Способ определения релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности ферромагнитного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛАКСАЦИОННОЙ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ И РЕЛАКСАЦИОННОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной акдемии наук Беларуси(72) Авторы Матюк Владимир Федорович Осипов Александр Александрович Короткевич Зоя Марковна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной акдемии наук Беларуси(57) Способ определения релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности ферромагнитного материала, в котором образец исследуемого материала намагничивают возрастающим квазистатическим внешним магнитным полем по основной кривой намагничивания до состояния технического насыщения и измеряют намагниченность насыщения , затем перемагничивают по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля внешним полем и измеряют остаточную намагниченностьв момент равенства указанного поля нулю, изменяют полярность внешнего поля на обратную,увеличивают его по модулю до величины, при которой намагниченность образца равна нулю, и измеряют его напряженность, равную в этот момент коэрцитивной силеобразца,принимаемой за величину 0 релаксационной коэрцитивной силы в нулевом приближении, Фиг. 1 17701 1 2013.12.30 далее снова уменьшают до нуля внешнее поле и измеряют намагниченность образца, равную в этот момент его остаточной намагниченностив по кривой возврата, определяют величину 1 релаксационной коэрцитивной силы в первом приближении в соответствии с выражением затем снова намагничивают образец внешним полем исходной полярности до состояния технического насыщения, перемагничивают его убывающим до нуля внешним полем, изменяют полярность внешнего поля на обратную, увеличивают его по модулю до значения 1 и измеряют в этот момент намагниченность, принимаемую за величину 1 релаксационной намагниченности в первом приближении, далее уменьшают внешнее поле до нуля и измеряют намагниченность образца 1, при 10 принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам в первом приближении, а при 10 повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца до достижения обратным внешним полем величины 2, определенной в соответствии с выражением 211, где 110 / 21 / знаксоответствует случаю 10 знаксоответствует случаю 10,и принимаемой за величину релаксационной коэрцитивной силы во втором приближении,измеряют в этом поле намагниченность, принимаемую за величину 2 релаксационной намагниченности во втором приближении, оценивают точность определения релаксационной коэрцитивной силы на данном цикле путем сравнения величины (21)/1 с заранее заданной величиной погрешности указанного определения, в случае достижения необходимой точности принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам во втором приближении, а в противном случае повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца, определяя указанным выше образом на каждом -м цикле величиныив -м приближении, до момента, когда вычисленная на(1)-м цикле величина 1))/ станет меньше величины указанной выше погрешности, и принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам в (1)-м приближении. Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано при определении релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности ферромагнитного материала. Известен способ 1 построения петли магнитного гистерезиса ферромагнитного образца для определения его магнитных характеристик, основанный на перемагничивании исследуемого образца внешним магнитным полем с регулированием скорости его изменения, измерении магнитной индукции поля образца в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля и построении по результатам указанных измерений петли магнитного гистерезиса, причем в соответствии с результатами измерений в процессе построения петли непрерывно вычисляют первую производную по времени напряженности Н внешнего магнитного поля и первую производную по времени магнитной индукции В поля образца для поддержания их суммы постоянной путем регулирования скорости изменения внешнего магнитного поля. Недостатком известного способа является невозможность определения релаксационных характеристик ферромагнитного материала - релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности. Известен также способ построения петли магнитного гистерезиса ферромагнитного образца для определения его магнитных характеристик 2, при котором испытуемый об 2 17701 1 2013.12.30 разец перемагничивают внешним