Измерение магнитной проницаемости металла

Обновлено: 05.01.2025

Для измерения магнитной проницаемости ( не вычисления путем деления индукции на напряженность поля) используют два принципиально разных пути: метод измерения отношения двух напряжений, пропорциональных индукции и напряженности поля, и косвенный метод, когда измеряется индуктивность образца с намагничивающей обмоткой с последующим расчетом магнитной проницаемости образца. [5]

Проведены измерения магнитной проницаемости и потерь в широком диапазоне температур и частот. Показана возможность создания материалов для метрового и дециметрового диапазонов, способных работать в более широком температурном интервале и имеющих лучшую температурную стабильность магнитной проницаемости. [6]

Для измерения магнитной проницаемости железа из него был изготовлен тороид длиной / 50 см и площадью поперечного сечения 54 сма. Одна из обмоток то-роида имела 500 витков и была присоединена к источнику тока, другая имела Л / а1000 витков и была присоединена к гальванометру. Переключая направление тока в первичной обмотке на обратное, мы вызываем во вторичной обмотке индукционный ток. [7]

Для измерения циркулярной магнитной проницаемости стального провода кругового сечения из отрезанного от него куска выточено кольцо. Кольцо снабжено намагничивающей и измерительной обмотками. [8]

Описанный метод измерения магнитной проницаемости основан фактически на измерении индуктивности намагничивания испытываемого образца. Поэтому по найденному значению магнитной проницаемости с достаточной точностью может быть рассчитана индуктивность намагничивания собственно трансформатора и измерения индуктивности намагничивания трансформатора впоследствии могут не производиться. [9]

По результатам исследования микроструктуры, измерения магнитной проницаемости , твердости и некоторым другим методам исследования определяют моменты начала и конца превращений при исследованных скоростях охлаждения. [10]

По результатам исследования микроструктуры, измерения магнитной проницаемости , твердости и некоторых других методов исследования определяют моменты начала и конца превращений при исследованных Скоростях охлаждения. [11]

В измерительной технике применяют два основных способа измерения магнитной проницаемости : логомет-рический и индукционный. Первый из них основан на принципе действия логометров, измеряющих отношение значений двух параметров, например индукции и напряженности намагничивающего поля. В данном случае необходимо, чтобы ток в одной обмотке логометра был пропорционален индукции, во второй - напряженности намагничивающего поля. Логометр включается по схеме вольтметра-амперметра и, если необходимо, через усилители мощности. [12]

Следовательно, деформация трубки 2 приводит к пропорциональному измерению магнитной проницаемости инвара . [15]

Экспериментальная апробация систем для измерения магнитных проницаемостей листовых металлов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Чаплыгин Евгений Александрович, Барбашова Марина Викторовна, Сабокарь Олег Сергеевич

В статье представлены результаты практической апробации методики измерений и определение характеристик тонкостенных листовых ферромагнетиков при реальном магнитно-импульсном притяжении их участков, заданных условиями производственной операции. Показано, что величина относительной магнитной проницаемости обрабатываемых металлов отлична от единицы, что соответствует полному насыщению.

EXPERIMENTAL APPROBATION OF SHEET METAL MAGNETIC PERMEABILITY MEASUREMENT SYSTEMS

The article presents results of practical testing of measurement techniques and characterization of thin sheet metallic ferromagnets under real pulsed magnetic attraction of their sections specified by manufacturing operation conditions. It is shown that the relative magnetic permeability of the processed metals is different from one, which corresponds to full saturation.

Текст научной работы на тему «Экспериментальная апробация систем для измерения магнитных проницаемостей листовых металлов»

Е.А. Чаплыгин, М.В. Барбашова, О.С. Сабокарь

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ ЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

У статті представлені результати практичної апробації методики вимірювань і визначення характеристик тонкостінних листових ферромагнетиків при реальному магнітно-імпульсному тяжінні їх ділянок, заданих умовами виробничої операції. Показано, що величина відносної магнітної проникності оброблюваних металів відмінна від одиниці, що відповідає повному насиченню.

В технологиях традиционной магнитноимпульсной обработки разного рода стальных заготовок (например, плоская штамповка, обжим и раздача полых труб, холодная сварка и др.), магнитные свойства образцов никак не влияли на успешность выполняемой производственной операции [1]. Действительно, при реальном силовом давлении на массивные объекты амплитуды напряжённости составляли ~107 А/м и выше. В этом диапазоне действующих полей относительная магнитная проницаемость обрабатываемых металлов далека от своего максимума и стремится к единице [2]. Отличие её величины от предельного значения не оказывало влияния на эффективность обработки. Соответственно, вопрос об определении магнитных характеристик обрабатываемых металлов не представлял никакого практического интереса. Но с появлением разработок производственных операций, основанных на магнитно-импульсном притяжении ферромагнетиков, идентификация магнитной проницаемости объектов обработки при реальном силовом воздействии становится весьма актуальной. Результаты проведенных исследований дали основание полагать, что её величина, даже незначительно больше единицы, определяет амплитуды возбуждаемых сил магнитного притяжения заготовки к источнику поля - индуктору [3].

