Способ определения напряженности поля максимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ МАКСИМАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сандомирский Сергей Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения напряженности поля максимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала, в котором исследуемый материал намагничивают до технического насыщения, измеряют его коэрцитивную силуи определяют искомую напряженность поля с учетом результата измерения, отличающийся тем, что материал намагничивают в замкнутой магнитной цепи, измеряют его намагниченностьтехнического насыщения и остаточную намагниченность , а искомую напряженность поляопределяют в соответствии с выражением 1,480,17 3(0,07 - 0,06 3 )П П,П гдеП - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, равный /- коэффициент размерности, равный 1 м/кА. Изобретение относится к области определения магнитных свойств изделий из твердых материалов (сталей и чугунов) и может быть использовано для оптимизации режимов работы средств магнитного структурного анализа. Известен способ определения напряженности полямаксимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала 1, согласно которому материал намагничивают в замкнутой магнитной цепи монотонно возрастающим магнитным полем, в процессе намагничивания измеряют напряженностьнамагничивающего поля и магнитную индукциюв материале, вычисляют магнитную проницаемостьматериала по формуле(1)/0,16874 1 2013.02.28 где 0410-7 Гн/м - магнитная постоянная, строят зависимость(кривую Столетова) магнитной проницаемостиот напряженностинамагничивающего поля, определяют максимумна зависимостии полеопределяют как напряженностьнамагничивающего поля, при котором зависимостьимеет максимум . Недостаток способа в трудоемкости и низкой достоверности определения . Трудоемкость известного способа обусловлена тем, что для определениянеобходимо при намагничивании материала произвести многочисленные прецизионные измерения напряженностинамагничивающего поля и магнитной индукциив материале. Низкая достоверность способа связана с тем, что погрешностьопределениямагнитомягких материалов даже при соблюдении жестких требований 2 к классу точности используемой электроизмерительной аппаратуры и точности измерения размеров образцов составляет 5 . Погрешностьопределенияпри этом будет многократно (в 5-10 раз) превосходить погрешностьопределения . Это является следствием особенности свойств ферромагнитного материала кривая Столетовав области максимума (при,) при незначительных измененияххарактеризуется значительными изменениями . Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения напряженности полямаксимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала 3, согласно которому материал намагничивают до технического насыщения,измеряют его коэрцитивную силу , аопределяют из соотношения(2),где- постоянный коэффициент пропорциональности. Способ основан на том, что измерить коэрцитивную силуматериала можно с более высокой точностью и производительностью, чем напряженность поляего максимальной магнитной проницаемости, а пропорциональность междуисталей установлена многочисленными исследованиями 3-5. Недостаток известного способа в низкой достоверности определения. Приведенные в различных источниках значения коэффициентав (2) различаются. По 4 значенияу сталей изменяются от 1,2 до 1,4. По 3, рис. 361,5. По данным 5, рис. 2, полученным из анализа результатов измерения в 6 магнитных свойств 100 различных модификаций структурного состояния сталей, значенияизменяются от 0,5 до 4,4 при среднем значении 1,69. Кроме низкой точности определенияэто связано с тем, что соотношение (2) не учитывает влияния других основных магнитных параметров ферромагнитных материалов (намагниченноститехнического насыщения и остаточной намагниченности ) на. Низкая достоверность определенияприводит к недостаточной чувствительности средств магнитно-структурного анализа. Задачей изобретения является повышение достоверности определения напряженности полямаксимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала. Задача решена в способе определения напряженности полямаксимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала, заключающемся в том, что материал намагничивают до технического насыщения в замкнутой магнитной цепи, измеряют намагниченностьтехнического насыщения, остаточную намагниченностьи коэрцитивную силуматериала, а искомую напряженность поляопределяют в соответствии с выражением 1,480,17 3(0,070,06 3 )П П 16874 1 2013.02.28 где П - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, равный /- коэффициент размерности, равный 1 м/кА. Повышение достоверности определения напряженности полямаксимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала достигается благодаря тому, что используемое для расчета соотношение (3), кроме влияния коэрцитивной силы , которая по стандартным методикам 2 может быть измерена с относительной погрешностью не более 31, учитывает влияние наеще двух других основных магнитных параметров ферромагнитных материалов - остаточной намагниченностии намагниченноститехнического насыщения. Причем параметрыивходят в соотношение (3) в виде отношения П, которое по стандартным методикам может быть измерено с относительной погрешностью 11. Предложенное изобретение поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 представлена основная кривая намагничиванияферромагнитного материала, кривая Столетоваи ее производнаяпо напряженностинамагничивающего поля. На фиг. 2 представлены результаты анализа погрешностейизмерения напряженности полязакаленной стали ШХ 15 с магнитными параметрами из 7 при измерениис погрешностью 5 . На фиг. 3 представлены результатычисленного решения уравнения (9) с учетом (8, 5). 1-5 - для материалов с П, соответственно равными 0,4 0,5 0,6 0,7 и 0,8. 1-5 - расчет по формуле (3) при тех же П. На фиг. 4 результаты измерениянормализованных сталей (о) по 3 сопоставлены с результатамирасчета напряженности полятех же сталей по (3). Реализуется предложенный способ следующим образом. Измерение ,иферромагнитного материала осуществляют по известным стандартным методикам, например описанным в 1, 2. Затем результаты измерения , иматериала используют для определения напряженности поляего максимальной магнитной проницаемости по соотношению (3). Предложенный способ основан на том, что между напряженностью полямаксимальной магнитной проницаемости ферромагнитных материалов (фиг. 1) и параметрами,иих предельной петли гистерезиса имеется взаимосвязь, определяемая соотношением (3). Для обоснования этого воспользуемся зависимостью (кривой Столетова) для относительной величины полной (амплитудной) магнитной проницаемостистали от напряженностинамагничивающего поля 7, которая может быть записана в виде 1,( )1(1), 2- начальная магнитная восприимчивость- намагниченность по основной кривой намагничивания при. В 7 показано, что (4) наиболее точно по сравнению с другими известными формулами описывает экспериментальные результаты для стали 40 Х, отпущенной при 200 С после закалки от 840 С, и стали ШХ 15 закаленной и в состоянии поставки, магнитные 16874 1 2013.02.28 свойства которых достаточно полно охватывают возможный диапазон изменения магнитных параметров конструкционных сталей. О высокой погрешностиопределенияпо стандартной методике свидетельствуют результаты (фиг. 2) анализадля закаленной стали ШХ 15. Для анализа использована формула (4) и приведенные в 7, таблица результаты измерения магнитных параметров закаленной стали ШХ 15. Истинное значениеопределяли точкой пересечения производной (Н) с осью ,а диапазон изменения возможного результата измерения- проекциямина эту ось точек пересечения функциис прямой 0,9 (фиг. 2). Расчет погрешностей , проведенный по формуле 100,(6)показал, что для проанализированного материала при 5 погрешности - иизмеренияс учетом погрешности 1,2 измерения напряженности поляна основной кривой намагничивания 1 могут достигать соответственно 33,2 и 48,3 . Для производнойиз (4) получим найдем из решения/ уравнения 0. Для общности рассмотрения