Методичка по магнитному контролю. Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Беларусь Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Межгосударственное образовательное учреждение высшего образования «Белорусско-Российский университет» В. А. Новиков МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области обеспечения качества в качестве учебного пособия для обучающихся по специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» Могилев «Белорусско-Российский университет» 2020 УДК 620.179(075.8) ББК 31.222я73 Н73 Рекомендовано к изданию Ученым советом Белорусско-Российского университета «27» декабря 2019 г., протокол № 3 Р е ц е н з е н т ы : кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии» Белорусского национального технического университета (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Р. И. Воробей); д-р техн. наук А. П. Гусев Новиков, В. А. Н73 Магнитный контроль в вопросах и ответах: учебное пособие / В. А. Но- виков. – Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2020. – 347 с.: ил. ISBN 978-985-492-248-5. Освещены вопросы физики магнитных явлений, физические основы магнитного контроля материалов и изделий, приведены методики расчета режима намагничивания и оптимизации размеров намагничивающих устройств для магнитографической дефектоскопии, представлен ряд методических указаний к лабораторным работам, дано краткое руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю. Рекомендовано для студентов высших и средних специальных учебных заведений, инженерно-технических работников лабораторий неразрушающего контроля предприятий, а также слушателей курсов, проводимых с целью сертификации специалистов по магнитному контролю. УДК 620.179(075.8) ББК 31.222я73 ISBN 978-985-492-248-5 © Новиков В. А., 2020 © Межгосударственное образовательное учреждение высшего образования «Белорусско-Российский университет», 2020 ПРЕДИСЛОВИЕ В последние годы всевозрастающее внимание в передовых странах мира уделяется качеству выпускаемой продукции. Важную роль в этом вопросе занимает неразрушающий контроль (НК). Высокая эффективность НК достигается не только правильным выбором методов контроля, применением современных средств его реализации и использованием эффективных методик, но и высокой профессиональной подготовкой операторов-дефектоскопистов. В связи с этим в Республике Беларусь организована Белорусская ассоциация неразрушающего контроля и технической диагностики, осуществляется подготовка инженеров по специальности «Методы и приборы неразрушающего контроля и диагностики состояния объектов», проводится обучение и сертификация специалистов организаций и предприятий. По вопросам неразрушающего контроля периодически проходят научно-технические конференции и семинары, организуются конкурсы на получение грантов, защищаются диссертации, издаются научные журналы и книги, разраба- тываются новые способы и средства неразрушающего контроля. Повышению качества выпускаемой продукции и ее конкурентоспособности на мировом рынке, по мнению автора, будет способствовать и настоящая книга. При написании учебного пособия автор преследовал несколько целей: побудить интерес учащихся к специальным знаниям и облегчить усвоение ими учебного материала; сделать более популярными знания по магнитной дефектоскопии материалов и изделий среди широкого круга читателей; повысить профессиональную культуру и квалификацию будущих специалистов по неразрушающему контролю. Несмотря на то, что материал в книге излагается в виде вопросов и ответов, сообщаемые сведения носят системный характер. Чтобы обострить интерес читателя, некоторые вопросы имеют занимательное содержание. Предполагается, что читатель будет время от времени обращаться к книге после ее первого прочтения, останавливаясь на тех местах, которые им слабо усвоены. 3 ВВЕДЕНИЕ Важными задачами народного хозяйства являются увеличение надежности и повышение срока эксплуатации машин и объектов, предотвращение аварий энергетических установок и транспортных средств, экономия трудовых ресурсов и материальных затрат. Этому во многом способствует применение неразрушающих методов контроля материалов и изделий. Современные высокотехнологичные производства используют широкий спектр неразрушающих методов контроля. В настоящее время существует девять видов неразрушающего контроля, каждый из которых подразделяется на ряд методов. Всякий метод контроля имеет область наиболее эффективного применения, определяемую его физическими особенностями и возможностями. Среди