магнитным полем с регулированием скорости его изменения, измеряют магнитную индукцию поля образца в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля и строят по результатам указанных измерений петлю магнитного гистерезиса, причем в соответствии с результатами измерений в процессе построения петли непрерывно вычисляют текущие значения скорости перемещения по предельной петле гистерезиса точки, описывающей магнитное состояние образца, которую поддерживают постоянной путем регулирования скорости изменения внешнего магнитного поля. Недостатком известного способа является невозможность определения релаксационных характеристик ферромагнитного материала - релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности. Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ определения величины релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности ферромагнитного материала 3, при котором релаксационные свойства вещества на образцах разомкнутой формы определяют на основании фиксации статически размагниченного состояния образца по равенству нулю его внутреннего магнитного поля. Недостатком известного способа является низкая точность определения величины релаксационной коэрцитивной силы ввиду невысокой точности определения внутреннего магнитного поля. Цель настоящего изобретения - повышение точности измерения релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности за счет последовательного приближения измеряемых величин к их истинным значениям посредством циклического намагничивания испытуемого образца возрастающим магнитным полем до состояния технического насыщения, перемагничивания его по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля магнитным полем, изменения полярности этого поля и увеличения его по абсолютной величине до (1)-го приближения значения релаксационной коэрцитивной силы, определяемого по -му и (1)-м приближениям с учетом знака и величины остаточной намагниченности после уменьшения до нуля магнитного поля, соответствующего -му приближению величины релаксационной коэрцитивной силы, и измерения релаксационной намагниченности в магнитном поле, равном конечному приближению величины релаксационной коэрцитивной силы. Суть изобретения состоит в состоит в том, что образец исследуемого материала намагничивают возрастающим квазистатическим внешним магнитным полем по основной кривой намагничивания до состояния технического насыщения и измеряют намагниченность насыщения , затем перемагничивают по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля внешним полем и измеряют остаточную намагниченностьв момент равенства указанного поля нулю, изменяют полярность внешнего поля на обратную,увеличивают его по модулю до величины, при которой намагниченность образца равна нулю, и измеряют его напряженность, равную в этот момент коэрцитивной силе с образца,принимаемой за величину 0 релаксационной коэрцитивной силы в нулевом приближении, далее снова уменьшают до нуля внешнее поле и измеряют намагниченность образца,равную в этот момент его остаточной намагниченностив по кривой возврата, опреде ляют величину 1 релаксационной коэрцитивной силы в первом приближении в соответствии с выражением затем снова намагничивают образец внешним полем исходной полярности до состояния технического насыщения, перемагничивают его убывающим до нуля внешним полем, изменяют полярность внешнего поля на обратную, увеличивают его по модулю до значения 1 и измеряют в этот момент намагниченность, принимаемую за величину 1 релаксационной намагниченности в первом приближении, далее уменьшают внешнее поле до нуля и измеряют намагниченность образца 1, при 10 принимают искомые релакса 3 17701 1 2013.12.30 ционные характеристики равными их величинам в первом приближении, а при 10 повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца до достижения обратным внешним полем величины 2, определенной в соответствии с выражением 211,в где 110 / 21 / знаксоответствует случаю 10 знаксоответствует случаю 10,и принимаемой за величину релаксационной коэрцитивной силы во втором приближении,измеряют в этом поле намагниченность, принимаемую за величину 2 релаксационной намагниченности во втором приближении, оценивают точность определения релаксационной коэрцитивной силы на данном цикле путем сравнения величины (21)/1 с заранее заданной величиной погрешности указанного определения, в случае достижения необходимой точности принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам во втором приближении, а в противном случае повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца, определяя указанным выше образом на каждом(1)-м цикле величина 1))/ станет меньше указанной выше погрешности,и принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам в (1)-м приближении. В отличие от прототипа, по заявляемому способу образец исследуемого материала намагничивают возрастающим квазистатическим внешним магнитным полем по основной кривой намагничивания до состояния технического насыщения и измеряют намагниченность насыщения , затем перемагничивают по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля внешним полем и измеряют остаточную намагниченностьв момент равенства указанного поля нулю, изменяют полярность внешнего поля на обратную,увеличивают его по модулю до величины, при которой намагниченность образца равна нулю, и измеряют его напряженность, равную в этот момент коэрцитивной силеобразца,принимаемой за величину 0 релаксационной коэрцитивной силы в нулевом приближении, далее снова уменьшают до нуля внешнее поле и измеряют намагниченность образца,равную в этот момент его остаточной намагниченностив по кривой возврата, опреде ляют величину 1 релаксационной коэрцитивной силы в первом приближении в соответствии с выражением затем снова намагничивают образец внешним полем исходной полярности до состояния технического насыщения, перемагничивают его убывающим до нуля внешним полем, изменяют полярность внешнего поля на обратную, увеличивают его по модулю до значения 1 и измеряют в этот момент намагниченность, принимаемую за величину 1 релаксационной намагниченности в первом приближении, далее уменьшают внешнее поле до нуля и измеряют намагниченность образца 1, при 10 принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам в первом приближении, а при 10 повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца до достижения обратным внешним полем величины 2, определенной в соответствии с выражением 211, где 110 / 21 / знаксоответствует случаю 10 знаксоответствует случаю 10,и принимаемой за величину релаксационной коэрцитивной силы во втором приближении,измеряют в этом поле намагниченность, принимаемую за величину 2 релаксационной 4 17701 1 2013.12.30 намагниченности во втором приближении, оценивают точность определения релаксационной коэрцитивной силы на данном цикле путем сравнения величины (21)/1 с заранее заданной величиной погрешности указанного определения, в случае достижения необходимой точности принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам во втором приближении, а в противном случае повторяют указанный цикл намагничивания-размагничивания образца, определяя указанным выше образом на каждом(1)-м цикле величина 1)-)/ станет меньше указанной выше погрешности, и принимают искомые релаксационные характеристики равными их величинам в (1)-м приближении. На фиг. 1 представлены циклы намагничивания-перемагничивания ферромагнитного образца. На фиг. 2 показана одна из возможных структурных схем устройства для реализации способа по заявке. Способ осуществляется следующим образом. Помещают испытуемый образец в магнитное поле замкнутой магнитной цепи (например,магнитное поле пермеаметра) и перемагничивают его квазистатическим магнитным полем по основной кривой намагничивания возрастающим магнитным полем до состояния технического насыщения (кривая 0-1 на фиг. 1). В момент достижения намагничивающим полем максимальной величиныизмеряют намагниченность насыщения . Затем образец перемагничивают по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля магнитным полем и в момент равенства этого поля нулю измеряют остаточную намагниченность(кривая 1-2 на фиг. 1). Далее изменяют полярность внешнего поля и увеличивают его по абсолютной величине до значения, при котором намагниченность равна нулю, и измеряют напряженность магнитного поля, которая в этот момент равна коэрцитивной силеобразца (кривая 2-3 на фиг. 1). После этого уменьшают до нуля внешнее магнитное поле и измеряют намагниченность, которая в этот момент будет равна остаточной намагниченностив по кривой возврата (кривая 3-4 на фиг. 1), и определяют первое приближение величины релаксационной коэрцитивной силы 1 по соотношению. Затем образец снова намагничивают возрастающим 11 в /2 магнитным полем исходной полярности до состояния технического насыщения (кривая 4-1 на фиг. 1), перемагничивают по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля магнитным полем (кривая 1-2 на фиг. 1), изменяют полярность внешнего поля и увеличивают его по абсолютной величине