RU2573118C2

RU2573118C2 - Система и способ для определения механического напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала

Info

Publication number: RU2573118C2
Application number: RU2012155600/28A
Authority: RU
Inventors: Луиджи МЕРЛЕТТИ; Габриэле ФАНТОНИ; Лукаш МЕРЧАК; Дэвид К. ДЖИЛЗ
Original assignee: Агустауэстлэнд С.П.А.
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2016-01-20
Also published as: EP2572175B1; CN102971612B; US20130116938A1; KR20130115078A; JP5981420B2; US9488537B2; JP2013526722A; CN102971612A; WO2011144998A1; ITTO20100095U1; KR101888073B1; EP2572175A1; RU2012155600A

Abstract

Изобретение относится к системе и способу для определения механического напряжения компонента самолета, изготовленного из намагниченного материала. Техническим результатом изобретения является упрощение определения механического напряжения на различной глубине компонента. Система для определения значимой величины (σ) механического напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала, содержит: ступень генерирования магнитного поля с изменяющейся амплитуды и ступень захвата для приема сигнала шума Баркгаузена (MBN) при изменениях амплитуды (H) магнитного поля. Причем система содержит блок обработки данных для вычисления обратной величины (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) сигнала (MBN) при изменениях амплитуды (H) магнитного поля. Блок обработки данных имеет ступень памяти, которая сохраняет данные о линейном соотношении между обратной величиной (1/MBNmax) от максимального значения и значимой величиной (σ) механического напряжения. 2 н. и 12 з.п.ф-лы, 9 ил., 3 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе и способу для определения механического напряжения компонента, предпочтительно, компонента самолета, изготовленного из намагничиваемого материала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, в авиационной промышленности используют компоненты из азотированной или науглероженной стали, которые сначала обогащают углеродом, затем обрабатывают дробеструйным упрочнением и шлифуют.

Дробеструйное упрочнение является механическим процессом холодной обработки поверхности компонента для достижения состояния изотропного остаточного сжатия в самых внешних слоях компонента.

Шлифование часто воздействует на конечное состояние поверхности компонентов, обрабатываемых дробеструйным упрочнением, с точки зрения таких свойств, как остаточное напряжение, микроструктура и последующая стойкость к износу и усталости.

В частности, локальное поглощение энергии в форме тепла, генерируемого в шлифуемой области, может вызвать серьезное тепловое повреждение в поверхностном слое, если параметры шлифования тщательно не отрегулировать.

Если температура компонента превышает температуру нагрева при отпуске, шлифование может привести к микроструктурным мартенситным изменениям на металлургическом уровне, приводящим к образованию так называемого переотпущенного мартенсита: образование метастабильной фазы влечет за собой образование более мягких областей поверхности и общее ухудшение механических свойств.

В результате, переотпущенный мартенсит может ускорить возникновение трещин; а шлифование также может изменить картину остаточного напряжения материала.

При самом неблагоприятном сценарии, материал может продемонстрировать остаточное напряжение сжатия в поверхностной области и остаточное напряжение натяжения во внутренней области, близкой к поверхности, что приводит, таким образом, к резким изменениям в напряжении материала.

Конечная амплитуда и неоднородность напряжения могут существенно изменяться.

Поэтому в промышленности ощущается необходимость в определении влияния шлифования на механическое напряжение компонентов для обеспечения возможности точной оценки стойкости компонента к усталости.

Известные способы контроля химического травления компонента являются эффективными только для сталей со сложной микроструктурой, и они неизбежно включают в себя некую долю субъективных оценок.

Более того, они также являются недостаточными для выявления изменений, вызванных переотпуском, при остаточном напряжении компонентов, изготовленных из науглероженной или азотированной стали.

В альтернативном способе определения напряжений компонента использован эффект Баркгаузена.

Согласно эффекту Баркгаузена, магнитный поток внутри компонента, изготовленного из намагничиваемого, например, ферромагнитного материала, подвергаемого воздействию изменяющегося магнитного поля, не изменяется непрерывно, а проходит через дискретные изменения, которые индуцируют в катушке, помещенной близко к компоненту, импульсы напряжения, которые могут быть усилены и поданы на громкоговоритель для генерирования акустических импульсов, известных как шумы Баркгаузена.

Дискретные изменения в магнитном потоке внутри компонента относятся к непрерывному движению краев магнитного домена. Точнее говоря, в ненамагниченном компоненте магнитные домены ориентированы случайным образом, что означает, что намагниченность всего тела равна нулю. При воздействии со стороны внешнего магнитного поля ориентация доменов компонента изменяется соответствующим образом, и это приводит к перемещению смежных стенок доменов, и, таким образом, «макроскопическая» намагниченность тела проходит через дискретные изменения вследствие наличия нарушений магнитной однородности в компоненте.

