Перейти к:
Результаты обработки данных магнитометрических измерений для неразрушающего контроля уровня механических сжимающих напряжений в сталях
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-1-80-85
Аннотация
Ключевые слова
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-1-80-85
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-1-80-85
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. ЩаповаРоссия
А. Н. Сташков
Россия
А. П. Ничипурук
Россия
Рецензия
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-1-80-85
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-1-80-85