ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
Сведения о ферромагнетизме.
Рельсовая сталь, сильно намагничивающаяся в сравнительно слабом магнитном ноле и сохраняющая значительную долю того намагничивания, которое было ей ранее сообщено, по своим свойствам относится к группе ферромагнитных материалов [10]. Ферромагнитные свойства возникают благодаря наличию в атоме стали элементарных носителей магнетизма — движущихся внутри атома электронов и особому взаимодействию между некоторыми электронами соседних атомов. Последнее свойство тесно связано с кристаллической структурой ферромагнитных материалов. По современным представлениям, атом любого вещества имеет сложную структуру, состоящую из ядра, заряженного положительно, и вращающихся вокруг нею и собственной оси отрицательно заряженных электронов. Всякое движение электронов представляет собой электрический ток, а прохождение тока сопровождается возникновением магнитного поля. При вращении электрона по орбите радиусом г возникает магнитный момент т (обозначается вектором), величина которого равна произведению тока i и площади S, ограниченной контуром этого тока, т. е. т=iS. Направление вектора магнитною момента совпадает с перпендикуляром к площади S и связано с направлением тока в контуре по правилу правого винта. Электрон, вращающийся вокруг атомного ядра, обладает орбитальным магнитным моментом. Вращение электрона вокруг собственной оси приводит к образованию магнитного момента — спинового момента.
В создании магнитного момента отдельною атома, а следовательно, и магнитных свойств вещества принимают участие не все электроны, а только небольшая их часть. Это объясняется тем, что магнитные моменты большинства электронов имеют противоположное направление и взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего эти электроны делаются нейтральными в магнитном отношении. При этом свойства атомов ферромагнитного вещества полностью определяются электронами с некомпенсированными спиновыми моментами. Для ферромагнитного вещества наличие нескомпенсированных спиновых моментов — необходимое условие, по недостаточное. Второе условие относится к микрообъему вещества и определяется электрическим взаимодействием между электронами соседних атомов с нескомпенсированными спиновыми моментами. Под влиянием этих сил спиновые моменты в микрообъеме вещества образуют намагниченные до насыщения микроскопические области - домены, или области самопроизвольного (спонтанного) намагничивания.
В размагниченном ферромагнитном образце магнитные моменты отдельных областей самопроизвольного намагничивания имеют различное направление и взаимно компенсируют друг друга. Поэтому результирующий магнитный момент у такого образца равен нулю. Направление магнитных моментов отдельных доменов в основном определяется структурными особенностями ферромагнитных материалов. Эта особенность состоит в том, что обычный кусок ферромагнитною материала представляет собой конгломерат большого количества отдельных кристаллов с неправильной граничной поверхностью — кристаллитов. При отсутствии внешнего магнитного ноля каждый кристаллит разбит на большое число областей самопроизвольного намагничивания. Внутри каждой такой области материал намагничен до насыщения вдоль одного из кристаллографических направлений, которое является направлением легкого намагничивания. Реальное существование областей самопроизвольного намагничивания подтверждается опытом. В хорошо размагниченном ферромагнитном образце области самопроизвольного намагничивания расположены так, что результирующий магнитный момент образца равен нулю.
Под действием внешнего поля происходит изменение размеров, а затем направления намагниченности отдельных областей самопроизвольного намагничивания, что сопровождается изменением их магнитных моментов. С ростом внешнего магнитного поля наступает такая стадия намагничивания (состояние технического насыщения), когда сумма магнитных моментов областей самопроизвольного намагничивания дает добавочное (внутреннее) иоле, которое складывается с внешним полем и усиливает его. Благодаря добавочному (собственному) полю ферромагнитные материалы приобретают свойство сильно намагничиваться в сравнительно слабом магнитном поле.
Если после насыщения ферромагнитного материала начать уменьшение внешнего поля, то вектор мaгнитного момента каждой области будет постепенно отходить от положения, совпадающего с направлением внешнего поля, к положению легкого намагничивания, ось которого составляв наименьший угол с внешним нолем. Таким образом, при нулевом значении внешнего поля магнитные моменты областей сохраняют определенную ориентацию, при которой суммарный магнитный момент ферромагнитного образца не равен нулю. Следовательно, ферромагнитный образец сохраняет остаточное намагничивание. Чтобы уменьшить его, необходимо приложить поле произвольного напряжения, которое будет уменьшать размеры (объемы) одних областей и увеличивать объемы других.