Характеристики шумов Баркгаузена известны тем, что они подвержены влиянию напряжения на растяжение или сжатие компонента.

В промышленности ощущается потребность в системе и способе для определения напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала, с использованием эффекта Баркгаузена, который можно легко осуществить.

Также ощущается потребность в несложной, легкой для осуществления системе и способе для определения упомянутого напряжения на различной глубине внутри компонента.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению обеспечена система для определения напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала, причем система содержит:

- ступень генерирования для генерирования магнитного поля с изменяющейся амплитудой и

- ступень захвата для приема сигнала шума Баркгаузен, при изменениях упомянутой амплитуды упомянутого магнитного поля;

причем система отличается наличием блока обработки данных для расчета обратной величины от максимального значения упомянутого сигнала при изменениях упомянутой амплитуды упомянутого магнитного поля;

причем упомянутый блок обработки данных содержит ступень памяти, которая сохраняет данные о линейном соотношении между обратной величиной от упомянутого максимального значения и значимой величиной механического напряжения.

Согласно настоящему изобретению также обеспечен способ определения напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала, причем способ содержит этапы, на которых:

- генерируют магнитное поле с изменяющейся амплитудой и

- принимают сигнал шума Баркгаузена упомянутого компонента при изменениях упомянутой амплитуды упомянутого магнитного поля;

причем способ отличается наличием этапов, на которых:

- вычисляют обратную величину от максимального значения упомянутого сигнала шума Баркгаузена при изменениях упомянутой амплитуды упомянутого магнитного поля и

- вычисляют значимую величину механического напряжения упомянутого компонента посредством линейного соотношения между упомянутой обратной величиной от максимального значения и значимой величиной механического напряжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительный, неограничивающий вариант осуществления настоящего изобретения будет описан в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает схему системы в соответствии с настоящим изобретением для определения напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала;

Фиг.2 показывает график эффективного значения сигнала шума Баркгаузена при изменениях напряженности магнитного поля, прилагаемого системой согласно Фиг.1, и для различных значимых величин приложенного напряжения;

Фиг.3 показывает график эффективного значения сигнала шума Баркгаузена согласно Фиг.2 при изменениях значимой величины приложенного напряжения и для того же компонента, что и на Фиг.2;

Фиг.4 показывает теоретический тестовый график негистерезисной дифференциальной восприимчивости в коэрцитивной точке при изменениях значимой величины приложенного напряжения и для того же компонента, что и на Фиг.2 и 3;

Фиг.5 показывает теоретический тестовый график обратной величины от негистерезисной дифференциальной восприимчивости при изменениях значимой величины приложенного напряжения и для того же компонента, что и на Фиг.2, 3 и 4;

Фиг.6 показывает теоретический тестовый график обратной величины от максимального эффективного значения сигнала шума Баркгаузена при изменениях значимой величины приложенного напряжения и для того же компонента, что и на Фиг.2-5;

Фиг.7 и 8 показывают графики эффективного значения сигнала шума Баркгаузена при изменениях напряженности магнитного поля, приложенного системой согласно Фиг. 1, и при значимой величине остаточного напряжения для соответствующих компонентов, изготовленных из различных материалов;

Фиг.9 показывает график обратной величины от максимального эффективного значения сигнала шума Баркгаузена, при изменениях значимой величины остаточного напряжения и для тех же компонентов, что и на Фиг.7 и 8.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Номер 1 на Фиг.1 указывает на всю систему для определения напряжения компонента 2, изготовленного из намагничиваемого, предпочтительно ферромагнитного материала.

Компонент 2 предпочтительно представляет собой компонент самолета.

Предпочтительно, чтобы компонент 2 был упрочнен под действием термообработки, дробеструйного упрочнения и шлифования.

Предпочтительно, чтобы компонент 2 также был изготовлен из науглероженной или азотированной стали и был отшлифован при температуре выше температуры нагрева при отпуске.

Система 1, по существу, содержит:

- намагничивающий элемент 3 для генерирования на компоненте 2 переменного магнитного поля с различными значениями частоты f1, f2, …, fi, …, fn и различными значениями амплитуды H;

- зонд 4 для определения эффективного значения MBN с амплитудой шумов Баркгаузена, полученных в результате действия магнитного поля в компоненте 2; и

- блок 5 обработки данных для обработки шумов Баркгаузена, принимаемых зондом 4, и выдающий значимую величину σ напряжения в компоненте 2.

Точнее говоря, является предпочтительным, чтобы элемент 3 представлял собой ферритовый сердечник, оснащенный обмоткой 21, подключенной к генератору 6 переменного тока.

