RU2631236C1 - Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels - Google Patents

Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels Download PDF

Info

Publication number
RU2631236C1
RU2631236C1 RU2016139743A RU2016139743A RU2631236C1 RU 2631236 C1 RU2631236 C1 RU 2631236C1 RU 2016139743 A RU2016139743 A RU 2016139743A RU 2016139743 A RU2016139743 A RU 2016139743A RU 2631236 C1 RU2631236 C1 RU 2631236C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetizing
shaped magnetic
magnetic circuit
measuring
poles
Prior art date
Application number
RU2016139743A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Николаевич Сташков
Александр Петрович Ничипурук
Мария Сергеевна Огнева
Александр Васильевич Королев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН)
Priority to RU2016139743A priority Critical patent/RU2631236C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2631236C1 publication Critical patent/RU2631236C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: device contains a magnetizing, bias and measuring system. The magnetizing system is made in the form of a U-shaped magnetic core of a soft magnetic material with magnetizing windings at its two poles. The contacts of the bias system are spring-loaded, fixed on a U-shaped magnetic circuit and are located in the interpolar space in the same plane as the ends of the poles of the U-shaped magnetic circuit of the plane facing the surface of the controlled article. The coil of the measuring system is placed on one of the poles of the U-shaped magnetic circuit, the measuring system is equipped with a Hall sensor located in the central part of the interpolar space of the U-shaped magnetic circuit, connected to the U-shaped magnetic core and the signal-sampling device.
EFFECT: increasing the accuracy and reliability of control by measuring the internal magnetic field in the controlled article, increasing the location of the control, expanding the scope of the device by controlling the residual stresses in various directions of large-sized ferromagnetic products while reducing the weight and size of the device and simplifying the preparatory operations before monitoring.
3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, технической диагностике, предназначено для определения остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях и может применяться в лабораторных, цеховых и полевых условиях.The invention relates to non-destructive testing of materials, technical diagnostics, is intended to determine residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels and can be used in laboratory, workshop and field conditions.

Остаточные механические напряжения в деталях и конструкциях могут возникать после термических и механических обработок, изготовления изделий с использованием аддитивных технологий, а также в пластически деформированных изделиях. Наличие остаточных напряжений может вызвать повреждение или разрушение изделий, поэтому оперативный контроль их уровня является важной практической задачей.Residual mechanical stresses in parts and structures can occur after thermal and mechanical treatments, manufacturing of products using additive technologies, as well as in plastically deformed products. The presence of residual stresses can cause damage or destruction of products, so the operational control of their level is an important practical task.

В настоящее время известен ряд устройств для контроля остаточных механических напряжений в изделиях, в том числе ферромагнитных, в основу которых положен принцип измерения магнитных параметров. Реализация этих устройств показала, что они имеют недостаточную чувствительность, определение напряжений только в приповерхностных слоях изделий, а также необходимость проведения предварительной калибровки устройства на стандартных образцах из той марки стали, из которой изготовлены контролируемые изделия. Поэтому разработка устройства для локального определения остаточных напряжений, избавленного от вышеперечисленных недостатков, является важной технической задачей.Currently, a number of devices are known for monitoring residual mechanical stresses in products, including ferromagnetic ones, which are based on the principle of measuring magnetic parameters. The implementation of these devices showed that they have insufficient sensitivity, the determination of stresses only in the surface layers of the products, as well as the need for preliminary calibration of the device on standard samples from the steel grade from which the controlled products are made. Therefore, the development of a device for local determination of residual stresses, eliminated from the above disadvantages, is an important technical task.

Известно устройство для определения механических напряжений [Патент РФ №117636], содержащее корпус с установленным в нем основным сердечником П-образной формы и размещенными на нем возбуждающей и контролирующей уровень возбуждения обмотками, а также дополнительным сердечником П-образной формы, на котором размещена измерительная обмотка, причем дополнительный сердечник установлен симметрично между полюсами основного сердечника так, что плоскость его перпендикулярна плоскости основного сердечника, а корпус выполнен из проводящего немагнитного материала.A device for determining mechanical stresses [RF Patent No. 117636], comprising a housing with a main U-shaped core installed therein and placed on it exciting and controlling the excitation level of the windings, as well as an additional U-shaped core on which the measuring winding is placed moreover, the additional core is installed symmetrically between the poles of the main core so that its plane is perpendicular to the plane of the main core, and the body is made of conductive mute -magnetic material.

