Измерение коэрцитивной силы сталей

Обновлено: 01.05.2024

Измерение коэрцитивной силы проводят следующим порядком. Прежде всего исследуемый образец вставляют в намагничивающий соленоид и крепко прижимают к полюсам ярма. После этого намагничивающий ток выключают, и обмотку соленоида присоединяют к аккумулятору 12, являющемуся источником размагничивающего тока. [1]

Измерение коэрцитивной силы в замкнутой магнитной цепи связано с известными трудностями, главная из которых заключается в возникновении погрешности от влияния ярма. Кроме того, этот метод является очень трудоемким. [2]

Измерение коэрцитивной силы в разомкнутой цепи ( см. § 3.2) можно выполнить сравнительно просто, а поэтому его широко применяют при массовых испытаниях магнитов. Однако в данном случае измеряют не вНс, а / Яс, что является недостатком метода. [3]

Измерение коэрцитивной силы в разомкнутой цепи можно выполнить сравнительно просто и поэтому широко применяется при массовых испытаниях магнитов. [6]

Измерение коэрцитивной силы Нс в пленках феррит-гранатов методом возбуждения размагниченного образца переменным магнитным полем [15] показало, что образцам с большей коэрцитивной силой соответствует большая полуширина кривых качания. [7]

Для измерения коэрцитивной силы используют коэрцитиметры с приставным электромагнитом. Ранее в течение ряда лет отечественной промышленностью серийно выпускался коэрцитиметр КИФМ-1, включающий приставной электромагнит с феррозондо-вым преобразователем. С 1998 г. МНПО Спектр ( г. Москва) совместно с научно-производственной фирмой Специальные научные разработки приступили к серийному выпуску цифрового полуавтоматического структуроскопа-коэрцитиметра КРМ-ЦК-2, в приставном П - образном электромагните которого использован в качестве магнитного преобразователя датчик Холла. [8]

Для измерения коэрцитивной силы образец помещают в центральную часть соленоида. Обмотка соленоида включается в сеть постоянного тока через реостаты и переключатель направления тока. Образец намагничивается практически до насыщения, затем намагничивающий ток медленно и постепенно уменьшают до нуля ( до возможного минимума), изменяют направление тока и постепенно его увеличивают. Задача заключается в том, чтобы найти такое значение тока ( напряженности размагничивающего поля), при котором намагниченность образца J равнялась бы нулю. [9]

Для измерения коэрцитивной силы Не пленки ( или ее небольшого участка) вдоль легкой оси прикладывается переменное поле 7 / л ( 50 гц), причем легкая ось лежит в плоскости падения. & - После этого находится / / д Не, при котором изменение магнитного момента составляет 50 % от первоначального. [11]

Для измерения коэрцитивной силы сталей на образцах, а также для определения степени корреляции между коэрцитивной силой и физико-механическими свойствами материала контролируемых деталей могут быть применены измерительные коэрцитиметры. Однако они пригодны для измерений на специально изготовленных образцах или деталях относительно простой формы и небольших размеров. Для контроля качества деталей в производственных условиях их не применяют. [13]

Для измерения коэрцитивной силы сталей на образцах, а также для определения степени корреляции между коэрцитивной силой и физико-механическими свойствами материала контролируемых деталей могут быть применены коэрци-тиметры. Однако они пригодны для измерений на специально изготовленных образцах или деталях относительно простой формы п небольших размеров. Для контроля качества деталей в производственных условиях их не применяют. [15]

Определение коэрцитивной силы

Твердые сплавы обладают магнитными свойствами, что объясняется присутствием ферромагнитной составляющей — кобальта.

Напряженность магнитного поля, которая обеспечивает точное размагничивание предварительно намагниченного до насыщения ферромагнитного тела, называется коэрцитивной силой.

Установка для определения величины коэрцитивной силы содержит электромагнит постоянного тока для намагничивания образца и коэрцитиметр для создания магнитного поля.

