Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS79_t17z1_4_PDF_artyku³y\mts79_t17z3.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 3,  17  (1979) POM IARY  ELEKTROM AG N ETYCZN E  W  M ECH AN ICE  CIAŁA  STAŁEG O1 L E I F   J I L K E N ,  JAN   B A C K L U N D   ( LI N K O P I N G ) 1.  Wstę p P om iar  i  an aliza  odkształ ceń  sprę ż ystych  i  plastycznych,  zaistniał ych  w  ciele  stał ym w  wyniku  przył oż on ego  obcią ż en ia,  może  być  moż liwa  wtedy,  gdy  w  cał ej  objetos'ci  bada- nego  ciał a  znajdują   się   pewnego  rodzaju  elementy  pom iarowe,  bę dą ce  noś nikami  poszu- kiwanej  informacji.  W  materiałach  ferromagnetycznych  za  elementy  takie  m oż na  uważ ać atom y;  p o d  warun kiem j  że  u d k si ę   odpowiednio  sterować  ich  zachowaniem  i  wł as'ciwie in terpretować uzyskaną   informację .  W  artykule  pokazan o, w jaki  sposób  „wektory magne- tyczne" atomów mogą   dostarczyć  wiedzy  o  stanie naprę ż eń, wystą pieniu  pł ynię cia, akumu- lacji  uszkodzeń  zmę czeniowych  oraz  rozwoju  pę knięć  w  m ateriał ach  ferromagnetycznych. Z akres  stosowalnoś ci  opisywanej  m etody jest wię c bardzo  szeroki, a przedstawione techniki pom iarowe  mogą   m ieć  duże  znaczenie  w  przyszł oś ci  badań  materiał owych, w  pom iarach obcią ż eń  i  m om en tów,  w  badan iach  jakos'ci  oraz  kon troli  ukł adów  mechanicznych  [1], i i 2.  Sprzę ż enie  magnetohicebaniczne N a  rys.  1  przedstawion o  w  sposób  schematyczny  sprzę ż enie  mechanicznego  pola n aprę ż eń  z  polem  elektrom agn etyczn ym  i tem peraturowym  w  stał ych  ciał ach  ferromagne- tycznych.  Badan ia  referowane  w  niniejszym  artykule  dotyczą   sprzę ż enia  mię dzy  pierwszą parą   wymienionych  pó l,  t o  znaczy  koncentrują   się   wokół   zjawisk  sprzę ż enia  nagmeto- mechanicznego.  Te  zjawiska  wykorzystywane  był y  pierwotnie  w  dziedzinie  odkształ ceń sprę ż ystych,  pod  nazwą   sprzę ż en ia  magnetosprę ż ystego,  w  róż nego  rodzaju  elementach pom iarowych,  opracowan ych  przez  firmę   ASE A  i  przeznaczonych  do  pom iaru  obcią - ż enia  osiowego  oraz m o m en t u skrę cają cego  w  elem entach konstrukcji  [2]. Z asada  pom iaru w  m etodzie,  bę dą cej  przedm iotem  niniejszej  pracy,  róż ni  się   pryncypialnie  od  sposobu dział an ia  kon wen cjon aln ych  czujników  elektromagnetycznych.  G ł ę bsze wniknię cie  w  istotę zł oż onego  współ oddział ywan ia  pola  elektromagnetycznego  z  mechanicznym polem naprę - ż eń  pozwolił o  opracować  elem en t  pom iarowy,  który  nie  musi  być  przytwierdzony  do badan ego  obiektu,  lecz  m oże  z  n im  się   tylko  stykać  t a k  by  w  miejscu  kon taktu  nie  był o ż adnej  szczeliny.  