vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-2-167-181vestift-734Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSВозможность оценки механических напряжений в никеле магнитным пондеромоторным методомPossibility of estimation of mechanical stresses in nickel by the magnetic ponderomotive methodКутеповА. Ю.KutepovA. Yu.

Кутепов Алесь Юрьевич – младший научный сотрудник лаборатории контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

Ales Yu. Kutepov – Junior Researcher of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

ales.kutepov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9658-1003КреньА. П.KrenA. P.

Крень Александр Петрович – доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

Alexander P. Kren – D. Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

alekspk@mail.ruГнутенкоЕ. В.GnutenkoE. V.

Гнутенко Егор Владимирович – старший научный сотрудник лаборатории контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

Egor V. Gnutenko – Senior Researcher of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

gnutenkoev@gmail.comИнститут прикладной физики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus202202072022672167181Copyright © Кутепов А.Ю., Крень А.П., Гнутенко Е.В., 20222022Кутепов А.Ю., Крень А.П., Гнутенко Е.В.Kutepov A.Y., Kren A.P., Gnutenko E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/734

Рассмотрена методика оценки механических напряжений в покрытиях магнитным пондеромоторным методом, основанная на использовании данных о величине магнитоотрывного усилия и его связи с магнитными характеристиками никеля (магнитной восприимчивостью), изменяющимися под действием напряжений. Показано, что существующее оборудование для определения механических напряжений рентгеновским, магнитным или ультразвуковым методами контроля имеет ограничения по размеру для контролируемых образцов либо низкую локальность измерений. Представлен магнитный пондеромоторный метод контроля механических напряжений, не имеющий указанных недостатков. Теоретически обосновано изменение магнитоотрывного усилия от толщины, приложенных и остаточных напряжений, обусловленных упругими и пластическими деформациями в образце. Показано, что наличие в образце остаточных напряжений изменяет характер зависимости магнитоотрывного усилия от приложенных напряжений. Разработан алгоритм расчета, позволяющий по одному измерению магнитоотрывного усилия получить соотношение между величинами приложенных и остаточных напряжений. Показано, что соотношение между остаточными и приложенными напряжениями может быть использовано для оценки степени приближения к критическим значениям напряжений, приводящим к разрушению. Построены градуировочные поверхности зависимости приложенных напряжений от магнитоотрывного усилия и толщины, соответствующие упругопластической деформации, а также уровневые градуировочные поверхности, соответствующие упругой деформации при наличии в материале остаточных напряжений. Выполнены эксперименты на никелевых образцах и покрытиях по оценке приближения механических напряжений в материале к критическим уровням, приводящим к разрушению. Показано, что при сравнении показаний градуированных датчиков с аттестованным средством наибольшее отклонение происходит при малых величинах напряжений вследствие обратной зависимости отрывного усилия от уровня напряжений.

The paper considers a technique for assessing mechanical stresses in coatings by the magnetic ponderomotive method, based on the use of the magnitude of the magnet breakaway force and its relation to the magnetic characteristics of nickel (magnetic susceptibility), which change under the action of internal stresses. It is shown that the existing mechanical stress measuring equipment using X-ray, magnetic or ultrasonic methods have specimen size limitations or have low measurement locality. At the same time, a magnetic ponderomotive method for controlling mechanical stresses is presented, which does not have the indicated disadvantages. The change in the magnetic breakaway force on the thickness, applied and residual stresses caused by elastic and plastic deformations in the sample is theoretically substantiated. It is shown that the presence of residual stresses in the sample changes the nature of the dependence of the magnet breakaway force on the applied stresses. A calculation algorithm has been developed that allows measuring the magnet breakaway force to obtain the ratio between the applied and residual stresses. It is shown that the ratio between residual and applied stresses can be used to assess the degree of proximity to the critical stresses levels that lead to failure. Calibration surfaces are constructed for the dependence of applied stresses on magnetic separation force and thickness, corresponding to elastic-plastic deformation, as well as leveled calibration surfaces, corresponding to elastic deformation in the presence of residual stresses in the material. Experiments have been carried out on real samples and coatings, that determine the degree of approximation of internal stresses in the material to critical levels that may lead to destruction. It is shown that when comparing the readings of calibrated gauges with a certified tool, the largest deviation occurs at low stress values due to the inverse dependence of the breakaway force on the stress level.

