Способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом
METHOD FOR CONTROLLING MECHANICAL STRESSES IN STEEL STRUCTURES BY THE MAGNETOELASTIC METHOD

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля механических напряжений в конструкциях из стали, вызываемых в них различного рода эксплуатационными нагрузками, приводящими к изменениям параметра магнитного гистерезиса - остаточной намагниченности.
Предлагаемое изобретение предназначено для контроля максимальных (пиковых) напряжений в стальных конструкциях, испытывающих динамические нагрузки, и может быть использовано в тех случаях, где нагрузка на конструкцию прикладывается и затем снимается. Такой характер нагружения реализуется при работе подъемных кранов (подъем-спуск груза), железнодорожных и автомобильных металлических мостов (перемещение различных потоков транспорта), конструкций стадионов, цирков, театров (вход и выход посетителей). Аналогичного рода нагружения (приложение - снятие) испытывают рельсы (проезд состава), элементы конструкции орудия во время выстрелов, корпуса кораблей во время шторма, конструкции под действием сезонных ветровых и снеговых нагрузок. Особенностью их напряженного состояния является постоянная и, зачастую небольшая статическая (до исследуемого динамического воздействия) и повышенная наиболее опасная динамическая нагрузка.
Известен способ и устройство измерения напряжений [Патент US 3,861,206 МПК G01L 3/102, опубл. Jan. 21, 1975], включающий в себя этапы намагничивания ферромагнитной пленки, нанесенной на поверхность контролируемого материала, и определения изменения магнитного потока пленки, который зависит от уровня напряжений в материале.
Как правило, стали неоднородны из-за различных факторов, таких как остаточное напряжение, границы зерен, дефекты кристаллической решетки, выделение примесей и т.д. По этой причине магнитная проницаемость контролируемого материала будет иметь разные значения. Следовательно, контролируемый материал с одинаковой деформацией, демонстрирует различный результат измерения магнитострикции в зависимости от направления, в котором выполняется измерение, что является недостатком известного способа.
Известен, способ измерения механических напряжений, заключающийся в локальном намагничивании (ЛН) ферромагнетика и регистрации изменения индукции магнитного поля этой ЛН (метки) при действии импульса силы [а.с. СССР №767574, кл. G01L 1/12, 1980]. К недостаткам известного способа относится низкая точность измерения магнитного поля ферромагнетика, обусловленная влиянием внешних магнитных полей и остаточной намагниченности материала изделия.
7
г0
Влияние внешних магнитных полей и остаточной намагниченности материала изделия в известном способе определения полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов [Патент РФ 2154262, МПК G01L 1/12, опубл. 2000] исключается тем, что при использовании матрицы магнитных меток создается участок одного направления намагниченности, чередующийся с участком противоположного направления намагниченности, расположенный между магнитными метками. В результате действия внешнего магнитного поля на метку уменьшается остаточная намагниченность одного полюса (например, N), но увеличивается намагниченность другого полюса (S). В целом амплитуда магнитного поля метки не изменяется. Недостатком такого способа является необходимость определения величины напряженности магнитного поля рассеяния Нэлемента металлоконструкции в остаточно намагниченном ненагруженном состоянии и неопределенность в магнитоупругой чувствительности его материала.
7
r0
В известных способах [Патент РФ №2274840, МПК G01L 1/12, опубл.20.04.2006 г], [а.с. СССР №731324, МПК2 G01L 1/12, опубл. 30.04.1980 г.] определения механических напряжений по изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния намагниченного участка металлоконструкции в результате дозированного снятия нагрузки и возвращения ее в исходное состояние, и предварительно полученному градуировочному графику, показан новый подход к контролю механических напряжений с помощью магнитоупругой памяти (МУП), не требующий определения величины напряженности магнитного поля рассеяния H элемента металлоконструкции в остаточно намагниченном ненагруженном состоянии. Недостатком этих способов является невозможность полного или частичного снижения искомых напряжений в контролируемой конструкции, технически неосуществимо, например в зарытом в землю стальном трубопроводе изменять осевую нагрузку, но можно изменять кольцевые.
