Содержание к диссертации
Введение
1. Методы магнитного контроля изделий, составляющие которых имеют различные магнитные свойства. измерительно- вычислительные комплексы 11
1.1. Коэрцитиметрические методы контроля качества поверхностного упрочнения 11
1.2. Определение глубины и твердости упрочненного слоя 15
1.3. Магнитные параметры многокомпонентных систем 23
1.4. Измерительно-вычислительные комплексы 29
1.5. Заключение и постановка задачи исследования 34
2. Магнито-измерительный комплекс МИК-1 37
2.1. Методологические принципы построения магнито измерительного комплекса 38
2.2. Устройство магнито-измерительного комплекса МИК-1 42
2.3. Программное обеспечение магнито - измерительного комплекса МИК-1 48
2.4. Метрологические испытания магнито - измерительного комплекса МИК-1 54
2.5. Выбор оптимальных размеров приставного намагничивающего устройства для магнито -измерительного комплекса МИК-1 59
2.5.1. Приставное намагничивающее устройство при контроле однородных массивных изделий 59
2.5.2. Приставное намагничивающее устройство при контроле двуслойных стальных изделий 76
2.6. Заключение 86
3. Коэрцитивная сила многослойных систем 88
3.1. Образцы и методика измерений 88
3.2. Коэрцитивная сила двуслойных тороидальных образцов 91
3.3. Коэрцитивная сила пакетов стальных пластин в замкнутой магнитной цепи 96
3.4. Коэрцитивная сила пакетов стальных пластин8 в разомкнутой магнитной цепи 9
3.5. Заключение 112
4. Дифференциальная магнитная проницаемость и вторичные спектры магнитной жесткости многокомпонентных образцов 114
4.1. Образцы и методика измерений 115
4.2. Дифференциальная магнитная проницаемость многокомпонентных образцов 117
4.3. Вторичные спектры магнитной жесткости многокомпонентных образцов 132
4.4. Заключение 141
Выводы 143
Список использованных источников 145
- Определение глубины и твердости упрочненного слоя
- Устройство магнито-измерительного комплекса МИК-1
- Коэрцитивная сила двуслойных тороидальных образцов
- Дифференциальная магнитная проницаемость многокомпонентных образцов
Введение к работе
Развитие промышленного производства возможно только на базе технического перевооружения, которое включает в себя внедрение современных технологий и использование новых материалов. Целью технического перевооружения является создание конкурентоспособной продукции, качество которой отвечает современным требованиям. В свою очередь, обеспечение необходимого уровня качества изделий невозможно без включения в технологический процесс производства средств неазрушающего контроля. На первый план выходят компьютеризированные приборы и установки, позволяющие экспрессно реализовать многопараметровые методы контроля. Это особенно важно в тех случаях, когда существующие однопараметровые и двухпараметровые методы контроля не обеспечивают надежной и достоверной оценки качества продукции, в частности, при определении структурного состояния составляющих многокомпонентных и многослойных изделий. Примерами таких объектов контроля могут служить поверхностно упрочненные изделия, канаты, в которых механические свойства проволок могут изменяться в процессе эксплуатации, биметаллические ферромагнитные изделия.
При контроле многокомпонентных изделий, а именно, оценке относительного содержания каждой из компонент и их механических свойств, необходимо учитывать целый ряд факторов: степень различия магнитных свойств компонент, относительное содержание компонент, возможность магнитного взаимодействия между компонентами и др. На сегодняшний день методик контроля, учитывающих все перечисленные факторы, не существует. В связи с этим задача разработки методов контроля многокомпонентных и многослойных изделий, реализующих их. средств и программного обеспечения является актуальной. В данной диссертации предлагаются научные и технические решения, позволяющие создать такие методы.
Работа состоит из введения, четырех глав и выводов.
В главе 1 проведен литературный обзор, в котором рассмотрены существующие методики и аппаратные средства для магнитного контроля качества изделий, состоящих их нескольких компонент с различными магнитными свойствами. Сформулирована задача исследования.