Благодаря добавочному (внутреннему) полю ферромагнитные материалы приобретают очень цепные свойства: сильно намагничиваются в относительно слабом магнитном поле; магнитная восприимчивость зависит от напряженности намагничивающего (внешнего) поля. Поэтому при неизменной напряженности этого поля местное изменение магнитной восприимчивости ферромагнитного материала, например из-за нарушения его однородности или сплошности, сопровождается изменением его намагниченности. Наличием областей самопроизвольного намагничивания объясняются также многие другие свойства и характеристики ферромагнитных материалов при воздействии на них статических и динамических полей.
Рассмотрим основные магнитные величины и единицы их в системе СИ. В качестве меры намагничивания ферромагнитного тела принят вектор намагниченности J, равный магнитному моменту М единицы объема рассматриваемого тела. Следует различать слова «намагничивание» и «намагниченность». Под «намагничиванием» подразумевают процесс увеличения магнитного момента тела или образна, а под «намагниченностью» - состояние тела (образца), характеризуемое вектором J. Для однородною намагниченного образца с объемом V вектор намагниченности J = М/V. В принятой системе единиц намагниченность измеряется в амперах на метр (А/м).
Намагниченность J зависит от напряженности магнитного поля Н. Напряженность магнитного поля характеризует намагничивающее поле в ферромагнитном материале или в замкнутом кольцевом образце, создаваемое электрическим током внешнего источника энергии. Для получения однородного магнитного поля в замкнутом кольцевом образце пользуются тороидальной катушкой с числом витков w, через которую протекает ток i. Напряженность поля, создаваемого током в тороидальной катушке при условии, что ее диаметр значительно превосходит средний диаметр витка,
Во многих руководствах по дефектоскопии рельсов размерность магнитных величин указана в абсолютной электромагнитной системе единиц СГСМ, в которой индукция В измеряется в гауссах (Гс), магнитный поток Ф в максвеллах (Мкс) и напряженность поля Я в эрстедах (Э). Перевести единицы системы СГСМ в СИ можно следующим образом: 
На основе ферромагнитных свойств создаются магнитные и электромагнитные методы обнаружения дефектов.
О процессе намагничивания ферромагнитных материалов.
Практическое применение получил способ намагничивания рельсов в приложенном магнитном поле движущегося электромагнита или постоянного магнита. Намагничивание в движущемся поле (динамическое намагничивание) обычно сравнивают со статическим намагничиванием, при котором электромагнит или постоянный магнит неподвижен относительно рельса. Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнитных материалов в статическом магнитном поле.
Статическим магнитным называется поле, возбуждаемое постоянным или медленно меняющимся электрическим током. Процесс намагничивания ферромагнитного материала в таком ноле характеризуется кривой первоначального намагничивания, представляющей зависимость индукции В от напряженности намагничивающего поля Н. Эту кривую можно получить экспериментально для кольцевого ферромагнитного сердечника с равномерно распределенной намагничивающей обмоткой. Сердечник предварительно размагничивается, т. е. приводится в такое состояние, когда суммарный магнитный момент областей произвольного намагничивания равен нулю.
При построении кривой первоначального намагничивания (рис. 28) по горизонтальной оси (ось абсцисс) отложены значения напряженности поля Н, а но вертикальной (ось ординат) — магнитной индукции В. Кривая разделена на два участка, каждый из которых характеризует определенную стадию намагничивания. Начальная пологая часть кривой намагничивания соответствует обратимому смещению областей самопроизвольного намагничивания материала. Процесс называется обратимым, если намагниченный материал может возвратиться в первоначальное состояние с индукцией В при восстановлении исходной напряженности поля Н. На крутом (I) участке кривой материал намагничивается в результате необратимых смещений границ областей самопроизвольного намагничивания. При необратимых процессах восстановление исходного значения напряженности H не приводиn материал к исходному значению индукции В. Необратимые процессы возникают из-за ряда причин. К числу таких причин относятся напряжения, возникающие от механических повреждений, инородные включения, пустоты и другие дефекты в кристаллах ферромагнитного материала. Верхний перегиб кривой, переходящий в пологий участок (II), где материал приближается к состоянию технического насыщения, соответствует обратимому процессу вращения магнитных моментов указанных областей.
Процесс намагничивания ферромагнитного материала в значительной части необратим.
