Способ определения полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов

 

Способ относится к области неразрушающего контроля действовавших в детали полей напряжений в процессе эксплуатации. Производят намагничивание участка поверхности детали в виде матрицы локальных магнитных меток, имеющих два разноименных полюса S и N, с определенными шагом и периодом. Определяют разность экстремальных значений магнитного поля в полюсе S и полюсе N, которая является амплитудой магнитного поля метки. Напряжения, действовавшие в детали, определяют по градуировочному графику и относительному изменению амплитуды магнитного поля после нагружения в каждой точке. Технический результат - повышение точности и информативности полей напряжений в деталях и металлоконструкциях. 4 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю деталей и металлоконструкций, в частности для определения полей напряжений, действовавших в них в процессе эксплуатации. Может быть использовано для определения динамических полей напряжений, мест перегрузок и опасных сечений в деталях и металлоконструкциях, предупреждение поломок, аварий, а также при конструкторской разработке новой техники.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения импульсных механических напряжений, заключающийся в нанесении магнитных меток на ферромагнетик путем локального намагничивания и регистрации конечной индукции магнитного поля этих меток при действии импульса силы [1] . К недостаткам способа относится низкая точность измерения, обуславливается влиянием внешних магнитных полей и остаточной намагниченности материала изделия, а также отсутствием информации о полярности меток, их плотности и др. В а.с. [2] был предложен способ уменьшения влияния внешних магнитных полей, заключающийся в намагничивании проволоки разнополярными импульсами и измерении суммарного поля разнонаправленных остаточно намагниченных участков. К недостаткам способа относится применение только проволоки, а вследствие этого использование одномерного измерения.

Задачей изобретения является повышение точности и информативности при определении полей напряжений в деталях и металлоконструкциях.

Технический результат достигается тем, что поверхность детали намагничивается в виде матрицы локальных магнитных меток с определенными параметрами. Затем при сканировании матрицы производится запись магнитограмм с матрицы и по ним определяются экстремальные значения амплитуды магнитного поля каждой метки. После этого производится нагружение образца. Далее проводится повторное сканирование матрицы и определяется амплитуда магнитного поля меток в тех же точках поверхности, но уже после нагружения. Величина действовавших напряжений в области метки определяется по относительному изменению амплитуды магнитного поля метки и градуировочному графику.

Магнитная метка представляет собой остаточно намагниченный в одном направлении участок детали, на котором расположены полюса N и S. Матрица магнитных меток (фиг. 1, где: a - расстояние между полюсами метки, b - шаг матрицы, c - период матрицы) позволяет определять поля напряжений и, кроме того, уменьшать влияние внешнего магнитного поля Земли или поля лаборатории, остаточной намагниченности материала изделия и краевого эффекта на результаты измерения. В конечном итоге все это позволяет повышать точность измерений. Положительный эффект достигается тем, что при использовании матрицы магнитных меток создается участок одного направления намагниченности чередующийся с участком противоположного направления намагниченности, расположенный между метками (фиг. 1). Поэтому в результате действия внешнего магнитного поля на магнитную метку уменьшается остаточная намагниченность одного полюса (например, N ) но увеличивается остаточная намагниченность другого полюса (S ). В целом амплитуда магнитной метки не изменяется (фиг. 2) в магнитных полях, сравнимых с коэрцитивной силой. Для построения распределения полей напряжений нужно соотнести соответствующие данные величин напряжений каждой метки с положением метки в матрице на поверхности детали.

На фиг. 1 приведены некоторые варианты сформирования матрицы меток, где реализуется эта идея: а) шахматное расположение полюсов меток, б) расположение плюсов меток рядами.

В первом случае матрица обладает изотропными свойствами т.к. каждый полюс взаимодействует с четырьмя противоположными полюсами, при этом линии магнитного поля расположены в основном перпендикулярно.

Во втором случае матрица обладает анизотропными свойствами, здесь полюс взаимодействует с двумя противоположными полюсами, а линии магнитного поля расположены по одной прямой. Такой вариант целесообразно применять для анизотропных материалов и для одноосного нагружения.

Если располагать магнитные метки близко друг к другу, то при намагничивании последующего участка уменьшается поле остаточной намагниченности предыдущей магнитной метки. При большом расстоянии между метками снижается точность измерения полей напряжений вследствие уменьшения плотности информации, т. к. снижается количество носителей информации. Чем плотнее нанесены магнитные метки, тем выше точность и информативность метода. Опытным путем установлено, что оптимальным является вариант нанесения матрицы магнитных меток, при котором отношение шага матрицы к расстоянию между полюсами равно 2.5.

Способ может быть реализован с помощью следующего устройства (фиг. 3). Здесь 1 - исследуемая деталь, 2 - сменный элемент: ЭМ, датчик поля, 3 - сканирующее устройство, 4 - генератор тока, 5 - интерфейс, 6 - магнитометр, 7 - самописец.

При определении полей напряжений выбрана следующая последовательность действий.

Деталь или элемент металлоконструкции, в которой определяют напряжения, предварительно размагничивается. Размагничивание детали может производиться переменным магнитным полем с плавно убывающей амплитудой магнитного поля, от некоторого максимального значения до нуля, либо перемещением постоянного магнита с одновременным его вращением. Деталь устанавливается на сканирующее устройство 3. Затем наносится матрица магнитных меток на интересующий участок поверхности или на всю деталь. Это осуществляется с помощью электромагнита 2 и импульсного генератора тока 4 по программе, заложенной в ЭВМ. Далее производится сканирование датчиком по поверхности детали, при этом производится запись магнитограмм с матриц меток до нагружения. Запись магнитограмм осуществляется, например, с помощью датчика поля (феррозонда) 2 и феррозондового магнитометра 5 и самописца 6 (ЭВМ). Запись магнитограмм производится самописцем синхронно с перемещением датчика поля относительно матрицы. По магнитограммам определяются амплитуды магнитного поля каждой метки как разность значений H в максимуме и минимуме, т.е. H_r0 - H_max - H_min. Затем производится нагружение, повторное сканирование поверхности детали и запись магнитограмм матрицы меток после нагружения, из которых определяются амплитуды магнитного поля H_ri, каждой метки после нагружения. Далее определяется величина относительного изменения амплитуды магнитных меток (H_r0-H_ri)/H_r0. Распределение полей напряжений строится в соответствии с матрицей магнитных меток по величине относительного изменения амплитуды магнитных меток и градуировочной кривой.

Пример градуировочной кривой приведен на фиг. 4 для образца из стали 30X13 при статическом нагружении.

Существенно ускоряет процесс измерения оснащение установки ЭВМ, применяемой для автоматизации записи информации, ее обработки, хранения и построения графиков.

Источники информации 1. А.с. СССР N 767674, кл. G 01 L 1/12, 1980.

2. A.c. СССР N 1647296, кл. G 01 L 1/12, 1988.

Формула изобретения

Способ определения полей напряжений, заключающийся в локальном намагничивании поверхности ферромагнетика и регистрации величины магнитного поля рассеивания до и после нагружения, отличающийся тем, что на образец наносится матрица магнитных меток при шахматном расположении полюсов с отношением шага матрицы к расстоянию между полюсами не менее 2,5, а величина напряжений определяется по относительному изменению амплитуды магнитного поля в каждой метке и градуировочному графику.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4