Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Результаты обработки данных магнитометрических измерений для неразрушающего контроля уровня механических сжимающих напряжений в сталях

Полный текст:

Аннотация

На пластически деформированных растяжением пластинах из низкоуглеродистой стали Ст20 получены полевые зависимости сигнала измерительной катушки, пропорциональные обратимой намагниченности. Применение дополнительной аппроксимации полученных экспериментальных данных с помощью трех функций псевдо-Фойгта позволило выделить информацию о необратимом смещении 90-градусных доменных границ, наиболее чувствительных к механическим напряжениям. В результате проведения математической обработки экспериментальных данных удалось повысить достоверность результатов определения полей наведенной напряжениями магнитной анизотропии и механических напряжений.

Для цитирования:


Щапова Е.А., Сташков А.Н., Ничипурук А.П. Результаты обработки данных магнитометрических измерений для неразрушающего контроля уровня механических сжимающих напряжений в сталях. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):80-85.

For citation:


Shchapova E.A., Stashkov A.N., Nichipuruk A.P. Results of magnetometry data processing for non-destructive testing of compressive mechanical stress levels in steels. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(1):80-85. (In Russ.)

Контроль внутренних механических напря­жений в стальных конструкциях неразру­шающими методами является важной науч­но-технической задачей [1-4]. В силу высокой чувствительности магнитных свойств ферро­магнетиков к изменению их напряженно-де­формированного состояния [5] активно раз­рабатываются магнитные методы контроля уровня механических напряжений, а на рын­ке предлагается все больше приборов. Среди магнитных методов контроля механических напряжений наибольшее распространение получили коэрцитиметрический [2], магнито­анизотропный [3], а также метод шумов Барк- гаузена [4]. Помимо преимуществ у перечис­ленных методов есть недостатки: измеряемые параметры зависят не только от механических напряжений, но и от мешающих структурных факторов (размеров и границ зерен, наличия карбидных включений, замыкающих доме­нов); необходимо проводить калибровку аппа­ратуры в лабораторных условиях на образцах той марки стали, из которой изготовлен объект контроля и др.

Ранее авторами данной статьи был пред­ложен способ магнитного контроля механи­ческих напряжений [6], который не имеет перечисленных выше недостатков. Новизна предлагаемого подхода заключается в мето­дике экспериментального нахождения поля магнитной анизотропии, наведенной механи­ческими напряжениями в стальной конструкции. Причем данный параметр зависит только от механических напряжений и не зависит от структурных факторов, которые могут оказы­вать существенное влияние на измеряемый параметр. Это достигается за счет оригиналь­ной схемы намагничивания объекта контро­ля, позволяющей разделить вклад в процессы перемагничивания ферромагнетика двух ти­пов доменных границ, схемы детектирования полезного сигнала и его обработки [6]. Для применения предлагаемого метода на практи­ке был разработан оригинальный первичный преобразователь приставного типа [7]. Од­нако лабораторные испытания показали, что для его успешного использования требуется проводить дополнительную математическую обработку экспериментальных данных.

Цель данной работы - повышение до­стоверности экспериментальных магнитоме­трических данных, полученных с помощью разработанного первичного преобразователя приставного типа, предназначенного для кон­троля механических напряжений в стальных конструкциях, путем их математической об­работки.

Магнитометрические измерения прово­дились на плоских образцах из низкоуглеро­дистой стали Ст20 размерами 200x70x1,5 мм. Все образцы изготовлены путем фрезерования и шлифовки с последующим низкотемпера­турным отжигом для снятия внутренних на­пряжений. Перед проведением измерений об­разцы подвергались деформации растяжением с варьированием относительного удлинения до 10,2 %. Магнитометрические измерения проводились на разгруженных образцах. На поверхности пластин был установлен первичный преобразователь. Происходило перемаг- ничивание локального участка контролируе­мого объекта с частотой 5 мГц по предельной петле гистерезиса. В дополнение к квазистатическому перемагничивающему полю в образце было создано переменное подмагничивающее магнитное поле частотой 30 Гц с помощью возбуждающей катушки, плоскость которой параллельна плоскости контролируемого об­разца. Полезный сигнал, пропорциональный нормальной компоненте обратимой намагни­ченности, был измерен катушкой и детектиро­ван на частоте подмагничивающего поля.

Схема эксперимента отражена на рис. 1, а. Полевые зависимости сигнала измеритель­ной катушки, полученные для пластически деформированных образцов, представлены на рис. 1, б (здесь стрелкой показано направление перемагничивания). Они отличаются от полу­ченных ранее результатов (рис. 2) [6] тем, что вместо трех четких экстремумов, связанных с необратимым смещением 90-, 180- и 90-гра­дусных доменных границ соответственно, на кривых (см. рис. 1, б) наблюдаются два неявно выраженных экстремума (или один экстремум и «перегиб»). Предположим, что разница в по­ведении кривых на рис. 1, б и рис. 2 связана с неоднородностью перемагничивающего поля, создаваемого приставным электромагнитом (см. рис. 1, а). Дополнительным фактором раз­ницы кривых является измерение катушкой 4 (см. рис. 1, а) нормальной компоненты сигнала вместо тангенциальной (рис. 3). В результате два экстремума в отрицательном поле слива­ются в один общий, и достоверно определить их поля становится затруднительно.

