PL176699B1

PL176699B1 - Method of determining spatial distribution of mechanical properties and/or stress in superficial layer of ferromagnetic materials and system therefor

Info

Publication number: PL176699B1
Application number: PL95306925A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Piech; Kazimierz Pomorski
Original assignee: Tomasz Piech; Kazimierz Pomorski
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1999-07-30
Also published as: PL306925A1

Abstract

1. Sposób wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych ι/Iub kierunków 1 wartości naprężeń ' mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych, przez magnesowanie w ustalonych 1 powtarzalnych warunkach polem magnetycznym cyklicznie zmiennym 1 pomiar liczby impulsów w przedziale czasu lub wartości skutecznej napięcia szumu Barkhausena RMS, przy użyciu głowicy pomiarowej wyposażonej w rdzenie ferromagnetyczne z uzwojeniami magnesującymi, przetwornika pomiarowego połączonego z elektronicznym układem analizującym 1 wyznaczenie wartości naprężeń mechanicznych, a następnie na ich podstawie wyznaczenie właściwości mechanicznych takich jak twardość materiału, wielkość ziarna, tekstura i innych, powodujących zmianę własności magnetycznych materiału, przez odczyt z tabel wzorcujących wartości określonych właściwości mechanicznych odpowiadających tym naprężeniom, znamienny tym, ze badany materiał poddaje się cyklicznemu przemagnesowaniu kontrolowanym przemiennym polem magnetycznym zmiennym kątowo o wartość zadaną, przy czym kierunek magnesowania ustala się za pomocą składowych strumienia magnetycznegowytwarzanego w dwóch skrzyżowanych rdzeniach ferromagnetycznych (B) głowicy pomiarowej z uzwojeniami magnesującymi (A) zasilanymi ze źródeł prądowych sin (19) i cos (20) oraz źródła prądu (21) składowej stałej 1 dla każdegokierunku dokonuje się pomiaru badanego parametru, przy czym pomiary prowadzi się do momentu ustalenia kierunku, w którym wartość indukowanego sygnału pomiarowego w przetworniku pomiarowym (D) osiągnie wartości ekstremalne, określające kierunki łatwego i trudnego magnesowania, a które to kierunki pokrywają się z kierunkami ekstremalnych naprężeń mechanicznych, a następnie ustawia się kierunek magnesowania tak, aby kąt pomiędzy wyznaczonym kierunkiem naprężeń ekstremalnych, a kierunkiem pola magnetycznego wynosił arc tg Of , gdzie μ oznacza współczynnik Poissona dla badanego materiału, następnie przy użyciu elektronicznego układu analizującego nastawia się dla tego kierunku wartość prądu magnesującego równą prądowi magnesującemu odpowiadającemu wartości prądu magnesującego wzorcowego materiału, przy którym sygnał pomiarowy nie jest zalezny od naprężeń, 1 dokonuje się pomiaru badanego parametru, następnie ponownie ustawia się pole na wcześniej określony kierunek naprężeń ekstremalnych i przy tej samej wartości prądu magnesującego, mierzy się badany parametrszumu Barkhausena w kierunkach łatwego 1 trudnego magnesowania i przez porównanie z wartościami uzyskanymi dla materiału wzorcowego wyznacza się wartości bezwzględne naprężeń mechanicznych ekstremalnych.1. Method of determining the spatial distributions of mechanical properties ι / I or directions 1 of the stress value • mechanical in the surface layer of ferromagnetic materials, by magnetization in fixed and repeatable conditions with a cyclically alternating magnetic field 1 measurement of the number of pulses in the time interval or the rms value Barkhausen RMS noise voltage, using a measuring head equipped with ferromagnetic cores with windings magnetizing, a measuring transducer connected with an electronic analyzing system and the determination of the stress value mechanical properties, and then on their basis determination of mechanical properties such as material hardness, grain size, texture and others, causing a change in the magnetic properties of the material, by reading from calibration tables values of certain mechanical properties corresponding to these stresses, characterized in that the tested material subjected to cyclic magnetization with a controlled alternating magnetic field alternating angularly by a value of the set point, where the magnetization direction is determined by the components of the magnetic flux generated in two crossed ferromagnetic cores (B) of the measuring head with magnetizing windings (A) fed from sources currents sin (19) and cos (20) and the current source (21) of the constant component 1 for each direction, the measurement of the tested parameter, the measurements are carried out until the direction in which the value of the induced signal is established in the measuring transducer (D) reaches extreme values, defining the directions of the easy and difficult magnetization, and which directions coincide with the directions of extreme mechanical stress, and then sets the direction of magnetization is so that the angle between the determined direction of extreme stresses and the field direction magnetic field was arc tan Of, where μ denotes the Poisson's ratio for the material under test, then using of the electronic analysis system, the value of the magnetizing current for this direction is set equal to the magnetizing current corresponding to the value of the magnetizing current of the reference material, at which the measuring signal is independent from stresses, 1 the measured parameter is measured, then the field is re-set to the predetermined direction extreme stresses and at the same value of the magnetizing current, the tested Barkhausen noise parameter is measured in the directions of easy and difficult magnetization and by comparison with the values obtained for the reference material absolute values of extreme mechanical stresses are determined.