Как измерить магнитную проницаемость металла
Перейти к содержимому

Как измерить магнитную проницаемость металла

  • автор:

Исследование магнитной проницаемости стальных образцов в однородном переменном поле при упругой деформации на растяжение Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ / MAGNETIC PERMEABILITY / НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ / MAGNETIC FIELD STRENGTH / УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ / ELASTIC DEFORMATION / ДОМЕННАЯ СТЕНКА / DOMAIN WALL / АМПЛИТУДА / FIELD MAGNITUDE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Сандовский Владимир Аронович, Файншмидт Евгений Михайлович

Представлено описание установки для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении в пределах упругой деформации. Приведена методика измерения, включающая теоретические расчеты и результаты экспериментов. С помощью графической интерпретации проанализирована зависимость составляющих магнитной проницаемости от величины нагрузки, амплитуды и частоты перемагничивающего поля, а также структуры материала образцов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Сандовский Владимир Аронович, Файншмидт Евгений Михайлович

Методы магнитной структуроскопии с использованием динамики доменной структуры
Амплитудно-частотные характеристики магнитоакустической эмиссии термообработанных сплавов железа

Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочненным поверхностным слоем магнитными методами

Влияние термической обработки и упругопластической деформации на магнитные свойства порошковой стали 50Н2М

Установка для измерения комплексной магнитной проницаемости высокотемпературных сверхпроводников
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF MAGNETIC PERMEABILITY OF STEEL SPECIMENS IN UNIFORM ALTERNATING FIELD UNDER TENSILE ELASTIC DEFORMATION

A setup for measurement of magnetic permeability of steel specimens under tensile elastic deformation is described. Theoretical background of the approach and the measuring method are presented. Dependence of magnetic permeability components on loadings value, magnitude and frequency of magnetic field, and on the specimen material structure is studied with the use of graphical interpretation of experimental data.

Текст научной работы на тему «Исследование магнитной проницаемости стальных образцов в однородном переменном поле при упругой деформации на растяжение»

В. А. Сандовский, Е. М. Файншмидт

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ В ОДНОРОДНОМ ПЕРЕМЕННОМ ПОЛЕ ПРИ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Представлено описание установки для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении в пределах упругой деформации. Приведена методика измерения, включающая теоретические расчеты и результаты экспериментов. С помощью графической интерпретации проанализирована зависимость составляющих магнитной проницаемости от величины нагрузки, амплитуды и частоты перемагничивающего поля, а также структуры материала образцов.

Ключевые слова: магнитная проницаемость, напряженность магнитного поля, упругая деформация, доменная стенка, амплитуда.

Введение. Исследованию магнитных свойств сталей посвящено множество как отечественных, так и зарубежных публикаций. Так в работе [1] рассматривалась связь упругих и частично пластических растягивающих напряжений с возникающей при этом анизотропией начальной магнитной проницаемости при измерениях параметров вдоль и поперек действующей механической нагрузки. Исследованию влияния упругой деформации на обратимую магнитную восприимчивость ферромагнитных сталей посвящена работа [2]. В работе [3] было показано, что магнитная проницаемость, так же как и коэрцитивная сила, зависят от величины напряжений, возникающих при упругой деформации, причем указанные зависимости в значительной мере определяются структурой исследуемых сталей. В работе [4] приведены экспериментальные данные по изменению петель гистерезиса под воздействием упругих напряжений (от -125 до +125 МПа) применительно к образцам трубной стали, содержащим 2 % марганца, а в работе [5] на таких же образцах исследовались изменения намагниченности, как обратимой, так и необратимой, при нагружении их в пределах от -125 до +125 МПа для случаев, когда начальная точка находится на коммутационной кривой. Исследования по изменению намагниченности, проведенные путем опытов по измерению амплитуды и интенсивности скачков Баркхаузена, отражены в работе [6]. В работе [7] было исследовано изменение дифференциальной магнитной проницаемости в зависимости от степени растяжения и сжатия в больших, малых и средних магнитных полях. Результаты измерений степени магнито-стрикции в зависимости от напряжений, а также изменения петли гистерезиса под нагрузкой от -226 до +238 МПа приведены в работе [8].

Исследования магнитных свойств образцов, описанные в упомянутых и многих других работах этого направления, выполнялись в постоянных магнитных полях, при этом не были приведены пояснения некоторых экспериментально установленных фактов, которые могли бы быть объяснены на основе результатов измерений в переменных полях.

