Способ определения магнитных свойств материала ферромагнетика диагностикой образца этого материала Российский патент 2024 года по МПК G01R33/12 

Способ относится к области магнитных измерений и может быть использован для определения магнитных свойств ферромагнитного материала, исследуя определенный по форме образец из этого материала и получая те данные о его магнитных свойствах, которые послужат определению этих свойств у материала образца.

Известен способ определения магнитных свойств ферромагнитного материала, в частности, магнитной индукции B [1] (с возможным последующим нахождением на основе полученных данных B сведений о других магнитных параметрах). Согласно этому способу, в исследованиях используется образец тороидальной формы, подвергаемый намагничиванию в такой же по форме обмотке. Для определения индукции B, т.е. плотности магнитного потока, применяется баллистический метод измерения этого потока: посредством катушки, охватывающей сечение образца и соединенной с веберметром. Из-за того, что образец – замкнутый (размагничивающий фактор N отсутствует), получаемые для него значения магнитных параметров соответствуют таковым для материала образца.

Однако при использовании образца тороидальной формы возможности по числу витков его обмотки технически весьма ограничены, и это обстоятельство существенно ограничивает величину напряженности H создаваемого для исследований намагничивающего поля. При этом намотка (в исследовательских задачах обычно ручная) провода на такой образец затруднена, тем более с условием соблюдения равномерности укладки провода. К тому же создаваемая обмотка в этом случае принадлежит только одному образцу (они взаимно не разъемные).

Известен способ определения магнитных свойств ферромагнетиков (образцов той или иной формы, отличной от тороидальной), когда намагничивание образца осуществляется в соленоиде [2-4]. Следовательно, здесь источник поля – с практически неограниченными возможностями по числу витков и соответственно по напряженности поля H (для изучения магнитных свойств образца, в частности, определения магнитной индукции B баллистическим методом). Кроме того, в этом случае образец (причем тот или иной – в зависимости от программы исследований) можно беспрепятственно и оперативно как размещать в зоне магнитного воздействия (в полости соленоида), так и извлекать из нее.

Однако этот способ, при реализации которого в исследованиях используются образцы незамкнутой формы, т.е. образцы, обладающие той или иной величиной размагничивающего фактора N, позволяют получать информацию о магнитных свойствах именно образца, а не его материала.

Известен способ определения магнитных свойств ферромагнитного материала [5], при реализации которого используется цилиндрический стержневой образец, намагничиваемый в соленоиде. Согласно этому способу-прототипу, получаемые (баллистическим методом) для такого, т.е. незамкнутого, образца данные о его магнитных свойствах, в частности, индукции B в зависимости от напряженности H намагничивающего поля, используются для определения магнитных свойств материала образца. Преследуя эту цель, в [5] рекомендовано вести намагничивание образца до магнитного насыщения материала и, используя заданные значения B, выбирать значения размагничивающего фактора N образца, а затем вычислять значения B для его материала.

Однако в этом способе-прототипе указанная рекомендация в отношении оценки значений N недостаточно обоснованная, что негативно сказывается на точности получаемых результатов. Так, иллюстрируемая в [5] на примерах таких (разомкнутых) образцов информация (из получаемой зависимости B от H) не позволяет судить о том, что состояние магнитного насыщения (необходимое для предложенной в [5] оценки значений N и в целом для реализации этого способа) достигается. К тому же стóит заметить, что для наиболее точного определения значений N, кроме информации о магнитных свойствах самого образца, необходимо располагать, как известно, еще информацией о магнитных свойствах именно его материала, т.е. искомой (но еще не полученной на этой стадии реализации способа-прототипа) конечной целевой информацией. Кроме того, к недостаткам способа-прототипа относится и то, что в нем не излагается последовательность определения значений иных (кроме индукции B) магнитных параметров – как для образца, так и для его материала.

Настоящее изобретение направлено на повышение точности определения магнитных свойств ферромагнитного материала (по получаемым данным магнитных свойств образца из этого материала), а также на установление последовательности определения значений иных (кроме индукции B) магнитных параметров – как для образца, так и для его материала.

