- •Оглавление
- •Часть I. Физические основы электромагнитного 22
- •Часть II. Магнитный контроль 146
- •Часть III. Вихретоковый контроль 281
- •Часть I. Физические основы электромагнитного 6
- •Часть II. Магнитный контроль 96
- •Часть III. Вихретоковый контроль 213
- •От автора
- •Часть I. Физические основы электромагнитного контроля
- •1. Металлы – объекты электромагнитного контроля
- •Плоскость сдвига (с)
- •2. Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе
- •2.1. Электрическое поле
- •2.2. Магнитное поле
- •Проводникам
- •2.3. Закон электромагнитной индукции
- •2.4. Система уравнений Максвелла
- •3. Ферромагнетизм
- •3.1. Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях
- •Намагничивания
- •Коэрцитивной силы по индукции
- •И кобальта от температуры
- •3.2. Энергии ферромагнитного кристалла
- •Намагничивания вдоль кристаллографических осей.
- •3.3. Доменная структура ферромагнетиков
- •3.4. Процессы намагничивания
- •(Скачок Баркгаузена)
- •3.5. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика от дефектов структуры
- •Рекордсмены магнитных материалов
- •3.6. Намагничивание магнетиков конечных размеров
- •3.7. Магнитные свойства тела и вещества
- •3.8. Магнитные цепи
- •(Для участка цепи) , (1.130) (для узла цепи) , (1.131)
- •Часть II. Магнитный контроль
- •4. Магнитная дефектоскопия
- •4.1. Граничные условия
- •4.2. Рассеяние магнитного потока дефектом сплошности
- •4.3. Намагничивание изделий
- •Полюсное намагничивание
- •Циркулярное намагничивание
- •Комбинированное намагничивание
- •Намагничивание переменными полями
- •Схемы размагничивания
- •4.4. Расчеты полей дефектов
- •Поля трещины
- •4.5. Mагнитопорошковая дефектоскопия
- •На высоте и
- •4.6. Индукционная дефектоскопия
- •4.7. Феррозондовый метод дефектоскопии
- •4.8. Магнитографическая дефектоскопия
- •Намагниченности ленты от поля (2)
- •4.9. Холловские и другие методы магнитной дефектоскопии
- •4.10. Магнитная толщинометрия
- •5. Магнитный структурно-фазовый анализ металлов и сплавов
- •5.1. Структурная чувствительность физико-механических свойств
- •Структурная чувствительность физико-механических свойств металлов
- •5.2. Контроль механических свойств изделий, упрочняемых холодной пластической деформацией
- •0,07 % От степени холодной пластической деформации
- •Деформированной феррито-перлитной стали с содержанием углерода 0,08 % от температуры отжига
- •5.3. Контроль качества термической обработки стальных изделий
- •От температуры закалки
- •От температуры отпуска
- •5.4. Контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий
- •Коэрцитиметра от относительных значений глубины закаленного слоя
- •5.5. Фазовый магнитный анализ
- •5.6. Устройства магнитного контроля структуры, состава и механических свойств материалов и изделий
- •Индукции деталей с большим коэффициентом размагничивания
- •Часть III. Вихретоковый контроль
- •6. Возбуждение вихревых токов. Скин-эффект.
- •7. Вихретоковый контроль. Вихретоковые преобразователи.
- •8. Сигнал втп. Обобщенный параметр контроля.
- •Сопротивлений витка с переменным током на проводящем полупространстве
- •9. Контроль цилиндрических объектов наружным проходным втп с однородным полем. Выбор наилучших условий контроля.
- •10. Вихретоковый контроль с помощью накладных преобразователей
- •11. Способы ослабления влияния мешающих параметров
- •12. Приборы вихретокового контроля
- •Заключение
- •Список литературы
- •Дополнительная литература
Намагничивания вдоль кристаллографических осей.
В ферромагнитных кристаллах существуют оси “легкого” и “трудного” намагничивания. На рис. 1.26 показаны кривые намагничивания для разных кристаллографических осей железа Fe (объемноцентрированная решетка),
никеля Ni (гранецентрированная) и кобальта Co (гексагональная).
Спонтанная (самопроизвольная) намагниченность в каждом домене ориентируется вдоль направления легкого намагничивания. Чтобы намагнитить ферромагнетик в более трудном направлении, необходимо затратить определенную энергию, пропорциональную площади между этими кривыми и являющуюся мерой энергии естественной кристаллографической магнитной анизотропии. В некоторых случаях анизотропия может отсутствовать, например, для сплава Fe-Ni с 70% Ni.
Энергию магнитной анизотропии кристалла кубической симметрии (железо, никель) можно выразить следующим образом:
, (1.80)
где , – константы кристаллографической магнитной анизотропии, а – направляющие косинусы углов между направлением намагниченностии основными кристаллографическими направлениями решетки.