В настоящей статье рассматривается возможность получения дополнительной информации, которая позволит объяснить результаты, полученные при исследовании взаимосвязей магнитных свойств сталей с различной структурой и механических явлений, возникающих при нагрузках в пределах упругой деформации. Такие возможности открываются при измерениях магнитной проницаемости в динамическом режиме, т. е. в переменном поле, для чего используется методика, включающая как теоретические расчеты, так и экспериментальные данные.

Экспериментальная установка. Для измерения магнитной проницаемости стальных образцов при их растяжении была создана экспериментальная установка, структурная схема

которой показана на рис. 1, а. Синусоидальный сигнал с генератора 1 поступает на усилитель 2. Через соленоид 4 проходит синусоидальный ток частотой 20 Гц, поступающий с выхода усилителя. Измерительная катушка 3, внутри которой находится образец 5 (цилиндрический стержень), размещена внутри соленоида 4. Поле в соленоиде однородно и не превышает 9 А/см. Вихретоковые приборы работают в малых полях, поэтому результаты исследований могут быть использованы в вихретоковой аппаратуре. Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор 6, опорный сигнал которого поступает на один из входов фазометра 8. На другой его вход поступает измеряемый сигнал катушки 3. Этот же сигнал поступает и на вольтметр 7. Фазометром 8 измеряется фазовый угол ф, определяющий разность фаз между опорным сигналом и сигналом измерительной катушки. Частотомер 9 измеряет частоту сигнала.

Погрешность измерения магнитной проницаемости зависит от погрешности используемых приборов — вольтметра 7 и фазометра 8. Суммарная погрешность измерения не превышает 2 %.

Размещение образца в соленоиде показано на рис. 1, б, где 10 и 11 — захваты, выполненные из немагнитной стали, 12 — динамометр. Растягивающая нагрузка F прикладывается к образцу с помощью винтового пресса (на рисунке не показан).

Методика измерения. По показаниям вольтметра 7 измеряется напряжение U1 на катушке 3, помещенной в соленоид без образца. Затем устанавливается образец (см. рис. 1) и определяется амплитуда сигнала иа, соответствующая сигналу катушки с образцом. При этом на индикаторе фазометра считывается показание величины угла ф. Промежуточная величина U2 рассчитывается по формуле

U2= иа (cos ф + j sin ф). (1)

Далее в расчетах используется относительное напряжение U= U2/ U1.

Теоретически данная задача решена в учебниках по электротехнике (см., например, работу [9]). Согласно [9] относительное напряжение измерительной катушки с цилиндром внутри, помещенной в однородное переменное поле,

Здесь ] = >/-1;! = л/7; П = ё / где ё — диаметр образца; — диаметр внутренней полости измерительной катушки; /0, 1\ — модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно; Р = Я^2ж/||0а, -К= ё/2; / — частота тока соленоида; | —

магнитная проницаемость; |0 — магнитная постоянная; а — удельная электрическая проводимость материала образца; при этом предполагается, что магнитная проницаемость комплексна, т.е.

Для определения составляющих магнитной проницаемости | запишем систему уравнений

Яеи (теория) = Яеи (эксперимент);!

1т и (теория) = 1т и (эксперимент), ]

которая решается с помощью компьютерной программы с использованием процедуры минимизации функционала по методу деформируемого многогранника Нелдера — Мида [10]. При этом определяются вещественная | и мнимая |2 составляющие магнитной проницаемости.

Проблемы, связанные с корректностью такого подхода к решению подобных задач электродинамики, подробно обсуждаются в работе [11]. В этой работе показано, что в дополнение к формальным требованиям к решению таких задач может быть использована дополнительная информация, позволяющая исключить ошибки при выборе корней системы уравнений (4). Кроме того, в компьютерной программе предусмотрена индикация точности решения или погрешность определения соответствующего параметра. Для проверки правильности решения системы найденные значения | и |2 в соответствии с выражением (3) подставляются в уравнение (2), и сигнал и рассчитывается с использованием компьютерной программы. Результаты расчетов при этом действительно точно соответствуют экспериментальным измерениям.

Результаты измерений. Для измерений использовались образцы цилиндрических стержней диаметром 5 мм и длиной 170 мм с резьбой на концах для закрепления в захватывающих приспособлениях. Перемагничивание образцов осуществлялось в однородном синусоидальном поле частотой 20 Гц. В соответствии с вышеописанной методикой измерялись значения составляющих | 1 и | 2 магнитной проницаемости каждого из образцов при их последовательном нагружении.

