Метод Магнитной Памяти Металла

д.т.н., профессор Дубов А.А.

Понятие "магнитная память металла" введено автором впервые в 1994 году и до этого времени в технической литературе не применялось. Были известны термины и понятия "магнитная память Земли" в археологических исследованиях; "магнитная память" в звукозаписи; "эффект памяти формы", обусловленный ориентированными внутренними напряжениями в изделиях из металла.

На основе установленной взаимосвязи дислокационных процессов с физикой магнитных явлений в металлах изделий введено понятие "магнитная память металла" и разработан новый метод диагностики. По аналогии с эффектом памяти формы, "магнитная память металла" - это эффект магнитной памяти деформации металла, обусловленной ориентированными внутренними напряжениями. Уникальность метода магнитной памяти металла (МПМ) заключается в том, что он основан на использовании эффекта возникновения высокой намагниченности металла в зонах больших деформаций металла элементов конструкций, обусловленных действием рабочих нагрузок. При этом никакого источника искусственного намагничивания нет, кроме слабого магнитного поля Земли, в котором мы все находимся.

Многие из нас наблюдали также эффекты возникновения высокой намагниченности металла, например в случае распила ножовкой какого-либо металлического изделия, или на конце отвертки после её воздействия на шурупы, в местах трения при соприкосновении металлических изделий (например, зубьев шестеренок). Появление аномальной намагниченности можно наблюдать на металлической проволоке, в месте её циклической деформации. Когда мы ломаем проволоку, циклическим ее изгибая в разные стороны, мы ощущаем пальцами нагрев проволоки в месте максимальной деформации. И если в этом месте сделать измерение с помощью прибора-магнитометра, то мы зафиксируем увеличение намагниченности металла. Демпфирование колебаний – поглощение энергии механических колебаний (например, лопаток турбин), сопровождается выделением магнитной энергии и, соответственно, ростом остаточной намагниченности металла. Перечень наблюдаемых на практике случаев возникновения намагниченности металла изделий без источника искусственного магнитного поля можно еще продолжить.

К истории возникновения и развития метода магнитной памяти металла, как нового направления в диагностике, следует отнести явление сильной намагниченности металла котельных труб в местах их разрушений, обнаруженное в 70-е годы прошлого века начальником лаборатории металлов "Волгоградэнерго" Филимоновым О.В. Обнаруженное явление заинтересовало многих специалистов энергетики, в том числе и меня в те годы, работавшего в производственной службе "Мосэнерго" и занимавшегося вопросами обеспечения надежности котельных труб. Тогда было сделано предположение о возможности использования явления самонамагничивания труб в условиях их эксплуатации для определения потенциальных повреждений. А возникновение высокой намагниченности на отдельных участках котельных труб было предположительно объяснено действием циклических деформаций и напряжений от рабочих нагрузок.

В случае подтверждения этого предположения открывалась уникальная возможность путём считывания магнитной информации, которую исследователю предоставляет сама трубная система котла, выявлять по остаточной намагниченности металла места концентрации напряжении – источники возникновения и развития повреждений.

В связи с этим обстоятельством автором данной статьи с привлечением специалистов института физики металлов РАН (г.Екатеринбург) были организованы и проведены специальные лабораторные и промышленные исследования с целью изучения явления намагничивания котельных труб в условиях их эксплуатации. Результаты этих исследований отражены в диссертационной работе и в монографии Дубова А.А. "Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла" (М.: "Энергоатомиздат", 1995, 112 с.).

В результате выполненных исследований показано, что причиной аномально высокого намагничивания отдельных участков котельных труб является магитоупругий эффект, известный в физике магнитных явлений.

На рис.1 показана схема проявления магнитоупругого эффекта, вызывающего рост остаточной намагниченности (М). Если, например, в каком-то месте конструкции действует циклическая нагрузка Δσ, и есть внешнее магнитное поле H₀ (например, поле Земли), то в этом месте происходит рост остаточной намагниченности ΔМ_σ. После снятия нагрузки обратимая составляющая исчезает, а остаётся только необратимая составляющая остаточной намагниченности (ΔМ_σ^н). В силу магнитоупругого эффекта происходит как бы "самонамагничивание" труб в зонах концентрации напряжений от рабочих нагрузок. В ходе дальнейших промышленных исследований установлено, что "самонамагничиванию" подвержены практически все узлы оборудования и конструкций.