Определение глубины и твердости упрочненного слоя
Раздельное определение механических свойств упрочненного слоя и его глубины достигается локализацией электромагнитного потока на определенной глубине от поверхности изделия. Чаще всего этого добиваются, используя либо преобразователи определенной формы [14], либо несколько частот возбуждения [35, 36]. При этом обычно считается, что свойства сердцевины изделия не меняются и не подлежат контролю.
В некоторых случаях возникает необходимость контроля не только глубины и твердости поверхностных слоев, но и свойств неупрочненнои сердцевины изделия, например, когда перед поверхностным упрочнением изделие проходит предварительную термическую обработку. Проблему одновременного определения свойств как поверхностно упрочненного слоя,так и сердцевины изделия можно в некоторых случаях [37, 38] решить путемиспользования особенностей перемагничивания двуслойногоферромагнетика, каковым приближенно можно считать поверхностно упрочненное (например, закалкой ТВЧ) изделие, где переходная зона не оказывает качественного влияния на процесс перемагничивания.
Петля гистерезиса двуслойного ферромагнетика имеет искаженный характер. В работе [39] проведены исследования петель гистерезиса двуслойного материала, состоящего из электротехнической стали и магнитотвердой хромистой стали. Измерения проводили в замкнутой магнитной цепи. Отмечено, что при увеличении содержания магнитожесткого материала, появляется едва заметная выпуклость на петле гистерезиса. При дальнейшем увеличении магнитожесткого слоя выпуклость становится более отчетливой. При 70% выпуклость переходит через ось абсцисс. Но все еще большая часть ветви петли гистерезиса на участке между остаточной индукцией и коэрцитивной силой обладает свойствами магнитомягкого материала. Лишь постепенно, при дальнейшем увеличении содержания жесткого слоя петля принимает форму петли гистерезиса магнитожесткой составляющей.
Здесь же показано, что особенности в виде выпуклостей на петлях гистерезиса проявляются значительно сильнее на кривых зависимостей дифференциальной проницаемости от магнитного поля. Отмечено, что при увеличении содержания жесткого слоя величина максимума дифференциальной проницаемости, соответствующего магнитомягкому слою, снижается. Изучено влияние увеличения содержания мягкого слоя на основе жесткого на ход проницаемости. Уже при малом содержании мягкого слоя на пологой кривой для жесткой компоненты появляется второй, более сильный пик. При увеличении мягкого слоя этот пик поднимается все выше, а пик исходного материала становится все более пологим, но еще при 30% добавки отчетливо распознается, при более высоких значениях добавки мягкого слоя этот пик выступает как точка перегиба.
Исследование полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости двуслойных ферромагнетиков из конструкционных сталей [40] подтвердили, что такие зависимости имеют аномальный характер -вместо одного пика, характерного для однородных ферромагнетиков, наблюдаются два. При этом значения максимумов проницаемости и напряженности полей, в которых они наблюдаются, связаны со структурным состоянием слоев и их толщинами, что позволило использовать эти параметры для контроля технологически заданных характеристик поверхностно упрочненного слоя и неупрочненной основы изделия [37, 41]. Первый максимум наблюдается в поле Н\ тах, второй - Н2 тах (для краткости Н\ и Н2). Определение полей Нх и Н2 можно проводить путем дифференцирования по полю петель гистерезиса двуслойного образца или непосредственно, измеряя ЭДС обмотки, охватывающей образец, и определяя поля Hi и Н2 в момент максимумов ЭДС обмотки.
Поля Н\ и Н2 совпадают по значению с полями максимальной дифференциальной проницаемости для составляющих двуслойный образец материалов [40].