Цель работы - практическая апробация методики измерений и определение характеристик тонкостенных листовых ферромагнетиков при реальном магнитно-импульсном притяжении их участков, заданных условиями производственной операции.

Объект исследований - заготовка из тонкостенной листовой стали автомобиля "Ойоёп" толщиной —0.001 м (здесь следует перечислить все заготовки из различных сталей, но, как объект экспериментальной отработки предложенного метода, указать один из них) с вырезами, позволяющими размещение катушек индукционных датчиков. В одном из вырезов сохраняется металлический выступ (рис. 1,а, справа), во втором -крепится диэлектрическая вставка (рис. 1,а, слева).

Индукционный датчик через интегратор (рис. 1,б) подключается к осциллографу.

Оборудование - магнитно-импульсная установка МИУС-2, созданная в лаборатории электромагнитных технологий Харьковского национального автомо-

бильно-дорожного университета, согласующее устройство и одновитковая индукторная система с внутренним отверстием конической формы [4]. Полость отверстия - рабочая зона инструмента.

I I о. шиши .10 1мм)

Рибочия юни пол котгісскнм отвертим индуктора

К огідоілоі рифу

Рис. 1. Эксперимент по измерению магнитных характеристик в МИОМ: а - эскиз листовой заготовки, б - схема подключения индукционного измерителя (через интегратор)

1) на выступах (рис. 1, диэлектрическая вставка -слева, металл заготовки - справа) в пределах рабочей зоны индукторной системы были отмечены 5 точек для размещения обмотки индукционного датчика;

2) сигнал непосредственно с обмотки индукционного датчика подавался на вход осциллографа;

3) выход обмотки индукционного датчика через интегратор (рис. 1,б) подключался к осциллографу;

4) осциллографируемые сигналы измерялись;

5) производилась численная обработка результатов измерений.

Ур-р = 4,469 V Усіс = -213,4 тУ Ріп = .

сІУ = 2,594 V сІТ = 11 Э.О иЗ 1/с1Т = 8,403 КНг

50 иЗ/ТЭы Тгід. 2,281 V 0

Рис. 3. Осциллограммы сигналов с обмоток индукционных датчиков для определения динамической проницаемости (в точке г/Я ~ 0.2): а - во внутренней полости катушки - диэлектрик; б - во внутренней полости катушки - ферромагнетик

Это позволяет приближённые оценки усреднённых характеристик ферромагнитных заготовок в каждой точке расположения обмотки измерителя находить как отношение временных максимумов числителя и знаменателя.

Рис. 2. Экспериментальное оборудование: а - магнитно-импульсная установка МИУС-2 (сверху - выносной инструмент в защитном корпусе с кабельным подсоединением), б - массивный одновитковый индуктор с внутренним отверстием конической формы

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Первые эксперименты проводились для двух значений напряжения на емкостном накопителе: и = 900 В и и = 1800 В. Выбранный диапазон энергий должен проиллюстрировать дифференциацию магнитных свойств исследуемого образца в режимах, когда при многократном повторении силовых воздействий в зависимости от их количества имело место образование вмятин разной глубины [5].

Численные оценки характеристик импульсных сигналов в настоящих экспериментах (типичные представления на рис. 3, 4), проведенные соответственно методикам монографии [6], показали, что отличия отношений их средних значений от отношений их максимумов не превышают 10-12%.

1 УДЗІу БОііБ/Оіу Тгід. 1.156 V (^)

Усіс = -131,3 тУ Ріп =.

сІТ = 105,0 иЭ 1/сІТ = 9,524 КНг

Рис. 4. Типичные осциллограммы проинтегрированных сигналов с обмоток индукционных датчиков при определении относительной магнитной проницаемости (в точке г/Я ~ 0.2): а - во внутренней полости катушки - диэлектрик; б - во внутренней полости катушки - ферромагнетик

Конечные результаты определения магнитных характеристик исследуемого образца при магнитно -импульсном воздействии сведены в табл. 1.

г Я Отн. магн. проницаемость, Ц (Ск ), и = 900 В Динам. магн. проницаемость, Цн (С к ), и = 900 В Отн. магн. проницаемость, Цг (Ск), и= 1800 В Дин. магн. проницаемость, Цн (С к), и= 1800 В

0.2 2.40 2.50 1.26 1.55

0.4 2.17 2.34 1.33 1.85

0.6 1.88 2.54 1.30 1.49

0.8 1.81 2.40 1.27 1.52

1.0 1.87 2.47 1.37 1.60

Ср. вел цг и 2.026 Цн ~ 245 Цг и 1.306 Цн и 1.602

Визуально, радиальные распределения магнитных проницаемостей иллюстрируют графические зависимости на рис. 5.

Как следует из проведенных измерений, средние значения динамической и относительной магнитной проницаемости в диапазоне напряжений емкостного накопителя и е [900 В, 1800 В], соответственно, будут равны: и 2.025 и цг и 1.67.

Результаты измерений относительной магнитной проницаемости согласуются с теорией, а также значениями цг, принятыми авторами теоретического обоснования экспериментально обнаруженного эффекта притяжения листового ферромагнетика при низких частотах [7].