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości (własności) mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych oraz układ do wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych, zwłaszcza właściwości mechanicznych takich jak twardość materiału, wielkość ziarna, tekstura, oraz innych właściwości mechanicznych, powodujących zmianę własności magnetycznych materiału. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 128 220 miernik szumu magnetycznego, wykorzystujący zjawisko Barkhausena, przeznaczony do nie niszczącego badania stanu materiału w warstwie przypowierzchniowej przedmiotów wykonanych z ferromagnetyków. Szum magnetyczny powstający przy działaniu na ferromagnetyk zmiennym polem magnetycznym niesie w sobie informację o strukturze materiału, naprężeniach wewnętrznych, teksturze itp. Praktyczne wykorzystanie zjawiska uzależnione jest od technicznych możliwości magnesowania badanego obszaru i pomiaru szumu. Niezbędne jest magnesowanie w ustalonych, powtarzalnych warunkach, silnym polem, cyklicznie zmiennym. Przy tym dla określenia anizotropii magnetycznej układ powinien zapewniać identyczne magnesowanie w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Miernik zbudowany jest z sondy pomiarowej i elektronicznego układu analizującego. Sondę pomiarową stanowi rdzeń ferrytowy z pięcioma kolumnami przy czym na środkowej kolumnie nawinięte jest uzwojenie magnesujące, zaś na pozostałych kolumnach otaczających środkową, nawinięte są uzwojenia pomiarowe. Wyscia cewek pomiarowych połączone są dwoma torami wzmacniającymi, których wyscia połączone są z wejściami regulatora wzmocnienia. Wskazania miernika w tym układzie odpowiadają poziomowi szumu przy magnesowaniu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Sondę przykłada się do powierzchni badanego materiału. Sworzeń wystający z nabiegunnika środkowej kolumny powoduje włączenie prądu magnesującego i układu pomiarowego. Przez pary cewek pomiarowych umieszczone na zewnętrznych kolumnach zamykają się strumienie magnetyczne przebiegające równolegle do wzajemnie prostopadłych osi x i osi y. Napięcia indukowane w cewkach, będące harmonicznymi częstotliwości magnesowania odejmują się wzajemnie i przy zachowaniu symetrii obwodu magnetycznego, na wyjściach sondy pojawiają się napięcia indukowane przez szum magnetyczny, reprezentujące odpowiednio szum emitowany przy magnesowaniu wzdłuż osi x i osi y. Napięcia indukowane w cewkach pomiarowych podawane są na przedwzmacniacze i poprzez filtry na wzmacniacz końcowy sterujący wskaźnikiem wychyłowym miernika. Wskazanie miernika odpowiada napięciom Ux lub Uy lub U_s=1/2(Ux+Uy), a zatem poziomowi szumu przy magnesowaniu w kierunku x lub w kierunku y, lub średniej wartości szumu mierzonego przy magneso4The subject of the invention is a method of determining spatial distributions of mechanical properties (properties) and / or directions and values of mechanical stresses in the surface layer of ferromagnetic materials and a system for determining spatial distributions of mechanical properties and / or directions and values of mechanical stresses in the surface layer of ferromagnetic materials, especially mechanical properties. such as material hardness, grain size, texture, and other mechanical properties that alter the magnetic properties of the material. A magnetic noise meter using the Barkhausen effect is known from the Polish patent specification No. 128 220, intended for non-destructive testing of the condition of the material in the subsurface layer of objects made of ferromagnetic materials. Magnetic noise generated when a ferromagnet is exposed to an alternating magnetic field carries information about the structure of the material, internal stresses, texture, etc. The practical use of the phenomenon depends on the technical possibilities of magnetizing the studied area and measuring the noise. It is necessary to magnetize under steady, repeatable conditions, with a strong, cyclically changing field. In order to determine the magnetic anisotropy, the system should ensure identical magnetization in two mutually perpendicular directions. The meter is made of a measuring probe and an electronic analyzing system. The measuring probe is a ferrite core with five columns, where the magnetizing winding is wound on the middle column, and the measuring windings are wound on the remaining columns surrounding the middle one. The outputs of the measuring coils are connected by two amplifying lines, the outputs of which are connected to the inputs of the gain regulator. The meter indications in this system correspond to the noise level during magnetization in two mutually perpendicular directions. The probe is placed on the surface of the tested material. A pin protruding from the pole piece of the middle column activates the magnetizing current and the measurement system. The magnetic fluxes running parallel to the mutually perpendicular x and y axes are closed by pairs of measuring coils placed on the outer columns. The induced voltages in the coils, being the harmonics of the magnetization frequencies, are mutually subtracted and while maintaining the symmetry of the magnetic circuit, voltage induced by noise appears at the probe outputs magnetic, representing respectively the noise emitted during magnetization along the x and y axes. The induced voltages in the measuring coils are fed to the preamplifiers and through the filters to the final amplifier controlling the meter deflection indicator. The meter reading corresponds to the voltages Ux or Uy or U _s = 1/2 (Ux + Uy), hence the noise level during magnetization in the x-direction or in the y-direction, or the average value of the noise measured at magnet4

176 699 waniu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Możliwe jest również wskazanie anizotropii magnetycznej A=(U_x-Uy):U_s.In two mutually perpendicular directions. It is also possible to indicate the magnetic anisotropy A = (U _x -Uy): U _s .

