33

МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ

1. Физические основы и классификация магнитных методов контроля

Магнитный контроль (МК) применяют для ОК, полностью или частично изготовленных из ферромагнитных материалов, существенно меняющих свои свойства под действием магнит­ного поля. МК применяется для контроля параметров неферромагнитных частей ОК в том случае, если при взаимодействии магнитного преобразователя с ферромаг­нитными частями ОК немагнитные части находятся на пути магнитного потока и влияют на его величину. Степень влияния зависит от размеров немагнитных частей. В зависимости от решаемых задач используют различные первичные информативные параметры, определяемые по магнитным характеристикам мате­риала объекта контроля.

Магнитные характери­стики ферромагнетиков различают на статические и динамические. К статическим относят кривую намагни­чивания и предельную петлю гистерезиса (рис. 1). Явление ги­стерезиса обусловлено неоднозначной зависимостью физической величины, характеризую­щей состояние вещества (намагниченность или магнит­ная индукция) от внешних факторов (напряженность магнитного поля). Гистерезис наблюдает­ся, если при намагничивании состояние ОК в данный момент времени определяется его состоянием в предшествующие моменты времени.

Область начального намагничивания 1 характеризуется соот­ношениями для намагниченности и магнитной индукции :

; ,

и – на­чальные восприимчивость и относительная магнитная проницае­мость.

Область Рэлея 2 для кривой на­магничивания определяется соотношением

,

где – постоянная Рэлея, ха­рактеризующая необратимые нелинейные процессы намагничива­ния. В области 3 сильно возрастает намагниченность, здесь отно­сительная магнитная проницаемость

достигает мак­симального значения . В области 4 намагниченность прибли­жается к насыщению и приближенно описывается соотношением

,

где и – намагниченности насыщения и парапроцесса; , , … – константы.

В области парапроцессов 5 (область т.н. ис­тинного намагничивания), наступающего после технического намаг­ничивания, процессы смещения границ между доменами (от фр. domaine – владение, область) и вращения векторов само­произвольной намагниченности заканчиваются, и незначитель­ное изменение намагниченно­сти происходит за счет пово­рота магнитных моментов ато­мов под действием магнитного поля.

Важная характеристика ферромагнетика – предельная петля гистерезиса 6. Существуют частные петли гистерезиса (штриховая кривая 7 на рис. 1), получаемые при предельных напряженностях поля меньше , а также несимметричные частные циклы 8, получаемые при несимметричном относительно нуля изменении напряженности поля, когда напряженность поля, изменяясь в небольших пределах, сохраня­ет свой знак.

Рис. 1. Кривая намагничивания и пет­ли гистерезиса ферромагнетика: 6 – предельная петля гистерезиса; 7 – частные петли; 8 – несимметричные частные циклы

Параметры предельной петли: остаточная индукция и коэрцитивная сила .

Динамические характеристики определяют в режиме, когда время установления напряженности поля соизмеримо со временем перемагничивания материала. Основной фактор, влия­ющий на положение динамических характеристик, это вихре­вые токи и магнитная вязкость. Вихревые токи создают собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшая магнитную индукцию. С увеличением частоты вихревые токи растут, понижая кривую на­магничивания, рис. 2. Вихревые токи вызывают тепловые потери, приводя к расширению петли гистерезиса, рис. 3.

Рис. 2. Влияние частоты на кривую намагничивания	Рис. 3. Влияние частоты на петлю гистерезиса

Геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса образует динамическую кривую намагничивания. От­ношение индукции к напряженности поля на этой кривой называ­ют динамической магнитной проницаемостью.

Для теоретических исследований ферро­магнитных ОК важно иметь аналитическую зависимость . Однако уни­версального выражения, описывающего реальную петлю гистерезиса ферромагнетика в современной теории нет. В прикладных задачах используют аппроксимирующие выражения приближенного опи­сания магнитных характеристик. В области слабых полей распространение получила формула Рэлея.

Магнитные характеристики используют: для исследования маг­нитных свойств материалов, производственного контроля свойств материалов и изделий. Последняя задача относится к НК. Рассмотрим методы испытаний ферромагнитных материалов.

Методы определения магнитных характеристик различаются

1. способами создания поля, намагничивающего испытуемый объект;

2. способами измерения индукции и напряженности магнит­ного поля.

По способу создания намагничивающего поля методы разделяют на три группы:

• с импульсным из­менением напряженности поля;

• с непрерывно изменяющейся по заданному закону напряженностью поля;

• с комбинированным перемагничиванием – импульсное намагничивание и плавное не­прерывное перемагничивание.

