МАГНИТНЫЙ СТРУКТУРОСКОП

Полезная модель относится к области определения структуры ферромагнитных материалов путем исследования их магнитных характеристик и может быть использована для определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов.
Известен магнитный структуроскоп, содержащий двухполюсное намагничивающее устройство, выполненное на основе постоянного магнита, и датчик магнитного поля, расположенный между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства (патент РФ на полезную модель №162212, 2016).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а также низкая достоверность контроля, обусловленные наличием в магнитной цепи устройства ферромагнитного элемента (магнитопровода) с нелинейными магнитными характеристиками.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является магнитный структуроскоп, содержащий корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами. Намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (патент РФ на полезную модель №166304, 2016 - прототип).
Недостатком известного устройства является низкая достоверность измерений из-за высокого начального уровня напряженности магнитного поля, а также сложность аппаратуры из-за необходимости дополнительных преобразований полезного сигнала.
Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение аппаратуры и повышение достоверности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в магнитном структуроскопе, содержащем корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, в котором намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, согласно предложению, ось чувствительности датчика магнитного поля перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства.
Намагничивающее устройство может быть выполнено в виде двух постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными намагниченностями, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа, а структуроскоп дополнительно снабжен датчиком угла поворота намагничивающего устройства.
Выполнение датчика магнитного поля с осью чувствительности, перпендикулярной направлению магнитного потока намагничивающего устройства, позволяет снизить начальный уровень полезного сигнала датчика до нуля, исключить дополнительные преобразования сигнала и, таким образом, повысить достоверность контроля и упростить измерительную аппаратуру. Кроме того, снижение начального уровня показаний аппаратуры позволяет применять для измерения напряженности магнитного поля (магнитной индукции) датчики с низким диапазоном измерений и большей чувствительностью.
Выполнение намагничивающих элементов структуроскопа в виде постоянных магнитов позволяет упростить устройство и снизить энергопотребление аппаратуры за счет исключения из нее соответствующих источников тока, а также использовать структуроскоп в режиме длительного мониторинга состояния объектов из ферромагнитных материалов без применения специальных крепежных элементов. Форма прямоугольного параллелепипеда магнитов обеспечивает повышение однородности магнитного поля в межполюсном пространстве намагничивающего устройства и достоверности измерений.
Применение в структуроскопе датчика угла поворота намагничивающего устройства обеспечивает упрощение процесса и повышение точности определения зависимости показаний аппаратуры от направления намагничивания контролируемого изделия.
с
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция структуроскопа; на фиг. 2 - схема образования поперечной намагниченности в контролируемом изделии; на фиг. 3 - зависимость показаний Н структуроскопа от коэрцитивной силы Н образцов различных ферромагнитных материалов, на фиг. 4 - зависимость показаний Н структуроскопа от относительной деформации е образца при растяжении.
Магнитный структуроскоп (фиг. 1) содержит корпус 1 из немагнитного материала (например, алюминия) и поворотную платформу 2 из немагнитного материала (например, латуни), на которой установлены двухполюсное намагничивающее устройство в виде двух элементов 3 и датчик 4 магнитного поля, расположенный между ними со стороны рабочей поверхности структуроскопа (поверхности, взаимодействующей с поверхностью контролируемого ферромагнитного изделия 5). Намагничивающие элементы 3 могут быть выполнены в виде электрических катушек или постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа (как показано стрелками на элементах 3).
Поворотная платформа 2 с намагничивающими элементами 3 и датчиком 4 магнитного поля выполнена с возможностью вращения (поворота) относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (ось Z на фиг. 1), причем ось чувствительности датчика 4 перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства (перпендикулярна плоскости чертежа на фиг. 1).
Структуроскоп может быть дополнительно снабжен датчиком угла поворота намагничивающего устройства вокруг оси Z (на фиг. 1 не показан).
е
е
е
Магнитный структуроскоп работает следующим образом. При установке корпуса 1 структуроскопа (фиг. 1) на контролируемое ферромагнитное изделие 5 происходит намагничивание последнего с помощью двухполюсного устройства из намагничивающих элементов 3. При этом под действием внешнего магнитного поля (поля элементов 3) с напряженностью Н (фиг. 1) материал изделия под рабочей поверхностью структуроскопа приобретает намагниченность М, совпадающую по направлению с напряженностью Н. Поскольку ось чувствительности датчика 4 магнитного поля перпендикулярна векторам Н и М, то его показания, как и в отсутствие контролируемого изделия, равны нулю.
е
пр
пп
пп
Далее, платформа 2 (фиг. 1) с намагничивающими элементами и датчиком магнитного поля поворачивается вокруг оси Z, например, против часовой стрелки. При этом благодаря наличию вращательного гистерезиса ферромагнитного материала происходит отставание вектора его намагниченности М от напряженности внешнего магнитного поля Н (фиг. 2) на некоторый угол, в результате чего появляются две составляющие М: продольная - М и поперечная - М, а датчик 4 магнитного поля фиксирует напряженность поля Н, прямо пропорциональную величине М.
