Методичка по магнитному контролю. Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
В чем отличие диамагнитных и парамагнитных веществ от ферромагнитных? Магнитные свойства атомов вещества обусловлены движением электронов по орбите вокруг ядра атома (орбитальный магнитный момент), вращением 11 электронов вокруг собственной оси (спиновой магнитный момент электронов) и вращением атомного ядра вокруг своей оси (спиновой магнитный момент ядра атома). Диамагнетики – вещества, магнитные моменты атомов (молекул) которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, т. к. магнитные моменты всех электронов атома (молекулы) взаимно скомпенсированы. Такими свойствами обладают, например, вещества, в атомах, молекулах или ионах которых имеются только целиком заполненные электронные слои – инертные газы, водород, азот, хлористый натрий и др. При внесении во внешнее поле атомы (молекулы) диамагнетиков приобретают наведенные магнитные моменты. В диамагнетике, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. Внешнее магнитное поле создает в веществе индукционные токи, которые собственным полем стремятся противодействовать полю в соответствии с правилом Ленца. Возникновение этих токов обусловлено вращением электрона вокруг ядра. В результате этого каждый атом обладает магнитным моментом. В магнитном поле появляются силы, стремящиеся направить магнитный момент электрона по полю (ориентировать плоскость электронной орбиты перпен- дикулярно полю). Вследствие этого электронная орбита начинает прецесси- ровать вокруг направления поля. Такая прецессия эквивалентна появлению дополнительного вращения электрона, что приводит к дополнительному магнитному моменту, всегда ориентированному против поля. Явление диамагнетизма проявляется только тогда, когда все орбитальные и спиновые моменты в атоме скомпенсированы. У диамагнетиков r незначительно меньше единицы. Такие вещества незначительно ослабляют магнитное поле. Диамагнетики – цинк, свинец, золото, серебро и др. Явление диамагнетизма присуще почти всем веществам, однако не всегда оно наблюдается, т. к. перекрывается более сильным парамагнитным или ферромагнитным. Парамагнетиками называются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент. Это может быть связано как с орбитальным движением электронов в атомах (молекулах) парамагнетика, так и со спиновыми магнитными моментами этих электронов. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов различных атомов (молекул) парамагнетика ориентированы беспорядочно. Намагниченность парамагнетика равна нулю. В магнитном поле магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления поля. Совместное действие межатомных столкновений под действием теплового движения и магнитного поля приводит к преимущественной ориентации собственных магнитных моментов атомов по направлению внешнего поля, т. е. парамагнетик намагничивается вдоль поля. 12 Итак, к парамагнетикамотносятся вещества с нескомпенсированными магнитными моментами молекул и атомов. Во внешнем магнитном поле парамагнетики приобретают дополнительный магнитный момент, направленный вдоль поля. К парамагнетикам относятся хром, марганец, алюминий, кислород и др. У таких веществ r незначительно больше единицы. Во внешнем магнит- ном поле напряженность поля в них лишь очень незначительно возрастает. 1.3. Физические величины, характеризующие магнитные свойства вещества. Кривая намагничивания. Напряженность магнитного поля, намагниченность, магнитная индукция, индукция технического насыщения, магнитная проницаемость Приведите основные физические величины, которые характеризуют ферромагнитные свойства вещества. Ферромагнитные свойства вещества характеризуются: – вектором намагниченности, равным плотности магнитного момента в данном объеме, m dP M dV ; – вектором магнитной индукции 0 ( ), B H M где 0 – магнитная постоянная, 0 = 4 ꞏ10 -7 Гн/м; Н – напряженность магнитного поля; – абсолютной магнитной проницаемостью 0 a r B H , где r – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина), для ферромагнетиков r = f (Н) 1; – магнитной восприимчивостью a M H Из второго и последнего выражений следует r = 1 + a . Замечание. При использовании формул В = 0 ( H + M ) и В = 0 r следует помнить, что намагниченность М и относительная магнитная проницаемость r являются функцией напряженности поля. Строго говоря, при малых и средних значениях напряженности магнитного поля М является функцией Н , а при больших значениях Н намагниченность М стремится к постоянному значению. При больших значениях намагничивающего поля r стремится к единице, а a = r – 1 – к нулю. Что понимают под кривой первоначального намагничивания? Под кривой первоначального намагничивания понимают график зависи- мости намагниченности (магнитной индукции) образца от напряженности 13 поля, полученный при условии монотонного и медленного возрастания намагничивающего поля, в которое помещен полностью размагниченный образец (рис. 1.3). На кривой первоначального намагничивания можно выделить следующие характерные области: начального (обратимого) намагничивания, Релея, наибольших магнитных проницаемостей, приближения к насыщению и парапроцесса (см. рис. 1.3). Рис. 1.3. Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика: I – область начального (обратимого) намагничивания; II – область Релея; III – область наибольших магнитных проницаемостей; IV – область приближения к насыщению; V – область парапроцесса Почему кривая первоначального намагничивания не является технической характеристикой материала? Зависимость намагниченности (или магнитной индукции) полностью размагниченного образца от напряженности поля, монотонно и медленно изменяющегося от 0 до некоторой величины, называется кривой первоначального намагничивания (нулевая кривая). В общем случае кривую первоначального намагничивания можно разделить на пять частей. Для построения кривой первоначального намагничивания используется полностью размагниченный образец. Однако часто невозможно размагнитить образец так, чтобы в нем было действительно хаотическое расположение векторов магнитных моментов доменов (кроме случая нагревания выше температуры Кюри, когда это допустимо). Нагревание выше точки Кюри может привести к потере механических свойств изделия. То есть получить нужную кривую по этой причине сложно. Поэтому кривая первоначального намагни- чивания не является технической характеристикой материала, т. е. она непригодна для определения магнитных характеристик материала. 14 Дайте определение основной кривой намагничивания (индукции). Основная кривая намагничивания вещества – это кривая, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля (рис. 1.4). Каждая точка основной кривой намагничивания фиксируется после многократного коммутирования намагничивающего тока для получения установившегося цикла. Основная (коммутационная) кривая намагничивания является исходной для получения таких характеристик ферромагнитных материалов, как диф , max , обратим и др. Рис. 1.4. Основная кривая намагничивания вещества Почему для получения основной кривой намагничивания требуется многократное коммутирование намагничивающего тока? Если несколько раз изменить напряженность магнитного поля, в которое помещен образец, от + max Н до (– max Н ) и обратно, то положение вершин петли гистерезиса будет каждый раз несколько изменяться. Только после 10…12 цик- лов (а для некоторых материалов после 50…100) получается установившийся цикл. То есть положение вершин А и А петли стабилизируется после многократного коммутирования намагничивающего тока (рис. 1.5). Какая кривая намагничивания называется безгистерезисной? Намагничиванию ферромагнитных тел препятствует гистерезис, который можно сравнить с внутренним трением. Экспериментально можно получить кривую намагничивания, на которую гистерезис почти не оказывает влияния, – так называемую безгистерезисную кривую намагничивания (рис. 1.6). Она получается в результате наложения на образец небольшого постоянного намагничивающего поля и переменного магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой. 15 Рис. 1.5. Петля магнитного гистерезиса для симметричного цикла намагничивания Рис. 1.6. Вид основной (ОКН) и безгистерезисной (БКН) кривой намагничивания Намагничивание по безгистерезисной кривой может происходить и в результате приложения ударной нагрузки к ферромагнитному образцу, находящемуся в слабом магнитном поле. На практике это часто приводит к тому, что отдельные объекты, находящиеся в слабом магнитном поле, приобретают значительную остаточную намагниченность. Это ведет к трудностям при их эксплуатации. Известно, например, что в поле Земли ферромагнитные объекты намагничиваются слабо, однако если при этом на них воздействуют ударные нагрузки, то остаточная намагниченность может достигать большой величины, т. к. намагничивание происходит по безгистерезисной кривой. Высокую остаточную намагниченность в слабом поле Земли приобретают, например, длинные стальные трубы для строительства магистральных нефте- и газопроводов, которые в процессе транспортировки подвергаются ударным нагрузкам и тряске. Вследствие этого при их сварке возникают трудности, связанные с так называемым «магнитным дутьем». «Магнитное дутье» 16 обусловлено взаимодействием сварочной дуги с магнитным полем. Оно вызывает неустойчивость горения, блуждание и даже гашение сварочной дуги. Существуют специальные приемы, повышающие стабильность горения дуги. Однако кардинальный путь – это размагничивание концов труб перед сваркой. Второй пример – сильное намагничивание корпусов кораблей в поле Земли. Под действием ударов морских волн в слабом магнитном поле Земли стальной корпус судна намагничивается по безгистерезисной кривой. Остаточная намагниченность может достигать значительной величины, несмотря на то, что напряженность поля Земли возле магнитных полюсов достигает 0,54 А/см, на экваторе – 0,27 А/см, а в средних широтах – 0,27 А/см. Что такое абсолютная и относительная магнитная проницаемость? Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля H B а μ называется абсолютной магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость определяется по формуле 0 μ , μ r B H где 0 μ – магнитная постоянная, 0 μ = 4π ꞏ10 -7 Гн/м. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля. Вследствие гистерезиса эта зависимость неоднозначная. На практике чаще всего рассматривают участок кривой μ r = f (H)для случая возрастания напряженности магнитного поля от 0 до Н (рис. 1.7). Рис. 1.7. Зависимость магнитной проницаемости материала от напряженности магнитного поля 17 Как построить график зависимости μ r = f (H)? С этой целью для точек основной кривой намагничивания нужно найти отношения 0 μ i r i B H и поставить им в соответствие значения напряженности магнитного поля i H . Магнитная проницаемость материала достигает наибольшей величины при Н = (1,2...1,4) с H , где с H – коэрцитивная сила (см. рис. 1.7). Докажите, что если провести касательную из начала координат к основной кривой намагничивания, то точке касания соответствует r max μ . Абсолютная магнитная проницаемость определяется по формуле μ а В Н , где В и Н – координаты точек кривой намагничивания. Отноше- ние В Н можно рассматривать и как тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой, проходящей через начало координат и точку с координатами ( 1 B , 1 H ). Так как тангенс – функция возрастающая, то большему углу соответствует большее отношение 1 1 В Н . Угол наклона максимальный, если рассматриваемая прямая является касательной к кривой намагничивания (рис. 1.8). Рис. 1.8. К определению максимальной магнитной проницаемости вещества Что такое дифференциальная магнитная проницаемость возрастания ( убывания)? Дифференциальной магнитной проницаемостью возрастания называют предел отношения положительного приращения магнитной индукции 18 к вызвавшему его малому приращению напряженности магнитного поля при (рис. 1.9). Обозначается H B H d 0 lim μ Рис. 1.9. Определение дифференциальной магнитной проницаемости вещества Предел отношения отрицательного приращения магнитной индукции к вызвавшему его малому приращению напряженности магнитного поля при называется дифференциальной магнитной проницаемостью убывания d . При возрастании напряженности поля индукция изменяется по кривой намагничивания, при убывании – по ветви петли гистерезиса. Чем качественно отличаются графики зависимости В(Н) от М(Н)? После достижения намагниченности насыщения s M кривая М(Н) транс- формируется в прямую, параллельную оси абсцисс Н (рис. 1.10). Кривая В(Н) после достижения намагниченности s M преобразуется в прямую, направленную под углом к оси Н (рис. 1.11). Последнее легко понять из выраже- ния В = 0 μ ( Н + М) = 0 μ Н + 0 μ М. После того как намагниченность М достигла насыщения s M , второе слагаемое остается неизменным, а индукция при возрастании Н увеличивается за счет первого слагаемого. Что такое индукция технического насыщения? Индукция технического насыщения m B – это значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряженности магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения, к нулевому значению напряженности поля. Изложенному дадим графическую интерпретацию. На рис. 1.12 показан график зависимости магнитной индукции некоторого вещества от напряжен- ности магнитного поля (верхняя кривая). 19 В соответствии с формулой В = 0 μ 0 μ эту кривую можно рассмат- ривать как полученную графическим сложением прямой В = 0 μ и кри- вой В = 0 μ (см. рис. 1.12). Если продлить прямолинейный участок графика зависимости В = 0 μ 0 μ М до пересечения с осью ординат, то точка пересечения определит индукцию m B технического насыщения, которая для большинства контролируемых материалов составит около 0,95 max B , где max B – максимальная индукция, создаваемая молекулярными токами материала, т. е. теоретически возможная индукция насыщения ( max B соответствует намагни- ченности насыщения материала контролируемого изделия). Рис. 1.10. Зависимость намагниченности ферромагнетика от напряженности магнитного поля Рис. 1.11. Зависимость магнитной индукции ферромагнетика от напряженности магнитного поля Рис. 1.12. Зависимость магнитной индукции В и ее составляющих от напряженности поля 20 Как влияет температура ферромагнетика на его магнитные свойства? На рис. 1.13 показана зависимость остаточной индукции r B , коэрцитивной силы c H , потерь на гистерезис Р, начальной r нач и максимальной max r магнитной проницаемости технически чистого железа от температуры. Рис. 1.13. Влияние температуры ферромагнетика на его магнитные свойства: r B – остаточная индукция; c H – коэрцитивная сила; r нач – начальная относительная магнитная проницаемость; max r – максимальная магнитная проницаемость; Р – потери на гистерезис Как видно из рисунка, все зависимости нелинейные, причем наиболее резкое падение при приближении к точке Кюри наблюдается у магнитной проницаемости. Монотонно убывают с ростом температуры только коэрци- тивная сила и потери на гистерезис. r нач и max r монотонно возрастают до температуры около 700 °С, а затем резко убывают, приближаясь к точке Кюри. |