Это устройство при его использовании не решает техническую проблему обеспечения необходимой чувствительности и локальности определения остаточных механических напряжений из-за отсутствия или ограничения возможности получения информации о механических напряжениях на разных глубинах ферромагнитных изделий. Устройство требует предварительной калибровки на стандартных образцах в машине для механических испытаний и имеет сложную конструкцию.This device, when used, does not solve the technical problem of providing the necessary sensitivity and locality for determining residual mechanical stresses due to the absence or limitation of the possibility of obtaining information about mechanical stresses at different depths of ferromagnetic products. The device requires preliminary calibration on standard samples in a machine for mechanical testing and has a complex structure.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях [А.П. Ничипурук, Е.В. Розенфельд, М.С. Огнева, А.Н. Сташков, А.В. Королев. Экспериментальный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформированных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали. - Дефектоскопия, 2014, №10, с. 18-26].Closest to the proposed technical essence is a device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels [A.P. Nichipuruk, E.V. Rosenfeld, M.S. Ogneva, A.N. Stashkov, A.V. Korolev. An experimental method for evaluating the critical fields of shifting domain walls in plastically deformed by tension by wires of low carbon steel. - Flaw detection, 2014, No. 10, p. 18-26].

Оно состоит из намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем. Намагничивающая система включает в себя соленоид и служит для намагничивания и перемагничивания испытуемых изделий. Подмагничивающая система включает электрические контакты, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии, подключаемые в процессе работы к генератору переменного тока, и служит для создания подмагничивающего переменного циркулярного поля частотой 30 Гц в контролируемом изделии. Измерительная система включает в себя измерительную катушку, которая размещена в центральной части контролируемого изделия, и ее ось совпадает с осью соленоида, устройство для выделения сигнала на определенной частоте (селективного вольтметра), соединенное с устройством оцифровки сигнала и индикатором. Измерительная система служит для детектирования сигнала на частоте 30 Гц, вызванного суперпозицией двух действующих в испытуемом изделии магнитных полей - квазистатического намагничивающего и переменного подмагничивающего.It consists of magnetizing, magnetizing and measuring systems. The magnetizing system includes a solenoid and serves to magnetize and remagnetize the tested products. The magnetizing system includes electrical contacts made with the possibility of fixing on the controlled product, connected during operation to the alternator, and is used to create a magnetizing alternating circular field with a frequency of 30 Hz in the controlled product. The measuring system includes a measuring coil, which is located in the central part of the controlled product, and its axis coincides with the axis of the solenoid, a device for isolating a signal at a certain frequency (selective voltmeter), connected to a signal digitizing device and an indicator. The measuring system is used to detect a signal at a frequency of 30 Hz, caused by a superposition of two magnetic fields acting in the test product - a quasistatic magnetizing and alternating magnetizing.

Это устройство не требует предварительной калибровки на стандартных образцах в машине для механических испытаний. С помощью устройства возможен контроль остаточных напряжений в пластически деформированных ферромагнитных изделиях простой формы, у которых длина много больше их диаметра или диагонали (в случае нецилиндрических изделий). К таким изделиям относятся протяженные изделия с малым размагничивающим фактором, например, проволока, прутки, трубы. При контроле они помещаются в соленоид и в них создают квазистатическое намагничивающее поле.This device does not require pre-calibration on standard samples in a machine for mechanical testing. Using the device, it is possible to control residual stresses in plastically deformed ferromagnetic products of a simple form, in which the length is much greater than their diameter or diagonal (in the case of non-cylindrical products). Such products include extended products with a small demagnetizing factor, for example, wire, rods, pipes. During control, they are placed in a solenoid and create a quasistatic magnetizing field in them.

