Остаточная индукция и коэрцитивная сила — справочник студента

Дефектоскопист > Магнитный контроль > Коэрцитивная сила Коэрцитивная сила (Нс) – один из самых информативных параметров в неразрушающем контроле и технической диагностике несущих металлоконструкций.

В физическом смысле она обозначает напряжённость внешнего магнитного поля, при которой намагниченность в материале, предварительно намагниченном до насыщения, становится равной нулю. Другими словами, величина равна напряжению магнитного поля, достаточному для того, чтобы изменить магнитную индукцию – от остаточных значений до нуля.

Измеряется специальными приборами – коэрцитиметрами – в ампер/сантиметрах (А/см) и ампер/метрах (А/м).

Как физическая величина коэрцитивная сила ферромагнетика зависит от нескольких факторов:

• толщины металла;
• размера зерна;
• структурных неоднородностей;
• термомеханической обработки, которой подвергся прокат на этапе изготовления;
• легирующих добавок в составе и пр.

Коэрцитивная сила – очень важная характеристика для оценки текущего состояния металлоконструкций и изделий, предварительно подвергнутых термомеханической обработке, после которой в материале остаётся множество микроповреждений и напряжений. В дальнейшем ситуация усугубляется механическими нагрузками, коррозионными процессами, климатическими факторами. Дополнительно влияет собственный вес конструкции, цикличность внешних воздействий, вибрация и т.д. Степень усталости и так называемый уровень деградации металла возрастают. Остаточный ресурс сооружения – наоборот, уменьшается. Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации и избежать аварий, нужно «держать руку на пульсе». А именно – периодически проверять напряжённо-деформированное состояние металла. Мониторинг деградации материалов позволяет точнее спрогнозировать фактический срок службы конструкции. Из всех видов неразрушающего контроля для такой диагностики лучше всего годится метод магнитный коэрцитиметрический (ММК). Это одно из ответвлений магнитной дефектоскопии, которое базируется на том, что коэрцитивная сила находится в корреляционной зависимости от механических свойств металла. У низколегированных и углеродистых сталей, например, под действием усталостного напряжения она может увеличиваться в 3–4 раза по мере эксплуатации.

Чтобы лучше понять сущность коэрцитиметрии, давайте рассмотрим её ключевые технологические этапы.

1. Всё начинается с механических испытаний образцов ферромагнетика, из которого изготовлен объект контроля. Образец растягивают на специальном стенде (разрывной машине) со ступенчатым нагружением вплоть до полного разрушения. Параллельно с увеличением напряжённого состояния металла измеряют его коэрцитивную силу. В результате испытаний на растяжение составляется диаграмма «нагружение–коэрцитивная сила», на которой отчётливо видно, как последняя увеличивается в 2–4 раза по мере зарождения и развития микроповреждений. Другими словами, Нс определяется экспериментально, и конечно же, для большинства типовых сплавов (магнитотвёрдых и магнитомягких) уже давно составлены таблицы с базовыми значениями.
2. В процессе эксплуатации сооружения периодически проводятся обследования при помощи коэрцитиметров.
3. Полученные в ходе измерений значения коэрцитивной силы сравниваются с исходными (начальными) данными. После проведения контроля коэрцитиметрическим методом у оператора в распоряжении минимум 3 цифры: начальное значение, текущее и конечное (при котором материал полностью деградирует и разрушается). Сопоставляя их между собой и ориентируясь на фактическое состояние металла (коэрцитивную силу в данный конкретный момент времени), специалист рассчитывает остаточный ресурс конструкции.
4. В зависимости от того, как близок материал к критическому состоянию, несовместимому с безопасной эксплуатацией, принимается решение о дальнейшей наблюдении, или локальном ремонте, или реконструкции объекта.

Метод магнитный коэрцитиметрический регламентирован такими документами, как СТО 36554501-040-2014 и ГОСТ Р 58599-2019. Знание этой величины позволяет:

• проверять механические свойства металлов, прежде всего – их прочность и пластичность, с которыми у Нс существует надёжная корреляционная связь;
• рассортировывать стали по маркам (у каждого сплава – своё содержание углерода, влияющее на значение Нс);
• определять качество отжига, закалки, последующего отпуска и других видов низкотемпературной (в пределах 100–300 ˚С) термообработки из легированных, средне- и высокоуглеродистых сталей. Не случайно измерение коэрцитивной силы часто практикуют при расследовании пожаров: чем выше её значение, тем дольше металл был в огне и, следовательно, тем ближе объект находился к эпицентру возгорания;
• измерять глубину и твёрдость упрочнённых слоёв (для проникновения магнитного потока в поверхностный слой и «сердцевину» материала применяются сменные сердечники разной площади);
• контролировать напряжённо-деформированное состояние ответственных сооружений – пролётов мостов, перекрытий, стрел подъёмных механизмов и прочих критически важных, несущих конструкций;
• оценивать физический износ конструкций, проектировать их усиление, реконструкцию и т.д.

