Магнитные методы
УДК 537.624
СВОЙСТВА ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ В ВИДЕ ПОЛОСЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
В. Ф. Новиков, В. В. Прилуцкий
Приведены результаты исследований напряженности магнитного поля рассеяния над протяженными зонами остаточной намагниченности. Установлена связь между коэрцитивной силой и тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния намагниченных зон, позволяющая с большей эффективностью и разрешающей способностью осуществлять магнитный неразрушающий контроль.
Ключевые слова: локальная намагниченность, коэрцитивная сила, стальная металлоконструкция, упругие напряжения, неразрушающий контроль, магнитометр, остаточная намагниченность.
Коэрцитивная сила является одним из широко применяемых параметров для неразрушающего определения прочностных свойств сталей, ресурса их выносливости и определения в них одноосных механических напряжений [1—4]. Для измерения коэрцитивной силы разработаны и серийно выпускается ряд отечественных коэрцитиметров.
В [5] и [3] по величине локальной остаточной намагниченности определяют механические свойства материалов и напряжения, действовавшие на материал. Этот метод имеет фактически такую же трудоемкость, как и коэр-цитиметрический.
Применение локального полюсного намагничивания [3, 5—7], как и измерение коэрцитивной силы, предусматривает выполнение ряда операций (установка измерительного устройства, многократное намагничивание (3—5 раз), измерение коэрцитивной силы или напряженности магнитного поля рассеяния), что требует определенного времени и соответственно в результате получается прерывистое поле измерений. При этом не исключается возможность пропустить аномальный (дефектный) участок. Поэтому рассмотренные методы малоэффективны для диагностирования стальных труб, листов, рельсов таких протяженных объектов, как мосты, трубопроводы.
В [9, 10] было предложено создавать зону остаточной намагниченности в виде полосы, где магнитное поле рассеяния ориентировано вдоль или поперек полосы и по его величине судить о свойствах контролируемого материала. В патенте [11] и в работах [12, 13] реализован способ создания намагниченности с помощью тележки с постоянными магнитами и регистрации магнитного поля.
Цель данной работы — изучение свойств остаточной намагниченности в виде полосы и возможностей ее использования для неразрушающего контроля, для выполнения которой необходимо было решить ряд задач:
рассмотреть способы намагничивания, обеспечивающие повторяемость результатов;
выбрать составляющую магнитного поля рассеяния (нормальная или тангенциальная);
сопоставить ее с коэрцитивной силой;
оценить влияние зазора и внешнего магнитного поля на результаты измерения.
Виталий Федорович Новиков, доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой физики методов контроля и диагностики Технологического института ТюмГНГУ Тел. (3452) 25-69-44. E-mail: novik1937@mail.ru
Валерий Вячеславович Прилуцкий, ассистент кафедры товароведения и технологии продуктов питания Технологического института ТюмГНГУ. Тел. (3452) 46-86-93. E-mail: amurvaleri@mail.ru
Для исследования были взяты пластины из сталей 20, Ст3, 09Г1С. 30ХГСА, 40Х размерами (40—120) х (80—1200) х (6—10) мм3. Перед экспериментом пластины размагничивали переменным магнитным полем электромагнита. Коэрцитивную силу измеряли с помощью коэрцитиметров МС-1 ИФМ, К-61. Для намагничивания использовали постоянные магниты
—Бе—В) в форме шайбы (плоского цилиндра) диаметром 30 и толщиной 6 мм. Составляющая магнитной индукции, перпендикулярная плоскости шайбы вблизи ее боковой поверхности, приняла значение В = 260 мТл. Магнит ставился боковой поверхностью на стальную пластину, при этом ось магнитной шайбы располагали параллельно плоскости пластины и перпендикулярно оси средней линии образца (траектории движения). Намагничивание заданного участка пластины осуществляли путем перемещения магнита по средней линии образца. Такой вариант намагничивания позволял легко перемещать магнит по поверхности стали. Вариацию ширины полосы намагничивания осуществляли набором шайб (цилиндрических магнитов). Для того чтобы уменьшить влияние внешнего магнитного поля на результаты измерений, перед намагничиванием пластину располагали вдоль лабораторного магнитного поля.
Ось феррозондового датчика располагали либо перпендикулярно поверхности образца (измеряется Н ), либо параллельно поверхности при ориентации ее перпендикулярно средней линии (измеряется Н ). Для того чтобы добиться установившегося (максимального) поля, намагничивание производили, как минимум, трижды, с чередованием полюсов магнита. Регистрацию поля осуществляли при помощи комбинированного феррозондового магнитометра Ф-205.38. Сканирование тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния, ориентированной перпендикулярно траектории движения Нхп (снятие магнитограммы), производили вдоль средней линии пластины.
Распределение нормальной составляющей магнитного поля Нпп над намагниченной полосой в поперечном направлении имеет вид, подобный распределению магнитного поля магнитного диполя (рис. 1). Было установлено, что величина поля в максимумах резко увеличивается с увеличением толщины магнитной шайбы. Возрастает также и расстояние между максимумами.