Коэрцитиметр имеет основание, на котором размещены катушки и вертикальная труба. В трубе проходит тонкая проволока, на конце которой подвешено приспособление для закрепления образца. Материал проволоки немагнитен. Внизу трубы расположено устройство для гашения колебаний проволоки («маятник»), которое представляет собой крыльчатку, погруженную в масло. Положение проволоки контролируется оптической системой (система линз, лампочка). Линзы позволяют фокусировать тень от «маятника» на матовом стекле, где нанесены две вертикальные риски.

Величину коэрцитивной силы определяют следующим образом. Образец из твердого сплава помещают в магнитное поле электромагнита постоянного тока, где он намагничивается. Сила тока равна 6—8 а, время намагничивания — доли секунды. После намагничивания образец переносят на подвеску коэрцитиметра, причем ток в катушке коэрцитиметра отсутствует. Располагать образец твердого сплава надо так, чтобы его поле было направлено навстречу полю, создаваемому катушкой коэрцитиметра.

С помощью винтов устанавливают нулевое положение маятника, которое определяется совмещением отражения маятника на матовом стекле с вертикальными рисками. После этого в катушку коэрцитиметра через автотрансформатор или реостат постепенно подают ток, при этом магнитное поле катушки коэрцитиметра все более возрастает, магнитное поле катушки взаимодействует с полем образца, который отталкивается и вызывает отклонение маятника. С увеличением магнитного поля катушки коэрцитиметра отклонение маятника возрастает, но затем из-за размагничивающего влияния на образец магнитного поля катушки отклонение маятника уменьшается. При достижении полного размагничивания образца маятник занимает нулевое положение.

Коэрцитивную силу Hc определяют по формуле

где А — сила тока, подаваемого в катушку коэрцитиметра, при которой обеспечивается полное размагничивание образца, а;

К — постоянный коэффициент катушки, определенный для каждого коэрцитиметра в отдельности (указывается в паспорте прибора), или иначе — константа прибора.

Для определения величины К необходимо иметь эталонные пластинки, коэрцитивная сила которых известна.

Предварительно намагниченные эталонные пластинки подвешивают на маятнике испытываемого коэрцитиметра и проводят их полное размагничивание, при этом определяют силу тока, необходимую для размагничивания. Силу тока определяют для трех эталонных пластин с разными значениями Hc. Значение К выводят как среднее арифметическое из трех полученных данных.

Коэрцитивную силу измеряют также на полуавтоматических приборах типа ИКС.

Принцип определения коэрцитивной силы на полуавтоматическом коэрцитиметре типа ИКС заключается в измерении градиента магнитного поля, создаваемого намагниченным образцом, помещенным в зоне магнитомодуляционного датчика.

В полуавтоматическом приборе типа ИКС намагничивание происходит в разомкнутой магнитной цепи. Намагничивающее поле неравномерное, импульсное, размагничивающее поле — равномерное.

При установке изделия в измерительную позицию включается цепь намагничивания и образец намагничивается импульсным током в поле соленоида намагничивания. Затем реле времени включает ток в размагничивающий соленоид и изделие размагничивается.

Когда напряженность размагничивающего поля становится равной коэрцитивной силе и градиент в поле датчика имеет минимальную величину, магнито-модуляционный датчик дает сигнал на прекращение размагничивающего тока В этот момент эрстедметр показывает коэрцитивную силу изделия.

Коэрцитиметр позволяет проводить определение в диапазоне 3—300 э с погрешностью измерения в среднем ±1,5%. Точность прибора проверяют с помощью стандартных эталонов с коэрцитивной силой примерно 50, 150, 250 э. На приборе можно определять коэрцитивную силу твердосплавных изделий произвольной формы с содержанием магнитной составляющей (кобальтовой фазы) 3% и выше размером не более 20x20x50 мм и массой 5—200 г. При массе менее 5 г разрешается измерять связку мелких изделий общей массой до 10—15 г.

При испытаниях необходимо соблюдать следующую последовательность.

Перед производством работ магнитный блок устанавливают на расстоянии не менее 200 мм от электронного блока, который заземляют (прибор питается переменным током от стабилизатора напряжения или автотрансформатора с выходным напряжением 220±5 в).