с
с
с
с
с
Как показывают экспериментальные исследования, напряженность поля Н структуроскопа однозначно зависит от коэрцитивной силы Н материала контролируемых изделий. В качестве примера на фиг. 3 представлена полученная в ходе эксперимента зависимость Н(Н) для трех образцов материалов - стали: Ст3 (Н=5,3 А/см); Ст45 (Н=7,1 А/см); 30X13 (Н=9,2 А/см). Намагничивающее устройство структуроскопа состояло из двух постоянных магнитов (элементы 3 на фиг. 1) 35×12×6 мм с намагниченностью, перпендикулярной граням 35×12 мм и рабочей поверхности устройства; расстояние между гранями 35×6 мм магнитов равно 26 мм. Измерения производились при зазоре между полюсами магнитов и поверхностью образцов 5 мм и расстоянии оси чувствительности датчика 4 (преобразователя Холла) от поверхности образцов, равном 1 мм.
с
с
с
с
Приведенная зависимость показывает, что, несмотря на различие в марках сталей, зависимость Н(Н) близка к линейной, выходящей из начала координат (пунктир на фиг. 3), поэтому предлагаемый прибор может быть использован для определения коэрцитивной силы материала и связанных (коррелирующих) с ней механических свойств или параметров напряженно-деформированного состояния изделия. Для измерения Н после установки структуроскопа на объект производится поворот его намагничивающего устройства с датчиком магнитного поля на угол, не меньший 360 градусов. При этом определяются значения Н контролируемого участка по различным (например, двум, взаимно перпендикулярным) направлениям, причем благодаря усреднению диаметрально противоположных значений Н удается устранить влияние внешних магнитных полей (например, поля Земли) на показания аппаратуры. По измеренным показаниям Н определяют значения Н с использованием зависимости Н(Н).
Структуроскоп может быть использован также в режиме непрерывного слежения (мониторинга) за перегрузкой объекта при контроле напряженно-деформированного состояния ферромагнитных изделий. Для этого устройство устанавливается на заданный участок изделия при отсутствии нагружения последнего, после чего намагничивающее устройство структуроскопа поворачивается на некоторый угол вокруг оси Z (фиг. 1) и фиксируется в положении, когда направление намагничивания совпадает с направлением нагружения объекта либо перпендикулярно ему. В дальнейшем, при нагружении объекта, происходит изменение состояния материала и показаний структуроскопа, по которым можно определить максимальную деформацию материала, до которой нагружался объект. Например, на фиг. 4 представлена зависимость показаний Н описанного ранее структуроскопа от относительной деформации е в упругой области одноосного растяжения образца из стали Ст3 (пластина с поперечным сечением 50×4 мм; намагничивание после магнитной подготовки - в направлении нагружения).
Видно, что сформированное в процессе первоначального поворота намагничивающего устройства структуроскопа (магнитной подготовки) состояние материала (Н=2,15 А/см при нулевой деформации) по мере растяжения образца начинает разрушаться, показания прибора снижаются, и если по достижении определенного уровня нагружения (например, е=0,03%) деформация уменьшается и в дальнейшем не превышает указанного максимального значения, то показания прибора остаются на уровне 1,1 А/см. Если в дальнейшем максимальная деформация достигнет больших значений (например, е=0,05%), то показания снизятся до уровня Н=0,5 А/см и будут оставаться на этом уровне до тех пор, пока деформация не превысит величину 0,05%.
пр
пп
спр
спп
пр
пп
При необходимости количественной оценки деформации е необходимо, как было указано ранее, повернуть намагничивающее устройство структуроскопа, установленного на заданный участок изделия, на угол, не меньший 360 градусов, и определить значения Н в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль и поперек направления нагружения объекта. Например, для рассмотренного выше образца стали Ст3 измеренные указанным способом значения Н равны: в исходном (ненагруженном состоянии) - Н=2,15 А/см (в продольном направлении); Н=2,15 (в поперечном направлении); при растяжении до уровня е=0,072%-Н=1,57 А/см; Н=2,67 А/см. Видно, что если в исходном состоянии в образце практически отсутствует анизотропия Н, то при нагружении разность ΔН=Н-Н увеличивается, достигая максимальной величины 1,1 А/см, то есть по величине ΔН можно определить текущее состояние материала.
Таким образом, благодаря эффекту появления поперечной намагниченности в ферромагнитном поликристаллическом материале при квазистатическом вращении (повороте) двухполюсного намагничивающего устройства и обнаруженной нами однозначной зависимости напряженности поля поперечной намагниченности от коэрцитивной силы таких материалов появляется возможность контроля механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий. При этом полезный сигнал аппаратуры лежит в области слабых магнитных полей (в отсутствие контролируемого объекта и при первичной установке устройства на объект напряженность поля Н равна нулю, а после поворота намагничивающего устройства не превышает единиц А/см), что существенно упрощает обработку сигнала и повышает точность измерений и достоверность контроля.