2
В электромагнитном способе контроля механических свойств магнитных материалов и изделий [а.с. СССР №552553, кл. G01N 29/00, опубл. 30.03.1977 г.], заключающемся в том, что на изделие воздействуют постоянным магнитным полем, вводят в него ультразвуковые колебания, вызывающие в нем дополнительные дозированные напряжения, помещают катушку в пучности давления стоячей ультразвуковой волны и измеряют переменную ЭДС, наводимую в надетой на изделие из контролируемого материала измерительной катушке при двух значениях напряженности магнитного поля, по величине которой судят о механических свойствах материала. Недостатками электромагнитного способа контроля механических свойств магнитных материалов и изделий являются сложность установления измерительной катушки в пучности давления стоячей ультразвуковой волны, введение одинаковой мощности этой волны в различные изделия из контролируемого материала и необходимость двух измерений.
Наиболее близким (прототип) к заявленному изобретению является магнитный способ определения осевых механических напряжений сложно нагруженного магнетика [Патент RU №2326356, МПК G01L 1/12, 10.06.2008 г., прототип], не требующий специальных устройств для дополнительного дозированного нагружения и заключающийся в локальном намагничивании матрицей магнитных меток контролируемой конструкции (например, трубопровод с внутренним давлением Р), измерении напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченных участков, уменьшении и восстановлении кольцевых напряжений в трубе за счет уменьшения внутреннего давления на ΔР и последующего восстановления до исходного значения, и определении действующих в области магнитных меток осевых механических напряжений в трубопроводе по изменению напряженности магнитного поля рассеяния вследствие вариации кольцевых внутренним давлением на ΔР и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей.
К основным недостаткам прототипа относится неопределенный характер магнитоупругой чувствительности одной марки стали к равным напряжениям, и особенно при переходе от одной марки стали к другой, а также неприменимость к другим типам стальных конструкций без внутреннего давления (опора моста, подъемный кран, здания и т.д.).
Попытка уменьшить неопределенность магнитоупругой чувствительности стали, приводящей к увеличению погрешности оценки уровня механических напряжений магнитоупругим методом, предпринята в работах [Новиков В.Ф., Кострюкова Н.К., Кострюков О.М., Болотов А.А. Определение динамики напряжений в трубопроводах при суточных движениях земной коры. - Изв. Вузов. Нефть и газ, 1999, №5, с. 65-72; Кострюкова Н.К., Новиков В.Ф., Кострюков О.М., Ершов С.П. Определение напряженного состояния металла труб под воздействием зон локальных разломов. - Изв. ВУЗ, Нефть и Газ, 2001, №1, с. 80-85], где на поверхности трубы создавались намагниченные участки, там же наклеивались константановые тензорезистивные датчики. После нагружения трубопровода внутренним давлением, и появления на это магнитоупругого отклика, проводилось сопоставление показаний тензорезистивных датчиков и значений необратимого изменения магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности трубы. Это позволило определить усредненную магнитоупругую чувствительность стали трубы по ее длине. Применение такого способа определения магнитоупругой чувствительности стали в контроле протяженных и габаритных конструкций (магистральный подземный труборпровод, мостовые конструкции, каркасы зданий и т.д.) потребует трудоемкого размещения на их поверхности большого количества дорогостоящих тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры, что снизит опреативность и повысит затратность контроля механических напряжений.
с
s
Поэтому для повышения точности и оперативности измерений механических напряжений в любом типе стальных конструкций магнитоупругим методом необходимо простым и доступным способом, исключающим необходимость измерения коэрцитивной силы Н и магнитострикции λ, наклейки тензодатчиков, определять магнитоупругую чувствительность стали непосредственно в месте контроля и учитывать ее величину в результатах измерения напряжений.
r
r.
При контроле напряжений металлоконструкции магнитоупругим методом после ее локального намагничивания (ЛН) над намагниченным участком индуцируется магнитное поле, напряженность H которого однозначно связана с магнитным моментом локальной намагниченности MОдна из формул, описывающих магнитоупругое размагничивание, представлена в работе [Новиков В.Ф., Бахарев Магнитная диагностика механических напряжений в ферромагнетиках. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2001. - 220 с.]:
r0
rσ
с
s
где H и H - напряженность магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности стали в ненагруженном состоянии (σ=0) после намагничивания, и приложения - снятия напряжений σ соответственно; β - магнитоупругий коэффициент, зависящий от магнитной текстуры стали, определяемый ее коэрцитивной силой Н и магнитострикцией λ.
