Устройство для контроля усталостных трещин в ферромагнетике при изгибных испытаниях

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ФЕРРОМАГНЕТИКЕ ПРИ ИЗГИБНЫХ ИСПЫТАНИЯХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Бусько Валерий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для контроля усталостных трещин в ферромагнетике при изгибных испытаниях, содержащее узел защемления образца, Г-образный магнитопровод, одним полюсом которого является элемент узла защемления образца, второй полюс устанавливается на поверхность образца, намагничивающую и измерительную катушки, упругий элемент,электронный блок, силовозбудитель, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено направляющей, выполненной из изоляционного материала, установленной на узел защемления образца, измерительная катушка имеет вытянутую в направлении распространения усталостной трещины форму, по длине соизмеримую с шириной полюсов Г-образного магнитопровода, плоскость витков измерительной катушки расположена нормально к поверхности образца, намотка измерительной катушки выполнена на ферритовом сердечнике и осуществляется по всей его длине.(56) 1. А.с. СССР 532803, МПК 01 27/86, 1976. 2. Гришаков С.В., Ковалев А.И. Оценка напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах методом магнитных шумов. - Киев Наукова думка, 1991. - 168 с. 3. Патент РБ 2113, МПК 01 27/72, 2009. Фиг. 1 Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и диагностики ферромагнитных материалов и может быть использована при испытании образцов на уста 91952013.06.30 лость, при мониторинге усталости различных ферромагнитных изделий, конструкций и их элементов. Известны различные типы устройств и магнитошумовых преобразователей для исследования физико-механических свойств ферромагнитных образцов, основанные на использовании эффекта Баркгаузена. В соответствии с типовой схемой магнитошумового преобразователя (МП), предназначенного для структуроскопии и контроля физико-механического состояния ферромагнитных материалов и изделий, он содержит П-образный массивный магнитопровод для создания в образце магнитного поля, обхватывающую его намагничивающую обмотку и индикаторную катушку накладного типа, имеющую форму окружности, расположенную симметрично между полюсами магнитопровода и плотно прилегающую к поверхности изделия, плоскость расположения витков которой параллельна плоскости поверхности образца 1, 2. Недостатками конструкции таких преобразователей являются недостаточные чувствительность и достоверность при контроле степени раскрытия (таких параметров,как глубина и ширина) усталостных трещин в области шейки образца в процессе циклических изгибных испытаний. Использование классической индикаторной катушки в форме круга (окружности) снижает чувствительность к параметрам раскрытия усталостной трещины, т.к. площадь измерительной катушки значительно превосходит область, занимаемую непосредственно усталостными трещинами, что приводит к снижению полезного сигнала. Кроме того, измерение магнитного шума (МШ) после каждого циклирования образца путем установки в область образования усталостных трещин незафиксированного в пространстве МП приводит к разбросу значений МШ. Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является магнитошумовой преобразователь для контроля усталостных трещин 3, который включает в себя узел защемления испытуемого образца, Г-образный магнитопровод,намагничивающую и измерительную катушки, электронный блок, измерительная катушка имеет форму окружности, а плоскость ее витков параллельна поверхности исследуемого образца. По результатам измерения МШ судят о моменте образования и развитии усталостных трещин в процессе циклических испытаний образца. Однако использование такой измерительной катушки преобразователя не позволяет с достаточной точностью регистрировать процесс изменения параметров роста усталостной трещины или их колоний,расположенных поперек защемленного образца, поскольку образующиеся в процессе циклических испытаний усталостные трещины имеют вытянутую форму и располагаются по ширине образца вблизи его шейки. В предлагаемой полезной модели решается техническая задача повышения точности и достоверности контроля усталостных трещин при циклических испытаниях образца. Сущность предлагаемого устройства для контроля усталостных трещин в ферромагнетике при изгибных испытаниях заключается в том, что устройство содержит Г-образный цельный магнитопровод, представляющий собой два расположенных относительно друг друга под прямым углом, одинаковых по форме, размеру и длине плеч элемента магнитопровода, являющихся одновременно его полюсами. Один полюс Г-образного магнитопровода устанавливается на поверхности контролируемого образца, второй - на верхней части узла защемления образца, на нем же расположена намагничивающая катушка. Оба полюса Г-образного магнитопровода вместе с ферромагнитной частью узла защемления и испытуемым образцом с усталостными трещинами образуют замкнутую магнитную цепь. Между полюсом Г-образного магнитопровода, установленным на поверхность образца, и ферромагнитным элементом узла защемления, являющегося вторым полюсом, на упругом элементе расположена измерительная катушка, соединенная с электронным блоком. Отличительной особенностью устройства является то, что с целью повышения достоверности контроля и производительности испытаний оно содержит направляющую из изоляционного материала с пазом для возможности перемещения в вертикальной плоскости корпуса устройства,2 91952013.06.30 измерительная катушка имеет протяженную форму, длина ее сопоставима с ширинойполюсов Г-образного магнитопровода, а витки намотаны на ферритовый сердечник, причем плоскость намотки витков катушки относительно поверхности образца расположена нормально, в результате чего достигается повышенная чувствительность к трещинам. На фиг. 1 представлена схема устройства для контроля усталостных трещин в ферромагнетике при изгибных испытаниях на фиг. 2 - вид сверху (фрагмент). Устройство (фиг. 