МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу

„Діагностика і дефектоскопія матеріалів та виробів”

для студентів напрямку підготовки 0901 „ Інженерне матеріалознавство”

інженерно-фізичного факультету всіх форм навчання

Затверджено

на засіданні кафедри

фізики металів

протокол № від 2005 р.

Київ НТУУ „КПІ” — 2005

Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу „Діагностика і дефектоскопія матеріалів та виробів” для студентів напряму підготовки 0901 „Інженерне матеріалознавство” інженерно-фізичного факультету / Укл. Т.А. Роїк, Ю.В. Черкащанко. – К.: НТУУ „КПІ”, 2005. - с.

Укладачі: Т.А. Роїк

Ю.М. Подрезов

Ю.В. Черкащенко

Відповідальний редактор: С.І. Сидоренко

Рецензент: В.А. Мохорт

Забезпечення високої якості продукції – одна з найважливіших науково-технічних та виробничих проблем, значення якої зростає з ускладненням конструкцій виробів з однієї сторони та конкурентною спроможністю з іншої. Ця проблема – багатогранна і вирішується у багатьох напрямках. Серед них відповідальна роль належить розробці і впровадженню у виробництво методів та засобів неруйнівного контролю, ефективність яких визначається перш за все їх достовірністю і продуктивністю.

Навчальний план з дисципліни „Діагностика і дефектоскопія матеріалів та виробів” передбачає виконання студентами напряму підготовки 0901 „Інженерне матеріалознавство” всіх форм навчання лабораторних робіт з рентгенівської, ультразвукової, вихрострумової і капілярної дефектоскопії.

Мета лабораторних робіт – поглибити теоретичні знання з дисципліни і набути практичні навички в проведенні діагностики і дефектоскопії матеріалів і готових виробів сучасними методами неруйнівного контролю, навчитись правильно обирати методи технічної діагностики на основі класифікаційних ознак матеріалів, що досліджуються, і відповідні прилади для проведення дефектоскопії, освоїти принципи дії устаткування та роботу з ним.

В даних методичних вказівках наведено прогресивні методи і прилади для здійснення неруйнівного контролю матеріалів і виробів з використанням рентгенівської, акустичної, вихрострумової та капілярної дефектоскопії.

Лабораторна робота № 3.

Діагностика матеріалів і виробів методом рентгенівської дефектоскопії.

Мета роботи – ознайомитися з принципами рентгенівської дефектоскопії, будовою та роботою рентгенівського імпульсного приладу „МИРА-2Д”, освоїти методику визначення координат дефекту в матеріалі.

Загальні положення.

Дефектоскопією називають виявлення дефектів без руйнування матеріалу. Це область найбільш масового застосування рентгенівських і -променів. У рентгенівській і -дефектоскопії найбільш розповсюджений фотографічний метод реєстрації. Для збільшення проникаючої здатності в дефектоскопії застосовується випромінювання з короткою довжиною хвилі.

Рис. 1.1. – Принципова схема контролю просвічуванням: 1 - фокус рентгенівської трубки; 2 - просвічуваний виріб; 3 - "важке" включення; 4 - раковина;

5 - фотоплівка.

На рис. 1.1 наведено принципову схему рентгенівського просвічування. Промені з фокуса 1 рентгенівської трубки попадають на фотоплівку 5, пройшовши через контрольований виріб 2. Інтенсивність променів, що діють на фотоплівку, визначається відповідно до закону ослаблення рентгенівського випромінювання за формулою:

, (1.1)

де І – інтенсивність променів, діючих на фотоплівку, І₀ – початкова інтенсивність променів,  – коефіцієнт ослаблення рентгенівських променів, L – товщина виробу.

Інтенсивність променів, що пройшли крізь бездефектну частину виробу, буде відрізнятися від інтенсивності променів, на шляху яких виявилося включення. Якщо включення "важке" (_включ > _{осн. мат}), то на рентгенівській плівці буде видно світлу пляму на темному тлі. Якщо включення "легке" (_включ < _{осн. мат}), то на рентгенівській плівці будє видно темні плями на світлому тлі. Найбільш різкі плями виходять при  = 0 (тобто раковини, пори, тріщини та інші порожнечі у виробі).

