3 Физические основы методОв магнитНого контроля

3.1 Искажение магнитного поля. Понятие о поле рассеяния дефекта

Достаточно полное и физически обоснованное представление об образовании магнитного поля рассеяния вблизи дефекта можно получить расчетно-аналитическими методами [8–10]. Выводы, полученные в результате применения этих методов, позволяют правильно представить схему распределения магнитных силовых линий поля рассеяния дефекта внутри намагниченной детали и над её поверхностью. На рис. 3.1 показан контролируемый объект (КО) в виде длинного цилиндрического стержня с одной внешней граничной поверхностью. Предположим, что материал стержня однороден по своим магнитным свойствам и имеет относительную магнитную проницаемость μ_1. В однородном внешнем магнитном поле материал стержня приобретает намагниченность J. В некотором сечении КО расположен поверхностный дефект, сжатый в направлении внешнего поля H₀.

H_д

H₀

Рис. 3.1 Схема поляризации стенок дефекта

и линии магнитного поля

Полость дефекта, как правило, заполнена воздухом или немагнитными включениями, относительная магнитная проницаемость которых (μ₂  1) намного меньше, чем у ферромагнитного материала. Материал внутри дефекта однороден, относительная магнитная проницаемость равна μ₂, при этом μ₂ значительно меньше μ₁. Тогда намагниченность J₂ материала, заполняющего дефект, будет меньше намагниченности J₁ остальных участков стержня. В связи с этим часть векторов намагниченности будет обрываться на границе КО–дефект и снова начинаться на границе дефект–КО. Известно, что каждый конец линии намагниченности действует как некоторый положительный магнитный заряд, а каждое ее начало – как магнитный заряд противоположного знака. В результате этого границы или стенки дефекта будут поляризованы положительными и отрицательными магнитными зарядами (см. рис. 3.1). Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него, как из центра. Над участком намагниченной детали, в пределах которого находится поверхностная трещина или иной дефект, суммарное поле магнитных зарядов направлено в ту же сторону, что и внешнее поле H₀, т. е. усиливает действие этого поля. Суммарное поле магнитных зарядов называется полем рассеяния дефекта H_д. Оно имеет сосредоточенный характер с максимальным значением напряженности непосредственно над дефектом (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Образование поля рассеяния дефекта H_д

Магнитные поля рассеяния от различных простейших моделей дефектов исследованы теоретическими методами, аналогичными используемым в электростатике [11–15]. Основной результат таких исследований – получение распределения магнитных полей рассеяния в виде функции распределения тангенциальной (касательной) H_x и нормальной H_y составляющих поля рассеяния над КО вблизи дефекта. Начало прямоугольной системы координат помещено посредине раскрытия модели дефекта, ось x направлена вдоль поверхности КО, ось y – перпендикулярно к ней.

3.2 Топография магнитных полей рассеяния моделей дефектов

Методы магнитной дефектоскопии основаны на обнаружении полей рассеяния нарушений сплошности (дефектов) при помощи магнитного порошка. Для принятия правильного решения необходимо иметь достаточно полную информацию о пространственном распределении (топографии) магнитных полей как от недопустимых дефектов (трещин, волосовин, флокенов, закатов, надрывов, неметаллических включений, расслоений, дефектов сварных соединений и др.), так и от дефектов¹ типа магнитных неоднородностей, обусловленных технологией производства, колебаниями химического состава материала и т. д.

Геометрия и характер этих неоднородностей и, следовательно, топография поля зависят от многих, часто трудно поддающихся учету факторов. Например, на поверхности контролируемого изделия имеются риски, надавы, надиры и т. п. дефекты, случайно образовавшиеся в процессе производства. Магнитные свойства таких дефектных участков могут существенно отличаться от свойств неповрежденного изделия. Хотя КО по этим дефектам не всегда бракуется, однако создаваемые ими поля (и их градиенты) могут быть по величине не только сравнимы с полями от реальных дефектов, но и превышать их, поэтому при контроле возможны ложные скопления магнитного порошка, и надежность выявления реальных дефектов при этом может существенно снижаться.

В общем случае расчёт магнитных полей рассеяния от дефектов типа магнитных неоднородностей представляет собой весьма сложную математическую задачу и практически неосуществим, так как они могут иметь сложные геометрические формы и различаться по физической природе. Однако в ряде случаев эти неоднородности могут быть смоделированы, то есть заменены моделями известных размеров и простой формы. Например, дефекты типа локального точечного надава, надира, риски и т. п. могут быть аппроксимированы эквивалентными точечными магнитными диполями, дефекты типа надира, лыски и т. п. – линейными магнитными диполями.

Дефекты типа нарушения сплошности отличаются тем, что у них глубина намного больше ширины (или сравнима с ней). У таких дефектов магнитные заряды распределяются в двух измерениях – по длине и глубине.

Поле их можно уподобить полю ленточночного магнитного диполя, состоящего из двух заряженных пластин (граней, лент) бесконечной или конечной длины, причем расстояние между ними (ширина диполя) и их высота (глубина диполя) в первом приближении совпадают с параметрами действительного дефекта.

Материалы по расчету магнитных полей различных моделей дефектов и их экспериментальной проверке подробно представлены во многих литературных источниках [8, 9]. Основной результат этих исследований – получение функции распределения тангенциальной (касательной) H_x и нормальной H_y составляющих поля рассеяния над поверхностью КО вблизи той или иной модели дефекта. Начало прямоугольной системы координат помещается посредине раскрытия модели дефекта, ось x направлена вдоль поверхности КО, ось y – перпендикулярно к ней.

Учитывая, что наиболее часто встречающимся поверхностным дефектом являются вертикальные трещины, имеющие малое раскрытие с выходом на поверхность, ниже будет более подробно рассмотрена модель дефекта типа ленточный магнитный диполь.

На рис. 3.3 приведены две совершенно различные модели А и В для расчета поля рассеяния H_д трещины конечной глубины.