автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование структурных изменений ферромагнитных материалов методом акустической эмиссии магнитострикции

На правах рукописи

т од

2 2 Ш г:и:

Крупский Роман Фаддеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ МАпшгодгсгрикцнн

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ком сом о л ьс к- н а-Ам у ре 2000

Работа выполнена в Комсомольском-на-Амуре государственном тех-~ ническом университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Семашко Н. А.; кандидат физико-математических •наук, профессор Ганнулнн И. Ф.

< (фнцналыше оппоненты: доктор технических наук, профессор

Литовка Г.В.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

КорчевскнГ] A.A.

Ведущая организация: Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, г. Хабаровск.

Защита состоится 2000 г. в кг часов на засе-

дании диссертационного совета Д 064.70.03 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27, корп. 1, ауд. 207.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан 2000 г. Учёный секретарь диссертационного совета ^ Кандидат технических наук, донент /C/lT^'Z/__Бурков А.А

К Л Ж 043,01. о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ферромагнитные материалы, по объему их использования, занимают одно из важнейших мест в машиностроении. До настоящего времени, около 90% промышленных деталей изготовляется из углеродистой стали. Реализация предельных потенциальных возможностей различных устройств и механизмов невозможно без оперативного контроля и несущих способностей конструкций. Не смотря на большой арсенал исследовательских средств, накопленный в практическом материаловедении на сегодняшний день, развитие новых методов изучения и прогнозирования свойств ферромагнитных материалов на основе использования различных физических эффектов является весьма актуальной задачей.

Наиболее интенсивно развивающимся в последнее время методом кошроля физико-механических свойств материалов является метод акустической эмиссии (АЭ). К одной из разновидностей метода АЭ относится мало изученный, но весьма перспективный метод акустической эмиссии магнитострикшш (АЭМ). Применение метода АЭМ для исследования структурных изменений в ферромагнитных материалах интересно в плане получения количественные характеристик свойств материала, что представляет интерес как для решения фундаментальных, так и прикладных проблем материаловедения.

Цель работы - установление корреляционной связи между стр)тсту-рой ферромагнитных материалов и параметрами сигнала АЭМ.

Реализация поставленной цели требует решения следующих задач: • определить механизм возникновения акустической волны в перемагничи-впемом ферромагнитном материале;

- определить факторы не связанные со структурой ферромагнитного материала, но оказывающие влияние на сигнал АЭМ;

- разработать критерии выбора оптимальных размеров образцов исследуемых методом АЭМ;

- определить связь сигнала АЭМ с кинетикой магнитного состояния материала; определить структурные факторы, оказывающие влияние на сигнал АЭМ;

- определить наиболее информативный параметр сигнала АЭМ коррелирующий со структурой ферромагнитного материала.

Научная новизна состоит в следующем:

- предложена физическая модель источника АЭМ;

- определена свя!ь сигнала АЭМ с процессами перестройки доменной СТруу.гуры циклически перемагничиваемого ферромагнитного материала;

- предложены обоснованные критерии выбора размеров исследуемых образцов

- определены факторы структурно не связанные с исследуемым ферромагнитным материалом, но оказывающие влияние на энергетику сигнала ЛЭМ.

- определен механизм влияния структурных изменений в ферромагнитном материале на энергетику сигнала АЭМ.

- предложен новый подход к структурной интроскопии ферромагнитных материалов.

- физически мотивирован выбор в качестве наиболее информативного параметра - энергия сигнала АЭМ.

Практическая значимость работы:

- создана экспериментальная установка по исследованию структур ферромагнитных материалов методом АЭМ.

- разработана автоматизированная программа расчёта локального магнитного поля ферромагнитного образца в осе симметричном индукторе.

- предложены теоретически обоснованные критерии по выбору геометрических размеров и формы исследуемых ферромагнитных образцов;

- предложен принципиально новый способ обработки сигнала магнитоаку-стической эмиссии;

- определены оптимальные условия возбуждения сигнала АЭМ;

- предложен принципиально новый информативный параметр сигнала АЭМ;

- предложена экспресс методиках контроля структурных изменений тер-

мообрабатываемых стальных деталей.

*

Реализация работы. Амурском машиностроительном объединении "Вымпел" и в учебном процессе КнАГТУ - используются при чтении лекций по курсу "Основы экспериментального материаловедения".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуяедалксь на: заседаниях крфедра "Материаловедения и технология новых материалов" Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета в 1998 - 2000 гг.; международной конференции Суздаль 1994; научно-технических конференциях Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета в 1998 - 1999 гг ; Российская научно-технической конференции ''Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 1999 г.; XVIII Всероссийской научно-технической конференции КиАПО, Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.;6-ой Всероссийской на-

учно-технической конференции "Перспективные материалы, техполоти конструкции - экономика", Красноярск, 2000 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликога но 6 печатных работ, 4 работы находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих результатов и выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунка, таблиц, список использованной литературы из наименований, страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пнедении содержится обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приведён обзор известных публикаций по проблеме использования в практическом материаловедении эффекта генерации акустических волн ферромагнитными материалами.

