Устройство для неразрушающего контроля сжимающих механических напряжений в низкоуглеродистых сталях

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий из ферромагнитных материалов, технической диагностике после изготовления и во время эксплуатации деталей, машин, механизмов, предназначено для определения величин механических сжимающих напряжений в низкоуглеродистых сталях и может применяться в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Сжимающие напряжения, как правило, не приводят к разрушению деталей и конструкций. Однако, поскольку напряжения в изделиях скомпенсированы, рядом с местами, где есть сжимающие напряжения, как правило, имеются зоны с опасными напряжениями другого знака. Механические напряжения, в том числе остаточные, в деталях и конструкциях могут возникать после термических и механических обработок, изготовления изделий с использованием аддитивных технологий, а также в пластически деформированных изделиях. Наличие напряжений, превышающих предел упругости металла, может вызвать его повреждение или разрушение, поэтому оперативный контроль величины напряжений в локальных зонах деталей является важной практической задачей.

В настоящее время известен ряд устройств для контроля механических напряжений в ферромагнитных изделиях, в том числе из низкоуглеродистых сталей, в основу которых положен принцип измерения магнитных параметров. Реализация этих устройств показала, что они, как правило, имеют недостаточную точность, определение механических 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 механических сжимающих 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 точности и локальности определения механических сжимающих 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 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 (селективный вольтметр), 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 для контроля механических сжимающих напряжений не требует проведения предварительной калибровки на стандартных образцах в машине для механических испытаний. С помощью устройства возможен контроль механических сжимающих напряжений в протяженных изделиях из низкоуглеродистых сталей, у которых длина много больше их диаметра или диагонали (в случае нецилиндрических изделий). К таким изделиям относятся, например, проволока, прутки, трубы. Так как при контроле они должны целиком размещаться в намагничивающей системе устройства, невозможно проводить контроль крупногабаритных изделий с односторонним доступом к их поверхности, а также определять напряжения в разных направлениях.

Дополнительно к намагничивающему в контролируемом изделии создают переменное циркулярное подмагничивающее поле, ортогональное намагничивающему, путем подключения электрических контактов к противоположным торцам контролируемого изделия и пропускания 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 поля максимумов. Сигнал измеряют на фиксированной частоте 30 Гц с помощью измерительной катушки, подключенной к селективному вольтметру. В случае наличия в контролируемом изделии внутренних механических напряжений сжатия, направление которых совпадает с осью соленоида, на зависимости сигнала измерительной катушки от внешнего намагничивающего поля соленоида имеются 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 механических напряжений σ_i^расч в контролируемом изделии:

где σ_i^расч - средние 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 механических напряжений 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 механических напряжений в контролируемом изделии. Отсутствует возможность определения механических сжимающих 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 повышении точности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля, расширения области применения устройства за счет контроля механических сжимающих напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, уменьшении массы и габаритов устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля.

Для решения технической проблемы в устройстве для неразрушающего контроля механических сжимающих напряжений в низкоуглеродистых сталях, включающем намагничивающую, подмагничивающую и измерительную системы, измерительная система содержит измерительную катушку, соединенную 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, подмагничивающая система выполнена в виде возбуждающей катушки, измерительная система снабжена датчиком Холла, соединенным с устройством оцифровки сигнала и размещенным в отверстиях измерительной и возбуждающей катушек, установленных соосно в корпусе, закрепленном в межполюсном пространстве П-образного магнитопровода на его перемычке при помощи подпружиненного подвеса.

