МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физико-технический институт Кафедра общей физики Направление подготовки – 03.03.02 «Физика» Профиль «Физика конденсированного состояния» КУРСОВАЯ РАБОТА студента 3 курса очной формы обучения Ильясова Азамата Хамитовича «Магнитные методы дефектоскопии» «К защите допущен»: Зав.кафедрой д.ф.-м.н., проф. Балапанов М.Х. Научный руководитель к.ф.-м.н., доц. Хасанов Н.А. ___________________________ ___________________________ « » ___________ 2018 г. « » ___________ 2018 г. Дата защиты: « » _________ 2018 г. Оценка: УФА –2018 Оглавление 1. Введение. 2. Дефектоскопия. 3. Магнитные методы дефектоскопии. 3.1. Магнитное поле. 3.2. Магнитная дефектоскопия 5. Заключение. 6. Список использованных источников и литературы. 2 Введение Самой массовой технологичной операцией в производстве является контроль качества. В связи с усложнением и требованием неуклонного повышения надежности новой техники, трудоемкость контрольных операций в промышленности резко увеличивается. Срок окупаемости затрат на оборудование неразрушающего для контроля качества изделий во многих случаях в 5-10 раз меньше срока окупаемости технологического оборудования. Любое изделие имеет свой срок годности и, следовательно, степень изнашивания. Часто приходится сталкиваться с тем, что изделие изнашивается раньше прописанного срока. Причины этого – дефекты, не обнаруженные при изготовлении или отсутствие контроля качества изделия. Долговечность любого изделия во много зависит именно от качества материала, из которого оно сделано. Для того, чтобы обеспечить требуемое качество конечного продукта (изделия, законченного производством) нужно вести контроль как качества материала, так и соблюдения режимов технологических процессов, «контролировать геометрические параметры», качество обработки поверхности деталей и др. Технические измерения, оценка качества обработанной поверхности (овальность, конусность, цилиндричность, шероховатость и др.) несут информацию о внешней стороне дела. Это очень важно, но еще более важно проникнуть в материал, знать его структуру, химический состав, качество и глубину термической обработки, распределение внутренних напряжений, характер и распределение возможных внутренних и поверхностных металлургических дефектов. Существуют различные методы контроля, их можно разделить на две большие группы: контроль качества с разрушением и без разрушения материала (заготовки, детали). Неразрушающий контроль – технологии контроля надежности основных свойств и параметров объектов и их отдельных элементов. Подругому неразрушающий контроль называется оценкой надежности неразрушающими методами или проверкой без разрушения изделий. НК особенно важен при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, компонентов и конструкций. Для выявления различных изъянов, таких как разъедание, ржавление, растрескивание. При использовании не разрушающих методов контроля устанавливаются нормы браковки, в противном случае изделия могут незаслуженно выбраковываться или, наоборот, проникать в эксплуатацию с дефектами. Применять методы неразрушающего контроля необходимо с учетом их возможности, чувствительности, производительности, эффективности. Широкое внедрение во все области промышленности методов и автоматических средств неразрушающего контроля позволит повысить 3 надежность, долговечность, качество изделий, улучшить использование трудовых, материальных и финансовых ресурсов. В современной практике неразрушающего контроля выделяют 11 основных методов: Магнитный – основан на анализе взаимодействия магнитного поля с исследуемым объектом; Электрический – основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым материалом либо возникающего в нем в результате внешнего воздействия; Вихретоковый – основан на взаимодействии электромагнитного поля вихретокового преобразователя с вихревым током, возникающем на исследуемом объекте; Радиоволновой – основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с материалом; Тепловой – основан на регистрации изменения тепловых или температурных полей изделий, вызванных дефектами. Основной параметр в этом методе – распределение температуры по поверхности; Оптический – основан на регистрации параметров оптического излучения; Радиационный (рентгеновский, нейтронный и т.д.) – основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом; Акустический (ультразвуковой) – основан на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых или возникающих в контролируемом объекте; Проникающими веществами – основан на проникновении веществ в полости дефектов изделия. Иногда называется «капиллярным»; Виброакустический – основан на регистрации виброакустических сигналов, возникающих в контролируемом объекте; Визуальный – визуальное выявление ржавчин, заусенцев, вмятин и прочих видимых дефектов. 