Критический анализ работ показал, что на сегодняшний день АЭМ мало изучена по следующим направлениям:

- не определён механизм возникновения акустической волны п ферромагнитном материале возникающей при его перемагничивании;

- не определены факторы, структурно не связанные с исследуемым ферромагнитным материалом, но оказывающие влияние на сигнал АЭМ;

- не разработаны критерии выбора оптимальных размеров исследуемых образцов;

- не конкретизирована связь сигнала АЭМ с петляй магнитного гистерезиса;

- не определён наиболее информативный параметр сигнала АЭМ.

- не систематизирована связь сигнала АЭМ со структурными особенностями ферромагнитных материалов.

Без решения перечисленных проблем дальнейшее развитие метода АЭМ затруднено.

Во второй главе представлены физические основы эффекта Барк-гаузепа (электромагнитное проявление) и акустического эффекта Баркгау-зена (акустическое проявление) с позиций классической теории ферромаг нетизма и молекулярной акустики.

Физической основой АЭМ является эффект открытый в 1919 г. Барк-тау;еном. Он проявляется в виде скачкообразного изменения намагниченности ферромагшпных материалов при их монотонном памагннчиванш;. Как показали многочисленные опыты, эти «скачки» наблюдаются всегда ка крутых участках кривой намагничивания и петли гистерезиса. Скачки

б

Ьаркгаузена вызываются внезапным перемагннчнванием отдельных доменов или их участков. Поэтому кривая намагничивания, так же как и петля гистерезиса, при плавном возрастании внешнего магнитного поля имеет ступенчатый ход.

При отсутствии внешнего мапштного ноля положение границ между доменами определяется действием одних внутренних сил. К этим силам относятся внутренние напряжения, вызнанные статическими нарушениями кристаллической решетки в объеме граничной зоны и цо обе стороны от неё, а также магнитные поля рассеяния, вызванные этими искажениями решётки или посторонними включениями.

Под влиянием внешних энергетических воздействий условия равновесия границ между магнитными фазами меняются, и границы начинают смещаться. Эго смещение будет продолжаться до тех пор, пока не установится новое равновесное состояние.

При условии равенства гидростатического давления на стенку внутреннему давлению происходит необратимое, «скачкообразное», смещение доменной границы. Скачек 90°-градусных доменных 1раниц приводит к нестационарной магнитоупруюй деформации микрообъема ферромагнитного материала, в результате, которого генерируется акустическая волна.

В этой главе предложено, в связи с отсутствием единого термина характеризующего генерацию акустических волн ферромагнитными материалами, ввести термин, (воспользовавшись аналогиями ГОСТ 27655-88) -акустическая эмиссия магнитострикшш (АЭМ).

В третьей главе дано описание методики и экспериментальной установки для изучения влияния структурных изменений в ферромагнитных материалах на энергию сигнала АЭМ.

Функционально экспериментальную установку, блок-схема которой показана на рис.1, можно разделить на три блока: блок генерации переменного магнитного поля; блок регистрации сигналов; блок обработки и измерения сигналов.

Блок генерации переменного магнитного поли включает в себя намагничивающий индуктор и силовой автотрансформатор. Намагничивающий индуктор подключен к выходу автотрансформатора включённого па фазное напряжение сети (¿7= 22011 50 Гц). Ток индуктора /, а следовательно, и напряженность намагничивающего поля //,,, изменяются путём изменения выходного напряжения автотрансформатора.

Автоматизированная программа расчёта магнитного поля осе симметричной катушки приведена в II/.

Блок регистрации сигналов состоит из измеритечыюй катушки, преобразователя акустической эмиссии с предварительным усилителем и прецизионного шунта.

Измерительная катушка, применяемая для регистрации процессии связанных с изменением намагниченности / (магнитной поляризации /<,).

Измерительный, прецизионный шунт 1'ЗЮ включен последовательно в цепи питания намагничивающего индуктора и служит для измерения намагничивающего тока /.

СБРОС

Рис.1 Блок-схема экспериментальной установки по изучению магнитоаку-стической эмиссии: 1- частотомер Ф5035; 2, 7- электронные вольтметры В7-35; 3- четырёхканальшлй осциллограф С1 -103; 4- силовой автотрансформатор; 5- преобразователь среднеквадратичного значения напряжения; 6- дифференцирующее звено; 8- прецизионный шунт Р310; 9- предварительный усилитель; 10- пьезокристаллический датчик; 11- звуковод; 12-исследуемый образец; 13- намагничивающий индуктор; 14- измерительная катушка

Упругие волны сигнала АЭМ преобразуются в электрический сигнал АЭМ пьезоэлектрическим датчиком акустически связанным с исслгдуг-мым образцом посредством звуковода выполненного из стальной, немагнитной проволоки. Акустический контакт между преобразователем и зву-ководом обеспечивается посредством применения вакуумной смазки.

ксШ'сИ

Блок обработки и измерении сигналов содержит преобразователь среднеквадратичного значения напряжения, пассивное дифференцирующее звено, два цифровых вольтметра, частотомер, че-и.фёхканальный электронный осциллограф.

Экспериментальные исследования МАЭ показали, что наиболее физичным параметром АЭМ является энергия сигнала, для вычисления которой необходимо преобразовать напряжение и(1) снимаемое с пьезоэлектрического датчика в значение среднеквадратичного напряжения II.

Преобразователь среднеквадратичное значение напряжения собран на базе стандартной аналоговой вычислительной машины АВК 6.

В исследованиях переменялись проволочные и призматические образцы, выполненные из ферромагнитных материалов: никель, кобальт, ст.З, ст.45. Образцы располагались на магнитной нейтрале намагничивающего индуктора.