никельпластические деформацииостаточные напряженияприложенные напряжениямагнитоотрывное усилиепондеромоторный методnickelplastic deformationresidual stressapplied stressmagnet breakaway forceponderomotive methodАвторы выражают благодарность доктору технических наук, профессору В. А. Рудницкому за полезное обсуждение результатов данной работы.We thank Doctor of Technical Sciences, Professor V. A. Rudnitskiy for a helpful discussion of the results of this work.ReferencesБуркин, С. П. Остаточные напряжения в металлопродукции : учеб. пособие / С. П. Буркин, Г. В. Шимов, Е. А. Андрюкова. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. – 248 с.Burkin S. P., Shimov G. V., Andrukova E. A. Residual Stresses in Metal Products. Yekaterinburg, Ural University Press, 2015. 248 p. (in Russian).Улыбин, А. В. Особенности применения резистивного электроконтактного метода для контроля напряженнодеформированного состояния стальных конструкций / А. В. Улыбин, Г. А. Кукушкина // Инженер.-строит. журн. – 2010. – № 3 (13). – С. 32–34. https://doi.org/10.18720/MCE.13.13Ulybin A. V., Kukushkina G. A. Features of the application of the resistive electrical contact method for steel structures stress-strain state monitoring. Inzhenerno-stroitel’nyi zhurnal = Magazine of Civil Engineering, 2010, no. 3 (13), pp. 32– 34. https://doi.org/10.18720/MCE.13.13 (in Russian).Equivalent Strain and Stress Models for the Effect of Mechanical Loading on the Permeability of Ferromagnetic Materials / P. Rasilo [et al.] // IEEE Trans. Magn. – 2019. – Vol. 55, № 6. – P. 1–4. http://doi.org/10.1109/ TMAG.2018.2890407Rasilo P., Aydin U., Martin F., Belahcen A., Kouhia R., Daniel L. Equivalent Strain and Stress Models for the Effect of Mechanical Loading on the Permeability of Ferromagnetic Materials. IEEE Transactions on Magnetics, 2019, vol. 55, no. 6, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/tmag.2018.2890407Weisensel, N. Magnetotagging, A New Method for Active and Passive Nondestructive Evaluation of Stresses and Defects in Composite Structures / N. Weisensel, C. Liang // Mater. Technol. – 2016. – Vol. 10. – P. 142–144. https://doi.org/10.1080/10667857.1995.11752613Weisensel N. Liang C. Magnetotagging, A New Method for Active and Passive Nondestructive Evaluation of Stresses and Defects in Composite Structures. Materials Technology, 2016, vol. 10, pp. 142–144. https://doi.org/10.1080/10667857.1995.11752613Костин, В. Н. Оценка упругих и пластических деформаций ферритоперлитных сталей по магнитным свойствам вещества / В. Н. Костин, А. В. Кадров, А. Е. Кусков // Дефектоскопия. – 2005. – № 10. – С. 13–22.Kostin V. N., Kadrov A. V., Kuskov A. E. Magnetic Properties of a Material Used to Estimate Elastic and Plastic Strains of Ferrite-Pearlite Steels. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2005, vol. 41, iss. 10, pp. 632–639. https://doi.org/10.1007/s11181-006-0014-7Необратимые изменения намагниченности как индикаторы напряженно-деформированного состояния ферромагнитных объектов / В. Н. Костин [и др.] // Дефектоскопия. – 2009. – № 11. – С. 54–67.Kostin V. N., Tsar’kova T. P., Nichipuruk A. P., Loskutov V. E., Lopatin V. V., Kostin K. V. Irreversible changes in the magnetization as indicators of stressed-strained state of ferromagnetic objects. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2009, vol. 45, iss. 11, pp. 786–796. https://doi.org/10.1134/S1061830909110059Влияние упругой деформации на гистерезисные свойства двуслойного ферромагнетика, составленного из компонентов, обладающих магнитострикцией разных знаков / Э. С. Горкунов [и др.] // Дефектоскопия. – 2014. – № 8. – С. 42–56.Gorkunov E. S., Subachev Y. V., Povolotskaya A. M., Zadvorkin S. M. The influence of elastic deformations on the hysteresis properties of a two-layer ferromagnet composed of components with magnetostrictions of opposite signs. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2014, vol. 50, iss. 8, pp. 469–480. https://doi.org/10.1134/S1061830914080051Иванова, И. Сравнительные измерения напряженного состояния проката углеродистой стали посредством шума Баркгаузена и ультразвука / И. Иванова, Т. Парталин // Дефектоскопия. – 2012. – № 2. – С. 83–94.Ivanova I., Partalin T. Comparative measurements of the stress state in a rolled carbon steel using magnetic Barkhausen noise and ultrasonic method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2012, vol. 48, iss. 2, pp. 137–146. https://doi.org/10.1134/S1061830912020040Магнитные и магнитоакустические параметры контроля напряженно-деформированного состояния углеродистых сталей, подвергнутых холодной пластической деформации и отжигу / В. Н. Костин [и др.] // Дефектоскопия. – 2015. – № 10. – С. 33–41.Kostin V. N., Vasilenko O. N., Filatenkov D. Y., Chekasina Yu. A., Serbin E. D. Magnetic and magnetoacoustic testing parameters of the stressed-strained state of carbon steels that were subjected to a cold plastic deformation and annealing. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2015, vol. 51, iss. 10, pp. 624–632. https://doi.org/10.1134/S1061830915100071Филинов, В. В., Контроль напряженного состояния трубопроводов по магнитным параметрам металла / В. В. Филинов, А. Н. Кузнецов, П. Г. Аракелов // Дефектоскопия. – 2017. – № 1. – C. 41–50.Filinov V. V., Kuznetsov A. N., Arakelov P. G. Monitoring stressed state of pipelines by magnetic parameters of metal. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2017, vol. 53, iss. 1, pp. 51–61. https://doi.org/10.1134/S1061830917010065Акулов, Н. С. К теории пондеромоторного магнитного контроля металлов / Н. С. Акулов, В. А. Рудницкий // Докл. АН БССР. – 1970. – Т. 14, № 10. – С. 889–892.Akulov N. S., Rudnitskiy V. A. On the ponderovotive magnetic metal testing theory Doklady Akademii nauk BSSR [Reports of the Academy of Sciences of the BSSR], 1970, vol. 14, no. 10, pp. 889–892 (in Russian).Гнутенко, Е. В. Определение толщин составляющих двухслойного никель-хромового покрытия магнитным пондеромоторным методом при одностороннем доступе к контролируемой поверхности / Е. В. Гнутенко, В. А. Рудницкий // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8, № 4. – С. 365–373. https://doi.org/10.21122/2220-95062017-8-4-38-45Gnutenko Y. V., Rudnitsky V. A. Determination of the thickness of the components of a double-layer nickel-chromium coating by magnetic ponderomotive method with unilateral access to the controlled surface. Pribory i metody izmerenii = Devices and Methods of Measurements, 2017, vol. 8, no. 4, pp. 365–373 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2220-95062017-8-4-38-45Вонсовский, С. В. Ферромагнетизм / С. В. Вонсовский, Я. С. Шур. – М.; Л.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1948. – 816 с.Vonsovskiy S. V., Shur I. S. Ferromagnetism. Moscow, Leningrad, State Publ. House of Technical and Theoretical Literature, 1948. 816 p. (in Russian).Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. – М.: Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., 1963. – 232 с.Birger I. A. Residual Stresses. Moscow, State Scientific and Technical Publ. House of Machine-building Literature, 1963. 232 p. (in Russian).Schlesinger, M. Modern Electroplating / M. Schlesinger, M. Paunovic. – 5th ed. – Hoboken: John Whiley & Sons, 2011. – 736 p. https://doi.org/10.1002/9780470602638Schlesinger M., Paunovic M. Modern Electroplating. 5th ed. Hoboken, John Whiley & Sons, 2011. 736 p. https://doi.org/10.1002/9780470602638Моргун, А. И. Возникновение и релаксация внутренних напряжений в гальванических покрытиях: дис. … канд. техн. наук / А. И. Моргун. – Тюмень, 2003. – 109 л.Morgun A. I. The Emergence and Relaxation of Internal Stresses in Electroplated Coatings. Tyumen, 2003. 