Спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів

Спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає в тому, що в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість поширення ультразвукових хвиль, який відрізняється тим, що одночасно із вимірюванням швидкості поши Винахід відноситься до галузі дослідження фізичних властивостей матеріалів за допомогою ультразвукових коливань і може бути використаний для визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, наприклад, механічних напружень або температури Відомий спосіб визначення модуля пружності матеріалів, який полягає в тому, що в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість и поширення ультразвукових хвиль, а значення Е модуля пружності визначають за формулою (А с СССР №70636, кл G01N 29/00, 1948г) Е=ро2 (1) де р - густина матеріалу Однак, відомому способові властива низька точність визначення модуля пружності, зумовлена тим, що не враховується вплив дефектів внутрішньої структури матеріалу зразка, наприклад, точкових дефектів, дислокацій і пор, на швидкість поширення ультразвукових хвиль Відомий, також, спосіб визначення модуля пружності матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає втому, що в зразку із досліджуваного рення ультразвукових хвиль додатково вимірюють магнітну проникність матеріалу, а модуль пружності Ео матеріалу визначають за формулою F - п „ 2 По Де Ро - теоретична густина бездефектного матеріалу, и - виміряна швидкість поширення ультразвукових хвиль, М-0- теоретична магнітна проникність бездефектного матеріалу, ц, - виміряна магнітна проникність матеріалу матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість и поширення ультразвукових хвиль, одночасно із вимірюванням швидкості вимірюють питому електропровідність у матеріалу зразка, а значення Ео модуля пружності досліджуваного матеріалу визначають за формулою (А с СССР №1456867, кл G01N 29/00, опубл 07 02 1989, бюл №5) (2) У де ро - теоретична густина бездефектного матеріалу, у0 - теоретична питома електропровідність бездефектного матеріалу Однак, відомий спосіб не забезпечує можливості визначення модуля пружності магнітоелектриків та феритів, оскільки в них питома електропровідність практично дорівнює нулю (Преображенський А Л , Бишард Е Г Магнитные материалы и элементы - М Высшая школа, 1986-С 119-121) Відомий, також, спосіб визначення модуля пружності матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає втому, що в зразку із досліджуваного о (О 00 ю 54869 матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість и поширення ультразвукових хвиль, одночасно із вимірюванням швидкості вимірюють діелектричну проникність є матеріалу зразка, а значення Ео модуля пружності досліджуваного матеріалу визначають за формулою (Патент України №22180 А, МКИ G01 N 29/00, опубл 30 06 1998р. бюл №3) Е0=р0и2^-, (3) s де s0 - теоретична діелектрична проникність бездефективного матеріалу Однак, відомий спосіб не забезпечує можливості модуля пружності магнітодіелектриків, виготовлених методами порошкової металурги, які являють собою конгломерат із подрібненого провідного феромагнетика, частинки якого ізольовані між собою діелектричними плівками із немагнітного матеріалу (Преображенский А Л , Бишард Е Г Магнитные материалы и елемента - М Высшая школа, 1986-С 167-170) Діелектрична проникність s не може служити структурно-чутливою характеристикою такого конгломерату із провідного феромагнетика і діелектричних плівок, невідома теоретична діелектрична проникність s0 бездефектного матеріалу і, отже, відомий спосіб визначення модуля пружності матеріалів не може бути застосований для вимірювання модуля пружності магнітодіелектриків, які змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів Найближчими за технічною суттю до запропонованого винаходу є спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, зокрема, магнітодіелектриків, що змінюють свою внутрішню структуру під в впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає в тому, що в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання і вимірюють швидкість и поширення ультразвукових хвиль (Кашталян ЮА Характеристики упругости материалов при высоких температурах - Киев Наукова думка, 1970-с 14, ф 29) Окрім цього визначають пористість Р зразка, а значення Ео модуля пружності досліджуваного матеріалу визначають за формулою Eo=E(1-P)m=pu2(1-P)m, (4) де m - емпіричний коефіцієнт Однак, відомому способові властива низька точність визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом внутрішніх факторів, зумовлено тим, що зразки, виготовлені із одного і того ж матеріалу можуть мати різну внутрішню структуру (пористість, наявність дислокацій тощо) Зокрема, залишкова пористість полікристалічних матеріалів, отриманих методами порошкової металурги, якими є ферити та магнітодіелектрики, може коливатися від 1 до 15% (Скороход В В Порошковые материалы на основе тугоплавких соединений - Киев Техніка, 1982 - с 16) Індивідуальне визначення дефектів внутрішньої структури кожного зразка перед дослідженням також не дає задовільних результатів, оскільки під дією таких факторів, як механічні напруження або температура, внутрішня структура зразка змінюється Наприклад, внаслідок руху дислокацій, викликаного прикладеним до зразка механічним напруженням, виміряне значення модуля пружності може бути на 1% менше від свого дійсного значення (Труэлл Р , Эльбаум Ч , Чик В Ультразвуковые методы в физике твердого тела/Пер с англ - М Мир, 1972 -с 93) Крім цього, відомий спосіб не враховує зміни швидкості і затухання ультразвукових хвиль в