О СООТВЕТСТВИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ФЕРРИТА И ФЕРРИТНОГО ЧИСЛА В АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ РОССИЙСКИМИ ФЕРРИТОМЕТРАМИ

О СООТВЕТСТВИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ФЕРРИТА И ФЕРРИТНОГО ЧИСЛА В АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ РОССИЙСКИМИ ФЕРРИТОМЕТРАМИ

Научная статья

Ригмант М.Б.¹*, Корх М.К.²

¹ ORCID: 0000-0001-8763-8784;

² ORCID: 0000-0002-8016-5694;

^{1, 2} Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия

* Корреспондирующий автор (rigmant[at]imp.uran.ru)

Аннотация

Проведено сравнение ферритного числа (FN) стандартных образцов аустенитных сталей, изготовленных методом наплавки фирмой «Инспектор Гейдж» (Великобритания) с измерениями процентного содержания фазы феррита (СФФ) с помощью российских ферритометров ФМ-3 (ИФМ УрО РАН) и МК-1.2Ф (АО ИНТРОТЕСТ). Показано, что между значениями FN и СФФ во всем измеряемом диапазоне сохраняется линейная зависимость FN » 1,8 × СФФ с относительной погрешностью не более 12 % для всех измеренных образцов с различным содержанием ферритного числа. Такая однозначная связь FN и (СФФ) позволяет использовать российские ферритометры для контроля аустенитно-ферритных сталей изготовленных за рубежом, так и наоборот – калибровать иностранные приборы в единицах СФФ при контроле сталей изготовленных в России.

Ключевые слова: феррит, аустенит, фазовый состав, неразрушающий контроль.

ON CONFORMITY OF THE MEASUREMENT RESULTS OF PERCENTAGE OF FERRITE AND FERRITIC NUMBER IN AUSTENITIC STEELS AT MEASUREMENTS BY RUSSIAN FERRITOMETERS

Research article

Rigmant M.B.^1, *, Korkh M.K.²

¹ ORCID: 0000-0001-8763-8784;

² ORCID: 0000-0002-8016-5694;

^{1, 2} Federal State Budgetary Institution of Science M.N. Mikheev Institute of Metal Physics Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia

* Corresponding author (rigmant[at]imp.uran.ru)

Abstract

The article contains the comparison of the ferritic number (FN) of standard samples of austenitic steels produced by the overlaying method by Inspector Gage (United Kingdom) with the measurements of the percentage of ferrite phase (PFP) with the help of Russian FM-3 ferritometers FM-3 (IPM UB RAS) and MK-1.2F (INTROTEST JSC). It is shown that linear dependence of FN » 1.8PFP with a relative error of no more than 12% for all measured samples with different contents of ferritic number remains between the values of FN and PFP in the entire measured range. Such an unambiguous connection between FN and (PFP) allows the use of Russian ferritometers to monitor austenitic-ferritic steels produced abroad, and vice versa, to calibrate foreign instruments in PFP units when monitoring steels manufactured in Russia.

Keywords: ferrite, austenite, phase composition, non-destructive testing.

Магнитная ферритометрия в России основывается на представлении о ферритной фазе (α-фазе) в аустенитных и аустенитно-ферритных сталях, как мелкодисперсном сложнолегированном ферромагнетике, содержание и распределение которого в парамагнитной матрице изучается с помощью соответствующих методик и аппаратуры. Российские приборы ферритометры измеряют α-фазу двумя методами: объемным и локальным, которые взаимно дополняют друг друга [1]. При использовании объемного метода образцы стандартного размера, вырезанные из зоны контроля, намагничиваются до состояния технического насыщения. При локальном магнитном контроле материал намагничивается лишь на небольшом участке изделия. Локальный метод магнитной ферритометрии широко используется в неразрушающем контроле благодаря его оперативности, высокой производительности и возможности определения содержания ферритной фазы непосредственно в готовых изделиях.

Метод магнитного насыщения предусмотрен Государственными стандартами России [2] для аттестации стандартных образцов содержания феррита в аустенитных сталях. В России используется понятие «процент феррита», определяемый как одна сотая доля величины удельной намагниченности насыщения ферритной фазы в исследуемой стали. За рубежом контроль содержания ферритной фазы (СФФ) возник как инженерная проблема и развивался на базе методов и средств магнитной толщинометрии [14], [15]. Данные методы, основанные на измерении силы отрыва постоянного магнита от поверхности образца, также могут давать воспроизводимые результаты. При таком контроле используется понятие ферритное число («ferrite number» или FN). Цель данной работы – это установление связи между содержанием ферритной фазы и значением ферритного числа. Данное исследование проводится как на образцах СФФ, так и на образцах FN.

