Способ измерения механических напряжений в ферромагнитных объектах Советский патент 1992 года по МПК G01N27/83 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля и может быть использовано для определения величины приложенных или остаточных механических напряжений в деталях машин и конструкций, изготовленных из ферромагнитных материалов.

Известны способы определения механических напряжений, основанные на измерении деформаций с помощью датчиков перемещений, оптических методов, методов хрупких покрытий и др.

Однако большинство этих методов малопригодно для определения механических напряжений в элементах конструкций в условиях производства и эксплуатации вследствие высокой трудоемкости, громоздкости регистрирующей аппаратуры, неудовлетворительной точности оценки напряжений на малой базе измерения или невозможности определения исходного напряженного состояния.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения ме- (/) ханических напряжений в ферромагнитных f объектах, согласно которому величину на- пряжения аопределяют по данным регист- з рации текущего параметра/3 ЭДС от скачков i Баркгаузена и его приращения Д/ при из- менении нагрузки с использованием пред- j варительно полученного семейства зависимостей ) и ) .J--

Недостатком известного способа явля- jO4 ется необходимость переориентирования в j fv процессе измерения датчика (индуктора- приемника шумов Баркгаузена) вдоль на- ф правления главных напряжений в случае « необходимости оценки напряжений при сложном напряженном состоянии, в резуль- fsj тате чего снижается точность определения напряжений вследствие невозможности обеспечения идеально точного соблюдения постоянства условий контакта датчика с объектом контроля после переориентации. По этой же причине осложняется применение метода эффекта Баркгаузена для определения главных напряжений в

труднодоступных местах, где нет возможностей для переориентирования датчика или для этого требуются дополнительные устройства.

Цель изобретения - повышение точно- сти измерения при плоском напряженном состоянии объекта.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу измерения механических напряжений в ферромаг- нитных объектах дополнительно определяют по крайней мере двухпарамет- ровое семейство зависимостей ЭДС скачков Баркгаузена от механических напряжений, фиксируют координаты точек пересечения этих зависимостей и учитывают эти зависимости при оценке механических напряжений в материале.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Из материала контролируемых изделий изготавливают образцы для испытаний при двухосном нагружении. В процессе испытаний регистрируют зависимости нескольких параметров шумов Баркгаузена от механи- ческих напряжений при различных величинах и соотношениях главных напряжений и одном фиксированном положении датчика вдоль направления одного из главных на- -пряжений. По этим данным определяют се- мейство зависимостей скоростей относительного изменения регистрируемых параметров при изменении соотношения главных напряжений. Выбирают по крайней мере два параметра с существенно различ- ными скоростями изменения. На плоскости главных напряжений строят тарировочные семейства зависимостей постоянных значений выбранных параметров, которые в силу критерия выбора имеют вид семейств вза- имно пересекающихся кривых. Величины главных напряжений в контролируемом участке изделия определяют на тарировочном графике как координаты точки пересечения кривых постоянных значений, соответству- ющих результатам измерения выбранных параметров шумов Баркгаузена в месте измерения вдоль направления одного из главных напряжений.

На фиг. 1 представлены графики зави- симости напряжения шумов Баркгаузена U (а) и амплитуд первых трех гармоник огибающей шумов Баркгаузена Ui (б); U2 (в); Us (г) от главного напряжения 4ПРИ различных значениях главного напряжения ау для ста- ли 3 (кривые 1, 1, 1 , Ог, равного нулю; кривые 2, 2, 2, 2 для ог , равного 42 МПа; кривые 3, 3, 3, для О2 , равного 85 МПа; кривые 4, 4, 4, аг , равного 127

МПа; кривые 5, б , 5 5 для Oi, равного 169 МПа; кривые 6,6, Q, 6л/для аг , равного 212 МПа); на фиг. 2 - зависимости относительного изменения напряжения шумов Баркгаузена AU, кривая 7, и амплитуд второй и третьей гармоники огибающей шумов Баркгаузена AU2, кривая 8, A Us, кривая 9; на фиг. 3 - тарировочные кривые постоянных значений напряжения шумов Баркгаузена U (кривая 10 для U, равного 57,5 мВ; кривая 13 для U, равного 62,5 мВ; кривая 15 для U, равного 67,5 мВ; кривая 17 для U, равного 72,5 мВ) и амплитуды третьей гармоники огибающей шумов Баркгаузена Us (кривая 11 для Us, равного 3,0 мВ; кривая 12 для Us, равного 4,0 мВ; кривая 14 для Us, равного 5,0 мВ; кривая 16 для Us, равного 6,0 мВ; кривая 18 для Us, равного 6,5 мВ) на плоскости главных напряжений а и Oi.

