УДК 620.179.14
Костин В.Н. Электромагнитный контроль. Учебное электронное текстовое издание – Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 2013 г.
В учебном пособии приведены основные сведения об электромагнетизме, электрических и магнитных свойствах металлов и сплавов, способах создания и измерения магнитных полей. Особое внимание уделено свойствам ферромагнитных металлов. Описаны физические основы магнитных методов контроля нарушений сплошности и толщинометрии. Приведены сведения о магнитопорошковом, феррозондовом, индукционном и других методах дефектоскопии. Изложены основные принципы магнитного структурно-фазового анализа. Приведены сведения о физических принципах и основных методах вихретокового контроля. Описаны наиболее распространенные методы и устройства контроля эксплуатационных свойств металлических изделий.
Илл. 132 , табл. 10, библиограф. назв. 20.
С Уральский федеральный университет им. первого Президента России
Б.Н. Ельцина
С Институт физики металлов УрО РАН
Оглавление
1
УДК 620.179.14 2
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
От автора 21
Часть I. Физические основы электромагнитного 22
КОНТРОЛЯ 22
1. Металлы – объекты электромагнитного контроля 22
Рис. 1.1. Схема, иллюстрирующая различную ориентацию кристаллических решеток в поликристаллическом теле 23
Рис. 1.2. Схема точечных дефектов: 24
Рис. 1.3. Дислокация в кристаллической решетке (В) и её 25
плоскость сдвига (С) 25
Рис. 1.4. Плоскости в решетке объемоцентрированного куба 26
. (1.1) 28
(1.2) 28
, (1.3) 28
. (1.4) 29
, (1.5) 29
Таблица 1.1 29
, (1.6) 30
(1.7) 31
Таблица 1.2 31
Значение магнитной восприимчивости 31
Взаимодействие 31
с полем 31
Водород, азот, инертные газы, золото, ртуть, кремний, фосфор дерево, мрамор, вода 31
Кислород, литий, алюминий, натрий платина, калий, молибден, цезий, рубидий, осмий, вольфрам, цирконий 31
Железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, тербий, гадолиний, тулий, диспрозий, эрбий и их сплавы и соединения 32
2. Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе 33
2.1. Электрическое поле 33
, (1.8) 34
, (1.9) 34
. (1.10) 35
. (1.11) 35
, (1.12) 36
. (1.13) 36
, (1.14) 37
, (1.15) 37
. (1.16) 38
. (1.17) 39
, (1.18) 39
. (1.19) 41
. (1.20) 42
. (1.21) 43
, (1.22) 44
. (1.23) 44
. (1.24) 45
. (1.25) 45
. (1.26) 45
(1.27) 46
. (1.28) 46
, (1.29) 47
2.2. Магнитное поле 47
Рис. 1.5. Взаимодействие двух токов, текущих по параллельным 48
проводникам 48
. (1.30) 48
, (1.31) 50
. (1.32) 51
. (1.33) 51
. (1.34) 51
, (1.35) 51
, (1.36) 51
, (1.37) 52
Рис. 1.6. К пояснению закона Рис. 1.7. К расчету поля прямого 53
Био-Савара-Лапласа провода с током 53
. (1.38) 54
. (1.39) 54
Рис. 1.8. Поле кругового тока 55
. (1.40) 55
. (1.41) 56
Рис. 1.9. Поле на оси соленоида 56
, (1.42) 57
, (1.43) 57
, (1.44) 57
Рис. 1.10. Поле тока, текущего по цилиндру (а) и по трубе (б) 58
. (1.45) 60
Рис. 1.11. Взаимодействие Рис. 1.12. Рамка с током в 60
Контур с током в однородном поле. Рассмотрим сначала плоскую прямоугольную рамку в однородном поле , которое направлено вдоль какой-либо оси рамки (рис. 1.12), иными словами, нормаль к рамке перпендикулярна к . 61
, (1.46) 61
, (1.47) 61
, (1.48) 62
Рис. 1.13. Произвольный контур с током в магнитном поле 63
, (1.49) 63
. (1.50) 63
Теперь представим, что орбиты (по неизвестной пока причине) ориентированы упорядоченно (рис. 1.14). В центральной части микротоки компенсируются, но на поверхности создаётся нескомпенсированный результирующий ток, то есть такой магнит создаёт поле, ничем не отличающееся от поля соленоида. 64
Рис. 1.14. Молекулярные токи Ампера 64
. (1.51) 65
. (1.52) 65
2.3. Закон электромагнитной индукции 65
Рис. 1.15. К пояснению явления электромагнитной индукции 66
(1.53) 68
Рис. 1.16. Правило правого винта 69
, (1.54) 70
. (1.55) 71
(1.56) 72
( = const). (1.57) 72
2.4. Система уравнений Максвелла 72
, (1.58) 73
. (1.59) 73
, , (1.60) 74
, , (1.61) 74
, . (1.62) 75
, , (1.63) 76
, . (1.64) 76
, , , , (1.65) 78
, , , (1.66) 78
, . (1.67) 79
Рис. 1.17. К пояснению уравнений Максвелла 80
, где ; (1.68) 80
. (1.69) 81
Рис. 1.18. Рис. 1.19. 81