видов неразрушающего контроля достойное место занимает магнитный, основанный на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных свойств контролируемых изделий. В частности, магнитопорошковая дефектоскопия осуществляется путем регистрации магнитных полей рассеяния, создаваемых дефектами, с помощью частиц магнитного порошка. Этот метод предназначен для обнаружения дефектов в виде узких наружных (поверхностных и подповерхностных) трещин, непроваров, расслоений, закатов, надрывов и т. д. При благоприятных условиях могут быть выявлены поверхностные несплош- ности шириной 0,001 мм и длиной 0,5 мм. Благодаря высокой чувствительности и наглядности получения результатов испытаний метод получил широкое распространение в промышленности. Часто ему отдают предпочтение при равных условиях и применяют в наиболее ответственных случаях. Магнитографический метод контроля (МГК) не требует тщательной и трудоемкой зачистки контролируемой поверхности объекта и позволяет обнаруживать нарушения сплошности в металле толщиной от 2 до 25 мм. В последние годы благодаря разработке высокоэффективных способов и средств МГК этот метод по своим возможностям приблизился к методам акустической и радиационной дефектоскопии. В настоящее время его возможности в промышленности до конца не использованы. В условиях серийного и массового производства незаменимы феррозондовые и индукционные дефектоскопы. Обнаружение дефектных мест изделий осуществляется ими с помощью феррозондовых и индукционных преобразователей. Все большее применение в промышленности находят методы магнитного контроля, использующие для регистрации магнитных полей рассеяния, создаваемых дефектами, другие средства. В частности, для обнаружения дефектов, их идентификации, определения величины и глубины залегания 4 дефекта, для выявления измененных номеров кузовов автомобилей нашла применение визуализирующая магнитные поля пленка. В пособии освещены общие вопросы физики магнитных явлений, физические основы магнитного контроля материалов и изделий, рассмотрены способы намагничивания и размагничивания объектов. Приведены методики расчета режима намагничивания и определения размеров намагничивающих устройств для магнитографической дефектоскопии, дано краткое руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, представлен ряд методических указаний к лабораторным работам. Разработаны тесты и ответы на них, охватывающие индукционный, магнитопорошковый, феррозондовый и магнитографический методы контроля, для подготовки к общему и специальным экзаменам по магнитному контролю с целью сертификации специалистов по СТБ ЕН 473–95. 5 1. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ Магнитное поле и его характеристики. Краткие сведения о ферромагнетизме. Свойства ферромагнетиков. Парамагнетики и диамаг- нетики. Физические величины, характеризующие магнитные свойства вещества. Кривая намагничивания. Напряженность магнитного поля, намагниченность, магнитная индукция, индукция технического насыще- ния, магнитная проницаемость. Домены. Особенности намагничивания ферромагнетиков. Петля гистерезиса. Коэрцитивная сила. Частные циклы гистерезиса. Намагничивание ферромагнитного тела и вещества. Обра- зование поля дефекта при намагничивании объекта контроля. Область режимов намагничивания. Обнаружение полей дефектов при различных методах контроля. Классификация методов и средств магнитного контроля. Первичные магнитные преобразователи. Определение статических магнитных характеристик ферромагнитных материалов. 1.1. Магнитное поле и его характеристики В чем отличие электромагнитного, магнитного и электриче- ского полей? Электромагнитное поле представляет собой совокупность изменяющихся во времени, взаимно связанных и обусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитными называют переменные поля, в которых электрическая и магнитная составляющие соизмеримы. Электро- магнитное поле – это физическое поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными объектами. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля E и напряженностью магнитного поля . H При малых токах и высоких напряжениях в создаваемом поле преобладает электрическая составляющая. Такое поле называется электрическим (электро- статическим). Электрическое поле – это одна из форм проявления электро- магнитного поля. Электрическое поле, как и магнитное, является одним из видов материи. Оно действует как на неподвижные, так и на движущиеся электрические заряды. Эта сила не зависит от скорости движения заряда. Источниками электрического поля являются электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля. Существование электрического поля в пространстве может быть обнаружено по его силовому действию на неподвижные заряды. 