Дополнительно к намагничивающему в контролируемом изделии создают переменное циркулярное подмагничивающее поле, ортогональное намагничивающему, путем подключения электрических контактов к противоположным торцам контролируемого изделия и пропусканием через него переменного электрического тока фиксированной частоты 30 Гц такой амплитуды, чтобы напряженность создаваемого им переменного циркулярного поля на поверхности изделия была много меньше коэрцитивной силы изделия, что позволяет перемагничивать ферромагнетик только обратимо. Проводят перемагничивание контролируемого изделия по предельной петле гистерезиса путем изменения напряженности намагничивающего поля от -70 до +70 А/см с частотой 10-2 Гц. Одновременное действие двух ортогональных друг другу магнитных полей в изделии позволяет управлять процессами перемагничивания в контролируемом изделии и экспериментально разделять вклады от смещения 90- и 180-градусных доменных границ. К уровню механических напряжений в материале чувствительны только смещения 90-градусных доменных границ, поэтому, определив критическое поле, в котором начинают смещаться 90-градусные доменные стенки, определяют уровень механических напряжений. Критическое поле смещения 90-градусных доменных границ определяют, измеряя сигнал, пропорциональный проекции намагниченности на направление действия намагничивающего поля, и находя его максимумы. Сигнал измеряют на фиксированной частоте 30 Гц с помощью измерительной катушки, подключенной к селективному вольтметру. В случае наличия в контролируемом изделии внутренних остаточных механических напряжений сжатия, направление которых совпадает с осью соленоида, на зависимости сигнала измерительной катушки от внешнего намагничивающего поля соленоида наблюдаются два максимума, один из которых находится в положительных полях, второй - в отрицательных. Экспериментально из зависимости сигнала измерительной катушки от внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии определяют среднее поле максимумов Нср, используя справочные значения намагниченности насыщения Ms и константы магнитострикции в направлении (100) λ100 для контролируемого изделия рассчитывают величину средних остаточных механических напряжений σ в контролируемом изделии:In addition to magnetizing in the controlled product, an alternating circular magnetizing field is created, orthogonal to the magnetizing, by connecting electrical contacts to the opposite ends of the controlled product and passing through it an alternating electric current of a fixed frequency of 30 Hz of such amplitude that the intensity of the alternating circular field created by it on the surface of the product is much less coercive force of the product, which allows magnetization reversal ferromagnet only reversibly . Magnetization of the controlled product is carried out according to the limit hysteresis loop by changing the magnetizing field strength from -70 to +70 A / cm with a frequency of 10 -2 Hz. The simultaneous action of two magnetic fields orthogonal to each other in the product allows one to control the magnetization reversal processes in the controlled product and experimentally separate the contributions from the displacement of 90- and 180-degree domain walls. Only the displacements of 90-degree domain walls are sensitive to the level of mechanical stresses in a material, therefore, having determined the critical field in which 90-degree domain walls begin to shift, the level of mechanical stresses is determined. The critical displacement field of 90-degree domain walls is determined by measuring the signal proportional to the projection of the magnetization on the direction of action of the magnetizing field, and finding its maxima. The signal is measured at a fixed frequency of 30 Hz using a measuring coil connected to a selective voltmeter. In the case of the presence of internal residual mechanical compression stresses in the controlled product, the direction of which coincides with the axis of the solenoid, two maxima are observed on the dependence of the measuring coil signal on the external magnetizing field of the solenoid, one of which is in positive fields, the second in negative fields. From the dependence of the measuring coil signal on the internal magnetic field in the controlled product, the average maximum field H cf is determined experimentally using the reference values of the saturation magnetization M s and the magnetostriction constant in the direction (100) λ 100 for the controlled product, the average residual mechanical stresses σ in the controlled product are calculated :

Figure 00000001
Figure 00000001

где σ - механические напряжения;where σ are mechanical stresses;

Нср - среднее поле максимумов;H cf - the average field of maxima;

Ms - намагниченность насыщения контролируемого изделия;M s - saturation magnetization of the controlled product;

λ100 - константа магнитострикции в направлении (100) для контролируемого изделия.λ 100 is the magnetostriction constant in the (100) direction for the controlled product.

При использовании этого устройства возникает техническая проблема, обусловленная отсутствием возможности проводить контроль в локальных областях крупногабаритных изделий из-за ограниченных внутренних размеров намагничивающего устройства, невозможностью измерения внутреннего магнитного поля из-за чего в конечном итоге снижается точность контроля остаточных напряжений в контролируемом изделии. Отсутствует возможность определения остаточных механических напряжений в различных направлениях контролируемых изделий из-за ограничений размеров внутренней части намагничивающего устройства и невозможности поворота контролируемых изделий в нем. Велики масса и габариты соленоида. Необходимость проведения подготовительных операций перед контролем, таких как крепление электрических контактов к торцам контролируемого изделия и размещение на нем измерительной катушки, увеличивают время контроля. Данное устройство применимо только в лабораторных условиях, что сужает области его применения.When using this device, a technical problem arises due to the inability to carry out monitoring in local areas of large-sized products due to the limited internal dimensions of the magnetizing device, the inability to measure the internal magnetic field, which ultimately reduces the accuracy of the control of residual stresses in the controlled product. There is no possibility of determining residual mechanical stresses in various directions of the controlled products due to size limitations of the internal part of the magnetizing device and the impossibility of turning the controlled products in it. The mass and dimensions of the solenoid are large. The need for preparatory operations before control, such as attaching electrical contacts to the ends of the controlled product and placing a measuring coil on it, increases the control time. This device is applicable only in laboratory conditions, which narrows the scope of its application.

Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в повышения точности и достоверности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля, расширения области применения устройства за счет контроля остаточных напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, при снижении массогабаритных размеров устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля.The technical problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability of the control by measuring the internal magnetic field in the controlled product, increasing the locality of the control, expanding the scope of the device by controlling the residual stresses in various directions of the large-sized ferromagnetic products, while reducing the overall dimensions of the device and simplification of preparatory operations before conducting control.

