Методы магнитной структуроскопии с использованием динамики доменной структуры

УДК 620.179.14

МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРОСКОПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ

© 2005 г. А.В. Попов

The methods of non - destructive testing (NTD) based on measuring parameters of non - reversible processes of the domain wall displacement have been worked out.

Связь между структурно-фазовым состоянием и магнитными свойствами ферромагнетиков обусловлена тем, что структура материала определяет его доменную структуру. В реальных ферромагнетиках при одних и тех же условиях могут наблюдаться различные доменные структуры, соответствующие различным локальным минимумам полной энергии. Это затрудняет использование параметров статического состояния доменной структуры для анализа состояния поликристаллических ферромагнитных материалов. Значительно большей повторяемостью и воспроизводимостью обладают параметры, связанные с процессами перестройки доменной структуры под влиянием внешнего магнитного поля. Метод, основанный на измерении параметров э.д.с. потока скачков намагниченности в принципе позволяет проследить за поведением каждого домена в процессе перемагничивания и, следовательно, более детально оценить структуру контролируемого образца. Это выгодно отличает его от электромагнитных методов, использующих интегральные характеристики свойств материалов.

Теория метода показывает, что параметры динамики доменной структуры в массивных образцах определяются не только электродинамикой переходных процессов, сопровождающих скачки намагниченности, но и динамикой перемещения доменных границ, т. е. непосредственно структурой контролируемых материалов. Исследуя параметры э.д.с., индуцированной в измерительной катушке датчика скачкообразными изменениями намагниченности, можно следить за тонкими изменениями доменной структуры под влиянием различных факторов. Флуктуации параметров потока скачков намагниченности по амплитуде, длительности, величине магнитных моментов, по полям старта, финиша, по различным участкам петли гистерезиса приводят к появлению сплошной компоненты в спектре измеряемого сигнала, называемой магнитными шумами. Спектральные характеристики магнитных шумов также успешно применяются в магнитной структуроскопии.

В настоящее время разработан ряд способов и устройств для измерения различных параметров динамики доменной структуры. Для их успешного применения в магнитной структуроскопии и неразрушающем контроле необходимо найти оптимальные параметры и режимы измерений, обеспечивающие требуемые информативность, надежность, достоверность и точность контроля. В простейших случаях, например при разбраковке сталей по маркам, применяют устройства, измеряющие спектральную интенсивность g(т) магнитных шумов на определенной частоте анализа т при постоянном значении перемагничивающего тока [1]. Однако такой метод не всегда обеспечивает необ-

ходимую точность контроля. Например, в условиях постоянства перемагничивающего тока изменение формы и размеров образцов приводит к изменению g(rn), не связанному с изменением структуры контролируемого материала.

В работе [2] предложено проводить измерения при Н = const, где Н - напряженность перемагничивающего поля на поверхности образца. Это позволяет идентифицировать условия контроля при вариации таких параметров, как размеры и магнитная проницаемость образцов, зазор между датчиком и контролируемым изделием. Однако во многих случаях изменение контролируемого параметра влияет не только на характеристики магнитных шумов, но и на распределение полей старта отдельных скачков намагниченности. В этом случае критерий Н = const оказывается некорректным, так как условия протекания скачков намагниченности в различных образцах оказываются различными. В таких случаях идентичность условий измерений можно обеспечить [3], используя экстремальный характер зависимости g(m) = f (Н) (рис. 1).

1,2

0,8

0,4 0

б 12 18 Н-10-2, А/м

Рис. 1. Зависимости нормированных спектральных характеристик магнитных шумов от напряженности перемагничивающего поля

Очевидно, максимум g(т) достигается при таком значении Но напряженности перемагничивающего поля, когда в данном образце протекают в основном все скачки намагниченности. Несмотря на то, что для различных образцов значения Но оказываются различными, такой критерий обеспечивает одинаковые условия перемагничивания при изменении любого из вышеперечисленных факторов и позволяет сравнивать результаты, полученные на совершенно различных установках, независимо от конструкции перемаг-ничивающих систем.

