Предисловие

Из всего многообразия магнитных методов неразрушающего контроля магнитопорошковый является наиболее распрос­траненным. Он широко применяется в авиационной, маши­ностроительной и др. отраслях промышленности. Этот метод часто является единственно возможным для оценки закалоч­ных трещин, шлифовочных прижогов и других дефектов. Он распространен на транспорте, в машиностроении и при мон­таже металлоконструкций, поэтому эта монография имеет большое практическое значение. Ее автор, проф. Троицкий В. А., является руководителем отдела неразрушающего контроля Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. Под его руководством в последние годы были выпол­нены следующие оригинальные разработки, касающиеся развития магнитных методов контроля качества сварных со­единений:

• предложен магнитоакустический метод, сочетающий возможности магнитного к выявлению поверхностных де­фектов и обработки информации с помощью УЗ-дефектоскопа. Этот метод был применен для оценки качества гильз цилиндров дизельных установок;

• созданы портативные плавно регулируемые намагничи­вающие устройства на основе мощных самарий-кобальтовых постоянных магнитов, в том числе и перекатываемые вдоль сварочного соединения, предназначенные для контроля про­тяженных монтажных швов;

• создано многофункциональное намагничивающее уст­ройство, имеющее четыре степени свободы и позволяющее выполнять локальное намагничивание детали практически любой конфигурации;

• для массовых литых изделий, для которых допустим магнитопорошковый контроль низкой чувствительности,

• разработаны магнитные линзы, практически исключающие расход суспензии и порошка;

• внедрен магнитопорошковый контроль различных деталей подвижного состава, строительных металлокон­струкций, деталей машин, разработаны методики и различное вспомогательное оборудование.

Книга написана для магнитопорошкового контроля, однако теоретический раздел касается всех магнитных методов. Подробно рассмотрено влияние размагничиваю­щего фактора формы детали, последовательность перемагничивания отдельных ее частей, свойства конгломератов магнитного порошка как магнитодиэлектрика, особенности импульсного и высокочастотного намагничивания. Контро­лируемая деталь рассматривается как сложная магнитная цепь.

Проф. Троицкий В.А. является одним из организаторов современной системы аттестации специалистов по неразрушающему контролю, в том числе и магнитному, в Украине. Настоящее издание подготовлено с учетом отечественных и европейских стандартов, учебных программ для подготовки специалистов I—III уровней.

Практически все учебные и аттестационные центры, за­нимающиеся подготовкой специалистов по НК, нуждаются в данном пособии, которое обобщает опыт работы Института электросварки им. Е.О. Патона и других организаций, охва­тывает теорию и технологию магнитопорошкового контроля применительно практически ко всем отраслям промышлен­ности.

Б.Е. Патон академик

Содержание Введение

Одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля (НК) стальных деталей является магнитопорошковый (МП). Он нашел широкое применение в авиации, железнодорожном транспорте, химическом машиностроении, судостроении, автомобильной и во многих дру­гих отраслях промышленности. Большие объемы применения МП метода объясняется его высокой чувстви­тельностью к трещиноподобным дефектам, наглядностью результатов. Этим методом обнаруживаются усталостные трещины в начальной стадии их появления. Так, выявля­ются поверхностные микротрещины шириной раскрытия от 0,001 мм и более, глубиной 0,01...0,03 мм и более.

Книга может быть использована для практической ра­боты по МП дефектоскопии как справочный материал и как материал для подготовки к аттестации специалистов на I-III уровни квалификации специалистов по НК.

Для всех электромагнитных методов характерно нали­чие полезадающей системы, магнитного поля дефекта и ус­тройства его обнаружения. Для электромагнитных средств контроля качества металлических изделий используется широкий спектр частот, начиная от постоянного магнитного поля до переменных полей с частотами десятков мегагерц.