Затем включают и прогревают прибор не менее 10 мин. До начала работ и после нее проверяют исправность прибора по трем эталонным образцам с коэрцитивной силой примерно 50, 150, 250 э. Отклонения от истинных значений эталонных образцов не должны превышать ± 1 э для эталона с минимальной коэрцитивной силой и ±3 э для эталона с максимальной коэрцитивной силой. После подготовки прибора определяют коэрцитивную силу, для чего образец помещают в измерительный контейнер широким основанием в горизонтальной плоскости, большой осью вдоль оси контейнера, вдвигают контейнер в магнитный блок до отказа, т. е. до срабатывания конечного выключателя и удерживают контейнер в этом положении до снятия отсчета по эрстедметру. Когда стрелка остановится, необходимо провести отсчет по эрстедметру. Следующее измерение начинают после того, как загорится лампочка «цикл».

Шкала измерительного прибора градуирована в эрстедах, отсчет по эрстедметру проводится с точностью до 1 э.

Величина коэрцитивной силы служит косвенным показателем зернистости сплава, так как ее значение зависит от размера зерен WC-фазы. Это определяется тем, что при одном и том же содержании кобальта размер участков кобальтовой фазы зависит от величины зерен карбидной фазы. Чем меньше зерно WC-фазы, тем тоньше кобальтовые прослойки и выше коэрцитивная сила сплава, и наоборот.

Величина коэрцитивной силы зависит также и от содержания кобальта. Чем больше кобальта, тем толще кобальтовые прослойки и меньше коэрцитивная сила сплава, поэтому относительная оценка зернистости сплава с помощью коэрцитивной силы представляется возможной только для сплавов с определенным содержанием кобальта.

Значения коэрцитивной силы для нормально спеченных изделий должны быть в пределах, указанных в табл. 39.

В том случае, если коэрцитивная сила будет высокой, это означает занижение температуры при спекании. Изделия могут быть исправлены дополнительным спеканием по подобранному режиму.

В случае значительного недопекания изделий при резком снижении температуры спекания коэрцитивная сила также снижается. В данном случае о нарушении режима спекания можно судить по снижению плотности сплава из-за большого количества пор в нем.

Контроль по плотности и контроль по коэрцитивной силе позволяют характеризовать правильность теплового режима спекания.

Коэрцитиметр: назначение, порядок работы, требования, советы по выбору

Принцип действия коэрцитиметра построен на измерении коэрцитивной силы. Это интегральная характеристика ферромагнитных материалов, по которой можно судить об их ключевых структурно-механических свойствах. Данная физическая величина обозначает напряжённость магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика. Коэрцитивная сила обозначается как Нс, измеряется в ампер/сантиметрах (А/см) и ампер/метрах (А/м). Являясь сильно структурно-чувствительным параметром, она очень многое говорит о твёрдости поверхности исследуемого объекта, напряжённо-деформированном состоянии (НДС), локальных нарушениях структуры и т.д.

На «Дефектоскопист.ру» доступна отдельная статья, посвящённая коэрцитивной силе и основам коэрцитиметрического метода. Сегодня же хотелось бы сосредоточиться на приборах для магнитометрической диагностики. В отличие от тех же магнитопорошковых дефектоскопов, они предназначены не для поиска дефектов (трещин, флокенов и прочих), а для комплексной оценки состояния материала в целом. Полученные результаты позволяют точнее рассчитать остаточный ресурс объекта, и не только его.

Для каких задач применяется коэрцитиметр-структуроскоп

измерять твёрдость;
определять глубину закалки токами высокой частоты;
оценивать качество термической, химико-термической и/или термомеханической обработки;
выявлять места развития напряжений материала и локальные нарушения структуры;
определять марку стали и производить сортировку;
оценивать физический износ и степень деградации материала.