Znany jest również układ przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 113 837, który zawiera dwie cewki, nawinięte współosiowo. Zewnętrzna cewka jest magnesująca, zaś wewnętrzna jest pomiarowa, wewnątrz której umieszcza się badaną próbkę. W pobliżu próbki umieszczony jest czujnik do pomiaru pola magnesującego, połączony ze stabilizowanym źródłem prądu i wzmacniaczem. Cewka magnesująca połączona jest poprzez wzmacniacz z generatorem napięcia sinusoidalnego o nastawionej częstotliwości, zaś cewka pomiarowa połączona jest poprzez integrator i przełącznik z zespołem pomiarów wartości chwilowej. Układ ten służy do wyznaczania przestrzennych rozkładów naprężeń lub własności mechanicznych w materiałach ferromagnetycznych bez niszczenia próbki.The system described in Polish patent specification No. 113 837 is also known, which includes two coils wound coaxially. The outer coil is magnetizing, while the inner coil is measuring, inside which the test sample is placed. Near the sample, there is a sensor for measuring the magnetizing field, connected to a stabilized current source and an amplifier. The magnetizing coil is connected through an amplifier with a sinusoidal voltage generator with a set frequency, and the measuring coil is connected through an integrator and a switch with a unit of instantaneous value measurements. This system is used to determine spatial stress distributions or mechanical properties in ferromagnetic materials without destroying the sample.

Wyznaczenie przestrzennego rozkładu naprężeń wewnętrznych badanej próbki przebiega następująco. Wyznacza się krzywą komutacyjną magnesowania badanej próbki metodą stałoprądową. Z krzywej magnesowania wyznacza się zależność dynamicznej przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnesującego próbkę. Wyznaczoną zależność wczytuje się w postaci odpowiedniej tablicy do pamięci maszyny cyfrowej. Zmieniając n razy częstotliwość pola magnesującego próbkę, odczytuje się przy każdej wartości Wk (częstość kołowa pola magnesującego) chwilową wartość strumienia magnetycznego Φ oraz maksymalną wartość składowej stycznej pola magnesującego. Odczytane wartości wczytuje się do pamięci maszyny cyfrowej, rozwiązującej układ równań według określonej formuły matematycznej. Rozwiązanie układu równań względem Xi (współczynnik niejednorodności magnetycznej próbki określony z zależności Xi = μ]Ιμ), daje szukany przestrzenny rozkład niejednorodności magnetycznej próbki. Przy wyznaczeniu innych własności mechanicznych jak np. rozkładu twardości w próbce stosuje się dodatkowo podmagnesowywanie próbki stałym polem magnetycznym.The determination of the spatial distribution of internal stresses of the tested sample is as follows. The commutation curve for the magnetization of the tested sample is determined by the direct current method. The dependence of the dynamic magnetic permeability on the field strength of the sample magnetizing is determined from the magnetization curve. The determined dependence is loaded into the memory of the digital machine in the form of an appropriate table. By changing the frequency of the sample's magnetizing field n times, the instantaneous value of the magnetic flux Φ and the maximum value of the tangent component of the magnetizing field are read for each value of Wk (circular frequency of the magnetizing field). The read values are loaded into the memory of a digital machine, which solves the system of equations according to a specific mathematical formula. The solution of the system of equations with respect to Xi (the magnetic heterogeneity coefficient of the sample determined from the relationship Xi = μ] Ιμ) gives the spatial distribution of the sample's magnetic heterogeneity. When determining other mechanical properties, such as the hardness distribution in the sample, the sample is additionally demagnetized with a constant magnetic field.

Znane jest z niemieckiego opisu patentowego nr DE 3628481 urządzenie do pomiaru właściwości mechanicznych stali, za pomocą którego wyznaczyć można twardość lub kruchość stali. Nie zapewnia ono jednak pomiaru kierunków i wartości naprężeń mechanicznych.A device for measuring the mechanical properties of steel, which can be used to determine the hardness or brittleness of the steel, is known from the German patent description DE 3628481. However, it does not provide the measurement of directions and values of mechanical stresses.

Znane z opisu patentowego USA 4599563 rozwiązanie pozwala na wyznaczenie współczynnika anizotropii ferromagnetycznej stali wykorzystujące zjawisko Barkhausena, za pomocą pomiaru napięcia szumu w kierunkach krystalograficznych.The solution known from the US patent 4,599,563 allows to determine the ferromagnetic anisotropy coefficient of steel using the Barkhausen effect by measuring the noise voltage in crystallographic directions.