C o  wię cej,  elem ent pom iarowy  może  być  wykorzystany  nie  tylko  do  po- m iaru  obcią ż eń  i  m om en tów  w  obszarze  sprę ż ystym,  lecz  także  do  cał ego  szeregu  innych 1 J  Praca stanowi  rozszerzenie  referatu  przedstawionego  na YETI  Sympozjum  D oś wiadczalnych  Badań w  Mechanice  Ciał a  Stał ego Warszawa  4 - 6  wrześ nia  1978 Rys,  1. Sprzę ż enie pola elektromagnetycznego, temperaturowego  i  pola naprę ż enia mechanicznego. Liczby w  nawiasach  oznaczają   rzą d  tensora  opisują cego  odnoś ne  pole A- krzywa  magnesowania  pierwotnegcr B,C- gahjzie  pę lli  histerezy D- krzywa  magnesowania  bezhiste- rezowego Rys.  2. Krzywa  magnesowania  pierwotnego,  pę tla  histerezy  oraz krzywa  magnesowania  bezhisterezowego materiał u  ferromagnetycznego a —  rysunek  ogólny b —  fragment c —  czasowy  przebieg  strumienia magnetycznego,  powstał ego  w  wyniku  dział ania  obcią ż enia  o  przebiegu trójką tnym [358] POMIARY ELEKTROMAGNETYCZNE 359 badań ,  które  wym ieniono  wyż ej.  Kluczem  do  efektywnego  wykorzystania  tego  urzą dzenia jest  stał ość  prą du  elektrycznego  w  uzwojeniu  pierwotnym ,  niezmienna  dł ugość  obwodu magnetycznego  oraz pren eutralizacja  m agnetyczna  m ateriał u, mają ca  n a celu  sprowadzenie do  m in im um  efektów  nieliniowych  i  histerezy.  Każ da  czę ść  badanej  próbki  musi  być sprowadzon a  n a  krzywą   magnesowania  bezhisterezowego  (rys.  2a)  po  t o ,  by  zaistniał e n aprę ż en ia  m echan iczn e  m iał y jedn ozn aczn y  przebieg  (rys.  2c).  Jeś li  pewne  czę ś ci  próbki nie  znajdują   się   n a  tej  krzywej,  t o  otrzym an y  sygnał   wyjś ciowy jest  bardzo  trudn y  w inter- pretacji  (rys.  2c). 3.  U kł ad  pomiarowy Z asadniczy  sch em at  u kł ad u pom iarowego  pokazan y  jest n a  rys.  3.  Badana próbka  (1), którą   m oż na  rozcią gać,  ś ciskać  lub  skrę cać  (2),  tworzy  obwód  magnetyczny  wraz  z  ż e- laznym jarzm em  (3), n a  którym  n awin ię te  jest uzwojenie pierwotne  (4) i wtórne  (5).  Zespół zasilają cy  (6)  jest  ź ródł em  stał ego  napię cia,  dzię ki  czemu  w  czasie  eksperymentu  przez Rys.  3.  Zasadniczy  schemat  ukł adu  pomiarowego uzwojenie  pierwotn e  przepł ywa  stał y  (co do  kierun ku  i  wielkoś ci) prą d  elektryczny.  Przed rozpoczę ciem  wł aś ciwego  p o m iaru  ukł ad ten  dostarcza  n apię cia  zmiennego  gasną cego  wy- kł adn iczo w  celu sprowadzen ia  badan ej  próbki  n a  krzywą   magnesowania  bezhisterezowego (patrz  rozdział   4).  Zespół   detekcyjny  (7),  poł ą czony  z  uzwojeniem  wtórnym ,  odbiera 360  L .  JlLKEN ,  J .  BACKLU N D powstał y  sygnał   i  cał kuje  go,  dają c  poszukiwany  strumień magnetyczny.  Jego  zm iany  są nastę pnie  wykorzystane  do  analizy  zjawisk  mechanicznych.  