07 января 2004 г.

Книга "Физические основы метода магнитной памяти металла"

ISBN 5-8122-0265-6

Издательство - ЗАО "ТИССО", г. Москва, 2004, 424 с.

Книга "Физические основы метода магнитной памяти металла" разработана к.т.н. Власовым В.Т. и д.т.н., профессором кафедры "Ремонт и модернизация энергооборудования" ИПК Госслужбы Дубовым А.А.

Рассмотрена история и логика развития науки о магнетизме. На основе расчетных и экспериментальных исследований дано развитие теории доменной структуры на примере чистого поликристаллического железа с позиций современных знаний квантовой физики, теории дислокаций, механики разрушений.

Показана определяющая роль дислокаций в формировании доменов, связь характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов с плотностью дислокаций.

Впервые представлен и научно обоснован уникальный эффект – магнитопластика, лежащий в основе метода магнитной памяти металла (МПМ).

Разработана диаграмма магнито-механических состояний ферромагнетика при взаимодействии силовых и магнитных полей. Впервые дано определение границы слабых и сильных магнитных полей с позиций их энергетических взаимодействий с силовыми полями.

Установлены граничные условия и область применения метода МПМ.

Рассмотрена физическая сущность усталостной поврежденности металла и предложена модель развития процесса накопления усталостной поврежденности, открывающей возможность количественной оценки состояния материала при использовании метода МПМ и других методов.

Предисловие

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений. Среди этих методов широкое распространение получили магнитные методы неразрушающего контроля.

Все известные магнитные методы диагностики конструкционных материалов, преимущественно ферромагнитных, можно разделить на две группы: активные - с созданием в материале исследуемой детали "принудительного" магнитного поля заданной ориентации и пассивные - использующие остаточную намагниченность изделия, вызванную внешними магнитными полями естественного или искусственного происхождения.

Активные магнитные методы используют зависимость магнитных характеристик материала от его структуры или фазового состояния, которые определяются технологической или эксплуатационной предысторией материала и начинают заметно изменяться только при значительных механических напряжениях, близких к предельным. При этом, ограничением возможностей активных магнитных методов является практически полное отсутствие чувствительности к аномалиям материала, расположенным в глубине детали.

Известные пассивные магнитные методы диагностики напряженно-деформированного состояния ферромагнитных материалов представляют более тонкий инструмент, однако, и для них характерны низкая чувствительность к аномалиям, расположенным в глубине материала, и неоднозначность результатов оценки состояния материала.

Особое место среди пассивных магнитных методов НК занимает метод магнитной памяти металла (МПМ). Это второй после акустической эмиссии метод, использующий внутреннюю энергию материалов.

В течение многих лет метод МПМ в трудной борьбе завоевывает свое право на признание, доказывая многочисленными практическими результатами бесспорную его эффективность при оценке напряженно-деформированного состояния и ранней диагностики усталостных повреждений оборудования и конструкций объектов энергетической, нефтехимической, машиностроительной отраслей промышленности и различных видов транспорта.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований и практической диагностики состояния технических объектов в различных областях промышленности, был сделан вывод о наличии, по крайней мере, трех разновидностей физических эффектов, лежащих в основе метода МПМ.

Действительно, можно сразу сказать, что одним из эффектов является магнитоупругий, давно известный и, казалось бы, досконально изученный.

Второй эффект можно отнести к явлению рассеяния внешних магнитных полей несплошностями или структурными неоднородностями исследуемого материала, хорошо изученному при воздействии на ферромагнитные материалы сильными магнитными полями, но, безусловно, имеющему место и при слабых магнитных полях.

Третий эффект был предположительно отнесен к процессам взаимодействия магнитных полей с дислокациями и их скоплениями. Прямое экспериментальное доказательство, подтверждающее значительное увеличение плотности дислокаций в зонах концентрации напряжений, было получено при испытании стальных образцов на растяжение с использованием специализированных магнитометров и исследовании дислокационной структуры фольг на электронном микроскопе.

Однако, несмотря на огромное количество работ по магнетизму и, в частности, по исследованию магнитоупругости, особенностей поведения ферромагнитных материалов во внешних магнитных полях, с одной стороны, и по физике твердого тела и металловедению, с другой стороны, до настоящего времени не существовало более или менее убедительного объяснения физической сущности эффектов, используемых методом МПМ. Правильное представление о физической сущности метода необходимо для создания теоретической модели и разработки количественных критериев оценки состояния материалов.

Экспериментально установлено, что метод МПМ использует зависимость параметров внутреннего магнитного поля, фиксируемых на поверхности диагностируемого изделия, от макрохарактеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкционных ферромагнитных материалов. Другими словами можно сказать, что метод МПМ основан на малоизученных макроэффектах, являющихся следствием взаимосвязи и опосредованного взаимодействия силовых полей с электромагнитными полями микрочастиц, последовательно составляющих атом, примитивную ячейку кристаллической решетки, затем ее элементарную ячейку, саму решетку, домен и, наконец, группу доменов при условии несовершенства кристаллической решетки, обусловленного ее дефектами (межузловыми атомами, вакансиями, дислокациями и двойниками). Объяснение этих макроэффектов, отражающих изменение доменной структуры, и создание теоретической модели метода МПМ являлось целью настоящей работы.

Поставленная таким образом задача не возникала ни в теории магнетизма, ни в материаловедении, ни в теориях прочности (включая, упругость, пластичность и механику разрушения). Однако, в этих областях науки накоплено огромное количество экспериментальных данных и теоретических выводов, необходимых для решения поставленной задачи. Кроме того, как будет показано ниже, решить задачу без использования начальных знаний из области квантовой физики было невозможно.

Книга написана в творческом сотрудничестве авторов, при котором расчетные исследования постоянно сопоставлялись и корректировались с результатами экспериментальных исследований, полученными за более чем 20-летний опыт разработки и внедрения метода МПМ на практике.

Отдельные результаты теоретических исследований, представленные в книге, могут вызвать у читателей не меньшие споры, чем сам метод МПМ. Книга рассчитана на творчески работающих специалистов, ученых и практиков, способных критически воспринимать любые устоявшиеся теории и представления в области физики магнитных явлений, материаловедения, механики разрушений и технической диагностики.