Рис. 28. Кривая первоначального намагничивания ферромагнитного материала
Поэтому снижение напряженности поля от максимального значения для данной кривой намагничивания до исходного значения Н=0 не приводит к исходному значению индукции В. В более широком понимании это значит, что характер изменения индукции для постепенного увеличения напряженности поля не совпадает с характером изменения индукции для постепенного уменьшения этого поля до исходного значения. Экспериментально эту зависимость подтверждает замкнутая кривая намагничивания кольцевого ферромагнитного сердечника с равномерно распределенной намагничивающей обмоткой при полном цикле изменения Н.
Постепенное увеличение тока в намагничивающей обмотке сопровождается постепенным ростом напряженности поля от исходного значения Н=0 до максимального Н (рис. 29). Полученная в результате этого ветвь ОА соответствует кривой первоначального намагничивания. Постепенно снижая напряженность поля вплоть до исходного значения Н =0, легко убедиться в том, что вновь полученная кривая не совпадает с прежней, оказывается выше нее и вместо нуля приходит в точку Вr. В точке О, соответствующей нулевому значению напряженности поля, магнитная индукция не обращается в нуль, а сохраняет некоторое положительное значение. Следовательно, индукция в сердечнике изменяется медленнее, чем напряженность поля.
Чтобы положительную индукцию В обратить в нуль, необходимо приложить поле противоположного направления, т. е. поле с отрицательными значениями H. Для этого достаточно направление тока в намагничивающей обмотке изменить на обратное. Как только поле противоположного направления достигает напряженности Нс, индукция в сердечнике сведется к нулю (сердечник будет размагничен). При дальнейшем увеличении поля до напряженности — Hs кривая намагничивания достигает точки соответствующей насыщению сердечника в поле с отрицательными значениями Н. С уменьшением величины этого ноля кривая пойдет по пути At — Вr. В точке, соответствующей пулевому значению напряженности поля, магнитная индукция, как и прежде, не обращается в нуль, а принимает отрицательное значение — Вr. Чтобы обратить эту индукцию в нуль, следует приложить поле с положительным значением Hс. С усилением этого поля кривая намагничивания достигает точки 4, где закончится полный цикл намагничивания. Таким образом, при изменении поля от максимального положи тельного значения до максимального отрицательного значения — +Hs и обратно кривая намагничивания образует петлю, которая называется симметричной петлей гистерезиса.
Рис. 29. Симметричная петля гистерезиса ферромагнитного материала
Рис. 30. Семейство петель гистерезиса и основная кривая намагничивания
Петля гистерезиса графически изображает отставание индукции от напряженности поля за полный цикл ее изменения. Площадь петли гистерезиса равна потерям энергии на гистерезис в единице объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания. Энергия, затрачиваемая на гистерезис, преобразуется в тепло, идущее на нагревание сердечника.
Установившийся цикл гистерезиса можно получить только после многократного изменения поля в пределах принятых значений Для Hs, при которых всякий раз достигается насыщение материала, установившийся цикл гистерезиса называется предельной петлей гистерезиса. Большое значение в технике имеет участок BrHs предельной петли гистерезиса, характеризующий процесс размагничивания материалов. Участок BrHs предельной петли гистерезиса называется кривой размагничивания. Точки пересечения предельной петли гистерезиса с осями координат определяют значения магнитных величин, которые являются важнейшими характеристиками ферромагнитного материала.
Если симметричную петлю гистерезиса (см. рис. 29) принять за предельную петлю, то точка Вr ее пересечения с осью ординат определяет остаточную индукцию в ферромагнитном материале, а точка Hs пересечения предельной петли гистерезиса с осью абсцисс — коэрцитивную силу, равную напряженности поля, при которой остаточная индукция Вr превращается в нуль. Кроме остаточной индукции и коэрцитивной силы, к числу основных параметров, характеризующих свойства ферромагнитных материалов при статическом намагничивании, относятся начальная μмах и максимальная μмах магнитные проницаемости. Обе характеристики определяются по основной кривой намагничивания, которая совпадает с геометрическими вершинами установившихся петель гистерезиса (рис. 30), составляющих семейство симметричных петель гистерезиса. Начальная проницаемость характеризует свойства материала в очень слабых полях, а максимальная — в полях с напряженностью, близкой к значению коэрцитивной силы.
Характерная особенность ферромагнитных материалов — нелинейная зависимость магнитной проницаемости от напряженности созданного в них магнитного поля. Эту зависимость строят по значению В и H основной кривой намагничивания (рис. 31). Относительная проницаемость для каждой точки основной кривой намагничивания
где μ0 — магнитная постоянная.