Измерение Нс широко практикуется на предприятиях металлургической и машиностроительной промышленности для контроля твёрдости и микроструктуры поковок, подшипников, прутков, пружин, режущего инструмента и прочих изделий. Если вы захотите глубже изучить коэрцитивную силу ферромагнетиков как физическое явление, то вы обязательно встретите этот термин в научной и учебной литературе. Например, в 8-томном справочнике «Неразрушающий контроль» под редакцией В.В. Клюева (том 6, книга 1) он точно есть. Мы не будем сейчас углубляться в теорию и загружать читателей такими терминами, как «магнитная доменная структура» и «магнитная анизотропия». Просто постараемся вкратце изложить, о чём, собственно, речь.

Магнитный гистерезис – явление, при котором векторы намагниченности и напряжённости магнитного поля определяются не только приложенным внешним полем, но и предысторией объекта. Одно из необходимых условий – достижение точки насыщения.

Так, если пустить ток на электромагнитную катушку с высокой напряжённостью поля и дождаться, когда магнитный поток достигнет максимальной плотности, а затем отключить ток намагничивания, – то поток не исчезнет на 100%. Причина этого кроется в «памяти» ферромагнитного сердечника на молекулярном уровне.

Коэрцитивная сила как раз и обозначает то, какой должна быть отрицательная напряжённость магнитного поля, чтобы уменьшить остаточную плотность потока.

Магнитный гистерезис графически изображается в виде петли. Попробуем расшифровать, что на ней отображено:

• ось B – обозначает плотность магнитного потока;
• ось Н – обозначает напряжённость магнитного потока. Предположим, мы берём сердечник, у которого B и Н равны нулю, и подаём ток намагничивания. Плотность и напряжённость будут расти (путь от точки f до точки a), но не до бесконечности, а до определённого уровня. Это и есть то самое насыщение, о котором мы говорили выше;
• далее – когда мы отключаем ток, магнитное поле сводится к нулю (путь от точки a до точки b), однако в силу магнитного гистерезиса и остаточного магнетизма с магнитным потоком этого не произойдёт, и он задержится на определённом уровне (точка b);
• для уменьшения магнитного потока до нуля нужно обратить ток, протекающий в катушке, в обратном направлении. Коэрцитивная сила – это и есть необходимая для этого сила намагничивания, достаточная для того, чтобы обнулить остаточную плотность потока, пока он не достигнет точки с на графике;
• если продолжить увеличивать обратный ток, то сердечник будет намагничиваться уже в обратном направлении, пока не достигнет насыщения (точка d, симметричная точки a);
• соответственно, если отключить ток, то магнитное поле уменьшится до нуля, а вот намагниченность – снова задержится на определённом уровне, но в отрицательном диапазоне (точка e, симметричная точке b);
• если постоянно чередовать ток с положительным и отрицательным значениями, то кривая будет вновь и вновь проходить «по маршруту» между точками a, b, с, d, e, f и опять возвращаться в точку a. Эта траектория и образует магнитную петлю гистерезиса.

У магнитомягких материалов она получается узкой. У магнитотвёрдых, наоборот, может оказаться очень широкой. Связано это с коэрцитивной силой – чем она больше, тем дальше от нуля располагаются точки c, b, e и f. Тем большую обратную силу намагниченности нужно приложить, чтобы преодолеть остаточный магнетизм.

Преимущества коэрцитиметрии

По сравнению с другими методами неразрушающего контроля и технической диагностики она имеет ряд бесспорных достоинств.

1. Полнота и достоверность практической информации о фактическом состоянии металла.

   Классическая дефектоскопия позволяет лишь косвенно судить об этом (и направлена, в сущности, на обнаружение причин разрушений), в то время как коэрцитиметрический метод направлен непосредственно на оценку усталости и напряжённости, к которым привели развивающиеся микроповреждения.

2. Практически полное отсутствие помех.

   В наших статьях, посвящённых ультразвуковым, вихретоковым и магнитным дефектоскопам, то и дело упоминается соотношение сигнал-шум. У коэрцитиметров этого нет. Для их использования не нужно тщательно зачищать поверхность, удалять немагнитное покрытие (по крайней мере, если его толщина не превышает 5–6 мм), наносить контактную жидкость.

   В процессе измерения коэрцитивной силы регистрируются усталостные изменения в металле, и ничего более.

3. Сокращение затрат на другие виды диагностики и неразрушающего контроля. Его проведение становится целесообразным только тогда, когда усталостная микроповреждённость достигла некоего критического уровня (у каждого сплава он свой).

   До этого момента правильнее говорить не о дефектах, а о концентрациях напряжений. Периодический мониторинг коэрцитивной силы позволяет выявлять проблемные зоны, сходу получая общее представление о текущем состоянии сооружения и избавляя от лишних затрат на другие виды НК.

4. Выявить зоны-концентраторы гораздо проще, чем возникающие в них усталостные дефекты.

   Усталостные зоны располагаются логично, в соответствии с распределением нагрузок. Дефекты же могут возникнуть неожиданно в самом, казалось бы, неочевидном месте.

5. Коэрцитивная сила – исчисляемое в «осязаемых» физических величинах, количественное и качественное выражение таких абстрактных, на первый взгляд, характеристик, как усталость и ресурс.

