Спосіб визначення концентрації водню в маловуглецевих сталях за параметрами магнітної післядії

Спосіб визначення концентрації водню в маловуглецеви х сталях за параметрами магнітної післядії, який включає вимірювання часу релаксаційних процесів у матеріалі, який відрізняється тим, що ви хідний та наводнений зразки намагнічують зовнішнім магнітним полем, вимірюють час залишкової намагніченості кожного зразка і визначають концентрацію водню за формулою: é æ 1+ 4n öù dklskl + 3a TD T ÷ ú , êa - a 0 - Aç è E øû ë де A - характеристика матеріалу, яка визначає вплив деформації на магнітну післядію; B - характеристика матеріалу, яка визначає зміну деформації ґратки при зміні концентрації водню; a = 1 t , a0 = 1 - відповідно час релаксації залишкової t0 намагніченості матеріалу наводненого та ненаводненого зразків; E і n - модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона відповідно; dkl - символ Кронекера; s kl Спосіб застосовується в хімічній, енергетичній, нафтопереробній промисловості та інших галузях техніки і відноситься до спрощення методів визначення концентрації водню в маловуглецеви х сталях при дії зовнішнього магнітного поля. Відомі [1] способи визначення концентрації водню в сталях, пов'язані з руйнуванням зразків. До них відносяться група методів високотемпературної екстракції водню з розплавленого металу, а також методи електрохімічного контролю водню. Принцип методів високотемпературної екстракції водню з розплавленого металу полягає у переведенні розчиненого у металі водню в газову фазу підчас плавлення зразка у вакуумі. Ці методи вимагають дорогої вакуумної системи, дуже зростають вимоги до герметичності устаткування. Електрохімічні методи полягають у розчиненні зразка при анодній поляризації в спеціальному електроліті. При цьому розчинений в об'ємі металу водень виділяється і вимірюється мас-спектрометром. Недоліками цих методів є: необхідність підбору для кожної марки сталі своїх режимів електролізу, а інколи і своїх електролітів; обмеженість форми зразків (круглі); залежність результатів від складу розчину; неоднозначність ідентифікації газу, що виділився при електролізі, а також неможливість визначення концентрації водню в пластичнодеформованому металі без руйнування та в елементі конструкції. Відомі [1] також неруйнівні методи визначення концентрації водню в металах: метод авторадіографії, методи мас-спектрометрії, методи електронно-променевого зондування. Найближчим технічним рішенням є визначення концентрації водню на основі вимірювання внутрішнього тертя в металі [2, 3], з умовленого релаксаційними процесами, які можуть бути викликані наявністю атомів втілення, електронів провідності, фононів, вакансій, атомів заміщення, дислокацій, границь зерен і стінок доменів. При низьких концентраціях втілених атомів (водню) висота релаксаційного піку прямо пропорційна їх концентрації. Недоліком такого способу є те, що коефіцієнт пропорційності сильно залежить від текстури зразків і розмірів зерна. Отже необхідно використовувати нетекстуровані зразки з дуже малою густиною дислокацій і відносно великим зерном. Але розмір зерен не повинен бути настільки великий, щоб його можна було порівняти з діаметром зразків. Тому для використання методу необхідно проводити металографічні дослідження. В основу винаходу поставлена задача створи CH = 1 3AB напруження; a T - коефіцієнт температурного роз (19) UA (11) 71821 (13) A ширення; DT - приріст температури. 3 71821 4 ти ефективний, доступний в інженерній практиці що швидкість зміни залишкової намагніченості спосіб визначення концентрації водню для встано(M - Mi ) пропорційна відхиленню намагнічування влення ступеня водневої деградації металу. від рівноважного значення Поставлена задача вирішується тим, що в ¶(M - Mi ) = - a¶(M - M ) (3) способі визначення концентрації водню у маловугeq ¶t лецевих сталях, який полягає у намагнічуванні де Mi = к iH - миттєва складова намагніченості; наводнених і ненаводнених зразків, згідно винаходу вимірюють електрорушійну силу електромагнітк i - миттєва магнітна сприйнятливість матеріалу. ної індукції, що виникає в електричному контурі Деформація гратки може істотно впливати на довкола циліндричного зразка з маловуглецевої дифузійні процеси, а відтак - на кінетику перебусталі при заданих умовах навантаження та час дови