Элемент 3 является U-образным и содержит два параллельных плеча 7 с соответствующими концами, соединенными и перпендикулярными свободной поверхности 8 компонента 2; и поперечину 9, проходящую между плечами 7, параллельную поверхности 8 и лежащую на заданном расстоянии от нее.

Магнитное поле, генерируемое элементом 3, индуцирует дискретно изменяющийся магнитный поток в компоненте 2.

Зонд 4 содержит обмотку 10, которая принимает перпендикулярный компонент магнитного потока между двумя противолежащими плечами 7. Тот же магнитный поток присутствует в компоненте 2 и генерирует дискретные скачки электрического напряжения для эффективного значения MBN.

Для каждой частоты f1, f2, …, fi, …, fn, блок 5 обработки данных вычисляет максимальное значение MBNmax эффективного значения MBN при изменениях амплитуды H магнитного поля, приложенного элементом 3.

Система 1 также содержит:

- усилитель 12 для усиления эффективного значения MBN, принимаемого зондом 4; и

- полосовой фильтр 11 для фильтрации эффективного значения MBN.

Точнее говоря, фильтр 11 сконструирован с возможностью пропускания компонентов частоты эффективного значения MBN в диапазоне между:

- частотой f1, f2, …, fi, …, fn, связанной с соответствующим расстоянием d1, d2, di, …, dn между поверхностью 8 и областью исследования компонента 2; и

- пороговой частотой f0, независимой от расстояния от поверхности 8.

Точнее говоря, частота fi равна

f i = \frac{1}{π σ_{e} μ (d i^{2})}

,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(1)

где μ=μ₀μ_r - магнитная проницаемость, σ_e - электропроводность, а di - расстояние от поверхности 8 компонента 2, при котором определяют значимую величину σ механического напряжения.

Поэтому каждая частота f1, f2, …, fi, …, fn соответствует заданной степени проникновения магнитного поля на различное расстояние d1, d2, …, di, …, dn от поверхности 8 и измеренное перпендикулярно ей.

Точнее говоря, чем больше понижается частота f1, f2, …, fi, …, fn, тем больше повышается расстояние d1, d2, …, di, …, dn.

Блок 5 обработки данных преимущественно сконфигурирован с возможностью вычисления обратной величины 1/MBNmax от максимальной величины MBNmax эффективного значения MBN, при изменениях амплитуды H магнитного поля для каждой частоты f1, f2, …, fi, …, fn, соответствующей определенному расстоянию d1, d2, …, di, …, dn, и содержит ступень 15 памяти, которая для каждой частоты f1, f2, …, fi, …, fn сохраняет данные о линейном соотношении (Фигуры 6 и 9) между обратной величиной (1/MBNmax) от максимального значения MBNmax эффективного значения MBN и значимой величиной σ механического напряжения.

Значимая величина σ равна напряжению на растяжение или сжатие в случае одноосного напряжения или эквивалентному напряжению в случае многоосного напряжения.

Поэтому каждое линейное соотношение показывает соотношение между обратной величиной (1/MBNmax) от максимального значения MBNmax и значимой величиной σ механического напряжения при различном расстоянии di от поверхности 8.

Система 1 также содержит ступень 20 анализа для вычитания из эффективного значения MBN, получаемого на расстоянии di, значимой величины эффективных значений MBN, получаемых на расстояниях d1, d2, …, di-1, меньших, чем расстояние di.

Предпочтительно, чтобы упомянутая значимая величина была равна эффективному значению MBN, получаемому на расстоянии di-1.

Система 1, таким образом, работает на уменьшение эффективного значения MBN, вызванного расстоянием di между поверхностью 8 и областью компонента 2, на которой измеряют значимую величину σ механического напряжения.

Предпочтительно, чтобы на ступени 15 памяти сохранялось множество первых линейных соотношений (одно из них показано на Фиг.5) между обратной величиной 1/MBNmax и значимой величиной приложенного напряжения σ для соответствующих частот f1, f2, …, fi, …, fn.

Ступень 15 памяти также сохраняет множество вторых линейных соотношений (два показаны на Фиг.9) между обратной величиной 1/MBNmax и значимой величиной σ остаточного напряжения для соответствующих частот f1, f2, …, fi, …, fn.

Предпочтительно, чтобы угловые коэффициенты упомянутых соотношений были одинаковыми для одинаковых значений частоты f1, f2, …, fi, …, fn.

График для каждого линейного соотношения, сохраняемого на ступени 15 памяти, получают при калибровке системы 1.

На стадии калибровки значимую величину σ для заданного материала и заданного расстояния di определяют путем рентгеновской дифрактометрии и для каждой значимой величины σ механического напряжения определяют обратную величину 1/MBNmax.