Według wynalazku, sposób wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych, przez magnesowanie w ustalonych i powtarzalnych warunkach polem magnetycznym cyklicznie zmiennym i pomiar liczby impulsów w przedziale czasu lub wartości skutecznej napięcia szumu Barkhausena RMS, przy użyciu głowicy pomiarowej wyposażonej w rdzenie ferromagnetyczne z uzwojeniami magnesującymi, przetwornika pomiarowego połączonego z elektronicznym układem analizującym i wyznaczenie wartości naprężeń mechanicznych, a następnie na ich podstawie wyznaczenie właściwości mechanicznych takich jak twardość materiału, wielkość ziarna, tekstura i innych powodujących zmianę własności magnetycznych materiału, przez odczyt z tabel wzorcujących wartości określonych właściwości mechanicznych odpowiadających tym naprężeniom, wyróżnia się tym, że badany materiał poddaje się cyklicznemu przemagnesowaniu kontrolowanym przemiennym polem magnetycznym zmiennym kątowo o wartość zadaną, przy czym kierunek magnesowania ustala się za pomocą składowych strumienia magnetycznego wytwarzanego w dwóch skrzyżowanych rdzeniach ferromagnetycznych głowicy pomiarowej z uzwojeniami magnesującymi zasilanymi ze źródeł prądowych sin Φ i cos Φ oraz źródła prądu składowej stałej i dla każdego kierunku dokonuje się pomiaru badanego parametru. Pomiary prowadzi się do momentu ustalenia kierunku, w którym wartość indukowanego sygnału pomiarowego w przetworniku pomiarowym osiągnie wartości ekstremalne, to jest maksimum i minimum sygnału, określające kierunki łatwego i trudnego magnesowania. Nastawione wartości składowych strumieni magnesujących w momencie osiągania przez sygnał pomiarowy wartości ekstremalnych określają jednoznacznie kierunki łatwego (ma176 699 ksimum sygnału) i trudnego (minimum sygnału) magnesowania, które są równocześnie kierunkami głównych ekstremalnych (głównych) naprężeń mechanicznych.According to the invention, a method of determining spatial distributions of mechanical properties and / or directions and values of mechanical stresses in the surface layer of ferromagnetic materials, by magnetizing under steady and repeatable conditions with a cyclically changing magnetic field and measuring the number of pulses in a time interval or the effective value of the Barkhausen noise voltage RMS, with using a measuring head equipped with ferromagnetic cores with magnetizing windings, a measuring transducer connected with an electronic analyzing system and determining the value of mechanical stresses, and then determining the mechanical properties such as material hardness, grain size, texture and other changes causing a change in the magnetic properties of the material by reading from calibration tables the values of specific mechanical properties corresponding to these stresses, is distinguished by the fact that the tested material is subjected to cyclic degaussing alternating angularly varying magnetic field with a set value, the direction of magnetization being determined by the components of the magnetic flux generated in two crossed ferromagnetic cores of the measuring head with magnetizing windings powered from sin Φ and cos Φ current sources and a constant current source for each direction the tested parameter is measured. The measurements are carried out until the direction in which the value of the induced measurement signal in the measuring transducer is reached is extreme, i.e. the signal maximum and minimum, defining the directions of easy and difficult magnetization. The set values of the magnetizing flux components when the measurement signal reaches extreme values clearly define the directions of easy (signal maximum) and difficult (signal minimum) magnetization, which are also the directions of the main extreme (main) mechanical stresses.

Wartości ekstremalne i ich kierunki wyznacza się przy użyciu specjalistycznego oprogramowania komputerowego umożliwiającego na przykład wyznaczenie rozkładów naprężeń w układzie współrzędnych biegunowych. Następnie ustawia się kierunek magnesowania tak, aby kąt pomiędzy wyznaczonym kierunkiem naprężeń ekstremalnych, a kierunkiem pola magnetycznego wynosił arc tg W/, gdzie μ oznacza współczynnik Poissona dla badanego materiału. Przy tym kącie sygnał pomiarowy z przetwornika pomiarowego nie zależy od wartości naprężeń mechanicznych, a jedynie od właściwości strukturalnych materiału. Następnie przy użyciu elektronicznego układu analizującego nastawia się dla tego kierunku wartość prądu magnesującego równą prądowi magnesującemu odpowiadającemu wartości prądu magnesującego wzorcowego materiału i dokonuje się pomiaru badanego parametru, następnie ponownie ustawia się pole na wcześniej określony kierunek naprężeń ekstremalnych i przy tej samej wartości prądu magnesującego, mierzy się badany parametr szumu Barkhausena w kierunkach łatwego i trudnego magnesowania i przez porównanie z wartościami uzyskanymi dla materiału wzorcowego wyznacza się wartości bezwzględne naprężeń ekstremalnych (głównych). Przed pomiarem przeprowadza się procedurę skalowania dla badanego materiału, określając związek pomiędzy wybranym parametrem szumu Barkhausena, a wymuszonym poziomem naprężeń zewnętrznych, na przykład za pomocą obciążeń statycznych w zakresie sprężystym. Tworząc bibliotekę tabel skalujących dla różnych materiałów, w systemie oprogramowania komputerowego, jeżeli znany jest rodzaj materiału badanego można wyznaczyć wartości bezwzględne naprężeń głównych.Extreme values and their directions are determined using specialized computer software that allows, for example, the determination of stress distributions in the polar coordinate system. Then the magnetization direction is set so that the angle between the determined extreme stress direction and the magnetic field direction is arc tan W /, where μ is the Poisson's ratio for the tested material. At this angle, the measuring signal from the measuring transducer does not depend on the value of the mechanical stress, but only on the structural properties of the material. Then, using the electronic analyzing system, the value of the magnetizing current for this direction is set, equal to the magnetizing current corresponding to the value of the magnetizing current of the reference material, and the tested parameter is measured, then the field is re-set to the predetermined direction of extreme stresses, and at the same value of the magnetizing current, the the tested Barkhausen noise parameter in the directions of easy and difficult magnetization and by comparing with the values obtained for the reference material, the absolute values of extreme (main) stresses are determined. Before the measurement, a scaling procedure is carried out for the tested material, determining the relationship between the selected Barkhausen noise parameter and the forced level of external stresses, for example by means of static loads in the elastic range. By creating a library of scaling tables for various materials, in the computer software system, if the type of the tested material is known, the absolute values of the principal stresses can be determined.