до 1 (кривая 2-3-5 на фиг. 1). В этот момент измеряют первое приближение величины релаксационной намагниченности 1. После этого уменьшают внешнее магнитное поле до нуля (кривая 5-6 на фиг. 1) и измеряют остаточную намагниченность 1. Если 10, то величину Нсг 1 считают равной релаксационной коэрцитивной силе , а величину 1 - равной релаксационной намагниченности . Если 10, то повторяют цикл намагничивания-перемагничивания образца до достижения внешним магнитным полем по абсолютной величине значения 211 (кривая 61-2-3-5-7 на фиг. 1), где 110 / 21 /в , а в качестве нулевого приближе ния с 0 принимается коэрцитивная сила с исследуемого материала, а если 10, то до значения 211 (на фиг. 1 не показано). Если величина (21)/1 окажется меньше заданной погрешности определения релаксационной коэрцитивной силы, то величину 2 считают равной релаксационной коэрцитивной силе , а величину 2 при этом поле - релаксационной намагниченности . В противном случае уменьшают до нуля внешнее магнитное поле и измеряют величину остаточной намагниченности 2(кривая 7-8 на фиг. 1). Если 20, то повторяют цикл намагничивания-перемагничивания 5 17701 1 2013.12.30 образца до момента достижения внешним магнитным полем по абсолютной величине значения 322, где 221 / 22 /в а если М 20, то значе ния 32 - 2 (третье приближение на фиг. 1 не показано). Циклы намагничивания-перемагничивания образца до достижения внешним магнитным полем по абсолютной величине значения (1)-го приближения релаксационной коэрцитивной силы (1), где( 1) / 2/в , продолжают до тех пор, по ка величина 1))/ не станет меньше заданной. При этом величину (1) считают равной релаксационной коэрцитивной силе , а соответствующую ей величину(1) - равной релаксационной намагниченности . Предложенный способ может быть реализован, например, с помощью устройства, показанного на фиг. 2. Устройство содержит намагничивающий блок 1, в который помещается испытуемый образец (на фиг. 2 не показан), датчик 2 напряженности магнитного поля и измерительная катушка 3, охватывающая испытуемый образец, управляемый источник 4 питания, подсоединенный к намагничивающему блоку 1, блок 5 измерения напряженности магнитного поля, подсоединенный к датчику 2 напряженности магнитного поля, интегратор 6, подсоединенный к измерительной катушке 3, блок 7 вычисления, блок 8 управления и блок 9 индикации. Для реализации предлагаемого способа испытуемый образец (на фиг. 2 не показан) помещают в намагничивающий блок 1 так, что измерительная катушка 3 охватывает испытуемый образец. Блок 8 управления запускает управляемый источник 4 питания, выходной ток которого, проходя через намагничивающий блок 1 намагничивает испытуемый образец по основной кривой намагничивания возрастающим магнитным полем. Величина этого магнитного поля непрерывно отслеживается блоком 5 измерения напряженности магнитного поля по сигналу, снимаемому с датчика 2 напряженности магнитного поля. При этом в измерительной катушке 3 индуцируется сигнал, который после обработки интегратором 6 пропорционален величине намагниченности образца. В момент достижения намагничивающим полем максимальной величиныизмеряемая интегратором 6 намагниченность соответствует намагниченности насыщения . По сигналу с блока 8 управления ее величина заносится в блок 7 вычисления. После этого величина тока через намагничивающий блок 1 уменьшается и образец перемагничивается по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля магнитным полем. В момент равенства этого поля нулю по сигналу с блока 8 управления интегратор 6 измеряет остаточную намагниченность , величина которой также записывается в блок 7 вычисления. Далее по сигналу с блока 8 управления изменяется полярность поля, создаваемого намагничивающим блоком 1, затем оно возрастает до величины, при которой измеряемая намагниченность равна нулю. В этот момент по сигналу с блока 8 управления величина напряженности магнитного поля, которая в этот момент равна коэрцитивной силеобразца, записывается в блок 7 вычисления. После этого по сигналу с блока 8 управления поле, создаваемое намагничивающим блоком 1, уменьшается до нуля. При этом по сигналу с блока 8 управления измеряется намагниченность образца, которая в этот момент будет равна остаточной намагниченностив по кривой возврата, величина которой также записывается в блок 7 вычисления. После этого по сигналу с блока 8 управления блок 7 вычисления вычисляет первое приближение величины релаксационной коэрцитивной силы 1 по алгоритму. Затем по сигналу с блока 