Для решения технической проблемы в устройстве для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях, включающем намагничивающую систему, подмагничивающую систему, включающую электрические контакты, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии и подключения в процессе работы к генератору переменного тока, и измерительную систему, включающую измерительную катушку, устройство для детектирования сигнала на определенной частоте, соединенное с устройством оцифровки сигнала и индикатором, согласно изобретению, намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода из магнитомягкого материала с намагничивающими обмотками на двух его полюсах, контакты подмагничивающей системы выполнены подпружиненными, закреплены на П-образном магнитопроводе и расположены в межполюсном пространстве в единой с торцами полюсов П-образного магнитопровода плоскости, обращенной к поверхности контролируемого изделия, катушка измерительной системы размещена на одном из полюсов П-образного магнитопровода, измерительная система снабжена датчиком Холла, расположенным в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода, соединенным с П-образным магнитопроводом и устройством оцифровки сигнала.To solve a technical problem in a device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels, including a magnetizing system, a magnetizing system, including electrical contacts, which are capable of fixing on a controlled product and connected during operation to an alternator, and a measuring system, including a measuring a coil, a device for detecting a signal at a certain frequency, connected to a device for digitizing the signal and indicator rum, according to the invention, the magnetizing system is made in the form of a U-shaped magnetic core made of soft magnetic material with magnetizing windings at its two poles, the contacts of the magnetizing system are spring-loaded, mounted on the U-shaped magnetic core and are located in the interpole space in a single with the ends of the poles of the U-shaped the magnetic circuit of the plane facing the surface of the controlled product, the coil of the measuring system is placed on one of the poles of the U-shaped magnetic circuit, the measuring system topic is provided by a Hall sensor arranged in the central pole space U-shaped yoke connected to the U-shaped yoke device and signal digitizing.

Выполнение намагничивающей системы в виде П-образного магнитопровода с намагничивающими обмотками на его полюсах позволило увеличить локальность зон контроля остаточных напряжений и проводить контроль в различных направлениях крупногабаритных изделий, а также уменьшить массу и габариты намагничивающей системы. Выполнение электрических контактов подпружиненными и закрепленными на П-образном магнитопроводе, а также размещение измерительной катушки на одном из полюсов П-образного магнитопровода позволило упростить подготовительные операции перед проведением контроля. Введение в измерительную систему датчика Холла, расположенного в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода, контактирующего с поверхностью контролируемого изделия и соединенного с устройством детектирования сигнала, позволило увеличить точность контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии.The implementation of the magnetizing system in the form of a U-shaped magnetic circuit with magnetizing windings at its poles made it possible to increase the locality of the zones for monitoring residual stresses and to control in various directions of large-sized products, as well as to reduce the weight and dimensions of the magnetizing system. The implementation of electrical contacts spring-loaded and fixed on the U-shaped magnetic circuit, as well as the placement of the measuring coil at one of the poles of the U-shaped magnetic circuit made it possible to simplify the preparatory operations before the control. The introduction of a Hall sensor located in the central part of the interpolar space of the U-shaped magnetic circuit in contact with the surface of the controlled product and connected to the signal detection device into the measuring system made it possible to increase the control accuracy by measuring the internal magnetic field in the controlled product.

Конструктивное исполнение намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем позволило уменьшить массу и габариты устройства, сделать его компактным и проводить измерения в цеховых и полевых условиях.The design of the magnetizing, magnetizing and measuring systems made it possible to reduce the mass and dimensions of the device, to make it compact and to carry out measurements in workshop and field conditions.

Таким образом, техническая проблема устраняется достижением в заявляемом изобретении технического результата, заключающегося в повышения точности и достоверности контроля за счет измерения внутреннего магнитного поля в контролируемом изделии, увеличения локальности контроля, расширения области применения устройства за счет контроля остаточных напряжений в различных направлениях крупногабаритных ферромагнитных изделий, при снижении массогабаритных размеров устройства и упрощении подготовительных операций перед проведением контроля.Thus, the technical problem is eliminated by the achievement in the claimed invention of a technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability of the control by measuring the internal magnetic field in the controlled product, increasing the locality of the control, expanding the scope of the device by controlling the residual stresses in various directions of large-sized ferromagnetic products, while reducing the overall dimensions of the device and simplifying preparatory operations before Rola.

На фиг. 1 показано схематичное изображение устройства для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях.In FIG. 1 shows a schematic illustration of a device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels.

На фиг. 2 - зависимость сигнала измерительной катушки устройства от величины внутреннего поля в изделии Н для недеформированной пластины из стали Ст20 с одним максимумом.In FIG. 2 - dependence of the signal of the measuring coil of the device on the value of the internal field in the product H for an undeformed plate of steel St20 with one maximum.

На фиг. 3 - зависимость сигнала измерительной катушки устройства от величины внутреннего поля в изделии Н для пластически деформированной пластины из Ст20 (относительное удлинение после пластической деформации растяжением 4,6%) с двумя максимумами.In FIG. 3 - dependence of the signal of the measuring coil of the device on the magnitude of the internal field in the product H for a plastically deformed plate from St20 (elongation after plastic deformation with an extension of 4.6%) with two maxima.

Устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях (фиг. 1) включает намагничивающую систему, подмагничивающую систему и измерительную систему. Намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода 1 из магнитомягкого материала, например, технически чистого железа или пермендюра, с намагничивающими обмотками 2 на двух его полюсах. Подмагничивающая система включает подпружиненные электрические контакты 3, закрепленные на П-образном магнитопроводе 1 и расположенные в его межполюсном пространстве в единой с торцами полюсов П-образного магнитопровода 1 плоскости, обращенной к поверхности контролируемого изделия, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии и подключения к генератору переменного тока (на фиг. 1 не показан). Измерительная система состоит из измерительной катушки 4, размещенной на одном из полюсов П-образного магнитопровода 1, датчика 5 Холла, расположенного в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода 1, устройства 6 для детектирования сигнала, устройства 7 оцифровки сигнала и индикатора 8. Корпус датчика 5 Холла прикреплен с помощью неэлектропроводящего материала, например, текстолита или оргстекла, к П-образному магнитопроводу, а электрические контакты датчика 5 Холла соединены со входом устройства 7 оцифровки сигнала.A device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels (Fig. 1) includes a magnetizing system, a magnetizing system and a measuring system. The magnetizing system is made in the form of a U-shaped magnetic circuit 1 of soft magnetic material, for example, technically pure iron or permendure, with magnetizing windings 2 at its two poles. The magnetizing system includes spring-loaded electrical contacts 3 mounted on a U-shaped magnetic circuit 1 and located in its interpolar space in a plane with the ends of the poles of the U-shaped magnetic circuit 1 facing the surface of the controlled product, made to be fixed on the controlled product and connected to a generator alternating current (not shown in FIG. 1). The measuring system consists of a measuring coil 4 located on one of the poles of the U-shaped magnetic circuit 1, a Hall sensor 5 located in the central part of the interpolar space of the U-shaped magnetic circuit 1, device 6 for detecting the signal, device 7 for digitizing the signal and indicator 8. Case Hall sensor 5 is attached using a non-conductive material, for example, PCB or plexiglass, to a U-shaped magnetic circuit, and the electrical contacts of Hall sensor 5 are connected to the input of the signal digitizing device 7 Nala.

В процессе измерения устройство устанавливают на поверхность контролируемого ферромагнитного изделия таким образом, чтобы полюса П-образного магнитопровода 1, электрические контакты 3 и датчик 5 Холла плотно прилегали к поверхности этого изделия. Через намагничивающие обмотки 2 пропускают постоянный ток и намагничивают участок изделия до технического насыщения полем Н. Перемагничивают изделие, изменяя намагничивающее поле Н с частотой 10-2 Гц. Максимальная напряженность магнитного поля Н в межполюсном пространстве без изделия составляет не менее 400 А/см. Одновременно с намагничивающим полем Н через подпружиненные электрические контакты 3, подключенные к генератору переменного тока (на фиг. 1 не показан) по участку контролируемого изделия пропускают переменный ток частотой f от 1 до 50 Гц, создающий в контролируемом изделии переменное циркулярное подмагничивающее магнитное поле Н0, вектора которого описывают окружности в плоскости, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия и намагничивающему магнитному полю Н. Амплитуда тока выбирается из условия, что создаваемое подмагничивающее поле H0 должно быть много меньше коэрцитивной силы контролируемого изделия. Глубина проникновения подмагничивающего поля H0 в изделие зависит от частоты переменного тока. С увеличением частоты f уменьшается глубина проникновения поля H0 и глубина, на которой определяются остаточные механические напряжения в изделии. Во время действия в локальной зоне контролируемого изделия двух ортогональных полей Н и H0 производят измерение сигнала измерительной катушкой 4, размещенной на одном из полюсов П-образного магнитопровода 1. Сигнал с катушки 4 подается на устройство 6 для детектирования сигнала на частоте f. С помощью датчика 5 Холла измеряют тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля на поверхности контролируемого изделия, которая равна тангенциальной составляющей внутреннего магнитного поля в изделии [И.Е. Иродов. Основные законы электромагнетизма: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1983. - 279 с., ил.]. Сигналы от устройства 6 для детектирования сигнала и от датчика 5 Холла поступают на устройство 7 оцифровки сигнала и индикатор 8. Цикл измерения длится до тех пор, пока намагничивающее поле Н не изменится от максимального положительного значения до максимального отрицательного значения. На индикаторе 8 отображается график зависимости сигнала измерительной обмотки 4 от внутреннего магнитного поля в изделии, измеряемого датчиком 5 Холла. Анализируют полученную зависимость сигнала с измерительной обмотки 4 от внутреннего магнитного поля, измеряемого датчиком 5 Холла.During the measurement process, the device is installed on the surface of the monitored ferromagnetic product so that the poles of the U-shaped magnetic circuit 1, electrical contacts 3 and the Hall sensor 5 are snug against the surface of this product. A direct current is passed through the magnetizing windings 2 and the product section is magnetized to technical saturation with the field N. The product is magnetized over-magnetized, changing the magnetizing field H with a frequency of 10 -2 Hz. The maximum magnetic field H in the interpolar space without an article is at least 400 A / cm. Simultaneously with the magnetizing field H through spring-loaded electrical contacts 3 connected to an alternator (not shown in Fig. 1), an alternating current of frequency f from 1 to 50 Hz is passed through a portion of the controlled product, creating an alternating magnetizing magnetic field H 0 in the controlled product whose vectors describe circles in a plane perpendicular to the surface of the product under control and a magnetizing magnetic field N. The amplitude of the current is selected from the condition that the magnetization created The incident field H 0 should be much less than the coercive force of the product under control. The penetration depth of the magnetizing field H 0 into the product depends on the frequency of the alternating current. With increasing frequency f decreases the depth of penetration of the field H 0 and the depth at which the residual mechanical stresses in the product are determined. During the operation in the local zone of the controlled product of two orthogonal fields H and H 0 , the signal is measured by a measuring coil 4 located at one of the poles of the U-shaped magnetic circuit 1. The signal from the coil 4 is supplied to the device 6 for detecting the signal at a frequency f. Using the Hall sensor 5, measure the tangential component of the magnetic field on the surface of the monitored product, which is equal to the tangential component of the internal magnetic field in the product [I.E. Herodov. Basic laws of electromagnetism: Textbook. Manual for universities. - M .: Higher. school, 1983. - 279 p., ill.]. The signals from the signal detecting device 6 and from the Hall sensor 5 are supplied to the signal digitizing device 7 and indicator 8. The measurement cycle lasts until the magnetizing field H changes from the maximum positive value to the maximum negative value. The indicator 8 displays a graph of the dependence of the signal of the measuring winding 4 from the internal magnetic field in the product, measured by the Hall sensor 5. The obtained dependence of the signal from the measuring winding 4 on the internal magnetic field measured by the Hall sensor 5 is analyzed.

