Методы неразрушающего контроля структуры стали

Введение

В настоящее время  широко применяют различные физические методы и средства неразрушающего контроля (НК) металлов и металлоизделий, позволяющие  проверять качество продукции без  нарушения ее пригодности к использованию  по назначению.

Все дефекты, как  известно, вызывают изменение физических характеристик металлов и сплавов  — плотности, электропроводности, магнитной  проницаемости, упругих свойств  и т. д. Исследование изменений характеристик  металлов и обнаружение дефектов, являющихся причиной этих изменений, составляет физическую основу методов неразрушающего контроля. Эти методы основаны на использовании  проникающих излучений рентгеновских  и гамма-лучей, ультразвуковых и  звуковых колебаний, магнитных и  электромагнитных полей, оптических спектров, явлений капиллярности и т. д.

К достоинствам методов  неразрушающего контроля (МНК) относятся: сравнительно большая скорость контроля, высокая надежность (достоверность) контроля, возможность механизации  и автоматизации процессов контроля, возможность применения МНК в  пооперационном контроле изделий сложной  формы, возможность применения МНК  в условиях эксплуатации без разборки машин и сооружений и демонтажа  их агрегатов, сравнительная дешевизна  контроля и др.

По ГОСТ 18353—73 МНК  классифицируются на виды (Вид неразрушающего контроля — условная группировка  методов НК, объединенная общностью  физических характеристик.): акустический, магнитный, оптический, проникающими веществами, радиационный, радиоволновый, тепловой, электрический и электромагнитный.

Акустические методы

Колебание – это движение точки относительно некоторого ее среднего положения, обладающее повторяемостью, например колебание маятника. В акустике обычно рассматривают колебания точки среды относительно положения, в котором точка находилась в покое. Волны – колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д. В большинстве видов неразрушающего контроля (радиационном, оптическом, тепловом, радиоволновом) используются электромагнитные колебания и волны. В отличие от них в акустических видах используются  упругие  механические  колебания и волны в твердой среде.

 Акустические  методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в контролируемом объекте (Под объектом контроля подразумеваются материалы, полуфабрикаты и готовые изделия). Применяются для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т. д.) в заготовках и изделиях, изготовленных из различных материалов. Они позволяют измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения.

К акустическим методам  относятся методы звукового (импедансный, свободных колебаний и др.) и ультразвукового (эхо-импульсный, резонансный, теневой, эмиссионный, велосиметрический и др.) диапазонов.

Импедансный метод (от англ. impedance – сопротивление) широко

применяется в аэрокосмической  промышленности. Только этот метод  позво-

ляет достоверно оценить качество спайки сверхлегких сотовых панелей,

применяемых в конструкциях элементов крыльев самолетов  и корпусов

спутников.

Локальный метод свободных колебаний используют в военной про-

мышленности для проверки качества присоединения звукопоглощающих по-

крытий на корпусах подводных лодок.

Применение  интегрального  метода свободных колебаний пассажиры 

железнодорожных поездов  могут наблюдать во время стоянки  на крупных

станциях.

Резонансные методы вынужденных колебаний в настоящее время

практически не используются, так как задачи дефектоскопии и толщинометрии более точно решают импульсные ультразвуковые методы.

Теневой амплитудный метод – самый первый в истории возникновения

ультразвуковой  дефектоскопии (был открыт в 1928 г. в  России инженером 

С.Я. Соколовым). Используется только при контроле крупных отливок и поковок. Достоинствами метода являются то, что он может быть реализован в простом непрерывном режиме излучения ультразвука, и то, что волны проходят толщину объекта лишь в одну сторону (это снижает потери их амплитуды от затухания на крупном зерне материала объекта).

Недостатки теневого амплитудного метода:

– требует двустороннего  доступа к объекту с соосным расположением

излучателя и  приемника;

– не позволяет  определять глубину залегания дефектов.

Велосиметрический метод (от англ. velocity – скорость и греч. «метрико» – измеряю), кроме показанного варианта, в ином виде применяется для

оценки качества (определения марки) бетона. Объект из бетона известной

толщины подвергают прозвучиванию по принципу теневого метода, измеряя

в нем скорость звука. Для бетона характерна ярко выраженная прямая зависимость скорости звука от его качества (дисперсности). Поэтому метод нашел применение в строительстве.

