ММК / Magnitka_konspekt.pdf-295613653

При решении подобных задач важен выбор структурочувствительных магнитных характеристик, которыми могут быть:

индукция насыщения Bs;

остаточная индукция Br;

коэрцитивная сила Hc;

различные типы магнитных проницаемостей;

площадь и форма петли гистерезиса.

При поиске корреляционных связей возможны различные варианты: несколько магнитных характеристик хорошо коррелируют с искомым структурным параметром; хорошо коррелирует только одна магнитная характеристика; ни одна из перечисленных характеристик удовлетворительно не коррелирует, т. е. задача неразрешима в пределах предложенных магнитных характеристик.

В целом опыт развития МСФА позволяет сформулировать несколько правил.

1. В аустенитных сталях индукция насыщения пропорциональна объему, занимаемому ферритной фазой

где Bs – индукция насыщения аустенитной стали; Bs(Ф) – индукция насыщения ферритной фазы; Р – процентное содержание ферритной фазы в стали.

Рис. 9.4. Перемагничивание чистых ферромагнетиков (1)

исталей сложного химического состава (2)

2.Чистые и однородные по структуре ферромагнетики являются магнитомягкими. Они имеют крутую кривую основного намагничивания и узкую петлю гистерезиса с малой коэрцитивной силой Нс. С дру-

162

гой стороны, ферромагнитные стали сложного химического состава, с неоднородной микроструктурой и сложным фазовым составом имеют широкую петлю гистерезиса с большим значением Нс и Br.

3. Твердость углеродистых и низколегированных сталей хорошо коррелируется с их коэрцитивной силой. На рис. 9.5 приведены примеры таких зависимостей для стали 30Х13 (кривая 1) и для стали

12Х17Н2 (кривая 2).

Рис. 9.5. Зависимость между коэрцитивной силой

итвердостью углеродистых и низколегированных сталей

4.Короткие детали с большим коэффициентом размагничивания имеют петлю гистерезиса, сильно наклоненную к оси напряженности поля (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Вид петли гистерезиса при сильном влиянии коэффициента размагничивания

При этом участок петли во втором квадранте (-Hc; Br) становится близок к прямолинейному и соблюдается соотношение

163

Поэтому остаточная индукция становится структурочувствительной характеристикой материала. Аналогичное положение имеет место, когда участок детали намагничен локально с помощью цилиндрического постоянного магнита или электромагнита, при этом остаточная индукция участка детали становится мерой коэрцитивности материала.

9.5.Принцип измерения коэрцитивной силы. Коэрцитиметры с приставным электромагнитом и коэрцитиметры с соленоидом

Для измерения коэрцитивной силы сначала необходимо довести объект контроля (или измеряемый участок объекта контроля) до технического насыщения, т. к. точка коэрцитивной силы находится на предельной петле гистерезиса. Затем, после выключения внешнего намагничивающего поля, состояние объекта контроля соответствует точке остаточной индукции Br. Для перехода из точки Br в точку Hc по предельной петле гистерезиса кферромагнетику необходимо приложить поле противоположного знака (по сравнению со знаком поля насыщения), причем плавно увеличивать его от нуля. В момент времени, когда состояние ферромагнетика соответствует точке Hc, индукция и магнитный поток равны нулю. Следовательно, для измерения коэрцитивной силы, магнитная цепь измерительного устройства должна создавать сильное магнитное поле для насыщения объекта контроля и иметь индикатор магнитного потока магнитной системы, включающей в себя объект контроля. Коэрцитиметры по способу намагничивания делятся на две группы – с намагничиванием приставными электромагнитамииснамагничиваниемсоленоидами.

Коэрцитиметры с приставными электромагнитами позволяют измерять коэрцитивную силу материала локально (на площади в несколько см2) в разных точках объекта контроля, при одностороннем доступе к объекту контроля и по криволинейной поверхности. На рис. 2.37 приведен пример конструкции преобразователя коэрцитиметра с приставным П-образным электромагнитом, на котором находятся намагничивающая Wн и размагничивающая Wр обмотки (название обмоток условно, т. к. фактически это одна и та же обмотка, разделенная на две секции). В верхней части магнитопровод разделен пополам (магнитный поток делится надвое) и на половинках магнитопровода намотаны обмотки феррозонда ФЗ, который в данной конструкции выполняет роль нуль-индикатора магнитного потока.