Экстремальный характер функции = /(И), кроме идентификации режимов измерений, позволяет повысить информативность магнитной структуроскопии за счет формирования дополнительного контролирующего параметра [4], пропорционального интервалу полей старта скачков намагниченности от начала их возникновения до экстремума функции %(оэ) = /(Н).

Хорошие результаты при оценке дисперсности перлитных структур показал метод структуроскопии по величине полей старта Н1 и Н2 скачков намагниченности, соответствующих началу и окончанию протекания необратимых процессов перемагничивания. Метод реализуется стробированием продетектиро-ванного сигнала датчика напряженности перемагни-чивающего поля строб-импульсами, которые формируются следующим образом [5]. Огибающая э.д.с. скачков намагниченности (рис. 2 Ь) преобразуется в меандр (рис. 2 с). Дифференцируя этот сигнал, формируют последовательность разнополярных остроконечных импульсов (рис. 2 6). Положительные импульсы этой последовательности преобразуют в строб-импульсы (рис. 2 е), которые используют для стробирования продетектированного сигнала (рис. 2 g) датчика напряженности перемагничивающего поля. В результате стробирования получают контролирующий сигнал в виде последовательности импульсов 1,3,5...(рис. 2 Ь) с амплитудой, пропорциональной полю старта Я/ скачков намагниченности в начале их протекания в каждом полупериоде перемагничивания.

Аналогично формируют контролирующий сигнал в виде последовательности импульсов 2,4,6...(рис. 2 Ь), амплитуда которых пропорциональна полю старта И2 скачков намагниченности при окончании их протекания в каждом полупериоде перемагничивания.

Опознавание положения строб-импульсов относительно нулевого значения Н(0 с целью устранения возможной неоднозначности выходного сигнала [6] иллюстрируется временными диаграммами 1, к (рис. 2).

На рис. 3, 4 приведены результаты исследования возможности оценки структуры и твердости эвтектоидной стали разработанным методом. Как видно из рис. 3, в структуре перлита начало необратимых процессов перемагничивания наблюдается как до, так и после перехода напряженности перемагничи-вающего поля через нулевое значение. Причем с увеличени-

Рис. 2. Временные диаграммы обработки сигнала при измерении Н1 и Н2: а - напряженность И (/) перемагничивающего поля; Ь - огибающая э.д.с. скачков намагниченности; с, ё, е, £, g, Ь - последовательность формирования контролирующего сигнала методом стробирования напряженности поля И(/); к - после-

довательность импульсов

опознавания

положения

строб-

Рис. 3. Влияние структуры и твердости эвтектоидной углеродистой стали на контролирующий параметр Н1: а - зернистый перлит, б - пластинчатый перлит. Кривые 1 - 3 соответствуют току перемагничивания 0,7, 1,0, 1,5 А

Рис. 4. Влияние структуры и твердости эвтектоидной углеродистой стали на контролирующий параметр Н2: а - зернистый перлит, б - пластинчатый перлит. Кривые 1 - 3 соответствуют току перемагничивания 0,7, 1,0, 1,5 А 52

ем амплитуды перемагничивания скачки намагниченности смещаются в область полей, расположенных до перемены знака Нф. Это наблюдается для стали со структурой как зернистого, так и пластинчатого перлита. Очевидно, что для зернистого перлита это смещение связано не только с увеличением производной сНфШ при увеличении амплитуды перемагничивания, но и с дисперсностью структуры, так как с увеличением твердости смещение увеличивается (кривые расходятся).

Общий однозначный характер зависимости Hl=f(HRC) дает основание для использования параметра H1 в целях неразрушающего контроля качества термической обработки. В то же время, как видно из рис. 4, контролирующий параметр H2 неоднозначно зависит от твердости стали. Используя полученные в работе [7] данные, можно провести оценку чувствительности различных контролирующих параметров к твердости исследуемых образцов. Результаты расчетов сведены в таблице (верхняя строка соответствует структуре зернистого перлита, нижняя - структуре пластинчатого перлита).

