Каневский. И. Н. Каневский Е. Н. Сальникова
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
Капиллярные явления. Под влиянием поверхностного натяжения плоская поверхность жидкости стремится к сокраще- нию. Если поверхность жидкости не плоская, то это приводит к возникновению в объеме жидкости давления, дополнительного к тому, которое испытывает жидкость с плоской поверхностью. В случае выпуклой поверхности это дополнительное давление направлено внутрь жидкости (давление положительно). При этом жидкость испытывает дополнительное сжатие. В случае вогнутой поверхности давление отрицательно, поверхностный слой, стре- мясь сократиться, растягивает жидкость. Добавочное давление возрастает с увеличением коэффициента поверхностного натяже- ния и кривизны поверхности жидкости. Добавочное давление Др под произвольной поверхностью определяется по формуле Лапласа R 1 + R 1 б = Др 2 1 , – 200 201 где С 1 и С 2 – концентрации диффундирующего вещества (прони- кающей жидкости) в двух слоях проявителя, находящихся на расстоянии h друг от друга; D – коэффициент молекулярной диф- фузии. При повышении температуры коэффициент диффузии уве- личивается. Это приводит к ускорению проявления дефектов, если жидкость не испаряется. Для летучей жидкости потеря ее массы вследствие испарения может превышать прирост поступления в проявитель диффундирующей жидкости, что может привести к ухуд- шению выявляемости или невыявлению дефектов. • трещины, наложить пористое вещество, то он исчезнет. Вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны. Каждый мениск создает капиллярное давление P n , которое существенно превышает давление Р 1 и действует в противоположном направлении. Под действием суммы давлений 1 1 n n P P >> ∑ ∞ = жидкость покидает полость трещины, поднимается на поверхность и образует индикаторный рисунок. Сорбционные явления. На проявление дефектов сущест- венное влияние оказывают сорбционные явления. При использова- нии в качестве проявителя сухих порошков и суспензий на поверх- ности каждой частицы проявителя адсорбируются молекулы жидкости, мигрирующей из полостей дефектов. При физической адсорбции молекулы жидкости сохраняют свое первоначальное строение. При химической адсорбции они образуют на поверх- ности частиц химическое соединение с веществом проявителя. При использовании проявителей – красок (лаков) – наблю- дается абсорбция жидкости: весь проявитель, находящийся над полостью дефекта, равномерно поглощает находящуюся в полости жидкость. При этом жидкость растворяет проявитель и сама раст- воряется в нем. При наличии в проявителе частиц твердого пиг- мента процесс поглощения имеет сложный характер и состоит из адсорбции и абсорбции. Если жидкость имеет высокую летучесть и быстро сохнет, то над дефектом образуется стабильный инди- каторный рисунок, неопределенно долго сохраняющий свою форму и цвет. При использовании малолетучей жидкости или мед- ленно сохнущего проявителя образуется нестабильный, рас- плывающийся со временем рисунок. Скорость сорбционных про- цессов в проявителе зависит от скорости диффузии жидкости и растворенных в ней веществ в слой проявителя. Количество диф- фундирующего вещества m, проходящего за время t через пло- щадку S, определяется соотношением t S h C C D m 2 1 − = , 202 203 Ферромагнитные свойства металлов обусловлены внутрен- ними молекулярными токами, в основном вращением электронов вокруг собственной оси. В пределах малых объемов (10 -8 – 10 -5 см 3 ), так называемых доменов, магнитные поля молекулярных токов образуют результирующее поле домена. При отсутствии внешнего магнитного поля поля доменов направлены произвольно и компенсируют друг друга. Суммарное поле доменов в этом случае равно нулю. Если на тело действует внешнее поле, под его влиянием поля отдельных доменов уста- навливаются по направлению внешнего поля с одновременным изменением границ между доменами. В результате образуется общее магнитное поле доменов, тело оказывается намагниченным (рис. 1). Магнитные свойства контролируемых деталей характери- зуются петлей гистерезиса (рис. 2). Пусть образец из железа перво- начально намагничен до состояния магнитного насыщения В s . При плавном уменьшении напряженности магнитного поля индукция убывает уже по другой кривой, лежащей выше кривой первоначаль- ного намагничивания. Напряженность