книги из ГПНТБ / Дорофеев, А. Л. Индукционная структуроскопия

Некоторые атомы и ионы обладают постоянными маг­ нитными моментами, которые обычно ориентированы хаотически .по всем направлениям п под действием, маг­ нитного поля ориентируются по направлению поля неза­ висимо друг от друга. Такие вещества называют пара­ магнетиками. Их магнитная восприимчивость положи­ тельная.

Любой парамагнетик обладает и диамагнетизмом, но поскольку оба эффекта противоположны друг другу, сум­

постоянных магнитных моментов групп атомов в одном направлении. Природа парамагнетизма и ферромагне­ тизма одна. К ферромагнетикам относятся железо, ко­ бальт, никель и некоторые редкоземельные элементы. Общей чертой всех ферромагнитных материалов являет­ ся их электронная структура. Железо, кобальт и никель относятся к переходной 3d группе, а редкоземельные элементы — к переходной 4/группе [Л. 5]. Наличие у фер­ ромагнетиков незаполненных d и f оболочек является важной деталью современных теорий ферромагнетизма. Во всех случаях соотношение между диаметром атома D и радиусом нестабильной орбиты /• равно или больше 3. Атомы металла, обладающего магнитными свойствами, группируются в области, называемые доменами. Это наименьшие из известных постоянных магнитов. В каж­ дом домене примерно 1015 атомов. Шесть тысяч доменов занимают площадь сравнимую с булавочной головкой.

В размагниченных ферромагнитных материалах доме­ ны ориентированы случайным образом и их магнитные поля нейтрализуют друг друга. Воздействие магнитного поля приводит к ориентации доменов в направлении 'при­ ложенного поля и их магнитные моменты складываются.

У магнитномяпшх материалов, например железа, далее небольшое внешнее поле приводит к ориентации доменоз вдоль силовых линий поля, но вследствие малой удер­ живающей силы при снятии внешнего поля остается лишь слабое намагничивание. У магнитножестких мате­ риалов, например таких, как сплав типа альнико, для переориентации доменов должно быть приложено силь­ ное внешнее поле. Зато после снятия этого поля ориен­ тация доменов сохраняется и оВразец становится посто­ янным магнитом.

10

Зависимость магнитной индукции В от Я при измене­ нии Я не представляет собой единой кривой, а характе­ ризуется петлей гистерезиса. Площадь петли соответст­ вует работе, необходимой для проведения одного цикла перемагничивания образца. Форма петли, максимальное значение индукции, положение точек пересечения с ося­ ми координат зависят от условий термообработки ферро­ магнитного материала, его химического состава и других факторов.

На кривой намагничивания имеются три области: нижний участок — участок «смещения», характеризую­ щийся смещением границ между областями самопроиз­ вольной намагниченности. В более сильных полях проис­ ходит процесс поворота областей самопроизвольной на­ магниченности в направлении поля. Этот участок называют областью вращения. Последний этап намагни­ чивания, происходящий в полях выше технического насы­ щения, называется парапроцессом или «истинным» на­ магничиванием. Характер кривой намагничивания обу­ словливается кристаллической структурой вещества, а также внутренними напряжениями. Эти последние тесно

.связаны с матннтострикцией.

Существует по меньшей мере четыре типа петель ги­ стерезиса: нормальная петля (с соотношением Вг/В^аі<с = = 0,54-0,7); прямоугольная петля, характерная для фер­

[Л. 35]. На форму петли влияют внешние упругие напря­ жения, температура, геометрические размеры, частота изменения намагничивающего поля, наличие постоянного подмагничивающего поля и т. д.

Большое число факторов влияет и на различные виды магнитной проницаемости. Для симметричных перемен­ ных магнитных полей часто пользуются тремя видами магнитчой проницаемости: магнитной проницаемостью тела ц.т, динамической проницаемостью u.Ä i m , комплексной магнитной проницаемостью цк=|.іі—/ц-г- При наличии подмагничивающего поля необходимо строить зависи­ мости типа ,ид а ш/Я для разных значений напряженности магнитного поля.

Проницаемость тела строго рассчитывается для тел простейшей формы, например, эллипсоида, помещенного во внешнее поле, направленное вдоль одной из его осей.

11

Она представляет собой отношение среднего значения индукции к напряженности внешнего поля:

14 = ^ - (1-4)

где ц.—-относительная магнитная проницаемость.

Эту характеристику можно выразить через коэффи­

пряженности магнитного поля. Комплексную магнитную проницаемость ц к представляют в виде двух составляю­

=.іідин совпадает с динамической проницаемостью.

Влюбом проводящем теле, помещенном в быстроме­ няющееся магнитное поле, возникают вихревые токи.

Их величину и распределение чю сечению проводяще­ го тела находят аналитически, путем решения уравнений Максвелла [Л. 7] или моделированием, например, в элек­ тролитических ваннах [Л. 4].