Измерения на образцах с различной толщиной закаленного слоя показали, что для всех этих образцов поля Н тах одинаковы, то есть не зависят от толщины слоя, а определяются только свойствами самих слоев. Известно, [42], что поле максимальной дифференциальной процицаемости образца практически совпадает со значением коэрцитивной силы. Поэтому, определяя Н\ и Н2 двуслойного образца, можно получать информацию о величине коэрцитивной силы того и другого слоев и, пользуясь известными закономерностями, определять качество этих слоев [43]. Метод реализован в приборе МИКС [38, 44], предназначенном для контроля поверхностно упрочненных с помощью токов высокой частоты или химико-термической обработки стальных изделий, у которых поля максимальной дифференциальной магнитной проницаемости достаточно сильно различаются для упрочненного и неупрочненного слоев, а площади их поперечного сечения соизмеримы.
При контроле изделий с тонким упрочненным слоем, а также изделий, у которых значения полей максимальной дифференциальной проницаемости обоих слоев близки, на полевой зависимости оба пика накладываются друг на друга, при этом выделение максимумов сопровождается большими погрешностями. В этом случае для повышения достоверности контроля предложено использовать дифференциальный способ [45], который хотя и позволяет получить абсолютные значения величин полей, соответствующих максимумам значений дифференциальной магнитной проницаемости, однако дает ограниченную информацию о толщине упрочненного слоя.
Аналогичное появление двух максимумов наблюдали при исследовании скачков Баркгаузена двуслойных ферромагнетиков [46-49]. В этом случае каждый из слоев (магнитотвердый упрочненный слой и магнитомягкая основа) имеет собственное поле старта, то есть поле, в котором начинаются необратимые скачки намагниченности. Вследствие этого, огибающая магнитного шума за полпериода перемагничивания, имеет два максимума, один их которого соответствует магнитному шуму основы, второй -магнитному шуму слоя. При регулировании глубины проникновения поля перемагничивания и его амплитуды, появляется возможность одновременного определения как глубины, так и твердости упрочненного слоя.
Использование метода определения глубины и твердости упрочненного слоя с помощью анализа зависимостей дифференциальной проницаемости от магнитного поля ограничено тем, что изделие должно перемагничиваться параллельно границе раздела слоев, что характерно для тороидальных образцов или образцов простой формы, перемагничиваемых в замкнутой магнитной цепи. При использовании намагничивающих устройств типа пермеаметров, соленоидов и приставных электромагнитов, не
Устройство магнито-измерительного комплекса МИК-1
С целью автоматизации научных исследований при разработке магнитных методов и средств неразрушающего контроля структурного состояния и физико-механических свойств изделий создан . комплекс, позволяющий проводить измерения совокупности квазистатических магнитных параметров.
Магнитно-измерительный комплекс МИК-1 представляет собой построенный по модульному принципу автоматизированный многофункциональный измерительный прибор с компьютерным управлением и обработкой получаемых результатов.В состав комплекса МИК-1 входят два основных блока: измерительный процессорный блок (ИПБ) и управляемый генератор тока (УГТ), а также персональный компьютер (ПК) (вместо ПК возможен вариант использования встроенного в ИПБ контроллера), намагничивающее устройство, при необходимости могут быть подключены дополнительные измерительные датчики. Функциональная схема прибора представлена на рис. 2.2. Внешний вид магнитно-измерительного комплекса изображен на рис. 2.3.
Измерительный процессорный блок предназначен для формирования аналоговых и цифровых управляющих сигналов, контроля тока управляемого генератора, интегрирования сигнала с измерительной, обмотки намагничивающего устройства, а также для измерения, запоминания и первичной обработки полученных результатов. ИПБ получает от главной ЭВМ исходные данные для процесса измерений и возвращает измеренные результаты. Связь с главной ЭВМ осуществляется через последовательный порт ввода/вывода.
Основой ИПБ является процессорная плата 6012 фирмы "Octagon Systems" в стандарте micro-PC, вычислительные возможности которой соответствуют возможностям центрального процессора персонального компьютера типа PC XT. Контроллер 6012 выполняет функции управления, сбора и передачи информации. Под воздействием процессорной платы по заданному алгоритму цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразовывает цифровой код в постоянное электрическое напряжение, подаваемое на вход модуля УГТ. УГТ формирует соответствующий уровню входного напряжения ток, протекающий через первичную обмотку намагничивающего устройства. Контроль тока в намагничивающей обмотке обеспечивает блок развязки (БР), который включает в себя средства калибровки для обеспечения минимальной погрешности измерения.
