Стадия малой трещины 3 страница

рению тока намагничивания.

3. Приборы, действие которых основано на регистрации изменений магнитного сопротивления контролируемого участка, вызываемых изменением

расстояния между датчиком и поверхностью детали.

10. КОНТРОЛЬ МЕТОДАМИ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

10.1. Область применения и классификация

При контроле методом вихревых токов (МВТ) используют зависимость параметров токов, возбуждаемых в изделии от его формы и размеров, ха-рактеристик материала и параметров перемещения. Схема областей при-менения приведена на рис.10.1.

К особенностям МВТ относятся:

1. Возможность проверки большого числа параметров изделия.

2. Малая толщина проверяемого слоя.

3. Отсутствие необходимости в контакте датчика с деталью.

4. Большая скорость и малая трудоемкость.

5. Возможность работы в малодоступных местах машин.

6. Возможность контроля размеров при одностороннем доступе.

7. Возможность контроля быстро движущихся деталей.

10.2. Физические основы

Вихретоковый метод неразрушающего контроля из немагнитных мате-риалов основан на возбуждении в материале вихревых токов и оценке их влияния на магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности.

При установке датчика на поверхность проверяемой детали, возбужда-емый датчиком переменный магнитный поток проникает в металл. При этом в металле возбуждаются вихревые токи, которые протекают по кон-центрическим траекториям, соосным с датчиком. На оси датчика плотность вихревых токов равна нулю, под витками обмотки она достигает максиму-ма. По мере удаления от преобразователя сила тока уменьшается. Из этого следует, что вихретоковый контроль является локальным и для проверки детали датчик необходимо перемещать по всей зоне, подлежащей контро-лю. В связи с затуханием вихревых токов по глубине метод применим для обнаружения дефектов и исследования свойств только поверхностного слоя (по глубине < 1 мм).

Вихревые токи в детали создают магнитный поток , направленный навстречу возбуждающему потоку . Кроме того, при протекании вихре-вых токов происходит превращение электрической энергии в тепловую. В результате меняется индуктивное и активное сопротивление датчика. Их приращения, называемые вносимой индуктивностью и вносимым сопротив-лением, являются величинами, которые можно измерить, что и делается в вихревых датчиках параметрического типа. В датчиках трансформаторного типа измеряется наведенная ЭДС в специальной обмотке.

Сила вихревого индукционного тока

,

где - магнитный поток, охватываемый контуром тока,

R - сопротивление цепи вихревого тока.

Очевидно, что - удельному сопротивлению металла.

Магнитный поток вихревого тока, который в основном и фиксируется датчиком.

.

Таким образом, сигнал, получаемый с датчика, обратно пропорциона-лен удельному сопротивлению исследуемого участка металла. Хорошо из-вестно, что удельное сопротивление металла - структурно и субструктурно чувствительное свойство и, следовательно, оно корреллирует с великим мно-жеством свойств, определяемых структурой, субструктурой и параметрами процессов (например, термической обработкой), которые структуру и суб-структуру определяют. Участок, с которого снимается информация при помощи накладного датчика, представляет собой кольцо с диаметром, слегка превышающим диаметр витка датчика. В металле под центром дат-чика вихревой ток равен нулю, следовательно, информация не считывается. Глубиной проникновения вихревого тока (плотность тока затухает экспо-ненциально) считается расстояние, на котором плотность тока в "е" раз меньше, чем на поверхности. Эта глубина

,

где - удельное сопротивление,

- магнитная проницаемость,

- частота.

Для примера на меди

j, МГц	0.01	0.1
s, мм	0.65	0.21	0.065	0.065	0.006

Наличие трещин и несплошностей под датчиком вызывает перераспреде-ление вихревых токов, уменьшение их плотности и, следовательно, умень-шение вносимой индуктивности (рис.10.2).

