Rozdział 7 magnetyczne metody badania napręŻEŃ Przedmiot I cel badań

7.3.3. Wyniki badań wpływu naprężeń jednoosiowych i dwuosiowych

na własności magneto-sprężyste

Opisane są tu wyniki badań podstawowych wpływu naprężeń na własności magneto-sprężyste. Celem tych badań było określenie głównie zmian w natężeniu efektu Barkhausena.

7.3.3.1. Badania wpływu naprężeń jednoosiowych

Badania wpływu naprężeń jednoosiowych wykonano używając aparatu do zadawania naprężeń jednoosiowych przemiennych w INSA de Lyon. Aparat ten został opisany w rozdziale 5.2.3. Badano stal XC10 oraz stal St3.

Wyniki badania stali XC10

Przedstawione tu przykłady wyników badań uzyskano dla próbek w stanie dostawy [117]. Naprężenie było wymuszane przez siłownik hydrauliczny (9 na rys. 5.5). Magnesowanie próbki realizowano za pomocą elektromagnesu jarzmowego (10). Natężenie prądu zasilającego cewki elektromagnesu zmieniało się w sposób trójkątny ze stałą amplitudą i z okresem około T  0,1 s. Natężenie pola magnetycznego przy powierzchni próbki było określane za pomocą hallotronu, ale natężenie pola tak określanego nie było liniową funkcją natężenia prądu płynącego przez cewki. Odchylenia od liniowości występowały w okolicy natężenia pola koercji. Przy dalszym opisie wyników za wartość pola H przyjęto wartość wyliczoną metodą interpolacji liniowej. Natężenie efektu Barkhausena było wyznaczane za pomocą analizatora sygnału typ A opisanego w rozdziale 5.3.2. W tym eksperymencie za miarę natężenia HEB przyjęto wartość napięcia Uc, czyli chwilowego napięcia z układu całkującego. Wykorzystano tę wielkość, aby możliwe było porównanie uzyskiwanych zależności z wynikami innych badań. Pętle histerezy B(H) wyznaczano z napięcia indukowanego w cewce otaczającej próbkę.

Rys. 7.6. Pętle histerezy indukcji magnetycznej stali XC10 dla różnych wartości naprężenia 
Na rysunku 7.6 przedstawiono wyliczone pętle histerezy indukcji magnetycznej dla kilku wartości naprężenia . Wyniki te wskazują na to, iż wzrost naprężenia powoduje wzrost wartości indukcji nasycenia oraz także wzrost nachylenia zależności B(H) w prze-dziale natężeń pola H bliskich polu koercji H_c i obniżenie tego pola. Na rysunku 7.7 poka-zano fragmenty pętli histerezy natężenia HEB zarejestrowane dla wzrastającego natężenia pola magnetycznego H. Zmiany wysokości maksimum natężenia HEB w funkcji naprężeń przybliżyć można funkcją sigmoidalną [12]. Dla silnych naprężeń rozciągających maksimum to osiąga wartość prawie dwukrotnie większą od wartości w stanie nie naprężonym. Podobna zmiana – a mianowicie dwukrotne obniżenie maksimum  występuje dla silnych naprężeń ściskających. Zgodne jest to zatem z własnościami funkcji skalowania pokazanej na rys. 7.5 dla Rc, i taka zmiana, jak to wskazywano uprzednio, wydaje się typową własnością HEB dla stali niskowęglowych. Zauważyć też można na rys. 7.7 systematyczne przemieszczanie się położenia maksimum natężenia HEB w kierunku mniejszych natężeń pola magnetycznego w miarę wzrostu naprężenia. Analogiczne przesunięcie maksimum natężenia HEB obserwowali Jiles [57] oraz Langman [85] i Krause [75].

Rys. 7.7. Fragment pętli histerezy natężenia HEB stali XC10 dla różnych wartości naprężenia 
Porównanie pętli histerezy z rys. 7.6 i wykresami natężenia HEB na rys. 7.7 wskazuje na to, iż występuje bardzo wyraźna korelacja pomiędzy stratami energii na histerezę ma-gnetyczną a natężeniem efektu Barkhausena. Za miarę strat energii przyjęto odpowiednio powierzchnię pętli histerezy (parametr Wh) oraz całkę z funkcji Uc (parametr Wb) w zakre-sie –H₀ do +H₀, gdzie H₀ jest amplitudą pola magnetycznego. Na rys. 7.8 przedstawiono wpływ naprężeń na wartości parametru Wr = W()/W( = 0) dla całek z HEB (wykres 1) i dla całek z pętli histerezy (wykres 2). Dla obu wielkości zaobserwować można podobny charakter zmian ich wzrostu, ale także i podobną ilościowo dynamikę tych zmian. Powstałą przy zmianie naprężenia zależność między Wb i Wh, można było przybliżyć funkcją liniową, co wskazuje na to, iż zależność między obiema miarami strat energii jest bliska zależności wprost proporcjonalnej.