Ни один из других ультразвуковых методов контроля в настоящее время не может сравниться по популярности с эхометодом. Информативность,

мобильность, безопасность, портативность, экономичность и  автономность

электропитания, достаточность  одностороннего доступа к объекту, а главное  –более высокая достоверность контроля – вот те качества, в которых этот метод значительно выигрывает перед рентгеном. Если рентгену в самом мощном (рентгеноскопическом) варианте доступны для контроля стальные объекты не толще 80 мм, то для ультразвукового эхометода этот размер может измеряться метрами. Эхометод позволяет не только выявлять внутренние дефекты, но и оценивать их величину, отличать плоскостные дефекты от объемных, определять глубину залегания.

Рис. 1. Современные акустико-эмиссионные системы: а – «Малахит АС-12А»

(Россия); б – «Малахит АС-14А» (Россия); в – «Малахит АС-15А» (Россия); г –«ЭКСИТОН-4080» (Россия).

Магнитные методы

Магнитные свойства присущи всем без исключения окружающим телам. Магнетизм так же универсален, как земное притяжение и электричество.

Однако не у всех тел это свойство проявляется в одинаковой степени. У подавляющего большинства тел магнитные свойства очень слабы.

Можно указать два наиболее ярких проявления магнетизма. Во-первых,

это так называемые постоянные магниты, обычно изготовленные из железа

или его сплавов и соединений, а также из некоторых других химических элементов – никеля, кобальта и редкоземельных элементов (лантаноидов), например гадолиния. Во-вторых, проявление аналогичной силы можно увидеть, если взамен упомянутых постоянных магнитов взять проводники (или катушки из них – соленоиды), по которым протекает постоянный электрический ток.

Магнитные методы основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами или магнитных свойств контролируемого объекта.

Магнитному виду контроля подвергаются только ферромагнитные материалы. Этот вид контроля составляют следующие методы:

1) индукционный,

2) магнитоферрозондовый,

3) магнитографический,

4) магнитопорошковый,

5) метод эффекта Холла,

6) метод магнитной памяти металла.

Индукционный метод основан на явлении самоиндукции. Если электрическую катушку, замкнутую на гальванометр или милливольтметр, быстро проносить над металлом, в котором имеется наружный дефект, то над дефектом возникает неоднородность электромагнитного поля в катушке, которая образует слабую электродвижущую силу (ЭДС) в ней. Эта ЭДС, индуцируемая прибором, и является признаком дефекта. Этот метод использовался на железной дороге при строительстве первых вагонов-дефектоскопов. В настоящее время метод практически не применяется, так как обладает слабой чувствительностью, напрямую зависящей от скорости сканирования.

Индукционный метод основан на явлении самоиндукции. Если электрическую катушку, замкнутую на гальванометр или милливольтметр, быстро проносить над металлом, в котором имеется наружный дефект, то над дефектом возникает неоднородность электромагнитного поля в катушке, которая образует слабую электродвижущую силу (ЭДС) в ней. Эта ЭДС, индуцируемая прибором, и является признаком дефекта. Этот метод использовался на железной дороге при строительстве первых вагонов-дефектоскопов. В настоящее время метод практически не применяется, так как обладает слабой чувствительностью, напрямую зависящей от скорости сканирования.

Методы 1 и 6 – пассивные, а методы 2–5 – активные, т.е. требуют предварительного намагничивания объекта, при котором над дефектом образуется собственное магнитное поле – поле рассеяния (рис. 2). Поле рассеяния образуется за счет того, что в таких условиях дефект сам по себе превращается в небольшой магнит с полюсами на краях, между которыми возникает пучок магнитных силовых линий, частично выступающий над поверхностью объекта. Эти методы различаются между собой по способу выявления полей рассеяния над дефектами (табл. 1).

Магнитоферрозондовый метод широко применяется на железной дороге для контроля рельсовых звеньев.

Магнитографический метод используется при контроле сварных соединений, но редко, так как требуется весьма сложная аппаратура и обязательное предварительное размагничивание объекта вместе с пленкой.

Наиболее популярен магнитопорошковый метод, при котором слабораскрытые дефекты визуализируются за счет того, что на них образуются валики черного магнитного порошка, которые в несколько раз шире дефекта и потому различимы глазом. В России магнитопорошковый метод регламентирован стандартом ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод».

Существует несколько  видов и способов намагничивания деталей и

объектов (табл.2). Эти виды и способы выбирают в зависимости от формы и

размеров контролируемой детали (объекта), типа намагничивающего устройства и предполагаемой преимущественной ориентации ожидаемых дефектов (лучше всего выявляются дефекты, ориентированные перпендикулярно магнитному потоку).