Устройство и принцип работы портативного накладного коэрцитиметра

электронного блока (блока управления), в котором предусмотрены устройства намагничивания и размагничивания, генератор тока, усилитель, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, микропроцессор-контроллер, аккумулятор, разъёмы, клавиатура и дисплей;
приставного преобразователя, в котором есть обмотка намагничивания, обмотка размагничивания и датчик Холла. Принцип действия последнего состоит в том, чтобы зафиксировать электрическое напряжение, возникшее под действием внешнего магнитного поля объекта. Напряжение это пропорционально напряжённости магнитного поля и силе тока. Датчик Холла регистрирует электрические сигналы, которые передаются на блок управления. По этой цифре и рассчитывается напряжённость поля, необходимая для уменьшения магнитного потока до нуля. То есть – значение коэрцитивной силы, которое оператор видит на экране прибора;
сменных полюсных наконечников различных конфигураций для более плотного контакта с поверхностью;
соединительного кабеля для подключения преобразователя к электронному блоку.

2) выбор шкалы измерений. В современных приборах доступны программируемые шкалы, позволяющие отображать результаты измерений в А/см (для коэрцитивной силы), HRC, HCD или HB (для твёрдости). Кроме того, коэрцитиметры могут измерять ток размагничивания I, пропорциональный коэрцитивной силе, и ток размагничивания Ir, пропорциональный релаксационной коэрцитивной силе. Отдельно измеряется напряжение датчика Холла: а) пропорциональное остаточной индукции магнитного поля (U), б) пропорциональное остаточной индукции магнитного поля после размагничивания заданным током (Ui), в) пропорциональное остаточной намагниченности изделия (Um);

4) непосредственно процесс измерения. Преобразователь подносят к объекту, плотно прижимая полюсные наконечники к поверхности. Сгенерированные электронным блоком импульсы тока намагничивания проходят через обмотку электромагнита и намагничивают объект контроля. Затем ток намагничивания отключается, а блок размагничивания постепенно наращивает ток размагничивания. Пропорциональный ему сигнал от измерительной обмотки поступает на аналого-цифровой преобразователь. После обработки в модуле управления значение выводится на дисплей;

Требования к коэрцитиметрам

Этому посвящён раздел 7 стандарта ГОСТ Р 58599-2019. Документ распространяется на стальные конструкции из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и требует, чтобы приборы обладали зазороустойчивостью. Данное свойство указывает на возможность измерять коэрцитивную силу даже при наличии зазора между полюсными наконечниками и поверхностью. Это может быть либо немагнитное покрытие (в СТО 36554501-040-2014 обговаривается его максимально допустимая толщина – 6 мм), либо просто воздушная прослойка. Точные параметры зазороустойчивости зависят от конкретной модификации устройства.

Разумеется, применение коэрцитиметра становится правомерным только после прохождения метрологической поверки. Прибор должен быть внесён в Госреестр СИ и поставляться с копией свидетельства об утверждении типа СИ. Он должен обладать достаточным диапазоном измерений и низкой относительной погрешностью. Более того – к каждому преобразователю должны прилагаться минимум два контрольных образца: один – для проверки нижнего порога диапазона измерений, другой – для верхнего. При этом рабочая глубина контроля преобразователя и глубина промагничивания образца должны совпадать.

Порядок проведения контроля

С точки зрения физических основ проведение контроля при помощи коэрцитиметра представляет собой такую последовательность операций:

1) тщательной зачистки, как правило, не требуется. Разве что удалить окалину, а в остальном – можно спокойно работать при толщине пыли, грязи и защитных покрытий в пределах 3–4 мм. То есть по прибытии на объект дефектоскопист может сразу приступать к разметке поверхности на отдельные участки с шагом примерно 0,5–1 м, используя рулетку (линейку) из набора ВИК;

3) зоны поочерёдно намагничивают до технического насыщения. Делают это в двух взаимно перпендикулярных направлениях – вдоль направления приложения нагрузок и поперёк. Особое внимание уделяется фасонному прокату, гнутым профилям, трубам круглого и квадратного сечения, двутавровым профилям, швеллерам и прочим конструктивным элементам, подверженным эксплуатационной поврежденности. Перечень наиболее нагруженных узлов определяется в результате расчётов и отражается в программе технического диагностирования;