Средством измерения напряжения является аналого-цифровой преобразователь АЦП, встроенный в контроллер 6012. Используемый диапазон измеряемых напряжений - от -5В до +5В. АЦП не требует калибровки и калибруется автоматически аппаратными средствами.Канал измерения намагничивающего тока содержит измерительный преобразователь тока в напряжение, подключенный через блок развязки БР к входу 1 АЦП. Разрешающая способность АЦП при измерении тока составляет 2,443 мА, то есть 0,12% от максимального значения тока. Для определения коэффициента преобразования БР в схеме предусмотрены средства калибровки. Калибровка БР выполняется следующим образом: к входу БР с помощью управляемых ключей К2, КЗ, К4 поочередно подключаются калибровочные напряжения и выполняются измерения; по получаемой градуированной зависимости результатов измерений от действительных значений напряжения определяются аддитивные и мультипликативные поправки, которые затем используются при определении кода, передаваемого на ЦАП, то есть при установке тока.
Измерение совокупности магнитных параметров осуществляется в процессе непрерывного ступенчатого перемагничивания образца путем подачи в намагничивающую обмотку тока, изменяющегося по закону, определяемому алгоритмом программы. Для получения петли гистерезиса необходимо определить значения В при различных значениях Н при квазистатическом изменении Н, то есть определить несколько десятков или сотен пар значений (Н, В), являющихся координатами точек петли гистерезиса. В момент приращения намагничивающего тока на величину А/, в измерительной обмотке намагничивающего устройства возникает ЭДС (импульс напряжения AU), которая интегрируется блоком интеграторов (БИ) и передается для измерения на плату 6012. Интегрируя значение выходной измерительной обмотки, мы получаем значение Л/инт, которое прямо пропорционально изменению магнитной индукции АВ. Изменяя намагничивающий ток, интегрируя импульсы напряжения в измерительной обмотке и суммируя проинтегрированные значения, мы получаем зависимость UmT-f(ImMani), а после соответствующей калибровки - В =J[H) (рис. 2.4).
Комплекс построен на современной высоконадежной элементной базе, комплектующие модули аттестованы по международному стандарту качества ISO 9000 (производство фирм Octagon Systems, Computer Products), модули низкой степени интеграции (интеграторы, измерительные .усилители, управляемый источник тока) выполнены на основе элементов фирм Analog Devices, Burr-Brown, Phoenex Contact. Это позволяет построить эффективную малогабаритную систему сбора данных, способную работать в достаточно жестких условиях благодаря высокой стойкости к вибрациям, низкому электропотреблению, компактному размеру плат 114x124 мм.
Комплекс имеет полную аппаратно-программную совместимость с наиболее широко распространенным в России IBM PC-стандартом и может обеспечивать обработку сигналов одновременно от 7 первичных преобразователей любого типа. Для решения различных задач исследований в МИК-1 предусмотрена возможность изменять алгоритм перемагничивания и измерений.
Коэрцитивная сила двуслойных тороидальных образцов
Простейшим случаем в поставленной задаче являются тороидальные образцы, поскольку предполагается, что процессы перемагничивания, происходящие в слоях составного тороида при их параллельном расположении друг относительно друга, протекают независимо.