Усилитель 12, карту 13 сбора данных и усилитель 14 мощности для элемента 13 устанавливают в центральном блоке 30 системы 1.

Генератор 6, фильтр 11, ступень 15 памяти, ступень 20 анализа и ступень 35 отображения, предназначенную для отображения значимой величины σ, устанавливают в персональный компьютер системы 1.

Программное обеспечение, загруженное и исполняемое в блоке 5 обработки данных, использует алгоритм, который генерирует значение обратной величины 1/MBNmax и соответствующую значимую величину σ для каждой частоты fi.

В настоящем использовании элемент 3 генерирует переменное магнитное поле с заданной частотой f1, f2, …, fi, …, fn. А амплитуда H магнитного поля изменяется при поддержании частоты f1, f2, …, fi, …, fn постоянной.

При столкновении с компонентом 2 магнитное поле выравнивает магнитные домены компонента 2 с получением, таким образом, дискретных импульсов электрического напряжения эффективного значения MBN в обмотке 10 зонда 4.

Фильтр 11 отфильтровывает сигнал электрического напряжения эффективного значения MBN.

Для каждого значения f1, f2, …, fi, …, fn частоты блок 5 обработки данных вычисляет максимальное значение MBNmax эффективных значений MBN при изменениях амплитуды H магнитного поля и, исходя из линейных соотношений (Фиг.5 и 9), имеющихся на ступени 15 памяти, генерирует значимую величину σ механического напряжения компонента 2 на расстоянии di, связанном с частотой f1, f2, …, fi, …, fn.

Частоту f1, f2, …, fi, …, fn затем изменяют, и измерения повторяют, как было описано выше, для получения значимой величины σ механического напряжения компонента 2 на различных расстояниях d1, d2, …, di, …, dn, с использованием различных линейных соотношений, хранящихся на ступени 15 памяти.

Для каждого расстояния di на ступени 20 анализа происходит вычитание из эффективных значений MBN, полученных на расстоянии di, значимых величин эффективного значения MBN, полученных на расстояниях d1, d2, …, di-1, для учета ослабления шумов Баркгаузена материалом компонента 2 на расстояниях d1, d2, …, di-1, меньших, чем расстояние di от поверхности 8.

Предпочтительно, чтобы значимая величина была равна эффективному значению MBN, получаемому на расстоянии di-1.

Перед измерением значимой величины σ систему 1 калибруют путем сохранения в памяти линейных соотношений на ступени 15 памяти.

Точнее говоря, образец для испытаний, изготовленный из того же материала, что и компонент 2, подвергают воздействию механического напряжения, и для каждого расстояния di от поверхности 8:

- с помощью рентгеновской дифрактометрии измеряют значимую величину σ механического напряжения и

- с помощью зонда 4 измеряют максимальное значение MBNmax.

Линейные соотношения показаны на Фиг.5 и 9, и они являются результатом исследований, осуществленных Заявителем, как описано ниже.

Очень кратко, Заявитель обнаружил, что:

- для заданного материала максимальное значение MBNmax эффективного значения MBN при заданной частоте fi зависит от максимальной дифференциальной восприимчивости χ'_max;

- для большинства материалов негистерезисная дифференциальная восприимчивость χ'_an равна максимальной дифференциальной восприимчивости χ'_max; и

- обратная величина 1/χ'_an негистерезисной дифференциальной восприимчивости χ' является линейной функцией значимой величины σ механического напряжения материала.

Точнее говоря, максимальная негистерезисная дифференциальная восприимчивость χ'_an обычно достигается в коэрцитивной точке, т.е. когда амплитуда H приложенного магнитного поля равна нулю, а компонент 2 имеет остаточную намагниченность, вызванную гистерезисным циклом материала компонента 2.

Поэтому Заявитель логически вывел и подтвердил путем тестирования существование линейного соотношения между обратной величиной 1/MBNmax от максимального значения MBNmax и значимой величиной σ.

Точнее говоря, Заявитель отшлифовал цилиндрические образцы для испытания стали SAE 9310 и SAE 32CDV13, наряду с круглым гантелеобразным образцом для испытаний на растяжение стали SAE 9310, с получением различных состояний на обрабатываемых поверхностях.

Их химические составы показаны в Таблице 1.

Таблица 1
SAE 9310	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu
SAE 9310	0,07-0,13	0,04-0,07	0,15-0,35	0-0,015	0-0,015	1-1,4	3-3,5	0,08-0,15	0-0,35
32CDV13	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	V
32CDV13	0,29-0,36	0,4-0,7	0,1-0,4	0-0,015	0-0,005	2,8-3,3	0,3	0,7-1,2	0,15-0,35

Три образца 32CDV13 для испытания и образец для испытаний на растяжение затем были обработаны дробеструйным упрочнением для исследования областей с высоким напряжением на сжатие. Подробности, касающиеся размеров, условий шлифования и дробеструйного упрочнения, а также результирующее остаточное напряжение поверхности этих образцов для испытания показаны в Таблицах 2 и 3.