   Это простой, наглядный и выраженный в конкретных цифрах критерий, благодаря которому результаты технической диагностики получаются более понятными, объективными и обоснованными.

6. Возможность применения коэрцитиметрического метода на любом этапе «жизненного цикла» сооружения.

   Начиная от изготовления конструктивных деталей и монтажа и заканчивая текущей эксплуатацией и реконструкцией. Это открывает возможности для статистической обработки результатов, построения наглядных графиков, диаграмм и пр.

   Так, на основе значений коэрцитивной силы отдельных зон и конструктивных элементов можно вывести интегральную численную характеристику сооружения в целом и планировать стратегию дальнейшей эксплуатации.

Коэрцитиметрия, конечно, не способна заменить всего многообразия видов НК, но она многократно повышает эффективность их применения. Сама идея коэрцитиметрического метода, его «философия» предполагает отношение к металлу как к живой, подвижной, развивающейся системе. Объект контроля предстаёт здесь как динамичный «организм», и это абсолютно верно, поскольку меняется всё, от внешних сред до внутренних, структурных процессов. В этом плане к коэрцитиметрии «близок по духу» разве что акустико-эмиссионный контроль, суть которого сводится к тому, чтобы «услышать» образование и развитие дефектов в процессе нагружения.

Какое место будет занимать коэрцитиметрия в технической диагностике будущего – покажет время. Чтобы лучше разбираться в возможностях этого метода, присоединяйтесь к профессиональному сообществу «Дефектоскопист.ру». На нашем форуме вы можете обсудить вопросы, касающиеся коэрцитивной силы, со специалистами МК из разных регионов России и ближнего зарубежья.

Источник: https://defektoskopist.ru/page.php?p=magnitniy-kontrol/koertsitivnaya-sila

Метод определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкций (коэрцитиметрия)

Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) стальных металлоконструкций является одним из определяющих факторов в оценке надежности подъемного сооружения в процессе эксплуатации.

С внедрением в производство сварных металлоконструкций необходимость оценки НДС становилась все более актуальной на всех стадиях жизненного цикла изделия, т.к. темпы старения оборудования значительно опережают темпы технического перевооружения.

За последние двадцать лет из-за физического старения более 85% кранового парка вышли за пределы нормативного срока эксплуатации, что предоставляет угрозу промышленной безопасности.

Более того, после развала СССР и последствий финансовых и экономических кризисов вместо обанкротившихся предприятий на освободившихся площадях появились новые, но с другим профилем производства, собственники которых стали основными потребителями на «вторичном рынке» дешёвой крановой техники, неизвестно сколько лет бывшей в эксплуатации.

В качестве одного из направлений решения этой проблемы на основании многолетних исследований получила распространение практика диагностики металлоконструкций подъёмных сооружений при экспертизе промышленной безопасности на основе измерения магнитной характеристики металла — коэрцитивной силы (Hc).

Теоретические основы оценки напряженно-деформированного состояния несущей металлоконструкции крана

• 1. Взаимосвязь магнитных и механических свойств со структурным состоянием сталей и сплавов
• При оценке напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кранов в основу методик магнитной диагностики (неразрушающих методов контроля) положены взаимосвязь и корреляционные зависимости магнитных, электромагнитных и механических свойств сталей и сплавов, которые определяются структурным состоянием, химическим и фазовым составами вещества.
• Из всех магнитных свойств к структурно-чувствительным характеристикам относятся кривая намагничивания, форма и площадь петли магнитного гистерезиса (имеется в виду частный установившийся цикл, для чего производят многократное коммутирование магнитного поля от +Нmах до –Нmах) и их основные параметры: коэрцитивная сила Hc; остаточная индукция Вг, (Н) или остаточная намагниченность Мг (Н), магнитная проницаемость (восприимчивость) вещества Мг, и магнитная проницаемость кривой намагничивания (Мн, Мmах).
• Структурно-чувствительные магнитные характеристики анизотропны; они чувствительны к кристаллографической структуре, изменениям микро и макронапряжений, к микроструктуре, форме и размерам.
• Величина коэрцитивной силы Hc зависит от объема и размеров (дисперсности) включений.
• Например: магнитные и электрические свойства микроструктуры сталей зависят от содержания углерода и легирующих элементов.
• Повышение содержания углерода приводит к увеличению коэрцитивной силы, электросопротивления и снижению намагниченности насыщения.
• Наличие в сталях 09Г2С, 20ХН3А легирующих элементов также приводит к увеличению (Сг, Si, Ni, Сu) или уменьшению (Мn) коэрцитивной силы.
• Анализируя влияние различных структурных параметров на торможение скользящих дислокаций и задержку смещения доменных границ, можно отметить общность их влияния на механические и магнитные свойства.
• Так, повышение в структуре стали плотности дислокаций (N) сопровождается увеличением прочностных характеристик и значений коэрцитивной силы.
• Следует отметить, что σ0,2 (условный предел текучести) и Hc пропорциональны N .
• Повышение микронапряжений в стали приводит к росту σ0,2 и Нc.
• Увеличение объема перлитной составляющей в структуре стали сопровождаются повышением Нc и σ0,2.
• Показателен тот факт, что коэрцитивная сила и условный предел текучести пропорциональны объему включений в стали; по теории Керстена Нс~v2/3 и экспериментальные данные для σ0,2 дают такую же зависимость.
• Увеличение размера зерна (d) сопровождается снижением как σ0,2 так и Hc; правда, Hc~1/d, σ 0,2∼1 / d .
• Таким образом, неразрушающий магнитный метод контроля применяется при наличии устойчивых парных или множественных вероятностных соотношений между контролируемыми показателями качества металлоконструкции и магнитными характеристиками стали.

