Способ измерения максимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ 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(56) ГОСТ 8.377-80. Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. - М. Издательство стандартов, 1980. - С. 10 - 21.9298 1, 2007.94014732 1, 1996.1636818 1, 1991.1223174 , 1986.101408596 , 2009.6100685 , 2000.(57) Способ измерения максимальной магнитной проницаемости ферромагнитного материала, в котором исследуемый материал намагничивают до технического насыщения и измеряют величинуэтой намагниченности, уменьшают намагничивающее поле до нуля и измеряют остаточную намагниченностьматериала, затем размагничивают материал и измеряют его коэрцитивную силу , далее воздействуют на материал намагничивающим полем, последовательно задавая его напряженность, равную значениям 0,9,и 1,1, где,П где П - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, равный /- коэффициент размерности, равный 1 м/кА,при каждом из трех указанных значений напряженности намагничивающего поля измеряют величину магнитной индукции на основной кривой намагничивания материала и определяют отношение этой величины к соответствующему значению напряженности поля, а затем принимают в качестве искомой максимальной магнитной проницаемости магнитную проницаемость, соответствующую наибольшему из трех указанных отношений. Изобретение относится к области определения магнитных свойств твердых ферромагнитных материалов в замкнутой магнитной цепи. Известен способ определения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала 1, заключающийся в том, что материал намагничивают в замкнутой магнитной цепи до технического насыщения, измеряют его остаточную индукциюи коэрцитивную силу , а величинуопределяют из соотношения (в системе СИ)(0,476),(1) 0 где 0,0712 м/кА 0410-7 Гн/м - магнитная постоянная. По 1 точность формулы (1) для сталей и чугунов с 6 кА/м колеблется между 2 и 6 . Способ 1 и в настоящее время используется для определения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала по результатам измерения егои 2. Недостаток известного способа заключается в недостаточной точности определения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала, связанной с тем, что соотношение (1) получено на основании статистической обработки результатов измерения ,имногих материалов. Для конкретного материала погрешность определенияпо (1) с использованием результатов измеренияиматериала может быть существенной. Так, например, в 2 с использованием данных 3 о магнитных характеристиках 211 сталей осуществлена проверка соотношения (1), записанного в виде,(1/) 0,476 где/0 - остаточная намагниченность материала. В 2 показано, что при расчете по (1/)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 материалов в диапазоне измененияот 0,73 до 7,79 кА/м) коэффициенткорреляции линейного уравнения регрессии(расчет) составил 0,947, а расхождение экспериментальной и рассчитанной по (1/) величинв большинстве случаев не превысило суммы возможных 4 погрешностей измерения параметров ,ис учетом их комбинации в (1/). Но для некоторых материалов отклонение между результатами расчетапо (1) и экспериментального измеренияболее существенно. Так, например, для стали 30, отпущенной при 650 С после закалки от 860 С (табл. 1.1 в 3), результаты измерения параметров ,исоставляют соответственно 730 А/м, 1235 кА/м и 760. А результат расчетапо (1) с использованием результатов измеренияисоставляет 893. Такая погрешность (17,5 ) определенияматериала не всегда приемлема при измерении магнитных параметров ферромагнитных материалов. 2 18148 1 2014.04.30 Из известных наиболее близким по технической сущности является способ измерения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала 5, заключающийся в том, что материал намагничивают в замкнутой магнитной цепи до технического насыщения, измеряют его коэрцитивную силу , размагничивают, устанавливают не менее десяти значений напряженности намагничивающего поля (через приблизительно равные интервалы напряженности поля) в диапазоне напряженности поля от значения,близкого к половине коэрцитивной силы , до значения напряженности поля, примерно соответствующей удвоенной коэрцитивной силематериала, измеряют значения магнитной индукции на основной кривой намагничивания при установленных значениях напряженности намагничивающего поля, начиная с наименьшего значения напряженности намагничивающего поля, переходя к большим значениям, определяют отношения результатов измерения магнитной индукции к соответствующим им значениям напряженностей намагничивающего поля, определяют максимальное значение указанных отношений, по которому судят оматериала. Относительная погрешностьизмеренияпо 5 при соблюдении жестких требований 5 к точности измерения размеров образцов измеряемого материала и классу точности электроизмерительной аппаратуры составляет 54. Недостаток способа 5 в большой трудоемкости и недостаточно высокой достоверности измерения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала. Большая трудоемкость способа 5 заключается в необходимости