темы составляет: при напряжении U = 900 В цг « 2.0 , а при напряжении U = 1800 В - цг и 1.36.

500 mV/Div 50 uS/Div Trig. 156.3 mV Q

Рис. 5. Радиальные распределения магнитных проницаемостей в листовых ферромагнетиках при МИОМ: а - динамическая магнитная проницаемость, б - относительная магнитная проницаемость

В экспериментальном образце на рис. 1 отсутствует металл в центральной части, соответствующей рабочей зоне индукторной системы. Очевидно, что данная геометрия практически полностью исключает влияние индуцированных токов на результаты измерений. Тем не менее, это влияние требует количественного определения.

В этой связи были проведены аналогичные измерения для "контрольного" листового образца с частичным сохранением металла в центральной части, представленного на рис. 6, что в отличие от геометрии на рис. 1,а, позволяет указать замкнутые контуры для протекания индуцированных токов.

Рис. 7. Осциллограммы проинтегрированных сигналов с обмоток индукционных датчиков для определения относительной магнитной проницаемости (в точке т/К~0.5): а - во внутренней полости катушки - диэлектрик; б - во внутренней полости катушки - ферромагнетик

Рис. 6. Эскиз "контрольной" листовой заготовки с сохранением металла в рабочей зоне индукторной системы

Типичные осциллограммы проинтегрированных сигналов представлены на рис. 7.

Вычисления, проведенные по результатам измерений, показали, что средняя величина относительной магнитной проницаемости металла листового образца на рис. 6 (рис. 8,б) в рабочей зоне индукторной сис-

Рис. 8. Реальные листовые ферромагнетики в экспериментах по определению магнитных характеристик при МИОМ: а - образец, эскиз которого представлен на рис. 1 ,а, б - "контрольный" образец, эскиз которого представлен на рис. 6

Сравнение данных, полученных для листовых заготовок с различной геометрией вырезов для размещения индукционных датчиков, показали, что временная форма сигналов в измерителях остаётся неизменной, а расхождения в определении относительной магнитной проницаемости не превышают 4 %. Таким образом, геометрия образца для определения магнитных характеристик листовых ферромагнетиков при МИОМ, практически, не влияет на результаты измерений.

Теперь о пространственном распределении напряжённости магнитного поля.

Параметры интегратора: Я = 8.2-103 Ом,

С = 0.1-10-6 Ф. Параметры датчика: число витков -w = 100, площадь поперечного сечения - £ = 10-5 м2.

Рис. 9. Радиальное распределение напряжённости возбуждаемого магнитного поля в рабочей зоне индукторной системы при различных значениях напряжения на емкостном накопителе

По измеренным максимумам напряжения на выходе интегратора в фиксированных точках рабочей зоны были определены амплитудные значения напряжённости магнитного поля. Результаты представлены на рис. 9.

Как следует из рис. 9, максимальная напряжённость магнитного поля (тангенциальная составляющая) составляет ~1.25-106 А/м, а усреднённая по радиусу —1.05-106 А/м. Вероятно, что данные величины могут служить ориентиром для оценки амплитуды возбуждаемого поля, достаточной для преодоления предела пластичности металла обрабатываемого листового ферромагнетика и его деформирования притяжением к индуктору.

Вторая группа экспериментов, проведенных для напряжений и = 450 В и и = 1350 В, была направлена на обобщение полученных результатов. Она дополняет физическую картину зависимости магнитных характеристик металлов от величин напряжённости действующего поля в реальных процессах МИОМ.

Аналогично предыдущему для выделенных напряжений емкостного накопителя были проведены измерения проинтегрированных сигналов. С учётом ранее полученных результатов была получена зависимость относительной магнитной проницаемости металла от напряжённости магнитного поля, усреднённых по величинам в различным точках рабочей зоны индукторной системы (см. рис. 10).

Рис. 10. Функциональная зависимость относительной магнитной проницаемости металла листовой заготовки от амплитуды напряжённости поля в индукторной системе при МИОМ

Характер и поведение кривой дг(Я) на рис. 10 физически полностью согласуется с зависимостью, представленной в фундаментальных работах по исследованиям ферромагнетиков (например, в монографии Я. Туровского [2]).

Прогнозирование "скорости" изменения магнитных свойств обрабатываемого металла в диапазоне реальной для МИОМ напряжённости действующего поля представляет практический интерес и может быть проведено с помощью первой производной относительной магнитной проницаемости.

Как следует из формулы для усреднённой динамической проницаемости

=і .[цн (и)+цг (н)]. аН Н

Данное выражение, записанное в терминах усреднённых величин, определяет первую динамическую характеристику поведения магнитных свойств, а именно, "скорости" изменения проницаемости при вариации напряжённости поля в индукторной системе.

Рис. 11. Первая динамическая характеристика магнитных свойств металла обрабатываемого объекта в диапазоне реальных напряжённостей полей при МИОМ

Как видно из графической зависимости на рис. 11, абсолютная величина скорости изменения магнитной проницаемости достаточно мала. Тем не менее, следует отметить резкое изменение производной при низких значениях напряжённости (почти на порядок для (0.2^0.4)-106 А/м!). Но при приближении к амплитуде поля, когда имеет место деформирование,

d Йг (Н)/dH изменяется весьма слабо, что означает

сохранение значения относительной магнитной проницаемости, близкого к единице, но отличного от неё. Данное утверждение согласуется с простыми физическими соображениями. Очевидно, что д = 1 при Н^-да.