с
s
с
s
Таким образом, при контроле механических напряжений в стальной конструкции методом магнитоупругого размагничивания необходимо измерять магнитное поле рассеяния ее локальной остаточной намагниченности до и после испытания нагрузки, а также определять в месте контроля ее коэрцитивную силу Н и магнитострикцию λ. При этом точность измерения структурно-чувствительного параметра Н будет зависеть от ориентации электромагнитного преобразователя коэрцитиметра относительно осей действующих напряжений в стальной конструкции, а измерение λ в лабораторных условиях невозможно без вырезки из нее образцов. Все это усложняет, затрудняет и удорожает применение метода магнитоупругого размагничивания на практике при контроле напряжений.
r0
с
Из предлагаемого выражения описывающего магнитоупругое размагничивание стали следует алгоритм определения параметра ее магнитоупругой чувствительности S, к напряжениям, создаваемым локальным динамическим или статическим воздействием, при условии H~Н:
r0
rσ
где ΔH=H-H - величина магнитоупругого размагничивания стали, вызванного действующими механическими напряжениями σ.
Под действием напряжений магнитная система (домены и их границы) ферромагнетика (стали), предварительно находящегося в остаточно намагниченном состоянии, перестраивается для достижения им минимума его магнитоупругой энергии [Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. - М. - Л.: ГИТТЛ, 1948, с. 816]
мy
s
2
ΔW=- 3/2⋅λσ cosϕ.
s
Здесь λ- константа магнитострикции; σ - упругие напряжения; ϕ - угол между магнитным моментом  ферромагнетика (направлением намагниченности) и осью действующих напряжений в нем.
мy
мy
Если ферромагнетик (сталь) локально намагнитить внешним магнитным полем (фиг. 1а), нормальным к его поверхности, создав преимущественную ориентацию магнитных моментов доменов  в этом направлении (фиг. 1б), а затем в этом же месте статически или динамически оказать сжимающее воздействие σ<0 вдоль оси намагничивания, то магнитные моменты  его доменов будут стремиться изменить свое прежнее пространственное положение максимум на ϕ=90°, или другими словами занять положение с минимальным углом между магнитным моментом и его поверхностью, т.е. расположиться в его плоскости (фиг. 1в). Тем самым будет, достигнут минимум магнитоупругой энергии ΔW стали (ферромагнетика) в области локальной остаточной намагниченности. При аналогичном локальном намагничивании ферромагнетика и ортогональном к локальной остаточной намагниченности нагружении растяжением σ>0, для достижения минимума ΔW магнитные моменты доменов  будут занимать положение вдоль оси нагрузок, т.е. снова в плоскости ферромагнетика (фиг. 1г). Следовательно, для двух отличающихся видов однородного нагружения ферромагнетика (например, сжатие ударом вдоль нормали и ортогональное осевое растяжение), при одной и той же исходной конфигурации распределения магнитных моментов  его локальной намагниченности и качественно подобной магнитоупругой энергии, происходит качественно одинаковая перестройка магнитных моментов .
τ
τ
τ кал
τ сж
τ кал
Этот физический вывод подтверждается результатами измерения убыли магнитного поля рассеяния δН (фиг. 5) локальной остаточной намагниченности в пластинчатом образце при последовательном создании в нем напряжений ортогональным осевым растяжением и соосным ударным (или статическим) сжатием. Здесь тангенс угла наклона зависимости δH=f(σ) характеризует магнитоупругую чувствительность S стали пластинчатого образца к соответствующим напряжениям осевого растяжения (σ), локального статического сжатия (σ) или напряжениям (σ) сжатия локальным ударом.
