О магнитоанизотропном методе

В 1865 году был обнаружен так называемый магнитоупругий эффект (или эффект Э. Виллари) [1,2]. Этот физический эффект заключается в том, что при механических деформациях (нагружении) ферромагнитного материала изменяются магнитные свойства ферромагнетика, например, намагниченность и коэффициент магнитной проницаемости.

Более детальные исследования привели к обнаружению зависимости магнитных свойств от выделенного в образце (ферромагнетике) направления, например, намагниченности. Это явление получило название – магнитная анизотропия. Она может развиться как вследствие магнитоупругих деформаций, так и из-за внешних и внутренних напряжений (наведенная магнитная анизотропия), а также из-за анизотропии формы образца. Другими словами, измеряя параметры магнитных свойств по направлению и величине, можно решить обратную задачу – установить уровень деформирования или величину напряжений в ферромагнитном материале. Эти и многие другие взаимосвязи между магнитными и физико-механическими свойствами описаны к примеру, в статьях [3,4]

Существует несколько реализаций средств измерений на основе магнитоанизотропного метода оценки и измерения механических напряжений. Известные приборы, разработанные за последние 60 лет в нескольких странах мира, обладают индивидуальными отличительными свойствами, техническими и метрологичскими характеристиками, некоторые из них описаны в [5]. В данной статье рассматривается техническая реализация магнитоанизотропного метода Жукова (Жуков С.В., Жуков В.С.) [6,7]. Рассматриваемая реализация магнитоанизотропного метода основана на использовании эффекта деформации доменной структуры металла под воздействием механических напряжений. Изменение напряженного состояния металла приводит к изменению направлений осей намагниченности доменов ферромагнетика и развитию магнитомеханической анизотропии.
Если на металл воздействовать переменным магнитным полем по какому-либо направлению, а затем изучить диаграмму его намагниченности, то можно обнаружить, что вектор магнитной индукции под воздействием приложенных к образцу механических напряжений согласованно поворачивается. Угол поворота и величина вектора магнитной индукции могут быть косвенной мерой механических напряжений в ферромагнетике.
Достоинство магнитоанизотропного метода Жукова состоит в том, что с его помощью можно не только оценить действующие механические напряжения, но и без дополнительной обработки определить разность главных механических напряжений (РГМН) для плоского напряженного состояния конструкции, произвести визуализацию напряженного состояния исследуемой зоны контроля для поверхностного и более глубоких слоев металла в зоне контроля.

Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя с магнитопроводом крестового типа описан в нескольких работах и патентах к примеру, в [6]: на одном плече магнитопровода размещены обмотки возбуждения зондирующих сигналов, на другом плече размещен система измерительных обмоток (Рис.1).

Рис.1. Схема магнитоанизотропного преобразователя.

Полюса возбуждающей и измерительных обмоток магнитопроводов расположены крест-на-крест и взаимно перпендикулярно друг относительно друга.
Позиционирование преобразователя в процессе проведения измерений осуществляется по направляющим рискам, расположенным на его корпусе (рис.2). Главная риска размещается по направлению действия максимального главного механического напряжения, вспомогательные риски – перпендикулярны ему. Максимальные напряжения выявляются экспериментально или расчетным способом. Например, максимальные напряжения в прокатном листе направлены вдоль направления проката, в сварном соединении максимальные растягивающие напряжения расположены вдоль сварного шва [8,9], в процессе стендовых испытаний на статическое растяжение или сжатие – вдоль направления приложенной нагрузки.

Рис.2. Магнитоанизотропный преобразователь.

Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя поясняется по аналогии с другими известными магнитоанизотропными преобразователями с помощью рисунка 3 [5]. На рисунке 3-А изображены линии магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой преобразователя в изотропном материале.

распространение магнитного потока в материале

Рис.3. Распределение магнитного потока в зоне действия магнитоанизотропного преобразователя

Поскольку магнитные сопротивления в изотропном материале одинаковы во всех направлениях, то путь магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, можно качественно иллюстрировать эксцентрично расположенными замкнутыми линями. В этом случае плоскость измерительной обмотки не пронизывается этим потоком и, следовательно, ЭДС индукции в  обмотках не возникает. При нагружении материала измеряемой силой магнитная проницаемость в направлении силы (рис.3-Б) уменьшается, а в перпендикулярном направлении увеличивается. Вследствие этого, материал становится анизотропным по отношению к магнитному потоку: магнитные сопротивления становятся зависимыми от направления приложенной нагрузки. По мере изменения силы изменяется доля магнитного потока индуктирующего ЭДС в измерительных обмотках.