магнітної підсистеми феромагнетика. Внаслімагнітної післядії (залишкової намагніченості) мадок цього процес магнітної релаксації стає залежтеріалу. Концентрацію водню знаходять за форним від деформації. Визначаючи параметр a на мулою: основі даних вимірювань магнітної післядії та від1 é æ 1+ 4n öù повідних теоретично встановлених залежностей, CH = dklskl + 3a TD T ÷ ú , (1) êa - a 0 - Aç отримуємо деяку інформацію щодо деформації, а 3AB ë è E øû відтак - і про параметри інших процесів, які її виде a = 1 t і a 0 = 1 t - відповідно час релаккликають. У лінійному наближенні залежність па0 раметра a від де формації зобразиться у вигляді сації залишкової намагніченості матеріалу наводa = a 0 + Aije ij (4) неного та ненаводненого зразків; Е і n - модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона; a T - коефіцієнт темде A ij - компоненти матеріального тензора другого рангу, який визначає вплив деформації на пературного розширення; DT - приріст температури; А - характеристика матеріалу, яка визначає магнітну післядію. Для тіл із кубічною симетрією вплив деформації на магнітну післядію; В - хараккристалічної гратки та ізотропних металів матеріатеристика матеріалу, яка визначає зміну дефорльні тензори другого рангу є кульовими. Для таких випадків зміна параметра a з деформацією вимації ґратки при зміні концентрації водню; sij значається скалярним параметром Aij = Adij . напруження. Ступінь водневої деградації встановлюють як В сталях при наводнюванні виникає макросковідношення характеристики тріщиностійкості напічна деформація, яка зростає зі зростанням конводненого і вихідного металу. центрації атомів водню [1]. У деякому наближенні Причинно-наслідковий зв'язок між запропонозалежність компонент деформації e ij від концентваними ознаками та технічним результатом полярації водню CH можна вважати лінійною [6]. Повну гає у наступному. Явище магнітної післядії у феромагнетиках деформацію e ij подамо у вигляді суми двох склаполягає у відставанні його намагніченості від зміни дових: деформації e ij , обумовленої зовнішніми зовнішнього магнітного поля. Якщо раптово змінити зовнішнє магнітне поле H на величину D H , то полями (наприклад, силовим навантаженням), та складової, яка враховує наявність атомів водню в приріст намагніченості = M - Meq , DM гратці: = кH - рівноважна намагніченість, що відпові( Meq e ij = eij + BCH dij (5) дає миттєвому значенню магнітного поля, а к Якщо деформації e ij обумовлені зовнішнім рівноважна магнітна сприйнятливість матеріалу) можна подати у вигляді суми силовим навантаженням та нагрівом, то вони поDM = DMi + DMn (2) в'язані з напруженнями sij та приростом темпераскладової DMi пропорційної до D H (миттєвої) та доданка DMn (залишкова намагніченість), що змінюється в часі: DMn = DMn ( t ) [4]. Залежність DMn ( t ) релаксаційна, оскільки спінова підсистема феромагнетика зі зміною зовнішнього магнітного поля перебудовується немиттєво. Післядія при низьких напруженостях магнітного поля обумовлена, в основному, зміщенням доменних стінок, а в сильних магнітних полях домінантним є обертання вектора намагніченості доменів. Обидва ці процеси змінюють макроскопічну намагніченість і можуть відбуватись і за дифузійним, і термофлуктуаційним механізмами [5]. Розглянемо феромагнетик, який поміщено у зовнішнє змінне магнітне поле, вектор напруженості Н якого має фіксований напрям. Щоб урахувати немиттєвий характер процесу перемагнічування феромагнетика приймемо, тури DT співвідношеннями термопружності, тоді співвідношення (5) матимуть вигляд e ij = Sijkl skl + dij( a T DT + BCH ) (6) Тут Sijkl - компоненти тензора пружної податливості. В ізотропному випадку n 1+ n Sijkl = dijdkl + dik djl + dild jk (7) E 2E З врахуванням (6) залежність параметра а від напружень та концентрації водню у тілі набуде вигляду æ 1+ 4n ö a = a 0 + Aç dklskl + 3 (a T DT + BC H )÷ (8) è E ø За відсутності зовнішніх навантажень та за однорідного розподілу концентрації водню, коли skl = 0 , зі співвідношення (8) отримаємо ( a = a 0 + 3ABC H (9) ) 5 71821 6 Для визначення невідомих констант А і В прошійної сили електромагнітної індукції, яка виникає водять аналогічні вимірювання магнітної післядії в контурі довкола циліндра. На комп'ютері ПК фікна ненаводнених зразках матеріалів без навантасують час t0 спаду залишкової намагніченості ження. вихідного зразка. Аналогічно проводять досліТаким чином, вимірюючи магнітну післядію дження для наводненого зразка і фіксують час t (залишкову намагніченість) у вихідному та наводспаду залишкової намагніченості наводненого зраненому циліндричних зразках та використовуючи зка. Далі зі співвідношення (1) визначають конценвідповідні теоретично встановлені співвідношення трацію водню у зразку. визначаємо параметри a 0 і a . Зіставляючи знаПриклад реалізації способу. чення знайденого параметру a з формулою (8) чи Циліндричні зразки з армко-заліза (0,02% С; (9) оцінюємо ступінь наводнювання взірця. 