Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила – ключевой показатель напряжённо-деформированного состояния металла

Коэрцитивная сила – это напряжённость магнитного поля, которое необходимо приложить к объекту контроля (ОК), предварительно намагниченному до насыщения, для того, чтобы полностью его размагнитить. Другими словами, это значение напряжённости внешнего магнитного поля, приложенного к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, после чего его остаточная намагниченность становится равной нулю. Ферромагнетики - материалы с относительной магнитной проницаемостью µ ≥ 40. Коэрцитивная сила обозначается как Нс и измеряется в А/м (ампер на метр) и А/см (ампер на сантиметр). На измерении коэрцитивной силы основан метод магнитный коэрцитиметрический ММК неразрушающего контроля (НК) и магнитометрическая диагностика технического состояния металлоконструкций из ферромагнитных материалов. Коэрцитиметрия направлена на то, чтобы обеспечивать безаварийную эксплуатацию технических устройств (ТУ), зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору). Измерение коэрцитивной силы помогает следить за техническим состоянием стальных конструкций, подверженных статическим и динамическим нагрузкам. ММК как способ получения информации об уровне накопленных эксплуатационных повреждений применяется в самых разных отраслях промышленности, включая строительство, атомную энергетику, машиностроение, металлургию, нефтегазовую сферу, железнодорожный транспорт и пр. Для измерения коэрцитивной силы используются коэрцитиметры - аттестованные средства измерения, внесённые в Государственный реестр СИ РФ и подлежащие ежегодной поверке в аккредитованных метрологических службах.

Содержание:

Коэрцитивная сила как физическая величина
Как это используется в дефектоскопии
Для чего измеряют коэрцитивную силу
Магнитный гистерезис
Коэрцитиметрия как метод неразрушающего контроля

В чём выражается коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила 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). 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.

Наибольшее влияние на коэрцитивную силу оказывает то, каким видам механической, термической и химико-термической обработки подвергался металл. В зависимости от этого, у изделий из одной и той же марки стали, но изготовленных из горячекатаного, термически обработанного и холоднокатаного, значения Нс могут отличаться в 4 раза.

Что это даёт на практике

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.

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.
В процессе эксплуатации сооружения периодически проводятся обследования при помощи коэрцитиметров.
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.
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 "Диагностика стальных строительных конструкций. Метод магнитный, коэрцитиметрический" и ГОСТ Р 58599-2019 "Техническая диагностика. Диагностика стальных конструкций. Магнитный коэрцитиметрический метод. Общие требования". Контроль напряжённо-деформированного состояния магнитным методом предусмотрен в области аттестации лабораторий неразрушающего контроля по правилам СДАНК-01-2020 (Единая система оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве - ЕС ОС).

Для каких задач технической диагностики нужно измерять коэрцитивную силу

Знание этой величины позволяет:

подбирать способ проведения магнитопорошкового контроля. Так, для материалов с коэрцитивной силой больше 9,5-10 А/см (0,95 кА/м) рекомендуется способ остаточной намагниченности. Для материалов с коэрцитивной силой менее 9,5-10 А/см - способ приложенного поля;
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.

При чём тут магнитный гистерезис

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. Материалы, которым свойственна высокая удельная удерживаемость, относятся к категории магнитотвёрдых (типичный пример – любой постоянный магнит). У других остаточный магнетизм выражен не так сильно – это магнитомягкие материалы, их коэрцитивная сила не превышает 4 кА/м - по ГОСТ Р 56512-2015 "Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Типовые технологические процессы". У магнитотвёрдых материалов, напротив, коэрцитивная сила больше 4 кА/м. Эта физическая величина 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.

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.
Практически полное отсутствие помех. В наших статьях, посвящённых ультразвуковым, вихретоковым и магнитопорошковым 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.
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.
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.
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.
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.