Неразрушающие методы контроля материалов. Учебное пособие

–результаты контроля с применением метода фазированных решеток,представляютсяввиденаглядногоизображения,чтозначительнооблегчаетиускоряетпониманиерезультатовиповышает их точность;

–возможностьгенерациипреобразователемразныхугловввода сигнала,чтонамногоувеличиваетконтролируемуюзонуискорость сканирования;

–гибкость при контроле изделий сложной формы;

–возможность записи данных в режиме реального времени;

–простота настройки и сохранение неограниченного числа настроек.

а)

б)

Рис. 6.15. Экран (а) и схема работы (б) с датчиком на фазированных решетках

81

Измерениянеобходимопроводитьвследующейпоследовательности:

–подключитькприборуУЗ-датчикнафазированныхрешетках;

–переключить прибор в режим работы с фазированными решетками;

–настроить подключенный датчик и призму;

–откалибровать скорость зультразвука и задержку призмы по контрольным образцам;

–исследовать стальную плиту при помощи датчика на ФР;

–составитькартудефектовплитыпорезультатамисследования. В отчете должны быть приведены:

–описание установки;

–методика проведения измерений;

–эскиз плиты с указанием расположения дефектов.

7.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНЕТИКОВ БАЛЛИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

7.1.Основные магнитные характеристики

Основные магнитные характеристики ферромагнетиков, относящиеся к области технического перемагничивания, принято определятьиззависимостииндукцииотвеличинынамагничивающего поля.

Известно, что связь индукции В с напряженностью поля Н выражается следующим образом:

где I – намагниченность; μ0 – магнитная постоянная системы СИ

(μ0 = 4π ∙ 10–7 гн/м).

Приэтомнамагниченность,аследовательно,ииндукцияявляются функциями поля Н.

Дляширокогоинтерваланапряженностейполейуферромагнетиковэтазависимостьпредставляетсяввиденемонотонновозрастающейфункции(рис.7.1).Следуетотметить,чтоначальноесостояние ферромагнетика (его доменной структуры), а также порядок

82

Рис. 7.1. Частная (а) и предельная (б) петли гистерезиса

последующихдействийприизмерениииндукциисильновлияютна регистрируемую зависимость намагниченности от поля. Поэтому измерениедолжнопроводитьсявстрогомсоответствиистребованиями проведения принятой процедурой измерений.

Взависимостиотспособаизмеренияприняторазличатьследующие типы кривых намагничивания ферромагнетиков.

Криваяпервоначальногонамагничивания.Этазависимостьизме-

ряется на образцах, исходное состояние которых получено способом термического размагничивания, когда ферромагнетик нагревается выше температуры Кюри и очень медленно охлаждается в отсутствиеполя.Вэтомслучаедоменнаяструктуравмоментначала измеренияопределяетсятолькомикроструктуройферромагнетика. При измерениях напряженность поля постепенно увеличивается скачками от нуля. Уменьшение напряженности поля в процессе измеренийнедопустимо.Криваянамагничиванияможетбытьизмеренанаобразцеодинраз,послечегопередповторнымизмерением необходимо провести повторное термическое размагничивание. Такаяпроцедураизмеренийдаетнаиболееполноепредставлениео подвижностидоменнойструктурыматериала.Естественно,чтоне каждый магнитный материал может быть нагрет до столь высоких температур без опасения порчи его свойств.

Коммутационная кривая намагничивания. Более широкое рас-

пространение получил способ измерения зависимости индукции

83

от поля по другому алгоритму. В этом случае начальное размагничивание производится магнитным образом при температуре измерений.Этопозволяетупроститьпроцедуруизмерений,однако исходная доменная структура больше не может считаться беспорядочно ориентированной, она только сохраняет некоторую магнитнуютекстуру,направлениекоторойопределяетсяориентацией размагничивающего поля.

Известно также, что связь между напряженностью поля Н и индукцией В для ферромагнетиков неоднозначна. За исключением начальной области постоянной проницаемости при малых Н и области паропроцесса с высокими полями, значения В при уменьшении напряженности поля Н много больше, чем величинаВ,полученнаявтомжеполеприувеличении.Типичнаякривая гистерезиса приведена на рис. 7.1. Только после 10–15-кратного циклирования поля размеры петли гистерезиса стабилизируются. При этом формируется установившаяся петля гистерезиса. Она определяется как свойствами материала, так и максимальной величинойнапряженностиполяНm.Вершиначастногоциклагисте- резиса–наиболеехорошовоспроизводимаяточканазависимости величины индукции от напряженности поля. При увеличении Нm наблюдаетсявозрастаниеплощадипетлиизначенияиндукцииВm частного цикла гистерезиса, заканчивающееся при достижении определенного значения Н´m, начиная с которого площадь петли больше не изменяется.