Корреляционная связь между магнитными характеристиками и механическими свойствами — показателями качества (σ0,2; σB; твердость; величина зерна; показатели деформационного упрочнения и неравномерной пластической деформации и т.п.) определяется на основании информационного массива для каждой марки стали или групп марок сталей, отличающихся в основном содержанием углерода и «магнито-жесткими» или «магнито-мягкими» легирующими элементами.

2. Физические основы магнитного контроля.

Неразрушающий магнитный контроль механических свойств ферромагнитных материалов основан на корреляции между магнитными и физико-механическими свойствами, когда они одновременно зависят от одних и тех же факторов: химического состава, режима термической обработки, пластической деформации, микро- и макронапряжений, расположения дислокаций и др.

В случае углеродистых малолегированных сталей вышеперечисленные факторы одновременно и однозначно влияют на механические и магнитные свойства металла.

Поэтому неразрушающий магнитный метод может успешно применяться для контроля напряженно-деформированного состояния металла, уровня пластической деформации и усталостных повреждений наиболее нагруженных узлов металлоконструкций, работающих в условиях длительного циклического нагружения к таковым относятся ездовые балки двутавра и элементы опорных узлов.

Микро- и макродефекты структуры, накапливаясь в металле в процессе циклического нагружения при растяжении, сжатии, изгибе или кручении, как бы собирают и хранят информацию, однозначно связанную с максимальными величинами действовавших нагрузок, в результате чего структура металла стальной детали конструкции выполняет функции своеобразного запоминающего датчика пикового значения силы. А ряд магнитных параметров, однозначно связанных с количеством нарушений структуры металла, таким образом, является своеобразным отображением силового режима работы конструкции.

1. В качестве основного контролируемого магнитного параметра была выбрана величина коэрцитивной силы Hc, так как она однозначно связана с остаточной пластической деформацией εpl при статическом и циклическом нагружении металлоконструкций в процессе эксплуатации.
2. По своей природе Hc и εpl являются взаимосвязанными параметрами, возрастающими при циклическом нагружении, как это можно видеть при анализе магнитных и деформационных петель гистерезиса, рисунок 1. По своему физическому смыслу коэрцитивная сила Hc — это напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика (при В=0 по предельной петле гистерезиса), и может быть представлена, как:
3. Hc=B/E+(B/K)1/n (1)
4. где:

В	остаточная индукция;
К	циклический коэффициент напряжения;
n	циклический коэффициент упрочнения;
E	модуль упругости.

• Остаточная деформация εpl — амплитуда необратимой деформации — определяется аналогичными параметрами:
• εpl=σ/E+(σ/K)1/n (2)
• где:

σ	амплитуда нагружения;
E	модуль упругости.

H c = B E + B K 1 n (3)

ε pl = σ E + σ K 1 n (4)

Нс	коэрцитивная сила	εpl	остаточная деформация
Вост	остаточная индукция	σa	амплитуда нагружений
К	циклический коэффициент напряжения	n	циклический коэффициент упрочнения

Рисунок 1. Магнитная и деформационная петли гистерезиса при МЦУ.

При наличии корреляционных зависимостей между Hc и εpl по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления повреждений в металле, упруго-пластической деформации металла, а также прогнозировать усталостную долговечность металла.

Практически все виды сталей, применяемых при конструировании несущих элементов грузоподъемных машин и механизмов, относятся к классу разупрочняемых, у которых < 0,1, а величина Нс в состоянии поставки сравнительно невысока: от 1,5 до 10 А/см.

Для таких сталей, как правило, существует устойчивая корреляция магнитных и физико-механических свойств с коэффициентом корреляции не хуже, чем 0,9.

1. Номограммы нагружения для сталей 09Г2С, 20ХН3А, Ст3 приведены на рисунке 2.
2. 
3. Рисунок 2. Номограммы для определения величины напряжения по значениям коэрцитивной силы в конструкциях из сталей Ст 3, 09Г2С, 20ХН3А

3. Магнитная структуроскопия и контроль напряженно-деформированного состояния металлоконструкций подъёмных сооружений.

По аналогии с контролем механических свойств сталей на основе диаграммы нагружения в методике магнитного контроля введены следующие базовые параметры состояния металла:

H c 0	исходное значение коэрцитивной силы, при отсутствии внутренних напряжений оно минимально для любой марки стали.
H c T	соответствуют уровню внутренних напряжений, равных физическому пределу текучести (σT).
H c B	соответствует достижению предела прочности стали (σB).
H c N	соответствует достижению предела усталости (σ0) при МЦУ.

