VLIV STŘÍDAVÉHO MAGNETICKÉHO POLE NA PLASTICKOU DEFORMACI OCELI ZA STUDENA. Petr Tomčíka Jiří Hrubýb a) VŠB – TU Ostrava, Tř. 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR b) VŠB – TU Ostrava, Tř. 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR Abstrakt Cold forming of steel components brings many advantages, like high accuracy of products and improvement of mechanical properties, but this technology also brings problems with exhausting of plasticity. This work deals with influence of AC magnetic field on cold forming process in terms of changes of flow stress and the store of plasticity in consequence of magnetic field performance. AC magnetic field is aplicated with running plastic deformation. 1. ÚVOD Výroba strojních součástí tvářením za studena sebou nese kromě řady předností, jako například vysoká přesnost zhotovených výrobků, zlepšení mechanických vlastností oproti stejným součástem vyrobených jinou technologii např. obráběním, vysokou produktivitu a podobně, i některé nedostatky související s čerpáním zásoby plasticity v průběhu výrobního procesu strojní součástí tvářením za studena, která má vliv hlavně u součásti, které pracují v pružně–plastickém režimu zatížení. Rovněž soubory přetvárných odporů se posunují v průběhu plastické deformace za studena díky rostoucí četnosti mřížkových poruch a s tím souvisejícím zpevňování materiálu k vyšším hodnotám, což úzce koresponduje s volbou tvářecích strojů a s velikostí hodnot zatížení tvářecích nástrojů (pole rozložení kontaktních tlaků nástroj–polotovar), které nám ovlivňují životnost nástroje. Mezi nejznámější a nejzajímavější technologie, která se snažila snížit hodnoty přetvárných odporů a případně rozšířit oblast zásoby plasticity, patří tváření s ozvučeným nástrojem ultrazvukem. Při vyšetřování vlivu střídavého magnetického pole na plastickou deformaci oceli za studena byl kladen důraz na změny souboru přetvárných odporů a dopad do zásoby plasticity, reprezentované logaritmickou deformaci do lomu. Materiálem vzorku byla ocel 23MnB4 po žíhání na měkko. Mikrostruktura je tvořena feritem, zrny sferoidizovaného perlitu, jak je patrno ze snímku viz. Obr. 1, Obr. 2. Chemické složení viz. Tabulka 1 Tabulka 1 Chemické složení: %C
% Mn
% Si
%P
%S
% Alcelk
%B
% Cr
N2
% Cu
0,25
0,90
0,08
0,009
0,011
0,015
0,004
0,32
0,007
0,05
Vzorky byly podrobeny zkoušce krutem do lomu současně s působením střídavého magnetického pole. Permeabilita oceli 23MnB4 byla stanovena z naměřených amplitudových magnetizačních charakteristik. Frekvence střídavého magnetického pole pak byla vypočtena ze vztahu pro hraniční frekvenci [1] tak, aby magnetický tok procházel celým průřezem vzorku. Během zkoušky byly měřeny počet otáček krouticí moment, proud protékající cívkou, aby bylo možno stanovit intenzitu magnetického pole. Dále byla měřena teplota v okamžiku lomu. V průběhu experimentu bylo prokázáno snížení přetvárného odporu a narůst velikosti plastické deformace do lomu, mikrostruktura se v průběhu zkoušky nezměnila [2].
Obr. 1: Mikrostruktura podélného řezu. Leptáno Nitalem,
Obr. 2: Mikrostruktura příčného řezu. Leptáno Nitalem,
2. MECHANISMUS PŮSOBENÍ STŘÍDAVÉHO MAGNETICKÉHO POLE NA PLASTICKOU DEFORMACI OCELI ZA STUDENA Při plastické deformaci ve střídavém magnetickém poli probíhá celá řada fyzikálních pochodů. Jejich podstata spočívá ve změnách souboru energií feromagnetika a ve změně vektoru magnetické indukce v čase. Jejich rozdělení je provedeno dle způsobu jejich kvantitativního hodnocení z pohledu odezvy makroskopického souboru částic. • fyzikální pochody jejichž dopad lze v oblasti energetických změn doménové struktury popsat dynamickou hysterezní smyčkou Změna doménové struktury probíhá pomocí přemagnetizačních procesů. Zejména vlivem posunu doménových stěn dochází ke změně energie krystalografické magnetické anizotropie a ke změnám energii doménových stěn [3]. Dále dochází ke změnám velikosti výměnné energie, ke změnám magnetostatické energie a ke změnám magnetoelastické energie, která je odezvou na přiložené mechanické napětí a způsobuje vznik magnetických anizotropii na dislokacích [4]. Při popisu energetické bilance pomocí dynamických hysterezních smyček rozlišujeme ztráty hysterézní a ztráty vířivými proudy [5]. Ty prvé jsou způsobeny nevratnými magnetizačními procesy – posuvy doménových stěn, jejichž rozpadem se uvolní ono množství, které pohltí mřížka na stabilizaci plastického toku prostřednictvím absorbce této energie poruchami mřížky. Hysterézní ztráty jsou způsobeny indukovaným střídavým magnetickým tokem ve vodivém materiálu. Pro úplnost je třeba uvést i ztráty způsobené