При розгляді рентгенограм, знятих з тіла, що має на поверхні виступи або западини, треба мати на увазі, що виступи на ній зобразяться як "важкі" включення, а западини - як "легкі". Тому при зйомці виробів різної товщини (фігурних виробів) їх засипають або заливають компенсатором — речовиною,  якої майже дорівнює  деталі. Тоді рентгенограма бездефектної частини буде мати однакове почорніння, незалежно від конфігурації виробу.

Очевидно, задача контролю виробів буде виконана тим краще, чим менше мінімальні розміри дефектів, що виявляються на рентгенограмі. Виражене у відсотках відносно товщини просвічуваного виробу L мінімальне значення t_min (у напрямку променю) дефекту, що виявляється на рентгенограмі, називається відсотковою чутливістю P.

. (1.2)

Чим менше Р, тим краще рентгенограма.

Основні фактори, які впливають на відсоткову чутливість: густина почорніння у відповідних частинах рентгенограми (оптимум для ока 1,2  2,0); довжина хвилі рентгенівського випромінювання; розмір фокуса рентгенівської трубки; фокусна відстань; вплив вторинного (переважно розсіяного) випромінювання, яке виникає при просвічуванні в об'єкті.

Для поліпшення відсоткової чутливості приходиться часто збільшувати тривалість експозиції, що супроводжується поліпшенням якості рентгенограм. У більшості випадків недоцільно застосовувати рентгенівську дефектоскопію при витримках більше 20...30 хв.

Опис рентгенівської імпульсної установки "МИРА-2Д".

Основні технічні дані:

1. Експозиційна доза рентгенівського випромінювання на відстані 500 ±20 мм від торця рентгенівської трубки при тривалості випромінювання 50с не менше 64,5 мккл/кг (260 мр).

2. Товщина сталі, доступна для рентгенівської дефектоскопії при використанні флюорисцентних посилюючих екранів не менше 20 мм; при використанні посилюючих екранів із свинцевої фольги - 10 мм.

3. Діаметр фокусної плями не більш 3 мм.

4. Кут випромінювання - 180°.

5. Напруга живлення - від однофазної мережі змінного струму з частотою 50 Гц, 220 В + 10 %.

Будова і робота апарата.

Використання в приладі „МИРА-2Д” імпульсної рентгенівської трубки дозволяє використовувати радіаційний контроль в польових та монтажних умовах без примусового охолодження трубки. Імпульсні рентгенівські трубки повинні задовольняти наступним вимогам: генерувати імпульси як можна меншої тривалості; забезпечувати велику енергію випромінювання в імпульсі; мати невеликий розмір ефективного фокусу для отримання достатньо різкої тіньової картини. Крім того, трубки повинні мати великий термін роботи та мати просту конструкцію.

Найбільш повно цім вимогам задовольняють трубки з автоемісійним катодом. Якщо біля металевого електрода (катода) створити електричне поле напруженістю більше 10⁸ В/м, то буде відбуватися емісія електронів.

Густина струму емісії залежить від напруженості електричного поля та матеріалу катода. Для збільшення напруженості електричного поля біля катода створюють велику неоднорідність поля (загострені кромки, голки і т. і.).

В імпульсному режимі трубка працює без водяного або масляного охолодження, тому, що її охолодження відбувається в інтервалах між імпульсами. Крім того, при роботі в імпульсному режимі спрощується схема джерела живлення та знижуються вимоги до електричної ізоляції.