4) оператор фиксирует напряжённость магнитного поля, соответствующую коэрцитивной силе материала. Последняя определяется в ходе стендовых испытаний на растяжение либо экспериментальным путём: нужна серия измерений на контрольных образцах материалов или готовых изделий с эталонным качеством обработки и НДС. Полученные в ходе таких опытов значения сохраняются в специальных справочниках (таблицах) и могут быть продублированы в памяти прибора. Оператор может настроить автоматическую сигнализацию дефекта, указав нижний и верхний порог допустимых значений. Всё, что не укладывается в заданный диапазон, будет расцениваться как повод для перепроверки и отбраковки. На объектах со сложной схемой нагружения всегда ориентируются на большее значение коэрцитивной силы. Если по мере продвижения от одной зоны к другой наблюдается ощутимый рост Нс, то шаг измерения сокращают с упомянутых выше 0,5–1 м вплоть до 1 см – для наибольшей точности замеров;

6) на основании корреляционных связей между коэрцитивной силой, амплитудой сигналов и исследуемыми параметрами происходит количественная оценка последних. Полученные значения сопоставляются со специальными таблицами, которые были составлены по итогам механических испытаний и содержатся в ведомственной документации. В каждой отрасли, для каждого сплава – свои значения коэрцитивной силы, при которых можно утверждать о переходе сооружения в неработоспособное, предаварийное или аварийное состояние. При этом: стендовые механические испытания и реальные условия эксплуатации – всё же разные вещи. Поэтому коэрцитиметр позволяет выявлять проблемные зоны даже на тех элементах, которые согласно проекту и инженерным расчётам должны иметь большой запас прочности. Как говорится, должны, но не обязаны: нельзя исключать ошибки в проектировании, нарушение технологии изготовление, правил монтажа, заводской брак материалов и пр. В этом и есть одно из сильных качеств коэрцитиметрии, которая является, по сути, интегральным методом и оценивает текущее состояние металла как следствие всего многообразия внешних и внутренних факторов;

7) заполнение протокола (акта/заключения/отчёта) по результатам измерений. В нём указываются наименование конструктивного элемента (место измерений), расположение в осях, марку стали, значения коэрцитивной силы, измеренные вдоль и поперек приложения нагрузки. Здесь же дефектоскопист может изложить свои примечания. И, конечно же, в каждом протоколе должны быть сведения о наименовании и местонахождении объекта, используемых СИ. Плюс специалист, проводивший контроль, указывает свои ФИО.

Если значение коэрцитивной силы приближается к критической отметке, сооружение могут отнести к разряду «ограниченно работоспособных». В этом случае необходимо назначить дополнительные проверки другими видами неразрушающего контроля и запланировать повторные обследования коэрцитиметрическим методом. Периодичность – от 3 до 6 месяцев.