Выполнение намагничивающей системы в виде П-образного магнитопровода с намагничивающими обмотками на его полюсах позволило увеличить локальность зон контроля механических сжимающих напряжений и проводить контроль в различных направлениях крупногабаритных изделий, а также уменьшить массу и габариты намагничивающей системы. Выполнение подмагничивающей системы в виде возбуждающей катушки не требует при проведении контроля обеспечения электрического контакта с поверхностью контролируемого изделия и допускает проведение контроля при наличии на поверхности изделия лакокрасочного или иного защитного покрытия, что позволило упростить подготовительные операции перед проведением контроля, а также обеспечило уменьшение потребляемой мощности устройства при создании подмагничивающего магнитного поля. Измерительная система устройства содержит датчик Холла, что обеспечило увеличение точности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля [И.Е. Иродов. Основные законы электромагнетизма: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1983. - 279 с., ил.] в контролируемом изделии. Конструктивное размещение подмагничивающей и измерительной систем в едином корпусе позволило уменьшить массу и габариты устройства, сделать его компактным и проводить измерения в цеховых и полевых условиях.

Таким образом, техническая проблема решается достижением в заявляемом изобретении технического результата, заключающегося в повышении точности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля за счет выполнения намагничивающей системы в виде П-образного магнитопровода с намагничивающими обмотками на его полюсах, расширения области применения устройства за счет контроля механических напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, при снижении массогабаритных размеров устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля за счет выполнения подмагничивающей системы в виде возбуждающей катушки.

На фиг. 1 показано схематичное изображение устройства для контроля механических сжимающих напряжений в низкоуглеродистых сталях.

На фиг. 2 представлены полевые зависимости сигнала измерительной катушки пластически деформированных в разной степени пластин из стали Ст20 толщиной 1,5 мм. Кривая 11 соответствует недеформированной пластине, кривая 12 - пластине с деформацией 4,6%, кривая 13 - пластине с деформацией 10,2%. Перемагничивание проводилось от +H_max до -H_max.

Устройство для неразрушающего контроля сжимающих механических напряжений в низкоуглеродистых сталях (фиг. 1) включает в себя намагничивающую, подмагничивающую и измерительную системы. Намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода, состоящего из полюсов 1 и перемычки 2, изготовленных из магнитомягкого материала, например, технически чистого железа или пермендюра, с намагничивающими обмотками 3 на двух его полюсах. Подмагничивающая система состоит из возбуждающей катушки 4, состоящей из 200 витков и намотанной медным проводом в лаковой изоляции. Измерительная система состоит из измерительной катушки 5 и датчика 6 Холла, соединенных с устройством 7 оцифровки сигнала. Устройство 7 оцифровки сигнала соединено с индикатором 5. Измерительная катушка 5 состоит из 400 витков и намотана медным проводом в лаковой изоляции. Плоскость измерительной катушки 5 и торец датчика 6 Холла находятся в плоскости полюсов 1 П-образного магнитопровода. Катушки 4 и 5 располагаются соосно друг другу. В их отверстиях расположен датчик 6 Холла. Подмагничивающая и измерительные системы устройства выполнены в едином корпусе 9 из неферромагнитного материала, закрепленном на перемычке 2 П-образного магнитопровода в его межполюсном пространстве с помощью подпружиненного подвеса 10.

