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.

                         Рис. 7. Поиск сквозных дефектов в стенке баллона

                                      газоаналитическим методом

 

Газогидравлический метод в обиходе иногда называют «пузырьковым» (рис. 8). Герметически закрытый объект наполняют воздухом под давлением и погружают в прозрачную жидкость (дюкеры – подводные переходы

различных трубопроводов  через водоемы – заведомо погружены в нее).

В точке, где имеется сквозной дефект, образуется утечка воздуха  в жидкость,

в результате в этом месте  в жидкости возникает цепочка  восходящих пузырьков. В быту этот метод  хорошо знаком велосипедистам – именно так они обнаруживают мелкие проколы в камерах колес.

                                     Рис. 8. Поиск сквозных дефектов

в стенке баллона газогидравлическим методом

 

 

Вакуумно-жидкостный метод (рис. 9) широко применяется при контроле герметичности днищ и стенок резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Средствами контроля являются электрический вакуумный насос, вакуумный манометр и вакуум-камера, представляющая собой лист толстого оргстекла со штуцером, обнесенный по контуру толстой полосой пористой резины. Насос, манометр и камера соединены между собой резиновыми шлангами. В качестве индикаторного средства используется жидкое мыло или обыкновенный косметический шампунь. Контролируемый участок объекта обильно покрывают слоем мыла, накрывают вакуум-камерой и откачивают из-под нее воздух. Степень вакуума должна быть не менее –0,75 кгс/см2.

Если под камерой имеется  сквозной дефект, то под действием  внешнего атмосферного давления наружный воздух устремляется сквозь него в  полость

камеры, и над дефектом возникает вспенивание мыльного слоя, которое оператор хорошо видит  сквозь прозрачную крышку камеры

Рис. 9. Поиск сквозных дефектов

в днище резервуара вакуумно-жидкостным методом

 

Капиллярные методы основаны на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных дефектов и регистрации индикаторного рисунка.

При контроле этими  методами на очищенную поверхность  детали наносят проникающую жидкость, которая заполняет полости поверхностных  дефектов. Затем жидкость удаляют, а  оставшуюся в полостях дефектов часть  обнаруживают путем нанесения проявителя, который адсорбирует жидкость, образуя  индикаторный рисунок. Эти методы применяют  в цехозых, лабораторных и полевых условиях, при положительных и отрицательных температурах. Они позволяют обнаруживать дефекты производственно-технологического и эксплуатационного происхождения: трещины шлифовочные, термические, усталостные, волосовины, закаты и др. Капиллярные методы могут быть применены для обнаружения дефектов в деталях из металлов и неметаллов простой и сложной формы.

Благодаря высокой  чувствительности, простоте контроля и наглядности результатов эти  методы применяют не только для обнаружения, но л для подтверждения дефектов, выявленных другими методами дефектоскопии— ультразвуковым, магнитным, вихревых токов и др.

Наиболее распространенными  капиллярными методами являются цветной, люминесцентный, люминесцентно-цветной, фильтрующихся частиц, радиоактивных  жидкостей и др.

Радиационные методы

Основаны на взаимодействии проникающих излучений с контролируемым объектом. Их применяют для контроля качества сварных и паяных швов, литья, качества сборочных работ, состояния закрытых полостей агрегатов и т. д. Проникающие излучения (рентгеновское, потока нейтронов, γ- и β-лучей), проходя через толщу материала детали и взаимодействуя с его атомами, несут различную информацию о внутреннем строении вещества и наличии скрытых дефектов внутри контролируемых объектов.

Наиболее распространенными  радиационными методами являются рентгенография, рентгеноскопия и гамма-контроль, которые  нашли применение на предприятиях металлургии  и машиностроения. В качестве источников проникающих излучений применяют рентгеновские аппараты, бетатроны, линейные ускорители и микротроны, гамма-дефектоскопы и др.

Схема рентгенографического метода показана на рис. 10. Источником излучения является специальный генерирующий аппарат, располагаемый

по одну сторону от объекта, а на другой стороне крепится рентгеновская фотопленка, упакованная в гибкую светонепроницаемую кассету. Аппарат управляется дистанционно (ДУ) с помощью реле времени, которым задается время просвечивания (экспозиции).

Рис. 10. Схема рентгенографического метода

Гаммаграфический метод (рис. 11) отличается от рентгенографического тем, что здесь применяются негенерирующие (т.е. непрерывно самоизлучающие) мощные естественные источники гамма-излучения – элементы из радиоактивных металлов (уран, стронций, иридий, кобальт), помещенные в специальные переносные свинцовые колбы с дистанционно управляемым затвором.

Этот метод характеризуется большей мощностью излучения, чем рентгенографический, и поэтому позволяет осуществлять контроль более толстых стальных объектов – до 40 мм (рентгенографический – до 25 мм). Он не требует электропитания, но лаборатории, применяющие его, должны быть обязательно обеспечены специальным хранилищем для источников излучения и специальным автомобилем для их перевозки.