феромагнетиках, зумовлених взаємодією пружних хвиль із стінками магнітних доменів, що також зумовлює суттєве зниження точності вимірювання модуля пружності (Труэлл Р , Эльбаум Ч , Чик В Ультразвуковые методы в физике твердого тела / Пер с англ - М Мир, 1972 - С 189-190) Також відомому способові властива низька продуктивність праці, оскільки індивідуальне визначення дефектів внутрішньої структури кожного зразка є складною і трудоємною задачею В основу винаходу покладено завдання створити такий спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, зокрема, магнітодіелектриків, в якому нове додаткове вимірювання структурно-чутливої характеристики матеріалу дозволило б підвищити точність і продуктивність визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, наприклад, механічних напружень або температури Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому способі визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає втому, що в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість поширення ультразвукових хвиль, згідно з винаходом, одночасно із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових хвиль додатково вимірюють магнітну проникність матеріалу, а модуль пружності матеріалу визначають за формулою о (5) де ро - теоретична густина бездефектного матеріалу, и - виміряна швидкість поширення ультразвукових хвиль, |іо -теоретична магнітна проникність бездефектного матеріалу, ц, - виміряна магнітна проникність матеріалу Позитивний ефект у запропонованому винаході досягається за рахунок того, що одночасно із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових хвиль в матеріалі додатково вимірюють магнітну проникність матеріалу, значення якої враховують при визначенні модуля пружності матеріалу Оскільки магнітна проникність є структурночутливою характеристикою феромагнітного матеріалу, тобто и значення залежить від внутрішньої структури феромагнетика (Преображенекий А А , Бишард Е Г Магнитные материалы и элементы М Высшая школа, 1986 - С 36-39), то це дозволяє неперервно враховувати вплив внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль, тобто неперервно визначати дійсне значення модуля пружності матеріалу, і, цим самим, дозволяє усунути методичну похибку 54869 визначення модуля пружності, обумовлену впливом зміни внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль, тобто підвищити точність визначення модуля пружності матеріалу Крім цього, оскільки вимірювання магнітної проникності здійснюється апаратурно і методично простіше і значно швидше, ніж визначення дефектів внутрішньої структури матеріалу (наприклад, пористості, наявності дислокацій тощо), то запропонований спосіб дозволяє значно підвищити продуктивність праці при визначені модуля пружності Запропонований спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, реалізується наступним чином - в зразку, виготовленому із досліджуваного матеріалу, збуджують ультразвукові коливання, - вимірюють швидкість и поширення ультразвукових хвиль в ТІЛІ зразка, - одночасно із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових хвиль вимірюють магнітну проникність ц, матеріалу зразка, - значення Ео модуля пружності досліджуваного матеріалу визначають за формулою Eo = Рои' (6) де ро - теоретична густина бездефектного матеріалу, и - виміряна швидкість поширення ультразвукових хвиль, JL -теоретична магнітна проникність бездефеLO ктного матеріалу, ц, - виміряна магнітна проникність матеріалу Розглянемо детальніше, яким чином введення додаткової операції - вимірювання магнітної проникності матеріалу - дозволяє підвищити точність вимірювання модуля пружності феромагнітних матеріалів Фактична швидкість и поширення ультразвукових хвиль в зразку, який має дефекти внутрішньої структури (пори, дислокації та ш), відрізняється від швидкості и 0 поширення ультразвукових хвиль в бездефектному матеріалі на величину Ди (Бальшин М Ю, Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна - М Металургия, 1972, с 42, Труэлл Р , Эльбаум Ч , Чик В Ультразвуковые методы в физике твердого тела /Пер с англ -М Мир, 1972, с 93), тобто u=uo-Au (7) Наявність Ди призводить до появи методичної похибки визначення модуля пружності матеріалу, оскільки значення швидкості и є вихідним для обчислення модуля пружності Розглянемо, як впливає внутрішня структура матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль і, ВІДПОВІДНО, на значення модуля пружності Виміряне значення Е модуля пружності досліджуваного зразка дорівнює Е=ри2, (8) а дійсне значення модуля пружності матеріалу = Роио, (9) тобто виникає методична похибка ДЕм визначення модуля пружності, яка дорівнює ДЕН=Е-Ео (10) Оскільки ПІД ВПЛИВОМ таких факторів, як механічні напруження, температура та ш , змінюється внутрішня структура матеріалу, то буде змінюватися і швидкість и поширення ультразвукових хвиль в зразку, а разом з нею і методична похибка АЕм, що призводить до спотворення результатів вимірювання модуля пружності Таким чином, усунення методичної похибки ДЕ Н визначення модуля пружності матеріалів, зумовленої впливом зміни внутрішньої структури матеріалу зразка на швидкість поширення в ньому ультразвукових хвиль, дозволить суттєво підвищити точність визначення модуля пружності На основі (8) і (9) отримаємо, що дійсне значення модуля пружності матеріалу дорівнює Ео=рои V , (11) де / и - масштаб спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, що має дефекти внутрішньої структури Отже, знаючи масштаб п спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, легко визначити дійсне значення модуля пружності досліджуваного матеріалу