Глава 13. Методы магнитной дефектоскопии

Физические основы магнитных методов контроля. Методы маг­нитного контроля можно применять только для контроля деталей из ферромагнитных материалов. К ферромагнитным относятся ма­териалы, которые способны намагничиваться, находясь во внешнем магнитном поле. Рассмотрим контролируемый образец в виде ме­таллического стержня с относительной магнитной проницаемостью μ, помещенного в однородное магнитное поле Н_с. Под действием этого магнитного поля стержень будет намагничиваться и линии маг­нитной индукции В практически не выходят из детали (рис. 101, а). Если же стержень имеет дефект в виде длинной трещины, располо­женной перпендикулярно направлению поля, то магнитная прони­цаемость дефектного участка оказывается намного меньше прони­цаемости детали (рис. 101, б).

Рис. 101. Образование неоднородного магнитного поля рассеяния от трещины на поверхности ферромагнитного образца.

Вследствие этого происходит перерас­пределение магнитного потока в зоне дефекта: одна часть магнитного потока проходит через трещину, другая — через воздушные пути над трещиной, а третья — под трещиной по стержню. При этом на стенах трещины появ­ляются положительные и отри­цательные магнитные заряды (полюса). Это явление называ­ют магнитной поверхностной и объемной поляризацией метал­ла в зоне дефекта. Каждый по­люс создает магнитное поле, на­правленное из него как из цент­ра. Если оно совпадает с внешним полем Н_с, то происходит их сложение, вследствие чего результирующее магнитное поле над трещиной становится резко неоднородным как в продольном (тангенциальном), так и в перпендикулярном (нормаль­ном направлении по отношению к поверхности детали) (см. рис. 101).

10

Сумма магнитных полей всех дипо­лей называется полем рассеяния де­фекта Н_д.

Качественный вид зависимости тангенциальной и нормальной со­ставляющих напряженности поля над трещиной показан на рис. 102.

Рис. 102. Компоненты магнитного поля:

Н_z – нормальная составляющая; Н_х – тангенциальная составляющая.

Как видно из рисунка, тангенциаль­ная составляющая напряженности поля имеет максимум на централь­ной части дефекта, тогда как нор­мальная составляющая проходит через нуль в центре дефекта и име­ет максимальные положительное и отрицательное значения в точках, расстояние между которыми боль­ше ширины раскрытия дефекта.

Величины составляющих маг­нитного поля рассеяния зависят не только от формы и размеров тре­щины, но и от напряженности намагничивающего поля и магнит­ной проницаемости металла μ. Рассмотрим влияние указанных фак­торов на формирование маг­нитного поля рассеяния от трещи­ны. При отсутствии трещины ве­личина индукции в металле соот­ветствует точке 1 на основной кри­вой намагничивания (рис. 103).

А при образовании трещины ин­дукция увеличивается на величи­ну ΔВ (точка 2), напряженность магнитного поля — соответствен­но на величину ΔН.

11

Рис. 103. Формирование магнитного поля рассеяния над трещиной.

Отношение приращения индукции А В к приращению напряженности поля ΔН характеризуется величиной диф­ференциальной магнитной проницаемости μ_а = ΔВ/μ₀ ΔН_д.

Величина Δ В на различных участках кривой намагничивания за­висит от приложенного магнитного поля. В слабых магнитных по­лях дифференциальная проницаемость велика и большая часть по­тока магнитной индукции проходит в слое металла под трещиной, поэтому поле рассеяния над трещиной мало. В области сильных маг­нитных полей относительная магнитная проницаемость металла ста­новится близкой к единице, а составляющие вектора магнитной ин­дукции ориентируются параллельно приложенному полю и, следо­вательно, значительно уменьшается магнитная поляризация металла и магнитное поле рассеяния от трещины.

При оптимальной величине намагничивающего поля и диффе­ренциальной магнитной проницаемости металла магнитное поле рассеяния от трещины становится наибольшим. Для обеспечения условий выявления трещин магнитная индукция в металле должна быть достаточно большой — порядка 08—0,9 Тл, так как от ее вели­чины зависит абсолютное значение величины напряженности маг­нитного поля рассеяния. Если на металл поместить ферромагнитные частицы порошка, то поле рассеяния оказывает на них сильное воздействие. Частицы порошка намагничиваются и пристают к по­ляризованным краям трещины. На этом свойстве поля основан ме­тод обнаружения дефектов посредством магнитного порошка. Каж­дая частица, представляя диполи с четко выраженными разноимен­ными полюсами на своих концах, под действием магнитных полей перемещается по закону постоянных магнитов: разноименные по­люса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для количественной оценки поля Н_д каждой его области служат две величины: напряженность и градиент поля. Величину градиента поля определяют как частное от деления разности значений напря­женности поля в двух его соседних точках в направлении намагни­чивания детали на расстояние между этими точками. Градиент яв­ляется величиной, характеризующей неоднородность магнитного поля Н_д.

12

Сила, стремящаяся вовлечь частицы порошка в поле трещины, связана с магнитными свойствами частиц и полем рассеяния Н_д сле­дующим соотношением:

Таким образом, сила, под действием которой ферромагнитная частица перемещается в неоднородном поле дефекта, пропорцио­нальна напряженности поля Н_д, градиенту этого поля dН_х/d_х, объе­му частицы V и ее магнитной восприимчивости χ_а. Известно, что магнитная восприимчивость частицы зависит от ее формы, магнит­ной проницаемости и восприимчивости. Если частица имеет ци­линдрическую форму, то ее восприимчивость зависит от соотно­шения между длиной и диаметром. Чем больше это отношение, тем выше восприимчивость частицы. Более высокие значения воспри­имчивости частицы требуют больших сил поля Н_д, чтобы переме­щать частицу в направлении к центру трещины. Эффективность выявления трещин зависит от способности магнитных частиц пе­ремещаться под действием магнитных полей рассеяния. А способ­ность частиц перемещаться в поле зависит от способа их нанесе­ния на контролируемый объект. Существует два вида нанесения на деталь ферромагнитных частиц; сухой метод, когда порошок на­ходится в воздушной среде, и мокрый метод, когда порошок нано­сится в виде жидкой смеси. При сухом методе применяют более крупные частицы порошка для уменьшения сил трения между час­тицами и поверхностью проверяемой детали. Этот метод предпоч­тительнее при контроле деталей с грубой поверхностью, так как сухой порошок меньше задерживается неровностями поверхности. Для уменьшения сил трения между частицами и поверхностью де­тали используют жидкие суспензии, в которых твердые ферромаг­нитные частицы находятся во взвешенном состоянии. Вязкость жидкой среды также оказывает некоторое сопротивление движе­нию частиц, поэтому наиболее четкие осадки получаются на по­верхности, имеющей небольшой наклон.

Значение напряженности и градиента поля дефекта Н_д играют наиболее важную роль при определении оптимальной намагничен­ности металла проверяемой детали и определяются по кривой на­магничивания и магнитным параметрам (μ, Н_с, В).