2 Фізичні основи, конструкція і область застосування магнітних структуроскопів. Магнітні структуроскопи

10.1 Фізичні основи магнітної структуроскопії

При магнітному контролі фізико-механічних властивостей об’єктів використовується зв’язок між фізико-механічними та магнітними параметрами. Цей зв’язок часто неоднозначний і нестабільний, носить кореляційний характер і виникає тоді, коли одні і ті ж фізичні і хімічні процеси утворення структури і фазового складу феромагнітних сталей формують також і магнітні властивості. Складний характер одночасного впливу різних факторів на магнітні і фізико-механічні властивості феромагнітних матеріалів часто не дозволяють визначити вплив кожного фактору окремо. Тому в магнітній структуроскопії оцінюють зміну магнітних параметрів і по них визначають відповідні цим змінам різноманітні фізико-хімічні чи фізико-механічні властивості ОК. При магнітному контролі механічних характеристик і структури феромагнітних матеріалів використовують відносні вимірювання, тобто не вимірюють будь-який магнітний чи механічний параметр, а тільки фіксують відповідність параметрів ОК заданим або відхилення від них. Щоб оцінити, наскільки при цьому механічні параметри деталі відрізняються від номінальних, потрібні додаткові співставлення з параметрами спеціально підібраних зразків.

По використовуваним магнітним інформативним параметрам розрізняють наступні різновиди магнітної структуроскопії: коерцитиметрія; контроль по залишковій намагнічуваності; контроль по магнітній проникності; контроль по магнітних шумах; феритометрія; метод вищих гармонік. Останній метод настільки близько стикається з вихрострумовим, що дуже важко віднести його до одного з цих видів неруйнівного контролю. Переважно відносять його до магнітного контролю, оскільки він заснований на використанні нелінійності кривої намагнічування, і саме ступінь нелінійності визначає інформативність методу вищих гармонік.

В магнітній структуроскопії оцінюють магнітні параметри, які сильніше за інших корелюють з тими властивостями сталей, які цікавлять інженерну практику. До цього часу накопичено достатньо великий експериментальний матеріал по кореляції магнітних властивостей конструкційних сталей різних марок з їх фізико-хімічними і механічними властивостями.

10.2 Коерцитиметри

Одним із різновидів магнітних структуроскопів є коерцитиметри. В неруйнівному контролі коерцитиметр – це магнітний структуроскоп, який використовує в якості інформативного параметра значення коерцитивної сили матеріалу ОК. Навіть в тих випадках, коли з довідкової літератури відомий зв’язок коерцитивної сили з контрольованим механічним параметром, необхідно встановлювати можливість її використання при коерцитиметричному контролі конкретних деталей в умовах виробництва.

Рисунок 10.1 – Залежність коерцитивної сили деяких сталей від твердості

Найчастіше в структуроскопії використовується залежність між твердістю вуглецевих і низьколегованих сталей та їх коерцитивної сили (рис. 10.1). Так як твердість сталі залежить від режиму її термічної обробки, то практично в усіх випадках кореляція між твердістю і коерцитивною силою дозволяє встановити також кореляцію між коерцитивною силою і температурою гартування чи відпустки (рис. 10.2).

Рисунок 51 – Залежність коерцитивної сили сталі ШХ15 від температури загартовання і відпустки

Широкого поширення останнім часом отримали коерцитиметри з приставним електромагнітом, як найбільш зручні для використання у виробничих умовах. Схема перетворювача такого коерцитиметра показана на рис. 10.3 П-подібний електромагніт, на бокових стрижнях якого розміщена збуджувальна обмотка , призначений для створення намагнічуючого і розмагнічуючого полів. Ферозонд, який під’єднаний згідно схемі полеміра, є перетинкою цього електромагніта. При пропусканні постійного струму по обмотці збудження в магнітному колі електромагніта існує магнітний потік, який створює сигнал на виході ферозонда. При пропусканні по обмотці збудження струму протилежного напрямку починається процес розмагнічування. Розмагнічуючий струм збільшують до тих пір, поки магнітний потік в колі не стане рівний нулю, чому відповідає відсутність вихідного сигналу ферозонда. Чим більше значення H_С матеріалу, тим більшим повинен бути розмагнічуючий струм. Таким чином, дія коерцитиметра базується на використанні кореляції між розмагнічуючим струмом, який пропорційний коерцитивній силі, і визначеними механічними властивостями ОК.

