pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-2-58-67pimi-252Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХEXPERIMENTAL SETUP FOR MODELING AND STUDY OF COMPLEX STRESS STATE IN FERROMAGNETIC MATERIALSБуськоВ. Н.BuskoV. N.

Адрес для переписки: Бусько В.Н. –  Институт прикладной физики НАН Беларуси, ул. Академическая, 16, 220072, г. Минск, Беларусь e-mail: busko@iaph.bas-net.by

Address for correspondence: Busko V.N. – Institute of Applied Physics National Academy of Sciences of Belarus, Akademicheskaya str., 16, 220072, Minsk, Belarus e-mail: busko@iaph.bas-net.by

busko@iaph.bas-net.byВласовГ. Г.VlasovG. G.Институт прикладной физики НАН БеларусиБеларусьInstitute of Applied Physics of the NAS of BelarusBelarus20161209201672152160Copyright © Бусько В.Н., Власов Г.Г., 20162016Бусько В.Н., Власов Г.Г.Busko V.N., Vlasov G.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/252

Большинство испытывающих нагрузку изделий работает в режиме сложного напряженного состояния (СНС). С целью создания устройства и разработки методики для моделирования в ферромагнитном материале СНС в статье приведена схема макета устройства. Принцип работы устройства основан на совместном действии на исследуемый образец осевого (продольного) растяжения и поперечного изгиба. Предложены методики создания СНС и исследования материалов с помощью метода эффекта Баркгаузена в статическом и динамическом режимах нагружения образца. Рассмотрены алгоритм функционирования и принцип действия устройства. Приведена схема для моделирования СНС в стальном образце. Подробно описаны конструкция и принцип действия предлагаемого устройства. Устройство отличается от промышленного испытательного оборудования простотой, небольшими массой, габаритами и стоимостью. Представлены примеры экпериментальных зависимостей влияния простых видов напряженного состояния (осевого растяжения или поперечного изгиба) и сложного напряженного состояния на интенсивность магнитного шума в двух образцах конструкционной стали. Установлено, что суммарное значение магнитного шума при сложном напряженном состоянии образца, вызванного силами одновременного растяжения и изгибающей нагрузки, примерно равно алгебраической сумме значений магнитного шума для каждого простого вида напряженного состояния. Линейность зависимостей интенсивности магнитного щума от осевых растягивающих напряжений наблюдается в диапазоне от 0 до ≈ +300 МПа, от напряжений растяжения при изгибе – от 0 до ≈ +500 МПа, полного напряжения – до ≈ 100–110 МПа. Полученные результаты подтвердили работоспособность и эффективность работы устройства. Показано, что на уровень магнитного шума оказывает влияние не только величина растягивающих напряжений от осевой силы, от напряжений растяжения при изгибе и полного напряжения, но и марка стали, физические и механические свойства испытуемого материала. Чувствительность магнитного шума к совместному действию двух видов напряженного состояния оказалась выше, чем к отдельным видам. Полученные результаты могут быть полезны при создании испытательного оборудования и оценке СНС в ферромагнитных изделиях и различных элементах стальных конструкций. Приведены основные технические характеристики устройства (вес – 18 кг, габариты – 600 × 200 × 170 мм). 

Most of the load experiencing parts operate in a complex state of stress (СSS). The article describes the device layout diagram for modeling a СSS in a ferromagnetic material and the development of monitoring methods. The principle of operation of the device is based on the joint action at a sample of longitudinal extension and lateral bending. The article describes the methods of creating a СSS and materials research using the method of the Barkhausen effect in static and dynamic loading conditions. The article presents the functioning of the algorithm and device operating principle. The article also shows the diagram for modeling a СSS in a steel sample. In this work, are the construction and operation of the device described in detail. This device differs from simple industrial test equipment by small weight, size and cost. The paper presents experimental examples of the influence of the simple forms of the state of stress (longitudinal stretching or lateral bending) and a CSS on the intensity of the magnetic noise in two samples of structural steel. The study established that the total value of the magnetic noise in complex stress state of the sample caused by the forces of simultaneously stretching and bending load, is approximately equal to the algebraic sum of magnetic noise values for each simple type of stress. The linearity of the intensity of the magnetic noise versus axial tensile stress is observed in a range of 0 to ≈ +300 MPa, flexural tensile stresses – of 0 to ≈ +500 MPa, the total stresses – to ≈ 100–110 MPa. The obtained results confirmed the efficiency and effectiveness of the device. The article shows that the magnetic noise is affected not only by the magnitude of the tensile stress of the axial force or tensile stresses in bending or full stresses, but also by the steel grade, the physical and mechanical properties of the material under test. The sensitivity of the magnetic noise to the combined action of the two types of state of stress was higher than for any separate type. The results may be useful in the evaluation of a CSS in ferromagnetic products and the various elements of steel structures. The paper presents the main technical characteristics of the device (weight 18 kg, dimensions 600 × 200 × 170 mm).

напряжениедеформациярастяжениеизгибметод эффекта Баркгаузенаstressstraintensionbendingmethod Barkhausen effectReferencesПодскребко, М.Д. Сопротивление материалов / М.Д. Подскребко. – Выш. шк., 2007. – 797 с.Podsbrebko M.D. Soprotivleniye materialov [Strength of materials (Mechanics of materials)]. Мinsk, Vyshejshaya shkola Publ., 2007, 797 p. (in Russian)Чиликов, С.М. Проблемы и перспективы развития оборудования для механических испытаний материалов / С.М. Чиликов, Е.Н. Потаенко, А.И. Бугаец [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2007. – Т. 7. – № 1. – С. 90–95.Сhilikov S.М., Potaenko E.N., Bugaec A.I. [Problems and prospects of development of equipment for mechanical testing of materials] Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Works laboratory. Diagnostic materials], 2007, vol. 7, no.1, pp. 90–95 (in Russian).Дегтярев, В.П. Деформации и разрушение в высоконапряженных конструкциях / В.П. Дегтярев. – М. : Машиностроение, 1987. – 105 с.Degtyarev V.P. Deformacii i razrusheniye v vysokonapriazhonnykh konstrukciyakh [Deformation and fracture in high-stressed structures]. Moskva, Mashinostroyeniye Publ., 1987,105 p. (in Russian).Рожинцев, В.С. Новые гидравлические машины для стандартных испытаний металлопродукции / В.С. Рожинцев, Ю.Д. Прокопенко, А.В. Мараховский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2010. – № 4. – Т. 76. – С. 61–63.Rozantsev V.S., Prokopenko Yu., Marakhovskii A.V. [New hydraulic machine for standard testing of steel products]. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Works laboratory. Diagnostic materials], 2010, no. 4. vol. 76, pp. 61–63. (in Russian).Патент РФ 2488090, МПК G01N3/10. Устройство для испытания на прочность при сложнонапряженном состоянии тонкостенных трубчатых образцов или отрезков труб / Н.Я. Сысоев, В.Н. Гостев, А.А. Иванов. – Опубл. 20.07.2013.Susoev N.Ia., Gostev V.N., Ivanov А.А. Ustrojstvo dlia ispytaniya na prochnost’ pri sloznonapriazhonnom sostoyanii tonkostennykh trubchatykh obrazcov ili otrezkov trub [A device for testing the strength at a complex stress state of thin-walled tubular specimens or of pieces of pipe]. Patent RU 2488090, G 01N3/10. 20.07.2013.Патент РФ 2327134 МПК G01N 3/08. Стенд для усталостных испытаний образцов / Д.М. Плотников. – Опубл. 22.06.2008.Plotnicov D.М. Stend dlia ustalostnykh ispytanij obrazcov [The stand for fatigue tests of specimens]. Patent RU 2327134, G01N3/08, 22.06.2008.Патент РФ 2360227, G01N3/08. Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии / Л.Б. Цвик, А.П. Черепанов, А.А. Пыхалов. – Опубл. 27.06.2009Tsvik L.B., Cherepanov A.P., Pyhalov A.A. Obrazec dlia ocenki prochnosti materiala pri sloznom napriazhonnom sostoianii [Sample to assess the strength of material under complex stress state]. Patent RU 2360227, G01N3/08. 22.06.2008.Патент РФ на пол. модель 115483, G01N3/10. Универсальная испытательная машина для проведения исследований материалов в условиях высокого гидростатического давления / В.Г. Малинин, Н.А. Малинина, Д.В. Мавлюбердинов, Д.К. Петров. – Опубл. 14.12.2011.Malinin V.G., Malinina N.A., Mavluberdinov D.V., Petrov K.D. Universalnaya ispytatel’naya mashina dlia provedeniya issledovanij v usloviakh vysokogo gidrostaticheskogo davleniya [Universal testing machine for research of materials under high hydrostatic pressure], Patent RU 115483, G01N3/10, 14.12.2011.Патент РФ 2523074, G01N3/08. Способ испытания конструкций при осевом и внецентренном приложении знакопеременных нагрузок и стенд для его осуществления / С.М. Анпилов, В.А. Ерышев, А.С. Рыжков [и др.]. – Опубл. 20.07.2014. 10. Tanaka, E. Effects of strain path shapes on nonproportional cyclic plasticity / E. Tanaka, S. Murakami, M. Ooka // J. Mech. Phys. Sol. – 1985. – No. 33. – P. 559–575.Anpilov S.M., Eryshev V.A., Ryzhkov A.S. Sposob ispytaniya konstrukcij pri osevom i vnecentrennom prilozhenii znakoperemennykh nagruzok i stend dlia ego osushchestvleniya. [Method of test structures at axial and eccentric application of alternating loads and test bench for its implementation]. Patent RU 2523074, G01N3/08. 20.07.2014.Kandil, F.A. Biaxial low-cicle fatigue fracture of 316 stainless steel at elevated temperatures / F.A. Kan dil, M.W. Brown, K.J. Miller // Fatigue Engng. Mater. Struct. – 1979. – No. 1. – P. 217–229.Tanaka E., Murakami S., Ooka M. Effects of strain path shapes on non-proportional cyclic plasticity. J. Mech. Phys. Sol., 1985, no. 33, pp. 559–575. 1Бусько, В.Н. Лабораторная установка для исследования усталостной повреждаемости плоских ферромагнитных образцов / В.Н. Бусько // Приборы и техника эксперимента. – 2011. – № 1. – С. 165–167.Kandil F.A., Brown M.W., Miller K.J. Biaxial low-cicle fatigue fracture of 316 stainless steel at elevated temperatures. Fatigue Engng. Mater. Struct, 1979, no. 1., pp. 217–229.Горкунов, Э.С. Эффект Баркгаузена и его использование в структуроскопии ферромагнитных материалов (обзор 1) / Э.С. Горкунов, Ю.Н. Драгошанский // Дефектоскопия. – 1999. – № 6. – С. 3–23.Busko V.N. [Laboratory installation for research of fatigue damage flat specimens of ferromagnetic]. Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and Experimental Technques], 2011, no. 1, pp. 165–167 (in Russian).Бусько, В.Н. Лабораторная система для исследования усталостной деградации ферромагнитных материалов и примеры ее реализации / В.Н. Бусько, Д.А. Винтов // Приборы и методы измерений. – 2012. – № 2 (5). – С. 33–39.      Gorkunov E.S., Dragoshanskii Yu.N. [The Barkhausen effect and its use in structural analysis of ferromagnetic materials]. Russian Journal of Nondestructive Testing Defektoskopiya, 1999, no. 6. pp. 3–23 (in Russian).Патент РБ 2113 от 05.02.2005, МПК G01N27/72. Магнитошумовой преобразователь / В.Н Бусько. // Аф. Б. – 2005. – № 3. – Ч. 2. – С. 99–100.Busko V.N., Vintov D.А. [Laboratory system for the study of the fatigue degradation of ferromagnetic materials and examples of its implementation]. Pribory i metody izmerenij [Devices and methods of measurements], 2012, no. 2 (5), pp. 33–39 (in Russian).Busko V.N. Маgnitoshumovoj preobrazovatel’ [Barkhausen noise Converter (magnetonoise transformer)]. Patent BY 2113, 05.02.2005, G01N27/72. Bull., 2005, no. 3, ch. 2, pp. 99–100.Busko V.N. Маgnitoshumovoj preobrazovatel’ [Barkhausen noise Converter (magnetonoise transformer)]. Patent BY 2113, 05.02.2005, G01N27/72. Bull., 2005, no. 3, ch. 2, pp. 99–100.

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