В заключение приведём результаты измерений в табл. 2 для сталей обшивок автомобилей американского концерна "Ford Motor Company". В сравнении с аналогами для европейской фирмы "Сйгоёп" эти данные дают некоторое обобщающее представление о магнитных характеристиках сталей, применяемых в мировом автомобилестроении.

Марка стали Усреднённая относительная магнитная проницаемость в рабочей зоне инструмента

Ir U=900В Ir U=1800В

BH 210 2.188 1.41

BH 240 2.334 1.44

Усреднение по маркам сталей Ir и 2.26 Ir и 1.4

Для стали автомобильной обшивки фирмы "Ойоёп" из табл. 1. можно выписать соответствующие аналоги: ц_ = 2.026 и = 1.306.

Сравнение этих данных с величинами из табл. 2 показывает, что относительная магнитная проницаемость стальных обшивок современных автомобилей, выпускаемых как американскими, так и европейскими производителями, в режиме магнитно-импульсного притяжения приблизительно одинакова и принимает

значения в интервалах: [1.306,1.41.

1. Реализована успешная экспериментальная апробация методики измерения магнитных характеристик ферромагнитных листовых заготовок в реальных режимах магнитно-импульсной обработки металлов.

2. Показано, что при магнитно-импульсном притяжении тонкостенных листовых ферромагнетиков величина относительной магнитной проницаемости обрабатываемых металлов отлична от единицы, что соответствует полному насыщению, и принимает значения в диапазоне цг > 1.3 .

3. Успешно апробирована методика измерения напряжённости магнитного поля в рабочей зоне индукторной системы в реальном режиме силового воздействия при МИОМ.

1. Батыгин Ю.В., Гнатов А.В., Сериков Г.С., Чаплыгин Е.А. Импульсные магнитные поля для прогрессивных технологий. Том 4: Магнитно-импульсные технологии для формовки кузовных элементов автомобиля. Учебное пособие. - Харьков: ХНАДУ, 2010. - 182 с.

2. Туровский Я. Техническая электродинамика. - М.: "Энергия", 1974. - 488 с.

3. Батыгин Ю.В., Гнатов А.В. Особенности возбуждения электромагнитных сил при магнитно-импульсной обработке листовых ферромагнетиков // Технічна електродинаміка. -2012. - №1.- С. 71-77.

4. Щиголева С.А., Барбашова М.В. Анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований электродинамических характеристик поля в индукторной системе с коническим отверстием // Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. - 2012. -Вип. 134. - С. 212-216.

5. Батыгин Ю.В., Воробьев В.В., Гнатов А.В., Гнатова Щ.В., Сериков Г.С., Чаплыгин Е.А. Расчётные характеристики магнитно-импульсной установки для обработки металлов серией импульсов // Вісник НТУ "ХПГ. - 2011. -№12. - С. 86-95.

6. Туренко А.Н., Батыгин Ю.В., Гнатов А.В. Импульсные магнитные поля для прогрессивных технологий. Том 3. Теория и эксперимент притяжения тонкостенных металлов импульсными магнитными полями: монография. - Х.: ХНАДУ, 2009. - 240 с.

Поступила (received) 16.04.2014

Чаплыгин Евгений Александрович1, к.т.н., доц.,

Барбашова Марина Викторовна1, аспирант,

Сабокарь Олег Сергеевич1, студент,

1 Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет,

61002, Харьков, ул. Петровского, 25,

E.A. Chaplygin1, M.V. Barbashova1, O.S. Sabokar1 1 Kharkov National Automobile and Highway University 25, Petrovskogo Str., Kharkov, 61002, Ukraine Experimental approbation of sheet metal magnetic permeability measurement systems.

The article presents results of practical testing of measurement techniques and characterization of thin sheet metallic ferromag-nets under real pulsed magnetic attraction of their sections specified by manufacturing operation conditions. It is shown that the relative magnetic permeability of the processed metals is different from one, which corresponds to full saturation.

Исследование магнитной проницаемости стальных образцов в однородном переменном поле при упругой деформации на растяжение Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ / MAGNETIC PERMEABILITY / НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ / MAGNETIC FIELD STRENGTH / УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ / ELASTIC DEFORMATION / ДОМЕННАЯ СТЕНКА / DOMAIN WALL / АМПЛИТУДА / FIELD MAGNITUDE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Сандовский Владимир Аронович, Файншмидт Евгений Михайлович

Представлено описание установки для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении в пределах упругой деформации . Приведена методика измерения, включающая теоретические расчеты и результаты экспериментов. С помощью графической интерпретации проанализирована зависимость составляющих магнитной проницаемости от величины нагрузки, амплитуды и частоты перемагничивающего поля, а также структуры материала образцов.