Таблица 2
SAE 9310	Диаметр на длину, мм	Скорость шлифования, об/мин	Скорость подачи, об/мин	Смазка (%)	Остаточное напряжение, МПа
Образец для испытаний 1	25×35	25	0,15	0	+399
Образец для испытаний 2	25×35	24	0,1	0	+292
Образец для испытаний 3	25×35	24	0,15	0	+256
Образец для испытаний 4	25×35	24	0,002	50	-281
Образец для испытаний 5	25×35	24	0,04	50	-339
Образец для испытаний 6	25×35	95	0,002	100	-482
Образец для испытаний на растяжение	10×50(секция, пригодная к использованию)	95	0,002	100	-805 (после дробеструйного упрочнения)

Таблица 3
32CDV13	Диаметр на длину, мм	Скорость шлифования, об/мин	Скорость подачи, об/мин	Параметры дробеструйного упрочнения	Остаточное напряжение, МПа
Образец для испытаний 1	30×110	30	0,5	Все образцы для испытания были обработаны дробью с использованием дроби SAE170, HRC42-52 при 0,008-0,012A	-145
Образец для испытаний 2	30×110	30	1,5		-298
Образец для испытаний 3	30×110	30	1		-533
Образец для испытаний 4	30×110	30	0,5		-745
Образец для испытаний 5	30×110	30	1,5		-765
Образец для испытаний 6	30×110	30	1		-775

В ходе испытания на растяжение образцы для испытания были подвергнуты воздействию механического напряжения с различными значимыми величинами, не превышающими предел упругости, с использованием механической сервогидравлической системы испытаний; и было измерено эффективное значение MBN для монотонного повышения нагрузки с шагом 50 МПа.

Огибающие кривые последовательностей эффективных значений MBN для образца для испытаний из науглероженной стали SAE 9310, и для различных значимых величин σ приложенного напряжения, в данном случае напряжения на растяжение, показаны на Фиг.2, и они отображают эффективные значения MBN в диапазоне частот 20-1250 кГц.

Под влиянием нагрузки, которая генерирует повышение значимой величины σ механического напряжения, было обнаружено постепенное изменение эффективных значений шумов Баркгаузена MBN. Это поведение совместимо с теорией, которая описывает эффекты приложенного напряжения в единицах эквивалентного магнитного поля Ησ. Это дополнительное поле возникает из магнитоупругой связи, и выражено уравнением:

H_{σ} (θ) = \frac{3}{2} \frac{σ}{μ_{0}} (\cos^{2} θ - ν \sin^{2} θ) {(\frac{\partial λ}{\partial M})}_{T}

,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(2)

где σ - значимая величина механического напряжения; λ - магнитострикция; μ₀ - магнитная проницаемость вакуума; θ - угол между осью напряжения (например, осью тягового усилия, в случае напряжения на растяжение) и направлением Η_σ; и ν - коэффициент Пуассона. Поэтому эффективное значение MBN является реакцией на фактическое магнитное поле, которое может быть выражено как

H e = H + H_{σ} + α M

,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(3)

где H_e - полное магнитное поле; α - параметр среднего поля, отображающий доменную связь; и H_σ - поле эквивалентного напряжения. В измерениях Заявителя приложенное внешнее магнитное поле H было коаксиальным со значимой величиной σ приложенного напряжения, и, таким образом, повышение значимой величины σ приложенного напряжения приводит к более высокому полному магнитному полю H_e на доменах.

В результате этого, стенки доменов могут разрушать локальные энергетические барьеры при более низких значениях амплитуды H приложенного магнитного поля, которые совместимы с повышением амплитуды эффективного значения MBN.

Тенденция к повышению максимального значения MBNmax с повышением значимых величин σ показана на Фиг.3. Эта зависимость от значимых величин σ была обнаружена Заявителем в виде негистерезисной дифференциальной восприимчивости χ'_an(H=0) стали AISI 4130 в коэрцитивной точке, как показано на Фиг.4.

Точнее говоря, негистерезисная дифференциальная восприимчивость χ'_an(H=0) в коэрцитивной точке представляет собой негистерезисную дифференциальную восприимчивость χ'_an, измеренную при нулевой амплитуде магнитного поля H и при сохранении остаточной намагниченности, вызванной гистерезисным циклом компонента.

Уравнение, показывающее это соотношение между значимой величиной σ механического напряжения и негистерезисной дифференциальной восприимчивостью χ'_an(H=0) в коэрцитивной точке т.е., с нулевой амплитудой H, было получено из функции Ланжевена для намагниченности, при которой к приложенному магнитному полю H и к полю внутренней связи αM было добавлено эквивалентное поле напряженности Hσ.

