Плагиат (1205458), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

очень мало и ³⁰ обычно варьируется в пределах 10-5-10-2. Рисунок 2.1 Магнитные домены в ферромагнитном стержне без внешнего магнитного поля (1) и после приложения внешнего магнитного поля (2).

Магнитострикционный эффект является обратимым, то есть при

изменении линейных размеров тела под действием внешних сил его

магнитные свойства соответственно изменяются. Это явление называется

магнитоупругим эффектом ⁶⁴ или эффектом Виллари, оно характеризует изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации.

При воздействии на кристаллы ферромагнетика механических усилий

на кристаллографическую анизотропию накладывается магнитоупругая

анизотропия, вызванная дополнительным магнитным взаимодействием

атомов вследствие искажения атомной решетки кристалла.

Энергия магнитоупругой анизотропии зависит от вектора

намагниченности насыщения в кристалле и создает дополнительные

выгодные энергетические направления областей в решетке. Упругие

напряжения, действующие на ферромагнетик, приводят к изменению

ориентации магнитных моментов доменов в решетке (без изменения

абсолютного значения вектора намагниченности насыщения). Это приводит к

изменению намагниченности ферромагнетика. ¹⁶

Магнитоупругая энергия непосредственно связана с магнитострикцией.

Устойчивые направления областей в ферромагнетике определяются

минимальным значением магнитной энергии кристалла, включающей в себя

три составляющие:

1. Энергию магнитной анизотропии ;

1. ¹⁶ Магнитоупругую энергию ;

1. Энергию внешнего магнитного поля .

В зависимости от вида упругой деформации намагниченность в ²²

различных ¹⁶ ферромагнитных материалах изменяется различно. Характер

изменения зависит от величины и знака магнитострикции материала.

Например, для случая сильных упругих растяжений, действующих в

направлении магнитного поля Н, намагниченность М может быть определена

из выражения: ²³

где α – численный коэффициент, равный

– ¹⁶ вектор намагниченности насыщения

λs– ²³ магнитострикция насыщения.

Магнитоупругий эффект зависит от материала, величины и знака его

магнитострикций, температуры окружающей среды, упругой деформации и

напряженности магнитного поля. Вокруг образца существует магнитное поле.

При положительной магнитострикции материала направление

результирующей намагниченности совпадает с направлением действия силы

и магнитного поля. При отрицательной магнитострикции материала

направление результирующей намагниченности перпендикулярно к

направлению действия силы и магнитного поля. Относительную

чувствительность магнитоупругого материала можно характеризовать, как и у

тензорезисторов, коэффициентом тензочувствительности: ¹⁶

– ¹⁶ продольная деформация;

Магнитоупругие свойства материала характеризуются также

относительной магнитоупругой чувствительностью:

где Е – модуль упругости;

μ – ¹⁶ магнитная проницаемость;

σ – внутреннее напряжение в материале.

Для одного и того же материала под действием механического

напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то

время как в сильных – падать. ¹⁶

Устройства, работа которых основана на магнитоупругом эффекте, используют принцип локального намагничивания участка трубопровода, измерения и регистрации магнитного поля с последующей оценкой механических напряжений в области участка намагничивания по экспериментальной зависимости.

Способ определения характеристик НДС материалов деталей иконструкций заключается в измерении параметров магнитных полей на

поверхности исследуемого объекта, по оценке которых определяют зоны

скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних

напряжений.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании

малоизвестных и неизученных в аспекте практического применения

свойствах дефектов кристаллической структуры металлов - дислокаций.

Дислокация как реально существующий объект обладает вполне реальными

физическими свойствами, обусловленными несбалансированностью

электромагнитных полей, вызванной локальным разрушением элементов

кристаллической атомной решетки.

В ¹⁴ случае ферромагнитного материала, элемент решетки представляет собой куб с атомами в его углах, а вся решетка - строгую пространственную структуру. Разрушение такого порядка проявляется как появление

полуплоскости, являющейся своеобразным клином, на границах которого оказываются "оторванные" электрические заряды и спиновые моменты. Наличие избыточного количества свободных электронов по обе стороны границ позволяет компенсировать несбалансированность электрических зарядов, однако, "новые" электроны не в состоянии компенсировать разность спиновых моментов, что приводит к появлению элементарного магнитного момента - источника собственного магнитного поля дислокации.

Поскольку, как указывалось выше, в материале, даже в ненапряженном состоянии, существует значительное количество дислокаций, то материал представляет собой совокупность произвольно ориентированных "магнитиков", создающих собственное интегральное магнитное поле материала. В идеальном - однородном изотропном материале напряженность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами дислокаций, будет равно нулю. Но любая напряженность металла, свойственная всем реальным материалам, вызывает перемещения и группирование дислокаций, что приводит к появлению скоплений дислокаций, которые имеют существенно большие магнитные моменты. Это и является причиной неравномерности напряженности магнитного поля.

Поскольку магнитное сопротивление ферромагнитных материалов

мало, то магнитные потоки, создаваемые скоплениями дислокаций, векторно

суммируясь, будут распространяться во всем объеме исследуемого материала

с минимальными потерями, что дает возможность регистрировать скопления

дислокаций, находящихся не только на поверхности исследуемой детали, но и

в толще материала, и даже на противоположной стороне детали. Этим

объясняется возможность применения предлагаемого способа. ¹⁴

Способ определения характеристик напряженно-деформированного состояния металла трубопровода, заключается в измерении параметров

магнитных полей на поверхности исследуемого ¹⁴ трубопровода, по изменению

которых определяются зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам, и отличен тем, что измеряется абсолютная величина

максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля и ³²

направление максимума тангенциальной составляющей напряженности

магнитного поля, ²⁸ по которым вычисляется величина внутренних напряжений.

Дополнительно можно одним из известных способов измерить

расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных

внутренних напряжений, вычислить величину энергии, накопленной в этой

зоне, по которой можно судить о степени активности зарождения и роста

трещин. ²⁸

Задачами, на решение которых направлен предполагаемый аппарат,

являются получение количественных характеристик ¹⁴ напряженно- деформированного состояния конструкционных материалов

(преимущественно ферромагнитных металлов) при одновременном

повышении чувствительности, точности и достоверности результатов за счет

использования собственных магнитных полей, создаваемых микродефектами

структуры - дислокациями и их скоплениями.

Описываемый способ обеспечивает получение количественных

характеристик внутренних напряжений, количественной информации о

степени опасности или активности зарождающихся и развивающихся трещин,

реконструкцию скалярных и векторных полей распределения внутренних

напряжений, а так же возможность прогнозирования динамики изменения

напряженно-деформированного состояния трубопровода в реальных условиях

эксплуатации, за ¹⁴ счёт проведения повторных измерений, через определенный

период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают поля распределения

внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают

скорость деградации материала, а по характеру изменения полей определяют

зону и направление возможного разрушения. ¹⁴

Реализуется способ путем пропуска внутритрубного инспекционного прибора по трубопроводу, где он электромагнитно соединен с внутренней поверхностью трубы при помощи датчиков. Во время прохождения сигналы изменяются вместе с локализованной магнитной проницаемостью стенок

трубопровода, данные о расположении изменения магнитной проницаемости вырабатываются и записываются в блок записи сигналов.

После прохождения данные о расположении изменений магнитной проницаемости используются для установки, в каком соотношении находятся сигналы и их местоположение на стенках, для установления точного местонахождения напряжения в стенке трубопровода. То есть, перемещая датчик напряженности магнитного поля ²⁸ по поверхности исследуемого

объекта, ²⁸ по показаниям прибора находится глобальный или локальный

максимум и измеряется значение нормальной составляющей напряженности

• и тангенциальной составляющей напряженности .

Поскольку дислокация или их скопление является магнитным диполем, то сила, действующая на концы диполя - границы дефекта элемента кристаллической структуры - края будущей трещины, определяется следующей формулой:

где - площадь поверхности, пронизываемая магнитным потоком;

• проекция магнитной индукции на нормаль к поверхности изделия в зоне максимума напряженности, причем:

магнитную проницаемость вычисляют по формуле: где - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Но поскольку эта поверхность является поверхностью, на которую действует сила магнитного поля, то можно определить величину проекции напряжения, действующего в зоне дислокации или их скопления:

Таким образом, получается количественная оценка величины внутренних напряжений, действующих в зоне зарождающегося или растущего дефекта. В точках, определяемых заданной или выбранной координатной сеткой, можно построить скалярное поле распределения

внутренних напряжений.

Предлагаемый аппарат относится к диагностике состояния материалов

и конструкций ²⁸ из ферромагнитных материалов. Устройство содержит

соединенные между собой ²⁸ два измерительных модуля и служебный модуль.

Измерительный модуль выполнен для измерения напряженности собственных

магнитных полей, ²⁸ создаваемых в металле трубы скоплениями дислокаций и

двойников, зародышей дефектов.

Измерительный модуль включает в ²⁸ себя блоки датчиков нормальной и

тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля,

многоканальный преобразователь входных сигналов. ²⁸ Каждый из блоков

Характеристики

Список файлов ВКР