Ожидаемый технический результат достигается в способе определения магнитных свойств материала ферромагнетика диагностикой образца этого материала – разомкнутого (т.е. обладающего размагничивающим фактором N). Для этого применяют соответствующий экспериментальный метод изучения магнитных свойств ферромагнетиков (например, баллистический). При получении данных о магнитных параметрах, в частности магнитной индукции в образце B, последующим расчетом определяют данные других магнитных параметров материала образца, в частности магнитную индукцию его материала B_m, и находят зависимости этих данных от напряженности H намагничивающего поля. Согласно способу, для определения магнитных свойств материала ферромагнетика используют образец с априори известным размагничивающим фактором N. Данные о магнитных параметрах этого образца и его материала получают в последовательности, когда на основании экспериментов (с применением одного из наиболее приемлемых методов изучения магнитных свойств ферромагнетиков) сначала устанавливают имеющие взаимную связь M_s = χ_sH данные намагниченности M_s и магнитной восприимчивости χ_s образца. Затем находят данные магнитной восприимчивости его материала из выражения χ_m = χ_s/(1–Nχ_s), а по полученным данным χ_m находят данные намагниченности материала M_m = χ_mH и магнитной проницаемости материала μ_m = χ_m + 1. При необходимости находят также данные индукции материала B_m = μ_mμ₀H, магнитной проницаемости образца μ_s = μ_mχ_s/χ_m, его индукции B_s = μ_sμ₀H, где μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная константа.

В экспериментах целесообразно использовать образец в виде шара, для которого значение размагничивающего фактора, как известно, составляет N = 1/3. В этом случае выражение для χ_m приобретает частный вид χ_m = 3χ_s/(3 – χ_s).

Один из вариантов выполнения экспериментов – применять такой метод изучения магнитных свойств ферромагнетиков как баллистический, предусматривающий измерение магнитного потока Φ в образце поперечным сечением S, что позволяет получать данные плотности этого потока в образце, т.е. данные магнитной индукции B = Φ/S∙n в образце, где n – число находящихся на этом образце витков измерительной катушки (петли). Тогда при известном для B выражении B = μ₀H + μ₀M_s определение данных о магнитных параметрах образца и его материала начинают с данных намагниченности образца M_s = (B/μ₀) – H и соответствующих данных магнитной восприимчивости образца χ_s = M_s/H, а затем находят данные других, оговоренных выше, параметров.

Вариантом выполнения экспериментов может служить также такой метод изучения магнитных свойств ферромагнетиков как пондеромоторный, предусматривающий измерение магнитной силы F, действующей на образец малого объема V в неоднородном магнитном поле. Тогда при известном для нее выражении F = μ₀χ_sVHgradH определение данных о магнитных параметрах образца и его материала начинают с данных магнитной восприимчивости образца χ_s = F/μ₀VHgradH и соответствующих данных намагниченности образца M_s = χ_sH, а затем находят данные других, оговоренных выше, параметров.

Реализация способа поясняется результатами экспериментов, выполненных с использованием образца в виде шара (из ферромагнитной подшипниковой стали ШХ15), эти результаты иллюстрируются графиками, показанными на фиг.1-5. В экспериментах поочередно использовали шар того или иного диаметра d (для выяснения того, являются ли получаемые результаты справедливыми применительно к разным образцам такой формы): 40, 30, 20 и 16мм. Намагничивание шара осуществляли в соленоиде полем определенной напряженности H, при проведении экспериментов ее изменяли в пределах H = 4,5…144кА/м. Следуя баллистическому методу, измеряли магнитный поток в шаре Φ – микровеберметром с помощью измерительной катушки (петли) площадью S = πd²/4, охватывающей изучаемый шар и состоящей из n = 5 витков.

В экспериментах получали зависимости Φ от H (фиг.1 слева). Эти полевые зависимости Φ, оказавшиеся при H ≥ 15…20кА/м близкими к прямым пропорциональным, количественно взаимно различны: при увеличении диаметра шара и соответственно диаметра петли они, разумеется, располагаются выше.

Вместе с тем, что касается плотности этого потока, т.е. данных магнитной индукции в изучаемом образце (в том числе и шаре) B, получаемых как

B = Φ/S∙n, (1)

то эти данные ожидаемо становятся практически идентичными, не зависимыми от диаметра шара, во всем исследуемом диапазоне H (рис.1 справа). При этом, начиная с H = 15…20кА/м, данные B, подобно исходным для них данным Φ, близки к прямой пропорциональной связи с H.

Следует оговорить, что полученные данные магнитной индукции в шаре B – это результат сложения значений индукции внешнего (не зависимого от магнитных свойств изучаемого образца-шара) поля, т.е. μ₀H, и дополнительной индукции (обусловленной намагниченностью M_s шара), т.е. μ₀M_s, следовательно,

B = μ₀H + μ₀M_s, (2)

откуда можно получить выражение для определения намагниченности шара M_s (μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная константа):

M_s = (B/μ₀) – H, (3)

приняв к сведению, что индексы «s» или «m» при том или ином, рассматриваемом здесь и далее, параметре означают: речь идет о параметре, характеризующем соответственно образец (от англ. sample) или его материал.

