Способ калибровки магнитошумового устройства неразрушающего контроля напряжений при двухосном напряженно-деформированном состоянии ферромагнитного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КАЛИБРОВКИ МАГНИТОШУМОВОГО УСТРОЙСТВА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ДВУХОСНОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Венгринович Валерий Львович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Способ калибровки магнитошумового устройства неразрушающего контроля напряжений при двухосном напряженно-деформированном состоянии ферромагнитного материала, в котором плоский образец из материала, аналогичного предназначенному для контроля, подвергают одноосному двухстороннему изгибу, получают зависимостьизмеренного шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего 15012 1 2011.10.30 упругого напряжения , аппроксимируют полученную зависимость математическим выражением или таблично, а затем получают с учетом этой зависимости обратную функцию 1 и строят двухосную калибровочную зависимость 1,2(1,2), где 1 и 2 главные напряжения, 1 и 2 - значения шума Баркгаузена в направлении 1 и 2 соответственно, в виде изолиний 1 и 2 в координатах 1, 2 в соответствии с выражениями 1 (1 )1 (2 )1 (2 )1 (1 ) 1 и 2,12 12 где- коэффициент Пуассона. Изобретение относится к области неразрушающего контроля металлических материалов и изделий и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состоянии изделий из сталей и чугунов. Известен способ калибровки магнитных устройств неразрушающего контролянапряжений при двухосном напряженно-деформированном состоянии ферромагнитных материалов 1, основанный на магнитном методе неразрушающего контроля, согласно которому крестообразный образец из материала, имеющего одинаковый химический состав и металлургические свойства с материалом стального изделия, подвергают двухосному растяжению-сжатию путем изменения прилагаемых к образцу нагрузок в двух направлениях и измеряют при этом одну из магнитных характеристик материала при каждом значении нагрузок. Недостаток способа состоит в сложности двухосных калибровочных систем, невозможности обеспечить симметричный цикл нагружения в областях растяжения и сжатия соответственно, и невозможности применения более простой схемы изгиба образца, обеспечивающего эту симметрию. Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу калибровки средствдвухосных напряжений в металлических изделий, является способ 2 по патенту США 4977373 (1990), основанный на методе эффекта Баркгаузена, в котором генерирование калибровочных данных осуществляется посредством растяжения-сжатия крестообразного образца в упругой области в обоих главных направлениях и измерении магнитного шума Баркгаузена также вдоль обоих главных направлений в зависимости от величины приложенных напряжений. В дополнение к недостаткам аналога данный способ предполагает также необходимость получения большого объема экспериментальных данных и обеспечения воспроизводимых условий измерения на каждой ступени изменения нагрузки. Предлагаемым изобретением решается задача снижения трудоемкости и упрощения процедуры построения калибровочных характеристик для неразрушающего контроля напряжений при двухосном напряженно-деформированном состоянии ферромагнитных материалов методом эффекта Баркгаузена. Оно также может быть использовано для построения калибровочных характеристик двухосного напряженно-деформированного состояния при использовании других методов неразрушающего контроля. Сущность настоящего изобретения состоит в том, что плоский образец из материала,аналогичного предназначенному для контроля, подвергают одноосному двухстороннему изгибу, получают зависимостьизмеренного шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряжения , аппроксимируют полученную зависимость математическим выражением или таблично, а затем получают с учетом этой зависимости обратную функцию-1 и строят двухосную калибровочную зависимость 1,2(1,2), где 1 и 2 - главные напряжения, 1 и 2 - значения шума Баркгаузена в направлении 1 и 2 соответственно, в виде изолиний 1 и 2 в координатах 1,2 в соответствии с выражениями 2(1) 12 12 где- коэффициент Пуассона. Возможность использования одноосной калибровочной характеристики для построения двухосной калибровочной характеристики вытекает из принципиального положения теории упругости, устанавливающего соотношения взаимосвязи между значениями главных напряжений и деформаций при двухосном напряженно-деформированном состоянии 3 и(2) 112 221,где 1 и 2 - величины главных упругих деформаций, соответствующие главным упругим напряжениям 1 и 2 соответственно. Взаимозависимость главных упругих напряжений 1 и 2 предполагает также взаимозависимость измеренных значений шума Баркгаузена в направлениях соответствующих главных напряжений. Таким образом, если обратить экспериментально полученную одноосную зависимостьизмеренной величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряженияпо отношению к 1 и 2 и подставить полученные значения 1-1(1) и 2-1(2) в формулы (2), получим выражения (1). Выражения (1) можно также представить в виде изолиний 1 и 2, отложенных на диаграмме в координатах 1,2, и получить таким образом номограммы типа изображенной на фиг. 3 для стали 20. Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - устройство для двухстороннего изгиба плоского образца, на котором установлены датчик деформации и преобразователь для измерения шума Баркгаузена на фиг. 2 - измеренная зависимость величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряжения ,, полученная экспериментально для стали 08 Х 15 Н 5 Д 2 Т (сплав ВНС-2) на фиг. 3 - двухосная калибровочная зависимость 1,2(1,2) для стали 08 Х 15 Н 5 Д 2 Т (сплав ВНС-2). Предпочтительный, но не единственный вид устройства для построения зависимости величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряженияпоказан на фиг. 1. Устройство состоит из калибровочного образца 1, устанавливаемого в зажимах 2, в свою очередь, закрепленных на кронштейнах 3. Расстояние между концами кронштейнов 3 может изменяться с помощью винта 4. На противоположных сторонах образца 1 устанавливаются преобразователь Баркгаузена 5 и тензометрический датчик 6. При вращении винта 4 по часовой или против часовой стрелки концы кронштейнов 3 будут сходиться или расходиться, заставляя тем самым образец 1 изгибаться в одну или другую стороны. Синхронная регистрация величины магнитошумового сигнала и величины деформации позволяет получить зависимость величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряжения , для примера показанную для стали 08 Х 15 Н 5 Д 2 Т (сплав ВНС-2) на фиг. 2. Предлагаемое изобретение основано на результатах анализа причин невозможности прямого использования одноосных зависимостей величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряжениядля оценки величин главных напряжений при двухосном напряженно-деформированном состоянии, отмечаемой также в 1 и 2. Эти причины вытекают из анализа уравнений теории упругости (2), из которых следует, что знания величины деформации в одном из главных направлений недостаточно для того, чтобы сделать вывод о величине главных напряжений в этом направлении. Для этого необходимо знать величину главных напряжений в другом главном направлении. Использование двухосной калибровочной зависимости 1,2(1,2) для оценки двухосных напряжений на стальных изделиях ясно из фиг. 3. С помощью магнитошумо 1 15012 1 2011.10.30 вого устройства и преобразователя Баркгаузена в заданной области контролируемого изделия измеряют значения магнитного шума, 1 и 2 вдоль обоих главных направлений при тех же параметрах намагничивания и анализа шума, при которых строилась измеренная зависимость величины шума Баркгаузенаот измеренной величины соответствующего упругого напряжения . Находят пересечения соответствующих этим значениям наклонных линий на диаграмме. Точку пересечения проецируют на координатные оси и определяют по этим проекциям значения 1 и 2, существенно упрощая при этом процедуру определения этих значений. Из диаграммы на фиг. 2 видно, что учет результата измерения шума только в одном направлении без учета результата измерения шума в ортогональном направлении приводит к большой ошибке измерения напряжения вплоть до ошибки знака напряжения. Это полностью совпадает с результатами, получаемыми в экспериментах. По существу предлагаемый вид диаграммы является графическим методом решения обратной задачи восстановления главных компонент тензора напряжений по данным двух ортогональных измерений величины магнитного шума с помощью преобразователя Баркгаузена, характерной особенностью которого является направленность измерений. Исходя из этого можно заключить, что данная технология решения обратной задачи пригодна для любого метода неразрушающего контроля, который обладает достаточной чувствительностью к внутренним напряжением в материале (необязательно стали) и возможностью осуществления направленных измерений, например известный электропотенциальный метод неразрушающего контроля напряжений в алюминиевых сплавах. Источники информации 1. //. - 1995. - 12. - . 2. . 87-102. 2.4,977,373, 1990. 3. Лурье А.И. Теория упругости. - М. Наука, 1970. -.112. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4