Функция Ланжевена, используемая для отображения негистерезисной намагниченности M_an, представляет собой

M_{a m} (H) = M_{s} {\coth (\frac{H + α M}{a}) - (\frac{a}{H + α M})}

,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(4)

где M_s - намагниченность насыщения, т.е. максимальная намагниченность, которую материал компонента 2 может достигнуть; и

a - параметр формы, который учитывается при определении температуры и размера магнитных доменов материала компонента 2.

Принимая во внимание влияние эквивалентного магнитного поля Hσ (Уравнение 3), уравнение для негистерезисной намагниченности M_an, в присутствии напряжения, будет представлять собой

M_{a n} (H) = M_{s} {\coth (\frac{H + α M + H_{σ}}{a}) - (\frac{a}{H + α M + H_{σ}})}

.

\begin{matrix}  \end{matrix}

(5)

Магнитострикцию при более низких значениях намагниченности, при которых λ является симметричной относительно M, можно аппроксимировать:

λ = b M^{2}

.

\begin{matrix}  \end{matrix}

(6)

Вследствие чего

\frac{d λ}{d M} = 2 b M

,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(7)

где значение коэффициента b магнитострикции можно определить экспериментально из измерений магнитострикции. Негистерезисная намагниченность исходно является линейной относительно амплитуды H и может быть выражена уравнением

\frac{M_{a n} (H)}{M_{s}} = (\frac{H + (α + \frac{3 b σ}{μ_{0}}) M_{a n} (H)}{3 a})

\begin{matrix}  \end{matrix}

(8)

для низких значений H. Это приводит к уравнению исходной дифференциальной восприимчивости

{[χ `_{a n} (σ)]}_{H = 0} = \frac{M_{s}}{3 a - (a + \frac{3 b σ}{μ_{0}}) M_{s}}

,(9)

которое может быть переписано в следующей форме:

\frac{1}{{[χ `_{a n} (0)]}_{H = 0}} - \frac{1}{{[χ `_{a n} (σ)]}_{H = 0}} = \frac{3 b σ}{μ_{0}}

.(10)

Используя результаты испытаний различных значимых величин σ и нулевую амплитуду H для негистерезисной дифференциальной восприимчивости χ'_an(H=0), а также значение коэффициента b магнитострикции, можно было вычислить для стали AISI 4130 зависимость негистерезисной дифференциальной восприимчивости χ'_an(H=0) с нулевой амплитудой магнитного поля H от значимой величины σ механического напряжения. Заявитель также обнаружил, что для многих материалов максимальная негистерезисная дифференциальная восприимчивость χ'_an(H=0) равна максимальной дифференциальной восприимчивости χ'_max в коэрцитивной точке, т.е., при нулевой амплитуде H.

Поэтому исходя из уравнения (10), максимальная дифференциальная восприимчивость χ'_max, обычно измеряемая в коэрцитивной точке, связана со значимой величиной σ механического напряжения уравнением

\frac{1}{[χ `_{\max} (0)]} - \frac{1}{[χ `_{\max} (σ)]} = \frac{3 b σ}{μ_{0}}

.(11)

Правота теории была подтверждена графиком зависимости величины, обратной негистерезисной дифференциальной восприимчивости χ', от значимой величины σ механического напряжения, как показано на Фиг.5.

Как показано на Фиг.5, теоретический прогноз, представленный линейным соотношением, согласуется с тенденцией, показанной в измерениях, что, таким образом, подтверждает линейное соотношение, представленное в уравнении (11), как удобный способ определения значимой величины σ механического напряжения из магнитного свойства измеряемого объема, в частности максимальной дифференциальной восприимчивости χ'_max в отсутствии напряжения. Альтернативная и часто более удобная возможность состоит в использовании максимальной дифференциальной восприимчивости χ'_max в коэрцитивной точке, как показано в уравнении (11).

Заявитель обнаружил, что максимальное значение MBNmax изменяется со значимой величиной σ механического напряжения таким же образом, что и максимальная дифференциальная восприимчивость χ'_max.