Источниками переменного магнитного поля при испы­ таниях методом вихревых токов служат катушки индук­ тивности, по которым протекает переменный ток.

1-2. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Формы и размеры катушек индуктивности, используе­ мых в качестве датчиков при индукционном контроле, определяются назначением аппаратуры, размерами и формой объекта испытаний.'

Для интегральной оценки структурного состояния ма­ териала протяженных деталей используются проходные катушки, а для локального контроля отдельных участков деталей — накладные катушки.

В приборах с накладными датчиками применяются катушки индуктивности без сердечников и с сердечника­ ми из магніітодиэлектрнческих материалов, например

12

ферритов. Использование катушек с сердечниками по­ зволяет создать высокочувствительные приборы с датчи­ ками диаметром 1 — 1,5 мм. Во многих работах, например [Л. 13, 68], идет речь о катушках без сердечников. Умень­ шение диаметра этих катушек сопряжено с резким усложнением измерительной схемы. Однако анализ тео­ рии этих катушек позволяет выяснить основные законо­ мерности распространения электромагнитного поля.

Для индукционного контроля важны поля в ближней зоне, ограниченной расстоянием, значительно .меньшим, чем длина пол­ ны X электромагнитного поля в воздухе:

не учитывать.

Напряженность поля H в центре длинной катушки, обтекаемой

поля в разных точках пространства описываются весьма сложными уравнениями, решения которых выражаются через эллиптические, интегралы первого и второго рода. Значения их находят в спе­ циальных таблицах [Л. 33].

Весьма важен характер изменения поля вдоль оси катушки. Напряженность магнитного поля по оси дисковой катушки и

напряженность магнитного поля вихревых токов определяются по формуле

женность поля уменьшается медленнее. На расстоянии, равном

13

Свойства катушек оцениваются индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и температурным коэффициентом. Разработкой способов расчета индуктивности катушек занимались Дж. К- Макс­ велл, О. Хевпсаіід, Дж . У. Рэлеіі, У. Кельвин, А. Зоммерфельд. Однако точные расчеты существуют лишь для катушек самой про­ стой конфигурации [Л. 33, 37].

В радиотехнике наиболее известной формулой для расчета ин­

дрическими, броневыми, Н, Ш-образными и кольцевыми сердечниками с зазором. Часто эти сердечники прессуют и спекают из феррита [Л. 82]. Феррит — ферромагне­ тик, по своим свойствам отличающийся от ферромагнит­ ных материалов, из которых изготавливают карбониль­ ные и альсиферовые сердечники.

Магнитные свойства феррита при увеличении темпе- _ ратуры исчезают дважды: в точке Кюри и в «точке ком­ пенсации» [Л. 63]. Наличие этой второй точки объясняет­ ся особенностями его кристаллической структуры. В по­ давляющем большинстве ферриты представляют собой твердые растворы окиси железа Fe2 03 и окислов двухва­ лентных металлов. Феррит имеет две подрешеткп с маг­ нитными моментами,_ направленными антипараллельно. Компенсация происходит тогда, когда эти моменты будут равны. Намагниченность насыщения у ферритов мень­ ше, чем у ферромагнетиков. Влияние температуры на начальную динамическую магнитную проницаемость увеличивается с ростом этой величины. Однако у никельцинкового феррита (jit = "200) магнитная проницаемость

14

ваются из высокодпсперспых ферромагнитных частиц, которые изолируются полистироловой или бакелитовой

ма сложен. Уменьшение магнитного сопротивления может

эффективной магнитной проницаемости (.іЭфф от размеров ферритового сердечника (марки Ф600) и числа слоев на­ мотки катушки приведена на рис. 1-1. С увеличением на­

где Q — добротность катушки без сердечника; R0e, R c — сопротивления потерь в обмотке и сердечнике.

Эта характеристика зависит от частоты. На частотах более 10 мгц добротность катушек с никель-цинковыми

1 5

феррнтовыми сердечниками становится настолько низ­ кой, что их использование в резонансных схемах с на­ кладными датчиками оказывается нецелесообразным.

1-3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТУШКИ С МЕТАЛЛОМ

Если вблизи катушки, обтекаемой 'переменным током, поместить немагнитный металл, то будут наблюдаться два явления. Часть энергии как бы «отсасывается» ме­ таллом и превращается в тепло. Другая часть отражает­ ся от поверхности металла, уменьшая индуктивность ка­ тушки.

Если же вблизи катушки поместить ферромагнитный металл, к этим двум явлениям добавляется еще два: некоторое увеличение индуктивности катушки из-за уменьшения магнитного сопротивления и значительное возрастание активных потерь с ростом частоты питающе­ го тока.

Таким образом, суммарное действие этих факторов приводит к резкому возрастанию активных потерь и не­ которому, обычно незначительному, изменению индуктив­ ности.