В процессе измерения устройство устанавливают на поверхность контролируемого изделия таким образом, чтобы полюса 1 П-образного магнитопровода, плоскость измерительной катушки 5 и торец датчика 6 Холла плотно прилегали к поверхности изделия. Через намагничивающие обмотки 3 пропускают постоянный ток и намагничивают участок изделия до технического насыщения полем Н. Перемагничивают изделие, изменяя намагничивающее поле от +H_max до -H_max со скоростью 10 А/(см⋅сек). Максимальная напряженность магнитного поля Н (H_max) в межполюсном пространстве составляет не менее 400 А/см. Через обмотку возбуждающей катушки 4 пропускают переменный ток и создают в контролируемом изделии переменное подмагничивающее магнитное поле Н₀, ортогональное намагничивающему полю Н. Для обратимого перемагничивания участка контролируемого изделия амплитуда подмагничивающего поля Н₀ задается много меньше коэрцитивной силы контролируемого изделия. Как и в наиболее близком 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] принцип неразрушающего контроля механических сжимающих напряжений связан с наличием в контролируемом изделии магнитной анизотропии типа «легкая плоскость», перпендикулярной направлению действия напряжений. Наличие магнитной анизотропии существенно меняет характер перемагничивания ферромагнетика. Если направление намагничивающего поля Н перпендикулярно «легкой плоскости», то при перемагничивании ферромагнетика по предельной петле гистерезиса (уменьшении намагничивающего поля от максимального значения +H_max) в некотором положительном поле H₁ произойдут необратимые смещения 90-градусных доменных границ. Точно такое же необратимое изменение намагниченности произойдет в некотором отрицательном поле Н₂ при изменении поля от нуля до отрицательного значения -H_max. Так как механические напряжения в основном влияют на смещение 90-градусных доменных границ, то информацию о наличии и величине напряжений получают, регистрируя с помощью измерительной катушки 5 сигнал, пропорциональный обратимому изменению намагниченности в локальном объеме контролируемого изделия. Максимумы обратимых изменений намагниченности возникают в моменты наиболее интенсивных необратимых смещений доменных границ, т.е. в полях H₁ и Н₂. Таким образом, в полях H₁ и Н₂ происходит резкое увеличение сигнала измерительной катушки 5 (максимумы в положительном и отрицательном полях на кривых 12 и 13 фиг. 2). Поля H₁ и Н₂ определяются соотношением величин магнитоупругой и магнитостатической энергий для конкретного зерна в стали, испытывающего сжимающие напряжения. Поле H₁ равно разности двух полей: эффективного поля Н_σ (определяемого из условия равенства магнитоупругой и магнитостатической энергий) и поля потенциального барьера Н_кр необратимого смещения 90-градусных доменных границ. Поле Н₂ равно сумме полей Н_σ и Н_кр. В момент максимумов сигнала, измеряемого катушкой 5, величины полей H₁ и Н₂ измеряют с помощью датчика 6 Холла. Сигналы с измерительной катушки 5 и датчика 6 Холла поступают на устройство 7 оцифровки сигнала и индикатор 8. В качестве индикатора 8 используется персональный компьютер. Вычисляют среднее поле Н_ср (которое равно полю Н_σ) как среднее арифметическое полей H₁ и Н₂. Из формулы (1) находят величину средних механических сжимающих напряжений σ_i^расч, имеющихся в локальном месте контролируемого изделия, т.е. в месте установки устройства).

Для контроля механических сжимающих напряжений в разных направлениях устройство поворачивают в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, определяемый оператором, и повторно проводят цикл измерения и расчетов величины средних механических сжимающих напряжений σ_i^расч. Затем снова поворачивают устройство в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, проводят цикл измерений и расчетов, и так до тех пор, пока не будет пройден полный круг.

Устройство для неразрушающего контроля механических сжимающих напряжений в низкоуглеродистых сталях было опробовано в лабораторных условиях для определения величин действующих напряжений сжатия на пластине из низкоуглеродистой стали Ст20 толщиной 6 мм. Образец был изготовлен путем фрезерования и шлифовки с последующим отжигом для снятия внутренних напряжений, после чего образец подвергался одноосному сжатию в упругой области деформаций. Для предотвращения изгиба пластины во время ее нагружения применялась охватывающая оправка из неферромагнитного материала. Измерения проводились вдоль оси предварительного нагружения. Находились поля максимумов, рассчитывалось среднее поле Н_ср. Рассчитывались значения механических сжимающих напряжений σ_i^расч с использованием выражения (1) и сравнивались с истинными (действующими) напряжениями σ_i (таблица). Как видно из таблицы, максимальное отклонение рассчитанных значений σ_i^расч от истинных σ_i не превысило 3,6%.

Таким образом, полученные результаты подтверждают применимость устройства для количественной оценки величины средних сжимающих механических напряжений в локальной зоне контролируемого изделия.