0,10% Мn; 0,14% Si; 0,05% Cr; 0,02% S; 0,006% P) Під час проведення заявником патентнонасичувались воднем методом катодної поляриінформаційного пошуку знайдено технічне рішення зації їх в 4%-ному розчині H2SO4 (густина струму [2, 3], в якому є ряд суттєвих ознак, спільних із j = 100 мкА 2 час наводнювання t = 4год). Далі заявленим - використання залежності релаксаціймм них процесів в матеріалі від його термодинамічнозразки намагнічували, вимикали струм і через 5с го стану. Однак наявність цих спільних з прототипісля зняття магнітного поля вимірювали час запом ознак не забезпечує те хнічного результату лишкового розмагнічування t = 45с (крива 2 на заявленого технічного рішення. Фіг.2). Аналогічно визначали час залишкового Технічних рішень, які б за сукупністю ознак порозмагнічування для зразка з того ж матеріалу без вністю співпадали із заявленим способом, не винаводнювання: t0 = 20с (крива 1 на Фіг.2). явлено. Це дозволяє зробити висновок про відпоПо формулі (1) обчислили концентрацію водвідність заявленого технічного рішення критерію 3 "новизна". ню в зразку CH = 0,4 см 100гр . У патентній та науково-технічній інформації не Використання запропонованого способу визнайдено технічних рішень, в яких були б описані відомості про ознаки, що відрізняють заявлений значення концентрації водню в маловуглецевих спосіб від прототипу і забезпечують досягнення сталях дозволяє спростити технологію проведення досліджень; проводити неруйнівний контроль в технічного результату - створення доступного в зразках і елементах конструкцій. інженерній практиці способу визначення концентДжерела інформації: рації водню. Заявлений спосіб належить до корозійно1. Водородное охрупчивание элементов котмеханічних випробувань, а саме до випробувань лов высокого давления / Вайнман А. Б., Мелехов Р. К., Смиян О. Д. - Киев: На ук. думка, 1990. - 272с. на стійкість до водневої деградації сталей (яка 2. Взаимодействие металлов с газами. Т. 2. залежить від кількості водню в матеріалі) і може Кинетика и механизм реакций / Фаст Дж. Д. Пер. с використовува тись як в традиційних водневоспоживаючих (хімічній, нафто хімічній, металургійній) англ. - М.: Металлургия, 1975. - 352с. галузях промисловості, так і в атомній енергетиці, 3. Низкотемпературное внутреннее трение в наводороженных негидрообразующих металлах / в нових те хнологіях металообробки, при створенні А. Э. Гольтер, A. M. Рощупкин, В. И. Саррак, В. Б. акумуляторів водню, проведенні технічної діагносШегилов // Воронежский политехнический инститики газотранспортних систем. На фіг.1 зображено принципову схема дослітут, 1988. - 57с. джень. 4. Водород в металлах. T. 1. Основные свойства/ Под ред. Г. Але фельда и И. Фелькла - М.: Здійснення способу проводять наступним чиМир, 1981. - 475с. ном. 5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. МаЦиліндричний зразок 1 поміщають у катушк у намагнічування 4, за допомогою вимикача 3 та гнитные характеристики и практические применеджерела живлення 2 вмикають струм і створюють ния: Пер. с японского. - М.: Мир, 1987. - 419с. 6. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Обухивский зовнішнє магнітне поле. Потім струм вимикають, О.И. Расчетная модель роста трещины в метазовнішнє магнітне поле зникає і у тілі проходить ллах при воздействии водорода // Физ.-хим. мехамиттєва та залишкова релаксація намагніченості. За допомогою вимірювальної катушки 5 та виміника материалов. - 1982. - №3. - С. 113 - 115. рювального блоку ВБ вимірюють зміну електрору 7 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевский 71821 8 Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститупромислов ої в ласності”, вул. Глазунов а, 1, м. Київ – 42, 01601