Измерение магнитной индукции в испытуемом образце проводят:

• с помощью индукционной катушки, охватывающей об­разец,

• измерением магнитного потока в электромагните, создающем намагничивающее поле.

Измерение напряженности магнитного поля в образце основано на использовании граничного условия на границе раздела двух сред, т.е. на равенстве тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в воздухе вблизи поверхности образца (измеренной индукцион­ным или гальваномагнитным преобразователем) и внутри образца.

Метод импульсного изменения намагни­чивающего поля основан на скачкообраз­ном изменении индукции в образце на величину при скачкообразном из­менении напряженности внешнего поля. Изменение индукции определяют индукционным преобразователем по наводимой в нем ЭДС ( ):

,

где и – площадь сечения и число витков индукционной катушки; – время изменения индукции. Измерение индукции удобно проводить с помощью веберметра. Для определения основной кривой намагничивания этим мето­дом образец вначале размагничивают переменным магнитным по­лем при плавном уменьшении его амплитуды. Далее применяют нулевой метод или метод коммутирования.

Нулевой метод предполагает выбор нужного числа точек на кривой намагни­чивания и определение соответствующих им намагничивающих токов. Ток, необходимый для создания в кольцевом образце поля напряженностью , рассчитывается по формуле

,

где – число витков провода, намотанных на образец; – средний радиус образца.

Намагничивание образца электромагнитом требует предварительного определения соотношения между током и напря­женностью поля в электромагните или использования измерителя напряженности магнитного поля. Включив ток, равный первому выбранному значению, по веберметру получают значение . Устанавливают сле­дующее значение тока и получают скачкообразные приращения по всей кривой намагничивания (рис. 4). Получаемая здесь кривая намагничивания распо­ложена несколько ниже истинной (штриховая линия) из-за уменьшения индукции на под действием вих­ревых токов.

Недостатки метода: накопление по­грешности, невозможность повторных измерений в каждой точке без полного размагничивания образца.

Коммутационный метод устраняет эти недостатки (рис. 5). Здесь для каждого выбранного значения напряженности магнитного поля производят коммутацию направления тока, т.е. изменение при значениях и , получая таким образом приращение индукции . Чтобы размагни­чивание проводить один раз, измерения вначале проводят в слабых полях, а затем последовательно в полях большей напряженности.

Рис. 4. Нулевой метод определения кривой на­магничивания	Рис. 5. Коммутационный метод определения кривой намагничивания

Методы коммутации позволяют снизить влияние вих­ревых токов посредством стабилизации магнитного состояния об­разца при 10...15-кратном изменении направления намагничиваю­щего тока. Стабилизация считается удовлетворительной, если из­меренные значения и равны по модулю.

Рис. 6. Коммутационный метод оп­ределения петли гистерезиса

Метод импульсного измене­ния напряженности использу­ется для определения пре­дельной и частных статиче­ских, в том числе несимметрич­ных, петель гисте­резиса. Учитывая симметрию, эти характеристики снимают только для одной половины петли. Вначале из­меряют на участке (А, ), рис. 6, начиная измерения от точки А. Устанавливают на­магничивающий ток, соответствующий значению . Затем скач­ками уменьшают ток и измеряют приращения индукции , оп­ределяя значения индукции

,

Остаточную ин­дукцию определяют по измеренному значению при выклю­чении намагничивающего тока:

при .

Для измерения на участке ( , Б) изменяют направление тока и задают приращение , соответствующее значению . Ин­дукция в этой точке определяется как

.

Далее уста­навливают значение и т. д. до точки Б.

Повысить точность измерений на участке ( , Б) можно, если изме­нять напряженность не от , а от значения . Это, однако, усложняет коммутирующее устройство, т.к. нужно всегда возвращать образец в магнитное со­стояние, соответствующее точке А, затем выключать ток и вклю­чать такой же ток противоположного направления.

Недостаток импульсного метода измерения намагниченно­сти: влияние на результаты измерений вихревых токов, это влияние различно на разных участках магнитной характеристики. В области слабых полей, где происходит бы­строе изменение магнитной индукции, вихревые токи максимальны. В области насыщения, где индукция изменяется мало, влия­ния вихревых токов почти нет. Погрешность измере­ний на разных участках магнитной характеристики различна, но учесть это не представляется возможным.

Рис. 7. Структурная схема установки для определения магнитных характери­стик методом медленно изменяющегося поля

Метод медленно (непрерывно) изменяющегося поля лишен этого недостатка. Здесь изменение напряженности задают так, чтобы соблюдалось условие

.

