Файл: Неразрушающего контроля.pdf

чугунным отливкам можно легче придать выгодную для магнитного контроля конфигурацию.
В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, магнитомягкие материалы используют для статоров и роторов электромашин и магнитопроводов электромагнитных устройств
(трансформаторы, дроссели, реле и т.д.). Магнитотвердые материалы применяют для постоянных магнитов, у которых коэрцитивная сила может быть повышена до
10 6
А/м.
Если технического насыщения не достигается, получаемая петля называется частным циклом или промежуточной. Частных циклов существует бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.
Если ферромагнитное тело подвергается действию полей одного знака, то такая петля так же называется частной петлёй гистерезиса (рис.14).
Рисунок 14 – Семейство частных петель гистерезиса, образуемых при намагничивании напряженностью меньшей, чем до насыщения
Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице.
25

Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри (1859—1906).
В ферромагнетиках при температуре выше точки Кюри тепловое движение атомов кристалла разрушает доменную структуру и ферромагнетизм исчезает:
ферромагнетик становится парамагнетиком. Домены при этом исчезают. У железа точка Кюри равна 767 °С, у никеля - 360 °С, у кобальта - около 1130 °С.
Таким образом, при нагреве металла постепенно уменьшается его ферромагнетизм, который можно полностью убрать, а ферромагнетик – размагнитить. Для того, чтобы в нем появилась остаточная индукция, его придётся вновь намагничивать.
Подводя итоги магнитным свойствам ферромагнетиков, можно сказать, что они обладают следующими характерными свойствами:
− любой ферромагнетик состоит из доменов – участков, внутри которых элементарные магнитные моменты имеют одинаковое направление;
− намагничивание полностью размагниченного ферромагнетика происходит по кривой первоначального намагничивания;
− перемагничивание изделия происходит по петле гистерезиса;
− зависимость магнитных свойств материала от температуры и величины точки Кюри;
− силовые линии магнитного поля, если в него будут помещены ферромагнитные тела перераспределяются таким образом, что большая их часть проходит внутри ферромагнетика.
2.3 Размагничивающий фактор
Так как любые детали имеют конечную длину, то при их продольном намагничивании (рис. 16) получается так, что в детали силовые линии направлены от одного полюса к другому, а снаружи, там где находятся частицы, силовые линии направлены в противоположную сторону. Чем короче деталь, тем большая величина и концентрация силовых линий, направленных в противоположную сторону около поверхности. Эти противоположные силовые линии ослабляют силу притяжения частиц к дефекту. Поэтому, чем короче деталь, тем слабее частицы
26

порошка на ее поверхности, намагниченной продольно, будут притягиваться к дефекту. Такое действие называется – размагничивающим фактором и для коротких деталей требуется их удлинение для снижения его влияния.
Влияние размагничивающего фактора достаточно сложное и зависит от формы, размеров намагничиваемого объекта и его магнитных свойств. Именно из- за размагничивающего фактора на каждом типе деталей приходится экспериментально определять степень ее намагниченности на поверхности контроля.
Контрольные вопросы
1.
Что характеризует кривая первоначального намагничивания?
2.
Как влияет скорость намагничивания на кривую намагниченности?
3.
Как можно определить магнитную проницаемость по кривой
намагничивания?
4.
Какие характеристики ферромагнетика можно определить по петле
гистерезиса?
5.
Что такое – предельная петля гистерезиса?
6.
Что такое – семейство петель гистерезиса?
7.
Что характеризует точка Кюри?
8.
Что такое домены?
9.
Как ведут себя магнитные моменты доменов при намагничивании и
размагничивании?
10.
Чем отличаются магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
27

− постоянные магниты;
− электромагниты.
Изделие определенной разомкнутой формы, например, в виде подковы, полосы или стержня из предварительно намагниченного материала, способного сохранять значительную магнитную индукцию в течение длительного времени после устранения намагничивающего поля, называют постоянным магнитом (рис.16).
Если магнитные поля доменов сохраняют или имеют преимущественную ориентацию после прекращения воздействия магнитного поля, то об этом материале говорят, как о постоянно намагниченном.
Если намагниченный стержень согнуть в петлю с плотно сжатыми или сваренными торцами, то магнитное поле будет полностью содержаться в замкнутой цепи внутри намагниченного материала.
Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации. Магнитное поле, создаваемое магнитами, используют для намагничивания объектов из ферромагнитных материалов.
При делении магнита на части каждая из них представляет собой магнит с двумя полюсами. Отделить северный полюс от южного полюса не представляется возможным.
Считают, что магнитные силовые линии выходят из северного магнитного полюса и входят в южный полюс.
Известно, что одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Если стержневому магниту придать подковообразную форму, полярность сохранится, но при этом магнитное поле и силовые линии будут в значительной степени сконцентрированы в промежутке между концами стержня. Чаще для намагничивания используются постоянные магниты U – образной формы, которые называют подковообразными магнитами или ярмом.
29

Рисунок 16 - Постоянный магнит
Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.
Недостатком постоянных магнитов является то, что ими не всегда можно сильно намагнитить объект, а также регулировать намагниченность объектов.
Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается.
Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.
В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B
r
на 1…3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.
Более надежным, стабильным и управляемым устройством является электромагнит (рисунок 17), который состоит из катушки, по которой течет ток, и магнитопровода (ферромагнитного сердечника) с высокой магнитной проницаемостью. По катушке течет ток создающий магнитное поле, которое практически полностью сконцентрировано в сердечнике и зависит от силы тока в
30