На рис. 2 показаны результаты измерений | 1 и | 2 для исходного образца из стали Ст.3, которая относится к низколегированным и содержит 0,14—0,22 % углерода, 0,3—0,6 % марганца и не более 0,3 % никеля. Результаты измерений при напряженности магнитного поля амплитудой Нт=2,2 А/см (малое поле) показаны на рис. 2, а, а при Нт=8,8 А/см — на рис. 2, б.

Если составляющая | в основном определяет величину магнитной проницаемости, то составляющая | 2 отображает временную информацию, которая характеризует магнитную вяз-

кость данного материала. В обоих случаях наблюдается хорошо выраженный максимум магнитной проницаемости (по модулю) в области нагрузки Р = 100.. .140 МПа.

Если допустить, что магнитная проницаемость в переменных перемагничиающих полях является результатом колебаний доменных стенок, то можно полагать, что амплитуда этих колебаний достигает максимума при нагружении образцов в указанном интервале. Тогда увеличение магнитной проницаемости во втором случае (см. рис. 2, б), где значение Нт значительно больше, также, по-видимому, объясняется именно этой причиной. Следовательно, механические напряжения, создаваемые в образцах при растяжении, могут существенно влиять на амплитуду колебаний доменных стенок. Это влияние наиболее существенно в критической области, где увеличение магнитной проницаемости при повышении напряжений резко сменяется ее уменьшением. По-видимому, данное явление обусловлено тем, что в указанной области 90°-ные доменные границы практически исчезают, уступая место 180°-ным.

98,00 100,00 102,00 104,00 ц1

180 ■ » 240 280 зоо зго

Чтобы показать влияние химического состава сталей на изменение магнитной проницаемости образца при его растяжении, выберем образец из стали, отличающейся по химическому составу.

На рис. 2, в показан результат измерения в поле амплитудой Нт=2,2 А/см составляющих щ и для образца инструментальной стали У8 в исходном состоянии. Эта сталь содержит 0,76—0,83 % углерода и 0,17—0,33 % марганца. На графике хорошо виден максимум магнитной проницаемости в области 80—140 МПа. Однако форма кривой существенно отличается от показанной на рис. 2, а для образца стали Ст.3.

На величину магнитной проницаемости и форму кривых зависимости д(Р) также существенно влияет структура стали, что демонстрируется приведенными на рис. 2, г, д, е графиками для образцов стали У8 после закалки и отпуска при температуре 300 °С. Так, на рис. 2, г представлен график зависимости, полученной при Нт=2,2 А/см для такого образца. После закалки (в течение 1 ч) образец имеет мартенситную структуру. В этом состоянии магнитная проницаемость его материала существенно уменьшается по сравнению с исходным состоянием. Во время нагрева в материале образца происходит распад пересыщенного твердого раствора углерода в железе. В начальной стадии нагружения образца наблюдается уменьшение обеих составляющих магнитной проницаемости: это объясняется тем, что в начальной стадии при увеличении внутренних напряжений увеличивается также и количество дислокаций, что в некоторой степени тормозит увеличение амплитуды колебаний доменных стенок. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к распаду пересыщенного твердого раствора с выделением ферритных зерен (превращение у^а), которые обладают повышенной магнитной проницаемостью. При этом общая магнитная проницаемость образца несколько повышается.

Если теперь увеличить амплитуду перемагничивающего поля, то под воздействием растягивающих усилий процесс распада пересыщенного твердого раствора активизируется, и в результате выделяющихся дополнительно ферритовых зерен составляющая с увеличением нагрузки будет возрастать. На рис. 2, д показан результат измерения щ и при Нт=4,4 А/см (среднее поле). С увеличением амплитуды Нт еще в два раза (до 8,8 А/см) магнитная проницаемость снова возрастает, и зависимость от нагрузки приобретает форму, показанную на рис. 2, е. Составляющая продолжает возрастать с увеличением нагрузки до максимального значения Р=200 МПа, а затем начинает резко снижаться. Здесь существенное увеличение амплитуды перемагничивающего поля оказывает подавляющее влияние.

