RU173646U1

RU173646U1 - Магнитный структуроскоп

Info

Publication number: RU173646U1
Application number: RU2017105959U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Захаров; Сергей Михайлович Молин; Сергей Викторович Леньков; Владимир Алексеевич Колясев
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2017-09-04

Abstract

Полезная модель относится к области определения структуры ферромагнитных материалов путем исследования их магнитных характеристик и может быть использована для определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов. Технический результат - упрощение аппаратуры и повышение достоверности измерений. Устройство содержит корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, в котором намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа. Согласно предложению, ось чувствительности датчика магнитного поля перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства. Намагничивающее устройство может быть выполнено в виде двух постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными намагниченностями, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа, а структуроскоп дополнительно снабжен датчиком угла поворота намагничивающего устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области определения структуры ферромагнитных материалов путем исследования их магнитных характеристик и может быть использована для определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов.

Известен магнитный структуроскоп, содержащий двухполюсное намагничивающее устройство, выполненное на основе постоянного магнита, и датчик магнитного поля, расположенный между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства (патент РФ на полезную модель №162212, 2016).

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а также низкая достоверность контроля, обусловленные наличием в магнитной цепи устройства ферромагнитного элемента (магнитопровода) с нелинейными магнитными характеристиками.

Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является магнитный структуроскоп, содержащий корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами. Намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (патент РФ на полезную модель №166304, 2016 - прототип).

Недостатком известного устройства является низкая достоверность измерений из-за высокого начального уровня напряженности магнитного поля, а также сложность аппаратуры из-за необходимости дополнительных преобразований полезного сигнала.

Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение аппаратуры и повышение достоверности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в магнитном структуроскопе, содержащем корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, в котором намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, согласно предложению, ось чувствительности датчика магнитного поля перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства.

Намагничивающее устройство может быть выполнено в виде двух постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными намагниченностями, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа, а структуроскоп дополнительно снабжен датчиком угла поворота намагничивающего устройства.

Выполнение датчика магнитного поля с осью чувствительности, перпендикулярной направлению магнитного потока намагничивающего устройства, позволяет снизить начальный уровень полезного сигнала датчика до нуля, исключить дополнительные преобразования сигнала и, таким образом, повысить достоверность контроля и упростить измерительную аппаратуру. Кроме того, снижение начального уровня показаний аппаратуры позволяет применять для измерения напряженности магнитного поля (магнитной индукции) датчики с низким диапазоном измерений и большей чувствительностью.

Выполнение намагничивающих элементов структуроскопа в виде постоянных магнитов позволяет упростить устройство и снизить энергопотребление аппаратуры за счет исключения из нее соответствующих источников тока, а также использовать структуроскоп в режиме длительного мониторинга состояния объектов из ферромагнитных материалов без применения специальных крепежных элементов. Форма прямоугольного параллелепипеда магнитов обеспечивает повышение однородности магнитного поля в межполюсном пространстве намагничивающего устройства и достоверности измерений.

Применение в структуроскопе датчика угла поворота намагничивающего устройства обеспечивает упрощение процесса и повышение точности определения зависимости показаний аппаратуры от направления намагничивания контролируемого изделия.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция структуроскопа; на фиг. 2 - схема образования поперечной намагниченности в контролируемом изделии; на фиг. 3 - зависимость показаний Н структуроскопа от коэрцитивной силы Н_с образцов различных ферромагнитных материалов, на фиг. 4 - зависимость показаний Н структуроскопа от относительной деформации е образца при растяжении.

Магнитный структуроскоп (фиг. 1) содержит корпус 1 из немагнитного материала (например, алюминия) и поворотную платформу 2 из немагнитного материала (например, латуни), на которой установлены двухполюсное намагничивающее устройство в виде двух элементов 3 и датчик 4 магнитного поля, расположенный между ними со стороны рабочей поверхности структуроскопа (поверхности, взаимодействующей с поверхностью контролируемого ферромагнитного изделия 5). Намагничивающие элементы 3 могут быть выполнены в виде электрических катушек или постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа (как показано стрелками на элементах 3).

Поворотная платформа 2 с намагничивающими элементами 3 и датчиком 4 магнитного поля выполнена с возможностью вращения (поворота) относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (ось Z на фиг. 1), причем ось чувствительности датчика 4 перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства (перпендикулярна плоскости чертежа на фиг. 1).

Структуроскоп может быть дополнительно снабжен датчиком угла поворота намагничивающего устройства вокруг оси Z (на фиг. 1 не показан).

Магнитный структуроскоп работает следующим образом. При установке корпуса 1 структуроскопа (фиг. 1) на контролируемое ферромагнитное изделие 5 происходит намагничивание последнего с помощью двухполюсного устройства из намагничивающих элементов 3. При этом под действием внешнего магнитного поля (поля элементов 3) с напряженностью Н_е (фиг. 1) материал изделия под рабочей поверхностью структуроскопа приобретает намагниченность М, совпадающую по направлению с напряженностью Н_е. Поскольку ось чувствительности датчика 4 магнитного поля перпендикулярна векторам Н_е и М, то его показания, как и в отсутствие контролируемого изделия, равны нулю.

Далее, платформа 2 (фиг. 1) с намагничивающими элементами и датчиком магнитного поля поворачивается вокруг оси Z, например, против часовой стрелки. При этом благодаря наличию вращательного гистерезиса ферромагнитного материала происходит отставание вектора его намагниченности М от напряженности внешнего магнитного поля Н_е (фиг. 2) на некоторый угол, в результате чего появляются две составляющие М: продольная - М_пр и поперечная - М_пп, а датчик 4 магнитного поля фиксирует напряженность поля Н, прямо пропорциональную величине М_пп.