В четвёртой главе отмечены следующие экспериментальные факты:

- сигнал АЭМ имеет вид спаренного противофазного радиоимпульса (рис.2, в);

- моменты возбуждения сигнала /;, О совпадают с наиболее крутыми участками ЭДС (первая производная но времени от магнитной индукции в образце) индуцируемой в измерительной катушке и точно совпадают с максимумами продифференцированного сигнала ЭДС (вторая производная по времени от магнитной индукции в образце);

- образец генерирует указанный сигнал дважды за цикл пгремагничивания;

Рис.2 Сопоставленные осциллограммы сигналов магнитоакустической эмиссии (н), первой (а) и второй (б) производной по времени от магнитной индукции, полученные при циклическом неремагничива-нии проволочного, никелевого образца.

- совмещение перечисленных сигналов с петлёй магнитного гистерезиса определяет моменты времени ¡¡, 12 соответственно как моменты "старта" и "финиша" перестройки доменной структуры материала при схачкообрач-

изводний по времени от магнитной индукции в образце, напряженности магнитного поля с иеглёй магнитного гистерезиса. Сигналы полученн на проволочном никелевом образце.

- указанные факты качественно воспроизводились на всех исследуемых образцах.

В питой главе проведены исследования направленные на определение механизма влияния структурных изменений в ферромагнитных материалах на сигнал АЭМ. Так же в этой главе рассмотрены факторы оказывающие влияние на сигнал АЭМ, но не связанные со структурой материала и по сути являющиеся шумовыми для метода АЭМ.

С целью всестороннего обобщающею анализа, и для удобства представления информации, глава разделена на две под главы.

В первой части главы рассмотрено влияние на энергетику сигнала АЭМ структурных изменений происходящих в ферромагнитных материалах вызванных пластической деформации и термообработкой. Эти исследования проводились на модельных проволочных образцах выполненных из высоко чистого никеля и стали 3, а так же призматических образцах выполненных из стали 45.Во второй части главы рассмотрено влияние на энергетику сигнала АЭМ факторов не связанных со структурой материала исследуемых образцов т.к. температур; напряжённость и частота персмаг-ннчиЕаюшего поля; геометрические размеры, форма и обьем образца; электродинамический и магнитный эффекты. Изучение влияния данных факторов проводилось на модельных проволочных образцах, выполненных из отожженного (900° С) высоко чистого никеля.

Влияние пластической деформации на энергетику сит нала АЭМ изучалось на проволочных никелевых образцах и образцах призматической формы из ст. 45.

Никелевые образцы в состоянии поставки пластически деформированы протяжкой (относительная степень деформации 99°.»). Снятие внутренних напряжений достигалось путём 01жига при температуре 900° С. Зависимость энергии сигнала АЭМ от напряжённости показаны на (рис. 4).

Образцы из ст. 45 вырезались из прокатанного листа поперек и в направлении прокатки. Образцы вырезанные вдоль направления прокатки отжигались при температуре 1050' С и деформировались изгибом по калиброванным оправкам диаметром 35 мм. и 70 мм. Зависимость энергии сигнала АЭМ от напряжённости поля получились аналогичными приведённым на рис.4, т.е. тангенс угла наклона уменьшается с увеличением степени деформации (для образцов деформированных изгибом). Сопоставление зависимостей энергии сигнала от напряженности поля для образцов с различной ориентацией текстуры дало значительное уменьшение параметра АН иК1 /АНе для образца с поперечной текстурой по сравнению с продольной.

Очевидно это можно объяснить тем что при холодной пластической деформации в ферромагнитных материалах происходят структурные изме-

Рис,4. Зависимости энергии сигнала АЭМ Я* от напряжённости перемаг-ничивающего поля Не полученные на образцах из высоко частого никеля: -о~ отожженного в атмосфере печи при температуре 900' С; —о— деформированного протяжкой (относительная деформация 99%)

нения связанные с изменением дислокационной структуры, формы и размеров блоков и черен, величены градиентов внутренних напряжений, что приводит к изменению магнитоупругой энергии ферромагнетика, в следствии чего в свою очередь произойдёт перераспределение магнитных фаз то есть изменится магнитная текстура ферромагнетика.

Формула Кондоровского (1) определяет критическое поле Ир, при котором доменная граница скачком преодолевает препятствие, создаваемое внутренними напряжениями показывает, что на скачек доменнэй границы, оказывает наиболее сильное влияние не столько величена внутренних напряжений, сколько характер распределения напряжений внутри ферромагнетика.

1,8 (да, \ V ох Г

т о л С.

Г^а, ^

где--- максимальная средняя величена градиента внутренних

V дх ]м .

напряжений в ферромат нетике Як- матнинктрикнии насыщения, д- ширина доменной стенки Выводы:

- параметр АН'.пм /АИС чувствителен к степени внутренних напряжений вызванных пластической деформацией ферромагнитного материала.

- параметр АН'.пм -'АНг чувствителен к градиенту внутренних напряжений вызванных пластической деформацией ферромагнитного материала.

Влияние структур/'ых изменении вызнанных термической обработкой изучалось на призматических образцах, изготовленных ти листа стали •15 ьыроанных в направлении прокатки. Способы и режимы термообработки выбраны таким образом, чтобы при их вариации, явно .коррелировали физико-механические свойства стали.