При одинаковом значении амплитуды перемагничивающего поля существенное влияние на изменение магнитной проницаемости имеет структура стали. В таблице показано изменение зависимостей магнитной проницаемости от нагрузки для образцов стали У8, подвергнутых закалке и отпуску при различных температурах. По мере термической обработки изменяется структура стали и соответственно изменяется форма кривых. В области температур отпуска 300—400 °С форма кривых изменяется мало, так как в этой области распад пересыщенного твердого раствора в некоторой степени стабилизируется и структура металла меняется слабо. Сравнивая формы кривых при Нт=8,8 А/см (большое поле) и Нт=2,2 А/см (малое поле), можно заключить, что в большом поле форма кривых изменяется менее существенно. Это обусловлено тем, что увеличение амплитуды пере-магничивающего поля сильнее влияет на магнитную проницаемость, нежели другие рассмотренные выше факторы.

Кроме влияния на магнитную проницаемость амплитуды перемагничивающего поля, представляет интерес также и влияние изменений частоты этого поля. Так, зависимость д(Р) для образца стали У8 после закалки и отпуска при температуре 300 °С и при измерении в поле амплитудой Нт=8,8 А/см на частоте 20 Гц представлена на рис. 2, е, а на рис. 3, а показаны результаты измерений для этого же образца на частоте 30 и 70 Гц соответственно. Сравнительный анализ графиков показывает, что даже небольшое изменение частоты перемагничивания существенно изменяет форму кривых.

Режим термической обработки Нт=2,2 А/см Нт=8,8 А/см

Без термообработки 240*»» ^^200 180 0 ‘ 40 ■ -140 80 0 320 . 40’ . 280 60

Закалка 0 100 «»»—..„^200 260 » 0 . 320 40 ■ 300 140

300 °С 140) ——‘ *280 ^20 V 604, — 0 ‘ 350 . 60 300 ч 100 200

400 °С 320 ■ 100 40 . 0 300 40′ ‘ 200

500 °С ■ 0 V 40 100 180 «‘■• —,300 200 320 40 -100 200

600 °С » .200 340 40 340 100′ .. 260 200 ‘

Примечание. Цифрами на кривых обозначена нагрузка Р, МПа.

Обсуждение результатов измерений. Рассмотренные зависимости магнитной проницаемости различных сталей от величины упругих напряжений, вызванных растяжением (как для сталей в исходном состоянии, так и в состояниях закалки и отпуска), демонстрируют примеры и увеличения, и уменьшения магнитной проницаемости. Полученные результаты частично подтверждаются ранее опубликованными работами. Например, немонотонные изменения магнитной проницаемости при увеличении нагрузки могут быть объяснены влиянием упругих напряжений на смещение 90 °-ных границ [12]. Другой пример: увеличение магнитной проницаемости с повышением температуры отпуска происходит до тех пор, пока не начнет

сказываться рост внутренних полей рассеяния [13]. Изгиб кривых зависимости д (см. таблицу) при нагрузках порядка 200 МПа соответствует области минимального значения коэрцитивной силы при растяжении образцов [2].

Однако среди приведенных результатов экспериментальных исследований особый интерес представляет металловедческая сторона вопроса, так как для различных сталей, даже и в исходном состоянии, получены значительно отличающиеся зависимости. Это означает также и существенное различие доменной структуры рассматриваемых сталей.

Представляет интерес также существенная зависимость полученных результатов от амплитуды и частоты перемагничивающего поля, что указывает на энергетическую природу рассматриваемых явлений. Для получения количественных оценок приведенных результатов предполагается дальнейшее изучение рассматриваемых явлений на основе моделирования.

1. Орехов Г. Г. Влияние структуры и некоторых видов обработок ферромагнетиков на магнитоупругий эффект // Дефектоскопия. 1980. № 4. С. 86—90.

2. Кулеев В. Г., Атангулова Л. В. Влияние упругих напряжений на обратимую восприимчивость ферромагнитных сталей в разных магнитных состояниях // Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 87, № 5. С. 52—57.

3. Бида Г. В., Кулеев В. Г. Влияние упругой деформации на магнитные свойства сталей с различной структурой // Дефектоскопия. 1998. № 11. С. 12—26.

4. Atherton D. L., Ton V. The effects of stress on minor hysteresis loop // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1153—1156.

5. Atherton D. L., Ton V. Effect of order of stress and field application changes anhysteresis magnetization // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1157—1159.

6. Jagadish Ch., Clapham L., Atherton D. L. Influence of uniaxial elastic stress on power spectrum and pulse height distribution of surface Barkhausen noise in pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 26, N 3. P. 1160—1163.

7. Makar J. M., Atherton D. L. Effect of uniaxial stress on the reversible and irreversible permeabilities of 2 % Mn pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 30, N 4. P. 1380—1387.