Поэтому между этими двумя результатами должно существовать некоторое соотношение. Одна теория состоит в том, что оба они соответствуют одной и той же фазе в процессе намагничивания, при которой значения dM/dH, а следовательно, и dB/dH являются максимальными. Эти области представлены самым крутым наклоном кривой намагниченности в коэрцитивной точке. Другая теория состоит в том, что уровень активности шумов Баркгаузена в заданном интервале времени dMJS/dt пропорционален скорости изменения намагниченности dM/dt=(dM/dH) (dH/dt)=χ'dH/dt. Это соотношение было уже описано в модели микрометрической активности шумов Баркгаузена, исходя из теории гистерезиса. Согласно этой модели, сумма электрических напряжений, генерируемых шумами Баркгаузена в течение заданного периода времени Δt, пропорциональна полному изменению намагниченности ΔΜ за этот период. Это может быть выражено уравнением:

M_{J S} = γ Δ M = γ (\frac{d M}{d t}) Δ t = γ (\frac{d M}{d H}) (\frac{d H}{d t}) Δ t = γ χ ` (\frac{d H}{d t}) (Δ t)

^,

\begin{matrix}  \end{matrix}

(12)

где γ - коэффициент пропорциональности (0≤γ≤1), отображающий отношение прерывистого изменения к полному изменению намагниченности. Это уравнение определяет связь между эффективным значением MBN и дифференциальной восприимчивостью χ' в любой точке в гистерезисном цикле и, таким образом, подтверждает прямое соотношение между максимальным значением MBNmax и максимальной дифференциальной восприимчивостью χ'_max. Поэтому график обратной величины 1/MBNmax также может быть представлен в виде линейного соотношения значимой величины σ приложенного напряжения, как показано на Фиг.5.

Для обеих групп образцов для испытания графики зависимости эффективных значений MBN от значимой величины σ остаточного напряжения показаны на Фиг.6 и 7.

Преимущества системы 1 и способ согласно настоящему изобретению будет ясен из вышеприведенного описания.

В частности, было использовано линейное соотношение между обратной величиной 1/MBNmax от максимального значения MBNmax эффективного значения MBN и значимой величиной σ приложенного или остаточного напряжения.

Как таковые, система 1 и способ согласно настоящему изобретению обеспечивают легкое и точное определение значимой величины σ. Точнее говоря, когда компонент 2 изготовлен из азотированной или науглероженной стали и был обработан дробеструйным упрочнением и отшлифован при температуре выше температуры нагрева при отпуске, система 1 обеспечивает точное определение остаточного напряжения в областях, расположенных непосредственно под поверхностью 8 компонента 2.

Более того, при генерировании магнитного поля при различных частотах f1, f2, …, fi, …, fn система 1 и способ согласно изобретению обеспечивают определение значимой величины σ на различных расстояниях d1, d2, …, di, …, dn от поверхности 8.

Наконец, система 1 и способ согласно изобретению обеспечивают вычитание из эффективного значения MBN, определенного при частоте fi, т.е. связанного с расстоянием di от поверхности 8, эффективного значения MBN, выявленного при частотах f1, f2, …, fi-1.

Как таковые, система 1 и способ согласно изобретению обеспечивают легкий учет ослабления шумов Баркгаузена материалом компонента 2, без необходимости в сложных математических вычислениях, требующих наличия большой вычислительной мощности.

Очевидно, для системы 1 и способа, описанных в настоящей работе, можно осуществить изменения, однако без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.

Claims

1. Система (1) для определения значимой величины (σ) механического напряжения компонента (2), изготовленного из намагничиваемого материала, причем упомянутая система содержит:
- ступень (3) генерирования для генерирования магнитного поля с изменяющейся амплитудой (Н) и
- ступень (4) захвата для получения сигнала шума Баркгаузена (MBN) при изменениях упомянутой амплитуды (Н) упомянутого магнитного поля;
причем упомянутая система отличается наличием блока (5) обработки данных для вычисления обратной величины (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) упомянутого сигнала (MBN) при изменениях упомянутой амплитуды (Н) упомянутого магнитного поля;
упомянутый блок (5) обработки данных содержит ступень (15) памяти, которая сохраняет линейное соотношение между упомянутой обратной величиной (1/MBNmax) от упомянутого максимального значения и упомянутой значимой величиной (σ) механического напряжения.

2. Система по п. 1, отличающаяся наличием полосового фильтра (11) для фильтрации упомянутого сигнала (MBN) ниже по потоку относительно упомянутой ступени (4) захвата и выше по потоку относительно упомянутой ступени (15) памяти.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутая ступень (3) генерирования генерирует упомянутое магнитное поле, по меньшей мере, при первой частоте (f1, f2), связанной с первым расстоянием (d1, d2) от свободной поверхности (8) упомянутого компонента (2);
причем упомянутый полосовой фильтр (11) пропускает компоненты упомянутого сигнала (MBN), обладающие частотами между упомянутой первой частотой (f1, f2) и пороговой частотой (f0), не зависимой от упомянутого расстояния (d1, d2).

