Файл: Неразрушающего контроля.pdf

К диамагнетикам относятся инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe), некоторые металлы (медь, бериллий, цинк, серебро, золото, ртуть, висмут), неорганические соединения (H
2
O, CO
2
), кристаллы (NaCl, Al
2
O
3
, CuCl, PbO, AgNO
3
, PbSO
4
, BiCL
3
), органические соединения (метан, бензол, нафталин, октан и др.).
В диамагнитных материалах (рис. 8) внешнее магнитное поле незначительно ослабляется. Под воздействием внешнего поля у атомов диамагнетика появляются магнитные моменты направленные против поля, создающие внутреннее поле атомов, которое, складываясь с внешним, ослабляет его.
Диамагнитные вещества выталкиваются из магнитного поля.
Рисунок 8 – Поведение диамагнетика во внешнем магнитном поле
Парамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей больше единицы (μ > 1).
К парамагнетикам относятся такие вещества: Al, Li, Na, K, Ti, V, U, O
2
, NO,
MnO, CuCl
2
, NiSO
4
и др.
13

Парамагнитные материалы в отличие от диамагнетиков незначительно усиливают внешнее магнитное поле. Во внешнем поле магнитные моменты атомов ориентируются в направлении, совпадающем с этим полем, поэтому их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю, усиливая его. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле.
Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков на тысячные доли выше единицы.
Ферромагнитные, у которых μ велико, выражается сотнями, тысячами и изменяется в зависимости от интенсивности магнитного поля. Они сильно притягиваются магнитным полем. К ним относятся железо (Fe), никель (Ni),
кобальт (Co), гадолиний (Gd), их сплавы и некоторые соединения, например, оскиды железа. Кроме того магнитная проницаемость ферромагнитных материалов меняется при намагничивании сложным образом, что будет рассмотрено в следующем разделе, а максимальное значение некоторых распространенных ферромагнетиков приведена в таблице 2.
Таблица 2 – Максимальная относительная магнитная проницаемость некоторых ферромагнетиков

5.
Классификация материалов по магнитным свойствам.
6.
Чем отличаются разные материалы по магнитным свойствам?.
7.
Что такое постоянные магниты?
8.
Что такое магнитные полюса?
9.
Как связаны между собой магнитная индукция и магнитная
проницаемость?
10.
Как направлены силы, действующие на заряженные частицы (ток) в
магнитном поле.
11.
Что такое магнитный поток?
12.
Приведите примеры диамагнетиков, парамагнетиков и ферромагнетиков.
15

2.
НАМАГНИЧИВАНИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
2.1 Кривая первоначального намагничивания
Ферромагнетизм – магнитно упорядоченное состояние макроскопических объемов вещества (ферромагнетика), в котором магнитные моменты атомов
(ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Однако эти объемы, внутри которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы одинаково, не бесконечны и не занимают всего объекта, иначе такие объекты были бы полностью намагничены всегда. В размагниченном состоянии ферромагнитный объект состоит из доменов (участков величиной в десятки микрометров), в которых магнитные моменты атомов P
m направлены одинаково даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля, но у соседних доменов суммарные магнитные моменты могут быть направлены в разных направлениях, особенно в размагниченном состоянии. На рисунке 9 приведен пример размагниченного ферромагнетика с суммарным магнитным моментом, равным 0, когда три домена имеют направления намагничивания приводящие к такому состоянию.
Рисунок 9 – Ферромагнитный объект, состоящий из трех доменов и магнитные моменты его отдельных частиц
В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения в наиболее удобном направлении, обеспечивающим минимальную свободную энергию материала и обладает определенным суммарным магнитным
16

моментом входящих в него частиц.
Ферромагнетики обладают:
- высокими значениями магнитной проницаемости;
- доменной структурой, при этом при намагничивании домены, магнитные моменты которых направлены в том же направлении что и внешнее намагничивающее поле, начинают расти за счет остальных доменов, разворачивая магнитные моменты соседних доменов в направлении намагничивания;
- обладают гистерезисом при перемагничивании, то есть не все магнитные моменты, при снятии внешнего намагничивающего поля, возвращаются в первоначальное направленное состояние;
Домены имеют размеры порядка 1-10 мкм. Каждое кристаллическое зерно разбивается на несколько доменов с различной ориентацией магнитных полей. Это обычно бывает при отсутствии внешнего поля.
В размагниченном материале магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга так, что результирующее поле всех доменов в детали практически равно нулю. В этом случае говорят, что такой ферромагнетик размагничен.
Искажение магнитного поля, происходящее при внесении в него диамагнитных или парамагнитных тел незначительно. Напротив, магнитное поле искажается весьма существенно, если в него будут помещены ферромагнитные тела.
Железный образец, обладающий проницаемостью в сотни и тысячи раз большей, чем проницаемость вакуума, вбирает в себя магнитное поле. Это явление называется намагниченностью.
Намагничивание ферромагнитных материалов под действием внешнего поля объясняется тем, что поля отдельных областей (доменов) устанавливаются по направлению внешнего поля, их магнитные поля при этом суммируются. В результате образуется сильное поле намагниченной детали.
Намагниченность проверяемой детали зависит от напряженности поля Н, действующего на эту деталь.
17