ЗависимостьВm вершинчастныхцикловгистерезисаотвеличин напряженностей поля Hm представляет собой коммутационную кривую намагничивания.

Наибольшая из всех петля гистерезиса называется предельной петлей. Она может быть охарактеризована параметрами (рис. 7.1):

–остаточной индукцией Вr – индукцией в предварительно намагниченномдонасыщенияматериалепринапряженностивнешнего поля Н = 0;

–коэрцитивной силой по индукции bHc – напряженностью поля, при которой остаточная индукция в предварительно намагниченномдонасыщенияобразцеобращаетсявноль(величинаbHc

84

легко определяется из зависимости В(Н) для предельной петли гистерезиса);

–коэрцитивнойсилойНc –напряженностьюполя,прикоторой намагниченностьI впредварительнонамагниченномдонасыщения образце обращается в ноль.

Поскольку В = μ0(H + I), то при I = 0

Такимобразом,дляопределениякоэрцитивнойсилыНc попредельной петле гистерезиса в координатах В(Н) нужно графически решить уравнения (7.1) и кривой гистерезиса. Точка пересечения петли гистерезиса с линией В = μ0H даст значение коэрцитивной

силы Нc (рис. 7.1, б).

Криваямагнитнойэнергии(рис.7.2)можетбытьохарактеризована следующими параметрами.

1.Коэффициент прямоугольности Br/Bm.

2.Магнитная энергия BH/2. Под этим понимается магнитная энергия в зазоре постоянного магнита, изготовленного из ферромагнетика. Практический интерес представляет зависимость этой энергии от величины индукции в зазоре. Зависимость BH/2 строится для участка размагничивания между точками Вr и bНс.

В

Вr

В1

В2

Рис. 7.2. Построение кривой магнитной энергии

85

Н

Рис. 7.3. Определение дифференциальных проницаемостей

Максимальная величина энергии в зазоре постоянного магнита (BH/2)max характеризует качество материала для изготовления постоянныхмагнитов,котороеможетбытьреализованопрактически намагнитесоптимальнымдляэтогоматериалазначениемразмагничивающего коэффициента.

Коммутационнаякриваянамагничивания(рис.7.3,а)позволяет определить следующие магнитные характеристики:

–нормальная магнитная проницаемость

µ= HB ;

–дифференциальная проницаемость возрастания

µd = lim ∆B ;

∆H →0 ∆H

– дифференциальная проницаемость убывания

µd− = lim −∆B .

∆H →0 −∆H

Дифференциальная проницаемость возрастания μd связана с нормальной проницаемостью μ:

µd = dHdB = d(dHµH )=µ+ H dHdµ .

86

Всетритипамагнитныхпроницаемостейзависятотнапряженности поля, при котором они определялись (рис. 7.3, б).

7.2. Измерение коммутационной кривой намагничивания на баллистической установке

Нарис.7.4показанасхемабаллистическойустановки.ПрипроведенииизмеренийкоммутационнойкривойнамагничиванияпереключательП(нарис.7.4непоказан)налицевойпанелиприбора должен находиться в положении Н.

Параметры установки БУ-3:

– магнитная постоянная μ0 = 1,257 ∙ 10–6 [Вc/Ам];

WH

Рис. 7.4. СхемабаллистическойустановкиБУ-3приизмерениикривой намагничивания:Wl –намагничивающаяобмотка;WB –измерительная катушкаизмеренияиндукции;WH –катушкаизмерениянапряженности поля;П1 –переключательнаправленияполя;П2 –переключатель измерительныхкатушек;А–амперметр;Rl,R2 –реостатырегулировки токанамагничивания;RM –магазинсопротивленийрегулировки чувствительностибаллистическогогальванометраБГ;К1 –кнопка электромагнитноготормозагальванометра

87

–количество витков обмотки измерения WB = 20;

–коэффициент KH = SHWH = 4425 [витков ∙ см2];

–площадь SK = 16,7 см2;

–постояннаягальванометраC'δ =3,413∙10–9R +0,434∙10–6 [Тл∙м2]. Образец помещен в намагничивающее устройство, имеющее

три обмотки:

–намагничивающую W1;

–обмотку измерения индукции WВ;

–обмотку катушки измерения напряженности поля WH. Намагничивающая обмотка W1 через реостат R1 питается от

источникапостоянноготока.СилатокаизмеряетсяамперметромА. Переключатель П1 служит для выключения и коммутации тока намагничивания.