4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутая ступень (3) генерирования также генерирует упомянутое магнитное поле, по меньшей мере, при второй частоте (f2, f1);
причем упомянутая ступень (15) памяти сохраняет первое и второе упомянутые линейные соотношения, связанные соответственно с упомянутыми первой и второй частотами (f1, f2) и связанные с упомянутой значимой величиной (σ) механического напряжения соответственно на первом и втором расстояниях (d1, d2) от поверхности упомянутого компонента (2).

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упомянутая ступень (3) генерирования генерирует упомянутое магнитное поле в диапазоне частот (f1, f2, f3, fi,…fn), связанных с повышением расстояний (d1, d2, d3, di,.…dn) от упомянутой поверхности (8);
причем упомянутый блок (5) обработки данных содержит ступень (20) анализа, которая вычитает из упомянутого сигнала (MBN), захваченного при заданном расстоянии (di), значение, отображающее сигналы (MBN), захваченные на расстояниях (d1, d2, di-1), меньших, чем упомянутое заданное расстояние (di).

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что упомянутая ступень (20) анализа вычитает из упомянутого сигнала (MBN), захваченного на упомянутом заданном расстоянии (di), сигнал (MBN), захваченный на расстоянии (di-1), предшествующем упомянутому заданному расстоянию (di).

7. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что упомянутая ступень (15) памяти сохраняет:
- первое линейное соотношение между упомянутой обратной величиной (1/MBNmax) от упомянутого максимального значения и значимой величиной (σ) приложенного механического напряжения при изменениях упомянутой амплитуды (Н) и для заданной частоты (f1, f2); и
- второе линейное соотношение между обратной величиной (1/MBNmax) от упомянутого максимального значения и значимой величиной (σ) остаточного механического напряжения при изменениях упомянутой амплитуды (Н) и для заданной частоты (f1, f2).

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что угловые коэффициенты упомянутых первого и второго линейных соотношений равны для компонентов (2), изготовленных из одного и того же материала.

9. Способ определения механического напряжения компонента (2), изготовленного из намагничиваемого материала, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:
- генерируют магнитное поле с изменяющейся амплитудой (Н)
и
- получают сигнал шума Баркгаузена (MBN) упомянутого компонента (2) при изменениях упомянутой амплитуды (Н) упомянутого магнитного поля;
причем способ отличается наличием этапов, на которых:
- вычисляют обратную величину (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) упомянутого сигнала шума Баркгаузена при изменениях упомянутой амплитуды (Н) упомянутого магнитного поля и
- вычисляют значимую величину (σ) механического напряжения упомянутого компонента (2) посредством линейного соотношения между упомянутой обратной величиной (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) и значимой величиной (σ) механического напряжения.

10. Способ по п. 9, отличающийся наличием этапа, на котором фильтруют упомянутый сигнал (MBN) перед упомянутым этапом вычисления и после упомянутого этапа получения.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что упомянутый этап генерирования содержит этап, на котором генерируют упомянутое магнитное поле при первой частоте (f1, f2,…fn), связанной с первым расстоянием (d1, d2,…dn) от свободной поверхности (8) упомянутого компонента (2);
причем упомянутый этап фильтрации содержит этап, на котором фильтруют полосу частот упомянутого сигнала (MBN) между упомянутой первой частотой (f1, f2,…fn) и пороговой частотой (f0), не зависимой от упомянутого первого расстояния (d1, d2,…dn).

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что упомянутый этап генерирования содержит также этап, на котором генерируют упомянутое магнитное поле при второй частоте (f2);
отличающийся наличием этапа сохранения первого и второго упомянутых линейных соотношений, связанных соответственно с упомянутыми первой и второй частотами (f1, f2,…fn; f2) и связанных с упомянутой значимой величиной (σ) механического напряжения соответственно на первом и на втором расстояниях (d1, d2,…dn; d2) от упомянутой поверхности (8) упомянутого компонента (2).

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что упомянутый этап генерирования содержит этап, на котором генерируют упомянутое магнитное поле в диапазоне частот (f1, f2, f3…, fi,… fn), связанных с повышением расстояний (d1, d2, d3,…di,…dn) от упомянутой поверхности (8);
причем упомянутый этап вычисления содержит этап, на котором вычитают из упомянутого сигнала (MBN), захваченного на заданном расстоянии (di), сигнал (MBN), захваченный на расстоянии (di-1), меньшем, чем заданное расстояние (di).

14. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся наличием этапа калибровки, на котором вычисляют упомянутое линейное соотношение;
причем упомянутый этап калибровки содержит этапы, на которых:
- прикладывают нагрузку к упомянутому компоненту (2) для генерирования механического напряжения в упомянутом компоненте (2);
- измеряют упомянутую значимую величину (σ) механического напряжения путем рентгеновской дифрактометрии и
- определяют упомянутую обратную величину (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) упомянутого сигнала шума Баркгаузена при каждой упомянутой значимой величине (σ) механического напряжения.