4 Рисунок 1. Магнитный дефектоскоп Магнитная дефектоскопия основана на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов, служит магнитный порошок (закись/окись железа) или его суспензия в масле с дисперсностью частиц 5-10 мкм. При намагничивании изделия порошок оседает в местах расположения дефектов (метод магнитного порошка). Методом магнитного порошка можно обнаружить трещины и другие дефекты на глубине до 2 мм. 5 Дефектоскопия Рисунок 2. Основные методы неразрушающего контроля Дефектоскопия – физические методы неразрушающего контроля, основанные на исследовании изменений физических характеристик изделия. для обнаружения дефектов в изделиях из различных металлических и неметаллических материалов. Дефектоскопией также называется область техники и технологий, занимающаяся разработкой и применением дефектоскопов. Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, анализ и обработку показаний дефектоскопов. В основе методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых лучей, гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых упругих колебаний, магнитного и электрического полей и др. Дефектоскоп – это устройство для обнаружения дефектов в изделиях методами неразрушающего контроля. Различают дефектоскопы: магнитные, рентгеновские, ультразвуковые, электроиндуктивные и др. Они выполняются в виде переносных, лабораторных приборов или стационарных установок. Переносные дефектоскопы обычно имеют простейшие индикаторы для обнаружения дефектов (стрелочный прибор, световой или звуковой сигнализатор и т.д..); лабораторные дефектоскопы более чувствительны, часто оснащаются осциллоскопическими и цифровыми индикаторами, В стационарных дефектоскопах, наиболее универсальных, предусмотрены самозаписывающие устройства для регистрации показаний и их объективной оценки. 6 Наиболее простой метод дефектоскопии – визуальный, основанный на внешнем наблюдении невооруженным глазом или каким-либо оптическим прибором (например, лупой). Наибольшее развитие визуальный метод получил благодаря изобретению лазера (или оптического квантового генератора, ОКГ). С его помощью можно производить контроль геометрических размеров изделий со сложной конфигурацией, несплошностей, неоднородностей, деформаций, вибраций, внутренних напряжений прозрачных объектов, концентраций, чистоты газов и жидкостей, толщины пленочных покрытий, шероховатости поверхности изделий. Для обеспечения электрического питания дефектоскопов, вспомогательных приборов и оборудования к рабочим местам должна быть подведена трехфазная сеть переменного тока напряжением 380/220 В (50 Гц) и сеть переменного тока напряжением 42 или 12 В, а также заземляющая шина. Наиболее эффективные результаты контроля могут быть достигнуты только при технически правильном выборе и применении методов дефектоскопии. Выбор метода неразрушающего контроля определяется конкретными требованиями практики и зависит от следующих параметров: материала детали, формы и размеров изделий, состояния поверхности детали, характеристики дефектов, условий работы детали, условий контроля, технико-экономических показателей. 7 Магнитные методы дефектоскопии Магнитное поле Магнитный метод неразрушающего контроля основан на взаимодействии магнитного поля с исследуемым объектом. Магнитное поле – это магнитная составляющая электромагнитного поля, силовое поле, воздействующее на движущиеся электрические заряды и на тела с магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле возникает током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Также оно появляется в результате изменения во времени электрического поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) B. С математической точки зрения B = B (x, y, z) — векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Другая фундаментальная характеристика магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал A: B = rot A. Магнитное поле можно назвать особым видом материи, благодаря которой и осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами с магнитным моментом. Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей. Вместе с электрическим поле магнитное поле образует электромагнитное поле, проявлениями которого являются, например, свет, радиоволны, сверхвысокие частоты. Рисунок 3. Силовые линии магнитного поля С фундаментальной точки зрения, как это было указано выше, магнитное поле может создаваться (в том числе и ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, электрическими токами в виде потока заряженных частиц или магнитными моментами тел и частиц. Конкретные микроскопические структуры и свойства различных веществ (а также их смесей, сплавов, агрегатных состояний, кристаллических модификаций и т. д.) приводят к тому, что на макроскопическом уровне они 8 могут вести себя довольно разнообразно под действием внешнего магнитного поля (ослабляя или усиливая его в разной степени). Поэтому вещества и среды в отношении их магнитных свойств делятся на следующие основные