magnetickým zpožděním, které vzniká tehdy, jestliže se rychlost posuvu doménových stěn zpomalí např. vlivem příměsi, pak magnetická indukce resp. vektor magnetizace nenabude konečné hodnoty současně se vznikem nebo ukončením změny vnějšího magnetického pole. Toto zpoždění může být způsobeno i probíhající plastickou deformací. Ztráty které vznikají při střídavém magnetování nám vyjadřují velikost plochy uzavřené dynamickou hysterézní smyčkou a jsou postihovány pomocí ztrátového čísla ”z ”, které lze stanovit ze vztahu: ! ! B⋅H ⋅ f 1) z=S⋅ v⋅š⋅ρ kde: S .............plocha dynamické hysterézní smyčky B .............magnetická indukce H.............intenzita magnetického pole f...............frekvence v ..............výška dynamické hysterézní smyčky š ..............šířka dynamické hysterézní smyčky ρ..............měrná hmotnost zkoušeného materiálu Rozdělení ztrát na složky Ztráty vzniklé při střídavém magnetování můžeme jak již bylo uvedeno výše rozdělit na ztráty hysterézní a na ztráty vířivými proudy [5]: 2) z = z h + zv kde: zh .............ztráty hysterézní zv ............ztráty vířivými proudy Při rozdělení ztrát na složky využíváme jejich rozdílné závislosti na frekvenci. Pro magnetickou indukci určenou na základě amplitudových magnetizačních charakteristik pak platí: 4) z = z h + z v = k1 ⋅ f + k 2 ⋅ f 2
•
Fyzikální pochody, které lze popsat závislostí velikosti magnetostrikční deformace na vektoru intenzity magnetického pole V tomto bodě máme na mysli mechanické napětí vzniklé v důsledku magnetostrikce. Magnetostrikci kvantitativně hodnotíme relativním prodloužením (Obr. 3.) ∆l 5) λ= l Pro magnetostrikci ve stavu nasyceni kubického krystalu ve směru intenzity magnetického pole H, kterého směrové kosiny vzhledem ke krystalografickým osám jsou α1 α2 α3platí: 6) λ = λ100 + 3 ⋅ (λ111 − λ100 ) ⋅ α 12 ⋅ α 22 + α 22 ⋅ α 32 + α 32 ⋅ α 12 kde λ100 λ111 jsou magnetostrikce ve stavu nasycení v různých krystalografických směrech. Elementární práci spojenou s elementárním prodloužením o dl: 7) dA = σ ⋅ S ⋅ dl z Hookova zákona plyne pro relativní prodloužení λ a napětí σ: 8) σ = E ⋅λ 9) l = l 0 ⋅ (1 + λ ) ⇒ dl = l 0 ⋅ dλ pak energie magnetostrikční deformace: λ 1 10) U λ = ∫ dA = ∫ E ⋅ λ ⋅ S ⋅ l 0 ⋅ dλ = ⋅ S ⋅ l 0 ⋅ E ⋅ λ2 2 0 pro objemovou hustotu energie magnetostrikční deformace:
(
Fλ =
)
Uλ 1 = ⋅ E ⋅ λ2 S ⋅ l0 2
11)
[111] Obr. 3: Průběh magnetostrikce vzhledem ke krystalografickým směrům •
fyzikalní pochody související se změnou vektoru magnetické indukce v čase: Další složkou působící na zkoušený vzorek je elektromagnetická objemová síla. V důsledku změny vektoru magnetické indukce B v čase vzniká elektrické pole E [5, 6]: ! ! ∂B 12) rotE = − ∂t To způsobí ve vzorku s koduktivitou χ tok vířivých proudů o hustotě toku J [7]: ! ! 13) J =χ ⋅E
Na každý objemový element, přes který teče vířivý proud o hustotě toku J působí elektromagnetická objemová síla Fv (Obr. 4.) [8] ! ! ! 14) FV = J × B z FV B(r,t) J(r,t)
r
Obr. 4: Vektorový obrazec popisující působení elektromagnetické objemové síly ve vzorku. 3. VÝSTUPY Z EXPERIMENTU Experiment proběhl na torzním plastometru. Aktivní délka vzorku byla 500mm a průměr 4mm, a vzorky byly vyrobeny z 23MnB4 v žíhaném stavu Z experimentu byly tři soubory dat:
• • •
Data naměřená bez magnetického pole. Data naměřená s magnetickým polem. Data naměřená se vzorky umístěnými ve vyhřáté dutině, za účelem odstranění skreslení výsledků tepelným ovlivněním v důsledku tepla vyvíjeného působením magnetického pole. U všech tří souborů byla měřena teplota na konci deformace. Srovnání bylo provedeno pomocí středních hodnot konstanty pevnosti Cstř, součinitelé zpevnění nstř., logaritmické deformace do lomu estř., a střední teploty Tstř. vypočtených s max. . teplot povrchu okamžitě po lomu. Tabulka 2. Srovnání středních hodnot:
bez mg. pole s mg. polem ve vyhřáté dutině
Cstř [MPa] 645,52 600,625 628,315
nstř [-] 0,2162 0,19425 0,20248
estř [-] 1,06528 1,26914 1,21055
Tstř [°C] 49 93,17 74,9
Z těchto středních hodnot pak byly sestrojeny pracovní diagramy v Obr.5. Z uvedeného je patrný pokles konstanty pevnosti, součinitele zpevnění, a nárůst logaritmické deformace do lomu. Srovnáme-li přírůstek této deformace, tak soubor, který byl naměřen v magnetickém poli oproti souboru, který byl ovlivněn tepelně,činí tento přírůstek 5,5%. Rozdíl středních teplot těchto dvou srovnávaných souborů je 18,3 °C. (Střední hodnota teploty byla stanovena z maximální teploty povrchu okamžitě po lomu) Při srovnání souboru dat naměřeného v magnetickém poli se souborem, který byl naměřen bez magnetického pole a bez tepelného ovlivnění je tento přírůstek 19,1%.