В зависимости от принятых в нормативно-технической документации критериев при расчете конструкционной прочности несущих элементов критические значения коэрцитивной силы могут быть установлены на уровне предела текучести H c T или предела прочности H c B .

Характерно, что при оценке ресурса металлоконструкции, значения H c N и H c B совпадают, так как предельное состояние металла по величине коэрцитивной силы одинаково для циклического и статического нагружения.

В соответствии с МВ 0.00-7.01-05 контроль состояния элементов металлоконструкций осуществляется на основе номограмм, построенных для каждого типа стали со статистической обработкой результатов по ГОСТ 30415-96.

Изменение величины коэрцитивной силы в металле, как указывалось выше, производится магнитным структуроскопом КРМ-ЦК-2М, разработанным НПФ «СНР» и МНПО «СПЕКТР» для диагностирования объектов Госпромгорнадзора МЧС Украины и Госгортехнадзора России.

Структуроскоп прошел Межведомственную комиссию имеет Сертификат соответствия метрологическим нормам №0000482.

При наличии корреляционных зависимостей по ГОСТ 30415-96 прибором можно вести контроль напряжений, деформаций и ресурса стальных металлоконструкций.

Количественными критериями оценки состояния металлоконструкции служат максимальные значения коэрцитивной силы H c max в расчетных элементах подъёмных сооружений в процессе эксплуатации.

С переходом в упруго-пластическое состояние ( H c max = H c T ) металл начинает терять запас пластичности, который окончательно исчерпывается на стадии разупрочнения и перехода к разрушению, когда ( H c max = H c B ).

Поэтому весь прогнозируемый срок работы подъёмного сооружения (ПС) может быть разделен на этапы по степени накопления остаточных деформаций и микроповреждений в наиболее нагруженных элементах металлоконструкций. МВ 0.00-7.01-05 предусмотрены три режима эксплуатации ПС:

1. режим «надежной» эксплуатации при H c max

Источник: http://www.tuev-dieks.com/services/technical-diagnosis/methods-of-survey/koerczitivnyij-metod/

Понятие о коэрцитивной силе и методах ее определения для ферромагнетиков

Вопрос 60: Понятие
о коэрцитивной силе и методах ее определения для ферромагнетиков. Какие задачи
в области металловедения можно решить по результатам определения Hc?

Важнейшей магнитной характеристикой ферромагнетиков является коэрцитивная
сила.

Коэрцитивная сила (Нс) численно равна напряженности магнитного ноля,
необходимого для полного размагничивания образца, предварительно намагниченного
до насыщения, т.е. напряженности поля,
при котором индукция или
намагниченность образца из ферромагнитного сплава падают до нуля.

J – намагниченность; H – напряженность поля; Jr – остаточная намагниченность; Нс — коэрцитивная сила

Кривая намагничивания и петля
гистерезиса:

Коэрцитивная сила
является структурно-чувствительным
свойством.

Это означает, что коэрцитивная сила будет изменяться не только под
влиянием изменения состава и относительного содержания фаз в сплаве, но также в зависимости
от дисперсностиприсутствующих фаз, уровня
макро- и микронапряжений, изменений плотности дислокаций и т.д.

Чистые металлы, а также, твердые растворы, не претерпевающие
упорядочения, как правило, характеризуются
низкой коэрцитивной
силой. Применение пластической деформации повышает
коэрцитивную силу этих металлов и
сплавов, но она по абсолютной величине остается невысокой.

У сплавов с гетерогенной
структурой коэрцитивная сила
повышается:и тем больше, чем ваше дисперсность структуры. Рост микронапряжений и
плотности дислокаций также увеличивает коэрцитивную силу, как, например, в случае эакалки стали на мартенсит.

Наиболее высокие значения коэрцитивной силы достигаются в сплавах, имеющих превращения  в твердом состоянии (например,
упомянутое уже образование мартенсита при закалке, распад
пересыщенных твердых растворов и превращение упорядоченных твердых
растворов в неупорядоченные).

Измерение коэрцитивной
силы в ферромагнитных сплавах
довольно широко применяется при изучении структурных изменений в сплаве, возникающих под влиянием paзличных обработок. Например, в
результате закалки коэрцитивная сила углеродистых и низколегированных
сталей возрастает. Причем тем значительней, чем выше содержание углерода в стали.

Повышение коэрцитивной силы в результате закалки стали обусловлено
в основном образованием мартенсита.

Это объясняется теорией коэрцитивной силы,          в
частности, такими ее разделами как теория напряжений и дислокационная теория.

Некоторое дополнительное увеличение коэрцитивной
силы
 получается в том случае, если наряду с мартенситом в стали присутствует
остаточный аустенит. Количество остаточного аустенита в стали тем больше, чем
выше содержание углерода в стали. Максимум увеличения коэрцитивной
силы соответствует определенному количеству аустенита.

Для измерения коэрцитивной силы
довольно часто применяют метод сбрасывания измерительной катушки с образца.