поля может быть доведена до нуля, но намагниченность не будет снята. Чтобы снять эту оста- точную намагниченность, необходимо изменить направление при- ложения магнитного поля. Полное размагничивание произойдет при приложении некоторой величины Н С , называемой коэрцитив- ной силой. Приложение Е Физические основы МНК Характеристики постоянного магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В r . Вектор В r направлен по касательной к магнитным силовым линиям, поэтому по виду силовых линий можно судить о направлении магнитной индукции. Вектор имеет значение плот- ности магнитного потока Ф. Для наглядности представления магнитного поля линии магнитной индукции условно проводят так, чтобы их число, приходящееся на единицу площади перпен- дикулярной им поверхности было пропорционально магнитной индукции В r . В однородном магнитном поле магнитный поток Ф через площадку S, расположенную перпендикулярно магнитным линиям, определяется по формуле Ф=ВS. Магнитный поток изме- ряется в веберах (Вб), а магнитная индукция – в теслах (Тл). Другой важной характеристикой магнитного поля является вектор напряженности Н r , А/м. Он определяет поле, создаваемоее внешним по отношению к данному телу источником. На практике эти поля чаще всего создаются различными намагничивающими катушками. Между индукцией и напряженностью магнитного поля существует зависимость Н м м = В 0 r r , где 0 µ – магнитная постоя- я- ная, 7 0 10 4 − ⋅ π = µ Г/м, µ – относительная магнитная проницае- мостью материала. Магнитные свойства материала. Все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью µ Вещества, в которых µ на несколько миллионных или тысячных долей меньше единицы (медь, серебро, цинк…) – диамагнетики. В парамагнетиках (таких веществах, как марганец, платина, алю- миний) µ больше единицы на несколько миллионных или тысяч- ных долей, в ферромагнетиках (железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые их сплавы) µ значительно больше единицы и состав- ляет десятки тысяч. Рис.1. Ориентация доменов в ферромагнитном материале: а – деталь размагничена; б – деталь намагничена до индукции насыщения; в – деталь намагничена до остаточной намагниченности 204 205 Кривую В(Н) называют кривой первоначального намагни- чивания (индукции), а кривую (H) м d – кривой магнитной прони- цаемости. Искажение магнитного поля, происходящее при внесении в него диамагнитных и парамагнитных тел, весьма незначительно. Если же в магнитное поле внести ферромагнитное тело, магнитное поле исказится очень сильно. Это явление характеризуется намаг- ниченностью V m lim M ∑ = r r , где V – объем вещества, m r – эле- ментарный магнитный момент. Намагниченность, как и напряжен- ность магнитного поля, выражается в А/м. Значение намагничен- ности определяется из уравнения для магнитной индукции ). М + Н ( м м = В 0 v r r Магнитная восприимчивость x m – безразмерная величина, характеризующая способность вещества (магнетика) намагничи- ваться в магнитном поле. Для изотропного магнетика H M x m r r = , При дальнейшем увеличении поля тело намагничивается и в обратном направлении до той же степени насыщения, что и в начальном процессе. Достигнув отрицательного максимума, можно вести процесс в обратную сторону и получить петлю гистерезиса. Петлю, полученную при условии доведения ферромагнитного тела до состояния насыщения, называют предельной петлей гистерезиса. Если перемагничивать деталь магнитным полем, напряжен- ность которого на каждом цикле изменяется от -Н до +Н и умень- шается от цикла к циклу, то получится серия кривых перемагни- чивания – симметричных петель гистерезиса. Геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса называют основ- ной кривой намагничивания. На рис.3 н н tgб = м – начальная магнитная проницаемость, m m tg α = µ – максимальная проницае- мость, чц чц tgб = м – п роница емость на частном ци кле, dH dB d = µ – дифференциальная проницаемость. Коэрцитивная сила численно равна напряженности поля, при которой дифферен- циальная проницаемость достигает максимума: Н с =Н µ dmax (рис.4). • Рис. 2. Петля гистерезиса при перемагничивании образца Рис. 3. Основная кривая намагничивания стали Рис. 4. Зависимости В и µ d от Н для ферромагнетикаа 206 207 Плотность вихревых токов максимальна на поверхности и с удалением от