Метод магнитной памяти металла

Федеральное агенство по образованию Российской Федерации 

Государственное образовательное учреждение

Самарский государственный технический Университет 

Факультет « Заочный»

Кафедра « трубопроводного транспорта»

Контрольная работа- Реферат

По предмету: Основы технической диагностики

Тема: Метод  магнитной памяти металлов

Вариант № 18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                 Выполнил

             Студент 4-ЗФ-17А

        Разливанов  Е.А.

          Проверил:

          Верещагина  И.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Самара 2012

 
 
 
 
 
 
 
Содержание

1. Введение

2. Основная часть

3. Физические основы метода магнитной памяти металла (МПМ)

4. Методика обследования

4. Список источников  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Понятие "магнитная  память металла" введено автором  впервые в 1994 году и до этого времени в технической литературе не применялось. Были известны термины и понятия "магнитная память Земли" в археологических исследованиях; "магнитная память" в звукозаписи; "эффект памяти формы", обусловленный ориентированными внутренними напряжениями в изделиях из металла. 

На основе установленной  взаимосвязи дислокационных процессов  с физикой магнитных явлений  в металлах изделий введено понятие "магнитная память металла" и  разработан новый метод диагностики. 
 
 

Основная  Часть 

По аналогии с эффектом памяти формы, "магнитная память металла" - это эффект магнитной памяти деформации металла, обусловленной ориентированными внутренними напряжениями. Уникальность метода магнитной памяти металла (МПМ) заключается в том, что он основан на использовании эффекта возникновения высокой намагниченности металла в зонах больших деформаций металла элементов конструкций, обусловленных действием рабочих нагрузок. При этом никакого источника искусственного намагничивания нет, кроме слабого магнитного поля Земли, в котором мы все находимся. 

Многие из нас  наблюдали также эффекты возникновения  высокой намагниченности металла, например в случае распила ножовкой какого-либо металлического изделия, или  на конце отвертки после её воздействия  на шурупы, в местах трения при соприкосновении  металлических изделий (например, зубьев шестеренок). Появление аномальной намагниченности можно наблюдать на металлической проволоке, в месте её циклической деформации. Когда мы ломаем проволоку, циклическим ее изгибая в разные стороны, мы ощущаем пальцами нагрев проволоки в месте максимальной деформации. И если в этом месте сделать измерение с помощью прибора-магнитометра, то мы зафиксируем увеличение намагниченности металла. Демпфирование колебаний – поглощение энергии механических колебаний (например, лопаток турбин), сопровождается выделением магнитной энергии и, соответственно, ростом остаточной намагниченности металла. Перечень наблюдаемых на практике случаев возникновения намагниченности металла изделий без источника искусственного магнитного поля можно еще продолжить. 

К истории возникновения  и развития метода магнитной памяти металла, как нового направления  в диагностике, следует отнести  явление сильной намагниченности  металла котельных труб в местах их разрушений, обнаруженное в 70-е годы прошлого века начальником лаборатории металлов "Волгоградэнерго" Филимоновым О.В. Обнаруженное явление заинтересовало многих специалистов энергетики, в том числе и меня в те годы, работавшего в производственной службе "Мосэнерго" и занимавшегося вопросами обеспечения надежности котельных труб. Тогда было сделано предположение о возможности использования явления самонамагничивания труб в условиях их эксплуатации для определения потенциальных повреждений. А возникновение высокой намагниченности на отдельных участках котельных труб было предположительно объяснено действием циклических деформаций и напряжений от рабочих нагрузок. 

В случае подтверждения  этого предположения открывалась  уникальная возможность путём считывания магнитной информации, которую исследователю  предоставляет сама трубная система котла, выявлять по остаточной намагниченности металла места концентрации напряжении – источники возникновения и развития повреждений. 

В связи с  этим обстоятельством автором данной статьи с привлечением специалистов института физики металлов РАН  были организованы и проведены специальные лабораторные и промышленные исследования с целью изучения явления намагничивания котельных труб в условиях их эксплуатации. Результаты этих исследований отражены в диссертационной работе и в монографии Дубова А.А. "Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла" (М.: "Энергоатомиздат", 1995, 112 с.). 

В результате выполненных  исследований было показано, что причиной аномально высокого намагничивания отдельных участков трубопровода является магитоупругий эффект, известный в физике магнитных явлений. 

Проявления магнитоупругого  эффекта, вызывающего рост остаточной намагниченности (М). Если, например, в  каком-то месте конструкции действует  циклическая нагрузка Δσ, и есть внешнее магнитное поле Н0 (например, поле Земли), то в этом месте происходит рост остаточной намагниченности ΔМσ. После снятия нагрузки обратимая составляющая исчезает, а остаётся только необратимая составляющая остаточной намагниченности (ΔМσн). В силу магнитоупругого эффекта происходит как бы "самонамагничивание" труб в зонах концентрации напряжений от рабочих нагрузок. В ходе дальнейших промышленных исследований было установлено, что "самонамагничиванию" подвержены практически все узлы оборудования и конструкций. 

С явлением "самонамагничивания" оборудования и конструкций повсеместно  борются путём периодического их размагничивания (судостроение, энергетика, шарикоподшипниковая и другие отрасли). Достаточно привести в качестве примера  борьбы с самонамагничиванием, как с "вредным" явлением, известную историю борьбы с магнитными минами, которую вели наши учёные в начале второй мировой войны с Германией. В то время было обнаружено, например, возникновение сильной намагниченности корпусов кораблей вследствие ударов волн, особенно после шторма. И тогда под руководством академика Александрова А.П. было впервые изучено это явление намагничивания корпусов под воздействием циклических напряжений от ударов волн в условиях слабого магнитного поля Земли. Это явление было объяснено действием магнитоупругого эффекта. Для борьбы с магнитными минами тогда были разработаны специальные размагничивающие устройства для периодического размагничивания корпусов кораблей. 

