Устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, технической диагностике, предназначено для определения остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях и может применяться в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Остаточные механические напряжения в деталях и конструкциях могут возникать после термических и механических обработок, изготовления изделий с использованием аддитивных технологий, а также в пластически деформированных изделиях. Наличие остаточных напряжений может вызвать повреждение или разрушение изделий, поэтому оперативный контроль их уровня является важной практической задачей.

В настоящее время известен ряд устройств для контроля остаточных механических напряжений в изделиях, в том числе ферромагнитных, в основу которых положен принцип измерения магнитных параметров. Реализация этих устройств показала, что они имеют недостаточную чувствительность, определение напряжений только в приповерхностных слоях изделий, а также необходимость проведения предварительной калибровки устройства на стандартных образцах из той марки стали, из которой изготовлены контролируемые изделия. Поэтому разработка устройства для локального определения остаточных напряжений, избавленного от вышеперечисленных недостатков, является важной технической задачей.

Известно устройство для определения механических напряжений [Патент РФ №117636], содержащее корпус с установленным в нем основным сердечником П-образной формы и размещенными на нем возбуждающей и контролирующей уровень возбуждения обмотками, а также дополнительным сердечником П-образной формы, на котором размещена измерительная обмотка, причем дополнительный сердечник установлен симметрично между полюсами основного сердечника так, что плоскость его перпендикулярна плоскости основного сердечника, а корпус выполнен из проводящего немагнитного материала.

Это устройство при его использовании не решает техническую проблему обеспечения необходимой чувствительности и локальности определения остаточных механических напряжений из-за отсутствия или ограничения возможности получения информации о механических напряжениях на разных глубинах ферромагнитных изделий. Устройство требует предварительной калибровки на стандартных образцах в машине для механических испытаний и имеет сложную конструкцию.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях [А.П. Ничипурук, Е.В. Розенфельд, М.С. Огнева, А.Н. Сташков, А.В. Королев. Экспериментальный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформированных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали. - Дефектоскопия, 2014, №10, с. 18-26].

Оно состоит из намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем. Намагничивающая система включает в себя соленоид и служит для намагничивания и перемагничивания испытуемых изделий. Подмагничивающая система включает электрические контакты, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии, подключаемые в процессе работы к генератору переменного тока, и служит для создания подмагничивающего переменного циркулярного поля частотой 30 Гц в контролируемом изделии. Измерительная система включает в себя измерительную катушку, которая размещена в центральной части контролируемого изделия, и ее ось совпадает с осью соленоида, устройство для выделения сигнала на определенной частоте (селективного вольтметра), соединенное с устройством оцифровки сигнала и индикатором. Измерительная система служит для детектирования сигнала на частоте 30 Гц, вызванного суперпозицией двух действующих в испытуемом изделии магнитных полей - квазистатического намагничивающего и переменного подмагничивающего.

Это устройство не требует предварительной калибровки на стандартных образцах в машине для механических испытаний. С помощью устройства возможен контроль остаточных напряжений в пластически деформированных ферромагнитных изделиях простой формы, у которых длина много больше их диаметра или диагонали (в случае нецилиндрических изделий). К таким изделиям относятся протяженные изделия с малым размагничивающим фактором, например, проволока, прутки, трубы. При контроле они помещаются в соленоид и в них создают квазистатическое намагничивающее поле.