Измерение коэрцитивной силы данным
методом производится следующим образом:

В измерительную катушку, присоединенную к баллистическому
гальванометру вводят предварительно намагниченный до насыщения образец. При
выдергивании образца из этой катушки магнитные силовые линии образца пересекают
витки катушки, поэтому в ней индуктируется электродвижущая сила.

Вызванный этой электродвижущей силой ток приведет к
отклонению зеркальца баллистического
гальванометра на угол α0. Измерительная
катушка вместе с образцом находится внутри соленоида. Направление его
магнитного поля противоположно направлению намагниченности образца, поэтому
соленоид называется размагничивающим.

Если пропустить по соленоиду небольшой величины
ток i1,
то произойдет частичное размагничивание образца. В этом случае
при выдергивании образца из измерительной катушки
в ней возникнет ток меньшей
величины, чем в первом случае и, следовательно, отклонение зеркальце баллистического
гальванометра α1  будет меньше, чем α0.

Если
небольшими ступенями увеличивать ток в  размагничивающем соленоиде,
то при некотором его значении iс произойдет
полное размагничивание образца, т.е. будет достигнуто магнитное
поле, равное коэрцитивной силе (Нс) образца.

В этом случае при
выдергивании образца из измерительной катушки отклонение зеркальца гальванометра
будет равно нулю. По значению тока iс можно определить
величину коэрцитивной силы Нс по
формуле:

Нс = iс · К,
   [э]         

где К —
постоянная размагничивавшего соленоида, показывающая величину поля на оси
соленоида в эрстедах при протеканий по нему тока в 1 ампер [э/А].

Источник: https://vunivere.ru/work50608

Перемагничивание стали. коэрцитивная сила

·  Состояние материала, при котором дальнейшее увеличение на­пряженности магнитного поля не приводит к возрастанию его на­магниченности, называется магнитным насыщением.

·  Магнитные свойства материалов характеризуются их абсолют­ной магнитной проницаемостью μa. Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и изме­ряется в генри/метр (гн/м).

·  Абсолютная магнитная проницаемость вакуума  μa = 4π10-7 гн/м. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначи­тельно отличается и при технических расчетах принимается равной 4 π 10-7 гн/м. .

·  Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных выше материалов практически одинакова, то μa назы­вается магнитной постоянной μ0.

·  Абсолютная магнитная проницаемость μa ферромагнитных ма­териалов непостоянна и во много раз превышает магнитную прони­цаемость вакуума.

·  Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость μa ферромагнитного материала больше магнитной постоянной μ0, называется относительной магнитной проницае­мостью μ или сокращенно магнитной проницаемостью (табл. 3).

·  Пример. Сталь в определенных условиях обладает абсолютной магнитной проницаемостью μa =0,0008792 гн/м. Вычислить относительную магнитную прони­цаемость μ этой стали.

·  Решение. Магнитная постоянная  μ0 =4.π10-7 г/м, тогда относительная магнитная проницаемость

·  Как видно из кривых намагничивания (см. рис. 33), способность материалов намагничиваться – их магнитная проницаемость  — в слабых магнитных полях велика, а затем с ростом индукции постепенно уменьшается.

·  Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнитных материалов — величина изменяющаяся, зависящая от степени их на­магничивания.

· 

·  При одной и той же напряженности магнитного поля магнитная  индукция в стали больше, чем в чугуне. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость стали больше магнитной проницаемости чугуна.

·  Магнитная  индукция прямо пропорциональна  напряженности поля Н и абсолютной магнитной проницаемости  μa намагничиваемого материала:

·  Пример. Напряженность магнитного поля катушки Н=750 а/м, а абсолютная магнитная проницаемость сердечника μa =0,0008792 гн/м. Определить магнитную индукцию сердечника.

·  Решение. Магнитная индукция В= μaН=0,0008792х750==0,65 тл. Так как 1 тс=10 000 гс, то 0,65 тл=6500 гс.

·  § 40. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛИ. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА

·  Катушка (рис. 34), имеющая тороидальный сердечник, подклю­чена через двойной переключатель П к источнику постоянного тока. Для изменения тока, протекающего по катушке, в цепь включен реостат Р, а для измерения тока — амперметр А. Если изменить реостатом силу тока в катушке, то изменится напряженность магнитного поля и магнитная индукция сердечника (см. рис. 34).

·  С увеличением тока в катушке намагничивание сердечника  (магнитная индукция) будет возрастать и при напряженности  поля H1 наступит его магнитное насыщение (точка А). Магнитная индукция достигнет значения В1.

По мере уменьшения тока сталь будет размагничиваться, так как при снижении напряженности магнитного поля магнитная индукция уменьшается.

Однако умень­шение магнитной индукции будет происходить не по кривой начального намагничивания ОА, а по, другой кривой АБ, расположенной выше ОА.

·  Когда сила тока, уменьшаясь, станет равной нулю, намагничи­вающее поле катушки также будет равно нулю, магнитная же индукция в сердечнике еще не достигнет нуля, а сохранит некоторое значение, определяемое отрезком ОБ. Этот отрезок характеризует величину остаточной магнитной индукции Вост.