Погрешность, вызванная влия­нием вихревых токов, снижается при уменьшении . Однако малые значения производной осложняет обработку информации из-за малых значений ЭДС, наводимой в индукционном преобразователе.

Структурная схема установки для определения магнитных ха­рактеристик методом медленно изменяющегося внешнего магнит­ного поля показана на рис. 7. Напряжение от управляемого источника через усилитель мощности поступает в намагни­чивающее устройство. Магнитное поле этого устройства воздейст­вует на ОК, напряженность магнитного поля и маг­нитная индукция которого преобразуются с помощью первичных преобразователей напряженности поля и индукции в элек­трические сигналы, записываемые в регистрирующем уст­ройстве. Для сигнала индукции с помощью дифференцирующего устройства определяется производная , которая используется в качестве сигнала отрицательной обратной связи (ООС), управляющего источником .

Благодаря ООС обеспечивается такой закон из­менения напряжения и намагничивающего тока (рис. 8), при котором обеспечивается постоянство воспроизведе­ния кривой намагничивания. Максимальная скорость изменения напряженности поля – в областях насыщения, а минимальная – в слабых полях.

Рис. 8. Закон изменения напряженности в методе медленно изменяющегося поля

Комби­нированный метод совмещает достоинства обоих рассмотренных методов. Вначале импульсами тока осуществ­ляется намагничивание и стабилизация магнитного состояния объекта контроля. Длительность импульсов здесь не превышает десятков миллисекунд во избежание значительного влияния вих­ревых токов. После этого определение ха­рактеристик осуществляется методом мед­ленно изменяющегося поля.

Магнитные свойства материалов тесно связаны с физико-механическими свойствами. Благо­даря этому открываются возможности конт­роля таких свойств, как

• структурное состояние,

• механические на­пряжения,

• степень усталостного разрушения материала.

Задача осложняется тем, что для разных сталей, под­вергнутых разным видам обработки, эти связи различны и часто неоднозначны. Поэтому зависимость между физико-механи­ческими и магнитными свойствами устанавливают экспе­риментально для материала конкретной марки, прошедшего определенный режим обработки.

Большинство ферромагнит­ных материалов (стали, сплавы) имеют сложное поликристал­лическое строение и состоят из различных фаз, что не позволяет рассчитать их свойства даже при знании свойства отдельных фаз.

Сильное влияние на магнитные свойства оказывает химический состав ферромагнетиков, сплавов ферромагнитных материалов или с неферромагнитными материалами. Это относится к содержанию никеля, углерода, легирующих элементов и т.д. В настоящее время единственным пу­тем определения магнитных характеристик сталей каждой кон­кретной плавки является экспериментальный.

Другие сильно влияющие на магнитные свойства факторы – механическая и термическая обработка. Так, при штамповке или токарной обработке появляется наклеп, приводящий к увеличению коэрцитивной силы и уменьшению магнитной проницаемости . Основные виды термической обработки (закалка и отпуск) сильно изменяют как структуру, так и магнитные свойства стали.

К значительным изменениям магнитных свойств сталей при­водят разные виды химико-термической обработки, которая основана на поверхностном насыще­нии стальных деталей углеродом (цементация), азотом (азотиро­вание), бором (борирование) и другими элементами с целью повышения их поверхностной прочности.

Рассмотрим способы использования рассмотренных магнитных характеристик в магнитном НК. К основным задачам магнитного НК относятся:

1. контроль сплошности – дефектоскопия (рис. 13-а);

2. измерение размеров – толщинометрия (рис. 13-6);

3. контроль физико-механических свойств – структуроскопия (рис. 13-в).

Рис. 13. Основные задачи, решаемые магнитным контролем

В зависимости от задачи и условий НК (производительность, свойства материала, разрешающая способность) используют разные информативные параметры и первичные преобразователи.

К информативным параметрам в магнитном НК относятся: ко­эрцитивная сила , намагниченность , остаточная магнитная индукция , магнитная проницаемость , (начальная или макси­мальная); параметры петли гистерезиса или гармонический состав ЭДС индуктивного преобразователя; параметры скачков Баркгаузена, параметры магнитооптического эффекта.

Рис. 14. Способы получения первичной информации при магнитном контроле (МК)

По способу получения первичной информации различают методы магнитного НК: магнитопорошковый (МП); маг­нитографический (МГ); феррозондовый (ФЗ); гальваномагнитный (ГМ); индукционный (И); пондеромоторный (ПМ); магниторезисторный (МР); магнитооптический (МО) или магнитодоменный. Применение этих методов к названным задачам МК иллюстрируется диаграммой на рис. 14.