Было подготовлено три серии образцов. С целью повышения чистоты эксперимента все образцы перед проведением термообработки под

250

■ Г'*

к , о е.

| ; | ! ! 1 5

1 ! | X

-------

/уСи | ! 1 ! !

О 10 20 30 40 50 60 70

Рис.5. Зависимости энергии сигнала АЭМ Е' от натфяжёпнойн персмаг-ничиваютцего поля Н,. полученные на образцах ст.45 закалённых в воде с температуры 850° С и отпущенных с температур: ~о-200" С; 300'' ('; -*-400° С; -о- 500° С; -*- 600" С -о- не отпущенный

першись предвари гелыюму о ¡бору но методу АЭМ (отбирались образцы с отклонением парамефом АП'/Л//,., и состоянии поставки, не более 8%).

В первой серии образцы подвергались отжигу при различных температурах, с целью достижения различной зернистости стали (так как образцы изготовлены из одой загошвки, они имеют одно наследственное зерно, го есть влиянием прелыеюрни и наследственности можно пренебречь): полный отжит с температуры 850°С и отжиг на крупное зерно (перегрев) с температур 900, 950, 1000 и 1050°С. Структура стали в результате отжига состоит из зёрен избыточного феррита и грубого? перлита с различным средним размером зерен.

Во второй серии термообработкой достигалась различная дисперсность структуры путём отжига, нормализации и закалки в различных средах с температуры 1050° С. Так как превращения происходили при одинаковой температуре, во всех действительный размер зерна одинаков. Достигнутые отличия в структурах происходят вследствие различных скоростей охлаждения. При отжиге получена равновесная феррито-перлитная структура с грубо пластинчатым перлитом. При нормализации получена феррито-перлитная структура, в которой избыточный феррит из-за высокой температуры превращения выделился в виде видмамштегтовых игл. Закалка в масле дала троосто-мартепситную пластинчатую структуру. Закалка в воде и закалка в растворе NaCl дали мартенсит!¡vio структуру, но в первом случае она крупно игольчатая, а во втором, вследствие более быстрого охлаждения, - мелко игольчатая. Закатка в растворе NaOH повышает температуру пузырчатого кипения. Поэтому образцы, охлажденные в этом растворе, получили структуру бейнита.

Термообработка в третей серии была направлена на создание различных внутренних напряжений второго рода путём закалке с 350° С в воде и дальнейшем отпуске с температур 200, 300, 400, 500° С. При отпуске происходит снятие внутренних напряжений, появившихся при закалке Чем выше температура отпуска, тем меньше закалочных напряжений в стали и тем более крупнодисперсная структура получается. С уменьшением степени тетрагональиости решетки мартенсита структура приобретает более округлую форму, по сравнению со структурой закаленной стали, и при более высоких температурах отпуска происходит распад на феррито-цементитную смесь.

В стати, отпущенной при 200 "С мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска и появляется остаточный аустеннт. Иглы мартенсита становятся менее острыми, что связано с уменьшением степени тетрагональиости в первом превращении при отпуске . Образцы, подвергнутые отпуску при 300 "С получили промежуточную бейиитную структуру. После отпуска 400 СС сталь приобрела троосто-сорбигную структуру, которая отличается от троосто-сорбшной структуры закалки тем, что пластины цемеи-

тита дробятся и слегка округляются. В стали, отпущенной при 500 "С дальнейшее уменьшение степени тетрагональное!п и распад остаточного аустепита приводит к образованию зернистой сорбитпой структуры. Последними в этой группе являются образцы, отпущенные при 600 "С и получившие сорбито-перлитную структуру.

1 Га рис 5 приведены зависимости энергии сигнала ЛЭМ от напряжённости поля для третьей серии образцов. В таблице 1 приведены экспериментальные данные. Таблица 1

Температура отпуска образцов, 'С МикротвёрдоС гь по Викерсу АН'/АН,, хК)"1

Без отпуска - 1,01648

200 739,49 1,1771

300 715.41 1,51753

400 451,55 2,05101

500 404,36 2,54472

600 365,73 2,71873

Экспериментальные данные первой и второй серии образцов приведены б таблице 2 и 3 соответственно. Таблица 2

Закалочная Относительная скорость Микротвёрдость по Викерсу Mi'/AIh хЮ"1

среда охлаждения

Воздух 2,5x10"3 317,72 6,13288

Масло 0,3 664,47 3,6720

Йода i 1082,75 1,32948

10% раствор тон 2 ■ 738,08 1,76685

10% раствор NaCl • 3 928,84 1,68561

Таким образом, во всех трёх сериях, в результате термообработки, произошли на ряду со структурными, кристаллографическими изменениями материала, различные уровни вну тренних напряжений второго рода (г. случае серии образцов подвергшихся отжигу наличие внутренних напряжений объясняется магнитострикционной деформацией ферромагнитного материала происходящей при фазовом магнитном переходе парамагнетик— феррома!нетик).