Рисунок 10.3 – Перетворювач коерцитиметра з приставним магнітом

Розглянутий процес контролю реалізовано в коерцитиметрі типу КИФМ-1. Цей прилад протягом багатьох років випускався серійно і знайшов використання в промисловості.

Cучасною модифікацією коерцитиметра з приставним магнітом є структуроскоп МФ-31КЦ. В цьому приладі реалізоване автоматичне регулювання струму розмагнічування до значення, яке відповідає розмагніченому стану ОК, і його цифрова індикація. Передбачений режим роботи, який забезпечує сортування ОК на три групи: норма, більше або менше норми. Границі груп ОК можна регулювати.

Коерцитиметри забезпечують також контроль окремих ділянок великих деталей. Основні заважаючі фактори при цьому – зміна зазору між полюсами електромагніта і поверхнею ОК, а також зміна товщини ОК.

Для контролю малих деталей можуть бути використані установки з розглянутими вище перетворювачами, наприклад структуроскоп МФ-51КЦ. Його основні характеристики є такими:

- діапазон вимірювань коерцитивної сили, А/см (0,15 – 60) кА/м;

- діапазон струму розмагнічування, мА (0 – 300)мА;

- довжина циклу намагнічування, с 5 с;

- потужність споживання, В*А 150 В^хА;

- габарити електронного блоку, мм 250^х140^х280 м

- маса, кг 10 кг.

В коерцитиметричних установках з вимірювальним генератором, а також у ферозондових, вібраційних і тих, які працюють згідно методу зісмикування, розмагнічуюче поле створюється з допомогою котушки, всередині якої розміщують ОК. Ці установки можуть бути використані при лабораторних дослідженнях.

Рисунок 10.4 – Схема коерцитиметра з активним індукційним перетворювачем

В коерцитиметрі з активним індуктивним перетворювачем (рис. 10.4) об'єкт контролю 1 намагнічують за допомогою котушки 2 (або розміщують в котушці вже намагніченим). Котушка активного індукційного перетворювача 3 приводиться в обертання двигуном 4 і виникаюча в ній е.р.с вимірюється індикатором 5. Осі котушки 2 і 3 взаємно перпендикулярні, тому магнітне поле, яке створюється котушкою 2 не приводить до виникнення в котушці 3 е.р.с, яка визначається тільки полем, яке створює ОК. Для вимірювання коерцитивної сили ОК через котушку 2 пропускають струм, який створює розмагнічуюче поле для об’єкта контролю. При напруженості цього поля, яка досягає значення H_С, ОК повністю розмагнічується. В результаті магнітний потік, який ортогональний осі котушки 2, зникає і е.р.с в котушці стає рівною нулю. По силі струму в котушці 2 судять про коерцитивну силу ОК. Такий коерцитиметр має високу чутливість і використовується при відпрацьовуванні режимів контролю.

На рис. 10.4 показано ферозондовий коерцитиметр, який відрізняється від попереднього лише тим, що в якості первинного перетворювача використано ферозонд 3, вихідний сигнал якого вимірюється блоком 4.

Рисунок 10.4 – Схема ферозондового коерцитиметра

Будова коерцитиметра, який працює по методу “зісмикування”, найбільш проста. Такий коерцитиметр можна використовувати тільки як пристрій для попередньої оцінки коерцитивної сили. З рис. 10.6 очевидно, що переміщення котушки 3 при відсутності ОК 1 в однорідному полі, яке створюється котушкою 2, не викликає в ній е.р.с. і індикатор 4 дає нульові покази. Присутність об’єкта 1 зумовлює появу е.р.с в котушці 3 при “зісмикуванні”останньої з об’єкта до тих пір, поки він не буде розмагнічений зустрічним полем котушки 2. По напруженості цього поля судять про коерцитивну силу ОК.

Рисунок 10.5 – Схема коерцитиметра, який праціює за принципом “зісмикування”

Якщо замість одної використовувати дві зустрічно включені котушки, жорстко з’єднані між собою, які переміщуються в осьовому напрямі (рис. 10.7), то отримаємо вібраційний коерцитиметр, який має більш високу чутливість.

Рисунок 10.7 – Схема вібраційного коерцитиметра

Коерцитиметр “Koerzimat 1.095”, який розроблено в Інституті Фьорстера, укомплектований соленоїдом і приставним електромагнітом, має діапазон вимірювання від 0 до 100 кА/м.