8 управления образец после 11 в /2 довательно намагничивается в исходной полярности возрастающим магнитным полем намагничивающего блока 1 до состояния технического насыщения, перемагничивается по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса убывающим до нуля магнитным полем, а 6 17701 1 2013.12.30 затем возрастающим по абсолютной величине магнитным полем противоположной полярности до значения 1. В этот момент по сигналу с блока 8 управления интегратором 6 измеряется намагниченность образца, которая равна первому приближению величины релаксационной намагниченности 1. Эта величина фиксируется блоком 7 вычисления. После этого по сигналу с блока 8 управления магнитное поле в намагничивающем блоке 1 уменьшается до нуля, а с интегратора 6 на блок 7 вычисления поступает сигнал, пропорциональный величине остаточной намагниченности 1. Если 10, то информация о величине 1, равной релаксационной коэрцитивной силе , и величине 1, равной релаксационной намагниченности , поступает на блок 9 индикации. Если 10, то повторяют цикл намагничивания-перемагничивания образца до достижения магнитным полем намагничивающего блока 1 по абсолютной величине значения 211, а если 10, то до значения 211, где 110 / 21 /в . Затем блок 7 вычисления определяет величину (21)/1. Если эта величина окажется меньше заданной погрешности определения релаксационной коэрцитивной силы,то величина 2 принимается равной релаксационной коэрцитивной силе , а величина 2 при этом поле - релаксационной намагниченности . В противном случае по сигналу с блока 8 управления магнитное поле, создаваемое намагничивающим блоком 1,уменьшается до нуля и с интегратора 6 на блок 7 вычисления поступает сигнал, пропорциональный величине остаточной намагниченности 2. Если 20, то по сигналу с блока 8 управления цикл намагничивания-перемагничивания образца до момента достижения внешним магнитным полем по абсолютной величине значения 322, а если 20, то значения 322, где 221 / 22 /в . Циклы на магничивания-перемагничивания образца до достижения магнитным полем намагничивающего блока 1 по абсолютной величине значения (1)-го приближения релаксационной коэрцитивной силы (1), где( 1) / 2/в , а в качестве нулевого приближения с 0 принимается коэрцитивная силаисследуемого материала, продолжают до тех пор, пока величина 1))/ не станет меньше заданной. При этом величина (1) принимается равной релаксационной коэрцитивной силе , а соответствующая ей величина (1) - равной релаксационной намагниченности . Обе эти величины выводятся на блок 9 индикации. Так как приближенная формула используется только для первого приближения величины релаксационной силы, а в дальнейшем процесс измерения осуществляется методом последовательного приближения измеряемой величины с автоматически изменяемым шагом к истинному значению, то погрешность измерения релаксационной коэрцитивной силы определяется только разрешающей способностью измерения намагниченности в области,близкой к нулю, и точностью измерения напряженности магнитного поля. По прототипу эта точность определяется точностью определения внутреннего магнитного поля и точностью измерения напряженности магнитного поля, размагничивающего образец. Это приводит к заниженным значениям релаксационной коэрцитивной силы по прототипу. Техническим результатом осуществления предлагаемого способа является повышение точности определения релаксационной коэрцитивной силы и релаксационной намагниченности. Так, по прототипу релаксационная коэрцитивная сила превышает коэрцитивную силу не более чем на 3 . В то же время их отличие может достигать 304. Ввиду большой крутизны петли гистерезиса в области релаксационной силы даже небольшое отклонение величины релаксационной коэрцитивной силы от истинного значения приводит к гораздо большему отклонению в определении величины релаксационной намагниченности. Так, для образца с 1,5106 А/м,0,95106 А/м,710 А/м и МВг 0,074106 А/м отклонение релаксационной коэрцитивной силы от истинного значения на 2 приводит к погрешности определения релаксационной намагниченности порядка 50 . 7 17701 1 2013.12.30 Источники информации 1. А.с. СССР 601642, МПК 0133/12, 1978. 2. А.с. СССР 809013, МПК 0133/14, 1981. 3. Царькова Т.П. Магнитные свойства и методы контроля качества термически и деформационно упрочненных сталей Автореф. дис.канд. техн. наук. - Екатеринбург, 1995. - С. 5-10. 4. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. - Екатеринбург УрО РАН, 2005. - 219 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8