STUDY OF MAGNETIC PERMEABILITY OF STEEL SPECIMENS IN UNIFORM ALTERNATING FIELD UNDER TENSILE ELASTIC DEFORMATION

A setup for measurement of magnetic permeability of steel specimens under tensile elastic deformation is described. Theoretical background of the approach and the measuring method are presented. Dependence of magnetic permeability components on loadings value, magnitude and frequency of magnetic field, and on the specimen material structure is studied with the use of graphical interpretation of experimental data.

Текст научной работы на тему «Исследование магнитной проницаемости стальных образцов в однородном переменном поле при упругой деформации на растяжение»

В. А. Сандовский, Е. М. Файншмидт

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ В ОДНОРОДНОМ ПЕРЕМЕННОМ ПОЛЕ ПРИ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Представлено описание установки для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении в пределах упругой деформации. Приведена методика измерения, включающая теоретические расчеты и результаты экспериментов. С помощью графической интерпретации проанализирована зависимость составляющих магнитной проницаемости от величины нагрузки, амплитуды и частоты перемагничивающего поля, а также структуры материала образцов.

Ключевые слова: магнитная проницаемость, напряженность магнитного поля, упругая деформация, доменная стенка, амплитуда.

Введение. Исследованию магнитных свойств сталей посвящено множество как отечественных, так и зарубежных публикаций. Так в работе [1] рассматривалась связь упругих и частично пластических растягивающих напряжений с возникающей при этом анизотропией начальной магнитной проницаемости при измерениях параметров вдоль и поперек действующей механической нагрузки. Исследованию влияния упругой деформации на обратимую магнитную восприимчивость ферромагнитных сталей посвящена работа [2]. В работе [3] было показано, что магнитная проницаемость, так же как и коэрцитивная сила, зависят от величины напряжений, возникающих при упругой деформации, причем указанные зависимости в значительной мере определяются структурой исследуемых сталей. В работе [4] приведены экспериментальные данные по изменению петель гистерезиса под воздействием упругих напряжений (от -125 до +125 МПа) применительно к образцам трубной стали, содержащим 2 % марганца, а в работе [5] на таких же образцах исследовались изменения намагниченности, как обратимой, так и необратимой, при нагружении их в пределах от -125 до +125 МПа для случаев, когда начальная точка находится на коммутационной кривой. Исследования по изменению намагниченности, проведенные путем опытов по измерению амплитуды и интенсивности скачков Баркхаузена, отражены в работе [6]. В работе [7] было исследовано изменение дифференциальной магнитной проницаемости в зависимости от степени растяжения и сжатия в больших, малых и средних магнитных полях. Результаты измерений степени магнито-стрикции в зависимости от напряжений, а также изменения петли гистерезиса под нагрузкой от -226 до +238 МПа приведены в работе [8].

Исследования магнитных свойств образцов, описанные в упомянутых и многих других работах этого направления, выполнялись в постоянных магнитных полях, при этом не были приведены пояснения некоторых экспериментально установленных фактов, которые могли бы быть объяснены на основе результатов измерений в переменных полях.

В настоящей статье рассматривается возможность получения дополнительной информации, которая позволит объяснить результаты, полученные при исследовании взаимосвязей магнитных свойств сталей с различной структурой и механических явлений, возникающих при нагрузках в пределах упругой деформации. Такие возможности открываются при измерениях магнитной проницаемости в динамическом режиме, т. е. в переменном поле, для чего используется методика, включающая как теоретические расчеты, так и экспериментальные данные.

Экспериментальная установка. Для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении была создана экспериментальная установка, структурная схема

которой показана на рис. 1, а. Синусоидальный сигнал с генератора 1 поступает на усилитель 2. Через соленоид 4 проходит синусоидальный ток частотой 20 Гц, поступающий с выхода усилителя. Измерительная катушка 3, внутри которой находится образец 5 (цилиндрический стержень), размещена внутри соленоида 4. Поле в соленоиде однородно и не превышает 9 А/см. Вихретоковые приборы работают в малых полях, поэтому результаты исследований могут быть использованы в вихретоковой аппаратуре. Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор 6, опорный сигнал которого поступает на один из входов фазометра 8. На другой его вход поступает измеряемый сигнал катушки 3. Этот же сигнал поступает и на вольтметр 7. Фазометром 8 измеряется фазовый угол ф, определяющий разность фаз между опорным сигналом и сигналом измерительной катушки. Частотомер 9 измеряет частоту сигнала.

Погрешность измерения магнитной проницаемости зависит от погрешности используемых приборов — вольтметра 7 и фазометра 8. Суммарная погрешность измерения не превышает 2 %.

Размещение образца в соленоиде показано на рис. 1, б, где 10 и 11 — захваты, выполненные из немагнитной стали, 12 — динамометр. Растягивающая нагрузка F прикладывается к образцу с помощью винтового пресса (на рисунке не показан).

Методика измерения. По показаниям вольтметра 7 измеряется напряжение U1 на катушке 3, помещенной в соленоид без образца. Затем устанавливается образец (см. рис. 1) и определяется амплитуда сигнала иа, соответствующая сигналу катушки с образцом. При этом на индикаторе фазометра считывается показание величины угла ф. Промежуточная величина U2 рассчитывается по формуле

U2= иа (cos ф + j sin ф). (1)

Далее в расчетах используется относительное напряжение U= U2/ U1.