Дополнительно к намагничивающему в контролируемом изделии создают переменное циркулярное подмагничивающее поле, ортогональное намагничивающему, путем подключения электрических контактов к противоположным торцам контролируемого изделия и пропусканием через него переменного электрического тока фиксированной частоты 30 Гц такой амплитуды, чтобы напряженность создаваемого им переменного циркулярного поля на поверхности изделия была много меньше коэрцитивной силы изделия, что позволяет перемагничивать ферромагнетик только обратимо. Проводят перемагничивание контролируемого изделия по предельной петле гистерезиса путем изменения напряженности намагничивающего поля от -70 до +70 А/см с частотой 10^-2 Гц. Одновременное действие двух ортогональных друг другу магнитных полей в изделии позволяет управлять процессами перемагничивания в контролируемом изделии и экспериментально разделять вклады от смещения 90- и 180-градусных доменных границ. К уровню механических напряжений в материале чувствительны только смещения 90-градусных доменных границ, поэтому, определив критическое поле, в котором начинают смещаться 90-градусные доменные стенки, определяют уровень механических напряжений. Критическое поле смещения 90-градусных доменных границ определяют, измеряя сигнал, пропорциональный проекции намагниченности на направление действия намагничивающего поля, и находя его максимумы. Сигнал измеряют на фиксированной частоте 30 Гц с помощью измерительной катушки, подключенной к селективному вольтметру. В случае наличия в контролируемом изделии внутренних остаточных механических напряжений сжатия, направление которых совпадает с осью соленоида, на зависимости сигнала измерительной катушки от внешнего намагничивающего поля соленоида наблюдаются два максимума, один из которых находится в положительных полях, второй - в отрицательных. Экспериментально из зависимости сигнала измерительной катушки от внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии определяют среднее поле максимумов Н_ср, используя справочные значения намагниченности насыщения M_s и константы магнитострикции в направлении (100) λ₁₀₀ для контролируемого изделия рассчитывают величину средних остаточных механических напряжений σ в контролируемом изделии:

где σ - механические напряжения;

Н_ср - среднее поле максимумов;

M_s - намагниченность насыщения контролируемого изделия;

λ₁₀₀ - константа магнитострикции в направлении (100) для контролируемого изделия.

При использовании этого устройства возникает техническая проблема, обусловленная отсутствием возможности проводить контроль в локальных областях крупногабаритных изделий из-за ограниченных внутренних размеров намагничивающего устройства, невозможностью измерения внутреннего магнитного поля из-за чего в конечном итоге снижается точность контроля остаточных напряжений в контролируемом изделии. Отсутствует возможность определения остаточных механических напряжений в различных направлениях контролируемых изделий из-за ограничений размеров внутренней части намагничивающего устройства и невозможности поворота контролируемых изделий в нем. Велики масса и габариты соленоида. Необходимость проведения подготовительных операций перед контролем, таких как крепление электрических контактов к торцам контролируемого изделия и размещение на нем измерительной катушки, увеличивают время контроля. Данное устройство применимо только в лабораторных условиях, что сужает области его применения.

Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в повышения точности и достоверности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля, расширения области применения устройства за счет контроля остаточных напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, при снижении массогабаритных размеров устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля.

Для решения технической проблемы в устройстве для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях, включающем намагничивающую систему, подмагничивающую систему, включающую электрические контакты, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии и подключения в процессе работы к генератору переменного тока, и измерительную систему, включающую измерительную катушку, устройство для детектирования сигнала на определенной частоте, соединенное с устройством оцифровки сигнала и индикатором, согласно изобретению, намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода из магнитомягкого материала с намагничивающими обмотками на двух его полюсах, контакты подмагничивающей системы выполнены подпружиненными, закреплены на П-образном магнитопроводе и расположены в межполюсном пространстве в единой с торцами полюсов П-образного магнитопровода плоскости, обращенной к поверхности контролируемого изделия, катушка измерительной системы размещена на одном из полюсов П-образного магнитопровода, измерительная система снабжена датчиком Холла, расположенным в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода, соединенным с П-образным магнитопроводом и устройством оцифровки сигнала.

Выполнение намагничивающей системы в виде П-образного магнитопровода с намагничивающими обмотками на его полюсах позволило увеличить локальность зон контроля остаточных напряжений и проводить контроль в различных направлениях крупногабаритных изделий, а также уменьшить массу и габариты намагничивающей системы. Выполнение электрических контактов подпружиненными и закрепленными на П-образном магнитопроводе, а также размещение измерительной катушки на одном из полюсов П-образного магнитопровода позволило упростить подготовительные операции перед проведением контроля. Введение в измерительную систему датчика Холла, расположенного в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода, контактирующего с поверхностью контролируемого изделия и соединенного с устройством детектирования сигнала, позволило увеличить точность контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии.