Влияние внутренних напряжений вызванных термообработкой на энергетику сигнала АЭМ очевидно по физике процесса сходно влиянию

внутренних напряжений вызванных пластической деформацией. Гак же сказывается то, что в гетерогенных системах разная кристаллографическая структура фаз, обусловливающая магнитную анизотропию и разную плотность магнитных зарядов в них, приводит к созданию внутренних полей рассеивания. Чем в большей степени магнитные свойства фаз отличаются от магнитных свойств основы, тем сильнее эти поля. Кроме магнитных свойств, на величину внутренних полей рассеивания будет оказывать влияние также форма частиц, этих фаз (это влияние по физике процесса сходно рассмотренному ранее влиянию размера и формы образцов). Таблица 3

Температура отжига образцов, °С Средний размер зерна, ммхКГ Бал зертта ГОСТ 5639-82 Микротвёрдость по Викерсу All'/АНе, *10"3

850 15 9 336,81 5,23333

900 44 6 216,18 5,77488

950 31 7 181,09 6,27419

1000 1050 44 62 " ~ 6 _ _ 235,02 170,76 6,91339 7,54658

Значение намагниченности феррита будет обусловлено внутренним магнитным полем, которое является результирующим трех полей: внешнего. поля рассеивания от концов образца и внутреннего поля рассеивания, обусловленного магнитными свойствами и формой цементитных частиц. Выражение для результирующего поля можно записать в виде

И, = Яе -'ду - (/ - V) • N1 = Не - {Ы0 + .V,-) • / (2)

где: 1-у - относительный объем цементита; N - размагничивающий фактор отдельной частицы цементита; - «внутренний» размагничиваю-

щий фактор.

Из выражения (2) следует, что для данной формы образца ослабление внешнею поля, а следовательно, н энергетического воздействия на образец, будет зависеть от количества частиц цементита и от формы его частицы (сфероидальная или пластинчатая). В последнем случае это будет зависеть и от ориентации пластин по отношению к направлению внешнего магнитного поля.

Влияние напряжх'ншюпи перемагничивиющего поля. Экспериментально установлено, что энергии сигнала АЭМ линейно увеличивается при увеличении напряжённости перемапшчивающего поля //.. (см. рис. 5.4). Данный факт наблюдался на всех исследуемых материалах. Угол наклона зависимости Н'лэи 40^) к оси ординат изменился при вариации

1с1ше1р41ческнх размеров, ма1ериала или структуры материала образца в свнзи с чем за информативный параметр сшнала АЭМ было принят тангенс угла наклона зависимости £",пи к осп ординат обозначаемый ь работе в виде отношения приращения энергии сигнала АЭМ к приращению напряжённости перемагничивающего ноля /ЛИ£.

Влияние частоты перемагничивающего пиля. При исследования данного вопроса за основу было принято предположение, что частотная зависимость АЭМ вызвана эффектом экранирования поля материалом образца. С целью экспериментальной проверки данной гипотезы было проведено исследование влияния частоты перемагничивающего поля на сигнал АЭМ в диапазоне частот 0,1-10000 Гц.

В результате проведения эксперимента установлено:

- амплитуда сигнала АЭМ возрастает при увеличении частоты перемагнн-чивания при неизменной напряжённости поля;

- фаза (под фазой подразумевался угол, отсчитываемый от момента прохождения намагничивающего тока через ноль до максимума сигнала АЭМ) сигнала АЭМ функционально зависит от напряженности поля и частоты персматничг.вания образца, причём прослеживается закономерность обье-деняющая Не,/„ и границу существенного проявления АЭМ. Для каждого значения частоты пере-магничивания есть минимально необходимая напряжённость поля необходимая для возбуждения сигната МАЭ (рис.6). Минимальной частоте перемапшчивания необходимой для возбуждения сигнала АЭМ при некотором значении напряжённости поля присвоен термин - граничная частота/, возбуждения сигнала АЭМ. Зависимость граничной частоты от напряжённости ноля перемагничивания /(Ие) качественно апроксимируется зависимостью второй производной но времени от напряженности перемагничивающего поля взятой в момент времени соответствующий фазе <р сигнала АЭМ.

14, 16. 18,

.....На А'МХЦ?

Рис.6 Зависимость граничной частоты /„ от напряжённости поля перемагничивания Не.

dl"/it?\^fOi.hif^ityJstnp 0)

Анализ проведённого эксперимента позволяет сделать следующие выводы:

- в низкочастотном диапазоне при исследовании образцов малого сечения с шпким значением магнитной прошшаемосш влиянием поверхностного эффекта на сигнал АЭМ можно пренебречь вследствие удовлетвори (ель-ного (и пределах пофсшности эксперимента) промагничивания материала обраща;

- энергетика сигнала АЭМ (при //р - const ) увеличивается при возрастании частоты персмагиичнвания.

Влияние электродинамического и магнитного эффектов. Суммарное действие магнитного поля на ферромагнитный материал приводящее к возникновению механических сил можно разделить на три составляющие: магнигострикцпонную, магнитную н электродинамическую. От каждой и? них возникает нестационарная, упругая деформация образца а, следовательно, генерируются акустические волны. Волны, порожденные магнитным и электродинамическим действием поля на образец, оказывают шумовое действие на сигнал АЭМ

Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в то-копроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с переменным магнитным полем, в результате чего возникает электродинамическая сила// стремящаяся "растянуть" контур вихревого тока а, следовательно, и элементарный объем проводящего материала. Так как магнитное поле переменное,/) будет пульсирующей, что приведёт к периодическим, деформациям материала и возбуждению упругих колебания.