8. Makar J. M., Atherton D. L. Effect of stress on magnitostriction of 2 % Mn pipeline steel // IEEE Trans. on Magnestics. 1990. Vol. 30, N 4. P. 1388—1394.

9. Нейман Л. Р., Калантаров П. Л. Теоретические основы электротехники. М.: Госэнергоиздат, 1959. Ч. 3. 194 с.

10. Плис А. И., Сливина Н. А. Лабораторный практикум по высшей математике. М.: Высш. школа. 1994. 416 с.

11. Дякин В. В., Сандовский В. А. Задачи электродинамики в неразрушающем контроле. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 390 с.

12. Киттель Ч., Галт Я. Теория ферромагнитных областей (доменов) // Магнитная структура ферромагнетиков / Под ред. С. В. Вонсовского. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. С. 459—506.

13. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. 391 с.

Сведения об авторах

Владимир Аронович Сандовский — д-р техн. наук; Институт физики металлов РАН, отд. неразрушаю-

щего контроля, Екатеринбург; E-mail: mar 19@e-sky.ru; sandov@imp.uran.ru

Евгений Михайлович Файншмидт — д-р техн. наук, профессор; Нижнетагильский технологический институт Уральского федерального университета им. Б. Н. Ельцина; E-mail: nti@ntiustu.ru

Рекомендована Нижнетагильским Поступила в редакцию

технологическим институтом 18.03.11 г.

Что такое магнитная проницаемость (мю)

Из многолетней технической практики нам известно, что индуктивность катушки сильно зависит от характеристик среды, где эта катушка находится. Если в катушку из медной проволоки, обладающую известной индуктивностью L0, добавить ферромагнитный сердечник, то при прочих прежних обстоятельствах токи самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания) в данной катушке многократно увеличатся, эксперимент это подтвердит, что и будет означать возросшую в несколько раз индуктивность, которая теперь станет равна L.

Что такое магнитная проницаемость (мю)

Допустим, что окружающая среда, вещество, заполняющее пространство внутри и вокруг описанной катушки, однородно, и порождаемое текущим по ее проводу током, магнитное поле локализовано только в этой обозначенной области, не выходя за ее границы.

Если катушка имеет тороидальную форму, форму замкнутого кольца, то данная среда вместе с полем окажется сосредоточена только внутри объема катушки, ибо снаружи тороида практически полностью магнитное поле отсутствует. Справедливо данное положение и для длинной катушки — соленоида, у которого все магнитные линии так же сосредоточены внутри — по оси.

Для примера допустим, что индуктивность некоторого контура или катушки без сердечника в вакууме равна L0. Тогда для такой же катушки, но уже в однородном веществе, которое заполняет пространство, где присутствуют магнитные силовые линии данной катушки, индуктивность пусть будет равна L. В этом случае получится, что отношение L/L0 – это есть не что иное, как относительная магнитная проницаемость названого вещества (иногда говорят просто «магнитная проницаемость»).

Становится очевидно: магнитная проницаемость — это величина, которая характеризует магнитные свойства данного вещества. Она зачастую зависит от состояния вещества (и от условий окружающей среды, таких как например температура и давление) и от его рода.

Магнитная проницаемость

Введение термина «магнитная проницаемость», применительно к веществу, размещенному в поле магнитном, аналогично введению термина «диэлектрическая проницаемость» для вещества находящегося в поле электрическом.

Значение магнитной проницаемости, определяемое по приведенной выше формуле L/L0, может быть выражена и как отношение абсолютных магнитных проницаемостей данного вещества и абсолютной пустоты (вакуума).

Легко заметить: магнитная проницаемость относительная (она же — магнитная проницаемость) — это величина безразмерная. А вот абсолютная магнитная проницаемость — имеет размерность Гн/м, ту же самую, что у магнитной проницаемости (абсолютной!) вакуума (она же — магнитная постоянная).

Магнитная индукция

Фактически видим, что среда (магнетик) влияет на индуктивность контура, и это однозначно свидетельствует о том, что изменение среды приводит к изменению магнитного потока Ф, пронизывающего контур, а значит и к изменению индукции В, применительно к любой точке магнитного поля.

Физический смысл данного наблюдения заключается в том, что при одном и том же токе катушки (при одной и той же магнитной напряженности H), индукция ее магнитного поля окажется в определенное количество раз больше (в некоторых случаях — меньше) в веществе с магнитной проницаемостью мю, чем в полном вакууме.

Это происходит потому, что среда намагничивается, и сама начинает обладать магнитным полем. Вещества, способные таким образом намагничиваться, называют магнетиками.

