Магнитные методы
УДК 620.179.14
ЛОКАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ КОЭРЦИТИВНОГО
ВОЗВРАТА ПРИ НАЛИЧИИ ЗАЗОРА В СОСТАВНОЙ ЦЕПИ "ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ—ОБЪЕКТ"
В.Н. Костин, О.Н. Василенко
Исследованы возможности локального измерения индукции коэрцитивного возврата ферромагнитных объектов различных размеров в замкнутой составной цепи "преобразователь—объект", а также при наличии в цепи немагнитного зазора.
Ключевые слова: индукция коэрцитивного возврата, внутреннее поле, коэрцитивная сила, электромагнит, зазор.
Как известно [1—3], магнитные свойства ферромагнетиков делятся на свойства вещества и свойства тела. С точки зрения магнитной структуро-скопии использование магнитных свойств вещества в качестве параметров контроля позволяет получать наиболее достоверную информацию о структуре и физико-механических свойствах контролируемых изделий, а также позволяет избавиться от влияния формы и размеров контролируемых изделий на результаты контроля. Поскольку подавляющее большинство контролируемых объектов являются крупногабаритными и имеют размеры, превосходящие возможные размеры намагничивающих устройств, то измерения магнитных свойств вещества должны проводиться локально с помощью приставных преобразователей, образующих составную магнитную цепь с контролируемым объектом. Следует учитывать, что в этом случае измерения осложняются главным образом вследствие неоднородного намагничивания контролируемой зоны объекта и возможного немагнитного зазора между преобразователем и объектом.
В последние годы было показано, что определяемая как магнитная характеристика вещества индукция коэрцитивного возврата BHc, то есть остаточная индукция, полученная после отключения поля коэрцитивной силы, является перспективным параметром контроля прочностных свойств и напряженно-деформированного состояния большого класса сталей [4—6]. В [7, 8] показана принципиальная возможность локального измерения относительной величины BHc с помощью приставных преобразователей. Однако для локального измерения индукции коэрцитивного возврата помимо измерения потока в магнитной цепи необходимо еще обеспечить выполнение по крайней мере двух условий: 1 — предварительное намагничивание контролируемой межполюсной зоны объекта до технического насыщения; 2 — корректное измерение внутреннего поля в контролируемой зоне объекта по величине тангенциальной составляющей поля на поверхности объекта. Очевидно, что появление немагнитного зазора в составной цепи может нарушить все указанные условия.
Таким образом, цель настоящей работы — определение принципиальной возможности и разработка способа локального измерения индукции коэрцитивного возврата при условии неоднородного намагничивания контролируемой зоны объекта с помощью приставного преобразователя и при наличии зазора в магнитной цепи.
Владимир Николаевич Костин, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ИФМ УрО РАН, профессор кафедры "Физические методы и приборы контроля качества" УрФУ. Тел. (343) 378-36-59. E-mail: kostin@imp.uran.ru
Василенко Ольга Николаевна, младший научный сотрудник ИФМ УрО РАН, доцент кафедры "Физические методы и приборы контроля качества" УрФУ. Тел. (343) 378-36-59. E-mail: vasilenko@imp.uran.ru
1. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
Для ферромагнетика конечных размеров при его намагничивании в разомкнутой магнитной цепи соотношение между внешним Не и внутренним Н1 магнитными полями имеет вид [1—3]
Не = Н1 + ЫМ, (1)
где N — коэффициент размагничивания, М — намагниченность ферромагнетика.
Формула (1) строго справедлива для эллипсоидов вращения. Однако с достаточной для решения практических задач точностью формулу (1) можно использовать для оценки внутреннего поля ферромагнитных тел, форма которых отличается от эллипсоидов вращения [1—3].
Согласно (1) у ферромагнетика конечных размеров, намагничиваемого в разомкнутой магнитной цепи, на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса при нулевом значении внешнего магнитного поля (Не = 0) намагниченность равна остаточной намагниченности тела (М = МГ), а соответствующее этому магнитному состоянию значение внутреннего магнитного поля
Н* = -ЫМ'Г. (2)
При нулевом значении внутреннего магнитного поля (H¡ = 0) намагниченность образца равна остаточной намагниченности вещества (М = Мг), а соответствующее значение внешнего магнитного поля
не* = ымг. (3)
Складывая левые и правые части выражений (2) и (3), для остаточной намагниченности вещества получим
Мг = "е N "' + М'г. (4)
Выражение (4) показывает связь остаточной намагниченности вещества и остаточной намагниченности тела и при определенных ограничениях на форму и размеры ферромагнитных объектов может быть использовано для определения свойств вещества в открытой цепи. Как видно, влияние размеров и формы объектов на результат магнитных измерений определяется первым слагаемым в (4).
Определяя коэффициент размагничивания из (2) и подставляя его в (3), получим
Н*
мг = - "е м\ . (5)
Н
При этом для остаточной магнитной индукции вещества следует
" *
вг = - "е в. (6)
Н
Напомним, что выражения (5) и (6) полностью справедливы только при однородном намагничивании. Можно ожидать, что эти выражения с достаточной для практики точностью будут справедливы для образцов с большим отношением длины к площади поперечного сечения, которые в однородном внешнем поле имеют достаточно большую область однородного намагничивания.