группы: Антиферромагнетики – вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов ионов или атомов; магнитные моменты веществ противоположны по направлению и равны по силе; Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля; Диамагнетики – вещества, которые намагничиваются против направления внешнего магнитного поля; Ферромагнетики – вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов. Ферримагнетики – материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно и не равны по силе. К перечисленным выше группам веществ в основном относятся обычные твёрдые или (к некоторым) жидкие вещества, а также газы. Существенно отличается взаимодействие с магнитным полем сверхпроводников и плазмы. В методе магнитного контроля будут рассматриваться ферромагнетики, т.е. изделия из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. Другими словами, ферромагнетик – такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри1) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Рисунок 4. Упорядочивание магнитных моментов в ферромагнетике 1 Точка Кюри - температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. Например, в ферромагнетиках – магнитной симметрии. 9 Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Co и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er. Ферромагнетиками также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения вышеназванных металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы2). Например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М – это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др., а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (как UH3). 2 Гейслеровы сплавы – тройное интерметаллическое соединение с формулой 𝑋2 𝑌𝑍. Наиболее распространенный и используемый на практике сплав Гейслера имеет вид 𝑁𝑖2 𝑀𝑛𝐺𝑎 (применяется т.н. легирование). 10 Магнитная дефектоскопия Все магнитные методы неразрушающего контроля сплошности металла основаны на обнаружении локальных возмущений поля, создаваемых дефектами в намагниченном ферромагнетике. Магнитный метод неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Вследствие такого взаимодействия магнитные характеристики материала подвержены изменениям, а МПД выявляет возможные скрытые дефекты в деталях (трещины, волосовины, непровары и закаты сварных швов, пр.). При намагничивании объекта магнитный поток протекает по объекту контроля. В случае нахождения несплошности на пути магнитного потока, возникают поля рассеивания, форма и амплитуда которых несет информацию о размере, характере, и глубине залегания дефекта. По характеру взаимодействия физического поля с объектом этот вид контроля не дифференцируют: во всех случаях используют намагничивание объекта и измеряют параметры, используемые при контроле магнитными методами. Магнитный метод имеет ограничения параметров дефектов, которые могут быть обнаружены методом: Поверхностный брак, ширина раскрытия которого у поверхности составляет 0,002 мм и больше при глубине в 0,01 мм и больше; Внутренние повреждения крупных размеров, которые лежат на глубине более чем 2 мм; Подверхностные, глубина расположения которых составляет не более 2 мм; Дефекты, расположенные под покрытием (толщина немагнитного покрытия не должна превышать 0,25 мм). Различают следующие виды магнитного метода неразрушающего контроля: Индукционный; Магнитографический; Магниторезисторный; Феррозондовый; Магнитопорошковый. В подавляющем большинстве случаев при магнитном контроле приходиться иметь дело с измерением или индикацией магнитных полей вблизи поверхности изделий. Для этого применяют различные магнитные преобразователи, из которых наиболее широкое распространение получили индукционные, феррозондовые, датчик Холла и магниторезистивные. В магнитопорошковых и магнитографических установках применяют различные порошки и ленты. 11 Рисунок 5. Преобразователь толщиномера МТ-201. 1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 - сердечникю Магнитные толщиномеры предназначены для измерения толщины различных покрытий на контролируемом объекте из ферромагнитных материалов либо для измерения толщины ферромагнитных листов. В магнитных толщиномерах используется зависимость магнитного сопротивления участка магнитной цепи от зазора. По принципу действия магнитные толщиномеры можно разделить на три группы: магнитоотрывные (пондеромоторного действия), магнитостатические и индукционные. Из всех видов магнитного контроля выделяют два основных – магнитнопорошковый и индукционный. Каждый из них применяется в зависимости от целей. Для дефектоскопии поверхностных и подповерхностных участков ферромагнитных материалов используется магнитопорошковый метод. Для получения информации о магнитной проницаемости и ее изменении в зависимости от напряженности магнитного поля пригоден индуктивный метод. Но стоит отметить, что магнитопорошковый контроль качества является наиболее распространенным