Результаты расчета чувствительности S

Параметр / Чувствительность Hi H2 N с.н.

S 13,2 - 0,61 2,83

S 3,85 - - -

Все режимы измерений выбирались по максимальной чувствительности контролирующих параметров. Прочерк в таблице указывает на неоднозначность данного параметра к твердости исследуемых образцов. Анализ полученных данных показывает, что применение параметра Н1 при оценке твердости стали со структурой зернистого перлита позволяет устранить неоднозначность и значительно повысить чувствительность методов неразрушающего контроля, основанных на измерении различных параметров динамики доменной структуры.

Фазовые соотношения между э.д.с. потока скачков намагниченности и Нф также можно использовать в магнитной структуроскопии. Из рис. 5 видно, что скачки наблюдаются как до, так и после перехода Нф через нулевое значение. Анализ распределения скачков по петле гистерезиса (рис. 6) показывает, что необратимые процессы, протекающие при уменьшении внешнего поля Нф до нулевого значения, определяются смещениями 90-градусных доменных границ, так как только изменение знака поля Нф вызывает в основном смещение 180-градусных границ. В то же время соотношение этих процессов определяется состоянием исследуемого материала. На рис. 7 приведе-

Рис. 5. Осциллограммы э.д.с. скачков намагниченности стали и напряженности перемагничивающего поля Нф при ^пер. = 80 Гц

Рис. 6. Огибающая текущего спектра g(m,t) и петля гистерезиса стали

ны временные диаграммы, поясняющие фазовый метод магнитной структуроскопии [8] с использованием динамики доменной структуры.

Контролирующий сигнал формируется следующим образом. Огибающая g(m,t) подается на измерительный вход синхронного детектора. Сигнал, пропорциональный напряженности Нф, удваивается по частоте, преобразуется в меандр и поступает на опорный вход синхронного детектора. Так как скачки намагниченности наблюдаются как при положительных, так и при отрицательных полупериодах опорного напряжения, то на выходе синхронного детектора формируется постоянное напряжение, пропорциональное разности э.д.с. скачков намагниченности, разделенных нулевым значением перемагничивающего поля. При этом полярность сформированного контролирующего сигнала определяется соотношением этих э.д.с.

Рис. 7. Фазовый метод формирования контролирующего сигнала: а - напряженность Нф внешнего поля; б - огибающая текущего спектра g(a,t); в -опорный сигнал синхронного детектора

Использование синхронного детектирования позволяет также проводить относительные измерения текущих спектров эталонного и контролируемого образцов с автоматической отстройкой от тепловых и аппаратурных шумов как по сигналу контролируемого, так и по сигналу эталонного образцов [9]. На рис. 8 приведены временные диаграммы, поясняющие этот метод. В измерительной катушке датчика контролируемого образца, размещенного в поле Нф, наводится э.д.с. скачков намагниченности (рис. 8 а). Одновременно в измерительной катушке датчика эталонного образца также наводится э.д.с. скачков намагниченности (рис. 8 б). При этом фаза перемагничивающего поля Нф датчика эталонного образца сдвинута таким образом, чтобы разделить «пакеты» импульсов э.д.с. скачков намагниченности контролируемого и эталонного образцов равными промежутками времени.