Рассмотрим процессы размагничивания в двуслойных образцах, коэрцитивные силы слоев которых различаются. На рис. 3.1 приведены зависимости магнитных потоков от поля для однородных тороидов (кривые 1 и 2) и двуслойного тороида, составленного из материалов однородных образцов. Суммарный поток в двуслойном образце складывается из потоков в каждом из слоев. Поскольку сечения образцов были одинаковыми, потоки магнитомягкого и магнитожесткого однородных образцов, измеренные при этом сечении, были пересчитаны и приведены соответственно к сечениям мягкой iSi и жесткой 5 2 составляющих двуслойного образца. Как видно из рис. 3.1, по мере нарастания размагничивающего поля остаточные потоки Фг\ =Br\S\ и 0r2=Br2S2 обоих слоев будут уменьшаться. Когда размагничивающее поле станет равным коэрцитивной силе магнитомягкого слоя Нс\, остаточный поток в нем будет равным нулю. Магнитожесткий слой в этом поле еще не размагничен, и остаточный поток всего образца будет равен некомпенсированной части потока магнитожесткого слоя. При дальнейшем увеличении размагничивающего поля до величины Нс, остаточный поток в магнитожестком слое будет убывать, в то время как в мягком слое - нарастать в противоположном направлении. В поле Нс магнитные потоки обоих слоев будут противоположно направлены и равны по абсолютной величине, т. е. взаимно скомпенсированы. Величину размагничивающего поля Нс, когда магнитные потоки в слоях равны и противоположно направлены, принято называть коэрцитивной силой двуслойного образца [62, 63], что существенно отличает его от однородного, в котором в момент определения коэрцитивной силы магнитный поток равен нулю. В случае двуслойных образцов коэрцитивная сила не является физической константой, характеризующей материал, и не является коэрцитивной силой в обычном понимании. Ее величина, измеренная при условии равенства нулю остаточного потока, определяется не только величиной коэрцитивных сил составляющих слоев, но и зависит еще от геометрической формы слоев, т. е. от площади их поперечного сечения; взаимного расположения и формы петель гистерезиса составляющих.
Исходя из этого определения, провели расчет общей коэрцитивной силы по экспериментальным петлям гистерезиса однородных магнитомягких и магнитожестких торойдов. Искали величину магнитного поля, при которой для каждого конкретного случая соотношения толщин составляющих слоев образца, выполнялось бы равенство положительных и отрицательных потоков. На рис. 3.2 представлены расчетные и экспериментальные значения коэрцитивной силы в зависимости от процентного содержания жесткой составляющей для конкретных двуслойных состояний. Наблюдается хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных. Небольшое расхождение экспериментальных и расчетных точек объясняется тем, что коэрцитивные силы колец, составляющих двуслойные образцы, после проведения термических обработок несколько отличались от приведенных в табл. 3.1 коэрцитивных сил однородных тороидов.
Коэрцитивная сила при перемагничивании вдоль слоев, в отличие от остаточной индукции [69], не подчиняется закону аддитивного сложения коэрцитивных сил слоев, ее зависимость от содержания магнитожесткой составляющей нелинейна. В работе не рассмотрены варианты двуслойных образцов, в которых содержание магнитожесткой составляющей менее 50% или больше 80%, потому как, хотя по предельным петлям гистерезиса коэрцитивные силы магнитожесткого и магнитомягкого однородных образцов могут существенно различаться, в двуслойном образце, когда магнитожесткий слой занимает меньше 50% или, наоборот, больше 80%, общая коэрцитивная сила незначительно меняется при вариациях толщины жесткого слоя.
Таким образом, в случае тороидальных двуслойных образцов их общая коэрцитивная сила может быть рассчитана по петлям гистерезиса каждой из составляющих, при этом магнитомягкий и магнитожесткий слои перемагничиваются независимо друг от друга.
Дифференциальная магнитная проницаемость многокомпонентных образцов
Задача определения коэрцитивных сил и процентного содержания компонент составного образца может оказаться на практике достаточно сложной, поскольку мы не всегда имеем дело с замкнутой магнитной цепью (изделиями в виде тороидов), а чаще - с измерениями в разомкнутой магнитной цепи на образцах конкретной формы и конечной длины. В этом случае необходимо учитывать действие размагничивающего фактора, наличие которого может привести к искажению информации о магнитных параметрах составляющих многокомпонентного образца. Вследствие этого, требуется знать проницаемость формы составного образца, для того чтобы иметь возможность, определяя петли гистерезиса во внешнем поле, пересчитывать их в аналогичные петли гистерезиса для внутреннего поля.