На фиг. 2 представлен график такой зависимости для недеформированной пластины из стали Ст20 только с одним максимумом.In FIG. Figure 2 shows a graph of this dependence for an undeformed St20 steel plate with only one maximum.

Как и в известном устройстве [А.П. Ничипурук, Е.В. Розенфельд, М.С. Огнева, А.Н. Сташков, А.В. Королев. Экспериментальный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформированных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали. - Дефектоскопия, 2014, №10, с. 18-26], при увеличении остаточных механических напряжений в изделии меняется его магнитная текстура и все больше начинают выделяться «легчайшие направления», вдоль которых в основном и ориентируются магнитные моменты. Это приводит к тому, что при некотором ненулевом поле Н начинают происходить переходы 90-градусных доменных границ, в результате чего моменты всех кристаллитов, чьи легчайшие оси примерно перпендикулярны Н, перебрасываются в ближайшие к этому полю ребра их кристаллических ячеек. Это приводит к значительному росту как намагниченности участка контролируемого изделия, так и к резкому возрастанию вращательного момента, действующего со стороны поля H0. Поэтому вблизи значения Н, равного сумме среднего поля наведенной магнитной анизотропии и поля задержки 90-градусных переходов, возникает максимум сигнала. При уменьшении поля Н обратные переходы магнитных моментов в направлении «легчайших направлений» начинаются, только если наведенная механическими напряжениями анизотропия достаточно сильна. Возникновение второго максимума связано с обратными 90-градусными переходами, которые начнутся тогда, когда величина поля Н окажется близка к разности поля наведенной магнитной анизотропии и поля задержки сдвигов 90-градусных доменных границ.As in the known device [A.P. Nichipuruk, E.V. Rosenfeld, M.S. Ogneva, A.N. Stashkov, A.V. Korolev. An experimental method for evaluating the critical fields of shifting domain walls in plastically deformed by tension by wires of low carbon steel. - Flaw detection, 2014, No. 10, p. 18-26], with an increase in residual mechanical stresses in the product, its magnetic texture changes and more and more “easiest directions” begin to stand out, along which the magnetic moments are mainly oriented. This leads to the fact that at a certain nonzero field H transitions of 90-degree domain walls begin to occur, as a result of which the moments of all crystallites, whose lightest axes are approximately perpendicular to H, are transferred to the edges of their crystal cells closest to this field. This leads to a significant increase in both the magnetization of the area of the controlled product, and to a sharp increase in the torque acting from the field H 0 . Therefore, near the value of H equal to the sum of the average field of the induced magnetic anisotropy and the delay field of 90-degree transitions, a signal maximum appears. With a decrease in the field H, the reverse transitions of magnetic moments in the direction of “easiest directions” begin only if the anisotropy induced by mechanical stresses is strong enough. The appearance of the second maximum is associated with reverse 90-degree transitions, which will begin when the field H is close to the difference between the induced magnetic anisotropy field and the delay field of the shifts of 90-degree domain walls.