В Институте физики металлов УрО РАН были проведены прямые измерения СФФ образцов с различным ферритным числом с помощью российских ферритометров – МК-1.2 Ф (ОАО «Интротест») и ФХ-3 ИФМ (ИФМ УрО РАН). Образцы были изготовлены фирмой «Инспектор Гейдж» (Великобритания) методом наплавки аустенитной проволоки на ферромагнитную основу [1], [14], [15].

Образцы для измерений были предоставлены производственным объединением ООО «Ижорские заводы». Российские ферритометры для локальных измерений калибровались на Государственных стандартных образцах (комплект ГСО) в % ферритной фазы. Комплект ГСО разработан в Уральском центре стандартизации и метрологии Госстандарта (ныне «Уралтест», г. Екатеринбург) совместно с ЦНИИТМаш (г. Москва). Образцы изготовлены методом центробежного литья, который позволяет получить большой объем стали с однородным фазовым составом [1].

Содержание ферритной фазы в российских образцах определялось несколькими методами, в том числе - методом магнитного насыщения и методом оптической микроскопии.

Метод магнитного насыщения является наиболее информативным, так как при объемном контроле целиком намагничиваются образцы «свидетели», а при локальном контроле намагничивается достаточно большой участок изделия. Результат такого намагничивания и связан с содержанием ферритной фазы. В методе магнитного насыщения за процентное содержание феррита (%F) в аустенитной стали принимается значение

    (1)

где  – экспериментально определенная намагниченность насыщения исследуемой стали, содержащей некоторое количество феррита,  – намагниченность насыщения стали, содержащей максимально возможное (100%) количество феррита при данном химическом составе. В работе [11] был развит эмпирический подход, предложенный ранее в [12], [13], который показал, что значение  можно с высокой точностью получить, зная химический состав исследуемой стали, из формулы    (2)

где в скобках указано процентное содержание химических элементов в ферритной фазе исследуемой стали. Формула (2) для расчета  достаточно понятна с физической точки зрения. Величина 1720 кА/м это величина намагниченности насыщения чистого железа. Наличие легирующих элементов в исследуемой стали понижает это значение.

На рис.1 для примера представлены результаты оптической микроскопии двух образцов из набора СФФ с содержанием ферритной фазы а) 5,3%, б) 10,3% при 500 кратном увеличении.

Рис.1 – Измерение фазы феррита при 500 кратном увеличении – а) 5,3%, б) 10,3%

 

Сравнительные измерения ферритометрами в процентах ферритной фазы на комплекте образцов ферритного числа, аттестованы Международным институтом сварки (г. Кембридж, Великобритания) представлены на рис. 2.

Рис. 2 – Связь значений ферритного числа с содержанием ферритной фазы. Измерения проведены ферритометрами МК-1.2 Ф и ФМ-3 ИФМ

 

Результаты сравнительных измерений показали, что связь ферритного числа - (FN) и процентного содержания α-фазы является близкой к линейной. Ферритное число можно определить, как FN≈1,80 × СФФ. Относительная погрешность измерений не превышает 12%. Это экспериментальное значение хорошо согласуется с данными Международного института сварки (Кембридж, Великобритания) которое определяется сложным расчетно-измерительным путем.

Однозначная линейная связь ферритного числа и процентного содержания феррита может быть объяснена тем, что в случае измерения FN, и в случае измерения СФФ, рассматривается магнитная связь между намагничивающим элементом измерительного преобразователя (датчика), создающего большое магнитное поле, и контролируемым аустенитно-ферритным материалом. Как в случае измерения FN, так и в случае определения СФФ, контролируемый материал намагничивается до магнитных полей, при которых происходит локальное намагничивание до состояния близкое к техническому насыщению. Для всех, рассматриваемых в данной статье приборов контроля, определяется характеристика, связанная с взаимодействием намагниченного участка и магнитоизмерительным преобразователем. При измерении ферритного числа определяется сила отрыва локального постоянного магнита от намагниченного участка. При измерении прибором МК-1.2Ф измеряется индукционный отклик контролируемого участка при импульсном намагничивании с помощью магнитомягкого сердечника.

Контроль СФФ прибором ФХ-3 ИФМ осуществляется следующим образом (см. рис.3): преобразователем Холла (2) измеряется магнитное поле рассеяния от контролируемого изделия (3) локально намагниченного сильным постоянным магнитом (1) из сплава редкоземельного элемента. Цифрой (4) на рис.3 обозначена намагниченная область (зона контроля) в контролируемом материале. Напряженность магнитных полей рассеяния в зоне контроля прямо пропорциональна содержанию ферромагнитных включений в данной зоне.