τ кал
τ
τ кал
τ кал
τсж
τ
τ кал
n кал
n кал
сж
τ кал
сж
τ кал
сж
-3
-1
-3
-1
-3
-1
В диапазоне напряжений в стали σ от 0 до 100 МПа от воздействий растяжением, сжатием, ударом, уравнением регрессии является прямая. При растяжении пластинчатого образца до напряжений σ значения δH=f(σ) удовлетворительно укладывается на прямой (фиг. 5), а S=5.3⋅10 МПа. Для напряжений локального статического сжатия (калиброванная нагрузка σ) в тех же пределах (фиг. 5) наблюдается некоторое отклонение от линейности δН=f(σ). В этом случае приближенно величина магнитоупругой чувствительности стали к напряжениям сжатия σлокальным ударом S≈S≈(4.8⋅4.9) 10 МПа, но для диапазона 0-90 МПА S и S практически одинаковы (S≈S≈5.3⋅10 МПа).
Подобные результаты ожидаемы для пластин одинаковой толщины и для изотропных образцов. Для горячекатаной стали (структура, как правило, изотропна) вероятность такого события наибольшая.
Задачей заявляемого технического решения является снижение трудоемкости, повышение точности оценки напряженно-деформированного состояния стальных конструкций магнитоупругим методом.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности результатов оценки механических напряжений стальных конструкций магнитоупругим методом.
Указанный технический результат достигается применением предлагаемого способа контроля механических напряжений магнитоупругим методом, предполагающим измерение и учет величины магнитоупругой чувствительности стали в зоне контроля, к дополнительному локальному ударному или статическому силовому воздействию на нее в поперечном к действующим нагрузкам направлении. Для измерения магнитоупругой чувствительности стали в месте контроля действующих напряжений предлагаются вспомогательные устройства локального дозированного ударного и статического воздействия на ее остаточно намагниченную область.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически показано формирование магнитной текстуры стали в области локального намагничивания и последующего приложения сжимающих (ударом) и растягивающих напряжений;
n
τ
отж
отж
на фиг. 2 показано распределение нормальной H и тангенциальной Н составляющих напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности вдоль поверхности стальных пластин подвергнутых отжигу при различных температурах: 1 - Т=0; 2 - 200; 3 - 400;4 - 500; 5 - 530; 6 - Т=800°С;
n
на фиг. 3 показано распределение нормальной H составляющей напряженности магнитного поля рассеяния в остаточно намагниченной области стали до  и после  ударного воздействия;
на фиг. 4(а) - устройство дозированного ударного силового воздействия на контролируемый элемент стальной конструкции для определения магнитоупругой чувствительности S;
уд
на фиг. 4(б) - динамометрическое устройство, необходимое для калибровки устройства дозированного ударного силового воздействия и определения напряжений локального сжатия ударом σ в стали;
траст.cж
уд
на фиг. 5 - относительное изменение δН, напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности пластинчатого образца из стали 15ХСНД после ударного, растягивающего и сжимающего воздействий;
на фиг. 6 - профиль секции двутавровой балки автомобильного моста, где был опробован предлагаемый способ контроля механических напряжений; М - место локального намагничивания нижней полки балки;
уд
уд
на фиг. 7 - зависимость относительного изменения δНнапряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности несущей балки автомобильного моста от напряжения локального сжатия ударом σ.
Заявляемое техническое решение состоит из способа определения магнитоупругой чувствительности стали, необходимой для более точной и оперативной оценки уровня механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом, необходимого для этого устройства дозированного ударного воздействия на стальную конструкцию (фиг. 4а) и динамометрического устройства (фиг. 4б) для определения силы удара по стальной конструкции и напряжений создаваемых при этом в ней.
τ
Устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) состоит из титанового бойка (1) с наконечником сферической формы, и соединенной с ним пружины (2), работающей на сжатие. Боек с пружиной находится в прочном немагнитном корпусе (3) в виде полого цилиндра. Для локального намагничивания контролируемой стальной конструкции (или эталонного стального образца) (4) магнитным полем импульса тока от генератора (5) применяется соленоидальная катушка (6), внутри которой вблизи одного основания диаметрально друг другу размещены два феррозондовых датчика (7) для измерения тангенциальной составляющей Н напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности магнитометром (8). Соленоидальная катушка (6) крепится на стальной конструкции (4), внутрь нее помещается устройство дозированного ударного воздействия в заряженном состоянии, когда титановый боек (1) деформируя пружину (2), фиксируется в спусковом устройстве (9).