1) содержит станину 1, на которой закреплен узел защемления 2 исследуемого образца, на верхней части узла защемления 2 с помощью болтов закреплена направляющая 3, предназначенная для установки и перемещения в направлении вверхвниз корпуса 4 устройства, состоящего из Г-образного магнитопровода 5, на верхнем плече которого расположена намагничивающая катушка 6 для создания в образце 7 магнитного поля, измерительную катушку 8 протяженной формы, упругий элемент (пружину) 9, электронный блок 10 и силовозбудитель 11. Устройство работает следующим образом. Испытуемый образец 7 (фиг. 1), изготовленный в соответствии с ГОСТ 25502-79 (нами использовались образцы размером 70152 мм), одним концом устанавливают в узле защемления 2, изготовленном из ферромагнитного материала. К верхней поверхности узла защемления 2 с помощью болтов закрепляют направляющую 3, изготовленную из прочного изоляционного материала (текстолита) и предназначенную для того, чтобы перед циклированием образца во избежание повреждения корпус 4 устройства можно было приподнимать до образования зазора с образцом 7, а после циклирования - опустить до контакта с поверхностью образца 7. Кроме того, использование направляющей 3 повышает достоверность измеряемого значения МШ за счет более точной установки корпуса 4 устройства в одну и ту же зону контроля образца 7. Для перемещения в вертикальной плоскости корпуса 4 устройства с находящимися в нем магнитопроводом 5 с намагничивающей катушкой 6 и измерительной катушкой 8 в направляющей 3 выполнен паз с размерами, соответствующими площади сечения корпуса 4 устройства. Корпус 4 устройства включает в себя Г-образный магнитопровод 5, состоящий из двух полюсов, на одном из которых (верхнем) расположена намагничивающая катушка 6 для создания в образце 7 магнитного поля. Для снижения потерь на вихревые токи Г-образный магнитопровод 5 изготовлен из феррита с высокой магнитной проницаемостью. Измерительная катушка 8 протяженной формы предназначена для регистрации МШ, являющегося контролирующим параметром усталостных трещин, образующихся в результате циклических испытаний образца 7. Длина измерительной катушки 8 с целью повышения чувствительности к усталостным трещинам, направление которых при достижении определенного числа циклов нагружения при консольной схеме его нагружения совпадает с шириной образца 7, должна быть соизмерима с шириной полюсов Г-образного магнитопровода 5. Так, при ширине полюса магнитопровода 12 мм длина измерительной катушки должна быть также 12 мм. В этом случае потокосцепление измерительной катушки 8 с областью с усталостными трещинами является максимальным. Плоскость витков обмотки измерительной катушки 8 относительно поверхности образца 7 расположена нормально, при этом обмотка измерительной катушки 8 должна быть намотана на ферритовом сердечнике на всю его длину. Так как направление возникающих усталостных трещин при таком виде испытания образца 7 совпадает с осью измерительной катушки 8 и имеет протяженный размер и вытянутую форму, очевидно, что чувствительность МШ к изменению структуры образца 8 в данном случае будет выше, чем при форме измерительной катушки в виде окружности. Для лучшего магнитного контакта образца 7 с плоскостью измерительной катушки 8 она упирается в упругий элемент 9. Сигнал с измерительной катушки 8 поступает в электронный блок 10,где происходит измерение и анализ МШ. Для создания в незащемленном конце образца 7 изгибных двухсторонних напряжений, в конечном итоге приводящих к образованию микротрещин в зоне шейки, устройство снабжено силовозбудителем 11 механического типа 3(возможен электромагнитный и др. механизмы создания механических напряжений). В результате циклических колебаний контролируемого образца 7 вблизи зоны защемления после достижения определенного количества циклов нагружения, возникают микротрещины, вызванные усталостными процессами. За счет образования и развития (растут ширина раскрытия и глубина) микротрещин изменяются физико-механические характеристики образца, которые измеряются и анализируются электронным блоком 10. После каждой операции циклирования образца 7, производимого ступенчато, необходимо опустить корпус 4 МП до контакта с поверхностью образца 7 и произвести измерение МШ. После цикла измерения МШ для исключения механических повреждений измерительной катушки 8 от изгибающегося в процессе циклических испытаний образца 7 необходимо исключить ее контакт с поверхностью образца 7, для чего корпус 4 устройства приподнимают до образования необходимого зазора с образцом. Размеры (длина и ширина) полюсов магнитопровода Г-образного магнитопровода 5 выбираются из условия, чтобы его полюса одновременно плотно прилегали к верхней поверхности узла защемления 2 и поверхности образца 7,обеспечивая при этом максимальный магнитный контакт. Таким образом, для повышения чувствительности и достоверности контроля усталостных трещин измерительная катушка 8 должна иметь протяженную форму с длиной , соизмеримой с шириной примыкающего к поверхности образца 7 полюса магнитопровода 5, плоскость витков обмотки измерительной катушки 8 должна быть расположена нормально к поверхности, корпус 4 устройства должен находиться в направляющей 3, позволяющей производить более точную установку корпуса 4 устройства в зону контроля. Использование такого устройства повышает достоверность контроля усталостных трещин при циклических испытаниях образца, т.к. известно, что при циклических испытаниях консольно закрепленного образца возникновение, направление и развитие усталостных трещин происходят поперек ширины образца,следовательно, устройство, имеющее вытянутую вдоль ширины образца форму измерительной катушки при направлении перемагничивания, совпадающем с осью образца, имеет повышенную чувствительность к изменению параметров усталостных трещин в сравнении с традиционными формами и размерами измерительных катушек. Одновременно устройство позволяет расширить функциональные возможности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4