Układ według wynalazku, składający się z głowicy pomiarowej zawierającej rdzenie ferromagnetyczne z uzwojeniami magnesującymi i przetwornik pomiarowy połączone z elektronicznym układem analizującym, zawierającym wzmacniacz, filtry, integrator, przestrajany generator napięcia przemiennego oraz stabilizowane źródło napięcia, wyróżnia się tym, że rdzenie ferromagnetyczne są dwa, odsunięte od siebie i skrzyżowane, a pomiędzy nabiegunnikami rdzeni umieszczone są potencjometry magnetyczne, natomiast przetwornik pomiarowy umieszczony jest w środku krzyżujących się rdzeni, przy czym uzwojenie przetwornika pomiarowego połączone jest poprzez wstępny wzmacniacz pomiarowy z filtrami zaporowymi składowych harmonicznych prądu magnesującego i dalej ze wzmacniaczem pomiarowym, układem formowania impulsów, przetwornikiem wartości skutecznej, przetwornikiem A/C oraz korzystnie portem komputera, przy czym sygnał z uzwojenia potencjometru magnetycznego podany jest na wejście wzmacniacza, z którego sygnał wyjściowy podany jest do komparatora wraz z napięciem referencyjnym, a sygnał wyjściowy z komparatora podany jest do regulatora, który połączony jest na wyjściu ze wzmacniaczem amplitudy prądu magnesującego zasilanym z integratora za pośrednictwem wzmacniacza proporcjonalnego, natomiast na wejście integratora podany jest sygnał z przestrajanego generatora za pośrednictwem dzielnika częstotliwości, którego sygnał podany jest również do filtrów zaporowych, natomiast źródła prądowe sin φ i cos φ połączone są z przetwornikiem C/A sterowanym z portu komputera oraz ze wzmacniaczem amplitudy prądu magnesującego. Układ wyróżnia się również tym, że odległość rdzeni ferromagnetycznych głowicy pomiarowej w miejscu ich skrzyżowania jest nie mniejsza niż grubość rdzenia.The system according to the invention, consisting of a measuring head containing ferromagnetic cores with magnetizing windings and a measuring transducer connected with an electronic analyzing system, including an amplifier, filters, integrator, tunable AC voltage generator and a stabilized voltage source, is distinguished by the fact that there are two ferromagnetic cores, spaced apart and crossed, and between the pole pieces of the cores there are magnetic potentiometers, while the measuring transducer is placed in the center of the crossing cores, while the winding of the measuring transducer is connected through the initial measuring amplifier with stop filters of the harmonic components of the magnetizing current and then with the measuring amplifier, pulse shaping system, RMS converter, A / D converter and preferably a computer port, the signal from the magnetic potentiometer winding is fed to the input of the amplifier, from which the signal the output signal is fed to the comparator together with the reference voltage, and the output signal from the comparator is fed to the regulator, which is connected at the output to the magnetizing current amplitude amplifier supplied from the integrator through the proportional amplifier, while the signal from the tuned generator is fed to the integrator input via frequency divider, the signal of which is also fed to the barrier filters, while the current sources sin φ and cos φ are connected with the D / A converter controlled from the computer port and with the magnetizing current amplitude amplifier. The system is also distinguished by the fact that the distance between the ferromagnetic cores of the measuring head at their crossing point is not less than the core thickness.

Zaletą sposobu i urządzenia według wynalazkujest uzyskanie wartości bezwzględnych naprężeń mechanicznych istniejących w warstwie wierzchniej bez potrzeby odciążania obiektu i jego wzorcowania. Ponadto sposób według wynalazku umożliwia stosowania metody pomiaru naprężeń w warstwie wierzchniej bez konieczności czyszczenia powierzchni, usuwania warstwy ochronnej, jak również niezależność wyniku pomiaru od chropowatości powierzchni badanego obiektu, a wynik pomiaru uzyskiwany jest w układzie współrzędnych związanych na stałe z głowicą pomiarową tak, że kierunki działania naprężeń głównych łatwo jest ustalić przez odpowiednie umieszczenie głowicy pomiarowej na przykład równolegle do krawędzi obiektu.The advantage of the method and the device according to the invention is obtaining the absolute values of the mechanical stresses existing in the surface layer without the need to unload the object and its calibration. In addition, the method according to the invention allows the use of the method of measuring stresses in the surface layer without the need to clean the surface, remove the protective layer, as well as the independence of the measurement result from the roughness of the surface of the tested object, and the measurement result is obtained in a coordinate system permanently associated with the measuring head so that the directions principal stresses are easily determined by suitable positioning of the measuring head, for example, parallel to the edge of the object.