Можно считать, что существует некоторое поле анизотропии , которое препятствует отклонению магнитных моментов ферромагнетика от направления лёгкого намагничивания, причем.
Магнитоупругая энергия. При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их линейных или объёмных размеров. Это явление получило название соответственно линейной или объемной магнитострикции. Относительное удлинение может достигать величин порядка 10-5 - 10-3. Наблюдается также обратное явление: изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации (магнитоупругий эффект).
Изменению формы каждого домена в многодоменном кристалле препятствуют другие домены, результатом чего является увеличение упругих напряжений. Энергия тела увеличивается на величину магнитоупругой энергии.
Если обозначить среднюю по кристаллу магнитострикцию , а- модуль упругости (средняя величина, не зависящая от направления в кристалле), то произведение этих величинесть напряжение, и тогда магнитоупругая энергия равна:
. (1.81)
Железо, намагничиваясь в сравнительно слабых полях, несколько удлиняется, при этом поперечное сечение образца уменьшается (положительная магнитострикция). Отсюда на основе принципа Вант-Гоффа и Ле-Шателье о противодействии системы действующим на неё силам, следует, что сжатие железного образца будет препятствовать его намагничиванию, а растяжение – способствовать. При растяжении мы получим увеличение начальной магнитной проницаемости. Для никелевого стержня получается обратная картина, так как при намагничивании его длина сокращается при некотором расширении поперечного сечения (отрицательная магнитострикция).
При положительной магнитострикции направление упругого растяжения является направлением легкого намагничивания, если работа, расходуемая на преодоление препятствий, связанных с магнитострикцией, преобладает над работой преодоления препятствий, связанных с кристаллической магнитной анизотропией. Растянутая поликристаллическая проволока в магнитном отношении приближается к свойствам монокристалла.
Очевидно, что сжимающие напряжения в данном случае уменьшили бы проницаемость и повысили бы коэрцитивную силу. В случае отрицательной магнитострикции (например, в никеле) упругое сжатие облегчало бы процесс намагничивания и размагничивания, а растяжение затрудняло бы эти процессы.
При намагничивании, например, растянутого образца никеля или сжатого образца железа возникает дополнительная энергия, равная приблизительно (с точностью до цифрового коэффициента порядка единицы), где- напряжение от внешних сил, а- магнитострикция насыщения. Эта энергия играет большую роль при очень сильных напряжениях или очень маленькой кристаллографической анизотропии, т.е. при. Здесь учитывается магнитострикция насыщения, так как каждый домен намагничен до насыщения.
Можно считать, что общая энергия анизотропии складывается из энергии магнитной кристаллографической анизотропии и магнитоупругой энергии.
Под влиянием кристаллической анизотропии и внешних сил устанавливается наивыгоднейшее направление самопроизвольного намагничивания (направление вектора ) в каждом домене, соответствующее минимуму энергии, и изменение этого направления согласно (1.80) и (1.81) связано с дополнительной энергией
, (1.82)
которую принято называть эффективной константой магнитной анизотропии. Она складывается из энергий кристаллической анизотропии () и магнитоупругой энергии (). Причеми- числовые коэффициенты порядка единицы.
Понятие о может быть распространено также на ферромагнетик, на который внешние силы не действуют. В таком случаеявляется величиной внутренних напряжений, возникающих вследствие несовершенства кристаллического строения.
Магнитостатическая энергия. Имеются две разновидности магнитостатической энергии. Сначала рассмотрим энергию взаимодействия постоянного магнитного поля с постоянным магнитным моментом . Такое взаимодействие в чистом виде можно представить себе, если в полепоместить однодоменную частицу с моментом (намагниченностью)и принять, что при любом(угол между направлениямии) длина векторане меняется. Тогда
(1.83)
где минус указывает на то, что энергия минимальна, еслиипараллельны (), и максимальна, если антипараллельны (). Отрицательное значениесоответствует тому случаю, когда общая свободная энергия системы уменьшается благодаря магнитостатической энергии.
Вторая разновидность – это энергия, связанная с образованием магнитных полюсов на концах намагниченного ферромагнетика конечных размеров. В этом случае при намагничивании внутри тела ферромагнетика создается внутреннее поле , направленное против внешнего магнитного поля. Размагничивающее поле
, (1.84)
т.е. оно тем больше, чем сильнее намагничено тело. Можно сказать, что противодействует намагничиванию тела. Величинаносит название коэффициента размагничивания (размагничивающего фактора) и главным образом зависит от отношения длины ферромагнитного тела к его диаметру .
Дополнительная энергия, связанная с образованием магнитных полюсов на границах намагниченного ферромагнетика конечных размеров, имеет место даже в отсутствие внешнего поля. Например, дополнительная энергия намагниченного призматического образца конечных размеров равна:
, (1.85)
где - это некоторая эффективная величина, так как такой образец намагничен неоднородно.
Особенности намагничивания тел конечных размеров более подробно будут рассмотрены далее.