Датчики ВТ представляют собой одну или несколько катушек индуктив-ности. По электрическим свойствам сигнала различают датчики параметри-ческие и трансформаторные. В первых сигналом служит приращение комп-лексного сопротивления, во вторых - приращение комплексного напряже-ния, возникающее в одной или нескольких измерительных обмотках. Пара-метрические датчики содержат одну обмотку, которая является и возбужда-ющей и измерительной. В трансформаторных эти функции разделены (рис.10.3).

Трансформаторные датчики характеризуются повышенной температур-ной стабильностью. Параметрические проще и имеют более высокий час-тотный диапазон. Датчики бывают накладные, проходные и щелевые. Два первых приведены на рис.10.4.

10.3. Определение дефектов сплошности

Фиэические основы обнаружения дефектов сплошности изложены в предыдущем разделе. Из них следует, что чувствительность датчика возрас-тает по мере увеличения длины трещин до размера датчика глубины до ве-личины и слабо зависит от их раскрытия. МВТ позволяет обнаружи-вать поверхностные и подповерхностные трещины, неметаллические вклю-чения, пористость, очаги коррозии и т.п. Минимальные размеры выявляе-мых трещин: длина 0,5-1 мм, глубина 0,1-0,2 мм, раскрытие < 0,5 мкм.

Преимущества МВТ по сравнению с другими, например с капиллярным, проявляются наиболее значительно в следующих случаях:

1. При контроле деталей с защитными покрытиями.

2. В условиях эксплуатации машин.

3. Для массовых однотипных деталей в процессе изготовления.

4. При наличии шероховатости поверхности.

10.4. Определение свойств материала

Оценка свойств материала или режимов предшествующей обработки основана на получении предварительных корреляционных зависимостей между свойством (режимом) и сигналом датчика. В принципе могут быть оценены: марка металла, химический состав, механические свойства. Воз-можна оценка глубины поверхностных слоев, качества термической обра-ботки, структуры, а также изменяющейся в эксплуатации наработке при усталостных нагрузках. Определяются остаточные напряжения, перегрев лопаток, наличие наклепа и т.п.

11. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

11.1 Область применения и классификация

С помощью акустических методов в заготовках и изделиях из практи-чески любых металлов можно обнаруживать поверхностные и внутренние дефекты, представляющие собой нарушения сплошности, неоднородность структуры, зоны поражения межкристаллитной коррозией, дефекты склей-ки, пайки, сварки и т.п. Акустические методы позволяют измерять геомет-рические параметры, например толщину при одностороннем доступе к из-делию, а также физико-механические свойства материалов без их разруше-ния. Области применения акустических методов приведены на рис.11.1.

Важным достоинством акустических методов является возможность их применения для контроля элементов машин и конструкций в условиях эксплуатации без их демонтажа.

К преимуществам акустического контроля относятся:

1. Высокая чувствительность.

2. Большая проникающая способность.

3. Возможность определения места и размера дефекта.

4. Возможность контроля при одностороннем доступе.

5. Простота и высокая производительность.

6. Полная безопасность работы оператора.

Недостатки

1. Необходимость разработки специальных методик для отдельных

видов деталей.

2. Необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхости.

3. Наличие мертвых зон, снижающих эффективность контроля.

11.2. Физические основы

Акустическими (упругими) волнами называют распространяющиеся в упругом теле механические возмущения (деформацию). Если с помощью источника колебаний в твердом теле возбудить колебания каких-либо частиц, то колебание начинает распространяться в металле от частицы к частице со скоростью С.

,

где - длина волны,

C - скорость ее движения,

- частота.

По частоте упругие колебания разделяют на и инфразвуковые < 20 Гц, звуковые 20-2 10⁴ Гц, ультразвуковые 2 10⁴-2 10⁹ Гц и гиперзвуковые

> 2 10⁹ Гц.