перед решением уравнения (9) воспользуемся установленными соотношениями между магнитными характеристиками сталей и чугунов 1. Разработанной Гумлихом и Шмидтом эмпирической формулой, связывающейсталей и чугунов с остаточной индукциейпредельной петли гистерезиса и 4. В системе СИ она может быть записана в виде(0,476),(10) 0 где 0,0712 м/кА. По 4 точность формулы (10) для сталей с 6 кА/м колеблется между 2 и 6 . В 8 с использованием данных 9 о магнитных характеристиках 211 современных сталей осуществлена проверка формулы (10), записанной в виде(10) 0,476 В 8 показано, что при расчете по (10)сталей 30, 45, 30 ХМА, 50 ХНМ, 50 ХН 1 М,25 Х 1 МФ и ЭИ 992(ХВ) после различных режимов закалки и отпуска (всего 211 различных материалов в диапазоне измененияот 0,73 до 7,79 кА/м) коэффициент корреляции линейного уравнения регрессии(расчет) составил 0,947, а расхождение экспериментальной и рассчитанной по (10) величинв большинстве случаев не превысило суммы возможных 1 погрешностей измерения параметров ,ис учетом их нелинейной комбинации в (10). 2. Разработанной и экспериментально обоснованной на основании статистического анализа формулой, позволяющей с приемлемой для практики точностью рассчитать отношениек начальной магнитной проницаемостиконструкционных сталей по результату измерения их 10 16874 1 2013.02.28 где- коэффициент размерности, равный 1,75 м/кА. При обосновании зависимости (11) использованы 10 результаты измерения ,исталей 30, 45, 15 ХНМФ, 38 ХГН, 38 ХС, 95 Х 18 после различных режимов закалки и отпуска (182 различных материалов из табл. 1.1, 1.3, 9.1, 21.1, 21.2, 24.3, 24.4, 51.5-51.8 справочника 9). По диапазону изменения свойств (8,895 19986 и 0,71 кА/м 7,43 кА/м) эти материалы охватывают практически весь диапазон изменения магнитных свойств сталей и чугунов. Достоинством интерполяции (11) относительно других возможных является то, что при 0,08 кА/м расчет по (11) приводит к значению /33,3, совпадающему с достоверными справочными данными для технически чистого железа, отожженного при 950 С 11. 3. Использованным в 12 на основании (10) соотношением(12)0,67(0,476). Правомерность использования (12) в практических расчетах обосновывается также тем, что рассчитанные по (12) с использованием результатов 7 измеренияистали ШХ 15 закаленной и в исходном состоянии значенияотличаются от экспериментально измеренных в 7 значенийне более чем на 3,4 . Воспользуемся также тем, что по определению 1(13)1,и для большинства магнитомягких материалов 3, 4, 6, 9-11 верно неравенство(5)П 0,67(0,476)0,5 Сделанные допущения практически не сказываются на результатах решения уравнения (9). В подтверждение этого на фиг. 2 сопоставлены (сплошная и штрихпунктирная линии) зависимостипо (7), рассчитанные с использованием (8) и (8) для стали ШХ 15 в закаленном состоянии. При расчете по (8) использованы результаты измерения параметров 4,75 кА/м 713 кА/м 1165 кА/м 390 кА/м и 44 этой стали из 7, таблица, а при расчете по (8) - результаты измерения параметров ,иэтой стали из той же таблицы. Анализ представленных на фиг. 2 результатов показывает, что проведенные преобразования функции (8) и параметра (5) практически не изменили значение , при котором 0 (и 0). В соответствии с (8) и (5) решениеуравнения (9) может быть выражено черези П материала. Результаты численного решения уравнения (9) с учетом (8) и (5) для материалов си П в возможном по 3, 4, 6, 9-11 диапазоне их изменения для сталей и чугунов представлены на фиг. 3. Согласно полученным результатам, для конструкционных сталей коэффициентв (2) в зависимости от значений ихи П может изменяться от 1,35 до 2,3. Формула (3) практически точно (фиг. 3) интерполирует зависимость(, П), полученную из численного решения уравнения (9). где 16874 1 2013.02.28 Разработанный способ может быть использован для определения зависимостисталей и чугунов от технологических факторов по результатам простого и точного измерения зависимостей ,иот этих факторов взамен трудоемкого и неточного измерения . В обоснование такой возможности