проведения многократных (не менее десяти) прецизионных измерений значений напряженности намагничивающего поля и соответствующих им значений магнитной индукции на основной кривой намагничивания материала. Необходимость их проведения связана с тем, что по 5 напряженность намагничивающего поля, при которой на основной кривой намагничивания материала наблюдается максимальное отношение индукции и поля, известна лишь приблизительно в диапазоне напряженности поля от значения, близкого к 0,5, до значения, близкого к 2 материала. Недостаточно высокая достоверность измерениясвязана с тем, что не для всех ферромагнитных материалов максимальное отношение индукции на основной кривой намагничивания материала к напряженности намагничивающего поля соответствует этому интервалу напряженностей поля. Так, например, по данным 6,рис. 2, полученным из анализа результатов измерения в 3 магнитных свойств 100 разных структурных состояний сталей, значения напряженности намагничивающего поля,при которых наблюдается максимум отношения индукции на основной кривой намагничивания материала к соответствующему значению напряженности намагничивающего поля, наблюдаются от значения 0,5 до 4,4. Из-за сложности и невысокой достоверности измерениясведения оферромагнитных материалов приводятся в справочной литературе реже, чем о ,и намагниченноститехнического насыщения. Задачей изобретения является снижение трудоемкости и повышение достоверности измерения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала. Задача решена в способе измерения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала, в котором исследуемый материал намагничивают до технического насыщения и измеряют величинуэтой намагниченности, уменьшают намагничивающее поле до нуля и измеряют остаточную намагниченностьматериала,затем размагничивают материал и измеряют его коэрцитивную силу , далее воздействуют на материал намагничивающим полем, последовательно задавая его напряженность, равную значениям 0,9,и 1,1, где,П где П - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, равный / 3 18148 1 2014.04.30- коэффициент размерности, равный 1 м/кА,при каждом из трех указанных значений напряженности намагничивающего поля измеряют величину магнитной индукции на основной кривой намагничивания материала и определяют отношение этой величины к соответствующему значению напряженности поля, а затем принимают в качестве искомой максимальной магнитной проницаемости магнитную проницаемость, соответствующую наибольшему из трех указанных отношений. Снижение (более, чем трехкратное) трудоемкости предложенного способа по сравнению с прототипом обеспечивается тем, что при его реализации не требуется осуществлять многократные (не менее десяти) прецизионные измерения магнитной индукции и напряженности намагничивающего поля на основной кривой намагничивания материала, а достаточно проведения только трех таких измерений. При этом измерения намагниченноститехнического насыщения и остаточной намагниченностиматериала могут быть проведены в процессе операций по измерению коэрцитивной силыматериала и не требуют его дополнительного намагничивания и размагничивания. Использование трех измерений магнитной индукции и напряженности намагничивающего поля на основной кривой намагничивания материала осуществляется в ближайшей окрестности напряженности поля, при котором магнитная проницаемостьматериала на основной кривой намагничивания достигает максимума . Поэтому точность определения действительных значенийматериала предложенным способом не уступает точности определенияматериала прототипом. Более того, для материалов, у которых напряженность поляпревышает значение 2, точность измеренияпрототипом снижается тем больше, чем больше напряженность поляпревышает значение 2. Точность измеренияпредложенным способом для таких материалов не изменяется. За счет этого происходит повышение достоверности измеренияферромагнитных материалов предложенным способом по сравнению с прототипом. Повышение достоверности определения максимальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала достигается также благодаря тому, что соотношение (2), используемое для расчета поля, при котором магнитная проницаемость материала на основной кривой намагничивания достигает максимума , кроме влияния коэрцитивной силы , которая по стандартным методикам 5 может быть измерена с относительной погрешностью не более 3 , учитывает влияние наеще двух других основных магнитных параметров ферромагнитных материалов - остаточной намагниченностии намагниченноститехнического насыщения. Причем параметрыивходят в соотношение (2) в виде отношения П, которое по стандартным методикам может быть измерено с относительной погрешностью 14. Предложенное изобретение поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 представлена основная кривая намагничиванияферромагнитного материала, кривая Столетоваи ее производная / по напряженностинамагничивающего поля. На фиг. 2 представлены результатычисленного решения уравнения (7) с учетом (6/, 4/). 1-5 - для материалов с П, соответственно равными 0,4 0,5 0,6 0,7 и 0,8. 