катушке и количества витков. В катушках можно создать очень мощное магнитное поле с большой напряженностью, рассчитываемой по формуле:
???? =
????∙????
√????
2
+????
2
, (6) где N – число витков катушки; l – длина катушки; d – ее диаметр.
Так как магнитное поле катушки с ферромагнитным сердечником практически полностью сконцентрировано внутри сердечника, магнитный поток в любом сечении сердечника практически один и тот же.
Рисунок 17 - Электромагнит
Электромагниты состоят из железного сердечника с обмоткой. Сердечники электромагнитов теряют свою намагниченность, когда внешнее поле удаляется. С этой точки зрения они могут быть названы «временными магнитами».
Ф
31

3.2.
Магнитные поля вокруг магнитов
Магнитные силовые линии в различных точках пространства по отношению к магниту имеют различную плотность и направление. Если рассматривать магнит в виде цилиндра, то наибольшая интенсивность поля наблюдается на торцевых поверхностях, а наименьшая – в средней части цилиндрической поверхности.
Сила притяжения или отталкивания у магнита в разных местах различна; больше всего она на его концах — полюсах.
С увеличением расстояния от намагниченного образца интенсивность поля быстро уменьшается.
Ферромагнитные материалы можно намагнитить путем соприкосновения с постоянным магнитом или размещением их очень близко к магниту.
Магнитное поле, в каждой точке которого векторы магнитной индукции имеют равные значения, называется однородным.
Примером однородного поля является поле в средней части межполюсного пространства электромагнита с бесконечными плоскопараллельными полюсными наконечниками или внутри бесконечного соленоида (рис.18).
Рисунок 18 – Магнитное поле в пространстве между двумя близко расположенными полюсами постоянных магнитов
При использовании стержневого магнита один из полюсов устанавливают на намагничиваемое изделие. Силовые линии наведенного (индуцированного) магнитного поля будут проходить между точкой контакта (или наибольшего сближения) и полюсом индуцирующего магнита. Если стержневой магнит используется для намагничивания пластины или подобного ей объекта большой площади, то поле будет распространяться в радиальных направлениях от точки
Однородное
поле
Н
еод
нород
ное
по
ле
Н
еод
нород
ное
по
ле
32

приложения магнита. Силовые линии подковообразного магнита являются прямыми между полюсами и радиально направленными непосредственно у полюсов.
3.3.
Магнитные поля вокруг проводников с током
Намагничивание ферромагнитных материалов с помощью электрического тока можно осуществить путём: а) Прямого намагничивания – пропусканием тока по изделию (рисунок 19) или его участку в результате использования ферромагнитного материала в качестве электрического проводника. б) Непрямого или наведенного намагничивания – путем помещения детали во внешнее электромагнитное поле.
Проводник может представлять собой стержень (прямой провод) или быть выполненным в виде одного или большего числа витков - катушкой.
Магнитные поля, возникающие вокруг деталей и проводников с токами, являются чаще всего неоднородными.
Проводник с количеством витков более одного называют соленоидом.
Магнитные поля вокруг каждого витка катушки суммируются и образуют единое поле. В центре катушки магнитное поле направлено вдоль ее оси (рисунок 20),
H
r
R
0
I
I
H
R
0
а) б)
Рисунок 19 - Магнитное поле проводника: пропускание тока по детали (а) и распределение магнитного поля внутри и вокруг такого проводника (б)
33

достаточно сильное и однородное, поэтому часто изготавливают соленоиды, внутри которых помещают детали для намагничивания и последующего контроля.
Рисунок 20 - Магнитное поле соленоида (а) и постоянного магнита (б)
Направление поля вокруг проводника с током может быть определено по правилу буравчика (штопора).
Для того, чтобы определить полный магнитный поток, проходящий через поверхность всех витков, нужно сложить потоки, проходящие через поверхности отдельных витков, или, иначе говоря, сцепляющиеся с отдельными витками.
Суммарный магнитный поток, пронизывающий все витки контура, называется потокосцеплением Ψ (пси):
(7)
Для замкнутого тороида, на котором намотано N витков кабеля с током:
N
⋅
Φ
=
ψ
(8) где Ф – магнитный поток через один виток; N – число витков.
Потокосцепление Ψ, как и магнитный поток Ф, измеряется в веберах (Вб).
Величина магнитного потока, проходящего внутри соленоида зависит от
∑
=
Φ
=
n
i
n
1
ψ
34

числа его витков N, силы тока I и его размеров. Произведение N·I называется намагничивающей силой соленоида.
Напряжённость магнитного поля соленоида Н определяется по формуле 6, однако в практике магнитопорошкового контроля чаще используют короткие соленоиды с большим диаметром, чтобы удобно было осматривать детали в приложенном поле. Поэтому при использовании формулы 6 и пренебрегая малой длиной l, можно использовать приближенную формулу для напряженности магнитного поля, формируемого в центре такого соленоида:
d
I
N
H
⋅
=
(9)
Внутри соленоида поле считается достаточно однородным, однако при приближении к его внутренним стенкам оно постепенно увеличивается. Вне соленоида напряженность магнитного поля значительно слабее. Так как при намагничивании в соленоидах контролируемые части детали находятся на оси соленоида, но выходят за пределы его торцов, чтобы оценить напряженность поля на их поверхностях надежнее всего использовать экспериментальную оценку с помощью измерительных приборов (миллитесламетров, магнитометров и т.п.).
Существуют другие способы намагничивания с помощью проводников с током, например, пропусканием тока через проводник, продетый в полую деталь
(рисунок 21).
Рисунок 21 – Намагничивание пропусканием тока по центральному проводнику
35