y = 628,32x0,2025
700
y = 645,52x0,2162
600 σ [Mpa]
500
y = 600,62x0,1943
400 300 200 100 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
ε [-]
Obr. 5: Srovnání pracovních diagramů. Popisovaný pokles přetvárného odporu, který je reprezentován poklesem konstanty pevnosti, a nárůst velikosti deformace do lomu, je způsoben kvantitatívnímí změnami všech druhů energií, které souvisí se změnami magnetické mřížky, vytvoření magnetických anizotropií na dislokacích, rozechvění dislokaci magnetostrikčními kmity a reakcí dislokací elektronovým plynem, na který působí para proces a intenzita elektrického pole E, která vzniká v důsledku změny vektoru magnetické indukce v čase. Dále zde bude působit elektromagnetická objemová síla, a mechanické napětí vzniklé v důsledku magnetostrikce. Ze zvýšené teploty vzorku je patrné, že část vnesené energie do mřížky se mění v teplo. Kubická prostorově centrovaná mřížka má systém skluzových rovin typu :{1 1 0} a směry skluzu 〈1 1 1〉, směr těžké magnetizace leží u tohoto typu mřížky v tomto systému a proto se lze domnívat, že atomy v těchto rovinách se ohřívají více než v ostatních, což by mělo usnadnit skluz. 4. ZÁVĚR V předloženém příspěvku je naznačená problematika fyzikálních dějů, které probíhají při působení vnějšího střídavého magnetického pole na feromagnetikum. Mechanismy těchto dějů jsou popsaný na úrovni materiálové mřížky. Hodnoty intenzity magnetického pole, při kterých dochází ke změnám mechanismu přemagnetizace, jsou určovány na základě amplitudových magnetizačních charakteristik, které nám vypovídají i o délce trvání těchto dějů na ose hodnot intenzit magnetického pole. Energetická bilance přemagnetizačních procesů je řešena pomocí dynamických hysterezních smyček. Tento přístup v sobě nese velkou výhodu v tom, že celkovou energetickou bilanci je možno stanovit bez zjišťování obtížně měřitelných materiálových konstant. Výsledky z této práce mohou přispět při řešení problémů s využitelnou zásobou plasticity Celou energetickou soustavu, reprezentovanou materiálem vzorku lze z pohledu statistického popisu chápat více dynamicky, což příznivě působí na rovnoměrnost deformace při tváření oceli za studena. Na pracovišti VŠB-TU je spolupráce součástí Výzkumného záměru VŠB-TU, FS „Výzkum, vývoj a inovace technologií“ CEZ J 17/98. 272300010. LITERATURA [1] HASSDENTEUFEL, J., KVĚT K. aj. Elektrotechnické materiály. Praha: SNTL, 1967. [2] TOMČÍK, P. Vliv střídavého magnetického pole na plastickou deformaci oceli 23MnB4 – závěrečná zpráva interního grantu. Ostrava: VŠB, 1999 [3] HAJKO, V., POTOCKÝ L., ZENTKO A. Magnetizačné procesy. Bratislava: Alfa, 1982.
[4] STÝSKALA, V. Magnetické materiály elektrických strojů. Ostrava: VŠB, 1998 [5] KÁRA, M. Magnetické měření materiálů pro elektrotechniku. Plzeň: VŠSE 1982, [6] DĚDEK, L. Teorie elektromagnetického pole. Brno: VUT, 1990 [7] LAMMERANER, J., ŠTAFL, M. Vířivé proudy. Praha: SNTL, 1964 [8] BÜHLER, H., BAUER, D. Ein Beitrag zur Formänderungsfestigkeit von metallischen Werkstoffen bei der Hochgeschwindigkeitsumformung durch magnetische Felder. Düsseldorf: BÄNDER BLECHE ROHRE, 1968, Nr. 4.