Как выбрать коэрцитиметр

Тип прибора. Он может быть накладным либо проходным. Наибольшее распространение получили накладные модификации, так как проходные не годятся для обследования строительных конструкций и подходят больше для трубопроводов и прочих полых объектов. Для намагничивания обычно используют приставные электромагниты либо – реже – соленоиды. Первый вариант предпочтителен тем, что позволяет контролировать крупногабаритные объекты, при одностороннем доступе, на криволинейных поверхностях. А главное – приставные электромагниты обеспечивают локальность измерений, поскольку позволяют определять коэрцитивную силу в разных точках. Коэрцитиметр такого типа – знаменитый КИФМ – был создан в 1938 году в Уральском отделении РАН. Хотя справедливости ради стоит сказать, что исторически самые первые коэрцитиметры работали именно с соленоидами. Сегодня же они используются преимущественно в цеховых условиях для контроля небольших деталей.
Диапазон измерения коэрцитивной силы и дискретность (точность) показаний. Нужно смотреть руководящую документацию на контроль и учесть проектную документацию на объект (прежде всего, сортамент материалов). Согласно ГОСТ Р 58599-2019, например, диапазон должен составлять 1–60 А/см, а погрешность не должна превышать 5%.
Наличие свидетельства об утверждении типа СИ. Прибор должен быть внесён в Госреестр СИ. Аттестованная лаборатория обязана следить за своевременным метрологическим обслуживанием (поверкой) устройства, иначе полученные с его помощью результаты (и оформленные на их основе заключения) не будут считаться достоверными. По крайней мере, на объектах, на которые распространяется закон №102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений". Всё как с остальным оборудованием неразрушающего контроля.
Параметры намагничивания и размагничивания: количество импульсов, сила тока, напряжённость, продолжительность и пр.
Удобство работы со шкалами, сохранения и обработки результатов контроля. Чтобы не запутаться в данных, полученных с разных объектов, понадобится возможность группировать файлы, перемещать их, редактировать название, добавлять к ним комментарий и пр. Нормой для современных устройств уже давно считается наличие разъёмов для передачи данных на ПК. К большинству моделей даже прилагается специализированное ПО для инсталляции на десктопе и более комфортной работы с результатами магнитометрической диагностики.
Зазороустойчивость – возможность проведения контроля даже при наличии немагнитного покрытия или воздушной прослойки с автоматической отстройкой (компенсацией) показаний. Кроме того, самому преобразователю может быть свойственна остаточная намагниченность. Если она превышает допустимый уровень, коэрцитиметр должен уметь это учитывать и автоматически корректировать показания.
Доступные габариты исследуемых объектов. Коэрцитиметрический метод, в целом, не особо чувствителен к геометрии изделий, однако производительность прибора должна соответствовать объёмам контроля. Для сложных поверхностей понадобятся дополнительные полюсные наконечники.
Доступная номенклатура преобразователей. И в первую очередь – их глубина промагничивания. У одних датчиков она строго зафиксирована, у других – доступна возможность плавной настройки. Для стандартных задач коэрцитиметрии может хватить глубины промагничивания 6–7 мм, хотя в продаже есть приборы и преобразователи, у которых этот показатель достигает 12 мм и более.
Возможность использовать сменные наконечники (их конфигурация, размеры, расстояние между полюсами). Одно дело – ровные поверхности, совсем другое – изделия цилиндрической формы с определённым радиусом кривизны.
Портативность. Малый вес (оптимально – не более 3 кг). Коэрцитиметр должен быть удобным для работы на высоте, в полевых условиях, на промышленных площадках, где доступ к зонам контроля часто затруднён. Ещё требование в контексте портативности – автономное питание. Аккумулятор должен иметь достаточную ёмкость, чтобы обеспечивать работу без подзарядки в течение 8 часов, не меньше.

Где купить коэрцитиметр-структуроскоп

Из партнёров форума «Дефектоскопист.ру» разработкой и производством таких приборов занимаются два предприятия.

Коэрцитивная сила – ключевой показатель напряжённо-деформированного состояния металла

Коэрцитивная сила (Нс) – один из самых информативных параметров в неразрушающем контроле и технической диагностике несущих металлоконструкций. В физическом смысле она обозначает напряжённость внешнего магнитного поля, при которой намагниченность в материале, предварительно намагниченном до насыщения, становится равной нулю. Другими словами, величина равна напряжению магнитного поля, достаточному для того, чтобы изменить магнитную индукцию – от остаточных значений до нуля. Измеряется специальными приборами – коэрцитиметрами – в ампер/сантиметрах (А/см) и ампер/метрах (А/м).

толщины металла;
размера зерна;
структурных неоднородностей;
термомеханической обработки, которой подвергся прокат на этапе изготовления;
легирующих добавок в составе и пр.

Что это даёт на практике

Коэрцитивная сила – очень важная характеристика для оценки текущего состояния металлоконструкций и изделий, предварительно подвергнутых термомеханической обработке, после которой в материале остаётся множество микроповреждений и напряжений. В дальнейшем ситуация усугубляется механическими нагрузками, коррозионными процессами, климатическими факторами. Дополнительно влияет собственный вес конструкции, цикличность внешних воздействий, вибрация и т.д. Степень усталости и так называемый уровень деградации металла возрастают. Остаточный ресурс сооружения – наоборот, уменьшается.

Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации и избежать аварий, нужно «держать руку на пульсе». А именно – периодически проверять напряжённо-деформированное состояние металла. Мониторинг деградации материалов позволяет точнее спрогнозировать фактический срок службы конструкции. Из всех видов неразрушающего контроля для такой диагностики лучше всего годится метод магнитный коэрцитиметрический (ММК). Это одно из ответвлений магнитной дефектоскопии, которое базируется на том, что коэрцитивная сила находится в корреляционной зависимости от механических свойств металла. У низколегированных и углеродистых сталей, например, под действием усталостного напряжения она может увеличиваться в 3–4 раза по мере эксплуатации.