Объект поливают магнитопорошковой суспензией (взвесь вороненой пыли Fe2O3 в летучем жидком носителе) в процессе намагничивания (способ приложенного поля, СПП) или после него (способ остаточной намагниченности, СОН). СОН применяют только на магнитожестких сталях, таких как инструментальные и подшипниковые, которые долго сохраняют поверхностную намагниченность; в большинстве же случаев используют СПП.

На ферромагнитных материалах магнитопорошковый метод предпочтителен по сравнению с капиллярным, так как более оперативен и прост в применении.

Метод эффекта Холла (рис. 3) нашел применение для контроля

стальных канатов. Датчик Холла (пластина Холла, рис. 3, а) представляет

собой прямоугольную пластину из полупроводникового материала (напри-

мер, арсенида галлия).

В направлении А–В течет  постоянный ток I (управляющий ток). Эффект Холла состоит в том, что  при попадании в пластину локального магнитного поля в ней происходит искривление пути носителей электрических  зарядов (т.е. траектории управляющего тока), что вызывает образование  разности потенциалов между гранями С и D, т.е. возникновение электродвижущей

силы Е в цепи индикатора (рис. 18, б). Исполнительный орган (магнитная головка) средства контроля объектов методом Холла обобщенно представляет собой конструкцию, схематически показанную на рис. 4. Объект перемещается относительно такой головки, и в случае попадания под нее дефекта на выводах пластины Холла возникает импульс ЭДС, регистрируемый прибором.

Оптические методы

Основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом. Они предназначены для обнаружения различных поверхностных дефектов материала деталей, скрытых дефектов агрегатов, контроля закрытых конструкций, труднодоступных мест машин и силовых установок (при наличии каналов для доступа оптических приборов к контролируемым объектам). Регистрация поверхностных дефектов осуществляется с помощью оптических устройств, создающих полное изображение проверяемой зоны. Достоинства этих методов — простота контроля, несложное оборудование и сравнительно небольшая трудоемкость. Поэтому их применяют на различных стадиях изготовления деталей и элементов конструкций, в процессе регламентных работ и осмотров, проводимых при эксплуатации техники, а также при ее ремонте.

Так как контроль с помощью оптических приборов обладает невысокой чувствительностью и  достоверностью, то его применяют  для поиска достаточно крупных поверхностных  трещин, коррозионных и эрозионных повреждений, забоин, открытых раковин, пор, для обнаружения течей, загрязнений, наличия посторонних предметов и т. д.

Оптический вид контроля включает в себя 3 метода:

1. Наружный метод.3. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

2. Перископический метод.

3. Эндоскопический метод.

Наружный  метод позволяет обследовать только легко доступные наружные поверхности объекта и широкие полости, в которые оператор может

проникнуть с простыми средствами оптического контроля (оптической системой). Используя его, нельзя осматривать внутренние поверхности узких, тем более изогнутых полостей.

Перископический метод позволяет обследовать узкие длинные прямолинейные полости.

Перископы – это смотровые приборы, построенные на базе световод-

ной трубы и линзовой оптики с механическим устройством (рис. 5).

Этим методом, к примеру, в энергетике контролируют поверхность

осевых каналов роторов паровых турбин. Длина световодной трубы может

достигать 6 м.

Эндоскопический метод позволяет обследовать узкие длинные искривленные полости.

Эндоскопы – это смотровые приборы, первоначально построенные на

базе волоконной и линзовой оптики с механическим устройством, но в настоящее время благодаря  интенсивному развитию видеоэлектроники они

создаются на основе микровидеокамер, портативных компьютеров, а передающим изображение средством является обычный электрический кабель, длина которого может достигать 40 м. При этом ориентация принимающего изображение элемента относительно оси конца световода (кабеля) дистанционно управляется в оптоволоконных эндоскопах с помощью тросика Боудена (подобно ручному тормозу велосипеда), а в современных приборах – стрелками на клавиатуре компьютера (рис. 6).

Методы контроля проникающими веществами

При контроле проникающими веществами используют газоаналитический, газогидравлический, вакуумно-жидкостный и капиллярный методы. Первые три метода объединены понятием «течеискание».

Газоаналитический метод состоит в следующем (рис. 7). Герметически закрытый объект наполняют химически активным газом (аммиак) под

давлением. В качестве индикатора используют отрезок лакмусовой бумаги

или специальный портативный прибор – газоанализатор. Лакмусом либо датчиком газоанализатора медленно сканируют всю наружную поверхность

объекта. В зоне, где имеется сквозной дефект, образуется утечка аммиака, в

результате в этом месте лакмус темнеет, а газоанализатор дает соответствующие показания.