Для ферромагнетиков, не являющихся эллипсоидами вращения, остаточную магнитную индукцию вещества следует вычислять по формуле
В = М^+в;, (7)
причем в этом случае следует использовать эффективный (то есть учитывающий неоднородность намагничивания) коэффициент N, определяемый экспериментально. Для определения коэффициента размагничивания можно использовать выражение
ц. 0 (Н* + Н*)
N = ^^—. (8)
В; - в;
Для проверки полученных выше соотношений на закаленных и отпущенных образцах из стали 7X3 с размерами 9x9x66 мм в пермеаметре в соответствии с ГОСТ 15058—69 были измерены значения остаточной магнитной индукции В;. Кроме того, на этих же образцах в соленоиде были проведены измерения входящих в выражение (7) параметров и рассчитаны значения остаточной магнитной индукции. Результаты обоих способов измерения приведены на рис. 1. Определенный с помощью выражения (8) коэффициент размагничивания N = 0,03, что согласуется с известными данными [9]. Коэффициент линейной корреляции между измеренными в пермеаметре и определенными с помощью (7) значениями остаточной намагниченности составил Я = 0,98 при среднеквадратичном отклонении S = 0,028 Тл. Это подтверждает применимость выражения (7).
В;, Тл 1,35
1,20
1,05
0,90
150 300 450 600 Готп, °С
Рис. 1. Зависимости остаточной магнитной индукции закаленных от 850 °С образцов из стали 7X3 от температуры их последующего отпуска:
.........А.......— измерения в пермеаметре; — •---измерения в соленоиде
с использованием выражения (7).
Аналогичным образом для намагниченности коэрцитивного возврата МНс (см. рис. 2) можно записать:
Н** = ^МНс; (9)
Н** = NMнc■; (10)
Мнс = - Н* М'нс; (11)
н* + н *
М Нс =
N
+ М'Нс,
(12)
где Н** — внутреннее поле, соответствующее нулевому значению внешнего магнитного поля при перемагничивании ферромагнетика по кривой
возврата от коэрцитивной силы; Я" — внешнее поле, соответствующее нулевому значению внутреннего магнитного поля на кривой возврата от коэрцитивной силы.
Как видно из рис. 2, при изменении коэффициента размагничивания для рассматриваемых ферромагнетиков 1 и 2 меняется соотношение между значениями намагниченнос-тей коэрцитивного возврата тела МНс1 и МНс2. Дополнительно следует
тгМ тт**
отметить, что величины Н* и Не намного меньше определяемых на нисходящей ветви предельной петли величин Н* и Н*е, а значит труднее поддаются измерениям.
Аналоги параметров Не и Н* могут быть использованы при разработке многопараметровых методик измерения остаточной индукции и индукции коэрцитивного возврата в составных цепях.
М 1
Мг1
2
Мг2
Не = 0 /
Я / \/ , МНс1
/ \ 1/ МНс2
/ / \ У У мНс1
/ / МНс2
/,..--■- 2; \ Н
1 1 Н!Т
Рис. 2. Кривые возврата от коэрцитив-
ной силы и намагниченности коэрцитив-
ного возврата тела и вещества двух
ферромагнетиков.
2. ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ КОЭРЦИТИВНОГО ВОЗВРАТА В СОСТАВНОЙ ЗАМКНУТОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Очень часто в магнитной структуроскопии размеры и форма контролируемых объектов не допускают их намагничивания в открытой цепи. Кроме того, массивные объекты могут быть неоднородными и может потребоваться определение свойств в различных точках объекта. В этих ситуациях необходимо локальное измерение магнитных свойств с помощью приставных преобразователей. Однако локальное намагничивание приводит к неоднородному пространственному распределению поля и потока в контролируемом объекте, что делает весьма проблематичным аналитическое описание процессов намагничивания и перемагничивания и получение подобных приведенным выше соотношений.
Для экспериментального определения возможности локального измерения изменяющейся в широких пределах индукции коэрцитивного возврата ВНс как свойства вещества контролируемых объектов была отобрана большая группа закаленных и отпущенных при различных температурах образцов из сталей 09Г2, 20Н2М, 35, 45ХН, 7X3 и 9ХФ, имеющих к тому же различную площадь поперечного сечения (см. подпись к рис. 3). Истинные значения индукции коэрцитивного возврата всех образцов были измерены с помощью пермеаметра в соответствии с ГОСТ 15058—69.
Локальные измерения величины ВНс и необходимых дополнительных параметров были выполнены с помощью П-образного электромагнита с отверстием-преобразователем в магнитопроводе, представляющим собой щель с плоскопараллельными стенками, перпендикулярными на-
правлению магнитного потока, специальная форма которого обеспечивает пропорциональность между напряженностью магнитного поля в отверстии и величиной магнитного потока в магнитопроводе [6—8]. Магнитное поле в отверстии измеряется с помощью малогабаритного датчика поля (датчик Холла). Поскольку магнитный поток из магнитопровода практически полностью переходит в объект, то по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.