Все сказанное о магнитных свойствах материалов относилось к замкнутой магнитной цепи, например к замкнутому кольцевому сердечнику. Однако на практике часто используются разомкнутые цепи, ч. е. цепи, содержащие воздушный зазор, представляющий большое магнитное сопротивление по сравнению с остальной частью цепи. Воздушный зазор может существенно изменить ход кривых намагничивания и значения проницаемости. В магнитной цепи или сердечнике с воздушным зазором возникают свободные полюсы, создающие размагничивающее поле Н0, направленное навстречу внешнему намагничивающему нолю Нс. Магнитные свойства такого сердечника определяются результирующим (истинным) полем
Размагничивающее поле Н0 приближенно можно считать пропорциональным намагниченности J. Коэффициент пропорциональности N называется коэффициентом размагничивания. Тогда Hi=He—NJ.
Рис. 31. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля
На практике в большинстве случаев пользуются некоторыми усредненными значениями N, определенными по приближенным формулам или справочным таблицам для тел заданной формы и размеров. Сравнивая кривые намагничивания вещества и образца, можно сделать следующие замечания: чем больше коэффициент размагничивания, т. е, чем короче и толще образец, тем более пологий вид принимает его кривая намагничивания. Следовательно, при больших воздушных зазорах ход кривой намагничивания определяется в основном не магнитными свойствами материала, а формой магнитной цепи или сердечника.
Ферромагнитные материалы делятся на две обособленные группы — магнитомягкие и магнитотвердые. Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения уже в слабых полях и малые потери иа перемагничивание. Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) отличаются большими значениями остаточной индукции Вr и коэрцитивной силы Нс. Сравнение петель гистерезиса, характерных для обеих групп материалов, показало, что они значительно отличаются значением коэрцитивной силы. Для промышленных магнитомягких материалов минимальная коэрцитивная сила Hс=0,004 А/см, а для магнитотвердых максимальная Нс=3200 А/см. Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые — широкую с большой коэрцитивной силой.
Рис. 32. Схема для определения динамической кривой индукции кольцевого сердечника
Важная характеристика поведения сердечника в переменном магнитном поле — динамическая кривая индукции. Если динамическая петля имеет форму эллипса, го динамическая кривая индукции выражает зависимость амплитудных значений синусоидальной индукции от амплитудных значений синусоидальной напряженности поля Нм. Эта зависимость также представляет собой динамическую характеристику сердечника, однако для усредненных значений Вм и Нм за целый период их изменения. Для построения динамической кривой индукции значения Вм и Нм находят косвенным путем на основании существующих связей между магнитными и электрическими величинами в цепях переменного тока с сердечниками и намагничивающими обмотками.
Классификация магнитных и электромагнитных методов дефектоскопии.
Скрытые дефекты в стальных железнодорожных рельсах обнаруживаются магнитными и электромагнитными методами [10]. Для этого рельсы намагничивают способом приложенного магнитного поля электромагнитом или постоянным магнитом. Для большей надежности выявления дефектов в рельсах один и тот же участок пути периодически контролируют при двух скоростях перемещения магнитного поля относительно рельса — 4 — 5 и 60 — 70 км/ч. Однако методы обнаружения внутренних дефектов при разных скоростях перемещения намагничивающего поля существенно отличаются. Поэтому каждый из них может классифицироваться как метод, имеющий самостоятельное значение.
В случае перемещения магнитного поля относительно рельса со скоростью 4 — 5 км/ч условия намагничивания рельсов близки к статическим. Над головкой рельса с внутренним поперечным дефектом возникает местное магнитное поле — поле рассеяния дефекта. Метод, основанный на индикации поля рассеяния дефекта при статическом намагничивании рельсов в пути, называется магнитным.
Перемещение магнитного поля относительно рельсов со скоростью 60 — 70 км/ч вызывает появление в них замкнутых контуров вихревых токов. Поэтому наличие дефекта приводит не только к местному изменению намагниченности рельса, по и к местному изменению в нем контуров вихревых токов и их плотности. При совместном действии этих факторов в зоне дефекта над поверхностью рельса возникает местное изменение поля — магнитодинамическое поле дефекта. Метод дефектоскопирования рельсов в пути, основанный на индикации этого поля, называется магнитодинамическим. Разрабатывается электромагнитная аппаратура для выявления волосовин и закатов. Принцип работы электромагнитного дефектоскопа для обнаружения волосовин с недопустимыми размерами основан на вихретоковом методе — анализируется изменение параметров возбуждающей системы (плоская накладная катушка), находящейся в переменном магнитном поле при помещении ее вблизи дефекта рельса.