На фиг. 3 представлен график зависимости сигнала измерительной катушки 4 устройства от поля Н для пластически деформированной растяжением пластины из стали Ст20 (относительное удлинение пластины составило 4,6%) с двумя максимумами. Определяют их среднее поле Нср. Так как основная часть необратимых смещений 90-градусных доменных границ происходит в поле, когда магнитоупругая энергия ферромагнетика (в данном случае она является источником энергии наведенной магнитной анизотропии и равна ей) сравнивается с магнитостатической энергией, то из равенства энергий рассчитывают значения остаточных механических напряжений в локальной зоне контролируемого изделия, используя соотношение (1). При этом конструктивное исполнение намагничивающей, подмагничивающей и измерительной систем в заявляемом устройстве позволило увеличить локальность зон контроля остаточных напряжений и проводить контроль в различных направлениях крупногабаритных изделий, повысить точность, а также уменьшить массу и габариты намагничивающей системы.In FIG. Figure 3 shows a graph of the dependence of the signal of the measuring coil 4 of the device on field H for a plastically deformed tensile plate of steel St20 (relative elongation of the plate was 4.6%) with two maxima. Determine their average field H cf. Since the main part of irreversible displacements of 90-degree domain walls occurs in the field when the magnetoelastic energy of a ferromagnet (in this case, it is the energy source of induced magnetic anisotropy and is equal to it) is compared with magnetostatic energy, the values of residual mechanical stresses in the local energy are calculated area of the controlled product, using the ratio (1). Moreover, the design of the magnetizing, magnetizing and measuring systems in the inventive device has allowed to increase the locality of the zones for monitoring residual stresses and to control in various directions of large-sized products, to increase accuracy, and also to reduce the weight and dimensions of the magnetizing system.

После одного цикла измерения поворачивают устройство в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, определяемый оператором, и проводят цикл измерения и расчетов. Снова поворачивают устройство в плоскости поверхности контролируемого изделия на угол α, проводят цикл измерения и расчетов согласно формуле (1), и так до тех пор, пока не будет пройден полный круг.After one measurement cycle, the device is turned in the plane of the surface of the controlled product by an angle α determined by the operator, and a measurement and calculation cycle is carried out. Again, the device is rotated in the plane of the surface of the controlled product by an angle α, a measurement and calculation cycle is carried out according to formula (1), and so on, until a full circle is completed.

Заявляемое устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях было опробовано в лабораторных условиях для определения величин остаточных механических напряжений на пластинах из углеродистой стали Ст20, подвергнутой пластической деформации растяжением. Измерения проводились вдоль оси предварительного нагружения. Экспериментальные данные представлены в таблице.The inventive device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels was tested in laboratory conditions to determine the values of residual mechanical stresses on plates of carbon steel St20 subjected to plastic tensile deformation. The measurements were carried out along the axis of the preload. The experimental data are presented in the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Как видно из таблицы, при увеличении относительных удлинений до 10,2% увеличивается напряженность магнитного поля Нср, а также рассчитанные согласно (1) остаточные механические напряжения σ. При дальнейшем увеличении относительного удлинения до 12% величины Нср и о незначительно уменьшаются.As can be seen from the table, when the relative elongations increase to 10.2%, the magnetic field strength H cf increases, as well as the residual mechanical stresses σ calculated according to (1). With a further increase in relative elongation to 12%, the values of H cf and o slightly decrease.

Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность количественной оценки величины средних остаточных механических напряжений в локальной зоне контролируемого изделия.Thus, the obtained results confirm the possibility of a quantitative assessment of the average residual mechanical stresses in the local zone of the controlled product.

Claims (1)