Динамометрическое устройство (фиг. 4б) состоит из каркаса в виде корзины (10), который с помощью креплений (11) и талрепов (12) может надежно крепиться на контролируемой конструкции (13). В центре нижнего основания каркаса имеется соленоидальная катушка (14) для импульсного намагничивания конструкции, в которой, как и в соленоидальной катушке ударного устройства (6) (фиг. 4а) имеются аналогичные встроенные феррозондовые датчики (15). Магнитное поле импульсов тока, пропускаемого через витки соленоидальной катушки (14), используется для локального намагничивания контролируемой конструкции. Внутрь соленоидальной катушки (14) вставляется направляющий цилиндр (16), соосно которым может перемещаться титановый индентер (17) для силового воздействия на намагниченную область конструкции при закручивании винтового пресса (18) за его ручки (19). Уровень силы надавливания индентера (17) на конструкцию и напряжений сжатия в ней измеряется по индикаторному указателю часового типа динамометра (20).
Предлагаемый способ контроля напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом с применением устройств дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) и динамометрического (фиг. 4б) реализуется в два этапа следующим образом.
τ
кал
τ
кал
n
кал
n
кал
На первом этапе определяются магнитоупругие чувствительности Sстали контролируемого объекта к калибровочным напряжениям ее осевого растяжения (σ) и S к напряжениям сжатия (σ) локальным ударом. Для этого изготавливается эталонный образец (или серия образцов, для повышения точности) из аналогичной марки стали, и толщиной, равной толщине контролируемого элемента конструкции, на поверхности (4) (фиг. 4а) которого крепится соленоидальная катушка (6) для его локального намагничивания, с встроенными в основание диаметрально и противоположно друг другу двумя феррозондовыми датчиками (7) магнитного поля. При этом ось соленоидальной катушки (6) для намагничивания совпадает с нормалью к поверхности образца, а рабочие оси датчиков с касательной к ней. При таком неизменном положении и интегральном включении датчиков исключается влияние внешних магнитных полей и краевых эффектов на результаты измерений магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, поскольку сигнал одного из них будет повышен, а другого одинаково понижен. Генератор тока (5) вырабатывает его импульс вследствие разряда конденсаторов, протекающий через витки соленоидальной катушки (6), и создает магнитный поток, в котором находится эталонный образец, тем самым производится его локальное намагничивание вдоль нормали к поверхности. Магнитное поле соленоидальной катушки (6), ориентированное вдоль нормали к поверхности эталонного образца, вызывает преимущественно сонаправленную с ним ориентацию магнитных моментов  доменной системы стали в этом месте (фиг. 1б), и тем самым формирует локально ее остаточно намагниченное состояние. Индуцируемое локальной остаточной намагниченностью стали магнитное поле рассеяния на поверхности стального образца будет иметь распределение, показанное на фиг. 2 и 3.
n0
n
Феррозондовым магнитометром (8) (фиг. 4а) измеряется в максимуме, как на (Фиг. 2) начальное значение Н тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности стального образца. Для измерения максимума тангенциальной H составляющей феррозондовый датчик следует разместить на поверхности эталонного образца в границах соленоидальной катушки (6) и ориентировать его рабочую ось радиально к центру остаточно намагниченной области.
n кал
n кал
yд
n кал
nσ
n кал
п0
nσ
n0
nσ
n кал
n кал
n кал
n кал
nσ
n кал
n0
Затем внутри соленоидальной катушки (6) помещается и закрепляется устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а). Такое устройство для определения магнитоупругой чувствительности S стали к напряжениям сжатия локальным ударом (σ), работает следующим образом. Боек устройства дозированного ударного воздействия (1) перемещается вдоль нормали к поверхности эталонного образца, деформируя сжатием пружину (2) на заданную величину Δl, и фиксируется спусковым устройством (9). После снятия спускового устройства, боек устройства дозированного ударного воздействия начинает ускоренное движение к поверхности эталонного образца (4) и оказывает на него ударное воздействие с силой F, тем самым создавая в нем калибровочные напряжения сжатия локальным ударом σ, после чего с помощью магнитометра (8) регистрируются уже изменившиеся значения Hнапряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в месте удара. Калибровочные напряжения сжатия локальным ударом σ, возникающие при этом в эталонном образце вызовут преимущественную перестройку магнитных моментов стали  в области локальной остаточной намагниченности в направлении OY, перпендикулярном оси их действия (фиг.1в), т.е. в плоскости образца, а следовательно и изменение поля рассеяния до Н на величин у ΔH- Н - H. (фиг. 3). После этого может быть определена магнитоупругая чувствительность стали пластинчатого образца  к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом σ. Поскольку магнитоупругая чувствительность стали Sзависит в частности и от уровня напряжений σ, то здесь также необходимо определять ее усредненное значение, изменяя 5-7 раз σ за счет разной деформации пружины  устройства дозированного ударного воздействия и построив зависимость δH=f(σ) (фиг. 5). Как видно из фиг. 3 после ударного воздействия характер распределения магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности вдоль поверхности стальной пластины остается неизменным, но заметны его количественные изменения в центре. Надежное крепление соленоидальной катушки для намагничивания (6) (фиг. 4а) на поверхности эталонного образца, позволяет считать поле остаточной намагниченности Н неизменным в пределах погрешности серии измерений ее величины.