1/-5/ - расчет по формуле (2) при тех же П. На фиг. 3 результаты измерения напряженности полянормализованных сталей по 7 сопоставлены с результатамирасчета напряженности полятех же сталей по (2). На фиг. 4 представлены результаты измерениястали 45 по предложенному способу 18148 1 2014.04.30 Реализуется предложенный способ следующим образом. Измерение ,иферромагнитного материала осуществляют по известным стандартным методикам, например,описанным в 4, 5, при помощи описанной там же магнитоизмерительной аппаратуры. Затем результаты измерения ,иматериала используют для установления по соотношению (2) поля, при котором магнитная проницаемостьматериала на основной кривой намагничивания достигает максимума . После этого измеряютпо стандартной методике, например, описанной в 4, 5 при помощи описанной там же аппаратуры, но при этом не производят не менее десяти измерений магнитной индукции на основной кривой намагничивания (через приблизительно равные интервалы напряженности поля) в диапазоне напряженности поля от 0,5, до 2 материала, а последовательно производят на основной кривой намагничивания материала три измерения магнитной индукции в материале при значениях напряженности намагничивающего поля, равных 0,9,и 1,1. Предложенный способ основан на том, что между напряженностью поля, при котором магнитная проницаемостьматериала на основной кривой намагничивания достигает максимума(фиг. 1),и параметрами ,иего предельной петли гистерезиса имеется взаимосвязь, определяемая соотношением (2). Для обоснования этого воспользуемся зависимостью (кривой Столетова) для относительной величины полной (амплитудной) магнитной проницаемостистали от напряженностинамагничивающего поля 8,которая может быть записана в виде 1 2- начальная магнитная восприимчивость- намагниченность по основной кривой намагничивания при. В 8 показано, что (3) 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 свойства которых достаточно полно охватывают возможный диапазон изменения магнитных параметров конструкционных сталей и чугунов. Для производной / из (3) получим/ ( )( ) ,(5) найдем из решения/уравнения(7) Для общности рассмотрения перед решением уравнения (7) воспользуемся установленными соотношениями между магнитными характеристиками сталей и чугунов 18148 1 2014.04.30 1. Эмпирической формулой (1), связывающейсталей и чугунов с ихи 1,обоснованность применения которой для проводимого анализа показана выше. 2. Экспериментально обоснованной на основании статистического анализа формулой,позволяющей с приемлемой для практики точностью рассчитать отношениек начальной магнитной проницаемостиконструкционных сталей по результату измерения их 9(8)/2,935 , где 1,75 м/кА. При обосновании зависимости (8) использованы 9 результаты измерения ,исталей 30, 45, 15 ХНМФ, 38 ХГН, 38 ХС, 9518 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 3). 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. Достоинством интерполяции (8) относительно других возможных является то, что при 0,08 кА/м расчет по (8) приводит к значению/33,3, совпадающему с достоверными справочными данными для технически чистого железа, отожженного при 950 С 10. 3. Использованным в 11 на основании (1) соотношением(9)0,67(0,476). Правомерность использования (9) в практических расчетах обосновывается также тем,что рассчитанные по (9) с использованием результатов 8 измеренияистали ШХ 15 закаленной и в исходном состоянии значенияотличаются от экспериментально измеренных в 8 значенийне более, чем на 3,4 . Воспользуемся также тем, что по определению 4(10)1,и для большинства магнитомягких материалов 1-10 верно неравенство(4/) 1 .П 0,67(0,476 Н С )0,5 Сделанные допущения практически не сказываются на результатах решения уравнения (7). В подтверждение этого были сопоставлены зависимости / по (5), рассчитанные с использованием (6) и (6/), для стали ШХ 15 в закаленном состоянии. При расчете по(6) использованы результаты измерения параметров 4,75 кА/м 713 кА/м 1165 кА/м 390 кА/м и 44 этой стали из 8, таблица, а при расчете по (6/) результаты измерения ,иэтой стали из той же таблицы. Анализ показал, что проведенные преобразования функции (6) и параметра (4) практически не изменили значение, при котором/ 0 и 0 . 18148 1 2014.04.30 В соответствии с (6/) и (4/) решениеуравнения (7) может быть выражено черези П материала. Результаты численного решения уравнения (7) с учетом (6/) и (4/) для материалов си П в возможном по 1-10 диапазоне их изменения для сталей и чугунов представлены на фиг. 2. Согласно полученным результатам,сталей в зависимости от значений ихи П может изменяться от 1,35 до 2,3. Формула (2) практически точно(фиг. 2) интерполирует зависимость(,П ) , полученную из численного решения уравнения (7). Для экспериментального обоснования этого результаты расчетапо (2) на фиг. 3 сопоставлены с результатами измерения 7, табл. 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 (2) использованы результаты 7, табл. 2 измерения ,и индукции насыщенияэтих сталей. Статистический анализ представленных на фиг. 3 результатов показал,что коэффициент корреляции между результатами расчетапо (2) и результатами измерения 31 различной стали в 7 превышает 0,99. Отклонение результатов измеренияот результатов расчета по (2) для всех сталей не превышает 20 , причем, как показано в 12, эти отклонения связаны с неизбежно высокой погрешностью измерения Н. Полученный результат позволяет рекомендовать предложенный способ для определениясталей и чугунов с использованием результатов простого и точного измерения их,ивзамен трудоемкого и не всегда достоверного измеренияпо стандартной методике. В обоснование такой возможности на фиг. 4 представлены результаты измерениястали 45, закаленной от 860 С и отпущенной при 450 С, по предложенному способу и по прототипу. Неизбежная инструментальная относительная погрешность (по 4 - не менее 6 ) каждого из результатов измеренияна основной кривой намагничивания исключена благодаря тому, что сопоставление проведено расчетом по (3), с использованием (9) и (12) каждого из результатов измеренияна основной кривой намагничивания материала. Магнитные параметры стали 45 соответствовали результатам их измерения, представленным в 3, табл. 3.11,02 кА/м,1271 кА/м и 1626 кА/м. В соответствии с прототипом установлены значения намагничивающего поля в 501 А/м, 651 А/м, 802 А/м,1102 А/м, 1253 А/м, 1403 А/м, 1553 А/м, 1703 А/м, 1854 А/м и 2004 А/м, при которых получены соответственно следующие результаты измерения магнитной проницаемости на основной кривой намагничивания 168, 229, 317, 421, 529, 635, 641,4, 633, 617, 597. В соответствии с предложенным изобретением установлены значения намагничивающего поля в 1383 А/м, 1537 А/м, 1693 А/м, при которых получены соответственно следующие результаты измерения магнитной проницаемости на основной кривой намагничивания 632, 641,6, 634. Проведенный анализ (фиг. 4) показал, что результаты измерениястали 45 по предложенному способу (641,6) и по прототипу (641,4) практически совпадают. От результатов (684 по 3, табл. 3.1) экспериментального измеренияони отличаются (6 ) практически только на величину инструментальной погрешности измерения. При этом результаты измеренияна основной кривой намагничивания материала в точках, соседних с измеренным значением , при использовании предложенного способа (значения 632 и 634) и прототипа (значения 635 и 633) также практически совпадают. Это обеспечивает равновероятную (и практически незначимую по сравнению с инструментальной погрешностью измерения ) методическую погрешность измеренияпредложенным способом и прототипом, обусловленную неточным соответствием рассчитанного по (2) или выбранного по прототипу значения поляпо сравнению с его действительным значением. Исходя из этого, а также для нивелирования возможных от 7 18148 1 2014.04.30 клонений (до 10 ) результатов расчета поляпо (2) по сравнению с его действительным значением и установлены отклонения 0,9 и 1,1 для дополнительных измеренийна основной кривой намагничивания по предложенному способу. Таким образом, для материалов с 2 предложенный способ и прототип обеспечивают одинаковую точность измерения , но предложенный способ позволяет сделать это с примерно в три раза меньшим количеством перемагничиваний материала и измерений его магнитных параметров. Для материалов с 2 предложенный способ обеспечит также и более высокую достоверность измерения . Источники информации 1. Меськин В.С. Ферромагнитные сплавы. - Л. - М. ОНТИНКТП, 1937. - 790 с. 2. Сандомирский С.Г. Расчет остаточной намагниченности сталей по результату измерения коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости // Контроль. Диагностика. - 2010. -9. - С. 38-41. 3. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. - Екатеринбург УрО РАН, 2005. - 218 с. 4. Чернышев Е.Т, Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. - М. Изд. Стандартов, 1969. - 248 с. 5. ГОСТ 8.377-80 Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. - М. Изд. стандартов, 1986. - 21 с.(прототип). 6. Реутов Ю.Я., Лоскутов В.Е. Соотношение между магнитными характеристиками сталей // Контроль. Диагностика. - 2008. -4. - С. 15-17. 7. Костин В.Н., Осинцев А.А., Сташков А.Н., Царькова А.П. Многопараметровые методы магнитной структуроскопии стальных изделий с использованием магнитных свойств // Дефектоскопия. - 2004. -3. - С. 69-82. 8. Мельгуй М.А., Шидловская Э.А. Экспериментальная проверка аналитических выражений для нелинейных свойств ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. - 1987.11. - С. 11-18. 9. Сандомирский С.Г. Статистический анализ взаимосвязи между магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой сталей // Электричество. - 2010. -12. - С. 60-63. 10.... - , 1989. - 440 . 11. Сандомирский С.Г. Расчет кривой намагничивания и частных петель гистерезиса ферромагнитных материалов по основным магнитным параметрам // Электричество. 2010. -1. - С. 61-64. 12. Сандомирский С.Г. Анализ погрешности измерения поля максимальной магнитной проницаемости // Измерительная техника. - 2011. -12. - С. 41-44. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.