методом благодаря простоте и легкости получения необходимого результата. Высокая чувствительность, универсальность и относительно невысокая трудоемкость МПД – свойства, которые обеспечили методу широкое применение в транспортной и других сферах промышленности. Метод порошков заключается в том, что на поверхности намагниченного испытуемого объекта распыляют слабомагнитный порошок FeO3O4 (окись закиси железа). Магнитные пылинки втягиваются в зоны магнитного потока рассеяния, и вдоль трещины образуются большие скопления порошка, которые и делают ее легко заметной для невооруженного глаза. Магнитопорошковый метод предназначен для выявления поверхностных и под поверхностных (на глубине до 1,5-2 мм) дефектов типа нарушения 12 сплошности материала изделия: трещины, волосовины, расслоения, не проварка стыковых сварных соединений, закатов и т.д. Магнитопорошковым методом можно контролировать изделия любых габаритных размеров и форм, если магнитные свойства материала изделия (относительная максимальная магнитная проницаемость не менее 40) позволяют намагничивать его до степени, достаточной для создания поля рассеяния дефекта, способного притянуть частицы ферромагнитного порошка. Магнитопорошковый контроль подразделяется, в свою очередь, на два подвида: «Сухой» и «мокрый» способы нанесения индикаторы на объект контроля; Флуоресцентный или световой индикатор для контроля при ультрафиолетовом излучении или дневном свете. Намагничивание постоянным или переменным током, а также «сухой» или «мокрый» методы нанесения порошка существенно не влияют на обнаружение поверхностных дефектов. Однако род тока намагничивания, а также метод нанесения порошка сильно сказываются на обнаружении подповерхностных дефектов. В этом случае резко выявляется преимущество постоянного тока перед переменным. Это объясняется тем, что плотность постоянного тока по всему сечению проводника одинакова и, следовательно, магнитный поток будет однороден по всему сечению испытываемого изделия. При намагничивании переменным током из-за так называемого скинэффекта 3плотность тока, а следовательно, и плотность магнитного потока будет больше у поверхности намагничиваемого изделия. По этой причине при намагничивании переменным током лучше выявляются только поверхностные дефекты Подготовка детали к магнитопорошковому контролю заключается в очистке поверхности детали от отслаивающейся ржавчины, грязи, а также от смазочных материалов и масел, если контроль проводится с помощью водной суспензии или сухого порошка. Если поверхность детали темная и черный магнитный порошок на ней плохо виден, то деталь иногда покрывают тонким просвечивающим слоем белой контрастной краски. Одной из основных операций контроля является намагничивание детали. От правильного выбора способа, направления и вида намагничивания, а также рода тока во многом зависит чувствительность и возможность обнаружения дефектов. 3 Скин-эффект (или поверхностный эффект) – уменьшение амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей срежы. 13 Рисунок 6. Краткая схема магнитопорошкового метода Большое значение для выявления дефектов имеет правильный выбор напряженности магнитного поля, которая зависит от формы и расположения предполагаемого дефекта, а также магнитных характеристик материала контролируемого изделия. Слишком высокая напряженность магнитного поля может вызвать осаждение ферромагнитного порошка по всей поверхности изделия и появление «ложных» дефектов, недостаточная напряженность приводит к уменьшению возможности выявления подповерхностных дефектов и снижению чувствительности метода при выявлении мелких поверхностных дефектов. При магнитопорошковом контроле деталей применяют циркулярное, полюсное и комбинированное намагничивание. Индукционный метод основан на явлении электромагнитной индукции. Если вдоль намагниченного прутка (вала) перемещать катушку, то в ней в момент пересечения магнитного потока рассеивания, вызванного дефектом, будет индуцироваться электродвижущая сила, которая фиксируется гальванометром, включенным в цепь искательной катушки. Этот метод пригоден для контроля изделий с постоянным по длине сечением прутков, труб, рельс, канатов. Главным недостатком индукционного контроля по сравнению с магнитопорошковым способом является низкая чувствительность к мельчайшим дефектам (волосовины, шлаковые включения и т.д.). Также он не может выявить вид дефекта. Наиболее распространен индукционный метод контроля, при котором с помощью переносного электромагнита на участке шва длиной до 300 мм создают переменное магнитное поле, а затем при помощи искателя проверяют степень его однородности. При перемещении искателя над поверхностью шва местные потоки рассеивания, возникающие в местах дефектов, индуктируют электрический ток в катушках искателя. По силе тока определяют величину дефекта в шве. 14 Рисунок 7. Упрощенная схема дефектоскопа системы К.К. Хренова и С.