Теоретически данная задача решена в учебниках по электротехнике (см., например, работу [9]). Согласно [9] относительное напряжение измерительной катушки с цилиндром внутри, помещенной в однородное переменное поле,

Здесь ] = >/-1;! = л/7; П = ё / где ё — диаметр образца; — диаметр внутренней полости измерительной катушки; /0, 1\ — модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно; Р = Я^2ж/||0а, -К= ё/2; / — частота тока соленоида; | —

магнитная проницаемость; |0 — магнитная постоянная; а — удельная электрическая проводимость материала образца; при этом предполагается, что магнитная проницаемость комплексна, т.е.

Для определения составляющих магнитной проницаемости | запишем систему уравнений

Яеи (теория) = Яеи (эксперимент);!

1т и (теория) = 1т и (эксперимент), ]

которая решается с помощью компьютерной программы с использованием процедуры минимизации функционала по методу деформируемого многогранника Нелдера — Мида [10]. При этом определяются вещественная | и мнимая |2 составляющие магнитной проницаемости.

Проблемы, связанные с корректностью такого подхода к решению подобных задач электродинамики, подробно обсуждаются в работе [11]. В этой работе показано, что в дополнение к формальным требованиям к решению таких задач может быть использована дополнительная информация, позволяющая исключить ошибки при выборе корней системы уравнений (4). Кроме того, в компьютерной программе предусмотрена индикация точности решения или погрешность определения соответствующего параметра. Для проверки правильности решения системы найденные значения | и |2 в соответствии с выражением (3) подставляются в уравнение (2), и сигнал и рассчитывается с использованием компьютерной программы. Результаты расчетов при этом действительно точно соответствуют экспериментальным измерениям.

Результаты измерений. Для измерений использовались образцы цилиндрических стержней диаметром 5 мм и длиной 170 мм с резьбой на концах для закрепления в захватывающих приспособлениях. Перемагничивание образцов осуществлялось в однородном синусоидальном поле частотой 20 Гц. В соответствии с вышеописанной методикой измерялись значения составляющих | 1 и | 2 магнитной проницаемости каждого из образцов при их последовательном нагружении.

На рис. 2 показаны результаты измерений | 1 и | 2 для исходного образца из стали Ст.3, которая относится к низколегированным и содержит 0,14—0,22 % углерода, 0,3—0,6 % марганца и не более 0,3 % никеля. Результаты измерений при напряженности магнитного поля амплитудой Нт=2,2 А/см (малое поле) показаны на рис. 2, а, а при Нт=8,8 А/см — на рис. 2, б.

Если составляющая | в основном определяет величину магнитной проницаемости, то составляющая | 2 отображает временную информацию, которая характеризует магнитную вяз-

кость данного материала. В обоих случаях наблюдается хорошо выраженный максимум магнитной проницаемости (по модулю) в области нагрузки Р = 100.. .140 МПа.

Если допустить, что магнитная проницаемость в переменных перемагничиающих полях является результатом колебаний доменных стенок, то можно полагать, что амплитуда этих колебаний достигает максимума при нагружении образцов в указанном интервале. Тогда увеличение магнитной проницаемости во втором случае (см. рис. 2, б), где значение Нт значительно больше, также, по-видимому, объясняется именно этой причиной. Следовательно, механические напряжения, создаваемые в образцах при растяжении, могут существенно влиять на амплитуду колебаний доменных стенок. Это влияние наиболее существенно в критической области, где увеличение магнитной проницаемости при повышении напряжений резко сменяется ее уменьшением. По-видимому, данное явление обусловлено тем, что в указанной области 90°-ные доменные границы практически исчезают, уступая место 180°-ным.

98,00 100,00 102,00 104,00 ц1

180 ■ " 240 280 зоо зго

Чтобы показать влияние химического состава сталей на изменение магнитной проницаемости образца при его растяжении, выберем образец из стали, отличающейся по химическому составу.

На рис. 2, в показан результат измерения в поле амплитудой Нт=2,2 А/см составляющих щ и для образца инструментальной стали У8 в исходном состоянии. Эта сталь содержит 0,76—0,83 % углерода и 0,17—0,33 % марганца. На графике хорошо виден максимум магнитной проницаемости в области 80—140 МПа. Однако форма кривой существенно отличается от показанной на рис. 2, а для образца стали Ст.3.

На величину магнитной проницаемости и форму кривых зависимости д(Р) также существенно влияет структура стали, что демонстрируется приведенными на рис. 2, г, д, е графиками для образцов стали У8 после закалки и отпуска при температуре 300 °С. Так, на рис. 2, г представлен график зависимости, полученной при Нт=2,2 А/см для такого образца. После закалки (в течение 1 ч) образец имеет мартенситную структуру. В этом состоянии магнитная проницаемость его материала существенно уменьшается по сравнению с исходным состоянием. Во время нагрева в материале образца происходит распад пересыщенного твердого раствора углерода в железе. В начальной стадии нагружения образца наблюдается уменьшение обеих составляющих магнитной проницаемости: это объясняется тем, что в начальной стадии при увеличении внутренних напряжений увеличивается также и количество дислокаций, что в некоторой степени тормозит увеличение амплитуды колебаний доменных стенок. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к распаду пересыщенного твердого раствора с выделением ферритных зерен (превращение у^а), которые обладают повышенной магнитной проницаемостью. При этом общая магнитная проницаемость образца несколько повышается.