τ кал
τ кал
τ0
τкал
τ кал
мy
2
τ кал
τσ
τσ
τσ
τσ
τ кал
Измерение магнитоупругой чувствительности стали S, контролируемой конструкции к калибровочным напряжениям σ ее осевого растяжения, выполняется на этих же эталонных образцах в силовом стенде машины для механических испытаний, имеющей встроенный тензометрический элемент. Эталонный образец (4), с закрепленной в том же месте на его поверхности соленоидальной катушкой (6), имеющей встроенные феррозондовые датчики (7) (без устройства дозированного ударного воздействия) (фиг. 4а), размещается в стенде машины для механических испытаний и в ненагруженном состоянии намагничивается несколькими импульсами магнитного поля тока соленоидальной катушки (6) вдоль нормали к его поверхности до максимума показаний магнитометра (8). При этом остаточно намагниченное состояние эталонного образца локально формируется также вдоль нормали (фиг. 1б). После измерения в максимуме тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния остаточной намагниченности эталонного образца Н (фиг. 2), осуществляется его осевая деформация растяжением вдоль OY до напряжений (σ), ориентированных ортогонально изначальному направлению  (фиг. 1г). Под действием напряжений осевого растяжения (σ) эталонного образца минимум магнитоупуругой энергии ΔW его стали наблюдается при угле ϕ≈0° между векторами магнитных моментов  и осью OY действующих напряжений осевого растяжения (σ), т.е. при перестройке магнитных моментов в его плоскости, как и в предыдущем случае его сжатия ударнымнагружением вдоль нормали, также сопровождающейся ослаблением поля рассеяния локально намагниченной области до значения Н. Оценив изменения ΔН=Н-Н и  напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности эталонного образца под действием калибровочных напряжений осевого растяжения σ разного уровня, вычисляется усредненная магнитоупругая чувствительность его стали к ним.
n
кал
n
кал
τ
кал
τ кал
По результатам измерения на эталонных образцах магнитоупругой чувствительности стали S к калибровочным напряжениям (σ) сжатия локальным ударом и S к напряжениям осевого растяжения (σ) определяют относительный коэффициент магнитоупругой чувствительности  который является константой для идентичной стали контролируемой конструкции и эталонных образцов равной ей толщины.
уд
уд
0уд
уд
уд
уд
0уд
уд
уд
уд
На втором этапе реализации предлагаемого способа контроля напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом проводится измерение магнитоупругой чувствительности S стали непосредственно контролируемой конструкции к напряжениям локального сжатия ударом σ, создаваемым локальным дозированным ударным воздействием вдоль нормали к ее поверхности с помощью устройства (фиг. 4а). Для этого на поверхность контролируемого элемента (4) стальной конструкции крепится соленоидальная катушка (6) устройства ударного воздействия для определения магнитоупругой чувствительности стали (фиг. 4а) с радиально расположенными внутри нее феррозондовыми датчиками (7), через витки которой пропускаются импульсы постоянного тока от генератора (5). Магнитным полем тока соленоидальной катушки (6) производится локальное намагничивание элемента контролируемой конструкции вдоль нормали к ее поверхности, и измерение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния Н получившейся локальной остаточной намагниченности. Далее в соленоидальной катушке (6) помещается устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а), с помощью которого оказывается соответствующее ударное нагружение на контролируемый элемент конструкции бойком (1) в центре локально намагниченной области вдоль нормали к ее поверхности и оси преимущественного направления . Напряжения локального сжатия ударом σ, возникающие при этом в элементе конструкции вызовут перестройку магнитных моментов  стали в области локальной остаточной намагниченности преимущественно в направлении, перпендикулярном оси их действия, т.е. в плоскости элемента конструкции, а следовательно, и изменение поля рассеяния до Н на величину ΔH=H - Н. В результате серии таких измерений с разным уровнем σ определяется усредненная магнитоупругая чувствительность  стали к напряжениям локального сжатия ударом σ непосредственно на контролируемой конструкции.