Рис. 11. Схема гаммаграфического метода

В отличие от рентгенографического и гаммаграфического рентгеноскопический метод (рис. 12) – стационарный, так как в этом случае мощный рентгеновский аппарат, преобразователь изображения и контролируемый объект должны быть помещены в специальной камере (бункере). Толстые стены камеры выполнены из бетона со свинцовым наполнителем (дробь), помещение снабжено датчиками присутствия, а входная дверь – датчиком закрытия: система не будет работать, если дверь камеры открыта или в камере находятся люди. Из трех рассматриваемых здесь методов рентгеноскопический – самый мощный, он позволяет просвечивать стальные изделия толщиной до 80 мм. Получаемое изображение преобразуется в телевизионное и по кабелю передается на монитор, расположенный в удаленном от рентгенкамеры помещении оператора.

Рис. 12. Схема рентгеноскопического метода

Радиоволновые методы

Основаны на регистрации  изменения параметров электромагнитных колебаний, взаимодействующих с  контролируемым объектом. Их применяют  для контроля качества и геометрических размеров изделий из диэлектрических  материалов (стеклопластики и пластмассы, резина, термозащитные и теплоизоляционные материалы, фибра), вибраций, толщины металлического листа и т. п. В качестве источников энергии служат магнетроны, клистроны, лампы обратной волны, преобразователи частоты, твердотельные генераторы, диоды Ганна и т. п.

Эти методы еще не нашли должного применения в промышленности, хотя и являются весьма перспективными. Так, с их помощью можно обнаруживать непроклеи, расслоения (площадью от 10 мм² и более), воздушные включения, трещины (от 10 мкм и более), неоднородности по плотности, напряжения, измерять геометрические размеры и т. п.

Тепловые методы

Основаны на регистрации  тепловых полей, температуры или  теплового контраста контролируемого  объекта. Их применяют для измерения  температур, получения информации о  тепловом режиме объекта, определения  и анализа температурных полей, дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, трещины и т.п.), выявления дефектов пайки многослойных соединений из металлов и неметаллов, склейки металл — металл, металл — неметалл и т. п. Контроль осуществляется с помощью термометров, термоиндикаторов, пирометров, инфракрасных микроскопов и радиометров и т. д.

Эти методы также  пока применяют ограниченно, в основном в приборостроении для контроля радиоэлектронной аппаратуры. В пленочных проводниках и резисторах выявляют микротрещины, утонения, плохую адгезию, плохой контакт; в микросхемах — плохой контакт, нарушения теплового контакта, короткие замыкания, перегрев; в пленочных конденсаторах — токи утечки; в микродиодах и микротранзисторах — перегрев, неудовлетворительные контакты.

Электрические методы

Основаны на регистрации  электростатических полей и электрических  параметров контролируемого объекта. Их применяют для выявления раковин и других дефектов в отливках, расслоений в металлических листах, различных дефектов в сварных и паяных швах, трещин в металлических изделиях, растрескиваний в эмалевых покрытиях и органическом стекле и т. д. Кроме того, эти методы применяют для сортировки деталей, измерения толщин пленочных покрытий, проверки химического состава и определения степени термообработки металлических изделий. Наиболее распространенными из этих методов являются измерение электрического сопротивления, трибоэлектрический, термоэлектрический и др.

Электромагнитный (вихревых токов) метод

Основан на регистрации изменения взаимодействия собственного электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в контролируемом объекте. Применяется для обнаружения поверхностных дефектов в магнитных и немагнитных деталях и полуфабрикатах. Метод позволяет выявлять нарушения сплошности, в основном трещин, на различных по конфигурации деталях, в том числе имеющих покрытия. На основе метода вихревых токов разработаны приборы для измерения толщины листов и покрытий, диаметра проволоки и прутков. Применяют на заводах и ремонтных предприятиях. В условиях эксплуатации применяют для профилактического контроля лопаток турбин газотурбинных двигателей, сварных и литых узлов элементов конструкций и др.

Приведенный краткий  обзор позволяет сделать вывод, что для контроля металлов и металлоизделий имеется достаточный арсенал  методов и средств неразрушающего контроля.

Следует отметить, что методы НК не являются универсальными. Каждый из них может быть использован  наиболее эффективно для обнаружения  определенных дефектов. Так, например, с помощью радиационных методов  можно выявлять внутренние дефекты  в виде пустот и пор в деталях, изготовленных из различных материалов, однако нельзя обнаружить весьма опасные  тонкие усталостные трещины. Для  этой цели требуется применить другой, чувствительный к поверхностным  трещинам метод, например капиллярный, магнитный или вихревых токов. Поэтому  для контроля деталей ответственного назначения применяют два или  несколько различных методов.

Применение комплексного контроля изделий в условиях производства и эксплуатации позволит повысить качество и надежность техники. Систематическое  проведение НК на различных этапах технологического процесса и статистическая обработка результатов этих испытаний  позволят устанавливать и устранять  причины брака. При этом контроль становится активным методом корректировки  технологического процесса.

 

 

 

 

Список  литературы

 

1. Н. И. Кашубский, А. А. Сельский, А. Ю. Смолин, А. А. Кузнецов, В. И. Афанасов – Методы неразрушающего контроля.

2. Клюев В.В – Контроль  и диагностика.

3. http://www.autowelding.ru