Устройство для контроля остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях, включающее намагничивающую систему, подмагничивающую систему, включающую электрические контакты, выполненные с возможностью фиксации на контролируемом изделии, и измерительную систему, включающую измерительную катушку, устройство для детектирования сигнала на определенной частоте, соединенное с устройством оцифровки сигнала и индикатором, отличающееся тем, что намагничивающая система выполнена в виде П-образного магнитопровода из магнитомягкого материала с намагничивающими обмотками на двух его полюсах, контакты подмагничивающей системы выполнены подпружиненными, закреплены на П-образном магнитопроводе и расположены в межполюсном пространстве в единой с торцами полюсов П-образного магнитопровода плоскости, обращенной к поверхности контролируемого изделия, катушка измерительной системы размещена на одном из полюсов П-образного магнитопровода, измерительная система снабжена датчиком Холла, расположенным в центральной части межполюсного пространства П-образного магнитопровода, соединенным с П-образным магнитопроводом и устройством оцифровки сигнала.A device for monitoring residual mechanical stresses in deformed ferromagnetic steels, including a magnetizing system, a magnetizing system, including electrical contacts configured to fix on a controlled product, and a measuring system, including a measuring coil, a device for detecting a signal at a certain frequency, connected to a digitizing device signal and indicator, characterized in that the magnetizing system is made in the form of a U-shaped magnetic circuit of soft magnetic material with magnetizing windings at its two poles, the contacts of the magnetizing system are spring-loaded, mounted on a U-shaped magnetic circuit and are located in the interpole space in a plane with the ends of the poles of the U-shaped magnetic circuit facing the surface of the controlled product, the measuring system coil is placed on one from the poles of the U-shaped magnetic circuit, the measuring system is equipped with a Hall sensor located in the central part of the interpolar space of the U-shaped a large magnetic circuit connected to a U-shaped magnetic circuit and a device for digitizing the signal.
RU2016139743A 2016-10-10 2016-10-10 Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels RU2631236C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139743A RU2631236C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139743A RU2631236C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2631236C1 true RU2631236C1 (en) 2017-09-19

Family

ID=59894014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016139743A RU2631236C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2631236C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805248C1 (en) * 2022-12-05 2023-10-12 Роман Александрович Соколов Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA59575U (en) * 2010-10-04 2011-05-25 Восточноукраинский Национальный Университет Имени Владимира Даля Device for determination of mechanical stresses in ferromagnetic constructions
RU117636U1 (en) * 2012-02-27 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" DEVICE FOR MECHANICAL VOLTAGE DETERMINATION
WO2013104508A1 (en) * 2012-01-09 2013-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for detecting mechanical changes in a component by means of a magnetoelastic sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA59575U (en) * 2010-10-04 2011-05-25 Восточноукраинский Национальный Университет Имени Владимира Даля Device for determination of mechanical stresses in ferromagnetic constructions
WO2013104508A1 (en) * 2012-01-09 2013-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for detecting mechanical changes in a component by means of a magnetoelastic sensor
RU117636U1 (en) * 2012-02-27 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" DEVICE FOR MECHANICAL VOLTAGE DETERMINATION

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805248C1 (en) * 2022-12-05 2023-10-12 Роман Александрович Соколов Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4528856A (en) Eddy current stress-strain gauge
Jomdecha et al. Design of modified electromagnetic main-flux for steel wire rope inspection
CN101246143B (en) Device for measuring ferromagnetic material internal stress by impulse electromagnetic field
CN100370238C (en) Apparatus for measuring internal stress of ferromagnetic material
US20070125182A1 (en) Non-destructive evaluation via measurement of magnetic drag force
US4316146A (en) Method and device for measuring and detecting a change in the mechanical state of a body
CN111141436A (en) Method and device for reconstructing residual stress field of ferromagnetic component
Ortega-Labra et al. A novel system for non-destructive evaluation of surface stress in pipelines using rotational continuous magnetic Barkhausen noise
RU2631236C1 (en) Device for control of residual mechanical voltages in deformed ferromagnetic steels
Gorkunov et al. The influence of the magnetoelastic effect on the hysteretic properties of medium-carbon steel during uniaxial loading
Hristoforou et al. Magnetostrictive delay lines for non-destructive testing
Ricken et al. Improved multi-sensor for force measurement of pre-stressed steel cables by means of the eddy current technique
CN112945447B (en) Magnetic measurement sensing unit, device and method for three-dimensional residual stress field of ferromagnetic component
RU2658595C1 (en) Device for non-destructive testing of compressive mechanical stresses in low-carbon steels
Langman Some comparisons between the measurement of stress in mild steel by means of Barkhausen noise and rotation of magnetization
US5423223A (en) Fatigue detection in steel using squid magnetometry
JP2011220713A (en) Bolt tightening force test equipment
JPS59112257A (en) Method and device for nondestructive inspection of ferromagnetic material
Reutov et al. Hardware for inspection of ferromagnetic low coercive-force articles
Moses et al. Comparison of the Epstein-square and a single-strip tester for measuring the power loss of nonoriented electrical steels
Zakharov et al. Evaluating the structure of a ferromagnetic material based on magnetic-field strength between the poles of an attached two-pole magnetizing device
JP2912003B2 (en) Method for measuring magnetic properties of superconductors
Li et al. Effect of uniaxial stress on magnetic permeability and magnetic loss of low-carbon steel in weak alternating magnetic field
Ren et al. Experimental study of alternating current stress measurement under a uniaxial stress
Piotrowski et al. Stress anisotropy characterisation with the help of Barkhausen effect detector with adjustable magnetic field direction

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201011