Магнитное взаимодействие заключается во" взаимном притяжении ферромагнитного образца и индуктора. Под действием переменного магнитною поля образец намагнитится, на его поверхности появляются магнитные заряды, и возникает сила стремящаяся переместить образец в центр намагничивающего индуктора. В том случае если образец зафиксирован и исключено его свободное перемещение, индуктор с переменным током будет иртятваться к нему, что приведет к воюужденшо упругих колебаний на его поверхности.

Вывод:

- для уменьшения зашумления сигнала АЭМ упругими волнами, возникающими вследствие электродинамического эффекта необходимо уменьшил» значения шгхревых токов, что возможно при уменьшения диаметра образцов;

- для уменьшения ¡ашумленпя сигнала АЭМ упругими волнами, возникающими вследствие магнитного эффекта необходимо: а) уменьшить обт-

ем образцов; б) устанавливать образцы на магнитной нейтрали намашичи-вающего индуктора.

Влияние температуры. Температура - один из внешних факторов оказывающих существенное влияние на сигнал АЭМ. Кривая Е*^/(Т)\ц-сот, имеет максимум (рис.7), после которого происходит уменьшение энергии сигнала АЭМ, которое при температуре выше 300° С становится весьма интенсивным и при приближении к точке Кюри никеля (6>=360°С) энергия сигнала стремиться к нулю. Увеличение энергии на начальном участке гривой (в диапазоне возможного колебания комнатной температуры) можно охарактеризовать отношением приращения энергии сигнала АЭМ АЕ' к приращению температуры ЛТ. Видно, что увеличение напряжённости поля

Рис.7. Зависимости энергии сигнала АЭМ Е' от температуры, полученные на образце из отожженного (Титж^900° С), высоко чистого никеля при напряжённостях перемагничивающего поля:

-А- 4x103 Л/к; -о- 5х] О1 А/м. приводит к увеличению этого отношения. Так при //,. 4000 А/м АЕ'/АТ- 0,3125, а при Н^-5000 Л/м АЕ'/АТ= 0,7016. То есть увеличение на-

пряжённости поля па 25% приводит к увеличению температурной ошибки на125%.

Выводы:

- зависимость Я" ДТ)ц со,ы имеет максимум, обусловленный уменьшением намагниченности и внутренних, стрикнионных напряжений ферромагнитного образца с ростом температуры;

- увеличение напряжённости поля приводит к увеличению тангенса угла наклона начального участка кривой т.е. для уменьшения погрешности эксперимента вызванной флуктуацией температуры образца целесообразно ограничить верхний предел напряжённости перемагничи-вагощего поля индуктора.

Влияние геометрических размеров и формы образца.

При вариации геометрических размеров или формы исследуемых образцов происходит изменение сигнала ЛЭМ. Подчеркнём, эти изменения происходят именно вследствие изменения геометрии образца, а не его фн-зико-механических свойств или условий возбуждения сигнала (параметров перемагничиваюшет поля //_, или взаимоположения образна и индуктора).

Экспериментально установлено, что изменение объема или относительной длинны образцов Я (для образцов цилиндрической формы Я-/'с/; где 1 -длинна образца, ^-его диаметр) оказывает существенное влияние на сигнал ЛЭМ.

Для иллюстрации этого факта на рис.8 (а,б) показаны осциллограммы сигналов ЛЭМ на фоне намагничивающего тока индуктора полученные па проволочных образцах из отожжённого (/"ат - 000"С), высокочистого никеля с различной относительной длиной Я и объемом V. Другие параметры эксперимента поддерживались постоянными » обоих случаях а пределах погрешности измерительной аппаратуры.

' / \

'Ч

Г / ]'! 4 \ / |(

' 7 V

'V

/

Рис.8 Сравнительные осциллограммы сш налов МЛЭ на фоне намагтрш-ваюшего гока, полученные ни проволочных образцах из отожжённого никеля (/",„„--900" С) с различной относительном длиной /.; (а) /=47.ни, с1-=2мм, /.=23,5; (б) /-=37ди<. </-2.ич, Я --18,5. //,-?0(Ю ,1 .т./,--50 Гц

На приведённых осциллограммах видно, что увеличение Я и Г, при прочих равных условиях, приводит к увеличению сигнала ЛЭМ.

Для теоретического обоснования влияния относительной длинны Л на сигнал АЭМ, необходимо рассмотреть статическое распространение магнитного ноля в гомогенной ферромагнитной среде.

В ферромагнитном теле, помещённом в однородное магнитное иоле Не, при намагничивании на поверхности, в направлении внешнего поля возникают магнитные заряды, которые создают дополнительное маг нитное поле направленное внутри образца противоположно внешнему нолю и намагниченности I. Следовательно, на внешнее поле будет накладываться собственное поле #сТогда истинное поле //, внутри тела будет равно

(4)

Поле Н^ приближённо можно считать пропорциональным намагниченности.

//„ = N ■ 1 (5),

где N тензор размагничивающих коэффициентов. Согласно формулам (4) и (5), можно записать

Н,=н,~Ы-1 (6).

Таким образом, истинная напряженность магнитного поля //, (локальное поле), которая действует на образец меньше напряженности внешнего поля Не. Для определения //, необходимо знать /V, который можно аналитически рассчитать по выражению

N.