W  gruncie  rzeczy  jarzm o prostej  budowy,  pokazan e n a  rys.  3, nie jest  uż ywane  do badań i pom iarów  prę tów  o prze- kroju  koł owym. W  tym przypadku,  z uwagi  na  symetrię   osiową , jest  rzeczą   celową   uż ycie ukł adu  cienkich jarzm  (1) rozmieszczonych  n a  obwodzie  badan ej  próbki  (2), ja k  ukazuje to  rys.  4.  U zwojenia  pierwotne  (3) oraz  wtórne  (4) umieszczone  są   w  klatkach  i  zabezpie- czone  obudową   (5). P/ 2  P/ 2 ffff (!Ml( Rys.  4. U kł ad  pł askich jarzm, umieszczonych  na  Rys.  5.  U kł ad  obcią ż ają cy  wraz  z jarzmem, sł u- obwodzie  badanej  próbki  ż acy  do  badania  procesu  pę kania  próbek Przy  badan iu  pę kania  próbek  w  sposób  ukazan y  n a  rys.  5,  wykorzystuje  się   proste jarzm o  przedstawione  n a  rys.  3. 4.  Tech n ika  pom iarowa Podstawowym  warunkiem  wykorzystania  techniki  pom iarowej  w  jej  obecnej  postaci jest  rozpoczynanie  pom iaru  od  krzywej  magnesowania  bezhisterezowego.  W  przeciwnym przypadku  próbka  nie  znajduje  się ,  zdaniem autorów,  w  m in im um  energii  elektrom agne- tycznej,  w  skutek  czego  przy  cyklicznym  jej  obcią ż eniu  otrzymuje  się   niestabilny  sygnał wyjś ciowy  (patrz  rys.  2).  Stabilność  m oż na  uzyskać  p o  doprowadzen iu  badan ej  próbki do krzywej  magnesowania  bezhisterezowego,  jak  wyjaś nia  to  rys.  2c, krzywa  c.  Zjawisko magnesowania  opisuje  się   tradycyjnie  n a  pł aszczyź nie  H —0  (lub  H—B).  D la  wyjaś nie- nia  zjawisk  ukazanych  n a  rys.  2  wprowadzono  nowe  poję cie  przestrzeni  H —$ —E  (lub H—B—E), w której  E oznacza energię  elektromagnetyczną   (patrz rys.  6). W  tej przestrzeni moż liwe  stany  energetyczne  okreś lają   powierzchnię   energii,  charakterystyczn ą   dla  danej temperatury  lub  okreś lonego  stanu  mechanicznego  badan ej  próbki. Wykres  tej  powierzchni  przedstawiony  jest  n a  rys.  6 wraz  z jej  rzutem  n a  pł aszczyznę H —0  (lub  H —B).  Brzegami  rzutu  są   tradycyjne  krzywe  m agnesowania,  podczas  gdy krzywą   magnesowania  bezhisterezowego  jest  miejsce  geometryczne  lokalnych  minimów tej powierzchni. Poję cie powierzchni energii pozwala  w  logiczny  sposób  wyjaś nić  przebiegi wykreś lone  n a rys.  2c liniami a  i b. Jeś li począ tkowy  stan m ateriał u  znajduje  się   w  pun kcie P O M I AR Y  ELEKTR OM AG N ETYC Z N E 361 leż ą cym  n a  pę tli  histerezy,  co  oznacza  jego  wysokie  poł oż enie  n a  powierzchni  energii, próbka  m a  tendencję   do  obn iż an ia  poziom u  energii  elektromagnetycznej,  co  moż na sobie  wyobrazić  w  postaci  kolejnych  kroków  zmierzają cych  w  dół   powierzchni.  Rys.  6 wyjaś nia  takż e,  że  do  tego  m in im um  dojść  m oż na  z  dwu  kierunków. Reakcja  elektrom agn etyczn a  próbki  n a  obcią ż enie  mechaniczne  zależy  nastę pnie od  wielkoś ci  czynnego  pola  m agnetycznego  H .  Ilustruje  to  rys.  7,  n a  którym  pokazane są  jej  przebiegi  dla  róż n ych  wartoś ci  H , a  wię c w  róż nych  pun ktach krzywej  magnesowania bezhisterezowego. Rys.  6.  