Wyniki badań wpływu naprężeń jednoosiowych na natężenie HEB dla stali XC10 w zakresie naprężeń od –160 MPa do +160 MPa są też przedstawione przez Catty w [36]. Uzyskane tam zależności cechują się podobnymi własnościami, choć mniejszą dynamiką. Względna zmiana wysokości maksimum natężenia HEB (względem stanu nie naprężonego) wynosiła bowiem zaledwie + (10  2)% dla rozciągania oraz tylko – (10  2)% dla ściska-nia. Przyczyną takich różnic w porównaniu z wynikami autora jest zapewne odmienna obróbka cieplna próbek zastosowana przez Catty. Taka sugestia jest uzasadniona wynikami badań wykonanych również dla stali XC10 przez Chmielewskiego [38]. Natężenie HEB w [38] było mierzone za pomocą układu wyznaczającego chwilową wartość skuteczną (typ „rms”) i te wyniki są zbliżone do wyników pokazanych na rys. 7.7. Można zatem sądzić, iż Catty nie wygrzał należycie swych próbek.

Rys. 7.8. Wpływ naprężenia jednoosiowego  na: 1  względne zmiany całki z EB (Wr1),

2  względne zmiany strat na histerezę (Wr2); stal XC10

Wyniki badania stali St3

Analogiczne badania wpływu naprężeń jednoosiowych na natężenie HEB wykonano dla próbek stali St3. Próbki zostały wygrzane w T = 1170 K przez 30 min i wolno studzone [38]. Na rys. 7.9 oraz na rys. 7.10 pokazano wykresy pętli histerezy B(H) oraz obwiednie natężenia HEB dla kilku wartości naprężenia . Natężenie HEB było wyznaczane jako chwilowe napięcie skuteczne. Pętle histerezy B(H) przy ściskaniu zmieniają bardzo wyraźnie swój kształt, a obwiednia z natężenia HEB przy ściskaniu wskazuje na występowanie dwóch maksimów. Odległość między tymi maksymami zwiększa się w miarę wzrostu poziomu naprężenia ujemnego. Z pokazanych na rys. 7.9 i rys. 7.10 danych wyznaczono całki z pętli histerezy B(H) oraz całki z obwiedni natężenia HEB. Wykresy parametru Wr dla wartości tych całek odniesionych do stanu nienaprężonego w funkcji poziomu naprężenia pokazano na rys. 7.11. Teraz, w odróżnieniu od pokazanego na rys. 7.8 przebiegu tego parametru dla stali XC10, wartości obu całek dla stali St3 zmieniają się w funkcji naprężenia w sposób niemonotoniczny. Największe wartości całek Wh oraz Wb występują dla naprężeń ściskających na (poziomie około – 80 MPa). Należy jednak podkreślić zbliżony charakter przebiegu obu całek w funkcji naprężenia. To, a także wynik poprzedniego badania korelacji dla stali XC10, dowodzi słuszności tezy, iż występowanie korelacji między całkami Wh i Wr przy zmianie naprężenia jest właściwością istotnie charakteryzującą własności magneto-sprężyste ferromagnetyka. Tego typu własność była po raz pierwszy zauważona i opublikowana w pracy [117].

W przypadku stali St3 zbadano także wpływ naprężeń na magnetostrykcję. Na rysunku 7.12 pokazano wykresy zmian magnetostrykcji przy narastającym natężeniu pola magne-tycznego w funkcji natężenia indukcji magnetycznej B. Wykresy te ujawniają w przybliżeniu paraboliczny charakter zależności (B), przy czym dla naprężeń dodatnich większych od około   + 60 MPa magnetostrykcja jest ujemna w całym zakresie wartości indukcji.

Rys. 7.9. Wpływ naprężenia jednoosiowego  na pętle histerezy indukcji magnetycznej stali St3

Rys. 7.10. Wpływ naprężenia jednoosiowego  na natężenie HEB dla stali St3
W przypadku naprężeń ściskających magnetostrykcja jest zawsze dodatnia, przy czym dynamika jej wzrostu zwiększa się w miarę powiększania poziomu naprężeń ściskających. Wyraźne jest wystąpienie maksimum dla wartości magnetostrykcji dla naprężeń  = 0 i dla  = 40 MPa w zakresie dużych wartości B. Maksimum to świadczy o zmianie w procesie magnesowania: ruch granic domen zastąpiony jest obrotem wektora magnetyzacji. Te wyni-ki są analogiczne do podawanych przez Catty dla stali XC10 [36]. Catty badał magneto-strykcję w funkcji natężenia pola H w zakresie naprężeń od –160 MPa do +160 MPa. Obserwował on maksimum na zależności magnetostrykcji od natężenia pola H dla naprężeń ściskających w całym przedziale, a także dla naprężeń rozciągających do poziomu około   + 60 MPa. Dla naprężeń rozciągających większych od tej wartość, magnetostrykcja była tylko malejącą funkcją pola H. Podobne zależności dla magnetostrykcji obserwował także Stevans [137]. Wyniki dotyczyły stali typu Durchete 1055 o składzie chemicznym: C  0,20; Mn – 0,53; Ni – 0,15; Cr – 1,05; Mo – 1,00. Wykresy magnetostrykcji tej stali w funkcji namagnesowania pokazują, iż magnetostrykcja ta jest zawsze dodatnia dla naprężeń ściskających i jest ujemna dla naprężeń rozciągających większych niż   +100 MPa. Maksimum magnetostrykcji w funkcji namagnesowania występowało dla namagnesowania rzędu M  0,8 M_s.

Rys. 7.11. Wpływ naprężeń jednoosiowych  dla stali St3 na:

1  względne zmiany całki z EB (Wr1), 2  względne zmiany strat na histerezę (Wr2)

Rys. 7.12. Wpływ naprężenia jednoosiowego  na zależność magnetostrykcji 

od indukcji magnetycznej B dla stali St3

i

i

i

i

i

i

i

i

ii

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i