Всё начинается с механических испытаний образцов ферромагнетика, из которого изготовлен объект контроля. Образец растягивают на специальном стенде (разрывной машине) со ступенчатым нагружением вплоть до полного разрушения. Параллельно с увеличением напряжённого состояния металла измеряют его коэрцитивную силу. В результате испытаний на растяжение составляется диаграмма «нагружение–коэрцитивная сила», на которой отчётливо видно, как последняя увеличивается в 2–4 раза по мере зарождения и развития микроповреждений. Другими словами, Нс определяется экспериментально, и конечно же, для большинства типовых сплавов (магнитотвёрдых и магнитомягких) уже давно составлены таблицы с базовыми значениями.
В процессе эксплуатации сооружения периодически проводятся обследования при помощи коэрцитиметров.
Полученные в ходе измерений значения коэрцитивной силы сравниваются с исходными (начальными) данными. После проведения контроля коэрцитиметрическим методом у оператора в распоряжении минимум 3 цифры: начальное значение, текущее и конечное (при котором материал полностью деградирует и разрушается). Сопоставляя их между собой и ориентируясь на фактическое состояние металла (коэрцитивную силу в данный конкретный момент времени), специалист рассчитывает остаточный ресурс конструкции.
В зависимости от того, как близок материал к критическому состоянию, несовместимому с безопасной эксплуатацией, принимается решение о дальнейшей наблюдении, или локальном ремонте, или реконструкции объекта.

Для каких задач технической диагностики нужно измерять коэрцитивную силу

проверять механические свойства металлов, прежде всего – их прочность и пластичность, с которыми у Нс существует надёжная корреляционная связь;
рассортировывать стали по маркам (у каждого сплава – своё содержание углерода, влияющее на значение Нс);
определять качество отжига, закалки, последующего отпуска и других видов низкотемпературной (в пределах 100–300 ˚С) термообработки из легированных, средне- и высокоуглеродистых сталей. Не случайно измерение коэрцитивной силы часто практикуют при расследовании пожаров: чем выше её значение, тем дольше металл был в огне и, следовательно, тем ближе объект находился к эпицентру возгорания;
измерять глубину и твёрдость упрочнённых слоёв (для проникновения магнитного потока в поверхностный слой и «сердцевину» материала применяются сменные сердечники разной площади);
контролировать напряжённо-деформированное состояние ответственных сооружений – пролётов мостов, перекрытий, стрел подъёмных механизмов и прочих критически важных, несущих конструкций;
оценивать физический износ конструкций, проектировать их усиление, реконструкцию и т.д.

При чём тут магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис – явление, при котором векторы намагниченности и напряжённости магнитного поля определяются не только приложенным внешним полем, но и предысторией объекта. Одно из необходимых условий – достижение точки насыщения. Так, если пустить ток на электромагнитную катушку с высокой напряжённостью поля и дождаться, когда магнитный поток достигнет максимальной плотности, а затем отключить ток намагничивания, – то поток не исчезнет на 100%. Причина этого кроется в «памяти» ферромагнитного сердечника на молекулярном уровне. Материалы, которым свойственна высокая удельная удерживаемость, относятся к категории магнитотвёрдых (типичный пример – любой постоянный магнит). У других остаточный магнетизм выражен не так сильно – это магнитомягкие материалы, и из них получаются отличные электромагниты. Коэрцитивная сила как раз и обозначает то, какой должна быть отрицательная напряжённость магнитного поля, чтобы уменьшить остаточную плотность потока.