БаллистическийгальванометрБГпереключателемП2 можетпоочередно подсоединяться к измерительным обмоткамWB (положение КB) и WH (положение КH). Магазин сопротивлений RM служит дляизменениячувствительностигальванометра(егобаллистической постоянной).КнопкаК1 замыкаетконтактыгальванометраипозволяетдемпфироватьколебаниягальванометраэлектрическимобразом.

Измерение индукции (напряженности поля) баллистическим методом основано на измерении количества электричества, протекающего через обмотку с изменяющимся магнитным потоком.

В такой обмотке ЭДС связана с магнитным потоком Ф:

e = −W ddtФ ,

где е – ЭДС; W – число витков измерительной обмотки. Ток в цепи гальванометра описывается уравнением

−W ddtФ = Ldtdi + Ri,

где L – индуктивность цепи.

В результате интегрирования приведенной формулы за время t получим

−W ∫dФ = L∫di + R∫idt.

88

И интервал интегрирования нужно выбирать так, чтобы в начальный и конечный моменты времени интегрирования ток i = 0. Это условие может выполняться, если время коммутации магнитного потока меньше времени интегрирования. Тогда уравнение сводится к следующему выражению:

∆Ф =Ф(0)−Ф(t)= RQW ,

t

где Q = ∫idt –электрическийзаряд,прошедшийчерезцепьбалли-

0

стического гальванометра.

Известно, что в режиме критического успокоения между количествомэлектричества,прошедшегочерезгальванометрQ,иотклонениемгальванометраαсуществуетпрямаяпропорциональность:

Q =Cδα,

где Cδ – постоянная гальванометра.

Окончательная связь между изменением магнитного потока и отклонением гальванометра записывается выражением

∆Ф = CWδКα = CWδ′α,

где Cδ′ =CδR –баллистическаяпостояннаяустановки.Величина

данной постоянной рассчитывается по формуле [Тл м2]:

Cδ′ =3,413 10−9 R+0,434 10−6.

Теория баллистического гальванометра указывает, что уравнение Q = Cδα, лежащее в основе метода, справедливо только если движение рамки гальванометра начинается после прекращения протекающего в ней тока. В действительности это условие не выполняется.

Можносчитатьпрактическиустановленным,чтопогрешность измерения, связанная с этим обстоятельством, составляет ~0,2 %, если время прохождения тока τ меньше 1/10 времени первого отброса (1/10 периода колебаний гальванометра Т). У обычных баллистическихгальванометровТ ≈20с.Следовательно,длительностьизменениямагнитногопотокаτнедолжнапревышать≈0,5с.

89

Этообстоятельствоограничиваетмаксимальныйдиаметробразцов, накоторыхвозможнопроведениеизмеренияиндукциибаллистическим методом.

Максимальная толщина образца Dm определяется как двойная глубина проникновения магнитного потока за время τ:

Dm =µ0τµσ,

где μ – относительная проницаемость; σ – удельная электропроводность.

Практическиможносчитать,чтоприτ=1смаксимальнодопустимый диаметр образца для пермаллоя (μ = 100 000) равен 3 мм, а для электротехнической стали (μ = 10 000) – 10 мм.

7.3. Порядок проведения измерений

Размагничивание.Измерениеосновнойкривойнамагничивания проводится на предварительно размагниченном образце. Размагничивание может выполняться непосредственно в установке. Для этоговобмотке W1 устанавливаетсямаксимальнодопустимыйток, определяемыйусловиямиизмерений.Затем,непрерывнокоммутируянаправлениетокапереключателемП1,постепенно,спомощью реостатов R1 и R2, убирают до нуля намагничивающий ток.

Измерение.Построениекоммутационнойкривойзаключаетсяв определениивершинустановившихсячастныхцикловгистерезиса. Для этого устанавливают начальное небольшое значение тока намагничиваниявкатушкеW1 ипроводятмагнитнуюподготовкуоб- разца.Последняязаключаетсявмногократном(неменее10–20раз) коммутировании тока заданной величины в намагничивающей обмотке с помощью ключа П1.

Обязательные условия проведения измерений:

–в течение всего времени коммутирования гальванометр должен быть отключен от измерительных катушек;

–необходимо следить, чтобы переключатель П2 находился

внейтральном вертикальном положении.

90