Рис. 3 – Устройство и принцип работы измерительного преобразователя прибора «Ферритометр ФХ-3 ИФМ», где: 1 – постоянный магнит; 2 – датчик Холла; 3 – контролируемый объект; 4 – «отражение» магнита в материале стали

 

Заключение

Измерения, выполненные в ИФМ УрО РАН, показали возможность использования российских ферритометров как для контроля фазы феррита, так и для определения ферритного числа на изделиях из аустенитных и аустенитно-ферритных сталей. Применение российских приборов вместе со стандартными образцами СФФ позволяет проводить измерения с большой локальностью. Зарубежные приборы для решения аналогичных задач часто используют для калибровки по измерению FN образцы имитаторы. В этих образцах сила отрыва калиброванного магнита регулируется немагнитным покрытием на ферромагнитной основе. Немагнитное покрытие, при этом, может совсем не содержать аустенитной фазы, что ограничивает использование образцов имитаторов, например, при замене одного магнитоизмерительного преобразователя на другой, или при использовании имитаторов для различных приборов по измерению значения ферритного числа.

Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Диагностика», № АААА-А18-118020690196-3).	Funding The work was performed within the framework of the state assignment of the Federal Agency for Scientific Organizations of Russia (“Diagnostics,” No. AAAA-A18-118020690196-3).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Международная инженерная энциклопедия. Неразрушающие методы контроля. Спецификатор различий в национальных стандартах различных стран. Под ред. проф. В. Я. Кершенбаума: – М.: Центр «Наука и техника». 1995. т. 3. С. 68-128.
2. ГОСТ Р 53686-2009 Сварка. Определение содержания ферритной фазы в металле сварного шва аустенитных и двухфазных аустенитно-ферритных хромоникелевых коррозионностойких сталей. – М.: Стандартинформ, 2011. – 25 c.
3. Курдюмов В. Г. Превращения в железе и стали. / В. Г. Курдюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин – М.: Наука. 236 с.
4. Химченко Н. В. Неразрушающий контроль в химическом и нефтяном машиностроении. / Н. В.Химченко, В. А. Бобров – М.: Машиностроение. 356 c.
5. Ригмант М. Б. Прибор для контроля изменений магнитного состояния листов слабомагнитных аустенитных сталей – ферритометр Ф-01./ М. Б. Ригмант, М. А. Веденеев, В. С. Пономарев, и др. Прибор для контроля изменений магнитного состояния листов слабомагнитных аустенитных сталей – ферритометр Ф-01. // Дефектоскопия. – 1994. – №3. – С. 3-9.
6. Меринов П. Е. Определение мартенсита деформации в сталях аустенитного класса магнитным методом / П. Е. Меринов, А. Г. Мазепа. // Заводская лаборатория. – 1997. – №3. – С. 47-49.
7. Deryagin A. I. Formation of Nanosized Ferromagnetic Phases during Plastic Deformation and Subsequent Annealing of Stable Austenitic Steels / A. I. Deryagin, V. A. Zavalishin, V. V. Sagaradze and others // Russian journal of nondestructive testing. – 2007– V.43 – p. 427 (9 pp.)
8. Rigmant M. B. Instruments for Magnetic Phase Analysis of Articles Made of Austenitic Corrosion-Resistant Steels / M. B. Rigmant, A. P. Nichipuruk, B. A. Khudyakov and others // Russian journal of nondestructive testing. – 2005. – V. 41. – P. 701–709.
9. Rigmant M. B. The possibility of separate measurements of the amounts of ferrite and deformation martensite in three-phase austenitic-class steels using the magnetic method / M. B. Rigmant, A. P. Nichipuruk, M. K. Korkh // Russian journal of nondestructive testing. – – V. 48. – P. 511–521.
10. Korkh M. K. Determination of the phase composition of three-phase chromium-nickel steels from their magnetic properties / M. K. Korkh, M. B. Rigmant , D. I. Davydov, and others// Russian journal of nondestructive testing. – 2015. – V. 51. – P. 727–737.
11. Merinov P. The magnetic testing of the ferrite content of austenitic stainless steel weld metal / P. Merinov , S. Entin, B. Beketov and others // NDT International. – 1978. – V. 11. – p. 9-12.
12. Elmer J. Measuring determination the residual ferrite content of rapidly solidified stainless steel alloy/ J. Elmer, T. Eagar // Welding Research Saplement. – 1990. – V. 4. – p. 141-150.
13. Stalmasek E. Measurements of ferrite content in austenitic stainless steel weld metal giving internationally reproducible results / E. Stalmasek // Welding Research Council Bulletin. – 1986. – V.318. – p. 22 – 97.
14. American National Standard ANSI/AWS A4.2-86 Standard procedure for calibrating magnetic instruments to measure the delta-ferrite content of austenitic stainless steel weld metal.: American welding society inc., 1998. – 27 p.
15. International Standard ISO 8249. Welding — Determination of Ferrite Number (FN) in austenitic and duplex ferritic-austenitic Cr-Ni stainless steel weld metals.: ISO copyright office, Switzerland, 2000. – 11 p.