Конструктивное исполнение намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем позволило уменьшить массу и габариты устройства, сделать его компактным и проводить измерения в цеховых и полевых условиях.

Таким образом, техническая проблема устраняется достижением в заявляемом изобретении технического результата, заключающегося в повышения точности и достоверности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля, расширения области применения устройства за счет контроля остаточных напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, при снижении массогабаритных размеров устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля.

На фиг. 1 показано схематичное изображение устройства для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях.

На фиг. 2 - зависимость сигнала измерительной катушки устройства от величины внутреннего поля в изделии Н для недеформированной пластины из стали Ст20 с одним максимумом.

На фиг. 3 - зависимость сигнала измерительной катушки устройства от величины внутреннего поля в изделии Н для пластически деформированной пластины из Ст20 (относительное удлинение после пластической деформации растяжением 4,6%) с двумя максимумами.

Устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях (фиг. 1) включает намагничивающую систему, подмагничивающую систему и измерительную систему. Намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода 1 из магнитомягкого материала, например, технически чистого железа или пермендюра, с намагничивающими обмотками 2 на двух его полюсах. Подмагничивающая система включает подпружиненные электрические контакты 3, закрепленные на П-образном магнитопроводе 1 и расположенные в его межполюсном пространстве в единой с торцами полюсов П-образного магнитопровода 1 плоскости, обращенной к поверхности контролируемого изделия, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии и подключения к генератору переменного тока (на фиг. 1 не показан). Измерительная система состоит из измерительной катушки 4, размещенной на одном из полюсов П-образного магнитопровода 1, датчика 5 Холла, расположенного в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода 1, устройства 6 для детектирования сигнала, устройства 7 оцифровки сигнала и индикатора 8. Корпус датчика 5 Холла прикреплен с помощью неэлектропроводящего материала, например, текстолита или оргстекла, к П-образному магнитопроводу, а электрические контакты датчика 5 Холла соединены со входом устройства 7 оцифровки сигнала.

В процессе измерения устройство устанавливают на поверхность контролируемого ферромагнитного изделия таким образом, чтобы полюса П-образного магнитопровода 1, электрические контакты 3 и датчик 5 Холла плотно прилегали к поверхности этого изделия. Через намагничивающие обмотки 2 пропускают постоянный ток и намагничивают участок изделия до технического насыщения полем Н. Перемагничивают изделие, изменяя намагничивающее поле Н с частотой 10^-2 Гц. Максимальная напряженность магнитного поля Н в межполюсном пространстве без изделия составляет не менее 400 А/см. Одновременно с намагничивающим полем Н через подпружиненные электрические контакты 3, подключенные к генератору переменного тока (на фиг. 1 не показан) по участку контролируемого изделия пропускают переменный ток частотой f от 1 до 50 Гц, создающий в контролируемом изделии переменное циркулярное подмагничивающее магнитное поле Н₀, вектора которого описывают окружности в плоскости, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия и намагничивающему магнитному полю Н. Амплитуда тока выбирается из условия, что создаваемое подмагничивающее поле H₀ должно быть много меньше коэрцитивной силы контролируемого изделия. Глубина проникновения подмагничивающего поля H₀ в изделие зависит от частоты переменного тока. С увеличением частоты f уменьшается глубина проникновения поля H₀ и глубина, на которой определяются остаточные механические напряжения в изделии. Во время действия в локальной зоне контролируемого изделия двух ортогональных полей Н и H₀ производят измерение сигнала измерительной катушкой 4, размещенной на одном из полюсов П-образного магнитопровода 1. Сигнал с катушки 4 подается на устройство 6 для детектирования сигнала на частоте f. С помощью датчика 5 Холла измеряют тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля на поверхности контролируемого изделия, которая равна тангенциальной составляющей внутреннего магнитного поля в изделии [И.Е. Иродов. Основные законы электромагнетизма: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1983. - 279 с., ил.]. Сигналы от устройства 6 для детектирования сигнала и от датчика 5 Холла поступают на устройство 7 оцифровки сигнала и индикатор 8. Цикл измерения длится до тех пор, пока намагничивающее поле Н не изменится от максимального положительного значения до максимального отрицательного значения. На индикаторе 8 отображается график зависимости сигнала измерительной обмотки 4 от внутреннего магнитного поля в изделии, измеряемого датчиком 5 Холла. Анализируют полученную зависимость сигнала с измерительной обмотки 4 от внутреннего магнитного поля, измеряемого датчиком 5 Холла.