на фиг. 4 результаты применения разработанного способа сопоставлены с результатами измерения 3, таблица 2 нормализованных сталей 10, 20, 20 К, 35, Д, 45, 15 Х, 15 ХМ, 36 Г 2 С, 40 Х и 30 ХГСА. Для расчетанормализованных сталей по (3) использованы результаты измерения ,и индукции насыщенияэтих сталей, представленные в 3, табл. 2. Анализ представленных на фиг. 4 результатов подтверждает, что отклонение результатов измеренияот результатов расчета по (3) с использованием предложенного способа для всех сталей намного меньше (фиг. 4) возможной в соответствии с физической сущностью кривой Столетова сталей (фиг. 2) погрешности измерения. Статистический анализ результатов расчетапо (3) и измерения 31 различной стали в 3 показал, что коэффициент корреляции между ними превышает 0,99. Полученный результат позволяет рекомендовать использование предложенного способа для определениясталей и чугунов по результатам простого и точного измерения их ,ивзамен трудоемкого и неточного измеренияпо стандартной методике и недостоверного определенияпо результату измерения только их . В качестве примера такого использования определилистали 45 после закалки без отпуска и отпущенной при температуре ТО отпуска 400 С. Параметры ,истали 45 в соответствии с предложенным способом последовательно измерены по стандартной методике 1 в пермеаметре на образцах квадратного сечения со стороной 8 мм и длиной 400 мм и соответствуют данным, представленным на рис. 19-21 справочника 13. Значенияопределяли по соотношению (3). Для стали 45 после закалки без отпуска получили 1492 кА/м 883 кА/м 3,184 кА/м и 5,221 кА/м. Для стали 45 после закалки и отпуска при ТО 400 С получили 1607 кА/м 1225 кА/м 1,274 кА/м и 1,969 кА/м. Полученные результаты использованы при выборе режима контроля качества закалки и отпуска осей из стали 45 электромагнитным методом. Использование предложенного способа позволит определять напряженностьполя максимальной магнитной проницаемостисталей и чугунов по результатам простого и точного измерения параметров ,иих предельной петли гистерезиса по стандартным методикам. Источники информации 1. Чернышев Е.Т, Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. - М. Изд. стандартов, 1969. - 248 с. 2. ГОСТ 8.377-80 Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. - М. Изд. стандартов, 1986. - 21 с. 3. Костин В.Н., Осинцев А.А., Сташков А.Н., Царькова А.П. Многопараметровые методы магнитной структуроскопии стальных изделий с использованием магнитных свойств вещества // Дефектоскопия. - 2004. -3. - С. 69-82 (прототип). 4. Меськин В.С. Ферромагнитные сплавы. - Л.-М. ОНТИНКТП, 1937. - 790 с. 5. Реутов Ю.Я., Лоскутов В.Е. Соотношение между магнитными характеристиками сталей // Контроль. Диагностика. - 2008, -4. - С. 15-17. 6 16874 1 2013.02.28 6. Магнитные характеристики сталей, применяемых в авиационной промышленности Справ. пособие / Под ред. И.И.Кифера. - М. ОНТИ, 1970. - 139 с. 7. Мельгуй М.А., Шидловская Э.А. Экспериментальная проверка аналитических выражений для нелинейных свойств ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. - 1987.11. - С. 11-18. 8. Сандомирский С.Г. Расчет остаточной намагниченности сталей по результату измерения коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости // Контроль. Диагностика. - 2010. -9. - С. 38-41. 9. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. - Екатеринбург УрО РАН, 2005. - 218 с. 10. Сандомирский С.Г. Статистический анализ взаимосвязи между магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой сталей // Электричество. - 2010. -12. - С. 60-63. 11..., , 1989. - 440 . 12. Сандомирский С.Г. Расчет кривой намагничивания и частных петель гистерезиса ферромагнитных материалов по основным магнитным параметрам // Электричество. 2010. -1. - С. 61-64. 13. Белов Н.Я., Вишнякова Е.М., Лаврентьев Л.С. и др. Магнитные и электрические свойства конструкционных и низколегированных сталей. - Л. Ленинградский дом научнотехнической пропаганды, 1969. - 36 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.