 

Рис. 1. Первичный преобразователь приставного типа (а) и полевые зависимости сигнала измерительной катуш­ки, полученные на пластически деформированных образцах (б):

1 - магнитопровод; 2 - намагничивающие обмотки; 3 - стальной образец; 4 - датчик Холла; 5 - измерительная катушка; 6 - возбуждающая катушка; 7, 8 - относительное удлинение пластины на 4,6 и 10,2 % соответственно

 

 

Рис. 2. Полевые зависимости сигнала измерительной катушки, полученные на пластически деформирован­ном образце [6]

 

 

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

1 - измерительная катушка; 2 - соленоид; 3 - образец

 

Предложенная авторами данной статьи методика оценки механических напряжений базируется на экспериментальном определе­нии полей H1 и H2 (см. рис. 2). В связи с этим становится актуальным получение этих полей из кривых, представленных на рис. 1, б.

Для оценки величины механических на­пряжений по результатам магнитных измере­ний кратко поясним предложенный подход. В отличие от недеформированного образца, имеющего кривую с одним максимумом в отрица­тельном поле, в пластически деформирован­ном растяжением образце при отсутствии внешней нагрузки на кривых появляются два (см. рис. 1, б) или три экстремума (см. рис. 2). Это связано с действием в образце упругих остаточных сжимающих макронапряжений, вызывающих появление магнитной текстуры типа «легкая плоскость» (ЛП), перпендикуляр­ной направлению предварительного растяже­ния. Наличие магнитной текстуры ЛП способ­ствует необратимому смещению 90-градусных доменных границ еще до смены знака поля (повороты векторов намагниченности показа­ны на рис. 4, а, б) и появлению максимума сиг­нала измерительной катушки в поле H1 на кривой (см. рис. 2). При смене знака намагни­чивающего поля происходят необратимые сме­щения 180-градусных доменных границ (рис. 4, в) и на кривой (см. рис. 2) появляется сред­ний максимум. В некотором отрицательном поле H2 (см. рис. 2) снова произойдут 90-гра­дусные переходы (рис. 4, г). Поле H1 равно разности поля наведенной магнитной ани­зотропии Ha и поля барьера 90-градусных доменных границ H90кр, а поле H2 - сумме по­лей Ha и H90кр. Экспериментально определив поля H1 и H2 , легко вычислить значение поля наведенной напряжениями магнитной ани­зотропии На. Величину механических напря­жений σiрасч можно вычислить из условия ра­венства магнитоупругой и магнитоанизот­ропной энергий ферромагнетика [6]:

где Ms - намагниченность насыщения;

λ100 - константа магнитострикции в куби­ческом кристалле в направлении (100).

 

Рис. 4. Схематическое расположение векторов намагниченности в разных намагничивающих полях H:

а - H = + Hmax; б - 0 < H < Ησ; в - 0 < |H| < Hσ; г - H = - Hmax

 

Важно отметить два факта. Во-первых, так как величина поля барьера H90кр не участву­ет в расчете σiрасч, то происходит отстройка от мешающих структурных факторов. Во-вторых, величину напряжений σί можно определить для любых марок сталей, зная Ms и λ100 (дан­ные величины являются справочными).

Остается вопрос, как вычислить величи­ны намагничивающих полей H1 и H2 из кри­вых, представленных на рис. 1, б? Определить их только лишь по внешнему виду кривых весьма сложно, велика вероятность ошибки. Для повышения точности и достоверности определения величин полей H1 и H2 было принято решение провести математическую обработку исходных кривых, используя аппроксимацию. Исходные кривые 7 и 8 были аппроксимированы с помощью суперпозиции трех функций псевдо-Фойгта [8], часто приме­няемых при обработке спектров. Такой формы пика можно достичь при использовании функ­ции, представляющей собой суперпозицию функций Гаусса и Лоренца с разными весовы­ми коэффициентами:

у = (1 -α)уL + ayG,                                            (2)

где α - весовой коэффициент;

yL - функция Лоренца;

yG - функция Гаусса.

Меняя значение весового коэффициента α от 0 до 1, можно вносить различный вклад в результирующую функцию от функций Га­усса и Лоренца. Комбинация двух функций позволяет достаточно точно описывать разные участки экспериментальных зависимостей, представленных на рис. 1, б.

Для получения полей максимумов H1 и H2 был применен алгоритм аппроксимации, состоящий из двух этапов. На первом этапе были визуально оценены и заданы в окне программного обеспечения (ПО) поля максимумов на кривых 7 и 8 (рис. 1, б). Поле среднего мак­симума, который есть, но «сливается» с левым максимумом, было принято близким к нулю. Дополнительно заданы ширина пика на поло­вине высоты и весовой коэффициент. Далее проводилась аппроксимация эксперименталь­ной кривой с помощью вычислительного ап­парата ПО. Алгоритм, заложенный разработ­чиками программы, позволил в автоматическом режиме провести сглаживание и получить уточненные параметры, из которых в рамках данного исследования были необходимы два: значения полей H1 и H2. При этом экспери­ментальная и рассчитанная кривые станови­лись неразличимы визуально, а коэффициент детерминации достигал значения 0,999.