на основі виміряного значення швидкості и поширення ультразвукових хвиль в зразку і, тим самим, усунути методичну похибку ДЕ Н Для визначення п використаємо умову єдності властивостей пористого тіла, виготовленого методом порошкової металурги, яка полягає втому, що масштаби спотворення швидкості поширення різних процесів (наприклад, звукових, теплових, електромагнітних хвиль та ш ) в одному й тому ж зразку взаємопов'язані і визначаються масштабним фактором І/Іо (де І - фактична довжина шляху процесу в пористому ТІЛІ, Іо - номінальна найкоротша довжина шляху, що відповідає поширенню процесу в бездефектному ТІЛІ) (Бальшин М Ю Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна - М Металлургия 1972, с 44, ф 111-1), тобто f — 02) l0 и Іншим найважливішим параметром пористого тіла є безрозмірний контактний переріз а, який дорівнює відношенню площі фактичного контактного поперечного перерізу тіла до площі його номінального поперечного перерізу, тобто а являє собою безрозмірну активну частину поперечного перерізу пористого тіла, в якій концентрується направлені напруження або процеси Між двома найважливішими безрозмірними параметрами (масштабними факторами) І/Іо і а в одному і тому ж пористому зразку існує однозначна залежність (Бальшин М Ю Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна М Металлургия 1972, с 48, ф 111-6) де З - відносна густина зразка Взаємозв'язок між різними характеристиками пористого зразка оснований на однаковому впливі 54869 внутрішньої структури пористого тіла на масштаби спотворення швидкостей поширення різних процесів Отже, знаючи масштаб спотворення одної із характеристик пористого зразка (наприклад, магнітної проникності), можна визначити масштаби спотворення інших характеристик (наприклад, швидкості поширення ультразвукових хвиль, модуля пружності та ін), а потім визначити значення названих характеристик При досліджені феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, як первинну характеристику доцільно вибрати магнітну проникність матеріалу, оскільки вона є структурно - чутливою характеристикою феромагнітного матеріалу і її можна відносно просто виміряти, як з методичної точки зору, так і стосовно апаратурних затрат Розглянемо взаємозв'язок між масштабами спотворення магнітної проникності матеріалу і швидкістю поширення ультразвукових хвиль в матеріалі Для цього скористаємося граничними рівняннями безрозмірних характеристик пористих тіл (Бальшин М Ю Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна - М Металлургия, 1972, с 119, табл 20) Для порошкових спечених матеріалів з не дуже великою пористістю (115%) справедливе співвідношення а=&"\ де т = 3 (Бальшин М Ю Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна - М Металлургия, 1972, с 118) Тоді на основі (12) і (13) отримаємо U/UQ = -Jal &, (14) і, розглядаючи, магнітну проникність матеріалу як магнітну проникність кубика одиничного об'єму з поперечним перерізом а, отримаємо (Бальшин М Ю Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна - М Металлургия, 1972, с 107, табл 18) \IQI ]i= л]а1 & (15) Тоді значення масштабу п спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, що має дефекти внутрішньої структури, при а=§ дорівнює п = и / и 0 = J\iQ І ц,, (І ч) де ц, - магнітна проникність матеріалу, що має дефекти внутрішньої структури, ц, - магнітна проникність бездефектного матеріалу З врахуванням (11) і (16) отримаємо вираз для визначення дійсного значення модуля пружності матеріалів 8 Таким чином, запропонований спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів дозволяє неперервно враховувати зміни внутрішньої структури матеріалу шляхом додаткового вимірювання магнітної проникності матеріалу, значення якої враховується при визначенні дійсного значення модуля пружності, і, тим самим, усуває методичну похибку ДЕ Н визначення модуля пружності, обумовлену впливом зміни внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль Існуючі способи визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, не дозволяють неперервно враховувати вплив внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль і, отже, їм властива велика, як було показано вище, методична похибка визначення модуля пружності Усунення методичної похибки ДЕ Н дозволяє значно підвищити точність визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, оскільки вона є найбільш вагомою в результуючій похибці визначення модуля пружності Як було показано вище, методична похибка може становити одиниці і, навіть десятки процентів, тоді як інструментальна похибка за літературними даними складає десяті долі процента і менше (Войте н ко А В, Исследование характеристик упругости конструкционных сплавов в широком интервале температур В кн Механические испытания конструкционных сплавов - Киев Наукова думка, 1982, с 132) Таким чином, запропонований спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, порівняно з прототипом дозволяє підвищити точність вимірювання в десять і більше разів Одночасно підвищується продуктивність праці при визначенні модуля пружності порівняно з прототипом, оскільки неперервне вимірювання магнітної проникності здійснюється швидше і методично простіше, ніж індивідуальне визначення пористості зразків Запропонований спосіб визначення модуля пружності феромагнітних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, може бути реалізований за допомогою відомих пристроїв дня вимірювання швидкості поширення ультразвукових хвиль в досліджуваному зразку та магнітної проникності матеріалу зразка (17) о Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24