Единица измерения абсолютной магнитной проницаемости — 1 Гн/м (генри на метр или ньютон на ампер в квадрате), то есть это магнитная проницаемость такой среды, где при напряженности Н магнитного поля, равной 1 А/м — возникает магнитная индукция величиной 1 Тл.

Физическая картина явления

Из вышеизложенного становится ясно, что различные вещества (магнетики) под действием магнитного поля контура с током намагничиваются, и в результате получается магнитное поле, являющееся суммой магнитных полей — магнитного поля от намагниченной среды плюс от контура с током, потому оно отличается по величине от поля только контура с током без среды. Причина намагничивания магнетиков кроется в существовании мельчайших токов внутри каждого их атома.

Значения магнитной проницаемости различных веществ

По значению магнитной проницаемости, вещества классифицируются на диамагнетики (меньше единицы — намагничиваются против приложенного поля), парамагнетики (больше единицы — намагничиваются по направлению приложенного поля) и ферромагнетики (сильно больше единицы — намагничиваются, и обладают намагниченностью после отключения приложенного магнитного поля).

Ферромагнетикам свойственен гистерезис, поэтому понятие «магнитная проницаемость» в чистом виде к ферромагнетикам не применимо, но в некотором диапазоне намагничивания, в некотором приближении, можно выделить линейный участок кривой намагничивания, для которого получится оценить магнитную проницаемость.

У сверхпроводников магнитная проницаемость — 0 (поскольку магнитное поле полностью вытесняется из их объема), а абсолютная магнитная проницаемость воздуха почти равна мю вакуума (читай магнитной постоянной). У воздуха мю относительная чуть-чуть больше 1.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает метод определения действительной и мнимой составляю щих комплексной относительной магнитной проницаемости, характеризующей магнитные свойства материала, на основных гармониках напряженности магнитного поля и магнитной индукции, а также удельных магнитных потерь при форме кривой магнитного потока, близкой к синусоидальной. Определение магнитной проницаемости проводят при индукции до 1,0 Тл.

1.2 Метод применяют в диапазоне частот 0,05 — 10 кГц при амплитуде магнитной индукции от 0,1 до 1,2 Тл для изотропной стали и от 0,1 до 1,6 Тл — для анизотропной и при удельных магнитных потерях не более 50 Вт/кг.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 6746-94 Меры электрической емкости. Общие технические требования

ГОСТ 10160-75 Сплавы прецизионные магнитно-мягкие. Технические условия

ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования

ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия

ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия

ГОСТ 23737-79 Меры электрического сопротивления. Общие технические условия

3 Общие требования

Общие требования к методам испытания — по ГОСТ 12119.0.

Термины, применяемые в настоящем стандарте — по ГОСТ 12119.0.

4 Подготовка образцов для испытания

4.1 Образцы для испытаний должны иметь изоляцию.

4.2 Образцы кольцевой формы собирают из штампованных колец толщиной от 0,1 до 1,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Металлическая кассета должна иметь зазор.

Отношение наружного диаметра образца к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения — не менее 0,1 см 2 .

Образцы кольцевой формы должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.

Масса образца, г

Число витков в обмотках образца

4.3 Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной — (30,0 ± 0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2 %. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см 2 . Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос — двенадцать.

Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышать 1°.

Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую — поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два — из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два — поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.

Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.

5 Применяемая аппаратура

5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1 .

Рисунок 1 — Схема для измерений мостовым методом

5.1.1 Вольтметр PV1 для измерения амплитуды магнитной индукции должен иметь предел измерения от 1 до 100 В, входное сопротивление не менее 1,0 МОм, погрешность измерения в диапазоне частот 0,05 — 10 кГц в пределах ±0,5 %.

5.1.2 Измеритель нелинейных искажений PV2 для измерения коэффициента гармоник от 0,1 до 10 % с погрешностью в пределах ±10 %.

5.1.3 Магазин сопротивления R для уравновешивания моста по активной составляющей проводимости должен иметь верхний предел 10 или 100 кОм; постоянную времени, характеризующую остаточную реактивность, не более 2 мкс; класс точности не ниже 0,1 по ГОСТ 23737 .

5.1.4 Магазин емкости C для уравновешивания моста по реактивной составляющей проводимости должен иметь верхний предел не менее 1 мкФ, тангенс угла диэлектрических потерь не более 1 · 10 — 3 , плавное регулирование емкости и класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 6746 .