В зависимости от соотношения направления колебаний частиц и направ-ления распространения волны различают следующие волны (рис.11.2). Про-дольные, в которых направление движения частиц совпадает с направлением движения волны. Поперечные или сдвиговые, в которых направление движе-ния частиц перпендикулярно направлению волны. Поверхностные или вол-ны Релея. Здесь частицы движутся по эллиптическим траекториям. Ампли-туда их движения быстро затухает по глубине, поэтому волна локализована в слое 1-1,5 . Нормальные волны или волны Лэмба возможны в тонких телах постоянной толщины (лист, проволока).

11.3. Основные формулы

Скорость продольных волн в тонких стержнях

,

в неограниченном теле

,

скорость сдвиговых волн в среде

,

где - модуль Юнга,

- модуль сдвига,

- коэффициент Пуассона,

- плотность материала.

Очевидно, что проведя акустический эксперимент, мы можем опреде-лить по этим формулам , и .

Все акустические методы можно разделить на две большие категории. Методы, основанные на вводе в деталь акустического сигнала с помощью специальных излучателей и методы акустической эмиссии, при которых используется и анализируется акустический сигнал, возникающий в самом металле под действием внешних механических воздействий или внутренних процессов.

В качестве источников акустического излучения в настоящее время чаще всего используются пъезоэлектрические преобразователи. Излучение проис-ходит на основе обратного пъезоэлектрического эффекта - изменения раз-меров пластины пъезоматериала (кварца, например) при воздействии элект-рического напряжения. Часто та же пластина используется и как приемник акустического сигнала, выдавая импульсы электрического напряжения при воздействии акустических волн. Схемы акустических излучателей приведены на рис.11.3.

11.4. Отражение и преломление волн на границе двух сред

Если продольная волна падает перпендикулярно на плоскую границу двух сред, обладающих различными акустическими сопротивлениями (про-изведениями ), то часть ее энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем и отраженная и проходящая волны остаются продольными. Отражается тем большая часть энергии, чем больше разница акустических сопротивлений. Поэтому, в частности, промежуток между акустической головкой и деталью стараются заполнить маслом. Разница акустических сопротивлений оргстекло-воздух-металл очень велика. А в системе оргстекло-масло-металл она гораздо меньше. При использовании масляной прослойки удается ввести в металл до 10-12% энергии излучения.

Если продольная волна падает на границу под углом, то отраженная и прошедшая волна преломляются и трансформируются в продольные и сдви-говые волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различны-ми углами (рис.11.4).

Законы отражения и преломления акустических волн аналогичны зако-нам геометрической оптики. При

,

где - скорости продольных и сдвиговых волн в первой и второй средах.

При некотором - продольные волны распространяются вдоль по-верхности, не проникая в глубь. При то же происходит со сдвиговы-ми волнами (рис.11.5).

На законах преломления строится расчет акустических головок и на-правлений излучения сигнала в металле.

Рассмотренные случаи справедливы только для плоских и гладких по-верхностей раздела. Если поверхности имеют неровности, высота, которых превышает 0,05-0,1 длины волны, наблюдается диффузионное рассеяние и преломление волн.

Если размеры дефекта в металле равны длине волны, или меньше ее, то акустические волны почти не отражаются от него, а огибают дефект и рас-сеиваются. Отражение наблюдается, когда размеры дефекта больше длины упругой волны (таб.11.1).

Размер обнаруживаемого дефекта в металле

j	20 кгц	1 МГц	100 МГц
l	25 см	5 мм	0,05 мм

Так как дефекты типа нарушения сплошности металла имеют шерохова-тую поверхность, отражение упругих волн от них происходит диффузион-но.

11.5. Характеристики акустических методов

Теневой метод (метод сквозного прозвучивания).

Упругие колебания вводят в изделия излучающей головкой с одной сто-роны, а принимают приемной головкой, расположенной соосно с излучаю-щей, с другой. Используются продольные, сдвиговые, поверхностные и нормальные волны (рис.11.6).

Зеркально-теневой метод основан на анализе излучения, отраженного противоположной (донной) поверхностью при помощи акустической голов-ки, установленной на той же поверхности, что и излучающая. Иногда излу-чающая и воспринимающая головка совмещаются (рис.11.7).

Эхо-импульсионный метод. Используется совмещенная излучательно-воспринимающая головка, которая излучает серию импульсов и восприни-мает их отражения. При этом фиксируется время до возвращения импульса и по нему определяется расстояние до отражающей поверхности (противо-положной стенки изделия или дефекта). Метод очень похож на радиоло-кацию, однако специфика упругого тела позволяет использовать все четыре вида упругих волн (рис.11.8).

Резонансный метод основан на возбуждении в изделиях постоянной тол-щины (листах, трубах и т.д.) затухающих ультразвуковых колебаний и опре-делении частот, на которых имеют место резонансы.

Толщину изделия определяют по формуле.

,

или по основной резонансной частоте

,

где - скорость звука,

и - номера гармоник,

и - частоты, на которых наступает резонанс,

- основная резонансная частота.

Дефект, ориентированный параллельно стенке, вызывает смещение резо-нансных частот. Непараллельный дефект вызывает ослабление или исчезно-вение резонанса.

Метод свободных колебаний. Тело заданной конфигурации обладает определенным спектром упругих колебаний. Эти колебания могут быть воз-буждены ударом и затем фиксироваться ультразвуковыми датчиками. При наличии дефекта спектр колебаний изменяется. Простейший пример - про-верка колес на железной дороге. Колесо с трещиной меняет тональность звучания при ударе молотком. Так могут проверяться слоистые конструк-ции на качество склейки и массивные металлические конструкции.

Акустико-эмиссионные методы. В отличие от всех предыдущих в акус-тико-эмиссионных методах анализируется не сигнал, вводимый в металл извне, а акустические колебания, испускаемые металлом при каких-либо процессах, происходящих внутри него. Например, при пластической де-формации, подросте трещин или их зарождении, ползучести и т.п. При ана-лизе акустико-эмиссионных сигналов деталь нагружается (или находится под влиянием остаточных напряжений) и при помощи датчиков снимается акустический сигнал. Этот сигнал затем анализируется по амплитуде, часто-там, фазам и т.п. Анализ этот производится в режиме поступления сигнала, поэтому требует довольно совершенного вычислительного оборудования.

На основании акустической эмиссии (АЭ) можно судить о физике про-цессов, происходящих в материале. Можно также локализовать процессы деформации и разрушения в сложных системах. Одним их основных пре-пятствий к широкому распространению этого метода является трудность отстройки от посторонних шумов. В качестве примера можно рассмотреть разбраковку керамических лопаток (рис.11.9). Лопатка без трещин испус-кает незначительные сигналы до довольно большого уровня нагрузок, так как отсутствуют внутренние дефекты, подрост которых создает основной сигнал АЭ. По достижении определенного уровня незадолго до разрушения сигнал АЭ резко возрастает, так как трещины начинают зарождаться.

Лопатка с трещиной начинает испускать сигнал при относительно не-больших нагрузках и сигнал этот увеличивается по мере приложения нагруз-ки.

11.6. Факторы, определяющие эффективность УЗК

Частота. С повышением частоты увеличивается локальность, улучшаются условия отражения от дефектов и направленность. Однако снижается доля энергии, входящей в объект, и увеличивается затухание.

Вид упругих волн продольный, сдвиговый, поверхностный и нормаль-ный определяется, главным образом, геометрией деталей и предполагаемых дефектов.

Ввод и прием упругих волн. Ввод упругих волн может быть бесконтакт-ным, контактным, сухим, контактным через тонкий слой жидкости, струй-ным, иммерсионным.

Сухой используется, как правило, в звуковом диапазоне. В ультразвуко-вом применяют контакт через слой жидкости. Струйный это непрерывная подача жидкости. Иммерсионный - погружение в ванну.

Мертвые зоны. При прозвучивании под мертвой зоной понимают об-ласть под излучателем, в которой эхо-сигнал от дефекта не отличается от излучающего. Т.е. обратный сигнал приходит на головку, когда она еще излучает импульс. Глубина мертвой зоны составляет

,

где - длительность импульса (вынужденных колебаний пъезоэлемента),

- длительность переходного процесса (свободных колебаний пъезо-

элемента.

Как правило, подобная зона составляет 5-20 мм. Чтобы прозвучить эту область в особо ответственных деталях, иногда идут даже на увеличение диаметра заготовки.

При использовании сдвиговых волн, кроме того, могут быть непрозвучи-ваемые области детали (рис.11.10).

Мертвые зоны можно уменьшить или ликвидировать при правильной технологии озвучивания.

12. КОНТРОЛЬ ДЕТАЛЕЙ ПРОСВЕЧИВАНИЕМ

12.1. Область применения и задачи

Методы просвечивания оптически непрозрачных объектов основаны на законе ослабления интенсивности излучения, проходящего через контроли-руемый объект. Методы просвечивания широко применяют в различных отраслях промышленности (рис.12.1).

12.2. Физические основы метода

В методах просвечивания информация о внутренних особенностях строения получается за счет различий в поглощении излучения материалом различной плотности или химического состава (рис.12.2).

В методах просвечивания используются различные виды излучений (рис.12.3).

Наиболее широко применяются рентгенография и g - контроль.

Рентгеновское, тормозное и g - излучение это электромагнитное излу-чение с короткой длиной волны. b - излучение - поток электронов, кото-рый может испускаться как радиоактивным источником, так и ускорителем.

Все они называются ионизирующими излучениями (ИИ). К их основным свойствам относятся:

1. При взаимодействии ИИ с веществом в веществе образуются электричес-

-ки заряженные молекулы и их осколки, а также свободные электроны.

2. Благодаря очень высокой энергии ИИ способны проникать через слои

вещества большой толщины. Наиболее проникающие - g излучение и

нейтроны, наименее a - излучение (вообще-то наиболее проникающим

является нейтринное излучение, но оно в технике пока не используется).

3. ИИ вызывают свечение люминофоров, что используется при их детекти-

ровании.

4. ИИ засвечивают пленку, что также используют при их детектировании.

5. ИИ оказывают биологическое действие.

12.3. Источники и природа ионизирующих излучений

Для просвечивания в качестве источников применяют:

1. Рентгеновские аппараты (рентгеновские трубки) (рис.12.4). Они явля-

ются источниками характеристического и тормозного излучения с энер-

гией 0,5-1000 кэВ. Просвечивают стальные детали толщиной до 120-

160 мм.

2. Ускорители электронов - источники высокоэнергетического тормозного

излучения до 35 МэВ. Толщина просвечиваемых деталей до 450 мм.

Могут быть использованы в качестве источника b излучения и нейтрон-

ного излучения.

3. Радиоактивные изотопы - источники a, b и g излучения, потока нейтро-

нов и позитронов. Толщина просвечиваемых деталей до 200 мм.

Источники g излучения (рис.12.5) представляют собой ампулы из кор-розионно-стойкой стали 12Х18Н10Т или алюминиевого сплава. Ампулы закрыты и для герметизации покрыты слоем эпоксидного клея. Проекция активной части ампулы в направлении просвечивания есть фокусное пятно ампулы.

В просвечивающей дефектоскопии используют два диапазона электро-магнитных волн:

рентгеновские лучи l=10¸3 10^-2 A,

g - лучи l<3 10^-2 A.

Частота и энергия излучения могут быть рассчитаны по волновым фор-мулам

n=C/l, E=hC/l,

Здесь C - скорость света,

l - длина волны,

E- энергия кванта,

h - постоянная Планка.

12.4. Взаимодействие излучений с веществом

Заряженные a и b частицы при прохождении через вещество теряют энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов. Наибольшей ионизирующей способностью обладают a - частицы.

Наиболее проникающие частицы с энергией до 10 МэВ могут пройти 10 см воздуха или 0,15 мм воды.

b - частицы с энергией более 70 кэВ могут пройти слой кожи 0,07 мм. Наиболее быстрые проникают через 5 мм алюминия.

Рентгеновское и гамма излучение при прохождении через деталь теряет энергию в основном за счет рассеяния и преобразования в кинетическую энергию электронов.

Ослабление электромагнитного излучения может быть описано форму-лой

,

где - поток излучения на глубине a,

- линейный коэффициент ослабления, зависящий от энергии

излучения и плотности материала.

12.5. Детекторы ионизирующих излучений

В дефектоскопии применяют в основном два вида детекторов рентге-новского излучения: рентгеновские пленки и радиолюминесцентные экраны.

Рентгеновские пленки используют для регистрации излучения при ради-ографическом контроле деталей и индивидуальном дозиметрическом конт-роле лиц, работающих с ионизирующими излучениями. Детектором рент-геновской пленки является слой фотоэмульсии толщиной 0,01-0,03 мм, нанесенный на гибкую прозрачную подложку из нитроцеллюлозы или аце-татцеллюлозы. Плотное сцепление эмульсии с подложкой обеспечивает подслой специального клея. Для защиты эмульсионного слоя на него сверху нанесен тонкий слой чистого желатина. Эмульсия представляет собой жела-тин, в котором равномерно распределены кристаллы АgBr или AgCl. Раз-мерами и степенью однородности их распределения определяется зернис-тость пленки (мелкозернистая, средне- и крупнозернистая).

При облучении, в результате поглощения квантов излучения на кристал-лах образуются атомы металлического серебра, число которых пропорци-онально дозе излучения. При проявлении эти атомы служат центрами раз-ложения кристаллов на серебро и бром. При фиксировании происходит растворение не превратившихся кристаллов. В результате, в местах, куда попал свет остается серебро, затемняющее пленку, а остальные места дела-ются прозрачными. Таким образом получают негативное изображение. Чувствительность пленки оценивается дозой облучения, необходимой для получения величины почернения. Почернение это десятичный логарифм отношения падающего и прошедшего негатив света. Поведение рентгенов-ских пленок может быть описано характеристической кривой (рис.12.6).

Крупнозернистые пленки обладают большей чувствительностью.

Разрешающая способность пленки - количество линий, различимых на участке 1 мм. Чем меньше зерно, тем больше разрешающая способность. Разрешающая способность и чувствительность находятся в обратной зависи-мости.

Радиолюминесцентные (сцинтилляционные) детекторы используются для наблюдений в процессе облучения. Их работа основана на световозбуждаю-щем действии их вещества (люминофора), преобразующего поглощенную энергию ионизирующего излучения в видимый свет.

Люминофор - смесь мелких кристаллов сульфида цинка и сульфида кад-мия. Имеются и другие составы.

Под действием ренгеновского или g излучения флуороскопические экраны дают яркое желто-зеленое излучение, соответствующее максималь-ной чувствительности глаза, а усиливающие экраны - интенсивное свечение в синей, фиолетовой и ультрофиолетовой областях, к которому чувствительна ренгеновская пленка.

12.6. Техника безопасности

Существуют достаточно строгие требования по соблюдению радиацион-ной техники безопасности, заключающиеся в основном в экранировании радиационно - опасных помещений, контроле радиактивности в помеще-ниях и доз, полученных персоналом.

Установлены три категории облучаемых лиц: А - персонал;

Б - отдель-ные лица из населения, проживающие на территории опасной зоны; В - остальное население. Для этих категорий установлены предельно допустимые дозы П.Д.Д. (таб.12.1)

12.7. Радиационные единицы

Дата добавления: 2015-11-14