На фиг. 2 представлен график такой зависимости для недеформированной пластины из стали Ст20 только с одним максимумом.

Как и в известном устройстве [А.П. Ничипурук, Е.В. Розенфельд, М.С. Огнева, А.Н. Сташков, А.В. Королев. Экспериментальный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформированных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали. - Дефектоскопия, 2014, №10, с. 18-26], при увеличении остаточных механических напряжений в изделии меняется его магнитная текстура и все больше начинают выделяться «легчайшие направления», вдоль которых в основном и ориентируются магнитные моменты. Это приводит к тому, что при некотором ненулевом поле Н начинают происходить переходы 90-градусных доменных границ, в результате чего моменты всех кристаллитов, чьи легчайшие оси примерно перпендикулярны Н, перебрасываются в ближайшие к этому полю ребра их кристаллических ячеек. Это приводит к значительному росту как намагниченности участка контролируемого изделия, так и к резкому возрастанию вращательного момента, действующего со стороны поля H₀. Поэтому вблизи значения Н, равного сумме среднего поля наведенной магнитной анизотропии и поля задержки 90-градусных переходов, возникает максимум сигнала. При уменьшении поля Н обратные переходы магнитных моментов в направлении «легчайших направлений» начинаются, только если наведенная механическими напряжениями анизотропия достаточно сильна. Возникновение второго максимума связано с обратными 90-градусными переходами, которые начнутся тогда, когда величина поля Н окажется близка к разности поля наведенной магнитной анизотропии и поля задержки сдвигов 90-градусных доменных границ.

На фиг. 3 представлен график зависимости сигнала измерительной катушки 4 устройства от поля Н для пластически деформированной растяжением пластины из стали Ст20 (относительное удлинение пластины составило 4,6%) с двумя максимумами. Определяют их среднее поле Н_ср. Так как основная часть необратимых смещений 90-градусных доменных границ происходит в поле, когда магнитоупругая энергия ферромагнетика (в данном случае она является источником энергии наведенной магнитной анизотропии и равна ей) сравнивается с магнитостатической энергией, то из равенства энергий рассчитывают значения остаточных механических напряжений в локальной зоне контролируемого изделия, используя соотношение (1). При этом конструктивное исполнение намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем в заявляемом устройстве позволило увеличить локальность зон контроля остаточных напряжений и проводить контроль в различных направлениях крупногабаритных изделий, повысить точность, а также уменьшить массу и габариты намагничивающей системы.

После одного цикла измерения поворачивают устройство в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, определяемый оператором, и проводят цикл измерения и расчетов. Снова поворачивают устройство в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, проводят цикл измерения и расчетов согласно формуле (1), и так до тех пор, пока не будет пройден полный круг.

Заявляемое устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях было опробовано в лабораторных условиях для определения величин остаточных механических напряжений на пластинах из углеродистой стали Ст20, подвергнутой пластической деформации растяжением. Измерения проводились вдоль оси предварительного нагружения. Экспериментальные данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы, при увеличении относительных удлинений до 10,2% увеличивается напряженность магнитного поля Н_ср, а также рассчитанные согласно (1) остаточные механические напряжения σ. При дальнейшем увеличении относительного удлинения до 12% величины Н_ср и о незначительно уменьшаются.

Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность количественной оценки величины средних остаточных механических напряжений в локальной зоне контролируемого изделия.