Powierzchnia  energii  elektromagnetycznej  w  przestrzeni  E—B—H obcią ż enie 1- krzywa  magnesowania pierwotnego Rys.  7.  Przykł ady  zarejestrowanych  krzywych  magnesowania  oraz  sygnał ów  wyjś ciowych  przy  róż nych-, natę ż eniach  pola  magnetycznego  w  ż elazie  dla  danego  przebiegu  obcią ż enia  mechanicznego 362 L .  J lL K t N ,  J .  BA.CKXUND 5.  Rozcią ganie N a  rys.  8  przedstawiony  jest  typowy  zapis,  otrzymany  podczas  próby  rozcią gania prę ta  koł owego  o  ś rednicy  10  mm,  wykonanego  ze  stali  SIS  1650.  Z  wykresu  wynika, że  liniowym  zmianom  obcią ż enia  P  odpowiadają   jedn ozn aczn ie  liniowe  zm ian y  -   A& strumienia  magnetycznego  0.  Wobec  tego,  po  dokon an iu  kalibracji,  ukł ad  detekcyjny pozwala  zmierzyć, w  zakresie  sprę ż ystoś ci,  wielkość  przył oż onego  obcią ż enia. D okł adn ość pom iaru  jest  bardzo  duż a,  a  typowe  odchył ki  wynoszą   1%. Rys.  8.  Obcią ż enie  P oraz ujemny  przyrost  strumienia  magnetycznego  w  funkcji  wydł uż enia  d  prę ta  sta- lowego Wykres  przebiegu  strumienia  magnetycznego  wykazuje  waż ną   wł aś ciwość  polegają cą n a  tym,  że jego  wielkość  nie  wraca  do  zera  po  usunię ciu  przył oż onego  obcią ż enia.  Z a- istniał a pozostał oś ć, oznaczona symbolem  -   A$ r e„   n a  rys.  8  odzwierciedla  fakt,  że w  m a- teriale  zaszł y  nieodwracalne  zmiany  zwią zane  z  jego  pł ynię ciem  i  zarejestrowane  przez ukł ad  detekcyjny,  a  raczej  przez  „ magnetyczne  wekt o ry"  atom ów.  N iezn ikan ie  — A& po usunię ciu obcią ż enia może być wię c uż yte w formie kryterium pozwalają cego  stwierdzić, czy  m ateriał   próbki  uległ   uplastycznieniu,  czy  n ie. 6. Zmę czenie Elektromagnetyczny  ukł ad  pomiarowy  wykorzystany  był   również  z  powodzeniem do  badań  zmę czeniowych,  zarówno  nisko  ja k  i  wysoko  cyklowych.  W  badan iach  zmę - czenia materiał ów wiele wysił ku  wkł ada się   w  wyznaczenie  krzywych  Wóhlera  [3], a  szcze- gólnie  w  okreś lenie  wytrzymałoś ci  zmę czeniowej.  P rzeprowadzon e  eksperym enty  każą przypuszczać,  że  informacja  dostarczon a  przez  ukł ad  detekcyjny  może  być  uż yta  .do P OM I AR Y  ELEKTR OM AG N ETYC Z N E 363 okreś lenia  wytrzymał oś ci  zmę czeniowej  na  podstawie  danych,  uzyskanych  z prostej  próby na  rozcią ganie  [1]. Ten  wniosek  nie  został  jeszcze  w  peł ni  potwierdzony,  gdyż  w  tym  celu należy  przeprowadzić  obszerne  badan ia.  N ieodwracaln ość  strumienia  magnetycznego, oznaczonego  symbolem  -   A& voB   n a rys.  8, uwidaczn ia  się   nie tylko  n a poziomie  globalnego pł ynię cia  m ateriał u  P y , lecz także  i wtedy,  gdy  obcią ż enie  osią ga  wartość  P m y , przy którym pojawia  się   m ikropł yn ię cie  (rys.  8).  