Установлено, что связь между механическими напряжениями и магнитными свойствами среды характеризуется магнитоупругой чувствительностью [10,11]:

где λB — линейная магнитострикция, характеризующая магнитоупругую чувствительность;
Bмагнитная индукция, характеризующаяся величиной и направлением, Тл;
σ – нормальное механическое напряжение, МПа.

Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на измерении ЭДС, индуцируемой в измерительной обмотке при повороте вектора магнитной индукции B, под действием внешних и внутренних сил воздействующих на объект контроля. Величина напряжения (мВ) на выходе измерительной обмотки ω преобразователя (рис.1) описывается формулой:

где K коэффициент пропорциональности;

B– магнитная индукция, Тл;
S – сечение магнитопровода, мм2;
f– частота переменного тока, Гц;
ω – количество витков на измерительной обмотке;
β – угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции.

Выходной сигнал «крестового» магнитоанизотропного преобразователя имеет корреляционную связь с разностью главных механических напряжений (РГМН):

где K’ коэффициент, характеризующий магнитные свойства материала;
σX, σY главные механические напряжения, при условии σX > σY, МПа.

Полученный результат очень важен, так как согласно критерию наибольших касательных напряжений (критерию пластичности Треска) пластические деформации металлов и сплавов наступают тогда, когда наибольшее касательное напряжение достигает значения [12,13]:

где σ0 предельное напряженное состояние, равное σт – пределу текучести или σв – временному сопротивлению материала при одноосном растяжении;

σX, σY главные механические напряжения, при условии σXY, МПа.

Отсюда следует, что условие перехода материала в предельное состояние, выраженное через эквивалентное напряжение при будет:

σэквX— σY = σт,                                      ­(5)

где σэкв значение напряжения, при котором образец материала в условиях одноосного напряженного состояния оказывается в равноопасном состоянии с рассматриваемым сложнонапряженным состоянием в точке, называется эквивалентным напряжением.

Существует множество методов для проведения неразрушающего контроля с целью определения остаточных и технологических механических напряжений в металлоконструкциях и других объектах контроля. Наиболее распространены следующие методы: тензометрический, магнитоупругий, акустоупругий, рентгенодифрактометрический, нейтронографический. Приборы, принцип работы которых основан на данных методах имеют ряд своих преимуществ и ограничений, извлекают информацию о напряженном состоянии среды из разного объема материала и используются для определения различных компонентов механических напряжений, а также их совокупности.

Сканер механических напряжений «Stressvision» (рис.4) разработан на основе магнитоанизотропного метода Жукова и предназначен для измерения, послойной визуализации и оценки поля механических напряжений в металлоконструкциях по параметрам разности главных механических напряжений (РГМН), коэффициентов концентрации механических напряжений и градиентов РГМН в области контроля. Прибор имеет высокую повторяемость результатов измерений, низкую погрешность и уникальные технические возможности.

Рис.4. Сканер механических напряжений «Stressvision».

Список литературы:

1.Вонсовский С.В. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро-, и ферримагнетиков. М.: Наука, 1971.

2. Белов К.П. Упругие тепловые и электрические явления в ферромагнетиках. М.: ГИТТЛ, 1957.

3. Frederick T. Calkins, Alison B. Flatau, Marcelo J. Dapino «Overview of Magnetostrictive Sensor Technology», Journal of intelligent material systems and structures, vol. 18-October 2007

4. R. Langman «Measurement of the mechanical stress in mild steel by means of rotation of magnetic field strength – part 2: biaxial stress», NDT International, April 1982

5. Шевченко Г.И. Магнитоанизотропные датчики. М.: Энергия, 1967

6. Устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях // Патент РФ № 2079825. 1997. Жуков С.В., Жуков В.С.

7. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2195636. 2001. Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н.

8. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения, «Машиностроение» 1968

9. Гатовский К.М, Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений, учебное пособие, изд. ЛКИ 1981

10. Белов К.П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнитных материалах. М.-Л.: ГИТТЛ, 1951.

11. Тикадзуми С. Физика Ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М.: Мир, 1987.

12. Гольденблат И.И. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968.

13. Александров А.В. Сопротивление материалов: Учеб. Для вузов, 3-е изд. М: Высш. Шк., 2003.

9 оценок, среднее: 4,89 из 59 оценок, среднее: 4,89 из 59 оценок, среднее: 4,89 из 59 оценок, среднее: 4,89 из 59 оценок, среднее: 4,89 из 5 (9 оценок, среднее: 4,89 из 5)
Для того чтобы оценить запись, вы должны быть зарегистрированным пользователем сайта.
Загрузка...