·  Сохранение намагниченности материалом при отсутствии внеш­него магнитного поля называется остаточным магнетизмом.

·  Чтобы полностью размагнитить стальной сердечник, необходимо создать магнитное поле противоположного направления. Для этого по обмотке тороида пропускают ток в противоположном направле­нии (поставив переключатель П в положение 2—2).

·  С увеличением тока, протекающего в противоположном направ­лении, напряженность поля отрицательного направления будет воз­растать и при значении напряженности, равном отрезку ОС, остаточная магнитная индукция В станет  равной  нулю,  а  сердечник окажется полностью размагниченным.

• ·  Явление отставания изменений магнитной индукции ферромаг­нитного материала при перемагничивании от изменения напряжен­ности поля называется гистерезисом[8].
• ·  Отрезок ОС характеризует сопротивляемость стали размагничи­ванию и называется коэрцитивной (задерживающей) силой (Нс) намагниченного материала.
• ·  При дальнейшем увеличении тока в катушке напряженность поля будет возрастать и вновь наступит магнитное насыщение сер­дечника (точка Г).
• ·  Уменьшение тока в катушке будет размагничивать сердечник, и при Н=0 остаточная индукция (остаточный магнетизм) станет равной отрезку ОД.
• ·  При повторном изменении направления тока (для этого пере­ключатель П следует перевести в положение 1—1) и его увеличе­нии сердечник снова размагнитится.

·   Напряженность поля будет равна отрезку ОЕ. В случае даль­нейшего увеличения тока, а следовательно, и напряженности поля Магнитная индукция вновь достигнет значения, соответствующего точке А на первоначальной кривой намагничивания.

·  Повторение  процесса  перемагничивания  стали  происходит  по! замкнутой кривой АБСГДЕ, которая называется циклической кри­вой намагничивания или петлей гистерезиса (рис. 34, б).

1. · 
2. ·  [8] Гистерезис — греческое слово, означающее запаздывание.
3. ·  § 41. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ
4. · 

·  Многие детали электрических машин и трансформаторов (см, гл. VII, VIII, IX и X)  подвергаются перемагничиванию.

·  Перемагничивание материала связано с потерями электриче­ской энергии, которая превращается в тепло, вызывающее нагрева­ние магнитных материалов.

·  Количество энергии, расходуемой на перемагничивание стали (на гистерезис), пропорционально площади петли гистерезиса. Для уменьшения потерь на перемагничивание в машинах и аппаратах с переменным намагничиванием выгодно применять магнитные ма­териалы с малой площадью петли гистерезиса.

·  В зависимости от свойств магнитные материалы делятся на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

·  К магнитно-мягким относятся материалы, с малой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью и незначительными по­терями при перемагничивании.

·  Основные характеристики некоторых магнитно-мягких материа­лов приведены в табл. 4.

·  К магнитно-жестким материалам относятся ферромагнитные сплавы, обладающие большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией.

Они используются для изготовления постоянных магнитов, которые применяют в электроизмерительных приборах, микро­фонах и многих других устройствах.

В настоящее время для изго­товления постоянных магнитов преимущественно применяют спла­вы железа с никелем, никель-алюминиевые сплавы (сплавы альни, альнико и магнико), а также кобальтовую сталь.

• ·  § 42. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
• · 
• ·  Если в соленоид поместить стальной сердечник и пропустить по его виткам электрический ток, то сердечник намагничивается и при­обретает  магнитные  свойства,  которыми  обладает  постоянный магнит.

·  Соленоид со стальным сердечником называется электромагни­том. При размыкании цепи обмотки электромагнита его стальной сердечник размагничивается.

Источник: http://fiziku5.ru/uchebnye-materialy-po-fizike/peremagnichivanie-stali-koercitivnaya-sila

Постоянные магниты | Тех.раздел

Br – Остаточная индукция (mT; KGs)

• Hcb – Коэрцитивная сила (kA/m; kOe)
• Hcj – Коэрцитивная сила по намагниченности (kA/m; kOe)
• BH max. – Магнитная энергия (kJ/m3; MGOe)
• Магнитная индукция- B.

Единицы измерения – Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ), причем 1 Тесла = 10 000 Гаусс.

Это результат измерения (в Гауссах или Тесла), который Вы получаете, когда используете гауссметр для измерений на поверхности магнита.

Получаемый результат полностью зависит от расстояния от поверхности магнита, от формы магнита, точки измерения, толщины пробника (датчика) и магнитного покрытия. Сталь за магнитом значительно увеличивает величину B.

Использование величины измеренной магнитной индукции – не самый хороший способ сравнивать силу различных магнитов, т. к. B сильно зависит от техники измерений, хотя для однотипных магнитов этот способ достаточно точен.

1. Остаточная магнитная индукция- Br

Единицы измерения – Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ). Определяет, насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.

Максимальный магнитный поток, который может создать магнит, измеряемый только в замкнутой магнитной системе. Именно та величина, которую рекламируют производители магнитного порошка и магнитов. Хороший способ сравнивать силу магнитов…, но имейте в виду, что магниты в замкнутой магнитной системе практически никогда не используются в промышленности, исключая случай тестовых измерений. 