С природным явлением "самонамагничивания" оборудования и конструкций повсеместно борются путём периодического их размагничивания (судостроение, энергетика, шарикоподшипниковая и другие отрасли). Достаточно привести в качестве примера борьбы с самонамагничиванием, как с "вредным" явлением, известную историю борьбы с магнитными минами, которую вели наши учёные в начале второй мировой войны с Германией. В то время обнаружено, например, возникновение сильной намагниченности корпусов кораблей вследствие ударов волн, особенно после шторма. И тогда под руководством академика Александрова А.П. было впервые изучено это явление намагничивания корпусов под воздействием циклических напряжений от ударов волн в условиях слабого магнитного поля Земли. Это явление объяснено действием магнитоупругого эффекта. Для борьбы с магнитными минами тогда были разработаны специальные размагничивающие устройства для периодического размагничивания корпусов кораблей.

Изучив это явление на примере котельных труб и других узлов, впервые предложено использовать его для целей технической диагностики, а новый метод диагностики назван как метод магнитной памяти металла.

На основе экспериментальных исследований явления магнитной памяти металла разработан ряд практических методик контроля и специализированные современные приборы, которые позволяют в режиме экспресс-контроля без какой-либо подготовки объекта контроля (ОК) (в отдельных случаях через слой краски или изоляции) путём сканирования вдоль поверхности (например, протяжённого трубопровода) фиксировать места магнитных аномалий, соответствующие зонам концентрации напряжений (ЗКН) – источникам повреждений. Ни при каких условиях с искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации на порядок превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена. В практических работах показано, что метод МПМ может применяться, как при работе оборудования (в режиме мониторинга), так и после снятия рабочих нагрузок, во время ремонта. В силу "магнитодислокационного гистерезиса" магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок, после их снятия как бы "замораживается". Таким образом, предоставляется уникальная возможность путём считывания этой информации с помощью специализированных приборов выполнять оценку фактического напряженно-деформированного состояния оборудования и выявлять на раннем этапе зоны максимальной поврежденности металла. Перспективным представляется использование метода МПМ для оценки ресурса и живучести различных металлоконструкций, так как этот метод интегрально объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля, материаловедения, механики разрушения.

Уникальные возможности метода МПМ открываются в случаях выяснения причин разрушений различных конструктивных элементов зданий, сооружений, мостов и т.д. Например, при разрушении одной из опор, удерживающих крышу, в аквапарке (Москва, 2005 год) или при разрушении так называемого "пальца", несущего большую нагрузку в сложной конструкции нового здания катка (Москва, 2007 год), возникали споры между специалистами по металлу (и, соответственно, между заводом – изготовителем) и проектировщиками этих конструкций. В этих случаях фактическое напряженно-деформированное состояние (НДС) расчетными методами невозможно оценить, применяя существующие нормы проектирования и опираясь на сапромат, который не учитывает неоднородность структуры. Если бы в этих случаях происшедших разрушений конструкций (а лучше не дожидаясь разрушения) была бы предоставлена возможность их обследования с использованием метода МПМ и соответствующих сканирующих устройств, то можно было бы сделать оценку фактического НДС любого элемента конструкции по эпюре распределения собственного магнитного поля. Оценка НДС с использованием метода МПМ носит интегральный характер, учитывающий все факторы: конструктивные особенности, структурную неоднородность каждого элемента, заводские, монтажные и эксплуатационные факторы. Конструктору и проектировщику теперь предоставляется возможность видеть, как работает его "детище".

Благодаря использованию эффекта магнитной памяти металла при диагностике оборудования и конструкций стало возможным решать многие проблемные задачи. В первую очередь это прогнозирование надежности и ресурса оборудования. Метод МПМ и соответствующие приборы позволяют на основе 100% обследования конструкций определять все потенциально опасные места (ЗКН) и причины их возникновения. С помощью программного продукта выполняется классификация этих зон по степени их опасности, что позволяет своевременно выполнить ремонт или замену отдельных элементов и гарантировано продлить ресурс ОК, как минимум, до очередного капитального ремонта и/или обследования.

Сварка существует более 100 лет, а самый главный фактор, определяющий надежность сварного соединения - распределение остаточных сварочных напряжений, до сих пор не контролируется из-за отсутствия методов неразрушающего контроля, пригодных для использования в широкой практике. Использование эффекта магнитной памяти металла позволяет решить эту задачу. Путём считывания остаточной намагниченности, которая сформировалась естественным образом в процессе сварки и последующего остывания металла, нам предоставляется уникальная возможность выполнять интегральную оценку состояния сварного шва: выявлять дефекты сварки одновременно с распределением остаточных сварочных напряжений.

Формирование магнитной (доменной) текстуры в сварных соединениях происходит одновременно с кристаллизацией при остывании металла в слабом магнитном поле Земли (или цеха) и прохождении через известную физическую точку Кюри (760-770°С для углеродистых марок сталей). В условиях, когда энергия термических деформаций и напряжений на порядок больше энергии слабого магнитного поля, распределение остаточной намагниченности в металле шва обусловлено соответствующим распределением остаточных напряжений (ОН).

Удивительный факт! Физическая точка Кюри (Тк) и эффекты исчезновения намагниченности при нагреве металла выше Тк, и, наоборот, возникновения высокой намагниченности при охлаждении металла ниже Тк известны специалистам ещё с 1895 года, когда французский учёный Пьер Кюри впервые открыл этот физический эффект. Однако, до сих пор в практической каждодневной работе этот эффект не использовался например, для оценки качества продукции на заводах машиностроения.

В ходе промышленных исследований нами установлено, что магнитная память металла на ферромагнитных изделиях (а в отдельных случаях на изделиях из парамагнитного материала) отображает их структуру и технологическую наследственность. В процессе изготовления любых изделий (плавка, ковка, штамповка, термическая обработка, сварка) при их остывании ниже Тк в слабом магнитном поле Земли (или цеха) естественным образом происходит формирование магнитной текстуры. Изучив распределение естественной намагниченности на большом количестве новых изделий после различных технологических процессов на заводах-изготовителях, разработан рад практических методик контроля качества продукции. При этом выявлены уникальные возможности использования магнитной памяти металла для контроля эффективности технологий изготовления продукции (контроль качества литья, термических обработок и др.).

Следует отметить, что в настоящее время на заводах машиностроения, как в России, так и за рубежом, отсутствует 100% контроль качества продукции на структурную неоднородность. По статистике известно, что примерно до 20% новой продукции (трубы, рельсы, валы и т.д.) приходит в эксплуатацию с недопустимыми дефектами металла. Использование эффекта магнитной памяти металла при контроле качества продукции на заводах-изготовителях позволит выполнять экспресс-сортировку изделий и не допускать в эксплуатацию изделия с дефектами металла и технологическими дефектами изготовления. Установки и приборно-компьютерные комплексы, использующие при контроле эффект магнитной памяти металла, значительно проще и дешевле по сравнению с существующими установками на основе ультразвука или установками, использующими искусственную намагниченность.

В настоящее время магнитные методы НК, применяемые на заводах-изготовителях, используют искусственную намагниченность изделий. При этом естественную намагниченность (магнитную память металла - наиболее ценную информацию!) удаляют путём предварительного размагничивания.

Что же сдерживает в настоящее время более широкое внедрение в практику нового направления в технической диагностике на основе использования эффекта магнитной памяти металла? Здесь уместно привести слова немецкого поэта и мыслителя Иоганна Гете (28.08.1749 – 22.03.1832): "Если кто-нибудь указывает на что-нибудь новое...люди противятся со всею силой; они ведут себя так, будто не слышат или не могут понять, говоря о новом взгляде с презрением, точно бы он не стоил труда, связанного с исследованием, или вообще внимания, и, таким образом, новой истине приходится ожидать долгое время, пока ей удастся проложить себе дорогу".

Появление первых публикаций о методе магнитной памяти было встречено в научных кругах сначала снисходительным безразличием: "товарищ слегка заблудился". Однако, последующие результаты оригинальных экспериментальных исследований и практической диагностики с использованием метода МПМ, количество и качество которых быстро росло, также быстро вызывало в кругах ученых и специалистов, как в области магнетизма, так и в области диагностики, переход от снисходительного недоумения, к агрессивному негодованию. И это не мудрено: многие результаты, полученные методом магнитной памяти, противоречили устоявшимся в течение многих десятилетий представлениям о магнетизме и, в первую очередь, таким понятиям как магнитоупругость, намагничивание. Более того, необходимость объяснения многочисленных результатов практической диагностики с использованием эффекта магнитной памяти металла вскрыли "белые пятна", существующие до сих пор в теории магнетизма. Как оказалось, основные положения теории магнитных явлений в ферромагнитных материалах разработаны в 30-е - 40-е годы прошлого века без использования современных выводов и достижений квантовой механики и теорий дислокаций в металле.

Рассмотрение развития магнетизма в историческом аспекте позволило понять, что сложившаяся теория магнетизма какие-то результаты ещё не могла использовать, а какие-то уже не "захотела".

По этим причинам и остались без ответа такие вопросы как:

с чего начинается и как развивается в объёме ферромагнетика процесс самонамагничивания;
что ограничивает рост доменов, каковы его размеры при отсутствии внешних воздействий;
какова объёмная форма домена, связаны ли между собой его габаритные размеры и если да, то как;
как при условии спонтанного самонамагничивания в объёме ферромагнетика формируются и группируются домены, существуют ли, на самом деле, "замыкающие" домены, как некие вспомогательные образования;
что, в действительности, представляют собой границы между доменами, ведь квантовая физика доказала невозможность произвольного положения в пространстве вектора магнитного момента атома в составе кристаллической решетки, следовательно, гипотеза о постепенном плавном повороте вектора магнитного момента в переходном слое - междоменной границе неверна;
почему отсутствует симметрия в процессах самонамагничивания при растяжении и сжатии поликристаллических образцов из ферромагнетиков;
почему, всё-таки, даже идеальный монокристалл ферромагнетика изначально проявляет магнитную анизотропию;
что физически определяет величину остаточной намагниченности;
каков критерий разделения магнитных полей на слабые и сильные;
влияет ли магнитное поле Земли на процесс самонамагничивания;
какова роль слабых магнитных полей на процесс изменения намагниченности при циклических нагрузках;
почему при нагружении образцов их намагниченность резко увеличивается при переходе в область пластических деформаций;
как связаны намагниченность и доменная структура, определяющая её, с дислокациями и их скоплениями;
почему в нагруженном ферромагнетике возникают локальные магнитные поля, ориентация которых не связана с внешними магнитными полями и чем определяется их пространственная направленность;
зависит ли граница между сильными и слабыми магнитными полями состоянием среды (намагничиваемого материала).

Таким образом, приходится констатировать, что, несмотря на большое количество полученных к настоящему времени в теоретических и экспериментальных исследованиях результатов и выводов, развивающих и дополняющих основные положения построения доменной структуры, теорию доменной структуры нельзя признать завершенной.

С целью поиска ответов на поставленные вопросы и объяснения явления магнитной памяти металла были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых отражены в книге Власова В.Т. и Дубова А.А. "Физические основы метода магнитной памяти металла" (М.: ЗАО "ТИССО", 2004, 424с.). В результате выполненных исследований удалось получить ответы на многие указанные вопросы. Показано, что в основе явления магнитной памяти металла лежит несколько физических эффектов. Кроме известного до сих пор магнитоупругого эффекта, выявлен новый, не изученный ранее эффект магнитопластики - процесса формирования собственного магнитного поля объекта из ферромагнитного материала в условиях пластической деформации. Прямое экспериментальное доказательство, подтверждающее значительное увеличение плотности дислокаций в зонах концентрации напряжений, получено при испытании образцов на растяжение с использованием специализированных магнитометров и исследовании дислокационной структуры на электронном микроскопе. Изучены закономерности магнитомеханического эффекта, проявляющегося на макроуровне в объеме изделия.

На основе анализа экспериментальных исследований различных промышленных объектов с использованием метода МПМ и анализа причин низкой эффективности существующих методов контроля напряжений выявлены противоречия результатов диагностики сложившимся представлениям о характеристиках внутренних напряжений.

Разработаны основы физической теории процесса "деформация-разрушение", которая позволит объективно оценивать эффективность различных методов контроля напряженно-деформированного состояния, расчетов на прочность и прогнозирование ресурса оборудования, дать научное обоснование норм допустимости дефектов и степени их опасности в НК и более эффективно решать другие задачи механики разрушений.

И конечно, в заключении необходимо высказать известную фразу: "Практика - критерий истины".

Новое направление в технической диагностике на основе использования явления магнитной памяти металла, родившееся в России, развивается на практике и в теории более 30 лет. Метод и соответствующие приборы контроля используются более чем на 1000 предприятиях России. Кроме России метод получил распространение в 44 стране мира.

Технология контроля на основе метода МПМ доведена до уровня национальных и международных стандартов. В ноябре 2007 года опубликованы международные стандарты:

ISO 24497-1:2007(E). Неразрушающий контроль. Магнитная память металла. Термины.
ISO 24497-2:2007(E). Неразрушающий контроль. Магнитная память металла. Общие требования.
ISO 24497-3:2007(E). Неразрушающий контроль. Магнитная память металла. Контроль сварных соединений.

В 2009 году приказами №№ 499-ст, 586-ст и 587-ст Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ введены в действие, соответственно, ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009, ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009 и ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009.

В Москве, начиная с 1996 года, работает аккредитованный аттестационный центр НОАП НК "Энергодиагностика" по подготовке специалистов. Подготовлено более 2600 специалистов в России и около 900 зарубежных специалистов.