поверхности амплитуда В и Н убывает по экспонен- циальному закону вида exp(–kz) H = Н 0 z , где Н z – амплитуда напряженности магнитного поля на некотором расстоянии z от поверхности изделия; Н z (0)=H 0 ; k – коэффициент затухания, м -1 Для приближенной оценки глубины проникновения электро- магнитного поля можно использовать формулу для плоской волны σ µ π = a f 1 z , где H) /(м limB = м 0 0 → Н a – абсолютная магнитная проницаемость. По мере увеличения частоты f, электрической проводимости σ и магнитной проницаемости уменьшается глубина проник- новения электромагнитного поля. Фактически высокочастотные электромагнитные поля распространяются в тонком поверхност- ном слое, а в глубине ферромагнетика они пренебрежимо малы. Это явление носит название скин-эффекта. Вследствие этого при намагничивании переменным магнитным полем не удается обнаружить подповерхностные дефекты (глубже 2-4 мм), которые уверенно выявляются при работе в постоянном магнитном поле. Переменное магнитное поле обычно создают с помощью катушек (соленоидов), питаемых переменным током. Обнаружение дефектов при МНК. Магнитный поток, распространяясь по изделию и встречая на своем пути препятствие в виде поверхностного дефекта, огибает его, так как магнитная проницаемость дефекта значительно ниже (в тысячи раз) магнит- ной проницаемости основного металла. Часть магнитных силовых линий обрывается на одной грани дефекта и снова начинается на другой (рис. 5, а). Один конец каждой линии можно рассматривать как некоторый положительный магнитный заряд, а другой конец – как отрицательный магнитный заряд. Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. Сум- марное поле магнитных зарядов H d называют полем дефекта. Поле H d имеет сосредоточенный характер, поэтому результирующее поле, состоящее из внешнего намагничивающего поля H 0 и поля дефекта H d , становится неоднородным. у диамагнетиков x m < 0, у парамагнетиков x m > 0, у ферро- магнетиков x m >> 0 (составляет десятки тысяч). Для ферромагнетиков характерно отсутствие линейных зависимостей магнитного состояния вещества от напряженности магнитного поля. На рис.4 представлены зависимости относитель- ной дифференциальной проницаемости µ d и магнитной индукции В от напряженности поля Н для ферромагнитного тела. Наилучшими условиями выявления дефектов являются такие, при которых проницаемость µ мала, а индукция В велика. Такое магнитное состояние может быть достигнуто при магнитных полях, напряженность которых превышает Н µ dmax , т.е. на убываю- щем участке кривой µ d (Н). Если точка Р оказывается слева от точки µ dmax , то уменьшение поперечного сечения металла за счет дефектаа вызовет увеличение магнитной индукции, а также может привести к более высокой магнитной проницаемости, в результате чего дефект может быть не обнаружен. Магнитные свойства железа и его сплавов могут меняться в широких пределах в зависимости от структуры, фазового состава, величины зерна металла, величины пластической деформации и т.д. Для намагничивания безуглеродистых сплавов железа, аустенитных сталей требуются большие намагничивающие поля (до 1 000 000 А/м). Для обычных конструкционных сталей магнит- ное насыщение достигается при полях напряженностью около 100 000А/м. Определяя изменение магнитных характеристик ста- лей, можно установить количественное соотношение фаз, содержа- ние аустенита, феррита, исследовать состояние сталей после термообработки, прокатки, сварки. Особенности переменного магнитного поля. При внесе- нии ферромагнетика в переменное поле в нем возникают вихревые токи, создающие свое собственное электромагнитное поле. Вихревые токи по правилу Ленца стремятся противодействовать изменению внешнего поля. Это в отличие от постоянного поля приводит к неравномерному распределению индукции и напряжен- ности магнитного поля, а также электрического поля по сечению образца. 