Как показывают экспериментальные исследования, напряженность поля Н структуроскопа однозначно зависит от коэрцитивной силы Н_с материала контролируемых изделий. В качестве примера на фиг. 3 представлена полученная в ходе эксперимента зависимость Н(Н_с) для трех образцов материалов - стали: Ст3 (Н_с=5,3 А/см); Ст45 (Н_с=7,1 А/см); 30X13 (Н_с=9,2 А/см). Намагничивающее устройство структуроскопа состояло из двух постоянных магнитов (элементы 3 на фиг. 1) 35×12×6 мм с намагниченностью, перпендикулярной граням 35×12 мм и рабочей поверхности устройства; расстояние между гранями 35×6 мм магнитов равно 26 мм. Измерения производились при зазоре между полюсами магнитов и поверхностью образцов 5 мм и расстоянии оси чувствительности датчика 4 (преобразователя Холла) от поверхности образцов, равном 1 мм.

Приведенная зависимость показывает, что, несмотря на различие в марках сталей, зависимость Н(Н_с) близка к линейной, выходящей из начала координат (пунктир на фиг. 3), поэтому предлагаемый прибор может быть использован для определения коэрцитивной силы материала и связанных (коррелирующих) с ней механических свойств или параметров напряженно-деформированного состояния изделия. Для измерения Н_с после установки структуроскопа на объект производится поворот его намагничивающего устройства с датчиком магнитного поля на угол, не меньший 360 градусов. При этом определяются значения Н контролируемого участка по различным (например, двум, взаимно перпендикулярным) направлениям, причем благодаря усреднению диаметрально противоположных значений Н удается устранить влияние внешних магнитных полей (например, поля Земли) на показания аппаратуры. По измеренным показаниям Н определяют значения Н_с с использованием зависимости Н_с(Н).

Структуроскоп может быть использован также в режиме непрерывного слежения (мониторинга) за перегрузкой объекта при контроле напряженно-деформированного состояния ферромагнитных изделий. Для этого устройство устанавливается на заданный участок изделия при отсутствии нагружения последнего, после чего намагничивающее устройство структуроскопа поворачивается на некоторый угол вокруг оси Z (фиг. 1) и фиксируется в положении, когда направление намагничивания совпадает с направлением нагружения объекта либо перпендикулярно ему. В дальнейшем, при нагружении объекта, происходит изменение состояния материала и показаний структуроскопа, по которым можно определить максимальную деформацию материала, до которой нагружался объект. Например, на фиг. 4 представлена зависимость показаний Н описанного ранее структуроскопа от относительной деформации е в упругой области одноосного растяжения образца из стали Ст3 (пластина с поперечным сечением 50×4 мм; намагничивание после магнитной подготовки - в направлении нагружения).

Видно, что сформированное в процессе первоначального поворота намагничивающего устройства структуроскопа (магнитной подготовки) состояние материала (Н=2,15 А/см при нулевой деформации) по мере растяжения образца начинает разрушаться, показания прибора снижаются, и если по достижении определенного уровня нагружения (например, е=0,03%) деформация уменьшается и в дальнейшем не превышает указанного максимального значения, то показания прибора остаются на уровне 1,1 А/см. Если в дальнейшем максимальная деформация достигнет больших значений (например, е=0,05%), то показания снизятся до уровня Н=0,5 А/см и будут оставаться на этом уровне до тех пор, пока деформация не превысит величину 0,05%.

При необходимости количественной оценки деформации е необходимо, как было указано ранее, повернуть намагничивающее устройство структуроскопа, установленного на заданный участок изделия, на угол, не меньший 360 градусов, и определить значения Н в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль и поперек направления нагружения объекта. Например, для рассмотренного выше образца стали Ст3 измеренные указанным способом значения Н равны: в исходном (ненагруженном состоянии) - Н_пр=2,15 А/см (в продольном направлении); Н_пп=2,15 (в поперечном направлении); при растяжении до уровня е=0,072%-Н_спр=1,57 А/см; Н_спп=2,67 А/см. Видно, что если в исходном состоянии в образце практически отсутствует анизотропия Н, то при нагружении разность ΔН=Н_пр-Н_пп увеличивается, достигая максимальной величины 1,1 А/см, то есть по величине ΔН можно определить текущее состояние материала.

Таким образом, благодаря эффекту появления поперечной намагниченности в ферромагнитном поликристаллическом материале при квазистатическом вращении (повороте) двухполюсного намагничивающего устройства и обнаруженной нами однозначной зависимости напряженности поля поперечной намагниченности от коэрцитивной силы таких материалов появляется возможность контроля механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий. При этом полезный сигнал аппаратуры лежит в области слабых магнитных полей (в отсутствие контролируемого объекта и при первичной установке устройства на объект напряженность поля Н равна нулю, а после поворота намагничивающего устройства не превышает единиц А/см), что существенно упрощает обработку сигнала и повышает точность измерений и достоверность контроля.

Claims

1. Магнитный структуроскоп, содержащий корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, в котором намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, отличающийся тем, что ось чувствительности датчика магнитного поля перпендикулярна направлению магнитного потока намагничивающего устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что намагничивающее устройство выполнено в виде двух постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными намагниченностями, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено датчиком угла поворота намагничивающего устройства.