Полученные по (3) данные параметра M_s в виде его полевой зависимости показаны на фиг.2 вверху. Эти данные, начиная с уже упоминавшихся здесь значений напряженности поля H = 15…20кА/м, близки к прямой пропорциональной связи с H.

Учитывая далее известную связь

M_s = χ_sH, (4)

представленную относительно магнитной восприимчивости шара χ_s:

χ_s = M_s/H, (5)

можно по данным M_s, зависимым от H (фиг.2 вверху), получить данные χ_s; они показаны на фиг.2 внизу в виде соответствующей полевой зависимости. Будучи заметно зависимыми от H в диапазоне от H = 4,5кА/м до H = 15…20кА/м (в этом диапазоне иллюстрируется только фрагмент постэкстремальной части полевой зависимости χ_s), при H ≥ 15…20кА/м из-за отмеченной выше особенности связи M_s и H (близкой к прямой пропорциональной) данные χ_s становятся слабо зависимыми от H (фиг.2 внизу), здесь они близки к значению χ_s ≈ 2,1.

Получение данных о других магнитных параметрах, характеризующих не столько изучаемое ферромагнитное тело (здесь – образец в виде шара), сколько материал этого тела, становится возможным при априори известном размагничивающем факторе N (коэффициенте размагничивания); для шара, как известно, он составляет N = 1/3.

Так, воспользовавшись известным выражением N = (1/χ_s) – (1/χ_m), откуда

χ_m = χ_s/(1 – N∙χ_s), (6)

а для рассматриваемого частного случая (N = 1/3):

χ_m = 3χ_s/(3 – χ_s), (7)

предоставляется возможность в дополнение к уже полученным данным M_s и χ_s найти данные магнитной восприимчивости материала шара χ_m (разумеется, в реальном технико-технологическом состоянии этого материала, имея в виду, что в процессе изготовления шара он подвергался термо- и механообработке: отжигу, закалке, поверхностному упрочнению и пр.); эти данные χ_m показаны на фиг.3 вверху. При этом, располагая выражением (7), нельзя не обратить внимание на то, что данные χ_s (при изучении собственно шара и получении данных наподобие изображенных на фиг.2 внизу) ни при каких обстоятельствах не должны достигать и тем более превышать значения χ_s = 3.

Согласно полученной полевой зависимости χ_m (фиг.3 вверху), в диапазоне от H = 4,5кА/м до H = 15…20кА/м значения χ_m являются явно зависимыми от напряженности поля H. Действительно, в этом диапазоне H полевая зависимость χ_m, как последовавшая после полевой зависимости χ_s (фиг.2 внизу) в виде фрагмента ее постэкстремальной части, в свою очередь – тоже фрагмент своей постэкстремальной части. При H ≥ 15…20кА/м данные χ_m характеризуются слабой тенденцией снижения χ_m по мере увеличения H и составляют χ_m ≈ 7…8. Сравнивая же родственные данные магнитной восприимчивости – материала образца χ_m на фиг.3 вверху и самого образца χ_s на фиг.2 внизу, видно, что данные χ_m значительно (более чем в 3 раза) превышают данные χ_s.

Полученные данные χ_m (фиг.3 вверху) позволяют найти также данные намагниченности материала шара M_m (фиг.3 внизу), используя для этого известную, сходную с (4) связь:

M_m = χ_mH. (8)

Сравнивая родственные данные намагниченности – материала образца M_m на фиг.3 внизу и самого образца M_s на фиг.2 вверху, видно, что данные M_m столь же значительно (более чем в 3 раза) превышают данные M_s, т.е. как и различие сравниваемых выше данных χ_m и χ_s. Собственно, о такой аналогии напрямую свидетельствует взаимное отношение связей (8) и (4).

Кроме того, полученные данные χ_m (фиг.3 вверху) позволяют найти еще и данные магнитной проницаемости материала шара μ_m (фиг.4 вверху), магнитной индукции материала шара B_m (фиг.4 внизу), используя для этого известные связи:

μ_m = χ_m + 1, (9)

B_m = μ_mμ₀H. (10)

Получая еще информацию о магнитной проницаемости шара μ_s (фиг.5 вверху) и его магнитной индукции B_s (фиг.5 внизу) – по известным связям:

μ_s = μ_mχ_s/χ_m, (11)

B_s = μ_sμ₀H, (12)

можно сравнить родственные данные μ_m и μ_s, а также B_m и B_s: представленные на фиг.4 и фиг.5 сравниваемые данные (в случае использования в экспериментах образца в виде шара) отличаются друг от друга более чем в 3 раза.