В качестве примера на фиг. 1 приведены полученные результаты измерения параметров шумов Баркгаузена с помощью измерительно-вычислительного комплекса в процессе испытания плоских крестовидных образцов из стали 3 на двухосное растяжение при различных значениях главных напряжений и постоянно ориентированном датчике магнитных шумов вдоль напряжения 7i . Из графика на фиг. 1 (кривые 1...1J 2...2, 3..., 4...4, 5...S, 6...61 видно, что одному и тому же значению параметра шумов Баркгаузена соответствуют различные значения л , в зависимости от величины oi При этом скорости относительного изменения измеренных параметров при изменении соотношения Oil 7i различны. Кривые 7-9 на фиг. 2, иллюстрирующие этот факт, построены по данным фиг. 1 при постоянном значении главного напряжения cr-i , равном ТОО МПа. Например, точкам ж, з, и, к, л на фиг. 1 в соответствуют точки ж, з, и, к, л на кривой 8 фиг. 2, ординаты которых представляют собой относительную величину уменьшения амплитуды второй гармоники AU2 при увеличении напряжения ог по сравнению с ее значением в точке ж при О2 0 (кривая для изменения первой гармоники AUi не помещена на фиг. 2, так как она почти повторяет ход кривой 7 для изменения напряжения шумов Баркгаузена AU).

Для определения величин главных напряжений используют тарировочный график (фиг. 3), представляющий собой семейство кривых постоянных значений напряжения шумов Баркгаузена U и амплитуды третьей гармоники Us на плоскости главных напряжений (для простоты изложения на фиг. 3 приведено лишь несколько

кривых). Кривые 10-18 построены по данным фиг. 1. Например, абсциссы кривой 15, соответствующей напряжению шумов Бар- кгаузена U 67,5 мВ, являются абсциссами точек а, б, в, г, д, е на фиг. 1а, а ординаты кривой 15 являются значениями напряжения 02 , соответствующими номерам кривых 1-6 в указанных точках. Кривая 16 построена для значения амплитуды третьей гармоники огибающей магнитных шумов 1)з 6 мВ по данным фиг. 1 г с использованием величины напряжений cri и Oi , соответствующих точкам м, н, о, п, р.

Чтобы оценить величины главных напряжений в контролируемом участке детали из стали 3, следует на тарировочном графике (фиг. 3) определить координаты точки пересечения кривых постоянных значений параметров U и Уз, соответствующих результатам измерений при фиксированном вдоль направления 7i положения датчика. Например, значениям U 67,5 мВ (кривая 15) и Us 6,0 мВ (кривая 16) соответствуют величины напряжений о 116 МПА и (%. 90 МПа (фиг. 3, отмечено пунктиром). В данном случае для определения напряжений были выбраны параметры U и U, как обладающие существенно различными скоростями относительного изменения при изменении соотношения главных напряжений (фиг. 2, кривые 7 и 9). Это требование является обязательным для работоспособности предлагаемого способа, так как при равенстве скоростей относительного изменения-кривые постоянных значений измеренных параметров не пересекаются на плоскости главных напряжений и, следовательно, нельзя в этом случае определить величины главных напряжений.

На графике (фиг. 3) из семейства кривых U const и 1)з const необходимо выбрать только две кривые (в приведенном примере кривые 15 и 16) и по координатам их точки

пересечения определить величины о и Л . Эти кривые пересекаются в одной точке. Поэтому оценка напряжений однозначна. Не все кривые на фиг. 3 взаимно пересекаются (например, кривые 14 и 15).

Произвольно взятые кривые не обязательно должны пересекаться. Пересечение кривых отражает тот факт, что конкретным величинам главных напряжений соответствуют конкретные, а не произвольно выбранные

значения U и Уз в диапазоне напряжений, для которого выполнена тарировка. Если окажется, что соответствующие результатам измерения кривые U const и Us const не пересекаются, то это означает, что измерения выполнены на объекте из другой марки стали или напряженное состояние объекта не соответствует двухосному растяжению, для случая которого построены графики на фиг. 3. В обоих случаях нужны соответствующие графики.

Формула изобретения Способ измерения механических напряжений в ферромагнитных объектах по авт.св. № 1114938, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при плоском напряженном состоянии объекта, дополнительно определяют по крайней мере двухпараметровое семейство зависимостей ЭДС скачков Баркгаузена от

механических напряжений, фиксируют координаты точек пересечения этих зависимостей и учитывают эти координаты при оценке механических напряжений в материале.

i. ii i i iiii

0 50 100 iSQ $, О SO iOO iSO 6,fina 8 2

Pt/e.f

&и.диг,&и± %

О 0,5 t,0 ,,S 2,0 6JЈt

фиг.2.

0 S0 ™ ,Ъ

Фиг.З .. -..г: :. -. .

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля ферромагнитных материалов по шумам Баркгаузена и может быть использовано для определения механических напряжений в указанных материалах. Цель изобретения - повышение точности измерения при плоском напряженном состоянии материала Путем определения по крайней мере двухпараметрового семейства зависимости ЭДС скачков Баркгаузена от механических напряжений. Фиксируют координаты точек пересечения этих зависимостей и учитывают их при определении механических напряжений. 3 ил.