Намагниченностью называется суммарный магнитный момент единицы объёма вещества
mi
P
V
M
∑
=


,
(4) где
M

(
А/м) - намагниченность материала; V – объем, м
3
Кривой первоначального намагничивания (КПН) называют график функции
В = f (Н), которую получаютпостепенным увеличением Н из состояния В = 0 и Н
= 0 до В
max
(рисунок 10).
Рисунок 10 - Изображение кривой первоначального намагничивания
Намагничивание – это процесс смещения доменных границ, заключающийся в том, что домены, энергетически более выгодно ориентированные в отношение намагничивающего (приложенного) поля, начинают расти за счет доменов, ориентированных менее выгодно. Рост этих доменов происходит путем смещения границ в сторону доменов, ориентированных противоположно или под большим углом к магнитному полю.
На КПН можно выделить пять участков, на каждом из которых преобладает определенный механизм намагничивания. Участок 1 (рис.9) соответствует обратимым смещениям доменных границ. В области Рэлея (2) имеют место наряду
18

с обратимыми также необратимые процессы смещения, и зависимость В(H) здесь квадратична.
Наиболее крутой участок КПН (3) соответствует максимальной восприимчивости и связан с необратимыми смещениями доменных границ. В области приближения к насыщению (4) основную роль играют процессы вращения намагниченности M
s
к направлению намагничивающего поля. Наконец, участок 5 характеризуется слабым ростом намагниченности. Для магнитопорошкового контроля изделия обычно можно намагнитить до конца области 3 – начала области
4. Вид КПН зависит от скорости намагничивания, поэтому приводимые кривые обычно характерны для очень медленного намагничивания.
Магнитная индукция В��⃗ характеризует суммарное магнитное поле, складываемое из внешнего поля и намагниченности того материала, в котором оно измеряется (рисунок 11):
В��⃗ =
µ
0
�М
���⃗ + Н��⃗�, (5)
Рисунок 11 – Кривая первоначального намагничивания
В ферромагнетике
µ
зависит от напряженности магнитного поля Н, воздействующего на объект, и изменяется по кривой, представленной на рисунке
12. Это происходит потому, что фактически магнитная проницаемость отражает отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля, исходя из формулы 2. Таким образом, абсолютная магнитная проницаемость является
19

отношением двух катетов с к b в выделенном треугольнике, а такое отношение, как известно, равно тангенсу угла α.
Рисунок 12 – Связь магнитной проницаемости с кривой первоначального намагничивания и напряженностью магнитного поля.
Как видно из графика на рис. 12, относительная магнитная проницаемость сначала возрастает, а затем уменьшается, и максимум приходится на точку 2, так как максимальный угол α приводит к максимальному значению тангенса. Кроме того, в начальный момент намагничивания деталь имеет отличное от нуля значение магнитной проницаемости, так как кривая имеет уже какой-то наклон, пусть и относительно небольшой. Обычно начальная магнитная проницаемость в 2-5 раз меньше максимального значения этого параметра.
α
20

В дальнейшем повышение напряженности магнитного поля правее точки 2 приводит к постепенному снижению угла наклона гипотенузы треугольника и, соответственно, к постепенному снижению магнитной проницаемости.
2.2 Циклическое перемагничивание
При намагничивании детали переменным или периодически изменяющимся по направлению постоянным полемимеет место циклическое перемагничивание
(рис. 13).
Рисунок 13 – Петля гистерезиса ферромагнетика и ее основные фазы
21