5. 1.5 Генератор G должен иметь выходное напряжение от 10 мВ до 5 В, диапазон частот (0,05 — 10 кГц), сопротивление нагрузки не более 5 кОм, коэффициент гармоник выходного напряжения не более 0,1 %.

5.1.6 Усилитель А1 должен иметь номинальное выходное напряжение не менее 25 В, номинальную выходную мощность не менее 100 В · А, коэффициент гармоник на активной нагрузке при номинальной мощности не более 0,5 %.

5.1.7 Индикатор напряжения А2 для определения равновесия моста должен иметь чувствительность не менее 0,1 дел./мкВ, избирательность по отношению к третьей гармонике не менее 50 дБ; диапазон частот 0,05 — 10 кГц.

5.1.8 Частотомер PF для измерения частоты с погрешностью в пределах ±0,2 %.

5.1.9 Фильтр Z для защиты индикатора напряжения от перегрузки должен обеспечивать подавление высших гармоник не менее чем на 30 дБ.

5.1.10 Обмотки образца Т1 намагничивающие (I) и измерительные (II) должны иметь одинаковое число витков.

5 .1.11 Магнитный компаратор Т2 для сравнения токов магазинов R и C с намагничивающим током должен иметь магнитопровод кольцевой формы из ленты сплава марки 79НМ толщиной 0,02 — 0,05 мм по ГОСТ 10160 ; внутренним диаметром не менее 60 мм, площадью поперечного сечения не менее 0,5 см 2 . Магнитопровод помещают в немагнитную кассету, на которую равномерно наматывают в один слой индикаторную обмотку IV проводом марки ПЭВ-2 диаметром 0,1 — 0,15 мм; затем накладывают экран; на него наматывают обмотки II, III сдвоенным проводом и обмотку I жгутом с числом проводов не менее пяти, диаметром 0,7 — 0,8 мм марки ПЭВ-2. Каждая обмотка должна наматываться равномерно по периметру магнитопровода и занимать целое число слоев.

Отношение числа витков обмотки II или III к числу витков обмотки I должно быть равно 76 при частоте 50 Гц и 16 — при более высоких частотах. Рекомендуется выбирать число витков обмотки I равным 4 и 19 при числе витков обмоток II и III — 304.

6 Подготовка к проведению измерений

6.1 Образцы из полос или кольцевой формы подключают, как указано на рисунке 1

6.2 Образцы из полос укладывают в аппарат Эпштейна, как указано на рисунке 2 .

Рисунок 2 — Схема укладки полос образца

Допускается фиксировать положение полос в аппарате, создавая давление не более 1 кПа перпендикулярно поверхности образца вне намагничивающих катушек.

6.3 Площадь поперечного сечения S , м 2 , образцов вычисляют следующим образом:

6.3.1 Площадь поперечного сечения S , м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной не менее 0,2 мм рассчитывают по формуле

где m — масса образца, кг;

D , d — наружный и внутренний диаметры кольца, м;

γ — плотность материала, кг/м 3 .

Плотность материала γ, кг/м 3 , выбирают по приложению 1 ГОСТ 21427.2 или рассчитывают по формуле

где K Si и K Ai — массовые доли кремния и алюминия, %.

6.3.2 Площадь поперечного сечения S , м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной менее 0,2 мм рассчитывают по формуле

где — отношение плотности изоляционного покрытия к плотности материала образца,

где γ п — плотность изоляции, принятая равной 1,6 · 10 3 кг/м 3 для неорганического покрытия и 1,1 · 10 3 кг/м 3 — для органического;

K з — коэффициент заполнения, определяемый, как указано в ГОСТ 21427.1.

6.3.3 Площадь поперечного сечения образцов S , м 2 , составленных из полос для аппарата Эпштейна, рассчитывают по формуле

где l п — длина полосы, м.

6.4 Погрешность определения массы образцов не должна выходить за пределы ±0,2 %; наружного и внутреннего диаметров кольца — ±0,5 %, длины полос — ±0,2 %.

6.5 Измерения при значении амплитуды магнитной индукции менее 1,0 Тл проводят после размагничивания образцов в поле частотой 50 Гц.

Устанавливают напряжение, соответствующее амплитуде магнитной индукции не менее 1,6 Тл для анизотропной стали и 1,3 Тл — для изотропной стали, и затем плавно уменьшают его.

Время размагничивания должно быть не менее 40 с.

При измерении магнитной индукции в поле напряженностью менее 1,0 А/м образцы выдерживают после размагничивания 24 ч; при измерении индукции в поле напряженностью более 1,0 А/м время выдержки может быть сокращено до 10 мин.