Т. Назарова Наиболее распространен индукционный метод контроля, при котором с помощью переносного электромагнита на участке шва длиной до 300 мм создают переменное магнитное поле, а затем при помощи искателя проверяют степень его однородности. При перемещении искателя над поверхностью шва местные потоки рассеивания, возникающие в местах дефектов, индуктируют электрический ток в катушках искателя. По силе тока определяют величину дефекта в шве. 15 Заключение. В последнее время значительно повысился интерес к созданию методов контроля структуры объекта, не используя плотный контакт с ним. Ведущие производители разрабатывают технологии для контроля параметров потенциала электромагнитного поля, предлагая потребителям свои новые продукты. Среди таких технологий наиболее распространена технология магнитного контроля. Магнитный контроль успешно применяется для диагностики качества трубопроводов и других деталей из ферромагнитных материалов Таким образом, мы выяснили, на чем основан магнитный метод неразрушающего контроля и каким образом он классифицируется. Внутренние дефекты материала, которые возникают при изготовлении и эксплуатации конструкционных элементов объектов промышленности, могут приводить к достаточно масштабным авариям и, как следствие, огромным финансовым потерям. Проведены многочисленные исследования, устанавливающие связь между механическими характеристиками ферромагнитных материалов и параметрами их магнитного состояния. Поэтому осуществление подобного мониторинга в настоящее время возможно с помощью магнитного метода, как наиболее чувствительного к структурным изменениям в металле. Цель метода заключается в выявлении рассеянных магнитных потоков, нередко возникающих в трубах поверхностей нагрева котлов и способных нанести колоссальный ущерб. Благодаря высокой чувствительности, объективности, простоте и быстроте операций, четкости определения дефектов и надежности магнитные методы получили большое распространение в промышленности. Их преимуществом является также возможность контроля деталей сложной формы и любых размеров. Примечательно то, что для подобного метода нет нужды использовать громоздкую технику, а также надолго останавливать производственные процессы. Вся процедура проводится крайне оперативно, предоставляя достоверный результат о состоянии труб. Выделим преимущества магнитного контроля: Малая трудоемкость; Высокая производительность; Достоверное определение поверхностных и более глубоких дефектов. Но в то же время магнитные методы имеют недостатки, связанные с областью применения (магнитные методы можно использовать только при контроле деталей из ферромагнитных материалов). Также он уступает, например, ультразвуковой дефектоскопии4, обладающей большей чувствительностью, простотой применения, экологичностью, безопасностью и мобильностью. 4 Ультразвуковой контроль – метод, основанный на исследовании распространения ультразвуковых волн в контролируемых изделиях с помощью ультразвукового дефектоскопа и преобразователя. 16 Недостатки магнитопорошкового метода: возможность контроля только изделий из ферромагнитного материала; необходимость использования специального оборудования; невозможность выявления дефектов, расположенных на глубине более 2 мм от поверхности, а также дефектов под немагнитными покрытиями толщиной более 80 мкм при использовании магнитной суспензии. На вероятность обнаружения дефекта влияют многие факторы, в том числе его очертания, ориентация и глубина залегания. Индукционные методы, в общем случае, недостаточно чувствительны для измерения магнитной восприимчивости. В случае ферромагнитных веществ, особенно тех, у которых активный компонент находится в дисперсном состоянии, недостаток индукционных методов заключается в том, что они не в состоянии обеспечить насыщение вещества. 17 Список использованной литературы. 1. Р. Юхневич, В. Валашковский, Е. Видуховский, А. Станкевич – Техника борьбы с коррозией. - Варшава. Химия, 1978. 2. В. Г. Щербинский, Н. П. Алешин – Испытания на непроницаемость. Капиллярная и магнитная дефектоскопия. – Москва. Высшая школа, 1979. 3. П.А. Антикайн, А. К. Зыков, Б.В. Зверьков – Измерение и контроль объектов котлонадзора. – Москва. Металлургия, 1988. 4. ГОСТ 21105-87. Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. 5. ГОСТ 24450-80. Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения. 6. ГОСТ 25225-82. Контроль неразрушающий. Швы сварных соединений трубопроводов. Магнитографический метод. 7. ГОСТ 30415-96. Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры труб. Магнитный метод. 8. ГОСТ Р 52005-2003. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Общие требования. 9. В.В. Степанов. Справочник сварщика. – Москва. Государственное научнотехническое издательство машиностроительной литературы, 1960. 10. В.В. Клюев. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. – Москва. Металлургия, 1965. 18