Эти изменения характеризуются величиной вносимых сопротивлений. Схема замещения катушки, расположен­

начальное значение индуктивности). По мере увеличения частоты питающего тока приходится усложнять эту экви­

где M = £|j/LoZ-o„n — коэффициент взаимоиндукции; k\ —

коэффициент связи; Rm™=-R%-\-R\ù А'ПКП = Х2 +Л'П ; /?2 н е ­ собственные (внешние) сопротивления эквивалентной

вторичной обмотки; R„ и Х„ — внутреннее активное и ре­ активное сопротивления металла; /-Э кП = ^экв/ш.

1 6

При индукционном контроле весьма важен характер изменения вносимых сопротивлений под действием таких факторов, как электропроводность 'контролируемого ме­ талла и частота питающего тока.

При изменении электрической проводимости немаг­ нитных металлов от нуля до бесконечности вносимое индуктивное сопротивление изменяется от нуля до неко­ торого предельного значения. При контроле ферромаг­ нитных материалов знак вносимого сопротивления зависит от частоты. 'На низких частотах вносимое индук­ тивное сопротивление положительно, а на высоких — отрицательно.

Если катушка располагается вблизи немагнитных металлов с разной проводимостью, то при неизменной частоте тока годограф вектора вносимого сопротивления, изображенный на комплексной плоскости, будет пред­ ставлять собой кривую, близкую к дуге окружности. Хор­ дой этой дуги служит отрезок иа осп ординат до точки максимального значения вносимого индуктивного сопро­ тивления, соответствующего материалам с бесконечно большой проводимостью.

'Исследование влияния различных факторов (при кон­ троле) связано с анализом изменения вносимых ком­ плексных сопротивлений. Для сопоставления результатов анализа при использовании тока разной частоты опреде­

черкнуть, что сопоставлять молено лишь результаты, по­ лученные при испытаниях весьма близких по форме ка­ тушек, примерно одной конструкции, в сравнительно узком диапазоне частот, значительно меньших собствен­ ной резонансной частоты катушки.

Влияние формы катушки наиболее просто можно учесть с помощью коэффициента рассеяния пред­ ставляющего собой отношение индуктивного сопротивле­ ния катушки, расположенной вблизи немагнитного ме­ талла с бесконечно большой электрической проводимо­ стью, к собственному индуктивному сопротивлению

катушки cüL0 :

Т, = шЬ/шЬа.

Эквивалентное активное сопротивление /?э к в в этом слу­ чае принимается равным нулю. Для катушек без сердеч­ ников коэффициент рассеяния зависит от плотности

намотки, диаметра провода и т. п. Для катушек с сердеч­ никами— кроме того, и от эффективной магнитной про­ ницаемости. Введение этого коэффициента позволяет сопоставить результаты, полученные при испытаниях раз­ личных типов катушек датчиков. Для примера па рис. 1-2

Линии, соединяющие точ­ ки, соответствующие вноси­ мым сопротивлениям для ме­ таллов с одинаковой элек­

трической проводимостью при разных расстояниях меж­ ду катушкой и контролируемым образцом, называются линиями зазора или линиями отвода.

Коэффициент рассеяния служит масштабным факто­ ром. При испытаниях в проходной системе коэффициент рассеяния был равен 0,445, в накладной системе для пло­ скости он равен 0,844, для цилиндрической поверхности 0,88.

18

Влияние ферромагнитных материалов также можно характеризовать отношением индуктивных сопротивле­ нии или индуктивностей;

где L,j)—•индуктивность катушки, установленной на обра­ зец из ферромагнитного материала с бесконечно малой электрической проводимостью.

Из опыта следует, что абсолютные значения коэффи­ циентов рассеяния для немагнитного и ферромагнитного металлов примерно равны:

но лишь в весьма небольших пределах, так как зависи­ мость активных потерь от частоты питающего тока носит весьма сложный характер. Во многих теоретических ра­

Расчет величины и характера изменений вносимых сопротивлений является главным в подавляющем числе публикаций «о теории метода вихревых токов. Первые отечественные работы по этому вопросу были опублико­ ваны Н. С. КошляковЫ'.м и др. в 1932—1936 гг. В послед­ нее десятилетие серьезный вклад в теорию метода был сделан H. М. Родигиным, И. Е. Коробейииковой, В. Г. Ге­ расимовым,. В. С. Соболевым, Ю. М. Шкарлетом, A. PI. Никитиным, А. Л. Рубиным, H. Н. Шумиловским и др. [Л. 13, '24, 68, 77].

Современные вычислительные машины позволили по­ лучить для витка и близких к нему по форме катушек табличные и графические зависимости вносимого сопро­ тивления от изменений электрической проводимости, маг­ нитной проницаемости, толщины листа, радиуса сферы и трубы (в проходной катушке). Однако эти расчеты свя­ заны с целым рядом ограничений и поэтому не получили еще достаточного практического 'применения.

1-4. ПРОНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛ

Теория и физические основы индукционного метода вытекают из того экспериментального факта, что элек­ трические параметры катушки остаются практически не-