уд
0
1
i
уд
уд
i
уд
уд
Задача калибровки деформации  пружины устройства дозированного ударного воздействия по напряжениям σ в контролируемой конструкции, решается с помощью динамометрического устройства (фиг. 4б). Такое устройство оказывает локально силовое воздействие на объект контроля (стальную конструкцию), аналогичное ударному, но в статическом режиме. После установки динамометрического устройства на объекте контроля (13) (фиг. 4б), производится локальное намагничивание последнего магнитным полем тока соленоидальной катушки (14). При этом на контролируемой поверхности поле индуцируемой локальной остаточной намагниченности имеет распределение, показанное на фиг. 2. С помощью феррозондовых датчиков магнитного поля (15), расположенных в каркасе (10) динамометрического устройства диаметрально и встречно друг другу в местах максимумов тангенциальной составляющей поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, измеряется исходное значение Н. При этом исключено влияние внешних магнитных полей, поскольку датчики работают в интегральном режиме. Далее внутрь соленоидальной катушки (14) помещается направляющий цилиндр (16) для направленного перемещения индентера (17) к намагниченной области контролируемой стальной конструкции (13). Закручивая винтовой пресс (18) за ручки (19), тем самым оказывая локально поэтапное силовое давление индентером (17) на стальную конструкцию (13) в центре намагниченной области через динамометр (20), периодически измеряется величина Н напряженности ее магнитного поля рассеяния. Величина деформации динамометра, соответствующая усилию F, прикладываемому к стальной конструкции надавливанием индентером, на каждом этапе измеряется по его индикаторному указателю часового типа. В результате получается зависимость вида  которая в дальнейшем используется для калибровки деформации  пружины устройства дозированного ударного воздействия по напряжениям σ, создаваемых им в этом же месте контролируемой стальной конструкции после получения аналогичным образом зависимости  Калибровка устройства дозированного ударного воздействия позволяет рассчитать соответствующую силу удара F=F бойка для каждой величины деформации  его пружины. При известном размере площади S контакта индентера (17) (фиг. 4б) динамометрического устройства с поверхностью контролируемой стальной конструкции, и силе F удара, вычисляется величина напряжений σ от ударного воздействия.
Устройство дозированного ударного воздействия фиг. 4(а) обладает такими преимуществами, по сравнению с динамометрическим устройством статического нагружения фиг. 4(б), как универсальность применения на любой конструкции, большей мобильностью, гораздо меньшими размерами и простотой применения.