Методы электромагнитного контроля, которые основаны на оценке изменения реакции вихревых токов, создаваемых на поверхности изделия, называются вихретоковыми. Они используются только для НК электропроводных материа­лов и в настоящем пособии не рассматриваются.

Методы контроля ферромагнитных материалов, осно­ванные на намагничивании исследуемого изделия, назы­ваются магнитными. По способу регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих в зоне расположения дефектов, магнитные методы подразделяются на магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, индукцион­ный, магнитоакустический, магнитополупроводниковый, магнитоэлектрический и т.д. Каждый из магнитных мето­дов имеет свои разновидности. Например, МП метод может быть в нескольких исполнениях: на контролируемую по­верхность наносится сухой магнитный порошок или фер­ромагнетик, распределенный в суспензии. Порошок можно наносить непосредственно на поверхность исследуемого из­делия или располагать в специальные линзы, которые пе­ремещаются над поверхностью намагниченного изделия.

Результаты МП контроля могут регистрироваться в ви­де изображения на телевизионном экране. К ним можно применить все известные технические возможности обра­ботки оптических изображений с измерением размеров, координат и т.п.

В зависимости от конкретных задач магнитного конт­роля, марки контролируемого материала, требуемой про­изводительности могут использоваться те или иные первичные информативные параметры. К числу наиболее распространенных относятся: коэрцитивная сила, намагни­ченность, индукция (остаточная индукция), магнитная про­ницаемость, напряженность, скачки намагничивания.

Контроль структуры и механических свойств изделий осуществляют путем установления корреляционных связей между контролируемым параметром (температурой закал­ки и отпуска, твердостью и т.д.) и какой-либо магнитной характеристикой (или несколькими). Успешно контроли­руется состояние изношенности и напряженного состояния металла.

Происхождение магнитного поля рассеяния дефекта становится наглядным, если воспользоваться методом су­перпозиции. На рис. 1 показано, как намагничиваемая де­таль с дефектом может быть представлена в виде равномерно намагниченной среды и элемента с геометрией дефекта. Если деталь не насыщена, то поле дефекта увеличивает индукцию в металле, а на поверхности изделия дополнительное поле практически не возникает. При достаточно высоком намагничивании детали поле рассеяния дефекта обнаруживается на поверхности детали. Из преоб­разований, выполненных на рис.1, следует, что поле рас­сеяния дефекта на поверхности детали должно иметь одинаковую полярность с основным намагничивающим по­лем, а внутри дефекта — встречный магнитный поток. Рас­пределение его зависит от геометрии дефекта, близости поверхности и степени насыщения поверхности детали.

Из условий постоянства нормальной составляющей маг­нитной индукции на поверхности дефекта справа и слева, на границах сред с проницаемостями и можно полу­чить, что внутри дефекта напряженность поля в раз выше, чем в металле:

, ,.

Этим объясняется сильное насыщение краев дефекта, в его устье, что способствует выявлению дефектов и завышению их размеров. Ниже будут построены картины магнитных полей на краях дефекта. Если формально задача определения поля дефекта ре­шается как наложение на равномерное поле магнитного по­ля фигуры, повторяющей форму дефекта, то практически подобные расчеты не могут дать надежных результатов по многим причинам. Основными из них являются: нелинейность кривой намагничивания, зависимость ее от предыс­тории, связь распределения поля дефекта с расположением и состоянием металла, направленность намагничивающего поля к поверхности дефекта, который обычно имеет слож­ную конфигурацию. Для сварных соединений обнаружение полей рассеяния дефектов осложняется наличием валика усиления, в зоне которого увеличено сечение, имеются резкие изменения геометрических форм. Неблагоприятна и че­шуйчатость шва.

Рис. 1. Внутренний и наружный дефекты в ненасыщенной и насыще­нной средах, как инородное тело с собственным размагничивающим полем.

Напряженность магнитного поля внутри ферромагнит­ного тела меньше напряженности приложенного к нему постоянного магнитного поля на величину , где — раз­магничивающий фактор; — намагниченность материала:

, ,

, , ,

где -магнитная восприимчивость вещества.

Размагничивающий фактор зависит от формы тела, поэтому для разных форм сердечников, выполненных из од­ного и того же материала, получают разные кривые намагни­чивания. Роль размагничивающего фактора возрастает с уплощением форм и уменьшением размеров детали. Эта ве­личина достаточно хорошо исследована для простейших слу­чаев эллипсоида, имеющего отношение продольной и поперечной оси . Так, для шара , а для пластины , для тороида .

Для часто встречающегося случая тонкого стержня с > 50 размагничивающий фактор:

.

В общем случае размагничивающий фактор сложно за­висит от формы тела и направления его намагничивания. Это касается как изучаемой детали, так и частиц порошка. При равной магнитной восприимчивости только за счет формы можно значительно изменить напряженность внутри ферромагнитной частицы, увеличить восприимчивость к внешнему полю. Эти явления подробно рассмотрены в теории магнитодиэлектриков, которые являются фактически (утвержденными магнитопорошковыми суспензиями.

Применительно к намагничиваемому изделию в целом можно утверждать, что чем меньше длина детали, тем от­носительно больше величины . Для получения равной величины внутреннего поля для короткой детали требу­ется относительно большее внешнее магнитное поле. Напри­мер, для деталей из стали 30ХГСНА, в которой возникают шлифовочные и усталостные трещины, рекомендуют пользо­ваться графиком, представленным на рис. 2 [1].

Из этого графика следует, что чем меньше отношение длины детали к ее диаметру , тем большая требуется величина тока в индукторе для получения той же величины напряженности магнитного поля. Эти и подобные «удивительные» явления объяснимы, если рассмотреть более подробно процессы намагничивания ферромагнетиков.

В зависимости от вида тока, метода создания магнит­ного поля намагничивание может быть постоянное, оста­точное, импульсное, индукционное и комбинированное. Различают также циркулярное и полюсное. Выбор способа намагничивания определяется реальными возможностями применения метода и требованиями к уровню выявляемости дефектов. Определенные представления о многообразии способов намагничивания дает рис. 3. При каждом способе намагничивания процесс обнаружения дефекта протекает в приложенном или остаточном поле. Не всегда более эф­фективным является контроль в приложенном магнитном поле, следует помнить о послойности процессов намагни­чивания, о скачкообразности изменения магнитного состо­яния, что будет рассмотрено далее.

На поверхности детали может быть достаточно сильное поле в зоне повышенного предыдущего нагружения, т.е. деталь, ранее напряженно работавшая и специально не на­магниченная, может иметь поле на поверхности, подобное полю рассеяния дефекта.

В случае переменного электрического тока при цирку­ляционном способе хорошо намагничиваются внешние слои детали [3]. Если деталь имеет сложное переменное сечение, то внешнее намагничивание, аналогичное рассмотренным двум вариантам, будет сопро­вождаться образованием по­люсов.

Полюса образуются и при смещении с оси намагни­чивающего провода. Это яв­ление нежелательно. Таким образом, известная класси­фикация способов намагни­чивания условна (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость намагничиваю­щего тока в приставном соленоиде 210 мм от отношения протяжен­ности и диаметра деталей.

В известной литературе по магнитным методам нет объяснений и по другим принципиальным вопросам.

Рис. 3. Условная классификация способов намагничивания.

Намагничиваемая деталь нами рассматривается как разветвленная магнитная цепь и эф­фективность намагничивания в интересующем нас месте зависит от геометрии детали в целом.

Исключительно интересные возможности имеют магнит­ные методы оценки степени изношенности ферромагнитных материалов и на основании этого оценка прогнозирования ос­таточного ресурса металлоконструкции. Поэтому настоящее издание в отличие от аналогичных изданий имеет достаточно большой теоретический раздел.