10.3 Пристрої контролю по залишковій намагнічуваності

В магнітній стуктуроскопії широко використовують контроль по залишковій намагнічуваності сталей, для яких відомий зв’язок залишкової намагнічуваності з механічними властивостями. Повністю намагнітити деталь достатньо великих розмірів важко, тому переважно намагнічують ділянку деталі за допомогою постійного магніту або електромагніта. Дуже ефективне в таких випадках імпульсне намагнічування за допомогою соленоїда, яке практично реалізується в імпульсних магнітних аналізаторах. Намагнічування в них здійснюється за допомогою малогабаритного соленоїда, який встановлюють перпендикулярно поверхні об’єкта контролю (рис. 10.8). При пропусканні імпульсу струму через соленоїд ділянка ОК намагнічується неоднорідно, а після закінчення імпульсу намагніченість в кожній точці зменшується до деякої залишкової намагніченості. Два ферозонди, які з’єднані згідно схемі градієнтометра, вимірюють різницю напруженостей магнітного поля в точках А і В: . Вона характеризує механічні властивості матеріалу ОК. На рис. 10.9 показана залежність величини ΔH від товщини ОК.

Рисунок 10.8 – Перетворювач імпульсного магнітного аналізатора

Рисунок 10.9 – Залежність градієнта напруженості магнітного поля від товщини об’єкта

Важливою перевагою імпульсного перетворювача є суттєво слабша залежність сигналу від розміру зазора. При збільшенні амплітуди намагнічуючих імпульсів значення в точках А і В різко збільшуються, досягають насичення і не залежать від зміни зазора в досить широких межах. Так при зміні зазора від 0 до 2 мм похибка не перевищує 2% на кожні 0,1 мм.

Для маловуглецевих сталей існує лінійний зв’язок між магнітними і механічними властивостями в інтервалі температур відпалу (600 - 750)⁰С. Тому магнітні аналізатори часто застосовують для бракування листового прокату, який отримав недостатній відпал (при температурі менше 550⁰С).

Контроль фізико-механічних властивостей феромагнітних матеріалів, який базується на вимірюванні магнітної проникності, не знайшов широкого використання в промисловості, хоча теоретично його реалізація можлива.

10.4 Магнітошумові стуктуроскопи

Використання методу магнітних шумів або ефекту Баркгаузена для структуроскопії феромагнітних матеріалів на сучасному етапі знаходиться в стані широкого промислового впровадження. Ефект стрибкоподібної зміни намагніченості було відкрито у 1917 році німецьким вченим Г.Баркгаузеном і він спостерігається при багаторазовому збільшенні масштабу кривої намагнічування, яка описує залежність (рис. 10.10). Стрибкоподібна зміна намагніченості, тобто виникнення магнітних шумів, відбувається як при зміні напруженості зовнішнього магнітного поля, так і при механічних напруженнях. При перемагнічуванні феромагнітного об’єкта змінним магнітним полем частотний спектр індукції має як дискретні компоненти, кратні частоті перемагнічування, так і суцільну складову, яку називають магнітним шумом.

Структурна схема установки для визначення параметрів магнітних шумів (рис. 10.11) містить соленоїд 1, який під’єднаний до джерела 2 синусоїдального струму через фільтр 3, який призначений для подавлення високочастотних складових. Феромагнітний об’єкт дослідження 4 розміщують в соленоїді. Вихідний сигнал знімається з вимірювальної обмотки 5, яка охоплює об’єкт, і його можна безпосередньо спостерігати на екрані осцилографа 6. Він показує характер зміни індукції в об’єкті або після фільтру низьких частот 7, який подавлює шуми, або після фільтра високих частот 8.

Рисунок 10.10 – Ілюстрація ефекту Баркгаузена

Рисунок 10.11 – Структурна схема установки для визначення параметрів магнітних шумів

Рисунок 10.12 – Сигнал на виході перетворювача при контролі методом магнітних шумів

На рис. 10.12, а зображений сигнал Е вимірювальної обмотки; на рис. 10.12 б – цей же сигнал на виході фільтра низьких частот; на рис. 10.12, в – на виході фільтра високих частот. При необхідності визначити спектр шумів замість фільтра низьких частот використовують набір вузькосмугових фільтрів.