Я2-1

" с 2

На рис.9 приведены зависимости энергии /;* сигнала АЭМ от напряженности поля перемагничивания Не полученные на проволочных образцах из отожжённого никеля .(/"„,,,-900° С) с различной относительной длиной Л и объемом V, Из приведённых зависимостей видно, что при уменьшении длинны образца, происходит уменьшение энергии сигнала АЭМ при одном ¡г том же значении напряжённости персмагничивагошего поля.

Справедливо предположить, что па энергию сигнала ЛЭМ оказывают влияние, как уменьшение объема образца, так и уменьшение напряжённости внутреннего поля //„ то есть, величены энергетического воздействия на материал образца.

Поток акустической энергии, за время, равное периоду Т, через тор-

//„ х103А/м

Рис. 93ависимость энергии сигнала АЭМ от геометрических размеров образца:

-о— 1=57.■им, (1=2мм, А -28,3; —л— 147мм, (1 2ми, Л-^23,5; —о— 1=37 мм, с!--2ми, Л=18,5; —*— Ь 27 мм, (1- 2 мм, 1=13,5;

в столбе поперечного сечения Б и длиной УГ. Эго количество энергии равно среднему значению плотности энергии е, взятому за период и умноженному на объем столба 17^

Е = ё-Ш! (8)

На рис. 9 пунктирными линиями показаны теоретические зависимости энергии сигнала АЭМ от напряжённости перемагничивающего поля при учёте снижения энергетики сигнала только за счёт уменьшения объема образцов (в соответствии с выражением (6), энергия сигнала уменьшается на величину АЕу пропорционально уменьшению объема образна).

Видно, что для образца с относительной длинной Я-23,5 достаточен учёт только поправки на уменьшение объема (относительная погрешность уо --= 1.25%), а для образца с относительной длинной Я=13,5 ошибка становится очень значительной (уо - 77%). Это объясняется возросшим дейстьи-

ем размагничивающего ноля вследствие увеличения коэффициента размагничивания образца.

Из выражения (4) следует, что для достижения в образцах с коэффициентами размагничивания Л'/ и N2 одного и того же значения внутреннего поля //, необходимо приложить внешнее намагничивающее поле Не большее на величину ЛНе

АН, = / • АЫ. (9)

Поправка намагничивающего поля АН„ даёт дополнительное уменьшение энергии на величину АЕц. Выводы:

- с целью уменьшения величены размагничивающего поля и равномерного намашичивання, целесообразно изготавливать образцы с наибольшей относительной длиной ;

- при известных коэффициентах размагничивания н объеме образцов вог-можен пересчёт зависимостей Е'-/(Н^.

Внешнее энергетическое воздействие Энергия магнитного поля.

ЯЕа + Еа + Я= + Яд, + Ев + Е^ Внутренняя энергия ферромагнитного образца

Информационны й параметр Энергия сигнала АЭМ

Рис. 10 Энергетическая диаграмма эксперимента Обобщение результатов исследований.

Анализ зависимостей энергии сигнала АЭМ от напряжённости магнитного поля индуктора для различных ферромагнитных материалов показал их качественную идентичность. Прослеживается следующая законо-

мерность - тангенс угла наклона энергетической характеристики материала

увеличивается: при увеличении Мапштострикшш насыщения А* материала;

-

уменьшении градиента внутренних напряжении —L , уменьшении

V te ),„т

внугренних размагничивающих полей обусловленных кристаллографией и дисперсностью структуры; уменьшении размагничивающего поля обусловленного анизотропией формы образна.

Очевидно, эти экспериментальные факты обледенит следующая физическая модель эксперимента. Представим эксперимент по возбуждению АЭМ в виде блок-схемы показанной на рис. 10

Обобщение результатов исследовании.

Анализ зависимостей энергии сигнала АЭМ от напряжённости магнитного поля индуктора для различных ферромагнитных материалов показал их качественную идентичность. Прослеживается следующая закономерность - тангенс утла наклона энергетической характеристики материала

увеличивается: при увеличении магнитостршшнн насыщения As-материала;

-

уменьшении градиента внутренних напряжении —- , уменьшении

V дх )та1

внутренних размагничивающих полей обусловленных кристаллографией и дисперсностью структуры; уменьшении размагничивающего поля обусловленного анизотропией формы образца.

Очевидно, эти экспериментальные факты обьеденит следующая физическая модель эксперимента. Представим эксперимент по возбуждению АЭМ в виде блок-схемы показанной на рис. 10. На объект исследования (ферромагнитный образец) оказывается внешнее энергетическое воздействие (намагничивание образца). Вследствие физических особенностей присущих ферромагнитному материалу в результате этого воздействия генерируется акустические волны, которые после преобразования можно рассматривать как выходной энергетический параметр. Таким образом параметр AE'.nu/АНг можно рассматривать как коэффициент энергетического преобразования объекта которым является исследуемый образец.

Внутренняя энергия ферромагнитного материала определяется как

Е = Еа+Еа+Е^ + Еи+Е0би (10)

где: Е„- энергия магнитной анизотропии ; Еа- магнитоупругая энергия; Ес=>- магннтостатнческая энергия; Ем- магнитная энергия; обменная энергия.