109 p. (in Russian).Кутепов, А. Ю. Влияние внутренних напряжений в никелевых покрытиях на их магнитную проницаемость / А. Ю. Кутепов, А. П. Крень // Приборостроение-2017: материалы 10-й Междунар. науч.-техн. конф., 1–3 нояб. 2017 г., г. Минск / редкол.: О. К. Гусев (предс.) [и др.]. – Минск: БНТУ, 2017. – С. 223–224.Kutepov A.Yu., Kren A. P. The influence of internal stresses in nickel coating on its magnetic permeability. Priborostroenie-2017: materialy 10-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, 1–3 noyabrya 2017 goda, Minsk [Instrument Engineering-2017: Proceedings of the 10th International Scientific and Technical Conference, November 1–3, 2017, Minsk]. Minsk, BNTU, 2017, pp. 223–224 (in Russian).Кутепов, А. Ю. Оценка растягивающих напряжений в никелевых покрытиях магнитным пондеромоторным методом / А. Ю. Кутепов, А. П. Крень, Е. В. Гнутенко // Приборостроение-2018: материалы 11-й Междунар. науч.-техн. конф., 14–16 нояб. 2018 г., г. Минск / редкол.: О. К. Гусев (предс.) [и др.]. – Минск: БНТУ, 2018. – С. 28–30.Kutepov A. Yu., Kren A. P., Gnutenko E. V. Tensile stresses evaluation in nickel coating using magnetic ponderomotive method. Priborostroenie-2018: materialy 11-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, 14–16 noyabrya 2018 goda, Minsk [Instrument Engineering-2018: Proceedings of the 11th International Scientific and Technical Conference, November 14–16, 2018, Minsk]. Minsk, BNTU, 2018, pp. 28–30 (in Russian).Рудницкий, В. А. Особенности измерения толщины никелевых покрытий магнитным методом / В. А. Рудницкий, В. И. Антипенко // Докл. Акад. наук БССР. – 1977. – № 3. – С. 202–204.Rudnitskiy V. A., Antipenko V. I. Features of nickel coating thickness measurement using magnetic method. Doklady Akademii nauk BSSR [Reports of the Academy of Sciences of the BSSR], 1977, no. 3, pp. 202–204 (in Russian).Козлов, А. Г. К оценке влияния напряженного состояния гальванических никелевых покрытий на показания магнитных толщиномеров / А. Г. Козлов, В. А. Рудницкий, А. К. Шукевич // Дефектоскопия. – 1977. – № 5. – С. 61–65.Kozlov A. G., Rudnitskiy V. A., Shukevich A. K. On evaluation of galvanic nickel coatings stress state influence on magnetic thickness gauges readings. Defektoskopiya [Defectoscopy], 1977, no. 5, pp. 61–65 (in Russian).Сандомирский, С. Г. Расчет и анализ размагничивающего фактора ферромагнитных тел / С. Г. Сандомирский. – Минск: Беларус. навука, 2015. – 244 с.Sandomirski S. G. Calculation and Analysis of the Demagnetizing Factor of Ferromagnetic Objects. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2015. 244 p. (in Russian).Толмачев, И. И. Физические основы и технология магнитопорошкового контроля / И. И. Толмачев. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 130 с.Tolmachev I. I. Physical Foundations and Technology of Magnetic Particle Testing. Tomsk, TPU Publ. House, 2007. 130 p. (in Russian).Кутепов, А. Ю. Оценка прецизионности прибора НТ-800 для контроля никелевых покрытий / А. Ю. Кутепов, А. П. Крень, Е. В. Гнутенко // Приборостроение-2020: материалы 13-й Междунар. науч.-техн. конф., 18–20 нояб. 2020 г., г. Минск, Респ. Беларусь / редкол.: О. К. Гусев (предс.) [и др.]. – Минск : БНТУ, 2020. – С. 71–72.Kutepov A. Yu., Kren A. P., Gnutenko E. V. NT-800 nickel testing device precision evaluation. Priborostroenie-2020: materialy 13-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, 18–20 noyabrya 2020 goda, Minsk [Instrument Engineering-2020: Proceedings of the 13th International Scientific and Technical Conference, November 18–20, 2020, Minsk]. Minsk, BNTU, 2020, pp. 71–72 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.