Если теперь увеличить амплитуду перемагничивающего поля, то под воздействием растягивающих усилий процесс распада пересыщенного твердого раствора активизируется, и в результате выделяющихся дополнительно ферритовых зерен составляющая с увеличением нагрузки будет возрастать. На рис. 2, д показан результат измерения щ и при Нт=4,4 А/см (среднее поле). С увеличением амплитуды Нт еще в два раза (до 8,8 А/см) магнитная проницаемость снова возрастает, и зависимость от нагрузки приобретает форму, показанную на рис. 2, е. Составляющая продолжает возрастать с увеличением нагрузки до максимального значения Р=200 МПа, а затем начинает резко снижаться. Здесь существенное увеличение амплитуды перемагничивающего поля оказывает подавляющее влияние.

При одинаковом значении амплитуды перемагничивающего поля существенное влияние на изменение магнитной проницаемости имеет структура стали. В таблице показано изменение зависимостей магнитной проницаемости от нагрузки для образцов стали У8, подвергнутых закалке и отпуску при различных температурах. По мере термической обработки изменяется структура стали и соответственно изменяется форма кривых. В области температур отпуска 300—400 °С форма кривых изменяется мало, так как в этой области распад пересыщенного твердого раствора в некоторой степени стабилизируется и структура металла меняется слабо. Сравнивая формы кривых при Нт=8,8 А/см (большое поле) и Нт=2,2 А/см (малое поле), можно заключить, что в большом поле форма кривых изменяется менее существенно. Это обусловлено тем, что увеличение амплитуды пере-магничивающего поля сильнее влияет на магнитную проницаемость, нежели другие рассмотренные выше факторы.

Кроме влияния на магнитную проницаемость амплитуды перемагничивающего поля, представляет интерес также и влияние изменений частоты этого поля. Так, зависимость д(Р) для образца стали У8 после закалки и отпуска при температуре 300 °С и при измерении в поле амплитудой Нт=8,8 А/см на частоте 20 Гц представлена на рис. 2, е, а на рис. 3, а показаны результаты измерений для этого же образца на частоте 30 и 70 Гц соответственно. Сравнительный анализ графиков показывает, что даже небольшое изменение частоты перемагничивания существенно изменяет форму кривых.

Режим термической обработки Нт=2,2 А/см Нт=8,8 А/см

Без термообработки 240*"" ^^200 180 0 ' 40 ■ -140 80 0 320 . 40' . 280 60

Закалка 0 100 """--..„^200 260 " 0 . 320 40 ■ 300 140

300 °С 140) -----' *280 ^20 V 604, - 0 ' 350 . 60 300 ч 100 200

400 °С 320 ■ 100 40 . 0 300 40' ' 200

500 °С ■ 0 V 40 100 180 "'■• --,300 200 320 40 -100 200

600 °С " .200 340 40 340 100' .. 260 200 '

Примечание. Цифрами на кривых обозначена нагрузка Р, МПа.

сказываться рост внутренних полей рассеяния [13]. Изгиб кривых зависимости д (см. таблицу) при нагрузках порядка 200 МПа соответствует области минимального значения коэрцитивной силы при растяжении образцов [2].

Однако среди приведенных результатов экспериментальных исследований особый интерес представляет металловедческая сторона вопроса, так как для различных сталей, даже и в исходном состоянии, получены значительно отличающиеся зависимости. Это означает также и существенное различие доменной структуры рассматриваемых сталей.

Представляет интерес также существенная зависимость полученных результатов от амплитуды и частоты перемагничивающего поля, что указывает на энергетическую природу рассматриваемых явлений. Для получения количественных оценок приведенных результатов предполагается дальнейшее изучение рассматриваемых явлений на основе моделирования.

1. Орехов Г. Г. Влияние структуры и некоторых видов обработок ферромагнетиков на магнитоупругий эффект // Дефектоскопия. 1980. № 4. С. 86—90.

2. Кулеев В. Г., Атангулова Л. В. Влияние упругих напряжений на обратимую восприимчивость ферромагнитных сталей в разных магнитных состояниях // Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 87, № 5. С. 52—57.

3. Бида Г. В., Кулеев В. Г. Влияние упругой деформации на магнитные свойства сталей с различной структурой // Дефектоскопия. 1998. № 11. С. 12—26.

4. Atherton D. L., Ton V. The effects of stress on minor hysteresis loop // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1153—1156.

5. Atherton D. L., Ton V. Effect of order of stress and field application changes anhysteresis magnetization // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1157—1159.

6. Jagadish Ch., Clapham L., Atherton D. L. Influence of uniaxial elastic stress on power spectrum and pulse height distribution of surface Barkhausen noise in pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1160—1163.

7. Makar J. M., Atherton D. L. Effect of uniaxial stress on the reversible and irreversible permeabilities of 2 % Mn pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 30, N 4. P. 1380—1387.