Список литературы на английском языке / ReferencesinEnglish

1. Mezhdunarodnaja inzhenernajaj enciklopedija. Nerazrushajushhie metody kontrolja. Specifikator razlichij v nacional'nyh standartah razlichnyh stran. Pod red. prof. V.Ja. Kershenbauma [International Engineering Encyclopedia. Non-destructive control methods. The specifier of differences in national standards of different countries. Ed. prof. V. Ya. Kershenbaum]: – M.: Centr «Naukaitehnika». 1995. Vol. 3. p. 68-128. [in Russian]
2. GOST R 53686-2009 Svarka. Opredelenie soderzhanija ferritnoj fazy v metalle svarnogo shva austenitnyh i dvuhfaznyh austenitno-ferritnyh hromonikelevyh korrozionnostojkih stalej [Welding. Determination of the ferritic phase content in the weld metal of austenitic and two-phase austenitic-ferritic nickel-chromium corrosion-resistant steels]. – M.: Standartinform, 2011. – 25 p. [in Russian]
3. Kurdjumov V. G. Prevrashhenija v zhelezeistali [Transformations in iron and steel] / V. G. Kurdjumov, L. M. Utevskij, R. I. Jentin – M.: Nauka. 1977. 236 p. [in Russian]
4. Himchenko N. V. Nerazrushajushhij kontrol' v himicheskom i neftjanom mashinostroenii [Non-destructive testing in chemical and petroleum engineering] / N. V. Himchenko, V. A. Bobrov – M.: Mashinostroenie. 1978. 356 p. [in Russian]
5. Rigmant M. B. Pribor dlja kontrolja izmenenij magnitnogo sostojanija listov slabomagnitnyh austenitnyh stalej – ferritometr F-01 [A device for monitoring changes in the magnetic state of low-magnetic austenitic steel sheets - ferrite meter F-01] / M. B. Rigmant, M. A. Vedeneev, V. S. Ponomarev, and others // Defektoskopija. – – V.3. – P. 3–9. [inRussian]
6. Merinov P. E. Opredelenie martensita deformacii v staljah austenitnogo klassa magnitnym metodom [Determination of deformation martensite in austenitic steels by the magnetic method] / P. E. Merinov, A. G. Mazepa. // Zavodskajalaboratorija. – 3. – 1997. – P. 47–49. [in Russian]
7. Deryagin A. I. Formation of Nanosized Ferromagnetic Phases during Plastic Deformation and Subsequent Annealing of Stable Austenitic Steels / A. I. Deryagin, V. A. Zavalishin, V. V. Sagaradze and others // Russian journal of nondestructive testing. – 2007 –43 – p.427 (9 pp.)
8. Rigmant M. B. Instruments for Magnetic Phase Analysis of Articles Made of Austenitic Corrosion-Resistant Steels / M. B. Rigmant, A. P. Nichipuruk, B. A. Khudyakov and others // Russian journal of nondestructive testing. – – V. 41. – P. 701–709.
9. Rigmant M. B. The possibility of separate measurements of the amounts of ferrite and deformation martensite in three-phase austenitic-class steels using the magnetic method / M. B.Rigmant, A. P. Nichipuruk, M. K. Korkh // Russian journal of nondestructive testing. – – V. 48. – P. 511–521.
10. Korkh M. K. Determination of the phase composition of three-phase chromium-nickel steels from their magnetic properties / M. K. Korkh, M. B. Rigmant, D. I. Davydov and others // Russian journal of nondestructive testing. – – V. 51. – P. 727–737.
11. Merinov P. The magnetic testing of the ferrite content of austenitic stainless steel weld metal / P. Merinov, S. Entin, Beketov B. and others // NDT International. — 1978. — V. 11. —p. 9-14.
12. Elmer J. Measuring Determination the residual ferrite content of rapidly solidified stainless steel alloy/ J. Elmer T. Eagar // Welding Research Saplement. – – V.4. – p. 141–150.
13. Stalmasek E. Measurements of ferrite content in austenitic stainless steel weld metal giving internationally reproducible results / E. Stalmasek // Welding Research Council Bulletin. – – V.318. – p. 22 – 97.
14. American National Standard ANSI/AWS A4.2-86 Standard procedure for calibrating magnetic instruments to measure the delta-ferrite content of austenitic stainless steel weld metal.: American welding society inc., 1998. – 27 p.
15. International Standard ISO 8249. Welding — Determination of Ferrite Number (FN) in austenitic and duplex ferritic-austenitic Cr-Ni stainless steel weld metals.: ISO copyright office, Switzerland, 2000. – 11 p.