И с тех пор  с природным явлением "самонамагничивания" оборудования и конструкций повсеместно борются путём периодического их размагничивания. 

Изучив это  явление на примере котельных  труб и других узлов, было впервые  предложено использовать его для  целей технической диагностики, а новый метод диагностики  был назван как метод магнитной памяти металла. 

На основе экспериментальных  исследований явления магнитной  памяти металла был разработан ряд  практических методик контроля и  специализированные современные приборы, которые позволяют в режиме экспресс-контроля без какой-либо подготовки объекта контроля (ОК) (в отдельных случаях через слой краски или изоляции) путём сканирования вдоль поверхности (например, протяжённого трубопровода) фиксировать места магнитных аномалий, соответствующие зонам концентрации напряжений (ЗКН) – источникам повреждений. Ни при каких условиях с искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации на порядок превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена. В практических работах показано, что метод МПМ может применяться, как при работе оборудования (в режиме мониторинга), так и после снятия рабочих нагрузок, во время ремонта. В силу "магнитодислокационного гистерезиса" магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок, после их снятия как бы "замораживается". Таким образом, предоставляется уникальная возможность путём считывания этой информации с помощью специализированных приборов выполнять оценку фактического напряженно-деформированного состояния оборудования и выявлять на раннем этапе зоны максимальной поврежденности металла. Перспективным представляется использование метода МПМ для оценки ресурса и живучести различных металлоконструкций, так как этот метод интегрально объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля, материаловедения, механики разрушения. 

Уникальные возможности метода МПМ открываются в случаях выяснения причин разрушений различных конструктивных элементов зданий, сооружений, мостов и т.д. Например, при разрушении одной из опор, удерживающих крышу, в аквапарке (Москва, 2005 год) или при разрушении так называемого "пальца", несущего большую нагрузку в сложной конструкции нового здания катка (Москва, 2007 год), возникали споры между специалистами по металлу (и, соответственно, между заводом – изготовителем) и проектировщиками этих конструкций. В этих случаях фактическое напряженно-деформированное состояние (НДС) расчетными методами невозможно оценить, применяя существующие нормы проектирования и опираясь на сапромат, который не учитывает неоднородность структуры. Если бы в этих случаях происшедших разрушений конструкций (а лучше не дожидаясь разрушения) была бы предоставлена возможность их обследования с использованием метода МПМ и соответствующих сканирующих устройств, то можно было бы сделать оценку фактического НДС любого элемента конструкции по эпюре распределения собственного магнитного поля. Оценка НДС с использованием метода МПМ носит интегральный характер, учитывающий все факторы: конструктивные особенности, структурную неоднородность каждого элемента, заводские, монтажные и эксплуатационные факторы. Конструктору и проектировщику теперь предоставляется возможность видеть, как работает его "детище". 

Благодаря использованию  эффекта магнитной памяти металла  при диагностике оборудования и  конструкций стало возможным  решать многие проблемные задачи. В  первую очередь это прогнозирование надежности и ресурса оборудования. Метод МПМ и соответствующие приборы позволяют на основе 100% обследования конструкций определять все потенциально опасные места (ЗКН) и причины их возникновения. С помощью программного продукта выполняется классификация этих зон по степени их опасности, что позволяет своевременно выполнить ремонт или замену отдельных элементов и гарантировано продлить ресурс ОК, как минимум, до очередного капитального ремонта и/или обследования. 

Сварка существует более 100 лет, а самый главный фактор, определяющий надежность сварного соединения - распределение остаточных сварочных напряжений, до сих пор не контролируется из-за отсутствия методов неразрушающего контроля, пригодных для использования в широкой практике. Использование эффекта магнитной памяти металла позволяет решить эту задачу. Путём считывания остаточной намагниченности, которая сформировалась естественным образом в процессе сварки и последующего остывания металла, нам предоставляется уникальная возможность выполнять интегральную оценку состояния сварного шва: выявлять дефекты сварки одновременно с распределением остаточных сварочных напряжений. 

Формирование  магнитной (доменной) текстуры в сварных  соединениях происходит одновременно с кристаллизацией при остывании металла в слабом магнитном поле Земли (или цеха) и прохождении через известную физическую точку Кюри (760-770°С для углеродистых марок сталей). В условиях, когда энергия термических деформаций и напряжений на порядок больше энергии слабого магнитного поля, распределение остаточной намагниченности в металле шва обусловлено соответствующим распределением остаточных напряжений (ОН). 

Удивительный  факт! Физическая точка Кюри (Тк) и  эффекты исчезновения намагниченности  при нагреве металла выше Тк, и, наоборот, возникновения высокой намагниченности при охлаждении металла ниже Тк известны специалистам ещё с 1895 года, когда французский учёный Пьер Кюри впервые открыл этот физический эффект. Однако, до сих пор в практической каждодневной работе этот эффект не использовался например, для оценки качества продукции на заводах машиностроения. 

В ходе промышленных исследований нами было установлено, что  магнитная память металла на ферромагнитных изделиях (а в отдельных случаях  на изделиях из парамагнитного материала) отображает их структуру и технологическую наследственность. В процессе изготовления любых изделий (плавка, ковка, штамповка, термическая обработка, сварка) при их остывании ниже Тк в слабом магнитном поле Земли (или цеха) естественным образом происходит формирование магнитной текстуры. Изучив распределение естественной намагниченности на большом количестве новых изделий после различных технологических процессов на заводах-изготовителях, был разработан рад практических методик контроля качества продукции. При этом выявлены уникальные возможности использования магнитной памяти металла для контроля эффективности технологий изготовления продукции (контроль качества литья, термических обработок и др.).