208 209 На рис. 6 показано поле цилиндрического отверстия диамет- ром D как модель внутреннего дефекта. В отличие от поля поверх- ностного дефекта поле рассеяния становится заметным только при превышении некоторого порогового значения Н 0 , тем большего, чем глубже расположен дефект. Амплитудное значение поля де- фекта определяется режимом намагничивания (величиной Н 0 ), размерами дефекта и глубиной залегания. При неизменной глубине залегания отверстия поле меняется в слабых магнитных полях обратно пропорционально квадрату диаметра D и обратно про- порционально D в сильных полях. В переменном магнитном поле дефекты сплошности среды вызывают локальное изменение вектора напряженности магнитного поля Н, в первом приближении аналогичное рассмотренному выше для постоянного магнитного поля. Однако из-за скин-эффекта информация может быть полу- чена только о дефектах, залегающих сравнительно неглубоко. Амплитудные значения составляющих поля дефектов зави- сят от размеров и ориентации дефектов по отношению к внешнему полю, от соотношения проницаемостей среды и дефекта, от рас- стояния до точки наблюдения. Чем больше размеры дефекта и ближе к нему точка наблюдения, чем больше различие проницаемостей, тем больше амплитудные значения составляющих полей дефектов. Если вектор намагничивающего поля направлен перпен- дикулярно плоскости дефекта, поле дефекта совпадает с внешним полем по направлению и имеет максимальное значение. В против- ном случае поле d Н ориентируется в направлении нормали к стен- кам трещины, а интенсивность его быстро убывает с увеличением угла между нормалью и направлением намагничивания. Заметим, что магнитное поле рассеяния возникает не только над дефектом, но и над любыми локальными изменениями однородности магнит- ных свойств. Рис. 5. Распределение намагниченности и М r в ферромагнитном изделии и поля рассеяния d Н r над поверхностным дефектом (а), а также топография (б) тангенциальной td Н и нормальной nd Н составляющих напряженности поля дефекта Рис. 6. Распределение намагниченности в ферромагнитном изделии и поля рассеяния над внутренним дефектом 210 211 Габариты 220х185х55 мм. Рабочее напряжение 220-230 В, частота 50-60 Гц. Аппликатор для нанесения магнитного порошка Parker PB5. Назначение: нанесение магнитного порошка на вертикальные поверхности, поверхности с затрудненным доступом с возмож- ностью регулировки подачи порошка. Приложение Ж Описание и технические характеристики некоторых современных приборов магнитного контроля Устройство намагничивающее УНМ-300/2000. Назна- чение: намагничивающее устройство для магнитопорошкового контроля. Описание: устройство намагничивающее изготавли- вается в двух исполнениях в зависимости от питающей сети: УНМ- 300-2000 – для питания от сети переменного тока; УНМ-300-2000-01 – для питания от сети переменного тока и от сети постоянного тока напряжением 27В. Магнитные клещи (магнитный дефектоскоп) BS-100S Parker. Назначение: легкий переносной электромагнит с регули- руемыми полюсами, позволяющий создавать магнитное поле на поверхностях любых ферромагнитных материалов при выполне- нии магнитопорошковой дефектоскопии в судостроительной, машиностроительной, химической, газовой, нефтяной, аэрокосми- ческой, металлургической и многих других отраслях промышлен- ности. Расстояние между полюсами может изменяться от 0 до 305 мм. Технические характеристики Конструкция Металлический танк для суспензии емкостью 2,5 л и алюминиевый пистолет – распылитель Напряжение питания 220 В, 50 Гц Ток 1А Напряжение на выходе 12 В, переменное Длина шланга 4 м Габариты, мм 229х286х149 Технические характеристики Параметр Ед. изм. Значение Максимальный ток нагружения на петлю кабеля сечением 10 мм и длиной 6 м A 2000 Порог чувствительности (ширина, глубина, протяженность поверхностного дефекта на стандартном образце с параметром шероховатости 1,6 мкм) мм 0,001x0,3x1,0 Длительность процесса размагничивания сек 20+5 Габариты преобразователя мм 500x280x180 Масса дефектоскопа без принадлежностей кг 70 Масса принадлежностей кг 30 Температура окружающего воздуха °С +10...+40 212 213 скоп обеспечивает размагничивание деталей после контроля. Доку- ментирование результатов контроля может быть обеспечено изготовлением магнитограммы рисунка дефектов посредством снятия отпечатка рисунка на полиэтиленовой липкой ленте ГОСТ 20477-86 или аналогичного материала, а также фотографированием. Магнитный дефектоскоп универсальный 9-344.00.00.00. Область применения: для выявления поверхностных дефектов по ГОСТ 21105-85 в деталях из ферромагнитных сплавов, предусмот- ренных техническими требованиями конструкторской документа- ции к магнитопорошковой дефектоскопии. Габариты проверяемых деталей определены в технических характеристиках дефектоскопа. |