раб
yд
0
0
σ
0
σ
раб
уд
кал
раб
кал
Далее для определения магнитоупругим методом максимального значения рабочих механических напряжений растяжения σ, испытанных элементом контролируемой стальной конструкции в течение какого-либо срока работы достаточно его еще раз локально намагнитить с помощью соленоидальной катушки (6) (фиг.4 а) в том же месте, где измерялась величина S, измерить поле остаточной намагниченности в начале Н и конце Н этого срока, вычислить изменение ΔН=Н-Н и  Поскольку величины относительной магнитоупругой чувствительности стали контролируемой конструкции  к механическим напряжениям растяжения σ и локального сжатия ударом σ, создаваемых соответственно поперек и вдоль исходного преимущественного направления  а также эталонных образцов  из аналогичной марки стали при подобном намагничивании и нагружении согласно фиг. 5 близки (К≈K), то из этого следует формула изобретения для определения уровня рабочих механических напряжений растяжения σ, создаваемых в контролируемой стальной конструкции динамическим воздействием растяжения при эксплуатации, с учетом предварительно определенной калибровочной поправки К на магнитоупругую чувствительность стали:
0
0уд
или при условии Н≈Н
кал
уд
уд
раб
уд
раб
где К- относительный калибровочный коэффициент магнитоупругой чувствительности стали, получаемый эмпирически на эталонных образцах из аналогичной марки стали;  - калибровочный коэффициент пересчета деформации  пружины устройства дозированного ударного воздействия в напряжения σ в стали, создаваемых действием его бойка площадью поверхности S;  - величина магнитоупругой чувствительности стали конструкции к напряжениям локального сжатия ударом σ, измеренная непосредственно в месте контроля напряжений σ контролируемой стальной конструкции; величина напряжений σ создаваемых устройством дозированного ударного воздействия в стали (фиг. 4а), определяется эмпирически калибровкой деформации  его пружины с помощью динамометрического устройства (фиг. 4б);  - относительное изменение напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности контролируемой стальной конструкции после испытания ею механических напряжений растяжения σ,
Заявляемое изобретение поясняется примером.
Предлагаемый способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом был апробирован на несущих балках автомобильного моста, испытывающих деформации осевого растяжения при изгибе, вызванном проездом транспорта.
раб
0уд
уд
уд
уд
0
раб
σ
σ
0
σ
σ
σ
0
На несущей двутавровой балке автомобильного моста (фиг. 6) из стали 15ХСНД, испытывающей в нижней полке механические напряжения растяжения σ при изгибе после проезда транспорта, крепится соленоидальная катушка (6) устройства дозированного ударного воздействия (фиг. 4.а), с встроенными внутри феррозондовыми датчиками (7) и магнитным полем электрического тока в ней производится локальное намагничивание нижней полки вдоль нормали к поверхности. Феррозондовым магнитометром (8) измеряется в максимуме (Фиг. 2) начальное значение Н тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности полки балки, затем с помощью устройства дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) в балке создаются напряжения σ, после чего снова с помощью магнитометра (8) регистрируются уже изменившиеся значения Н и вычисляется величина  магнитоупругой чувствительности стали балки к напряжениям локального сжатия ударом σ (фиг. 7). Далее производится еще одно локальное намагничивание полки балки в том же месте, измеряется исходное значение Н. После того как полка балки в процессе эксплуатации испытает напряжения σ после воздействия проезжающего транспорта, снова измеряется Н и вычисляется ее максимальные изменения ΔН=Н-Н, δН=ΔН/Н≈0,194 (после трех месяцев эксплуатации).
n кал
τ
кал
nσ
τσ
n кал
τ
кал
Следующим этапом реализации предлагаемого способа контроля напряжений определяется магнитоупругая чувствительность  стали полки балки к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом σ от ударного воздействия и магнитоупругая чувствительность  к напряжениям σ ее осевого растяжения по результатам измерения (фиг. 5) на эталонном образце, где δHи δН- относительное изменение напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности эталонного образца после приложения к нему напряжений σ и σ соответственно. Их отношение  (фиг. 5).
раб
Тогда максимальная величина механических напряжений растяжения σ возникающих в полке балки моста в ходе трех месяцев его эксплуатации (исследований) может быть рассчитана по следующей формуле с учетом поправки на магнитоупругую чувствительность ее стали
n кал
τ кал
где  - относительный коэффициент магнитоупругой чувствительности стали к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом (σ) и калибровочным напряжениям осевого растяжения (σ), получаемый эмпирически на эталонных образцах из аналогичной марки стали (фиг. 5).
Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и оперативность, снизить стоимость контроля уровня механических напряжений стальных конструкций, испытывающих как статические, так и динамические нагрузки в процессе их эксплуатации в режиме памяти. Точность и оперативность контроля механических напряжений достигается тем, что при оценке их уровня учитывается магнитоупругая чувствительность стали, измеренная непосредственно на стальной конструкции. Снижение стоимости контроля механических напряжений осуществляется за счет того, что для определения магнитоупругой чувствительности стали не требуется трудоемкой наклейки дорогостоящих тензорезисторов и вырезки из конструкции образцов для необходимых магнитоупругих исследований.