6 Если в проводнике протекает ток большой величины при малых значениях напряжения, то в поле преобладает магнитная составляющая, а поле называется магнитным. Магнитное поле – также одна из форм проявления электро- магнитного поля. Источниками магнитного поля являются проводники с током, частицы или тела, обладающие магнитным моментом (магнитные частицы), а также движущиеся электрически заряженные объекты. Магнитное поле возникает при изменении во времени электрического поля. Наличие магнитного поля в пространстве может быть обнаружено по его силовому действию на магнитную стрелку, перемещаемый пробный электрический заряд, проводник с током при соответствующем его расположении. Силовые линии магнитного поля обнаруживаются с помощью магнитного порошка, частицы которого намагничиваются в магнитном поле и выстраиваются в цепочки. Сила, действующая в магнитном поле на движущиеся электрические заряды (сила Лоренца), пропорциональна скоростям движения зарядов и направлена перпендикулярно этим скоростям: л F = qvBsin, где q – заряд частицы; v – ее скорость; – угол между направлением скорости и вектором магнитной индукции B Следует отметить, что электрическое и магнитное поля в других инерциальных системах отсчета (в которых источники этих полей неподвижны) уже не будут ни чисто магнитными, ни чисто электрическими. Поэтому деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное условно. Назовите основные характеристики магнитного поля. Основными характеристиками магнитного поля являются индукция и напряженность. Магнитная индукция B характеризует магнитное поле в веществе. Индукция – векторная величина, за ее направление принимают направление силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки. Если некоторое тело поместить в магнитное поле, например, созданное находящимся рядом проводником с током (макроток), то под действием этого поля микро- скопические токи атомов тела повернутся и создадут в теле дополнительное магнитное поле. Магнитная индукция будет определяться суперпозицией этих полей. Следовательно, вектор магнитной индукции B характеризует резуль- тирующее магнитное поле, создаваемое макро- и микротоками. Другими словами, при намагничивании индукция результирующего поля равна сумме индукции внешнего поля и индукции молекулярных токов. Если тело будет изготовлено из другого материала, то величина индукции, как правило, будет 7 другой. Магнитная индукция В определяется отношением максимального вращающего момента М max , действующего на контур с током в магнитном поле, к магнитному моменту этого контура m p : max m M B p Поток Ф вектора магнитной индукции через площадку S (или просто магнитный поток) определяется из выражения Ф = ВS cos, где – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к площадке. В неоднородном магнитном поле поток через площадку S конечных размеров Ф = , n S B dS где n B нормальная составляющая магнитной индукции. Интенсивность внешнего магнитного поля характеризуютвектором напряженности H . Напряженность поля не зависит от свойств среды, и в однородной среде она совпадает по направлению с вектором магнитной индукции. Вектор напряженности магнитного поля связан с вектором магнитной индукции соотношением 0 , μ B H M где 0 μ – магнитная постоянная; M – вектор намагниченности среды. Для изотропного материала 0 , μ μ r B H где μ r – относительная магнитная проницаемость (показывает, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше, чем в вакууме). 8 Как графически изображают магнитное поле? Графически магнитное поле изображают с помощью силовых линий. Силовые линии магнитного поля (или линии магнитной индукции) – это линии, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке указывают направление поля в этой точке, т. е. направление силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки. Другими словами, магнитная стрелка ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля, а острие ее северного полюса указывает направление поля. Силовые линии магнитного поля являются непрерывными. В отличие от силовых линий электрического поля они замкнутые. Их плотность (густота) равна индукции магнитного поля, а магнитный поток равен всему числу силовых линий, пронизывающих данный контур. Магнитные силовые линии не пересекают друг друга. Они проходят по пути наименьшего магнитного сопротивления. Вдоль силовых линий магнитного поля располагаются оси маленьких магнитных стрелок. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму силовых линий. Если магнитное поле однородное, то магнитные силовые линии имеют вид параллельных прямых, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 1.1, а). Протекающий по проводнику ток создает неоднородное магнитное поле, убывающее по мере удаления от проводника. Силовые линии такого поля представляют собой концентрические окружности (рис. 1.1, б). Расстояние между ними тем больше, чем больше расстояние от источника поля, т. е. чем меньше напряженность поля. Если проводник с током поместить в однородное магнитное поле, то это приведет к искажению поля. Силовые линии поля при этом искривляются. Их плотность становится больше с той стороны проводника, где направление силовых линий проводника совпадает с направлением внешнего поля, и убывает там, где оно противоположно (рис. 1.1, в). Минимальная напряженность поля будет в точке С. Рис. 1.1. Вид силовых линий магнитного поля: а – однородного; б – неоднородного (проводника с током); в – их суперпозиции 9 1.2. Краткие сведения о ферромагнетизме. Свойства ферромагнетиков. Парамагнетики и диамагнетики Назовите известные Вам ферромагнетики. К ферромагнетикам относят железо, кобальт, никель, гадолиний, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия, меди и др. При низких температурах ферромагнитны материалы из редкоземельных элементов эрбия и диспрозия. Ферромагнитны некоторые виды ферритовой керамики. Можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными свойствами, из парамагнитных и диамагнитных материалов. Например, сплав Гейслера состоит из таких слабомагнитных металлов, как медь (60 ), марга- нец (25 ) и алюминий (15 ). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов почти немагнитны, например, сплав из 75 железа и 25 никеля. Назовите основные свойства ферромагнетиков. Все ферромагнетики характеризуются: большими положительными значениями магнитной проницаемости, ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры; способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах в слабых полях; гистерезисом, т. е. зависимостью магнитных свойств от предшест- вующего магнитного состояния; точкой Кюри – температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства (для железа – 768 °С, никеля – 360 °С, кобальта – 1130 °С); при температурах выше точки Кюри все ферромагнетики стано- вятся парамагнитными. Все ферромагнетики, кроме аморфных, имеют кристаллическое строение. Магнитное поле внутри ферромагнетиков значительно усиливается. Чем обусловлены ферромагнитные свойства материалов? В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, являющихся свойствами отдельных атомов или молекул вещества, ферромагнетизм объясняется свойст- вами кристаллической структуры вещества. Атомы ферромагнетика, если взять их, например, в парообразном состоянии, диамагнитны или слабо парамагнитны. Ферромагнетизм – это свойство вещества в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов вещества. Его физическую природу объясняет квантовая механика. Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных электронных слоев между соседними атомами. Такое 10 взаимодействие называется обменным. Силы обменного взаимодействия заставляют магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате в ферромагнетике появляются области самопроизвольного, или спонтанного, намагничивания. Их называют доменами. В пределах домена при обычных температурах ферромагнетик намагничен почти до насыщения. При отсутствии внешнего поля направления магнитных моментов отдельных доменов различны. Суммарный магнитный момент образца равен нулю, поэтому образец в целом не намагничен. Итак, ферромагнетизм присущ только элементам, у атомов которых есть внутренние незаполненные электронные слои, а отношение диаметра атома am d в кристаллической решетке к диаметру незаполненного электронного слоя нэс d больше 3 (энергия обменного взаимодействия W положи- тельна) (рис. 1.2). Рис. 1.2. Зависимость энергии обменного взаимодействия от отношения диаметра атома к диаметру незаполненного электронного слоя W = –2A 1 s 2 s cos , где А – константа обменного взаимодействия, равная разности энергий двух электронов при одинаковом и противоположном направлениях спиновых моментов; 1 s и 2 s – результирующие спиновые магнитные моменты атомов; – угол между векторами этих моментов. |