D zię ki  duż ej  czuł oś ci  ukł adu  detekcyjnego  moż liwa jest  wię c  rejestracja  m ikropł yn ię ć, bę dą cych  lokaln ym i  poś lizgami  w  pł aszczyznach ato- mów  oraz  rozprzestrzen ian iem  się   dyslokacji.  Z mę czenie tł umaczy się   czę sto jako  akum u- lację   takich  m ikrozjawisk,  a  jeś li  one  nie  wystę pują   oznacza  to, że  poziom  n aprę ż eń jest poniż ej  granicy  wytrzym ał oś ci  zmę czeniowej  m ateriał u.  P rzeprowadzone badan ia  potwier- dzają   ten poglą d.  G ran ice m ikropł yn ię cia n iektórych pospolitych stali, wyznaczone metodą elektrom agnetyczn ą   za  pom ocą   opisywanego  urzą dzen ia, wykazują   dużą   zgodność  z  war- toś ciami  podan ym i  w  stan dardowych  tabelach  wytrzymał oś ci  zmę czeniowej  dla naprę ż eń pulsują cych  tf+ o",  pat rz  Tabela  1. Tabela  1.  Porównanie  granicy  mikropł ynię cia  z  wytrzymał oś cią   zmę - niową   a±a   dla  niektórych  pospolitych  stali  ( M Pa) St a l SI S  1450 SI S  1550 "SI S"*1650~ G r a n ic a  m ikro pł yn ię cia 128—139 177—188 195—208 Wytrzym ał ość  zm ę czen iowa 135 180 200 I n n ym  przykł adem  zastosowan ia  elektromagnetycznego  ukł adu  pomiarowego  jest badan ie  niskocyklowego  zm ę czenia  prę tów  bez;  karbów.  Z  przeprowadzonej  dyskusji m oż na  wnioskować,  że  opisywana  tech n ika  pom iarowa  pozwala  okreś lić  stopień  uszko- Rys.  9.  Sygnał  wyjś ciowy w zmę czeniu  niskocyklowym.  N a  rysunku  pokazane  są   cztery  róż ne  przebiegi • czasowe  strumienia  magnetycznego — AKe  onpefle- e.  B p a 6o ie  H 0Ka3aH 0  KaK  warHHTHBiii  noTOK MO»eT  6Ł I T B  HcnojiB3oBaH   flJia  nonyą emw  H H ^opMa- o  cocraHHUH  HanpHHceHHH, o nepexo>KfleHHH   B cocTOHHue  TeiKflennH   H  O BoccraHOBJieHHH   H  pa3BHTHK  Tpem nH   B (LeppoManfflTH tix  M aTepnanax. 368  L. JrLKĆ N, J.  BAC K L U N D S u m m a r y ELECTROMAG N ETIC  M EASU REM EN TS I N   SOLID  M ECH AN ICS Since Joule discovered  magnetostriction in  1842  and  Villari  reverse  phenomenon in  1865, researchers working  with  experimental  me.thods in  solid  mechanics have  tried  to  utilize  these  effects  for  determining various  quantities and  states  in  solids.  Paramount problems  in  this  context  have  been  the nonlinear and hysteresis  behaviour  of magnetomechanical  coupling  effects.  Some of  these  obstacles  have  now  been  over- come.  This  paper  explains  how  electromagnetic flux  can  be  used  to  extract  information  on  the  state  of stress,  the occurrence  of  yielding,  the  accumulation of fatigue  damage  and  the  onset  of  crack  growth  in ferromagnetic  solids. IN STYTU T  TECH N IKI   z   ję zyka angielskiego WYD ZIAŁ  BU D OWY  M ASZYN LIN KOPIN G ,  SZWECJA  tł umaczył   Jerzy  W ą sowski Praca  został a zł oż ona w Redakcji  dnia 6 lutego 1979 r.