Таким образом, задачу исследования мы разбили на две подзадачи: первая - по известным петлям гистерезиса многокомпонентных образцов во внешнем поле и магнитным параметрам отдельных составляющих, входящих в образец, найти методику определения значений проницаемости формы. Вторая задача состоит в том, чтобы с учетом найденного значения проницаемости формы и измеренным петлям .гистерезиса многокомпонентных образцов во внешнем поле, определить процентное содержание и магнитные свойства отдельных составляющих.
Петли гистерезиса составных образцов имеют искаженный вид, с перегибами, характерными для образцов, составленных из нескольких компонент. На рис. 4.1 приведены петли гистерезиса, измеренные в разомкнутой магнитной цепи, неоднородного образца I, содержащего шесть стержней материала 1 и три стержня материала 2, и однородного образца II, составленного из 9 стержней материала 2 (см. табл. 4.1). Искажения петли I визуально заметны, что свидетельствует о наличии в образце составляющих, отличающихся по магнитным свойствам.
Более информативной характеристикой является зависимость дифференциальной магнитной проницаемости от внешнего магнитного поля Н (см. рис. 4.2). Для получения зависимости ju от Н петли гистерезиса, полученные на магнито-измерительном комплексе, сглаживали методом наименьших квадратов по правилу к-ближайших соседей, дифференцировали, а затем обрабатывали функцией, сглаживающей методом скользящей медианы.
Особенности петли на кривой ріскіН) более заметны, искажения петель гистерезиса многокомпонентных образцов проявляются в этом случае в виде нескольких максимумов, в зависимости от того, из скольких исходных компонент - материалов они составлены, в нашем случае - двух. Мы привели зависимости (Лск(Н) для образцов I и II (петли гистерезиса образцов показаны на рис. 4.1) и для образца Ш, состоящего из трех стержней материала 1 и шести стержней материала 2. Можно видеть, что диапазон полей, в которых наблюдается максимум дифференциальной проницаемости, отвечающий материалу, тем шире, чем больше количество стержней данного материала в составном образце.
Информативность зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от внешнего поля ограничивается определением количества компонент, входящих в образец, по количеству наблюдаемых максимумов, однако, судить о магнитных свойствах составляющих по ним не удается. Например, максимумы магнитомягкой компоненты на кривых I и III расположены в области положительных полей, что противоречит представлениям о реальных значениях их коэрцитивных сил. Поэтому необходимо получить аналогичные зависимости дифференциальной магнитной проницаемости для внутреннего поля, осуществив переход к характеристикам материала компонент.
Таким образом, существует необходимость решения поставленной выше задачи 1: по известным петлям гистерезиса, измеренным в разомкнутой магнитной цепи, и известным магнитным свойствам составляющихкомпонент сложных образцов определить величину размагничивающегофактора или проницаемости формы.
Для выбора величины проницаемости формы т образца в качествепредварительной оценки использовали формулу для определенияразмагничивающего фактора N = —, полученную для цилиндров [114]: /, d - соответственно длина и диаметр цилиндра. Известно, что проницаемость формы для образцов с прямоугольным сечением, исследуемых нами, выше, чем соответствующая проницаемость формы для цилиндров [111]. Поэтому поиск оптимального значения т производили методом подбора, используя в качестве начального значения рассчитанную по формуле (4.1) проницаемость формы цилиндра и имея в виду, что т образца прямоугольного сечения ненамного отличается от рассчитанного по формуле значения. Из расчета по формуле (4.1) для образцов из 4 стержней получили 1=11,4; w=80,9; для образцов из 9 стержней - 1=7,6; т=44,2. Величину диаметра d выбирали такой, чтобы площадь соответствующего круга цилиндра была равна площади сечения составного образца.
Для каждого зафиксированного значения проницаемости формы т осуществляли пересчет петель гистерезиса, полученных на магнито-измерительном комплексе, и зависимостей дифференциальной проницаемости от внешнего магнитного поля, для однородных образцов, т. е. составленных из стержней одного материала. При пересчете для определения внутреннего поля Ь использовали формулу [111]:
