3.2.4.2. Электромагнитные методы контроля.

Электромагнитные методы контроля основаны на зависимости между параметрами электромагнитного поля, прошедшего через контролируемое изделие, и физико-механическими характеристиками материала, а также его составом и структурой.

Электромагнитные поля, используемые при неразрушающем контроле, имеют широкий диапазон частот – от практически постоянного поля (f=0) до частоты f=100 МГц. Обычно эти методы разделяют на магнитные и электрические методы, в зависимости от того, магнитные или электрические характеристики материала подлежат измерению. По своей физической сути к этим методам относится и вихретоковый контроль.

ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» не предусматривает термина «электромагнитный контроль», а в литературе под этим термином порой понимают несколько разные виды контроля: иногда магнитный и вихретоковый виды контроля, иногда только вихретоковый. В силу многих особенностей вихретокового метода, мы рассмот-рим его отдельно. В этом разделе представлены сведения по магнитному, элект-

рическому и электромагнитному методам с индуктивным преобра-зователем.

МАГНИТНЫЙ вид контроля, как правило, применяют для ферромагнит-ных материалов, в основном для разного вида сталей. Контроль основан на том, что свойства материала, которые требуется контролировать: твердость, струк-тура, химический состав и др. – связаны с параметрами процессов намагничи-вания и перемагничивания, сопровождаемых гистерезисными явлениями.

При контроле в изделии возбуждают магнитное поле (проводят намагничивание), измеряют параметры поля и по ним судят о физико-механических характеристиках и структуре материала. В качестве измеряемых параметров выбирают один или несколько из следующих параметров магнитного поля: коэрцитивную силу Н_с, магнитную проницаемость μ_а = B_r/H, намагниченность I=( B_r/μ₀)-Н, где μ₀ – магнитная постоянная, B_r – остаточную намагниченность.

При выборе информативного параметра магнитного контроля стремятся найти параметр, который наиболее сильно коррелируется с теми свойствами материалов, которые интересуют инженерную практику. К настоящему времени накоплен достаточно большой экспериментальный материал по корреляции магнитных свойств конструкционных сталей с их физико-химическими и механическими свойствами. Во многих случаях связь эта не только неоднозначна, но и нестабильна, носит корреляционный характер и возникает тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и магнитные свойства. Сложный характер влияния разных факторов на свойства ферромагнитных материалов часто не позволяет оценить влияние каждого фактора в отдельности. Поэтому при магнитном контроле часто используют относительные измерения, т. е. не измеряют какой-либо магнитный или механический параметр, а только фиксируют, соответствует ли магнитный параметр заданным значениям или отклоняется от них. Для оценки того, насколько при этом механические параметры отклонились от номинальных, необходимы дополнительные сопоставления с параметрами специально отобранных образцов.

Наиболее широко при магнитном контроле используется зависимость между твердостью углеродистых и низкоуглеродистых сталей и их КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛОЙ Н_с (рис. 4). Так как твердость стали зависит от режима ее термической обработки, то практически во всех случаях наблюдается корреляция также между коэрцитивной силой и температурой закалки и отжига (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость коэрцитивной силы Нс от твердости для сталей марки 30Х13 и 12Х17Н2	Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы Нс от температуры закалки (а) и отжига (б) для сталей марки ШХ15

Приборы, позволяющие разбраковывать изделия по величине коэрцитив-ной силы, называются КОЭРЦИТИМЕТРАМИ. Наибольшее распространение в настоящее время получили коэрцитиметры, в которых для создания магнитного поля используется приставной электромагнит. Такие приборы предназначены для контроля отдельных участков крупногабаритных изделий. Для контроля малогабаритных изделий используются установки с измерительным генерато-ром (активный индукционный преобразователь), а также с феррозондом. В таких установках намагничивающее поле создается с помощью катушки, внутрь которой помещается контролируемое изделие.

Рассмотрим подробнее работу коэрцитиметра с приставным электромаг-нитом, поскольку такие приборы наиболее удобны в производственных условиях. Схема преобразователя прибора показана на рис. 6.