Фізичні процеси, які відбуваються при генерації рентгенівського випромінювання в двоелектродній трубці проходять в декілька стадій. Спочатку до електродів подається напруга, яка зростає з визначеною швидкістю. Через деякий час, коли напруга досягає деякої величини U₁, між електродами з’являється електричний струм, зумовлений автоелектронною емісією з катода. Автоемісія утворюється не на всій поверхні катода, а на ділянках, де напруженість електричного поля максимальна. З часом величина струму зростає. Механізм зміни величини струму в імпульсній рентгенівській трубці пояснюється таким чином. З моменту появи електричного струму починається локальне зростання температури поверхні анода і катода. Анод розігрівається внаслідок електронного бомбардування (кінетична енергія електронів передається атомам анода), а катод розігрівається внаслідок проходження через нього електричного струму. При досягненні деякої температури починається випаровування матеріалів електродів. Пари метала, які потрапляють у вакуум, іонізуються потоком електронів з катода. Внаслідок іонізації атомів метала змінюється розподіл електричного поля між електродами, що призводить до подальшого зростання електричного струму з катода. Такий процес зростання струму називається вакуумний пробій. З цього моменту напруга між електродами трубки зменшується.

Рентгенівське випромінювання генерується на початковій стадії при великих значеннях напруги між електродами і током автоелектронної емісії. Тривалість імпульсу випромінювання складає ~ 10^-6...10^-8 с і залежить від відстані між електродами та напругою між ними. Більша частина енергії, яка підводиться до трубки, йде на розігрів електродів, що призводить до їх термічного розпилення та ерозії. Емітовані з катода електрони гальмуються на вершині вістрі анода, внаслідок чого дійсний фокус трубки невеликий.

Засоби безпеки.

При роботі з апаратом (без застосування спеціального захисту) оператор повинний знаходитися на відстані не менш 20 м від рентгенівського блоку в напрямку, протилежному виходу випромінювання в межах тілесного кута, що утворює конус з кутом розчину 150°, вісь якого збігається з віссю рентгенівського блоку, а центр знаходиться в торці рентгенівської трубки.

До роботи на апараті допускається персонал категорії А.

Підготовка апарата до роботи.

1. З’єднати рентгенівський блок з пультом керування високовольтним кабелем.

2. Приєднати мережний провід до пульта керування.

3. Підключити провід заземлення апарата до контуру заземлення лабораторії.

4. Включити апарат у мережу.

Порядок виконання роботи.

1. Встановити за допомогою реле необхідний час експозиції.

2. Уставити ключ у замок безпеки і повернути по годинній стрілці до щиглика, що означає, що спрацював тумблер (повинна зайнятись неонова лампа).

3. Натиснути кнопку "ПУСК" (повинна зайнятись інша неонова лампа).

4. Щоб уникнути перегріву зарядного трансформатора в пульті керування і виходу його з ладу необхідно, щоб сумарний час роботи в годину не перевищувало 15 хв.

Час експозиції, фокусна відстань, тип рентгенівської плівки і посилюючих екранів повинні вибиратися споживачем виходячи з конкретних вимог, до якості рентгенографічного контролю, відповідно до нормативно-технічних документів.

При контролі виробів із заліза, міді, титана і сплавів на їхній основі, рекомендується використовувати плівки РТ-2 (РМ-1) із флюоресцентними посилюючими екранами і плівки РТ-1, Structurіx D7 зі свинцевою фольгою, товщиною 0,02..0,05 мм.

При контролі виробів з алюмінію, магнію і сплавів на їхній основі, а також інших легких матеріалів рекомендується використовувати рентгенівські плівки РТ-4, РТ-5 і Structurіx D4 зі свинцевою фольгою.

Для визначення необхідного часу експозиції варто використовувати номограми (див. рис. 1.2 – 1.5).

Рис. 1.2. – Номограма експозицій просвічування алюмінія; F = 300 мм.

Рис. 1.3. – Номограма експозицій просвічування сталі; F = 300 мм.

Рис. 1.4. – Номограма експозицій просвічування титана; F = 300 мм.

Рис. 1.5. – Залежність експозиційної дози випромінювання від напруги в мережі.

При використанні плівок типу РТ-2 (РТ-1) із флюоресцентними екранами діапазон фокусних відстаней, що рекомендуються, складає 500...1000 мм. При використанні плівок РТ-1, РТ-4, РТ-5, Structurіx D7, D4 рекомендуються фокусні відстані 300...600 мм.

При зйомці з фокусної відстані, що відрізняється від зазначеної в номограмі, розрахунковий час експозиції вибирається за формулою:

, (1.3)

де Т_н - час експозиції, зазначений на номограмі; F - фокусна відстань, обрана при зйомці; F_н - фокусна відстань, зазначена в номограмі.

Відмінність часу експозиції від визначеного по номограмі може бути пов'язана з коливаннями напруги мережі. Тому для більш точного визначення часу експозиції необхідно користуватися формулою:

, (1.4)

де  - коефіцієнт, що залежить від напруги мережі і визначається за графіком (рис. 1.5); D - експозиційна доза рентгенівського випромінювання, яка вказана в паспорті на апарат, мр.

Апарат має практично рівномірне випромінювання в межах кута 100°, що дозволяє використовувати його як для спрямованого, так і для панорамного просвічування.

Визначення глибини залягання дефекту.

Рентгенограма представляє лінійну проекцію деталі на площину рентгенівської плівки. Дві координати місця розташування дефекту (у цій площині) можна визначити безпосереднім виміром на плівці. Однак важливо знати третю координату дефекту в напрямку рентгенівського променя (тобто відстань дефекту від зовнішньої поверхні деталі, що прилягає до касети з плівкою). Для цього необхідно одержати на одній і тій же плівці дві рентгенограми, зняті при різному положенні джерела променів (рис. 6). Деталь знімають двічі, зміщаючи рентгенівську трубку після першого знімка в напрямку, рівнобіжному площині плівки на відстань В. При цьому зображення дефекту зміщається на відстань b. Якщо відстань від фокуса до фотоплівки дорівнює H, то висота дефекту стосовно плівки Х визначається з пропорції:

. (1.5)

Рис. 1.6. – Схема просвічування для визначення місця розташування дефекту.

Порядок виконання роботи.

1. Ознайомитися з пристрієм і освоїти безпечні методи роботи на рентгенівському імпульсному апараті „МИРА-2Д”.

2. Підготувати апарат „МИРА-2Д” до роботи.

3. Зарядити рентгенівську плівку в касету.

4. Визначити необхідний час експозиції по номограмі (рис. 3-6) і за формулами (3), (4).

5. Визначити координати дефекту в досліджуваному зразку і глибину його залягання.

Звіт.

1. Коротко описати суть методу рентгенівської дефектоскопії матеріалів та виробів.

2. Побудувати принципову схему просвічування виробу рентгенівськими променями.

3. Накреслити схему установки „МИРА-2Д”, описати принцип роботи установки.

4. Визначивши координати дефекту в зразку, проаналізувати отримані данні та пояснити їх.

Питання для самоконтролю.

1. В чому полягає сутність методу рентгенівської дефектоскопії?

2. Принципова схема просвічування виробу рентгенівськими променями.

3. Типи рентгенівських променів. Пояснити, як взаємодіють рентгенівські промені з речовиною?

4. Типи рентгенівських трубок та принципи їх роботи.

5. Що таке лінійний коефіцієнт ослаблення рентгенівських променів та від чого він залежить?

6. Що таке відсоткова чутливість та чому вводять такий параметр?

7. Що таке рентгенограма? Принципи її розшифровки.

8. Як визначається глибина залягання дефектів?

9. Принципи роботи рентгенівського імпульсного апарату „МИРА-2Д”?

10. Як визначається час експозиції при проведенні рентгенографічного контролю? Що таке номограма експозиції просвічування?

Лабораторна робота № 4

Визначення наявності та глибини залягання дефектів

ультразвуковим методом.

Мета роботи — засвоїти принципи здійснення ультразвукової дефектоскопії, ознайомитись з будовою та принципом роботи ультразвукового дефектоскопу УД2-12, опанувати методику визначення наявності і глибини залягання дефектів.

УМОВНІ ПОЗНАЧКИ І СКОРОЧЕННЯ.

ВРЧ – тимчасове регулювання чутливості;

УЗК – ультразвукові коливання;

ЦТС – цирконат-титанат свинцю;

ЕЛТ – електронно-променева трубка;

a – амплітуда хвилі, м;

C – швидкість звуку, м/с;

С_сдв – швидкість зрушених хвиль, м/с;

С_нс – швидкість нормальних симетричних хвиль, м/с;

С_на – швидкість нормальних асиметричних хвиль, м/с;

С_пов – швидкість поверхневих хвиль, м/с;

С_пр – швидкість поздовжніх хвиль, м/с;

D – коефіцієнт проходження;

E – модуль пружності, Па;

f – частота коливань, Гц;

G – модуль зсуву, Па;

J – інтенсивність акустичних хвиль, Вт/м²;

n₁ – абсолютний показник переломлення 1 середовища;

n₂ – абсолютний показник переломлення 2 середовища;

R – коефіцієнт відображення;

r₀ – довжина ближньої зони (зони Френеля), м;

T – період коливання, с;

t – час, с;

u – зсув часток середовища, по горизонталі, м;

v – зсув часток середовища, по вертикалі, м;

Z – акустичний опір;

z₀ – акустичний питомий опір;

 – кут падіння променя, градуси;

_кр1 – кут перший критичний, градуси;

_кр2 – кут другий критичний, градуси;

, – кути переломлення променів, градуси;

– кути відображення променів, градуси;

 – коефіцієнт загасання, Нп/см;

_пог – коефіцієнт поглинання, Нп/см;

_рас – коефіцієнт розсіювання, Нп/см;

Ө – кут розбіжності, градуси;

λ – довжина хвилі, що біжить, м;

λ_ст – довжина стоячої хвилі, м;

υ – кут зустрічі, градуси;

ρ – щільність середовища, кг/м³;

ω – циклічна частота хвилі, рад/с.

Загальні положення.

Акустичні методи контролю.

Області застосування і класифікація акустичних методів контролю.

За допомогою акустичних методів в матеріалах і виробах, виготовлених практично з будь-яких матеріалів, можна виявляти поверхневі і внутрішні дефекти, що представляють собою порушення суцільності, неоднорідності структури, зони ураження міжкристалічною корозією, дефекти клепання, паяння, зварювання і т.і. Акустичні методи дозволяють вимірювати геометричні параметри, наприклад товщину при однобічному доступі до виробу, а також фізи-ко-механічні властивості матеріалів без їхнього руйнування. Останнім часом ці методи з успіхом використовують для вивчення кінетики початкової стадії руйнування зразків і виробів при випробуваннях на втомленність.

На рис. 2.1 показано області застосування акустичних методів для неруйнівного контролю. Важливою перевагою акустичних методів є можливість їхнього застосування для контролю елементів машин і конструкцій в умовах експлуатації без їхнього демонтажу, особливо в тих випадках, коли потрібно забезпечити надійну роботу дорогих і унікальних об’єктів, а також машин і конструкцій відповідального призначення.

До переваг контролю акустичними методами відносяться:

1. Висока чутливість, що дозволяє виявляти дрібні дефекти.

2. Велика проникаюча здатність, що дозволяє виявляти внутрішні дефекти у великогабаритних виробах.

3. Можливість визначення місця і розмірів дефекту.

4. Практично миттєва індикація дефектів, що дозволяє автоматизувати контроль.

5. Можливість контролю при однобічному доступі до виробу.

6. Простота та висока продуктивність контролю.

7. Повна безпека роботи оператора і навколишнього персоналу.

До недоліків акустичних методів відноситься необхідність розробки спеціальних методик контролю окремих типів деталей, необхідність порівняно високої чистоти обробки поверхні контролюємих об’єктів та наявність так званих „мертвих” зон, що знижують ефективність контролю.

В даний час застосовують наступні методи: тіньовий, резонансний, лунаімпульсний, емісійний, велосиметричний, імпедансний, вільних коливань.