200 150 100 50
£
< 0 йч"
-50 -100 -150 -200
Рис. 1. Распределение нормальной составляющей (Н ) напряженности магнитного поля рассеяния остаточной намагниченности стали 20 вдоль линии, перпендикулярной намагниченной полосе в зависимости от ее ширины: 1 — 6 мм; 2 — 12 мм; 3 — 18 мм.
Распределение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния, ориентированной перпендикулярно траектории движения Нтп, по ширине полосы намагничивания (ПН) показано на рис. 2. При намагничивании магнитом толщиной 6 мм распределение напряженности магнитного поля имеет вид кривой 1 с острым максимумом. При увеличении толщины шайбы в 2 раза ширина магнитограммы увеличилась, а напряженность поля в максимуме Н несколько возросла. После намагничивания магнитом толщиной в 18 мм величина Н практически не изменилась, то есть достигла насыщения, а кривая в максимуме приобрела более пологий вид. Это уменьшает влияние позиционирования датчика на результаты измерений при снятии магнитограммы. Дальнейшее увеличение ширины зоны намагничивания не целесообразно, так как будет приводить к усреднению сигнала от различных участков металла и уменьшению разрешающей способности метода.
250
х, мм
Рис. 2. Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля (Нтп) локальной намагниченности в виде полосы по ее ширине для стали Ст3: 1 — 6 мм; 2 — 12 мм; 3 — 18 мм.
Таким образом, значение тангенциальной составляющей напряженности поля в максимуме Нтпп является удобной для диагностирования материала характеристикой. Исследовали связь между величиной Нтпп и коэрцитивной силой Нс для пяти различных сталей. На рис. 3 (прямая 2) видно, что соотношение между ними достаточно хорошо описывается прямой Нс = 1,06 Нто + 36,10 (Я = 0,991). Это согласуется с приведенным в [7] соотношением остаточной намагниченности стальных изделий Мй с коэрцитивной силой для образцов с большим размагничивающим фактором формы N в виде Мй ~ Н /К
В нашем случае намагниченность по всей длине полосы ориентирована поперек пластины. В результате обеспечивается большой и практически постоянный размагничивающий фактор формы и пропорциональность между Нт и Н .
^^ тп с
На основании установленной зависимости Нс = /(Н ) диагностику стали можно проводить с большей разрешающей способностью, чем по Нс путем снятия магнитограмм. Примерная магнитограмма Нтпп (х), снятая на поверхности пластины из стали Ст3 (рис. 4, кривая 1), показывает, что величи-
1200 1000 800 600 400 200
♦ X
1 УУ2 3
/ ♦ /X 4/
0
200
400
600
800
H, А/м
Рис. 3. Связь составляющих напряженности магнитного поля рассеяния локальной намагниченности образцов с коэрцитивной силой (Н ) для сталей 20, Ст3, 09Г2С, 40Х:
1 — Н ; 2 — Н ; 5 — Нттт.
тс' та' ттго
350
300
250
<
, 200
150
100
5
■ 4
1
1
2
3
50
100
150
200
250
Рис. 4. Распределение составляющей напряженности магнитного поля Hzn локальной намагниченности в виде полосы по длине образца стали Ст3 (120x1200x10 мм) при
величинах зазора: 1 — 0 мм; 2 — 0,9 мм; 3 — 1,71 мм; 4 — показания коэрцитиметра.
на поля изменяется в пределах ±13А/м и отражает неоднородность магнитных свойств материала: размеры небольших неоднородностей составляют порядка 10 мм, что больше размеров феррозондового датчика примерно в 2 раза. При создании искусственного зазора, при котором происходит и намагничивание, и измерение, уровень сигнала существенно уменьшился (с 250 до 190 А/м). Характер распределения на протяжении образца практически не изменился (при зазоре 0,9 мм вариации составили ±11 А/м, а при зазоре 1,71 мм — ±10 А/м). На рисунке также показано распределение величины коэрцитивной силы по длине образца (кривая 4). Видно, что ее вариации составляют несколько А/м, что является результатом усреднения Нв пространстве (3—6 см) между полюсами датчика коэрцитиметра. Можно видеть, что величина Н близка к Н .
^ ' с zn
0
0
x, мм
Для этого же образца выполнено измерение коэрцитивной силы в зависимости от величины зазора (рис. 5): с увеличением зазора до 1 мм тангенциальная составляющая уменьшается примерно на 28 %; коэрцитивная сила по показаниям коэрцитиметра К-61, изготовленного ООО "НТЦ НК УРАН", увеличилась на 40 %.
300
Рис. 5. Зависимости тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля (Нт) стали Ст3 от величины зазора Н в точках, удаленных от начала координат на расстоянии: 1 — 15 мм; 2 — 100 мм; 3 — 200 мм; 4 — коэрцитивной силы (Нс).
Проводили также аналогичные исследования по изучению свойств остаточной намагниченности в виде полосы с продольной намагниченностью, для создания которой использовали постоянный магнит в форме параллелепипеда (10^10x30) мм3, намагниченного поперек длинной оси с величиной остаточной магнитной индукции, равной В = 375 мТл. Магнит своим торцом (10x
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.