Рис. 8. Формирование контролирующего сигнала с использованием эталонного образца: а - совмещенные напряженность поля Н@ и э.д.с. датчика контролируемого образца; б - совмещенные напряженность поля Н@ и э.д.с. датчика эталонного образца; в - сигналы на входах синхронного детектора

После суммирования, детектирования и интегрирования э.д.с. обоих датчиков сформированный сигнал синхронно детектируют прямоугольным опорным напряжением (рис. 8 в). Фаза опорного напряжения обеспечивает перекрытие площадей входных сигналов синхронного детектора. Таким образом формируется контролирующий сигнал, пропорциональный разности текущих спектров g(a>,t) контролируемого и эталонного образцов. При этом, как видно из совмещенных во времени сигналов на входах синхронного детектора (рис. 8 в), полностью устраняется влияние на результат измерений тепловых и аппаратурных шумов как по сигналу контролируемого, так и по сигналу эталонного образцов.

На рис. 9 приведены временные диаграммы, поясняющие метод магнитной структуроскопии по разности текущих спектров э.д.с. скачков намагниченности в одних и тех же точках петли гистерезиса, соответствующих критерию постоянства дифференциальной магнитной проницаемости [10]. Как показали исследования, это позволяет не только повысить точность контроля качества поверхностной закалки, но также идентифицировать результаты измерений.

Текущий спектр g

B

e

U6.c. U

gfat)

сд

Рис. 9. Временные диаграммы сигналов: В ф - магнитная индукция образца; еф - э.д.с. индукционного преобразователя (пунктир ио - постоянное напряжение сравнения); и6с. - импульсы на выходе блока сравнения; ис - строб-импульсы, управляющие блоком стробирования; g(m,t) -текущий спектр э.д.с. скачков намагниченности; ивх.сд - совмещенные сигналы на входах синхронного детектора

пропускается блоком стробирования на измерительный вход синхронного детектора. Одновременно формируется сигнал, пропорциональный магнитной индукции B(t) в контролируемом образце. Этот сигнал преобразуется в прямоугольные импульсы скважностью S = 2, которые поступают на опорный вход синхронного детектора. На выходе синхронного детектора при этом действует постоянное напряжение, пропорциональное разности площадей участков текущего спектра g (m,t), формируемых при одинаковом изменении магнитной индукции в контролируемом образце на восходящей ветви петли гистерезиса, т. е. при одинаковой дифференциальной магнитной проницаемости возрастания ud+ = +dB/+dH = const. Этот сигнал поступает на индикатор, по показаниям которого и определяют результат контроля. Меняя полярность порогового напряжения ио, измеряют разность спектров на участках нисходящей ветви петли гистерезиса при одинаковом значении дифференциальной магнитной проницаемостью убывания, т. е. при ud- =-dB/-dH = const.

Литература

1. Willmann W. Patentschrift DDR № 94711. Verfahren zur Kennzeichnung und Prüfung der Umformbarkeit von ferromag-netischen Werkstoffen, insbesondere weicher unlegierter Stähle, 1972.

2. Патент США № 3783370. Способ компенсации изменений измеряемого сигнала Баркгаузена в магнитных материалах вследствие изменения их формы и размеров // Изобретения за рубежом. 1974. Т. 918. № 1. С. 77.

3. Васильев В.М., Попов А.В., Пустынников В.Г. Способ магнитошумового контроля ферромагнитных изделий: А.с. № 667923. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1979.

а

б

в

4. Попов А.В. Устройство для контроля ферромагнитных изделий. А.с. № 1226271. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1984.

5. Попов А. В. Устройство для магнитошумовой структуро-скопии. А.с. № 976409. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1982.

6. Попов А.В. Устройство для магнитошумовой структуро-скопии. А.с. № 1155929. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1985.

7. Васильев В.М., Попов А.В. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1981. Т.45. № 9. С. 1709 - 1713.

8. Попов А.В. Устройство для контроля ферромагнитных изделий. А.с. № 1177738. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1985.

9. Попов А.В. Устройство для контроля ферромагнитных изделий. А.с. № 1827618. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1992.

10. Попов А.В. Устройство для неразрушающего контроля ферромагнитных изделий. А.с. № 1241122. Зарегистр. в гос. реестре изобретений СССР, 1986.

Ростовский государственный университет путей сообщения

12 ноября 2004 г