8. Makar J. M., Atherton D. L. Effect of stress on magnitostriction of 2 % Mn pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 30, N 4. P. 1388—1394.

9. Нейман Л. Р., Калантаров П. Л. Теоретические основы электротехники. М.: Госэнергоиздат, 1959. Ч. 3. 194 с.

10. Плис А. И., Сливина Н. А. Лабораторный практикум по высшей математике. М.: Высш. школа. 1994. 416 с.

11. Дякин В. В., Сандовский В. А. Задачи электродинамики в неразрушающем контроле. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 390 с.

12. Киттель Ч., Галт Я. Теория ферромагнитных областей (доменов) // Магнитная структура ферромагнетиков / Под ред. С. В. Вонсовского. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. С. 459—506.

13. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. 391 с.

Сведения об авторах

Владимир Аронович Сандовский — д-р техн. наук; Институт физики металлов РАН, отд. неразрушаю-

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Как видно из формулы ( 28), единицей для измерения магнитной проницаемости ц является отношение гаусс / эрстед. Однако существует группа материалов, у которых величина [ л, весьма велика, и у некоторых из этих материалов доходит до многих тысяч гс / эрс. Такие материалы называют ферромагнитными материалами ( ферромагнетиками) или, сокращенно, магнитными материала-м и. Краткие сведения об этих материалах и даются в настоящей главе. [16]

Как видно из формулы ( 12), единицей для измерения магнитной проницаемости является отношение гаусс / эрстед. Однако существует группа материалов, у которых величина - весьма велика, и у некоторых из этих материалов доходит ДО1 многих тысяч гаусс / эрстед. Такие материалы называют ферромагнитными материалами ( ферромагнетиками) или, сокращенно, магнитными материалами. Краткие сведения об этих материалах и даются в. [17]

Определено по удельному сопротивлению; все остальные данные получены по измерению магнитной проницаемости в переменном магнитном поле. [18]

Приборы для контроля физико-механическпх свойств материала деталей, действие которых основано на измерении магнитной проницаемости , пока не нашли широкого применения в промышленности, хотя в ряде случаев они более удобны, чем коэрцитиметры, проще в автоматизации и иногда дают более четкие корреляционные зависимости между магнитными и другими физическими характеристиками. Первый из них основан на принципе действия логометров, измеряющих отношение двух величин. В данном случае необходимо, чтобы ток в одной обмотке логометра был пропорционален индукции, во второй - напряженности намагничивающего поля. Логометр включается по схеме вольтметра-амперметра и, если необходимо, то через усилители мощности. [21]

Приборы для контроля физико-механических свойств материала деталей, действие которых основано на измерении магнитной проницаемости , пока не нашли широкого применения в промышленности, хотя в ряде случаев они более удобны, чем коэрцити-метры, проще в автоматизации и иногда дают более четкие корреляционные зависимости между магнитными и другими физическими характеристиками. В измерительной технике применяют два основных способа измерения магнитной проницаемости: логометриче-ский и индукционный. Первый из них основан на принципе действия логометров, измеряющих отношение значений двух параметров, например индукции и напряженности намагничивающего поля. В данном случае необходимо, чтобы ток в одной обмотке логометра был пропорционален индукции, во второй - напряженности намагничивающего поля. Ло-гометр включается по схеме вольтметра-амперметра и, если необходимо, через усилители мощности. [24]

С целью определения уровня остаточных напряжений был использован специальный прибор, основанный на измерении магнитной проницаемости поверхностного слоя металла глубиной до 5 мм. Для этого потребовалось провести замеры: 1) на основном металле, то есть на участке обечайки без сварных швов и коррозионных повреждений; 2) на сварном шве заводского изготовления; 3) на наплавленном участке обечайки. [25]

Для определения содержания ферритной фазы в ряде случаев могут быть использованы приборы, действие которых основано на измерении магнитной проницаемости . Но их калибровка должна быть осуществлена по эталонным образцам из контролируемой марки стали с известным содержанием ферритной фазы, найденным методом магнитного насыщения, являющимся основным методом определения содержания феррита. Однако этот метод не всегда удобен, так как для него требуется стационарная установка и он в основном позволяет производить измерения только на специальных образцах. [27]

Для определения содержания ферритной фазы в ряде случаев могут быть использованы приборы, действие которых основано на измерении магнитной проницаемости . Но их калибровка должна быть осуществлена по эталонным образцам из контролируемой марки стали с известным содержанием ферритной фазы, найденным методом магнитного насыщения, являющимся основным методом определения содержания феррита. Однако этот метод не всегда удобен, так как для него требуется стационарная установка и он в основном позволяет проводить измерения только на специальных образцах. [28]

Для определения содержания фер-ритной фазы в ряде случаев могут быть использованы приборы, действие которых основано на измерении магнитной проницаемости . Но их калибровка должна быть осуществлена по эталонным образцам из контролируемой марки стали с известным содержанием ферритной фазы, найденным методом магнитного насыщения, являющимся основным методом определения содержания феррита. Однако этот метод не всегда удобен, так как для него требуется стационарная установка и он в основном позволяет проводить измерения только на специальных образцах. [30]

Читайте также: