Загальні положення. Інженерно-фізичний факультет

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

Курс "Методи дослідження властивостей матеріалів"

Очна форма

Лабораторна робота №2

Виявлення дефектів у матеріалах і виробах методом вихрострумової дефектоскопії

Техніка безпеки при виконанні роботи

При виконанні цієї лабораторної роботи слід керуватися загальними правилами поводження з електроустановками, викладеними на вступному інструктажі, факт проходження якого кожен студент підтверджує своїм підписом в Журналі інструктажу по ТБ. Робота проводиться під безпосереднім керівництвом викладача.

Мета роботи: кількісна і якісна оцінка дефектного стану виробів методом вихрострумового контролю матеріалів і виробів.

Об’єкт дослідження: вироби з металу

Завдання на підготовку до лабораторної роботи: з асвоїти відповідні розділи підручника по дослідженню дефектного стану виробів методом вихрострумового контролю

Устаткування, прилади та матеріали: прилад МІП10 для вихрострумового вимірювання товщини неферомагнітних покриттів, набір феромагнітних пластин з різною товщиною покриття.

Загальні положення.

Особливості змінного магнітного поля. При внесенні феромагнетика в змінне магнітне поле в ньому виникають вихрові струми, що створюють своє власне електромагнітне поле. Вихрові струми за правилом Ленца прагнуть протидіяти зміні зовнішнього магнітного поля. Це на відміну від постійного магнітного поля приводить до нерівномірного розподілу індукції і напруженості магнітного поля, а також електронів по перетину зразка.

Густина вихрових струмів максимальна на поверхні виробу, і з видаленням від поверхні амплітуда В і Н зменшується за експоненціальним законом:

, (4.1)

де Н_z – амплітуда напруженості магнітного поля на деякій відстані z від поверхні виробу, де Н_z = Н ₀; k – коефіцієнт загасання, м^-1;

, (4.2)

де f – частота електромагнітних коливань, Гц; s – питома електрична проникність, см/м; m – магнітна проникність, Гн/м.

Для наближеної оцінки глибини проникнення електромагнітного поля можна скористатися формулою глибини проникнення z (м) плоскої хвилі;

, (4.3)

де – абсолютна магнітна проникність.

Рис. 4.1. – Розподіл намагніченості у феромагнітному виробі і поля розсіяння над поверхневим дефектом (а), а також топографія (б) тангенціальною H_td

і нормальної H_nd складових напруженості поля поверхневого дефекту.

По мірі збільшення частоти, електричної провідності і магнітної проникності зменшується глибина проникнення електромагнітного поля. Фактично, високочастотні електромагнітні поля розповсюджуються в тонкому поверхневому шарі, а в глибині феромагнетика вони дуже малі. Це явище носить назву скін-ефекту.

Унаслідок цього ефекту при намагніченні змінним магнітним полем не вдається знайти підповерхневі дефекти (на глибині 2...4 мм), які упевнено виявляються при роботі в постійному магнітному полі. Змінне магнітне поле звичайно створюють за допомогою катушок (соленоїдів), живлених змінним струмом.

Виявлення дефектів за допомогою магнітних методів. Магнітні методи контролю феромагнітних металів засновані на виявленні локальних обурень поля, створюваних дефектами в намагніченому виробі. Магнітний потік, розповсюджуючись по виробу і зустрічаючи на своєму шляху поверхневий дефект, огинає його унаслідок того, що магнітна проникність дефекту значно нижче (~ 1000 разів) за магнітну проникність основного металу. Це можна пояснити таким чином (рис. 4.1, а, б). Частина магнітних силових ліній обривається на одній грані дефекту і знову починається на іншій. Кінець кожної лінії можна розглядати як деякий позитивний магнітний заряд, а на іншій стороні – негативні магнітні заряди. Кожний магнітний заряд створює магнітне поле, направлене з нього як з центру. Сумарне поле магнітних зарядів Н_d називаютьполем дефекту. Поле Н_d маєзосереджений характер, тому результуюче поле, яке складається із зовнішнього поля, що намагнічує і поля дефекту Н_d, стає неоднорідним і має складну картину.

Амплітудні значення складових H_td і H_nd поля дефектів залежать від їх розмірів і орієнтації по відношенню до зовнішнього поля, від співвідношення магнітної проникності матеріалу і дефекту, а також від відстані до точки спостереження. Чим більше розміри дефекту і ближче до нього точка спостереження і чим більше відношення магнітних проникностей, тим більше амплітудні значення складових полів дефектів.

Вектор поля, що намагнічує, повинен бути направлений перпендикулярно площині дефекту, тоді поле дефекту по напряму співпадає із зовнішнім полем і матиме максимальне значення. В іншому випадку поле Н_d орієнтується у напрямі нормалі до стінок тріщини, а інтенсивність його швидко зменшується із збільшенням кута між нормаллю і напрямом намагнічення. Слід підкреслити, що магнітне поле розсіяння виникає не тільки над дефектами, але і над будь-якими локальними змінами однорідності магнітних властивостей. Інтенсивність поля розсіяння в цьому випадку залежить від співвідношення проникностей.

Поле внутрішнього дефекту, моделлю якого звичайно служить циліндричний отвір діаметром D, показано на рис. 4.2. На відміну від поля поверхневого дефекту поле впутрішнього дефекту стає помітним тільки при деякому пороговому значенні Н ₀, яке тим більше, чим товще покриваючий несуцільність шар металу. Амплітудне значення поля дефекту визначається режимом намагнічення (величиною Н ₀), розмірами дефекту і глибиною залягання. При незмінній глибині залягання отвору поле змінюється обернено пропорційно до квадрата діаметра D в слабих магнітних полях і обернено пропорційно до D в сильних.

Рис. 4.2. – Розподіл намагніченості у феромагнітному виробі

і поля розсіяння над внутрішнім дефектом.

В змінному магнітному полі дефекти суцільності середовища викликають локальну зміну вектора напруженості магнітного поля , аналогічне в першому наближенні розглянутому вище для постійного магнітного поля. Проте через скін-ефект інформація може бути отримана тільки про дефекти, що залягають порівняно неглибоко (як правило, на глибині не більше 1 мм).

Рис. 4.3. – Розподіл намагніченості у феромагнітному виробі

і поля розсіяння над ним (а), а також топографія тангенціальної

становлячої напруженості поля шва без дефекту H_tв (б) і з дефектом H_td (в).

Структура поля розсіяння над зварним з’єднанням. Контроль зварних з’єднань має ряд особливостей, для розуміння яких необхідно розглянути структуру поля розсіяння, що виникає над зварним з’єднанням при його намагніченні в поперечному напрямі. Поле розсіяння над зварним з’єднанням є суперпозицією полів шва, поверхневих нерівностей, а також поля опуклості шва або внутрішнього грата. Магнітна проникність шва звичайно нижче проникності основного металу, тому поле шва співпадає по напряму з полем, що намагнічує, тобто воно поводиться так само, як і поле поверхневого дефекту (див. рис. 4.1). Відмінність полягає в тому, що топографія поля Н_d значно вужче і, крім того, амплітуда його набагато більша, оскільки відмінність в магнітних проникностях більш істотна.

Опуклість шва (внутрішній грат) зменшує рівень результуючого поля (рис. 4.3, а). При намагніченні тут утворюються магнітні заряди, які створюють поле розсіяння Н_В зворотного знака по відношенню до поля Н ₀, що намагнічує. Оскільки поверхня опуклості шва розташована набагато ближче до точки спостереження, поле розсіяння зварного з’єднання визначається тангенціальною складовою поля опуклості H_tв (рис. 4.3, б). Поле самого ж шва практично не відчувається на фоні поля опуклості. Якщо в шві є внутрішній дефект, то він може бути виявлений за умови, що дефект достатньо великий за локальним максимумом, помітним на фоні поля опуклості шва (рис. 4.3, в). Нерівності поверхні опуклості шва також істотно впливають на поля дефектів і створюють труднощі розпізнавання останніх.

Методи реєстрації і вимірювання магнітних полів. Залежно від способу індикації магнітних полів розрізняють методи з безпосереднім перетворенням магнітного поля в електричний сигнал і методи без перетворення в електричний сигнал.

Для реєстрації і вимірювання магнітних полів і їх неоднорідностей в промисловій дефектоскопії частіше за все застосовують плоскі катушки поля, ферозонди, індукційні головки, магнітні стрічки і магнітні порошки.

За допомогою катушок поля простіше всього виміряти змінне магнітне поле. Відповідно до закону електромагнітної індукції в катушці наводиться електрорушійна сила (е.р.с.), пропорційна зміні магнітного потоку в одиницю часу.

Для вимірювання постійних і змінних, однорідних і неоднорідних полів застосовують ферозонди. Найбільш поширені диференційні ферозонди з поздовжнім збудженням. Принцип роботи ферозонда полягає в наступному. Якщо магнітопровід з магнітом’якого матеріалу (пермалою) помістити в соленоїд з первинною і вторинною обмотками і намагнічувати його синусоїдальним полем H_~, одночасно наклавши на нього постійне поле Н₌, то у вторинній обмотці з’явиться пропорційна поздовжній складовій цього поля е.р.с., яка має подвоєну частоту в порівнянні з частотою збудження.

Для реєстрації постійного магнітного поля без перетворення в електричний сигнал широко поширена тонка феромагнітна стрічка, аналогічна вживаній у звукозапису. Магнітні стрічки, як правило, складаються з шару магнітного порошку оксиду заліза, завислого в лаку, і немагнітної основи з ацетилцелюлози, поліефирів або лавсану. При внесенні стрічки кінцевої ширини в постійне магнітне поле відбувається її намагнічення під дією складової поля H_t, направленої уздовж поверхні стрічки. Після припинення дії поля, що намагнічує, магнітоактивний шар стрічки зберігає інформацію про величину і однорідність цього поля у вигляді залишкової намагніченості стрічки і залишкового магнітного потоку від магнітних зарядів, що виникають на краях стрічки, а також на ділянках стрічки, що розташовувалися в областях з більшою неоднорідністю магнітного поля.

Особливість роботи із стрічками полягає в необхідності вторинного перетворення інформації, записаної на стрічці, в електричний сигнал. Прочитування полів запису стрічки звичайно проводять за допомогою ферозондів або за допомогою індукційної головки (мал. 4.4). На магнітопроводі з матеріалу з високою магнітною проникністю намотана обмотка з великим числом витків. Магнітопровід має немагнітний зазор D, утворений прокладкою з тонкої (10...20 мкм) бронзової фольги.

Рис. 4.4. – Індукційна Рис. 4.5. – Електромагнітне поле

магнітна головка. вихрострумового датчика.

В процесі зчитування положення магнітної стрічки щодо головки повинно безперервно змінюватися. Для цього індукційна головка переміщається щодо поверхні стрічки або, навпаки, стрічка переміщається щодо нерухомої головки. При постійній швидкості переміщення в обмотці головки наводиться е.р.с., пропорційна швидкості зміни магнітного потоку в одиницю часу. Так само як і ферозонд, зібраний за градиентометричною схемою, індукційна головка реагує на неоднорідності магнітного поля.

Іншим способом індикації неоднорідностей магнітного поля є метод з використанням магнітного порошку, полягаючий в ефекті взаємодії неоднорідного магнітного поля з феромагнітними частинками. Цей метод, не дивлячись на відсутність перетворення в електричний сигнал, має велику наочність і дуже високу чутливість.

Виявлення дефектів при вихровому методі. Методи вихрового контролю засновані на аналізі взаємодії зовнішнього електромагнітного поля з електромагнітним полем вихрових струмів, що наводяться в об’єкті контролю цим полем. Інтенсивність і розподіл вихрових струмів в об’єкті залежать від його геометричних і електромагнітних параметрів, а також від взаємного розташування вимірювального перетворювача і об’єкту. В якості перетворювачів використовують індуктивні катушки. Звичайно застосовують одну (дві) генераторну і одну або декілька вимірювальних (приймальних) катушок (трансформаторний перетворювач), або одну катушку, що виконує функції генераторної і приймальної (параметричний перетворювач).

Для контролю весь виріб або його частина поміщають в полі генераторної катушки (рис. 4.5) і змінним магнітним потоком Ф ₀ генерують вихрові струми. Інформацію про властивості виробу датчик одержує через магнітний потік Ф_В, створений вихровими струмами з густиною j_в. Вектори напруженості збудливого поля і поля вихрових струмів направлені назустріч один одному. Електрорушійна сила в обмотці датчика в кожний момент часу пропорційна різниці потоків Ф ₀ -Ф_В. Реєструючи приріст комплексного опору параметричної катушки або приріст комплексної напруги на виході трансформаторного перетворювача, судять про результати випробувань.

Рис. 4.6. – Схеми формування поля вихрових струмів за наявності тріщини.

Порушення суцільності є перешкодою для вихрових струмів, їх дія еквівалентна збільшенню опору поверхневого шару металу і приводить до зміни сигналу датчика. Якщо під датчиком виявиться довга глибока тріщина 1, то контур вихрових струмів, що є за відсутності тріщини колом (рис. 4.6, а), розділиться нею на дві частини (рис. 4.6, б). Вихрові струми уздовж тріщини йдуть в протилежних напрямах, утворюючи додаткове магнітне поле дефекту, яке і обумовлює приріст сигналу датчика. По зміні амплітуди і фази струму в катушці можна визначити наявність дефекту.

• Програма проведення експерименту

За допомогою приладу МІП-10 визначити товщини покриттів на досліджуваних зразках.

Опрацювання результатів експерименту

1. Оформити протокол лабораторної роботи з відображенням розподілу полів розсіювання при наявності дефекту.

2. Скласти принципову схему вихрострумового дефектоскопу.

3. Визначити методи виявлення дефектів за допомогою вихростумового контролю.

Контрольні питання по лабораторній роботі

1. Як оцінюється глибина проникнення електромагнітних полів?

2. Що таке магнітний та електричний скін-ефект?

3. Яка структура поля розсіяння над зварним з’єднанням?

4. В чому полягають методи реєстрації і вимірювання магнітних полів при вихрострумовому контролі?

5. Принцип роботи ферозонда.

6. Що таке реєстрація постійного магнітного поля без перетворення у електромагнітний сигнал?

7. Особливості індикації неоднорідностей магнітного поля з використанням магнітного порошка.

8. Як відбувається формування контурів вихрових струмів при наявності дефекта?

9. Фізична суть вихрових струмів.

10. Як визначається глибина залягання дефекту?

Дата добавления: 2015-10-28