ось B – обозначает плотность магнитного потока;
ось Н – обозначает напряжённость магнитного потока. Предположим, мы берём сердечник, у которого B и Н равны нулю, и подаём ток намагничивания. Плотность и напряжённость будут расти (путь от точки f до точки a), но не до бесконечности, а до определённого уровня. Это и есть то самое насыщение, о котором мы говорили выше;
далее – когда мы отключаем ток, магнитное поле сводится к нулю (путь от точки a до точки b), однако в силу магнитного гистерезиса и остаточного магнетизма с магнитным потоком этого не произойдёт, и он задержится на определённом уровне (точка b);
для уменьшения магнитного потока до нуля нужно обратить ток, протекающий в катушке, в обратном направлении. Коэрцитивная сила – это и есть необходимая для этого сила намагничивания, достаточная для того, чтобы обнулить остаточную плотность потока, пока он не достигнет точки с на графике;
если продолжить увеличивать обратный ток, то сердечник будет намагничиваться уже в обратном направлении, пока не достигнет насыщения (точка d, симметричная точки a);
соответственно, если отключить ток, то магнитное поле уменьшится до нуля, а вот намагниченность – снова задержится на определённом уровне, но в отрицательном диапазоне (точка e, симметричная точке b);
если постоянно чередовать ток с положительным и отрицательным значениями, то кривая будет вновь и вновь проходить «по маршруту» между точками a, b, с, d, e, f и опять возвращаться в точку a. Эта траектория и образует магнитную петлю гистерезиса.

Преимущества коэрцитиметрии

Полнота и достоверность практической информации о фактическом состоянии металла. Классическая дефектоскопия позволяет лишь косвенно судить об этом (и направлена, в сущности, на обнаружение причин разрушений), в то время как коэрцитиметрический метод направлен непосредственно на оценку усталости и напряжённости, к которым привели развивающиеся микроповреждения.
Практически полное отсутствие помех. В наших статьях, посвящённых ультразвуковым, вихретоковым и магнитным дефектоскопам, то и дело упоминается соотношение сигнал-шум. У коэрцитиметров этого нет. Для их использования не нужно тщательно зачищать поверхность, удалять немагнитное покрытие (по крайней мере, если его толщина не превышает 5–6 мм), наносить контактную жидкость. В процессе измерения коэрцитивной силы регистрируются усталостные изменения в металле, и ничего более.
Сокращение затрат на другие виды диагностики и неразрушающего контроля. Его проведение становится целесообразным только тогда, когда усталостная микроповреждённость достигла некоего критического уровня (у каждого сплава он свой). До этого момента правильнее говорить не о дефектах, а о концентрациях напряжений. Периодический мониторинг коэрцитивной силы позволяет выявлять проблемные зоны, сходу получая общее представление о текущем состоянии сооружения и избавляя от лишних затрат на другие виды НК.
Выявить зоны-концентраторы гораздо проще, чем возникающие в них усталостные дефекты. Усталостные зоны располагаются логично, в соответствии с распределением нагрузок. Дефекты же могут возникнуть неожиданно в самом, казалось бы, неочевидном месте.
Коэрцитивная сила – исчисляемое в «осязаемых» физических величинах, количественное и качественное выражение таких абстрактных, на первый взгляд, характеристик, как усталость и ресурс. Это простой, наглядный и выраженный в конкретных цифрах критерий, благодаря которому результаты технической диагностики получаются более понятными, объективными и обоснованными.
Возможность применения коэрцитиметрического метода на любом этапе «жизненного цикла» сооружения. Начиная от изготовления конструктивных деталей и монтажа и заканчивая текущей эксплуатацией и реконструкцией. Это открывает возможности для статистической обработки результатов, построения наглядных графиков, диаграмм и пр. Так, на основе значений коэрцитивной силы отдельных зон и конструктивных элементов можно вывести интегральную численную характеристику сооружения в целом и планировать стратегию дальнейшей эксплуатации.

Коэрцитиметрия, конечно, не способна заменить всего многообразия видов НК, но она многократно повышает эффективность их применения. Сама идея коэрцитиметрического метода, его «философия» предполагает отношение к металлу как к живой, подвижной, развивающейся системе. Объект контроля предстаёт здесь как динамичный «организм», и это абсолютно верно, поскольку меняется всё, от внешних сред до внутренних, структурных процессов. В этом плане к коэрцитиметрии «близок по духу» разве что акустико-эмиссионный контроль, суть которого сводится к тому, чтобы «услышать» образование и развитие дефектов в процессе нагружения.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Читайте также: