СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ФЕРРИТОВЫХ ИЗДЕЛИЯХ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/80 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения упругих напряжений в ферритовых изделиях.

Качество ферритовых изделий оценивают по значениям их физико-механических параметров. Одним из важных параметров является величина упругих напряжений. Так как ферриты относятся к магнитным материалам, то к ним применимы способы контроля физико-механических параметров, разработанные для ферромагнитных изделий.

Известен способ контроля качества ферромагнитных изделий (а.с. СССР 1698730), в котором о качестве изделия судят по величине вспомогательного параметра, который определяется через измеряемые по результатам намагничивания изделия величину индукции и величину остаточной индукции изделия. Недостатком способа является неопределенность связи вспомогательного параметра с дефектностью материала изделия.

Известен также способ неразрушающего контроля физико-механических параметров ферромагнитных изделий (а. с. СССР 1580237), в котором о качестве ферромагнитных изделий судят по результатам контроля их физико-механических параметров. В процессе измерения изделие намагничивают в двух направлениях до насыщения, в качестве одного из направлений выбирают направление роста кристаллов заготовки, измеряют параметр остаточного магнитного поля в этих направлениях и по соотношению измеренных значений параметра судят о физико-механических параметрах изделий. Недостатком способа является проведение измерений в сильных магнитных полях, в результате чего сужается спектр дефектов, которые влияют на процесс намагничивания изделий.

Известен способ определения упругих напряжений в изделиях методом рентгеноструктурного анализа (Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М., Металлургия, 1970).

Недостатком способа являются его локальность и невысокая чувствительность к малым упругим напряжениям. Информация во время измерений снимается с приповерхностной тонкой области (порядка единиц микрон) изделия. Так как очень часто изделие обладает некоторой неоднородностью физико-механических параметров по глубине, ошибка в определении усредненной величины упругих напряжений для изделия в целом может быть значительной.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ (Вонсовский С.В. , Магнетизм. М., Наука. 1971, с. 837) контроля упругих напряжений в ферромагнитных изделиях. Согласно способу изделие намагничивают, измеряют величину начальной магнитной проницаемости μ_н, намагниченность I_s и магнитоскрипцию λ_s. О величине упругих напряжений в изделии судят по величине среднего значения обратной величины амплитуды внутренних напряжений в поликристаллическом материале которая находится из аналитического выражения:

где α - численный фактор порядка единицы.

Недостатком данного способа является применимость только к материалам с сильными внутренними напряжениями.

Задачей изобретения является повышение достоверности контроля упругих напряжений в ферритовых изделиях.

Решение данной задачи предлагается осуществлять способом определения упругих напряжений в ферритовых изделиях, заключающемся в том, что изделие нагревают до температуры Кюри, намагничивают, определяют величину начальной магнитной проницаемости μ_н, прекращают нагрев, по мере естественного охлаждения изделия определяют μ_н для различных температур, строят график температурной зависимости μ_н, определяют значения параметров аппроксимации α и β по результатам аппроксимации данной зависимости аналитическим выражением:

где Т - температура изделия, К;
Т_с - температура Кюри, К;
δ, γ, g - численные коэффициенты, характеризующие процессы намагничивания материала изделия,
вычисляют отношение β/α, которое характеризует величину упругих напряжений, сравнивают определенную таким образом величину с аналогичными величинами для эталонных образцов, по результатам сравнения определяют величину упругих напряжений в контролируемом изделии.

Новым является введение операции нагрева изделия, построение температурной зависимости μ_н.
Идеология способа основывается на установлении взаимосвязи дефектности поликристаллических ферритов с температурной зависимостью начальной магнитной проницаемости.

Начальная магнитная проницаемость μ_н относится к наиболее структурно-чувствительным магнитным характеристикам ферритовых материалов благодаря чрезвычайно малым напряженностям магнитных полей, обусловливающих перестройку доменной структуры в процессе намагничивания. Из-за малой напряженности магнитного поля сила давления на доменную границу также мала, и поэтому максимальное число и наиболее широкая номенклатура дефектов участвуют в формировании сил сопротивления изгибу и смещению стенок доменов. Так, например, при малых полях может заметно возрасти роль включений, диаметр которых значительно меньше толщины доменной границы. Более значимым может оказаться вклад локальных микродеформаций и т.д.

Опыт использования других структурно-чувствительных характеристик для изучения химической неоднородности ферритовых материалов (истинная теплоемкость, спонтанная намагниченность, начальная восприимчивость парапроцесса и др. ) показал, что количественные сравнения гомогенности материалов возможны при вариации температуры измерения исследуемых характеристик (как правило, в окрестности точки Кюри) и при наличии аналитических выражений, описывающих эти температурные зависимости (Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.И. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979).

В этом случае аппроксимация экспериментальных зависимостей позволяет определить некоторые подгоночные параметры, а последующее сравнение параметров исследуемого материала с параметрами эталонного (с заведомо минимальными флуктуациями химического состава) легко выявляет различие в химической гомогенности ферритов. Следует отметить, что указанные методы регистрируют также флуктуации состава ферритов, которые недоступны даже микрорентгеноспектральному анализу (Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.И. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979).

Ниже приведен вывод феноменологического выражения для температурного хода μ_н(T), рассмотрена интерпретация его параметров, осуществлена экспериментальная апробация метода.

Аналитическое описание температурного хода НМП может быть получено следующим образом. Согласно классической теории магнетизма (Вонсовский С.В. Магнетизм. М. : Наука, 1979, Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. М.: Мир, 1976. Т.II, Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений, М. , Изд-во Моск. ун-та, 1976, 367 с.) процессы намагничивания в общем случае осуществляются за счет упругого и неупругого смещения доменных границ, а также за счет поворотов векторов намагниченности относительно кристаллографических осей. Соотношение удельных вкладов процессов вращения и процессов смещения может быть неодинаковым для различных материалов. В общем случае можно считать доказанным, что в магнитомягких материалах роль процессов вращения невелика (Ранкис Г.Ж. Динамика намагничивания поликристаллических ферритов. Рига, "Зинанте", 1981, 185 с.), и поэтому при аналитическом описании температурного хода НМП с достаточной точностью можно ограничиться какой-либо моделью смещения доменных границ. Однако в ряде случаев и в магнитомягких материалах могут превалировать процессы вращения. Такая ситуация реализуется, например, в достаточно сильных магнитных полях, когда в основном закончены процессы смещения ДГ; в малых однодоменных частицах, размер которых настолько мал, что становится энергетически невыгодным образование ДГ; при наложении поля вдоль оси трудного намагничивания в одноосных кристаллах и т.д.

Для большинства моделей, описывающих процессы намагничивания, связь между начальной магнитной проницаемостью μ_н и фундаментальными характеристиками материала можно представить в виде (Ранкис Г.Ж. Динамика намагничивания поликристаллических ферритов. Рига, "Зинанте", 1981, 185 с.):

где M_s - намагниченность насыщения;
К - эффективная магнитная проницаемость;
r и g - численные коэффициенты, значения которых определяются в соответствии выбранной модели.

Эффективная магнитная проницаемость может быть записана в виде (Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: И.Л., 1962, Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. М.: Мир, 1976. Т.II):
K = K₁+λ_sσ,
где K₁ - кристаллографическая магнитная анизотропия;
λ_s - константа магнитострикции;
σ - величина упругих напряжений.

Таким образом, температурный ход НМП будет определяться температурными зависимостями M_s(T), K₁(T), λ_s(T) и σ(T). Для многих ферритов было установлено, что упругие константы С₁₁ и С₁₂ слабо зависят от температуры (Alten W. J. , Berlow A.J. Temperature dependence of the elastic constans of yttrium iron garnet. / J. Appl. Phys., 1967, vol. 38, N 7, p. 3023-3024. Теханович Н.П., Мазовко А.В. Температурная зависимость модуля Юнга никель-цинковых ферритов в постоянном магнитном поле. / В кн.: Структура и свойства ферритов. Минск, Наука и техника, 1974, с.154-156), следовательно, в относительно ограниченном интервале температур измерения НМП можно принять, что модуль Юнга Е(Т)~const. Поэтому также можно принять, что δ(T)~const.
Температурные зависимости констант К₁ и λ_s наиболее просто получить, используя известные соотношения между этими константами и намагниченностью насыщения M_s (Особенности дефектного состояния радиационно-термически спеченных керамических ферритов. / А.М. Притулов, И.В. Никифоренко, А.П. Суржиков // 9-я Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-9. Тез. докладов. Томск, 1996, с.328. Разработка научных основ радиационно-термического процесса спекания порошковых неорганических материалов. / А.П. Суржиков, А.М. Притулов, И.В. Никифоренко, Т.С. Полякова //Российская межвузовская научно-техническая конференция "Фундаментальные проблемы металлургии". Тезисы докладов. Екатеринбург, 1996 г., с.47. Особенности дефектного состояния керамических ферритов, спеченных в условиях облучения электронным пучком. / И.В. Никифоренко, Т.С, Полякова, Л.Ю. Погорелов// 2-ая Областная научно-практическая конференция молодежи и студентов "Современные техника и технологии". Тезисы докладов. Томск, 1996 г., с. 93). В общем случае эти соотношения можно представить в виде (Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: И.Л., 1962, Туров Е.А. Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов. М.: Изд-во АН СССР, 1963, 224 с.):


где K₁(0) - значение кристаллографической магнитной анизотропии при 0 К;
λ_s(0) - значение константы магнитострикции при 0 К;
M_s(0) - значение намагниченности насыщения при 0 К;
m, n - параметры, характеризующие взаимосвязь между константами кристаллографической анизотропии и магнитострикции с намагниченностью насыщения.

Согласно классической теории Зинера К₁ ~ M_s ³. Из теории Ван Флека следует менее сильная зависимость K₁ от температуры. Однако экспериментальные данные лучше согласуются с теорией Зинера (для Ni К₁ ~ M_s ²⁰, для Fe К₁ ~ M_s ¹⁰). При одинаковом функциональном сходстве зависимость λ_s от температуры выражена значительно слабее (Смит Я., Вейн X. Ферриты. M.: И.Л., 1962). В частности, для Ni λ_s~M2s

. Исходя из этих данных можно принять, что n < m.

Температурная зависимость намагниченности насыщения M_s для ферримагнетиков является сложной функцией и по теории Нееля определяется через суперпозицию функций Бриллюэна (Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. M.: Мир, 1976. Т.II). Конкретный вид зависимости M_s(T) существенно зависит от соотношения обменных взаимодействий внутри подрешеток А и В и межподрешеточного взаимодействия АВ. В то же время следует отметить, что для всех простых ферритов со структурой шпинели, а также для многих твердых растворов ферритов характерны температурные зависимости намагниченности типа Q и R (Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1979). Эти зависимости подобны температурным зависимостям для ферромагнетиков, но отличаются различной степенью выпуклости кривых (зависящей от соотношения молекулярных полей подрешеток А и В). Действительно, разложение функций Бриллюэна в ряд вблизи температуры Кюри приводит к выражению (Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1979, Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М., Изд-во Моск. ун-та, 1976, 367 с.):

Этому выражению можно придать более общий смысл, если рассматривать его как полином, с помощью которого аппроксимируют экспериментальные зависимости M_s(T). Для этого заменяем степень 1/2 обобщенным показателем f. В этом случае параметр f приобретает химическую и структурную чувствительность, отмеченную в ряде литературных источников (Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1979, Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.И. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979). Экспериментальные значения показателя степени f изменяются в пределах 0.33-1.96 (Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1979). Для химически гомогенных материалов f стремится к степени 1/2 (Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.И. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979).

Таким образом принимаем

Подставляя (2) в выражения для K₁(M_s) и λ_s(M_s) и произведя соответствующие подстановки в (1), получим зависимость μ_н(T) как явную функцию от температуры (Взаимосвязь температурного хода начальной магнитной проницаемости с однородностью ферритовых материалов. / Притулов А.М., Суржиков А.П., Никифоренко И.В., Мойзес Б.Б. //Перспективные материалы, 1998, 2, с.62):

В выражении (3) коэффициенты α,β,γ и δ определяются соотношениями

δ = (r-n)f, γ = (m-n)f.
При положительных значениях δ и γ функция (3) описывает асимметричную пикообразную кривую, характерную для типичных зависимостей μ_н(T). Дифференцируя (3) легко показать, что положение максимума кривой μ_н(T) и его величина определяются соотношениями


Из этих уравнений видно, что при постоянных коэффициентах δ и γ, а также при совпадении знаков кристаллической анизотропии и магнитострикции (знаки α и β ) и выполнении неравенства δ/γ<1 ширина пика зависимости μ_н(T) будет возрастать при увеличении отношения β/α, а его интенсивность будет понижаться.

При условии неизменности механизма намагничивания (коэффициент r) и постоянства функциональной связи между К₁, λ_s и M_s (коэффициенты m и n) параметры δ и γ пропорциональны друг другу, т.е. γ/δ = (m-n)/(r-n) = const. В этом случае независимыми подгоночными параметрами в (5) являются δ (или γ), α и β. Если какое-либо из условий r=const, m=const, n=const не выполняется, то подгоночными будут параметры δ,γ,α,β. Показатель g задается согласно выбранному механизму намагничивания. Так, например, для модели вращения магнитных моментов (случай однодоменных частиц) g=1 (Ранкис Г.Ж. Динамика намагничивания поликристаллических ферритов. Рига, "Зинанте", 1981, 185 с. ). Для модели сферического изгиба 180^o доменных стенок, закрепленных на границах зерен, и других дефектах структуры g=2, при цилиндрическом изгибе доменных стенок (модель Керстена) g=0,5 и т.д.

Из числа подгоночных параметров наиболее ясную физическую интерпретацию имеют параметры α и β, их величина обратно пропорциональна намагниченности насыщения при 0 К в степени r, что обусловливает чувствительность этих параметров к катионному распределению, диамагнитным замещениям, введению в решетку феррита катионов с отличными от ионов Fe³⁺ спиновыми моментами. В силу одинаковой природы механизмов кристаллографической анизотропии и магнитострикции (Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: И.Л., 1962) примеси с иной энергией спин-орбитального взаимодействия либо дефекты, искажающие локальную симметрию внутрикристаллических полей (влияние на эффект замораживания орбитальных моментов), вызовут коррелированное изменение констант K₁ и λ_s, что проявится в пропорциональном изменении коэффициентов α и β. При условии постоянства среднего уровня упругих напряжений σ перечисленные выше причины приводят к пропорциональному изменению параметров α и β(β/α = const) с соответствующим изменением формы кривой μ_н(T). Если же какой-либо обработкой образца изменить в нем содержание немагнитных фазовых включений, пор, микротрещин и т. п. , то величина σ не останется постоянной, поскольку все виды включений являются источниками полей упругих напряжений. Поэтому отношение β/α ~ σ в этом случае также не будет постоянной величиной. Учитывая взаимосвязь σ с содержанием инородных включений можно предложить в качестве интегральной меры гомогенности ферритов величину отношения параметров β/α. Существенно, что поскольку при измерении μ_{н =} сигнал формируется всем объемом образца, то отношение β/α будет характеризовать гомогенность изделия в целом. Содержащиеся в керамических ферритах крупные немагнитные включения (поры, фазовые выделения, микротрещины и т.п.) являются источниками размагничивающих полей. Наличие этих полей может искажать форму кривой μ_н(T), и поэтому прямое использование выражения (3) для аппроксимации экспериментальных зависимостей не всегда правомерно. Учет влияния размагничивающих полей может быть осуществлен при помощи общего соотношения между магнитной проницаемостью материала μ_н и экспериментально наблюдаемыми значениями μ*н

(Вонсовский С. В. Магнетизм, М.: Наука, 1979, Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М. , Изд-во Моск. ун-та, 1976, 367 с., Шольц H.Н., Пискарев К.А. Ферриты для радиочастот. М.: Энергия, 1966):

где N - величина размагничивающего фактора.

Подставляя в (6) выражение (3), получаем систему уравнений, описывающих экспериментально измеряемый температурный ход μ*н

(T) (Зависимость параметров температурного хода начальной магнитной проницаемости керамических ферритов от условий спекания. / Суржиков А.П., Притулов А.М., Мойзес Б.Б., Никифоренко И.В. // Оксиды. Физико-химические свойства и технология: Труды Всерос. науч.-практ. конф. Екатеринбург: УрО РАН, 1998, с.59):


Следует отметить, что уравнение (7) позволяет определить разность размагничивающих факторов в двух образцах при условии минимального различия в магнитном состоянии объема зерен. Преобразуя (7) в предположении, что μ_н ≫ 1, легко показать:

Если μ_н1(T) ≈ μ_н2(T), то
Получим

Таким образом, при одинаковом магнитном состоянии зерен разность обратных значений температурных ходов не зависит от температуры и ее величина равна разности размагничивающих факторов сравниваемых образцов.

Такая ситуация может быть реализована в изделиях, спеченных в одинаковых температурно-временных режимах, но имеющих различную пористость.

Введение операций нагрева изделия, построения температурной зависимости μ_н, определения параметров аппроксимации данной зависимости аналитическим выражением, устанавливающим связь между определяемыми параметрами и физико-механическими параметрами изделия, и определения физико-механических параметров контролируемого изделия по результатам сравнения определенных значений параметров аппроксимации с аналогичными величинами для эталонных образцов позволяет повысить достоверность контроля упругих напряжений в ферритовых изделиях.

На фиг.1 представлена температурная зависимость величины начальной магнитной проницаемости μ_н для изделия из Li-Ti феррита марки ЗСЧ-18.

На фиг.2 представлена калибровочная кривая для определения величины упругих напряжений σ в изделии из Li-Ti феррита марки ЗСЧ-18 по результатам определения отношения подгоночных параметров β/α для эталонных образцов.

В таблице представлены результаты определения величины начальной магнитной проницаемости μ_н для различных температур изделия.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. На ферритовое изделие, выполненное в виде кольцевого сердечника, равномерно наматывают однослойную измерительную обмотку медного провода диаметром ~0,1 мм в термостойкой изоляции марки МГТФ. Число витков составляет 30-60.

Изделие с обмоткой закрепляется в измерительной ячейке, снабженной нагревателем в виде проволочного резистора. Конструкция нагревателя обеспечивает равномерный нагрев изделия. Выводы обмотки подключаются к измерителю индуктивности Е7-12. Частота намагничивающего поля составляла 1 МГц.