3. Ферромагнетизм 82
3.1. Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях 82
. (1.70) 82
Рис. 1.20. Начальная (1), основная (2) и идеальная (3) кривые 83
намагничивания 83
, (1.71) 84
, (1.72) 84
. (1.73) 85
. (1.74) 86
Рис. 1.21. К определению и и их зависимости от поля. 87
Рис. 1.22. Петли гистерезиса 88
Рис. 1.23. Отличие коэрцитивной силы по намагниченности от 90
коэрцитивной силы по индукции 90
. (1.75) 90
, (1.76) 90
Магнитное превращение. Известно, что при нагреве уменьшается намагниченность насыщения ферромагнитных металлов. Полная потеря ферромагнитных свойств и переход в парамагнитное состояние наступает при определенной температуре , называемой точкой (температурой) Кюри. На рис. 1.24 показано изменение намагниченности насыщения при увеличении температуры для трех типичных ферромагнетиков. 91
Рис. 1.24. Зависимость намагниченности насыщения железа, никеля 91
и кобальта от температуры 91
, (1.77) 92
, (1.78) 92
. (1.79) 93
3.2. Энергии ферромагнитного кристалла 93
Рис. 1.25. Зависимость обменной энергии от . 95
Рис. 1.26. Элементарные ячейки Fe (а), Ni (б), Со (в) и кривые 96
намагничивания вдоль кристаллографических осей. 96
, (1.80) 97
. (1.81) 98
, (1.82) 100
(1.83) 101
, (1.84) 102
, (1.85) 102
3.3. Доменная структура ферромагнетиков 102
Рис. 1.27. Разбиение ферромагнитного кристалла на домены, соответствующие уменьшению магнитостатической энергии размагничивающего поля 103
Рис. 1.28. Доменная структура в Рис. 1.29. Тонкая доменная 104
, (1.86) 105
Рис. 1.30. Структура граничного слоя между доменами в ферромагнитном 106
, (1.87) 106
. (1.88) 107
Рис. 1.31. Схема доменной структуры ферромагнетика с тремя 107
Рис. 1.32. Картины порошковых осадков, выявляющие доменную структуру на поверхности текстурованного кремнистого железа: 109
3.4. Процессы намагничивания 110
, (1.89) 110
. (1.90) 110
(1.91) 111
Смещение доменных границ. Эффект Баркгаузена. Под влиянием внешних воздействий условия равновесия границ между магнитными фазами меняются, и границы начинают смещаться. Это смещение будет продолжаться до тех пор, пока не установится новое равновесное состояние. При смещении границ в ферромагнетике возникают вихревые токи, магнитное поле которых противодействует этому смещению. В результате в каждом случае устанавливается конечная скорость смещения. Однако если процесс намагничивания вести достаточно медленно (квазистатически), то этими кинетическими эффектами можно пренебречь и считать, что граница смещается синхронно с изменением внешнего магнитного поля. 112
, (1.92) 112
Рис. 1.33. Схема доменной структуры 114
. (1.93) 115
(1.94) 115
, (1.95) 115
Рис. 1.34. Схема необратимого смещения доменной границы 116
(скачок Баркгаузена) 116
Рис. 1.35. Эффект Баркгаузена 120
121
Рис. 1.36. Основные области кривой намагничивания 121
, (1.96) 121
, (1.97) 122
3.5. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика 123
от дефектов структуры 123
Рис. 1.37. Схема смещения границы при образовании структуры «шлейфа» 124
, (1.98) 125
, (1.99) 126
. (1.100) 126
, (1.101) 126
Рис. 1.38. Распределение внутренних напряжений 127
для линейно-напряженного состояния 127
при >> следует . (1.102) 127
. (1.103) 127
, (1.104) 128
, (1.105) 130
, (1.106) 130
Таблица 1.3. 130
Предельные свойства 130
Материал 130
3.6. Намагничивание магнетиков конечных размеров 131
, (1.107) 132
, (1.108) 132
Таблица 1.4 133
. (1.109) 134
, (1.110) 135
. (1.111) 135
; (1.112) 135
. (1.113) 135
Рис. 1.39. Пластина в поперечном магнитном поле 136
. (1.114) 137
Таким образом, коэффициент размагничивания определен. 137
3.7. Магнитные свойства тела и вещества 137
Рис. 1.40. Построение кривой намагничивания материала (1) 138
по кривой намагничивания тела (2) 138
. (1.115) 138
(1.116) 140
, (1.117) 140
(1.118) 140
, (1.119) 140
(1.120) 140
. (1.121) 140
(1.122) 141
или . (1.123) 141
, (1.124) 141
. (1.125) 141
, (1.126) 141
. (1.127) 141
, (1.128) 142
3.8. Магнитные цепи 142
, (1.129) 142
(для участка цепи) , (1.130) 143
(для узла цепи) , (1.131) 143
. (1.132) 143
, и , (1.133) 143
Рис. 1.41. К расчёту магнитной цепи с тороидом 144