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.
Слово гистерезис произошло от греческого hysterēsis – запаздывание.
Гистерезис объясняется необратимыми изменениями, проявляющимися в различном течении прямых и обратных процессов. Характерная особенность магнитного гистерезиса – «отставание» намагниченности тела от напряженности намагничивающего поля.
Гистерезис препятствует намагничиванию ферромагнитных материалов. Его можно сравнить с внутренним трением. Более того развороты магнитных моментов действительно приводят к нагреву материала и ширина петли гистерезиса свидетельствует о величине энергии переходящей в тепло. Чем шире петля гистерезиса – тем больше нагревается материал при перемагничивании.
В ферромагнитных материалах из-за явления гистерезиса при уменьшении
напряженности Н магнитная индукция В убывает не по кривой первоначального
намагничивания, а по кривой, лежащей несколько выше нее. Когда же внешнее
магнитное поле исчезает совсем, то в ферромагнитном материале сохраняется
некоторая остаточная индукция В
r
,
величина которой определяется магнитными
свойствами материала и характером магнитных воздействий, предшествовавших
рассматриваемому состоянию. Остаточная индукция В
r
принимает
максимальное значение в том случае, если ферромагнитный материал
предварительно намагнитить до насыщения, а затем напряженность магнитного
поля уменьшить до нуля.
В
s
– индукция технического насыщения.
Н
s
– напряженность магнитного поля, при которой достигается состояние технического магнитного насыщения материала образца.
22

В
r
– остаточная индукция, т. е. оставшаяся в детали после снятия поля Н
s
(остаточная намагниченность).
Индукция B обращается в нуль лишь под действием поля H
с
, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание.
Напряженность H
c
называется коэрцитивной силой.
Н
с
– коэрцитивная сила (от лат. coërcitio – удерживание) – это напряженность магнитного поля, которое нужно приложить встречно намагниченности детали
(предварительно намагниченной до насыщения), чтобы её полностью размагнитить.
Величины H
s
, B
r
,
Н
с
являются основными магнитными характеристиками ферромагнетика и приводятся в справочниках.
Петля гистерезиса, достигающая области насыщения, называется предельной
(максимальной) петлёй гистерезиса. Петля гистерезиса симметрична относительно начала координат.
Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, т.е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.
В зависимости от величины работы, необходимой для перемагничивания единицы объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания, все ферромагнитные материалы разделяют на две группы: магнитомягкие (с узкой петлёй гистерезиса) и магнитотвердые (с широкой петлёй гистерезиса).
Материалы с узкой предельной петлей гистерезиса называют магнитомягкими и их обязательно надо контролировать способом приложенного поля и у них значения В
r
и Н
С
малые. Условно к магнитомягким относят низко- и среднеуглеродистые и низколегированные стали, у которых В
r
≤0,53 Тл, а Н
С
≤9,5
А/см. Среди деталей подвижного состава это колесная сталь, осевая сталь и большинство деталей тележки и автосцепного устройства. Материалы, у которых
23

значения остаточной индукции и коэрцитивной силы больше указанных числовых значений, относят к магнитотвердым и их можно контролировать способом остаточной намагниченности. К таким деталям относят кольца подшипников, ролики, шестерни и зубчатые колеса, некоторые разновидности валов тягового и самоходного подвижного состава. К магнитотвердым материалам относятся углеродистые и легированные конструкционные стали (хромистые, вольфрамовые, кобальтовые), а также специальные сплавы, используемые для постоянных магнитов.
Конструкционные стали относятся, как правило, к группе ферромагнитных материалов с нормальными петлями гистерезиса, у которых отношение остаточной индукции В
r
к максимальной В
s
на предельной петле гистерезиса почти постоянно и равно 0,5-0,7.
Как правило, магнитотвердые материалы обладают более низкими значениями магнитной проницаемости по отношению к материалам из магнитотвердых материалов.
Следует учесть, что магнитные характеристики существенным образом зависят не только от марки стали (химического состава), но и от режима термообработки.
При проведении магнитного контроля на ремонтных предприятиях выполненный ранее режим термообработки деталей, как правило, неизвестен. В таких случаях можно воспользоваться:
− прибором для измерения коэрцитивной силы материала изделия – коэрцитиметром или;
− имеющейся связью между твердостью и магнитными характеристиками сталей.
К магнитомягким материалам наряду с низкоуглеродистыми сталями и железоникелевыми сплавами относятся чугуны. Чугун как магнитомягкий материал имеет ряд особенностей по сравнению со сталью, а именно: его магнитные свойства меньше зависят от механических напряжений; меньше влияние температуры и вибрации на его магнитные свойства. Кроме того,
24