Коэрцитивная магнитная сила- Hc.

Единица измерения- Ампер/метр (в системе СИ) или Эрстед (в системе СГСЕ). Данная величина характеризует сопротивляемость магнита к размагничиванию. Это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания магнита, намагниченного до состояния насыщения. Чем больше коэрцитивная сила, тем «Прочнее» магнитный материал удерживает остаточную намагниченность.

Магнитная энергия- (BH)max

Единицы измерения – МГауссЭрстед (в системе СГСЕ). Определяет, насколько сильным является магнит. Чем больше данная величина, тем более мощным  является  магнит.

Например, спеченные магниты Nd-Fe-B с градацией N45 имеют (BH)max = 45 МГсЭ, а ферриты с градацией С8 имеют(BH)max = 8 МГсЭ

• Температурный коэффициент остаточной магнитной индукции- Tc of Br.

Единицы измерения – процент на градус Цельсия. Определяет, насколько сильно магнитная индукция изменяется от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20%.

1. Максимальная рабочая температура- Tmax

Единицы измерения – градус Цельсия. Определяет предел температуры, при которой магнит временно теряет часть своих магнитных свойств. При снижении температуры магнит полностью восстанавливает все магнитные свойства.

Температура Кюри- Tcur

Единицы измерения – градус Цельсия. Определяет предел температуры, при которой магнит полностью размагничивается. При снижении температуры магнит не восстанавливает магнитные свойства. Если магнит нагревается в пределах от Tmax до Tcur, при снижении температуры магнитные свойства восстанавливаются частично.

Источник: https://bec-shop.ru/tex-razdel/postmagnit/

Электротехнические материалы

 В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

12.1. Общие характеристики магнитных материалов. Определения. Кривая намагничивания, гистерезис, индукция насыщения, коэрцитивная сила. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитные потери.

12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов.  Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.

12.1. Общие характеристики магнитных материалов.

в начало лекции

         Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно связать с напряженностью магнитного поля в нем

B = m0×m×H                                                                                                         (12.1)

Глобально, по отношению к магнитному полю,  материалы можно разделить на три класса — диамагнетики, парамагнетики,ферромагнетики. Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики,  антиферромагнетики и  ферримагнетики.

Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля.

           Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками.

           Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона.  

Для ферромагнитных материалов выражение (12.1) справедливо с большими оговорками. Оно верно для слабых магнитных полей.

1) имеет смысл только для подъем напряженности в течение первого цикла намагничивания. В литературе различают несколько определений магнитной проницаемости.

• Начальная магнитная проницаемость mн — значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля.
• Максимальная магнитная проницаемость mmax — максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних магнитных полях.
• Из других основных терминов, характеризующих магнитные материалы, отметим следующие.
• Намагниченность насыщения  — максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля.

Петля гистерезиса — зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного значения — уменьшение,  переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком — рост и т.п.

1. Максимальная петля гистерезиса— достигающая максимальной намагниченности насыщения.
2.  Остаточная индукция Bост — индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.
3. Коэрцитивная сила Нс — напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.

При каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале (W = BH/2) теряется, т.е. переходит в тепло.

Эти потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т.е.

уменьшить площадь кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше.

• Материалы с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются магнитомягкими материалами.
• Мощность потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению
• PH = h× Bnmax×f×V                                                                                   (12.2)

где h — коэффициент, зависящий от материала, Bmax- максимальная индукция за цикл, f- частота, V — объем тела, n, — показатель, меняющийся в диапазоне от 1.6 до 2..

Другая составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных полях.

PH=x× B2max×f2×V                                                                                  (12.3)

На высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые токи, т.к. они пропорциональны второй степени частоты.

1. Иногда в справочниках приводят значения тангенса магнитных потерь. Физический смысл его такой же, как и у тангенса угла диэлектрических потерь, а именно
2. P= L×I2× w× tg dm                                                                                        (12.4)
3. или для удельных потерь
4.            Pуд= m0×m×H2 w× tg dm                                                                           (12.5)

Материалы с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми материалами. Они используются в качестве постоянных магнитов.

12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов.  Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.

в начало лекции

           Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура.

При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей.

Максимальное значение магнитной проницаемости mmax ~ 4000,  коэрцитивной силы Нс~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено — тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила.

Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.

Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой), вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 — до 0.8%. 2 — до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 — до 3.8%, 4 — до 4.

8%), третья цифра — тип нормируемых магнитных характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в старых справочниках означала номер материала.

В современных справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого параметра.

Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов.

Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

Практически отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты представляют собой оксидную керамику МеО+Fe2O3, которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление феррита 103-104 Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут.

  Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышает нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч (20000НМ, 1000НМ). Применение в энергетике магнитомягких ферритов — высокочастотные трансформаторы, в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона.

Однако при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ, 50ВЧ3). 

Большую роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр — коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Нс. Желательно, чтобы этот коэффициент был ближе к 1.

Источник: http://sermir.narod.ru/lec/lect12.htm