СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК G01R33/18 G01R33/12 

Изобретение относится к измерительной технике. Оно может быть использовано для испытания материалов, определения их достоверных свойств, например магнитострикции в упругой области деформации.

Под магнитострикцией понимают изменение деформации тела при его намагничивании.

Известен способ определения ММ [1], который заключается в том, что измеряют относительное изменение размера образца после его намагничивания. Недостатком его является большая погрешность, что присуще измерению размеров и особенно ощутимо для материалов с малой магнитострикцией и малой длиной образца.

Известен также способ определения ММ [2], основанный на использовании проволочных датчиков. На образец наклеивается проволочка, включенная в одно из плеч измерительного моста. Изменение ее длины и электрического сопротивления при магнитострикционном изменении размеров образца с высокой точностью фиксируется электроизмерительным прибором. Здесь измерение линейных размеров заменено измерением физических свойств материала. Однако величина, знак и зависимость магнитострикции от напряженности поля зависит от структуры материала (примесей, холодной и термической обработки), которая до сих пор не учитывалась, что вызывает значительное рассеивание ММ.

На магнитострикцию материалов оказывают влияние напряжения. Внутренние и температурные напряжения резко изменяют ММ и практически дают непредсказуемые результаты, т.е. воспроизводимость отсутствует. Под воздействием напряжений происходит деформация кристаллической решетки, изменяется ее энергетическое состояние, что приводит к изменению равновесных расстояний между микрочастицами. В результате атомы смещаются, тело деформируется.

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения ММ.

Поставленная цель достигается тем, что:
1. Изготовляют одинаковые эталонный образец из материала с известной магнитострикцией и образец из контролируемого материала резанием при чистовом, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия процесса резания по прекращению приращения частоты продольных собственных колебаний, стабилизируют их до полного удаления пластических внутренних напряжений, контролируют стабильность образцов по прекращению приращения контролируемого параметра - частоты собственных колебаний, возбуждают собственные колебания в свободном состоянии при нормальных условиях и постоянной амплитуде входного напряжения, измеряют величину индуцируемого напряжения при воспроизводимой частоте собственных колебаний, а магнитострикцию контролируемого материала определяют из уравнения (1)

где
λ₀,λ - магнитострикция соответственно эталонного и контролируемого материалов;
U_овых, U_вых - индуцируемое напряжение соответственно образцов из эталонного и контролируемого материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что материал образцов отбирают по равенству пределов текучести при растяжении и сжатии.

На фиг. 1, а изображена простейшая блок-схема для определения частот собственных колебаний заготовок материала в свободном состоянии, где 1 - генератор сигналов; 2 - электронно-счетный частотометр; 3 - образец; 4 - вольтметр.

На фиг. 1, б изображено намагничивание образца.

На фиг. 2 изображена зависимость относительной деформации от напряженности магнитного поля при наличии в теле внутренних (ВН) и температурных (ТН) напряжений для стабильного образца из сплава 36% Ni, 64% Fe.

Для значительного уменьшения погрешности магнитострикции необходимо ограничить дефекты структуры в материале и вызванные ими избыточные силы и ВН.

Ограничение или исключение образования измененного поверхностного слоя и ВН осуществляется чистовой обработкой материала, параметры режима которой подбирают по прекращению приращения частоты собственных продольных колебаний образца. При этом происходит взаимная компенсация силового и температурного воздействия обработки.

Для стабилизации контролируемого материала, т.е. удаления пластических ВН, подбирают опытным путем, например, температуру нагрева, обеспечивающую полную релаксацию ВН. Определяется температура нагрева при определенном времени выдержки, которое задается. При этом прекращается изменение частоты собственных колебаний образца, которая используется в качестве контролируемого параметра.

Любая нагрузка на контролируемый материал вызывает его деформацию и изменение магнитострикции.

Используем полное удаление внешней силовой нагрузки, что реализуем путем испытаний свободного образца фиг. 1. Внутреннюю нагрузку, например, ВН ограничиваем путем их взаимной компенсации температурными напряжениями или их ограничением. При равенстве пределов текучести при растяжении и сжатии ВН равны нулю.

Так как в линейной системе индуцируемая ЭДС пропорциональна магнитострикционной деформации образца, то магнитострикция контролируемого материала пропорциональна выходному напряжению (2)

откуда

где
- магнитострикция контролируемого материала,
λ₀ - магнитострикция эталона,
U_вых, U_овых - индуцируемое выходное напряжение соответственно образца из контролируемого материала и образца эталона при входном напряжении U_вх= const.

Пример. Измерена магнитострикция ферромагнитных материалов на образцах Ф6/100 мм, стабилизированных отжигом, после удаления измененного поверхностного слоя. В качестве эталона использован образец из никеля с магнитострикцией при нормальной температуре
λ₀= 42,6•10^-6.
Входная и выходная катушки намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0,15 мм, число витков входной П_вх=700 шт, выходной П_вых=1900 шт.

Использован генератор типа Г3-33, ламповый вольтметр В3-13, электронно-счетный частотомер Ч3-35. Результаты измерений индуктируемых напряжений и расчета магнитострикции при индуктируемых напряжений и расчета магнитострикции при U_вх=2b=const сведены в таблицу.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
а - повышение точности определения ММ;
б - уменьшение трудоемкости определения ММи

Способ определения магнитострикции материала относится к измерительной технике и может быть использован для испытания материалов в свободном состоянии и в упругой области деформирования. Точность определения магнитострикции достигается упорядочением структуры контролируемого материала путем удаления измененного поверхностного слоя образца и пластических и упругих внутренних напряжений. Используется также количественная связь линейных размеров образца и физических свойств при резонансе
λ = λ₀•U_вых/U_0вых,
где λ - магнитострикция контролируемого материала; λ₀ - магнитострикция эталонного материала; U_вых - индуцируемое напряжение образца из контролируемого материала; U_овых - индуцируемое напряжение эталона. Ограничение рассеивания магнитострикции, вызванного температурным воздействием, достигается за счет компенсации температурных напряжений внутренними, например, при нормальных условиях. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения магнитострикции материала, включающий намагничивание образца, отличающийся тем, что изготовляют одинаковые эталонный образец из материала с известной магнитострикцией и образец из контролируемого материала резанием в чистовом режиме, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействий процесса резания, стабилизируют их до полного удаления пластических внутренних напряжений, контролируют стабильность образцов по прекращению приращения контролируемого параметра - частоты собственных колебаний, измеряют на каждом образце величину индуцируемого напряжения при воспроизводимой частоте собственных колебаний, а магнитострикцию контролируемого материала определяют из уравнения

где λ, λ₀ - магнитострикция образца соответственно из контролируемого и эталонного материалов;
U_в ы х, U_{0 в ы х} - индуцируемое напряжение образца соответственно из контролируемого и эталонного материалов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал образцов отбирают по равенству пределов текучести при растяжении и сжатии.