Изделие нагревают до температуры Кюри, которая для материала данного изделия составляет 260^oС. Температура изделия контролируется при помощи термопары платина - 90% платины, 10 % родия. ТермоЭДС термопары измеряется с помощью вольтметра В7-38. Проводят измерение индуктивности обмотки L при данной температуре. Затем отключают нагреватель от источника питания. В процессе естественного охлаждения изделия проводят измерения индуктивности L при различных температурах изделия с шагом 10-15^oС. Далее осуществляют вычисление значений начальной магнитной проницаемости μ_н как отношение: μ_н = L/L₀, где L - индуктивность обмотки при заданной температуре изделия; L₀ - индуктивность обмотки при температуре изделия, равной температуре Кюри. Результаты определения μ_н заносят в таблицу. Пример заполнения представлен в таблице. Измерения были проведены для изделия из Li-Ti феррита марки ЗСЧ-18. Пресс-порошок синтезировался керамическим методом из механической смеси состава (в вес. %): Li₂СО₃ 11,2, MnО 2,7, TiО₂ 18,65, ZnO 7,6, FeO 59,81. Образцы формовались односторонним прессованием с помощью пресса ПГПр в виде кольцевого сердечника с внешним диаметром 20 мм, внутренним диаметром 15 мм и толщиной 3 мм. Спекание образцов осуществлялось в электропечи СУОЛ - 0.4.4/12-М2 на воздухе при Т=1100^oС в течение 4 ч. Температура образцов при спекании контролировалась при помощи термопары платина - 90% платины, 10% родия. ТермоЭДС термопары измерялась с помощью вольтметра В7-38. Охлаждение образцов до комнатной температуры осуществлялось на воздухе в печи при ее естественном охлаждении.

По данным таблицы строят график температурной зависимости μ_н. Для данных таблицы график имеет вид, представленный на фиг. 1. График температурной зависимости μ_н при помощи стандартного пакета программ "Microcal Origin Version 4.0." аппроксимируют формулой (3), в которой коэффициент g=2:

где Т - температура изделия, К;
Т_с - температура Кюри, К;
α,β - подгоночные параметры, отн. ед.;
δ,γ - численные коэффициенты, характеризующие процессы намагничивания материала изделия.

Для материала контролируемого изделия характерное значение коэффициента δ равно 0,55. Значение коэффициента γ определяется из условия γ/δ = 3. Соответственно γ = 1,65. По результатам аппроксимации определяют значения подгоночных параметров β и α. Для контролируемого изделия β = 1,32•10^-2, α = 0,226.
Вычисляют отношение β/α, которое характеризует величину упругих напряжений в условных единицах, которое для данного изделия равно β/α = 5,84•10^-2.
По калибровочной кривой на фиг. 2, полученной по выше приведенной методике на образцах с известными значениями упругих напряжений, находится абсолютное значение упругих напряжений σ в исследуемом изделии. Для β/α = 5,84•10^-2 величина σ = 660 мПа.
Таким образом, для данного изделия произведено определение среднего значения величины упругих напряжений σ, которое характеризует качество изделия в целом, что повышает достоверность контроля упругих напряжений в контролируемом изделии.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения упругих напряжений в ферритовых изделиях. Изделие нагревают до температуры Кюри, намагничивают, определяют величину начальной магнитной проницаемости μ_н, прекращают нагрев, по мере естественного охлаждения изделия определяют μ_н для различных температур, строят график температурной зависимости μ_н, определяют значения параметров аппроксимации α и β по результатам аппроксимации данной зависимости определенным аналитическим выражением, вычисляют отношение β/α, которое характеризует величину упругих напряжений, сравнивают определенную таким образом величину с аналогичными величинами для эталонных образцов, по результатам сравнения определяют величину упругих напряжений в контролируемом изделии. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности контроля упругих напряжений в ферритовых изделиях. 2 ил., 1 табл.

Способ неразрушающего контроля упругих напряжений в ферритовых изделиях, заключающийся в том, что изделие намагничивают, определяют величину начальной магнитной проницаемости μ_н, отличающийся тем, что до намагничивания изделие нагревают до температуры Кюри, определяют μ_н, прекращают нагрев, по мере естественного охлаждения изделия определяют μ_н, для различных температур, строят график температурной зависимости μ_н, определяют значения параметров аппроксимации α и β по результатам аппроксимации данной зависимости аналитическим выражением:

где Т - температура изделия, К;
Т_c - температура Кюри, К;
δ, γ, g - численные коэффициенты, характеризующие процессы намагничивания материала изделия,
вычисляют отношение β/α, которое характеризует величину упругих напряжений, сравнивают определенную таким образом величину с аналогичными величинами для эталонных образцов, по результатам сравнения определяют величину упругих напряжений в контролируемом изделии.