Оговоренная последовательность получения данных о магнитных параметрах, в основном, сохраняется и в случае, когда исследование образца-шара осуществляется другим методом, например пондеромоторным, предусматривающим выполнение экспериментов по измерению магнитной силы F, действующей на образец малого объема V в неоднородном магнитном поле. Так, при известном для нее выражении F = μ₀χ_sVHgradH изначально доступными являются данные магнитной восприимчивости образца χ_s = F/μ₀VHgradH, после чего находят данные намагниченности образца M_s = χ_sH, а затем – поочередно данные других, указанных выше, параметров.

Изобретательский уровень предложенного способа подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

[1]. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980 – 320 с.

[2]. Патент РФ № 2022292. Способ измерения намагниченности ферромагнитных материалов стержневых образцов. (Попов Г.М.). 1994.

[3]. Патент РФ № 2279689. Вибрационный магнитометр. (Гудошников С.А., Козлов А.Н., Скомаровский В.С.). 2004.

[4]. Патент РФ № 2530463. Способ измерения магнитного момента образцов на СКВИД-магнитометре. (Великанов Д.А.). 2012.

[5]. Патент РФ № 2293344. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала. (Захаров В.А., Зембеков Н.С.). 2005.

Изобретение относится к области магнитных измерений. Способ определения магнитных свойств материала ферромагнетика диагностикой образца этого материала содержит этапы, на которых получают данные о магнитных параметрах образца, а по полученным данным находят данные намагниченности материала из выражения и магнитной проницаемости материала или для образца, выполненного в виде шара, находят данные индукции материала, магнитной проницаемости образца, его индукции. Технический результат – повышение точности определения магнитных свойств ферромагнитного материала. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения магнитных свойств материала ферромагнетика диагностикой образца этого материала, заключающийся в использовании разомкнутого образца, обладающего размагничивающим фактором N, или замкнутого образца, выполненного в виде шара, обладающего размагничивающим фактором N = 1/3, получении данных о магнитных параметрах, включая магнитную индукцию в образце B_s, последующем расчетном определении данных о магнитных параметрах материала образца, включая магнитную индукцию его материала B_m, нахождении зависимостей этих данных от напряженности H намагничивающего поля, отличающийся тем, что для определения магнитных свойств материала ферромагнетика используют образец с известным размагничивающим фактором N или N = 1/3, при этом получение данных о магнитных параметрах образца и его материала осуществляют в последовательности, когда на основании экспериментов сначала устанавливают имеющие взаимную связь M_s =H данные намагниченности M_s и магнитной восприимчивости образца, затем находят данные магнитной восприимчивости его материала из выражения =/(1–N) или = 3/(3 – ), а по полученным данным находят данные намагниченности материала из выражения M_m = H или M_s = (B/) – H и магнитной проницаемости материала = + 1 или для образца, выполненного в виде шара, находят данные индукции материала B_m = H, магнитной проницаемости образца = /, его индукции B_s = H, где = 4π·10-7 Гн/м – магнитная константа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в экспериментах используется образец в виде шара, для которого значение размагничивающего фактора, как известно, составляет N = 1/3, при этом выражение для в этом случае приобретает частный вид = 3/(3 –).

3. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что в экспериментах с применением такого метода изучения магнитных свойств ферромагнетиков как баллистический предусматривают выполнение экспериментов по измерению магнитного потока в образце поперечным сечением S, что позволяет получать данные плотности этого потока в образце, т.е. данные магнитной индукции B = /S⋅n в образце, где n – число находящихся на этом образце витков измерительной петли, при известном для B выражении B =H + M_s определение данных о магнитных параметрах образца и его материала начинают с данных намагниченности образца M_s = (B/) – H и соответствующих данных магнитной восприимчивости образца = M_s/H, а затем находят данные других оговоренных выше параметров.

4. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что в экспериментах с применением такого метода изучения магнитных свойств ферромагнетиков как пондеромоторный предусматривают выполнение экспериментов по измерению магнитной силы F, действующей на образец малого объема V в неоднородном магнитном поле, при известном для нее выражении F = VHgradH определение данных о магнитных параметрах образца и его материала начинают с данных магнитной восприимчивости образца = F/VHgradH и соответствующих данных намагниченности образца M_s = H, а затем находят данные других оговоренных выше параметров.