Sposób według wynalazku jest objaśniony bliżej w oparciu o schemat układu uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowyThe method according to the invention is explained in more detail with reference to the circuit diagram shown in the exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram.

176 699 układu, zaś fig. 2 - głowicę pomiarową w widoku od strony stykania się jej z badanym materiałem.176 699 of the system, and Fig. 2 - the measuring head in the view from the side of contact with the tested material.

Głowicę pomiarową 1 przyłożono do powierzchni elementu konstrukcji stalowej. Sterowana programowo z portu komputera 9 poprzez pierwszy i drugi przetwornik C/A 23 i 24; zmiana składowych strumienia magnetycznego, wytwarzanego w dwóch skrzyżowanych rdzeniach ferromagnetycznych B z uzwojeniami magnesującymi A zasilanych ze źródeł prądowych sin φ 19, cos φ 20 oraz źródła prądu składowej stałej 21, zasilanego ze stabilizowanego źródła napięcia 22, zmienia kierunek pola magnetycznego w badanym elemencie z zadanym skokiem kątowym. Mierząc przetwornikiem pomiarowym D dla poszczególnych kierunków magnesowania parametry szumu Barkhausena, na przykład skuteczną wartość napięcia szumu lub liczbę impulsów w nastawionym przedziale czasowym, dla poszczególnych kierunków magnesowania i poprzez wstępny wzmacniacz pomiarowy 2 filtry zaporowe 3 i 4, wzmacniacz pomiarowy 5, układ formowania impulsów 6, dodatkowo również przez przetwornik wartości skutecznej 7 i przetwornik A/C 8 określono wartości ekstremalne indukowanego sygnału pomiarowego. Ustawiono kierunek pola magnesującego tak, aby kąt pomiędzy wyznaczonym kierunkiem naprężenia głównego a kierunkiem pola magnesującego wynosił arc tg Vf/T, gdzie μ jest współczynnikiem Poissona dla badanego materiału. Przy kącie tym sygnał pomiarowy jest niezależny od naprężeń mechanicznych, a jedynie od właściwości strukturalnych materiału. Po ustawieniu tego kierunku, mierzono napięcie magnetyczne za pomocą potencjometru magnetycznego C umieszczonego w głowicy pomiarowej 1. Napięcie to podawane jest na wejście wzmacniacza potencjometru magnetycznego 10 oraz porównywane w komparatorze 11 z napięciem referencyjnym 12. Sygnał wyjściowy z komparatora 11 podany jest poprzez regulator 13 do wzmacniacza amplitudy prądu magnesującego 14 i po ponownym pomiarze parametrów szumu Barkhausena w kierunkach zgodnych z kierunkami naprężeń głównych, obliczono wartości bezwzględne naprężeń głównych. Parametry prądu magnesującego o przebiegu piłokształtnym i częstotliwości 4 Hz ustalono za pomocą przestrajanego generatora 17, dzielnika częstotliwości 18, integratora 15, wzmacniacza proporcjonalnego 16 o współczynniku wzmocnienia proporcjonalnym do częstotliwości prądu magnesującego. Dzielnik częstotliwości 18 steruje pracą filtrów zaporowych pierwszej 3 i trzeciej harmonicznej prądu magnesującego 4. Wyznaczenie składowej naprężeń w głąb materiału dokonywane jest po uprzednim określeniu charakterystyk częstotliwościowych materiału, uzyskiwanych dzięki przestrajanemu generatorowi 17 sterowanemu z portu komputera 9 oraz algorytmu obróbki sygnału pomiarowego szumu Barkhausena. Przed pomiarem przeprowadza się procedurę skalowania dla badanego materiału, określając związek pomiędzy wybranym parametrem szumu Barkhausena, a wymuszonym poziomem naprężeń zewnętrznych, na przykład za pomocą obciążeń statycznych w zakresie sprężystym. Tworząc bibliotekę tabel skalujących dla różnych materiałów w systemie oprogramowania komputerowego, jeżeli znany jest rodzaj materiału badanego można wyznaczyć wartości bezwzględne naprężeń głównych.The measuring head 1 was placed on the surface of a steel structure element. Program controlled from computer port 9 via first and second D / A converters 23 and 24; change of the components of the magnetic flux generated in two crossed ferromagnetic cores B with magnetizing windings A supplied from current sources sin φ 19, cos φ 20 and a constant current source 21, supplied from a stabilized voltage source 22, changes the direction of the magnetic field in the tested element with the given angular pitch. By measuring the measuring transducer D for individual magnetization directions, the Barkhausen noise parameters, for example the effective value of the noise voltage or the number of pulses in the set time interval, for the individual magnetization directions and through the initial measurement amplifier 2 barrier filters 3 and 4, measuring amplifier 5, pulse forming system 6 additionally, also by means of the RMS converter 7 and the A / D converter 8 the extreme values of the induced measurement signal were determined. The direction of the magnetizing field was set so that the angle between the determined direction of the main stress and the direction of the magnetizing field was arc tg Vf / T, where μ is the Poisson's ratio for the tested material. At this angle, the measurement signal is independent of the mechanical stress, but only of the structural properties of the material. After this direction was set, the magnetic voltage was measured using the magnetic potentiometer C placed in the measuring head 1. This voltage is fed to the input of the magnetic potentiometer amplifier 10 and compared in the comparator 11 with the reference voltage 12. The output signal from the comparator 11 is given through the regulator 13 to of the magnetizing current amplitude amplifier 14, and after re-measuring the Barkhausen noise parameters in the directions of the principal stresses, the absolute values of the principal stresses were calculated. The parameters of the magnetizing current with a sawtooth wave and the frequency of 4 Hz were established by a tunable generator 17, frequency divider 18, integrator 15, proportional amplifier 16 with a gain factor proportional to the frequency of the magnetizing current. The frequency divider 18 controls the operation of the stop filters of the first 3 and third harmonics of the magnetizing current 4. Determination of the stress component deep into the material is made after determining the frequency characteristics of the material, obtained thanks to the tunable generator 17 controlled from the computer port 9 and the Barkhausen noise measurement signal processing algorithm. Before the measurement, a scaling procedure is carried out for the tested material, determining the relationship between the selected Barkhausen noise parameter and the forced level of external stresses, for example by means of static loads in the elastic range. By creating a library of scaling tables for various materials in a computer software system, if the type of the tested material is known, the absolute values of the principal stresses can be determined.

176 699176 699

Fig. 2Fig. 2

176 699176 699

Fig. 1Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 70 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Zastrzeżenia patentowePatent claims

1. Sposób wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych, przez magnesowanie w ustalonych i powtarzalnych warunkach polem magnetycznym cyklicznie zmiennym i pomiar liczby impulsów w przedziale czasu lub wartości skutecznej napięcia szumu Barkhausena RMS, przy użyciu głowicy pomiarowej wyposażonej w rdzenie ferromagnetyczne z uzwojeniami magnesującymi, przetwornika pomiarowego połączonego z elektronicznym układem analizującym i wyznaczenie wartości naprężeń mechanicznych, a następnie na ich podstawie wyznaczenie właściwości mechanicznych takich jak twardość materiału, wielkość ziarna, tekstura i innych, powodujących zmianę własności magnetycznych materiału, przez odczyt z tabel wzorcujących wartości określonych właściwości mechanicznych odpowiadających tym naprężeniom, znamienny tym, że badany materiał poddaje się c^i^lli^ć^i^emu przemagnesowaniu kontrolowanym przemiennym polem magnetycznym zmiennym kątowo o wartość zadaną, przy czym kierunek magnesowania ustala się za pomocą składowych strumienia magnetycznego wytwarzanego w dwóch skrzyżowanych rdzeniach ferromagnetycznych (B) głowicy pomiarowej z uzwojeniami magnesującymi (A) zasilanymi ze źródeł prądowych sin Φ (19) i cos Φ (20) oraz źródła prądu (21) składowej stałej i dla każdego kierunku dokonuje się pomiaru badanego parametru, przy czym pomiary prowadzi się do momentu ustalenia kierunku, w którym wartość indukowanego sygnału pomiarowego w przetworniku pomiarowym (D) osiągnie wartości ekstremalne, określające kierunki łatwego i trudnego magnesowania, a które to kierunki pokrywają się z kierunkami ekstremalnych naprężeń mechanicznych, a następnie ustawia się kierunek magnesowania tak, aby kąt pomiędzy wyznaczonym kierunkiem naprężeń ekstremalnych, a kierunkiem pola magnetycznego wynosił arc tg ΤΧ/μ, gdzie μ oznacza współczynnik Poissona dla badanego materiału, następnie przy użyciu elektronicznego układu analizującego nastawia się dla tego kierunku wartość prądu magnesującego równą prądowi magnesującemu odpowiadającemu wartości prądu magnesującego wzorcowego materiału, przy którym sygnał pomiarowy nie jest zależny od naprężeń, i dokonuje się pomiaru badanego parametru, następnie ponownie ustawia się pole na wcześniej określony kierunek naprężeń ekstremalnych i przy tej samej wartości prądu magnesującego, mierzy się badany parametr szumu Barkhausena w kierunkach łatwego i trudnego magnesowania i przez porównanie z wartościami uzyskanymi dla materiału wzorcowego wyznacza się wartości bezwzględne naprężeń mechanicznych ekstremalnych.1. The method of determining spatial distributions of mechanical properties and / or directions and values of mechanical stresses in the surface layer of ferromagnetic materials, by magnetizing in fixed and repeatable conditions with a cyclically changing magnetic field and measuring the number of pulses in the time interval or the effective value of the Barkhausen noise voltage RMS, using a measuring head equipped with ferromagnetic cores with magnetizing windings, a measuring transducer connected with an electronic analyzing system and the determination of the value of mechanical stresses, and then on their basis, determination of mechanical properties such as material hardness, grain size, texture and others, causing a change in the magnetic properties of the material by reading from calibration tables the values of specific mechanical properties corresponding to these stresses, characterized by the fact that the tested material is subjected to a controlled remagnetization alternating an angularly variable magnetic field by a set value, where the magnetization direction is set by the components of the magnetic flux generated in two crossed ferromagnetic cores (B) of the measuring head with magnetizing windings (A) supplied from current sources sin Φ (19) and cos Φ ( 20) and the current source (21) of the constant component, and for each direction, the measured parameter is measured, and the measurements are carried out until the direction in which the value of the induced measurement signal in the measuring transducer (D) reaches extreme values, defining the directions of easy and difficult magnetization, and which directions coincide with the directions of extreme mechanical stress, and then the magnetization direction is set so that the angle between the determined direction of extreme stresses and the direction of the magnetic field is arc tg ΤΧ / μ, where μ is the Poisson's ratio for the tested material then using electronic of the analyzing system, the value of the magnetizing current for this direction is set equal to the magnetizing current corresponding to the value of the magnetizing current of the reference material, at which the measuring signal is not dependent on stresses, and the tested parameter is measured, then the field is re-set to the predetermined direction of extreme stresses and at the same value of the magnetizing current, the tested Barkhausen noise parameter is measured in the directions of easy and difficult magnetization and by comparing it with the values obtained for the reference material, the absolute values of extreme mechanical stresses are determined.