Рис. 6. Преобразователь коэрцитиметра с приставным магнитом

П- образный электромагнит, на боковых стержнях которого размещена возбуждающая катушка, предназначен для создания намагничивающего и размагничивающего полей. Феррозонд является перемычкой этого электромаг-нита. При пропускании постоянного тока по обмотке возбуждения намагни-чивается участок изделия, подлежащего контролю. После выключения тока в обмотке остаточный магнитный поток электромагнита создает сигнал на выходе феррозонда. При пропускании по обмотке возбуждения тока противо-положного направления начинается процесс размагничивания. Размагничиваю-щий ток увеличивают до тех пор, пока магнитный поток в цепи не станет равным нулю, чему соответствует отсутствие выходного сигнала феррозонда. Чем больше значение коэрцитивной силы Н_с, тем большим должен быть размагничивающий ток. Таким образом, действие коэрцитиметра основано на том, что размагничивающий ток пропорционален коэрцитивной силе Н_с, которая коррелируется с определенными механическими свойствами контролируемого материала.

Кроме рассмотренного коэрцитиметрического метода, применяют метод ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ для контроля сталей, для которых известна связь остаточной индукции или намагниченности B_r с механическими свойствами. Намагничивание при этом обычно осуществляют в импульсном режиме с помощью малогабаритного соленоида, устанавливаемого перпенди-кулярно поверхности изделия. При пропускании импульса тока через соленоид участок изделия под ним намагничивается, причем намагничивание это неоднородно. После окончания импульса намагниченность в каждой точке уменьшается до некоторой остаточной намагниченности. Измеряя с помощью двух феррозондов разность напряженностей в двух разных точках, получают величину, пропорциональную B_r и характеризующую механические свойства материала.

Для определения содержания ферритной фазы в готовых стальных изделиях применяют ФЕРРИТОМЕРЫ. Контроль содержания ферритной фазы важен, так как увеличение ее количества снижает пластичность сталей, что недопустимо, так как может привести к возникновению трещин при механи-ческих нагрузках. Поскольку ферритная фаза определяет магнитную проницаемость вещества, определить ее содержание можно, измеряя магнитную проницаемость. Переменный магнитный поток создают возбуждаю-щей катушкой. Величина этого потока зависит от магнитного сопротивления контролируемого материала, которое определяется содержанием ферритной фазы. Этот магнитный поток наводит ЭДС в измерительной катушке, по величине которого и оценивают содержаний ферритной фазы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИД КОНТРОЛЯ основан на регистрации электри-ческих полей и электрических параметров контролируемого изделия. Обычно при этом виде контроля изделие помещают в постоянное или переменное электрическое поле, создаваемое между обкладками электрического конденсатора, диэлектриком которого служит контролируемое изделие (электроемкостной метод), либо между электродами, контактирующими с изделиями из электропроводящих материалов (электропотенциальный метод). Электрическое поле может также создаваться путем электризации изделия тре-

нием (трибологический метод). Последние два метода в основном применяются для измерения толщины и обнаружения дефектов.

В качестве регистрируемых параметров используется электрическое сопротивление R, электрический ток I, электрическая емкость С, относительная диэлектрическая проницаемость ε_г, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ, контактная термоЭДС E_t.Для контроля конкретных изделий выбирают один или совокупность перечисленных параметров, связанных с тем или иным свойством материала изделия.

Рассмотрим более детально электроемкостной метод, наиболее часто используемый для контроля физико-механических свойств и структуры материала. При этом методе измеряют относительную диэлектрическую проницаемость ε_г и/или тангенс угла диэлектрических потерь tg δ электрического конденсатора, в состав которого входит контролируемое изделие (или его часть). Если изделие сделано из диэлектрического материала, то электрическое поле в нем создается электроемкостным преобразователем (конденсатором), обкладки которого подключают к генератору переменного напряжения. Если же изделие изготовлено из электропроводящего материала, например металлической проволоки, то одной из обкладок электроемкостного конденсатора может служить само изделие. Возможно также размещение электропроводящего изделия между обкладками специального электроем-костного преобразователя.