После намагничивания контролируемого участка изделия с помощью обмотки Wн и выключения тока в ней включается обмотка Wр

164

и ток в ней плавно увеличивается до тех пор, пока измерительная схема феррозонда не покажет отсутствие магнитного потока в замкнутой магнитной цепи. В этот момент времени необходимо измерить значение размагничивающего тока Iрс.

Рис. 9.7. Схема преобразователя коэрцитиметра с приставным электромагнитом

При конструировании приборов такого типа основной проблемой является то, что на результат измерения влияют поля рассеяния и собственные магнитные свойства магнитопровода (который изготавливают из очень магнитомягкой стали с коэрцитивной силой не более 1 А/см). В результате этого зависимость тока размагничивания Iрс от коэрцитивной силы Hс не проходит через начало координат, а сдвинута на некоторую величину, и угол наклона кривых Iрс(Hс) также не является постоянной величиной. Так как сердечники приставного электромагнита трудно получить совершенно одинаковыми, то для каждого преобразователя приборов такого класса определяется уравнение регрессии

т. е. осуществляется градуировка прибора по аттестованным образцам с известной коэрцитивной силой. Коэффициент регрессии b и размагничивающий ток магнитопровода датчика Iо определяют методом наименьших квадратов на достаточно большом числе образцов. Чтобы линии регрессии Iрс(Hс) для каждого преобразователя проходили через начало координат, необходимо иметь коэффициент Io =0, т. е. можно ввести в электрическую схему прибора элементы, которые в некоторых пределах меняют наклон и сдвиг линий Iрс(Hс) и тем самым обеспечивают взаимозаменяемость преобразователей в коэрцитиметрах с приставными электромагнитами.

165

К измерительным коэрцитиметрам с соленоидом относятся коэрцитиметр с вращающимся индукционным преобразователем и коэрцитиметр с феррозондом в качестве нуль-индикатора. Коэрцитиметр с вращающимся индукционным преобразователем (рис. 9.8) состоит из намагничивающей катушки 1 (соленоид с известной постоянной, т. е. коэффициентом, связывающим напряженность поля в центре катушки и ток в обмотке), приспособления для крепления образца 5 и электродвигателя 4, вращающего индукционный преобразователь 2. Сигнал с преобразователя 2 через коллектор подводится к вольтметру 3. Витки индукционного преобразователя 2 расположены так, что он не реагирует на магнитное поле, создаваемое катушкой 1, а реагирует только на составляющую магнитного поля образца, перпендикулярную полю катушки 1.

Рис. 9.8. Схема устройства коэрцитиметра с вращающимся индукционным преобразователем

Измеряемый образец намагничивается до технического насыщения, при этом в индукционном преобразователе, вращающемся у края намагниченного образца, наводится ЭДС, измеряемая вольтметром. Затем намагничивающий ток выключают и в катушку подают плавно нарастающий ток противоположного знака. В момент, когда магнитное поле катушки равно коэрцитивной силе образца, магнитный поток станет равным нулю, что будет соответствовать нулевым показаниям вольтметра. Учитывая (2.6) для напряженности поля в центре длинного соленоида для этого момента времени будет справедливо выражение

166

l – длина соленоида. Поскольку индукционный преобразователь в данной схеме служит лишь индикатором нуля, нет необходимости в его калибровке, он должен только обладать необходимой чувствительностью.

Феррозондовый коэрцитиметр (рис. 9.9) характеризуется тем, что индикатором равенства нулю намагниченности образца в нем служат феррозонды 2. Процедура измерения такая же, как в предыдущем случае, расчет коэрцитивной силы – по (9.4). Известны также варианты подобных коэрцитиметров, в которых индукционный преобразователь сдергивают с образца (сигнал с преобразователя поступает на электронный интегратор) либо используют вибрирующий индукционный преобразователь.

Рис. 9.9. Принципиальная схема феррозондового коэрцитиметра

В отличие от коэрцитиметров с приставными электромагнитами коэрцитиметры с соленоидами позволяют проводить более точные измерения, но только на деталях не очень больших габаритов и дают среднее значение коэрцитивной силы по всему объему детали. Поэтому для измерения локального значения коэрцитивной силы (особенно при измерениях на крупногабаритных объектах) применяют коэрцитиметры с приставными электромагнитами, которые выпускаются многими промышленно развитыми странами и обычно имеют диапазон измерения от 1 А/см до 50…100 А/см при погрешности измерения 3…5 %. Основной вклад в снижение точности измерения вносит воздушный зазор и перекос при установке электромагнита на поверхность объекта контроля. При контроле криволинейных поверхностей допускается применение специальных насадок-башмаков на торцы электромагнита, повторяющих форму поверхности детали. Основным недостатком приборов этого класса является то, что измерение носит циклический характер и одно измерение занимает 5…10 секунд.

167

скорости движения изделий служит источником больших погрешностей в определении величины магнитной индукции. Точность измерения остаточной индукции движущихся изделий можно повысить, если измерять не амплитуду, а интегрировать по времени однополярный импульс наводимой ЭДС.

Контроль малогабаритных изделий в разомкнутой магнитной цепи методом измерения максимального значения ЭДС рассмотрим на примере установки, приведенной на рис. 9.10. Деталь попадает в воронку входного бункера 1 и замыкает контакт 2 или фотореле пускового устройства. После этого в намагничивающий соленоид 3 подается намагничивающий ток. Деталь останавливается под действием магнитного поля соленоида и успокоителя У, выполненного из магнитомягкой стали. Далее ток отключается и деталь под действием своей массы проходит через измерительные катушки 4…5, индуцируя в них импульсы, пропорциональные величине остаточной индукции. Каждая измерительная катушка через свой усилитель связана с соответствующим реле. В зависимости от измеряемой величины остаточной индукции срабатывают реле «твердая деталь» или «годная деталь» и заслонки 6 или 7, связанные с этими реле, направляют деталь в соответствующий бункер. Годные детали при выходе из измерительного устройства размагничиваются в переменном магнитном поле соленоида 8.

Рис. 9.10. Установка для измерения кажущейся остаточной индукции

Контроль массивных изделий осуществляется методом локального намагничивания. Для намагничивания используют постоянный

169

магнит, электромагнит или соленоид с импульсным током. Разработанный Ф. Фёрстером (Германия) метод локального намагничивания осуществляется путем соприкосновения и последующего удаления от изделия постоянного магнита стержневого, чашечного или подковообразного вида. На рис. 9.11, а представлен один из наиболее распространенных преобразователей подобного типа.

Рис. 9.11. Контроль методом локального намагничивания при помощи цилиндрического постоянного магнита

с выдвижным сердечником (а) и при помощи соленоида с феррозондами (б)

Подпружиненный цилиндрический постоянный магнит вводится в

соприкосновение с поверхностью изделия и создает точечный полюс. Кажущуюся величину остаточной индукции «магнитного пятна» определяют по измеренной феррозондами величине тангенциальной составляющей полей рассеяния. Вращение преобразователя с феррозондом вокруг оси позволяет дополнительно оценить анизотропию магнитных свойств в электротехнических сталях или механических свойств в тонколистовом прокате, например в прокате для автомобильной промышленности. Размер детали и ее форма оказывают влияние на показания прибора. если преобразователь установлен вблизи кромки изделия или установлен на неровной поверхности. Для уменьшения влияния краевого эффекта используют постоянный магнит не цилиндрической формы, а в виде чашки.

Для намагничивания изделий могут использоваться различные конструкции электромагнитов. В некоторых приборах намагничивание осуществляется катушкой с выдвижным сердечником. Импульс тока от разряда конденсатора, проходя по катушке, выдвигает сердечник до соприкосновения с поверхностью изделия и намагничивает его, а далее

170