Допускается уменьшать время выдержки при относительной разности значений индукции, полученных после нормальной и сокращенной выдержек, в пределах ±2 %.

6.6 Для вольтметра PV 1, отградуированного в средневыпрямленных значениях, напряжение U cp , В, соответствующее заданной амплитуде магнитной индукции В, Тл, и частоте перемагничивания f , Гц, рассчитывают по формуле

где W 2 — число витков обмотки II образца;

6.7 Для вольтметра PV 1, отградуированного в действующих значениях напряжения синусоидальной формы, значение величины U , В, рассчитывают по формуле

6.8 При магнитном потоке вне образца, превышающем 0,2 % измеряемого, рассчитывают поправку Δ U , В, по формуле

где W 1 — число витков обмотки I образца;

μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 · 10 — 7 , Гн/м;

S 0 — площадь поперечного сечения обмотки II образца, м;

l ср — средняя длина магнитной силовой линии, м;

Для образцов кольцевой формы среднюю длину магнитной силовой линии l ср , м, рассчитывают по формуле

В стандартных испытаниях для образца из полос среднюю длину l ср , м, принимают равной 0,94 м. При необходимости повышения точности определения магнитных величин допускается выбирать значение l ср из таблицы 2.

Напряженность магнитного поля, А/м

Средняя длина магнитной силовой линии lср, м

Измерение магнитных и электрофизических характеристик магнитомягких, магнитотвердых материалов, диэлектриков и керамики

Возможности Центральной заводской лаборатории позволяют проводить следующие виды измерения по направлению контроля магнитных материалов:

  1. Cвойств магнитотвердых материалов в постоянных и импульсных магнитных полях:
  • магнитная петля гистерезиса и основная кривая намагничивания материалов AINiCo и ферриты;
  • кривая размагничивания материалов AINiCo, ферриты, SmCo5, Sm17Co17, NdFeB;
  • определять значения Вr, НcB, HcJ, BHmax, Mr Js, Hs, температурные коэффициенты aBr,aHcJ.
  1. Cвойств магнитомягких материалов в постоянных магнитных полях (электротехнические стали, пермаллои, специальные стали и сплавы) в разомкнутой и замкнутой магнитной цепи:
  • магнитная петля гистерезиса и основная кривая намагничивания;
  • магнитная петля гистерезиса и основная кривая намагничивания;
  • коэрцитивная сила по индукции НcB;
  • остаточная индукция Вr, индукция в заданных магнитных полях;
  • максимальная и начальная магнитные проницаемости;
  • коэффициент прямоугольности;
  • измерение содержания ферритной фазы в образцах хромоникелевых сталях аустенитного и аустенито-ферритного класса.
  1. Индуктивности и магнитной проницаемости ферритов.
  1. Свойств диэлектрических материалов (лаки, краски, прессматериалы, резины, лакоткани, керамика, пленки):
  • удельное объемное pv и удельное поверхностное ps сопротивления в диапазоне 10 3 /1,6*10 16 Ом на постоянном токе;
  • электрическую прочность на переменном и выпрямленном токе;
  • IZI, IYI, 0, R, X, G, В, С, L, tan, Q на частоте 20 / 50*10 6 Гц.
  1. Свойств высокочастотных материалов (до 10 10 Гц):
  • относительную диэлектрическую проницаемость;
  • тангенс угла диэлектрических потерь.
  1. Параметров токопроводящих клеев: удельное объемное сопротивление pv.

Возможно проведение аттестации магнитных катушек методом сличения.

Для решения аналитических задач используется современное измерительное оборудование, такое как гисторезисограф AMH-300, микровеберметр Ф190 и Ф1119, флюксметр EF-5, тесламетры ТПУ-03, ТП2-2У и ТХ-4/1, измеритель параметров магнитомягких материалов ММ50, феррометр МФ-51О, прецизионный анализатор RLC WK 6550P, терраомметр Agilent 4339B и др. Все измерительное оборудование проходит обязательную периодическую метрологическую поверку.

Узнать предварительную информацию о стоимости работ и сроках их выполнения Вы можете, заполнив Бланк заявки на проведение интересующих Вас работ или позвонив по указанным ниже телефонам.

Контактная информация:

Чернышев Дмитрий Львович
Главный металлург — начальник ЦЗЛ
Телефон +7 (8412) 23-28-84
E-mail:aes20@startatom.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *