Studying the Magnetoelastic Properties of a Steel Sheet under Bending Deformation

S. M. Kulak; P. V. Pavlov; V. S. Maltsev

doi:10.17804/2410-9908.2024.3.073-086

S. M. Kulak, P. V. Pavlov, V. S. Maltsev

STUDYING THE MAGNETOELASTIC PROPERTIES OF A STEEL SHEET UNDER BENDING DEFORMATION

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.3.073-086

The possibility of using the method of magnetoelastic demagnetization (magnetoelastic memory) of ferromagnets to control mechanical stresses of extended steel structures is considered. For this purpose, the paper studies the magnetoelastic demagnetization of a large plate sample, previously locally magnetized in the form of an N-S stripe, under pure bending deformation. Under these deformation conditions, zones of tension and compression alternate along the sheet length; consequently, a locally magnetized steel stripe experiences stresses of different magnitudes and signs along its length. It has been revealed that the highest decrease δН in the stray field strength of local remanent magnetization in the form of an N-S stripe is found in steel sheet areas at the apex of the bend, where tensile stresses do not exceed 100 MPa. In the other parts of the sheet, a periodic distribution of lower δH with a wavelength of 20 to 30 cm was revealed, this being comparable to the size of half of its zone with stresses of the same type created during bending. The obtained results of changes in δH were calibrated according to the level of stresses they experienced, and their distribution along the entire length of the bent sheet was obtained. A conclusion is drawn about the applicability of the magnetoelastic memory method to monitoring the stress state of extended steel structures in the memory mode.

Keywords: magnetoelastic memory of metal, mechanical stress, steel structure

References:

Gorkunov, E.S. and Mushnikov, A.N. Magnetic methods for assessing elastic stresses in ferromagnetic steels (review). Kontrol. Diagnostika, 2020, 23 (12), 4–23. (In Russian). DOI: 10.14489/td.2020.12.pp.004-023.
Kostin, V.N., Tsarkova, T.P., Nichipuruk, A.P., Loskutov, V.E., Lopatin, V.V., and Kostin, K.V. Irreversible changes in the magnetization as indicators of stress-strain state of ferromagnetic objects. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2009, 45 (11), 786–798. DOI: 10.1134/S1061830909110059.
Kuleev, V.G., Tsarkova, T.P., and Nichipuruk, A.P. Effect of tensile plastic deformations on the residual magnetization and initial permeability of low-carbon steels. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2006, 42 (4), 261–271. DOI: 10.1134/S1061830906040073.
Mushnikov, A.N. and Mitropolskaya, S.Yu. Influence of mechanical loading on the magnetic characteristics of pipe steels of different classes. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2016, 4, 57–70. DOI: 10.17804/2410-9908.2016.4.057-070. Available at: http://dream-journal.org/issues/2016-4/2016-4_89.htmlv
Gorkunov, E.S., Zadvorkin, S.M., Smirnov, S.V., Mitropol’skaya, S.Yu., and Vichuzhanin, D.I. Correlation between the stress-strain state parameters and magnetic characteristics of carbon steels. The Physics of Metals and Metallography, 2007, 103, 311–316. DOI: 10.1134/S0031918X07030131.
Novikov, V.F., Vazhenin, Yu.I., Bakharev, M.S., Kulak, S.M., and Muratov, K.R. Diagnostika mest povyshennoy razrushaemosti truboprovoda [Diagnostics of Places of Increased Destruction of the Pipeline]. OOO Nedra–Biznes–Tsentr Publ., Moscow, 2009, 200 p. (In Russian).
Kulak, S.M., Novikov, V.F., and Baranov, A.V. Control of mechanical stresses of high-pressure container walls by magnetoelastic method. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, 154, 012004. DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012004.
Novikov, V.F., Ustinov, V.P. Radchenko, A.V., Muratov, K.R., Kulak, S.M., and Sorokina, S.V. On controlling stresses in a complexly loaded steel construction by magnetoelastic demagnetization. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2016, 52, 357–361. DOI: 10.1134/S1061830916060073.
Novikov, V.F., Kulak, S.M., and Andreev, V.O. On the control of the stress-strain state of steel bridge structures by the method of magnetoelastic demagnetization. Stroitelnaya Mekhanika i Raschet Soorugeniy, 2020, 4 (291), 3–7. (In Russian).
Novikov, V.F., Kulak, S.M., and Parakhin, A.S. Determination of axial stresses of steel in memory mode according to the exponential law of magnetoelastic demagnetization. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 2021, 87 (6), 54–62. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-6-54-62. (In Russian).
Vonsovsky, S.V. and Shur, Ya.S. Ferromagnetism [Ferromagnetism]. GITTL Publ., Moscow–Leningrad, 1948, 816 p. (In Russian).
Novikov, V.F. and Bakharev, M.S. Magnitnaya diagnostika mekhanicheskikh napryazhenii v ferromagnetikakh [Magnetic Testing of Mechanical Stresses in Ferromagnets]. Vektor Buk Publ., Tyumen, 2001, 220 p. (In Russian).
Novikov, V.F., Bakharev, M.S., and Sorokina, S.V. Non-destructive control of snow and wind loads in the mode of magnetoelastic memory. Stroitelnaya Mekhanika Ingenernykh Konstruksiy i Soorugeniy, 2008, 3, 51–54. (In Russian).
Ponomarev, V.N., Travush, V.I., Bondarenko, V.M., and Eremin, K.I. On the need for a systematic approach to research in the field of integrated safety and prevention of accidents of buildings and structures. Predotvrashchenie Avariy Zdaniy i Sooruzheniy: Elektronnyi Zhurnal, 2013, 1–9. (In Russian). Available at: http://www.pamag.ru/pressa/necessiy_sys-appro (accessed 2013–11–25).
Lipanov, I.D., Molodkin, I.A., and Khomonenko, A.D. Development and prospects of the information system for monitoring the condition of bridges. Intellektualnye Technologii na Transporte, 2021, 3 (27), 11–16. (In Russian). DOI: 10.24412/2413-2527-2021-327-11-16.
Horokhov, E., Vasylev, V., Mironov, A., and Shcherbina, A. Tensely-deformed state of metallic ellipse beam. Vestnik Donbasskoy Natsionalnoy Akademii Stroitelstva i Arhitektury, 2020, 4 (104), 65–68. (In Russian).
Bozhkov, V.I., Dizenko, S.I., Pedan, O.A., and Khoroshev, A.A. Test of the bridge across the Sochi river. Nauchnye Trudy KubGTU, 2017, 3, 83–89. (In Russian). Available at: https://ntk.kubstu.ru/data/mc/0040/1542.pdf
Kulak, S.M., Novikov, V.F., and Maltsev, V.S. Testing mechanical stresses of bearing steel I-beams of automobile overpass using magnetic and tensometric methods. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2022, 58, 186–194. DOI: 10.1134/S1061830922030044.
Kurilenko, E.Yu., Ogorodnova, Yu.V., and Shaptala, I.V. Soprotivlenie materialov: uchebnoe posobie po tekhnicheskoi mekhanike i soprotivleniyu materialov [Strength of Materials: Study Guide on Technical Mechanics and Strength of Materials]. RIO Tyumen GASU Publ., Tyumen, 2014, 163 p. (In Russian).
Mamchenko, V.O. Raschet balok na prochnost i gestkost pri priyamom i ploskom izgibe [Calculating Structural Integrity and Rigidity of Beams Under Straight Flat Bending: Teaching Aid]. NIU ITMO, St. Petersburg, 2014, 48 p. (In Russian).
Vodopyanov, V.I., Savkin, A.N., and Kondratyev, O.V. Kurs soprotivleniya materialov s primerami i zadachami. Uchebnoe posobie [The Course of Resistance of Materials with Examples and Tasks. Textbook]. VolgSTU Publ., Volgograd, 2012, 136 p. (In Russian).
Krapivsky, E.I. and Nekuchaev, V.O. Distantsionnaya magnitometriya gazonefteprovodov [Remote Magnetometry of Gas and Oil Pipelines: Textbook]. UGTU Publ., Ukhta, 2011, 142 р. (In Russian).
Venkova, Yu.A. Monitoring tekhnicheskogo sostoyaniya neftegazoprovodov po indutsirovannoy i ostatochnoy namagnichennosti [Monitoring the Technical Condition of Oil and Gas Pipelines by Induced and Residual Magnetization: Cand. Thesis]. St. Petersburg, 2016, 149 р. (In Russian).

С. М. Кулак, П. В. Павлов, В. С. Мальцев

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОУПРУГОГО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ СТАЛЬНОГО ЛИСТА ПРИ ЕГО ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБОМ

Рассматривается возможность применения метода магнитоупругого размагничивания (магнитоупругой памяти) ферромагнетиков для контроля механических напряжений протяженных стальных конструкций. Для этого исследовано магнитоупругое размагничивание пластинчатого образца больших размеров, предварительно локально намагниченного в виде полосы N-S, при его деформации простым изгибом. При этих условиях деформации листа по его длине будут чередоваться зоны растяжения и сжатия, а следовательно, локально намагниченная полоса стали по своей длине будет испытывать напряжения разного уровня и знака. Установлено, что наибольшее значение убыли δН напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в виде полосы N-S имеют области стального листа в вершине изгиба, где напряжения растяжения не превышают 100 МПа. В остальных участках листа выявлено периодическое распределение δН меньшего уровня с длиной волны 20–30 см, что сопоставимо с размером половины его зоны с однотипными напряжениями, создаваемыми при изгибе. Проведена калибровка полученных результатов изменения δН по уровню испытываемых напряжений, и получено их распределение вдоль всей длины изгибаемого листа. Сделан вывод о применимости метода магнитоупругой памяти для контроля напряженного состояния протяженных стальных конструкций в режиме памяти.

Ключевые слова: магнитоупругая память металла, механические напряжения, стальная конструкция

Библиография:

Горкунов Э. С., Мушников А. Н. Магнитные методы оценки упругих напряжений в ферромагнитных сталях (обзор) // Контроль. Диагностика. – 2020. – Т. 23, № 12. – С. 4–23. – DOI: 10.14489/td.2020.12.pp.004-023.
Irreversible changes in the magnetization as indicators of stress-strain state of ferromagnetic objects / V. N. Kostin, T. P. Tsarkova, A. P. Nichipuruk, V. E. Loskutov, V. V. Lopatin, K. V. Kostin // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2009. – Vol. 45, No. 11. – P. 786–798. – DOI: 10.1134/S1061830909110059.
Kuleev V. G., Tsarkova T. P., Nichipuruk A. P. Effect of tensile plastic deformations on the residual magnetization and initial permeability of low-carbon steels // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2006. – Vol. 42, No. 4. – P. 261–271. – DOI: 10.1134/S1061830906040073.
Mushnikov A. N., Mitropolskaya S. Yu. Influence of mechanical loading on the magnetic characteristics of pipe steels of different classes // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2016. – Iss. 4. – P. 57–70. – DOI: 10.17804/2410-9908.2016.4.057-070. – URL: http://dream-journal.org/issues/2016-4/2016-4_89.htmlv
Correlation between the stress-strain state parameters and magnetic characteristics of carbon steels / E. S. Gorkunov, S. M. Zadvorkin, S. V. Smirnov, S. Yu. Mitropolskaya, D. I. Vichuzhanin // The Physics of Metals and Metallography. – 2007. – Vol. 103. – P. 311–316. – DOI: 10.1134/S0031918X07030131.
Диагностика мест повышенной разрушаемости трубопровода / В. Ф. Новиков, Ю. И. Важенин, М. С. Бахарев, С. М. Кулак, К. Р. Муратов. – Москва : Недра–Бизнесцентр, 2009. – 200 с.
Kulak S. M., Novikov V. F., Baranov A. V. Control of mechanical stresses of high-pressure container walls by magnetoelastic method // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – Vol. 154. – P. 012004. – DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012004.
Оn controlling stresses in a complexly loaded steel construction by magnetoelastic demagnetization / V. F. Novikov, V. P. Ustinov, A. V. Radchenko, K. R. Muratov, S. M. Kulak, S. V. Sorokina // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2016. – Vol. 52, No. 6. – Р. 357–361. – DOI: 10.1134/S1061830916060073.
Новиков В. Ф., Кулак С. М., Андреев В. О. О контроле напряженно-деформированного состояния стальных мостовых конструкций методом магнитоупругого размагничивания // Строительная механика и расчет сооружений. – 2020. – № 4 (291). – С. 3–7. – DOI: 10.37538/0039-2383.2020.4.3.7.
Новиков В. Ф., Кулак С. М., Парахин А. С. Определение осевых напряжений стали в режиме памяти по экспоненциальному закону магнитоупругого размагничивания // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2021. – Т. 87, № 6. – С. 54–62. – DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-6-54-62.
Вонсовский С. В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. – М.–Л. : ГИТТЛ, 1948. – 816 с.
Новиков В. Ф., Бахарев М. С. Магнитная диагностика механических напряжений в ферромагнетиках. – Тюмень : Вектор Бук, 2001. – 220 с.
Новиков В. Ф., Бахарев М. С., Сорокина С. В. Неразрушающий контроль снеговой и ветровой нагрузки металлоконструкций в режиме магнитоупругой памяти // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. – 2008. – № 3. – С. 51–54.
О необходимости системного подхода к научным исследованиям в области комплексной безопасности и предотвращения аварий зданий и сооружений / В. Н. Пономарев, В. И. Травуш, В. М. Бондаренко, К. И. Еремин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: электронный журнал. – URL: http://www.pamag.ru/pressa/necessiy_sys-appro (04.03.2021).
Липанов И. Д., Молодкин И. А., Хомоненко А. Д. Разработка и перспективы информационной системы для мониторинга состояния мостов // Интеллектуальные технологии на транспорте. – 2021. – № 3 (27). – С. 11–16. – DOI: 10.24412/2413-2527-2021-327-11-16.
Напряженно-деформированное состояние металлической эллипсной балки / Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, А. Н. Миронов, А. С. Щербина // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. – 2020. – Вып. 4 (104). – С. 65–68.
Испытание моста через реку Сочи / В. И. Божков, С. И. Дизенко, О. А. Педан, А. А. Хорошев // Научные труды КубГТУ. – 2017. – № 3. – С. 83–89. – URL: https://ntk.kubstu.ru/data/mc/0040/1542.pdf
Kulak S. M., Novikov V. F., Maltsev V. S. Testing mechanical stresses of bearing steel I-beams of automobile overpass using magnetic and tensometric methods // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2022. – Vol. 58. – P. 186–194. – DOI: 10.1134/S1061830922030044.
Куриленко Е. Ю., Огороднова Ю. В., Шаптала И. В. Сопротивление материалов : учеб. пособие. – Тюмень : РИО ТюмГАСУ, 2014. – 163 с.
Мамченко В. О. Расчет балок на прочность и жесткость при прямом плоском изгибе : учеб.-метод. пособие. – Санкт-Петербург : НИУ ИТМО, 2014. – 48 с.
Водопьянов В. И., Савкин А. Н., Кондратьев О. В. Курс сопротивления материалов с примерами и задачами : учеб. пособие. – ВолгГТУ : Волгоград, 2012. – 136 с.
Крапивский Е. И., Некучаев В. О. Дистанционная магнитометрия газонефтепроводов : учеб. пособие. – Ухта : УГТУ, 2011. – 142 с.
Венкова Ю. А. Мониторинг технического состояния нефтегазопроводов по индуцированной и остаточной намагниченности : дис. … канд. техн. наук : 25.00.19. – Санкт-Петербург, 2016. – 149 с.

Библиографическая ссылка на статью

Kulak S. M., Pavlov P. V., Maltsev V. S. Studying the Magnetoelastic Properties of a Steel Sheet under Bending Deformation // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 3. - P. 73-86. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.3.073-086. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_440.html
(accessed: 21.12.2024).