Контроль основан на том, что разные вещества имеют различные значения ε_г и tg δ, причем наличие пор и влаги резко изменяет эти характеристики, поскольку их значения в воздухе и в воде сильно отличаются от значений для большинства твердых материалов. Например, для свободной (гигроскопической) воды ε_г ~80, а для таких материалов, как пластмасса, композиты, текстиль, зерно и др., ε_гБ<10. Поэтому электроемкостной метод широко применяется для контроля ВЛАЖНОСТИ различных материалов. Преобразователи электроемкостных преобразователей влажности имеют раз-личную конструкцию, определяемую состоянием контролируемого материала (твердый, сыпучий). Диапазон измеряемой влажности зависит от возможных значений ε_г для конкретных материалов. Так, влажность зерна можно опре-делить в диапазоне от 8 до 35 %, бумаги, текстиля от 5 до 30 %, угля от 5 до 20 %. Диапазон измерения универсальных влагомеров от 0 до 80 %, погреш-ность измерения от 0,3 до 2 %.

По параметрам ε_г и tg δ можно контролировать также соотношение компонентов в смесях, химический состав некоторых материалов, например пластмасс, степень полимеризации и старения полимерных материалов, плотность, пористость, в некоторых случаях прочность, предел пластичности, внутренние механические напряжения. При контроле следует учитывать, что значения диэлектрической проницаемости ε_г также, как и другие параметры, используемые при электрическом контроле, зависят от многих физико-механических свойств, поэтому определить какое – либо одно свойство, материала, например, пористость, можно при постоянстве других, например влажности.

Контролируя непрерывно значения ε_г и tg δ, можно следить за кинетикой химических реакций, кристаллизацией, полимеризацией (отверждением), старением, вулканизацией. По измеренным значениям ε_г композита можно определить характеристики состава и структуры, например коэффициент армирования. Для этого могут быть использованы формулы для вычисления среднего значения диэлектрической проницаемости композита по известным значениям диэлектрических параметров компонентов или специально разработанные номограммы.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД С ИНДУКТИВНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ рассмотрим более подробно, поскольку этот метод не предполагает дефектоскопии изделий и его не изучают в других курсах, относящихся к неразрушающему контролю. Метод используется для опреде-ления содержания ферромагнитных примесей в измельченных материалах. При контроле пробу с контролируемым материалом помещают в качестве сердеч-ника в измерительный индуктивный преобразователь (измерительную катуш-ку). При внесении пробы происходит изменение параметров преобразователя, причем тем большее изменение, чем больше содержание ферромагнитных примесей. Фиксируя возникающие изменения (индуктивность катушки и сдвиг фаз между колебаниями, синхронизируемых по частоте опорного и рабочего генераторов) и проведя градуировку прибора для контроля конкретного материала, прямо по прибору можно определять содержание ферромагнитных включений.

Приборы, реализующие этот метод измерения, состоят из рабочего и опорного генераторов с колебательными контурами, фазометра, источников питания и индикатора.

Рабочий и опорный генераторы представляют собой автогенераторы с отрицательным входным сопротивлением, выполненные на интегральных дифференциальных усилителях. Выходные сигналы генераторов через усилители-ограничители подаются на входы фазометра. Рабочий и опорный генераторы работают в режиме взаимной синхронизации (захватывания), при котором в контур каждого генератора через цепь связи вводится часть выходного сигнала, снимаемая с вторичных обмоток контурных катушек другого генератора.

Введение пробы контролируемого материала внутрь катушки, входящей в контур рабочего генератора, вызывает изменение величины индуктивности катушки и появление фазового сдвига между колебаниями рабочего и опорного генераторов, пропорционального измеряемой величине, – массовой доле ферромагнитного материала в пробе. Этой же величине пропорционально отклонение стрелки индикатора.

Наибольшей точностью и разрешающей способностью из приборов такого типа обладают приборы типа «Магнит». Например, модель прибора «Магнит -704» позволяет измерять содержание даже очень малых примесей ферромагнитного материала с разрешающей способностью 0,0001 %. Такие измерения бывают необходимы, так как даже небольшое количество железа в ряде материалов, например в абразивных материалах, связках, используемых

при изготовлении различных керамических изделий и композитов, может привести к браку в конечном продукте.