2. Układ do wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych, składający się z głowicy pomiarowej zawierającej rdzenie ferromagnetyczne z uzwojeniami magnesującymi i przetwornik pomiarowy, połączone z elektronicznym układem analizującym, zawierającym wzmacniacz, filtr, integrator, przestrajany generator napięcia przemiennego oraz stabilizowane źródło napięcia, znamienny tym, że zawiera dwa rdzenie ferromagnetyczne (B) odsunięte od siebie i skrzyżowane, a pomiędzy nabiegunnikami rdzeni (B) umieszczone są potencjometry magnetyczne (C), natomiast przetwornik pomiarowy (D) umieszczony jest w środku krzyżujących się rdzeni (B), przy czym uzwojenie przetwornika pomiarowego (D) połączone jest poprzez wstępny wzmacniacz pomiarowy (2) z filtrami zaporowymi (3, 4) składowych harmonicznych i daej ze wzmac176 699 niaczem pomiarowym (5), układem formowania impulsów (6), przetwornikiem wartości skutecznej (7), przetwornikiem A/C (8) oraz korzystnie portem komputera (9), przy czym sygnał z uzwojenia potencjometru magnetycznego (C) podany jest na wzmacniacz (10), z którego sygnał wyjściowy podany jest do komparatora (11) wraz z napięciem referencyjnym (12), a sygnał wyjściowy z komparatora (11) podany jest do regulatora (13), który połączony jest na wyjściu ze wzmacniaczem amplitudy prądu magnesującego (14) zasilanym z integratora (15) za pośrednictwem wzmacniacza proporcjonalnego (16), natomiast na wejście integratora (15) podany jest sygnał z przestrajanego generatora (17) za pośrednictwem dzielnika częstotliwości (18), którego sygnał podany jest również do filtrów zaporowych (3,4), natomiast źródła prądowe sin φ i cos φ (19, 20) połączone są z przetwornikami C/A (23, 24) sterowanymi korzystnie z portu komputera (9) oraz ze wzmacniaczem amplitudy prądu magnesującego (14).2. A system for determining spatial distributions of mechanical properties and / or directions and values of mechanical stresses in the surface layer of ferromagnetic materials, consisting of a measuring head containing ferromagnetic cores with magnetizing windings and a measuring transducer, connected with an electronic analyzing system, including an amplifier, filter, integrator , a tunable alternating voltage generator and a stabilized voltage source, characterized in that it contains two ferromagnetic cores (B) spaced apart and crossed, and between the pole pieces of the cores (B) there are magnetic potentiometers (C), while the measuring transducer (D) is placed in the center of the crossing cores (B), where the winding of the measuring transducer (D) is connected through the initial measuring amplifier (2) with the stop filters (3, 4) of harmonic components and further with the measuring amplifier 176 699 (5), with the impulse forming system (6), converter m RMS value (7), A / C converter (8) and preferably a computer port (9), while the signal from the magnetic potentiometer winding (C) is sent to the amplifier (10), from which the output signal is fed to the comparator (11) ) together with the reference voltage (12), and the output signal from the comparator (11) is fed to the controller (13), which is connected at the output to the magnetizing current amplitude amplifier (14) supplied from the integrator (15) via the proportional amplifier (16) ), while the input of the integrator (15) is fed with the signal from the tuned generator (17) through the frequency divider (18), the signal of which is also fed to the stop filters (3,4), while the current sources sin φ and cos φ (19 20) are connected to D / A converters (23, 24) preferably controlled from the computer port (9) and to the magnetizing current amplitude amplifier (14).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że odległość rdzeni ferromagnetycznych (B) głowicy pomiarowej (1) w miejscu ich skrzyżowania jest nie mniejsza niż grubość rdzenia (B).The system according to p. The method according to claim 2, characterized in that the distance of the ferromagnetic cores (B) of the measuring head (1) in the place of their crossing is not less than the thickness of the core (B).

* * ** * *