Уравнения классической теории ферромагнетизма показывают, что изменение факторов влияющих на энергетику сигнала АЭМ изменяют

■2't

внутреннюю энергия ферромагнитной) материала вследствие изменения одного или нескольких составляющих выражения (10). Таким образом, параметр z1/;*a\i/AHc отражает внутреннее энергетическое состояние исследуемого ферромагнитного материала, которое в свою очередь определяется его физико-механическими свойствами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе проведены следующие исследования:

1. Проведён анализ литературных источников по вопросу применения в практическом материаловедении АЭМ.

2. Разработана оригинальная методика и экспериментальная установка по исследованию структур ферромагнитных материалов методом АЭМ.

3. Разработана автоматизированная программа расчета устройств генерации магнитного поля индукторов возбуждения АЭМ.

4. Разработан измерительный комплекс для вычисления энергии сигнала АЭМ.

5. Проведены экспериментальные исследования влияния на сигнала АЭМ структурных изменений в ферромагнетиках вызванных внешним энергетическими воздействиями на материал (модельные образцы из ст.45, ст.З, высоко чистых никеля и кобальта).

6. Проведены исследования внешних факторов влияющих па сигнал АЭМ но не связанных со структурой исследуем ого материала (модельный образец из высоко чистого никеля).

7. Проведены экспериментальные исследования эффекта генерации акустических волн ферромагнитными материалами на предмет определения источника АЭМ.

На основе проведённых исследований сделаны выводы:

1. Развитие метоца АЭМ в приложении к исследованию структур ферромагнитных материалов требует систематизации внешних (структурно не зависимых) и внутренних (структурно зависимых) факторов влияющих на сигнал АЭМ.

2. Оптимальным источником возбуждения АЭМ является осс симметричная катушка соленоидального типа.

3. Оптимальная форма образцов - длинные, тонкие проволки.

4. Сигнал АЭМ имеет вид спаренного, противофазного радиоимпульса.

5. Моменты возбуждения сигнала АЭМ совпадают с максимами второй производной от магнитной индукции по времени.

6. Источником сигнала АЭМ являются микро области образца подвергшиеся нестационарной магнитострикционной деформации.

7. Наиболее информативным параметром сигнала АЭМ является ею энергия.

7. Наиболее информативным параметром сигнала АЭМ является его энергия.

8. Зависимости энергии сигнала АЭМ от напряжённости магнитного поля индуктора линейны для исследованных ферромагнитных материалов.

9. Тангенс угла наклона зависимости энергии сигнала АЭМ от напряжённости магнитного поля индуктора высоко чувствителен к структурным изменениям в ферромагнитных материалах.

10. Основные структурные факторы, влияющие на сигнал АЭМ - градиенты внутренних напряжений, кристаллографическая структура, дисперсность фаз.

11. Основные внешние факторы, влияющие на сигнал АЭМ - геометрические размеры образцов, частота перемагничивающего поля, температура, центровка образца по отношению к намагничивающему индуктору.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: •

1. Гайнулин И.Ф., Крупский Р.Ф. Импульсный электромагнитный аппарат. // 1-ая Международная Конференция по электромеханике и элск-тротехнологии. Суздаль. 1994 г.

2. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Вахрушев О.М., Фролов Д.Н. Особенности использования акустических шумов Баркгаузена в практике экспериментального материаловедения.// Международная научно-техннческая конференция "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях", тезисы доклада. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г..

3. Семашко Н.А, Крупский Р.Ф., Вахрушев О.М., Фролор Д.Н. Влияние анизотропии формы и объема на интенсивность магннтоакусти-ческой эмиссии. // Международная научно-техническая конференция "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях", тезисы доклада. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.

4. Крупский Р.Ф., Вахрушев О.М. Влияние магнитного состояния ферромагнитного материала на параметры акустического портрета сигнала магнитоакустической эмиссии. // "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях", тезисы доклада. Комсо.мольск-::а-Амуре, 1998 г.

5. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Вахрушев О.М., Фролов Д.Н. Изучение магнитострикционной деформации ферромагнитных материалов по параметрам сигнала акустической эмиссии Баркгаузена з условиях термическою нагружения. // Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий кон фоль и диагностика" тезисы доклада, 1'сссия, Москва, 1999 г.

6. Семашко H.A., Крупскнй Р Ф., Вахрушев О.М., Фролов Д.11. И iy-чение магнигострикционной деформации ферромагнитных материалов но параметрам сигнала акустической эмиссии Баркгаузена в условиях термического нагружения.// Материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции КнАПО. Комсомольск-па-Амуре, 2000 г..

7. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Купов A.B. Измеритель энергии сигнала магнитоакустнческой эмиссии на базе аналогового компьютера ЛВК6.// Вестник КнАГТУ. Комсомольск-на-Амуре 2000 г.

8. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Вахрушев О.М. Влияние геометрической формы образцов на энергетику сигнала магнитоакустнческой эмиссии.// Вестник КнАГТУ. Комсомольск-на-Амуре 2000 г..

9. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Вахрушев ОМ. Способ уменьшения погрешности эксперимента при использовании метода акустической эмиссии магнитострикции, вызванной флуктуацией температуры образца. // 6-я "Всероссийская научно-техническая конференция Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика". Красноярск. 2000 г.

10. Семашко H.A., Крупский Р.Ф., Сафгенко Г.В. Влияние часюгы иеремагничиваюшего поля на сигнал акустической эмиссии магнитострикции.// 6-я "Всероссийская научно-техническая конференция Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика". Красноярск.2000 г.