На рис. 5 представлены обработанные с помощью функций псевдо-Фойгта результиру­ющие кривые. Поля, в которых наблюдались экстремумы кривых 4 и 2 (см. рис. 5), соответствовали искомым полям H1 и H2.

 

Рис. 5. Результат обработки полевых зависимостей при относительном удлинении 4,6 (а) и 10,2 % (б) соответ­ственно:

1 - экспериментальная кривая; 2- 4 - результат аппроксимации экспериментальной кривой с помощью функций псевдо-Фойгта; UВТП - сигнал измерительной катушки 4

 

В табл. 1 представлены положения мак­симумов и рассчитанные по этим показателям уровни механических напряжений σiрасч.

 

Таблица 1

Результаты обработки и расчетов

Относительное удлинение, %

H1, А/см

H2, А/см

σiрасч, МПа

4,6

13,4

-28,8

141,3

10,2

16,0

-40,0

187,6

Правомерность определения полей H1 и H2 после проведения аппроксимации под­тверждена тестовым экспериментом, в ходе которого к пластине из стали Ст20 была при­ложена упругая сжимающая нагрузка, а также проведены магнитометрические измерения и дальнейшая математическая обработка, соглас­но схеме, описанной выше. Прикладываемая к испытуемому образцу нагрузка фиксирова­лась с помощью аттестованного динамометра. Полученные экспериментальные кривые также были аппроксимированы с помощью функций псевдо-Фойгта. Кроме того, были определены поля H1 и H2, рассчитаны значения механи­ческих напряжений σiрасч, проведено сравнение с приложенными к образцу напряжениями σi. Результаты представлены в табл. 2. Погреш­ность определения механических напряжений с помощью магнитометрических измерений не превышала 5 %.

 

Таблица 2

Результаты сравнения механических напряжений σi и σiрасч

Нагрузка, кг · с

H1, А/см

H2, А/см

σiрасч, МПа

σi, МПа

2000

7,0

-11,6

73,5

76,5

3000

12,6

-13,4

110

107

В результате проведенной работы были получены экспериментальные данные, позво­ляющие после осуществления вычислений определить уровень остаточных сжимающих напряжений в низкоуглеродистой стали без проведения процедуры предварительной кали­бровки. Применение дополнительной аппрок­симации полученных экспериментальных дан­ных с помощью функций псевдо-Фойгта позволило улучшить достоверность результа­тов определения полей H1, H2, и поля наве­денной напряжениями магнитной анизотропии Ha и, как следствие, величины механических напряжений σiрасч. По результатам тестовых экспериментов можно сделать вывод о право­мерности предложенного подхода.

Список литературы

1. Schajer G.S., ed. Practical residual stress measurement methods. Vancouver, Canada: John Wiley & Sons Ltd, 2013. 328 p.

2. Захаров В.А., Боровкова М.А., Комаров В.А., Мужицкий В.Ф. Влияние внешних напряжений на коэрцитивную силу углеродистых сталей // Дефектоскопия. 1992. № 1. С. 41-46.

3. Новиков В.Ф., Бахарев М.С. Магнитная диагностика механических напряжений в ферромагнетиках. Тюмень: Вектор Бук, 2001. 220 с.

4. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Маховски М. Эффект Баркгаузена и его использование в структуроскопии ферромагнитных материалов. Обзор 2. Влияние упругой и пластической деформаций // Дефектоскопия. 1999. № 7. С. 3-32.

5. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М.: Иностранная литература, 1956. 784 с.

6. Ничипурук А.П., Розенфельд Е.В., Огнева М.С., Сташков А.Н., Королев А.В. Экспериментальный метод оценки критических полей смещающихся доменных границ в пластически деформированных растяжением проволоках из низкоуглеродистой стали // Дефектоскопия. 2014. № 10. С. 18-26.

7. Ничипурук А.П., Сташков А.Н., Кулеев В.Г., Щапова Е.А., Осипов А.А. Методика и устройство для безградуировочного определения величины остаточных сжимающих напряжений в деформированных растяжением низко-углеродистых сталях // Дефектоскопия. 2017. № 11. С. 20-26.

8. Ida T., Ando M., Toraya H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt proнапряжений σi. По результатам тестовых file // Journal of Applied Crystallography. 2000. No. 33. Pp. 1311-1316.


Об авторах

Е. А. Щапова
АО «Уральское производственное предприятие «Вектор»
Россия


А. Н. Сташков
Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
Россия


А. П. Ничипурук
Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
Россия


Для цитирования:


Щапова Е.А., Сташков А.Н., Ничипурук А.П. Результаты обработки данных магнитометрических измерений для неразрушающего контроля уровня механических сжимающих напряжений в сталях. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):80-85.

For citation:


Shchapova E.A., Stashkov A.N., Nichipuruk A.P. Results of magnetometry data processing for non-destructive testing of compressive mechanical stress levels in steels. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(1):80-85. (In Russ.)

Просмотров: 42


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)