О магнитной текстуре упруго растянутой трансформаторной стали // Изв. вузов, сер. Физика, 1962, № 1, с. 151-153.

15. Зайкова В.А., Шур Я.С. О влиянии растяжения на магнитные свойства и кривые магнитострикции кремнистого железа // ФММ, 1966, т. 21, № 5, c. 664-673.

16. Кочанов Н.Н., Дегтярев А.П, Орлова М.Н. и др. Способ определения напряжений в ферромагнитных материалах на железной основе. -- Патент РФ, № 2035690, БИ № 14 от 20.05.95.

17. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Митропольская С.Ю., Субачев Ю.В., Ульянов И.А. Влияние упругопластической деформации на магнитные характеристики конструкционной порошковой стали с различной остаточной пористостью. - Дефектоскопия, 2007, № 12. С.53-65.

18. Ульянов А.И., Стерхов Г.В., Ермолаев В.Г., Загайнов А.В. Влияние пористости и фазового состава на магнитные свойства спеченной конструкционной стали ЖГрД2,5К0,4. -- Дефектоскопия, 1983, № 2, с. 86-88.

Размещено на Allbest.ru