Ім'я файлу: Технические измерения_5 вариант.docx
Розширення: docx
Розмір: 329кб.
Дата: 07.12.2020
Пов'язані файли:
ФВ).docx

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни

«ТЕХНІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ»

ВВЕДЕНИЕ
Магнитные методы используются для обнаружения внутренних дефектов в ферромагнитных изделиях, находящихся в намагниченном состоянии, а также для отбраковки изделий с аномальными магнитными характеристиками. Обнаруживаются дефекты типа раковин, трещин, непровары сварных швов, инородные включения. При этом контролю подвергаются различные конструкционные узлы РЭА: арматура блоков, антенно-фидерные устройства и т.д.

Часто магнитные методы используются для контроля качества различных ферромагнитных изделий радиоэлектроники (ферритовые кольца, стержни, магнитопроводы, магнитные плёнки, экраны и т.д.); для измерения характеристик магнитных материалов (основная кривая намагничивания, петля гистерезиса, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость) и для измерения толщины ферромагнитной плёнки на немагнитном основании или немагнитных покрытий на ферромагнитных основаниях.

М агнитный метод неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Вследствие такого взаимодействия магнитные характеристики материала подвержены изменениям.

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.

1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т.е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. Операция намагничивания (помещения изделия в магнитное поле) при этом виде контроля является обязательной. Съем информации может быть осуществлен с полного сечения образца (изделия) либо с его поверхности.

В зависимости от конкретных задач НК, марки контролируемого материала, требуемой производительности метода могут использоваться те или иные первичные информативные параметры. К числу наиболее распространенных относятся следующие информативные параметры: коэрцитивная сила, намагниченность, индукция (остаточная индукция), магнитная проницаемость, напряженность, эффект Баркгаузена.

По способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного вида контроля:

  • магнитопорошковый (МП),

  • магнитографический (МГ),

  • феррозондовый (ФЗ),

  • эффекта Холла (ЭХ),

  • ндукционный (И),

  • пондеромоторный (ПМ),

  • магниторезисторный (МР).

С их помощью можно осуществить контроль:

  • сплошности (методами дефектоскопии) (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И);

  • размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ);

  • структуры и механических свойств (ФЗ, ЭХ, И).

Из перечисленных методов только магнитопорошковый требует обязательного участия в контрольных операциях человека; остальные методы позволяют получать первичную информацию в виде электрических сигналов, что делает возможным полную автоматизацию процессов контроля. Методы МП и МГ обнаружения несплошностей являются контактными, т.е. требуют соприкосновения преобразователя (магнитный порошок или магнитная лента) с поверхностью изделия; при остальных методах контроля съем информации осуществляется бесконтактно (хотя и на достаточно близких расстояниях от поверхности).

С помощью магнитных методов могут быть выявлены закалочные и шлифовочные трещины, волосовины, закаты, усталостные трещины и другие поверхностные дефекты шириной раскрытия несколько микрометров.

Такие методы, как ФЗ, ЭХ, И, МГ, можно использовать на грубых поверхностях, при этом минимальная глубина выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатостей поверхности. В связи с необходимостью сканировать поверхность изделия методы ФЗ, ЭХ, И особенно удобно применять для контроля цилиндрических изделий. Метод МГ успешно применяют для контроля сварных швов.

Из геометрических параметров с помощью магнитных методов наиболее часто определяют толщину немагнитных покрытий на магнитной основе, толщину стенок изделий из магнитных и немагнитных материалов.

Контроль структуры и механических свойств изделий осуществляют путем установления корреляционных связей между контролируемым параметром (температурой закалки и отпуска, твердостью и т.д.) и какой-либо магнитной характеристикой (или несколькими). Успешно контролируется состояние поверхностных слоев (качество поверхностной закалки, азотирования и т.д.), а также наличие а-фазы.

КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ
Классификацию устройств магнитного контроля можно осуществить по их назначению, а также по типу используемых измерительных преобразователей.

1. Магнитные дефектоскопы – приборы, предназначенные для обнаружения скрытых дефектов в ферромагнитных изделиях. К ним относятся:

  • индукционные дефектоскопы, использующие пассивные магнитоэлектрические преобразователи;

  • феррозондовые дефектоскопы, использующие активные магнитоэлектрические преобразователи;

  • магнитопорошковые дефектоскопы, использующие для визуализации дефектов порошки из магнитных материалов;

  • магнитографические дефектоскопы, работающие по принципу видеомагнитофонов с записью распределения дефектов на магнитную ленту.

2. Магнитные толщиномеры – приборы для контроля толщины ферромагнитных покрытий, использующие в качестве магнитоэлектрических преобразователей датчики Холла, магниторезисторы и тонкие катушки поля.

3. Приборы для исследования и контроля магнитных свойств и характеристик ферромагнитных материалов и изделий. Здесь магнитоэлектрическим преобразователем служит само изделие, подвергаемое контролю.

Сущность методов магнитной дефектоскопии заключается в том, что дефект в ферромагнитном материале представляет собой высокое магнитное сопротивление, которое большая часть магнитных линий стремится обойти (рис. 1). Это приводит к их концентрации на краях дефектов и к созданию разности магнитных потенциалов на этих краях.

Одной из центральных задач магнитной дефектоскопии является определение зависимости магнитных полей дефектов (их формы и напряжённости) от геометрических размеров и расположения дефектов. Это необходимо для быстрого обнаружения дефектов и их распознавания. Анализ напряжённости магнитного поля внутри трещины и рассеянного поля вне её указывает на то, что по этому рассеиваемому полю можно не только обнаружить дефект на поверхности и залегаемый на некоторой глубине от неё, но и в некоторых случаях оценить его размеры.


Рис. 1. Влияние дефектов на распределение магнитного поля
в образце и вне его
В зависимости от направления намагничивания детали по отношению к расположенному в ней дефекту (трещине) форма рассеянного дефектом поля различна. Так, например, при намагничивании детали в направлении, параллельном поверхности, кривые изменения напряжённости магнитного поля описываются выражением
         (1)

и имеют форму, представленную на рис. 2., б. При намагничивании детали в направлении, перпендикулярном поверхности (рис. 3), напряжённость внешнего рассеянного поля трещины описывается выражением

         (2)

где σO – плотность магнитных зарядов; Oмагнитная проницаемость и имеет форму, показанную на рис. 2, в.



Рис. 2. Форма магнитного поля, рассеянного дефектом типа «прямоугольная трещина»



Рис. 3. Внешнее поле образца с дефектом, намагниченного в направлении, перпендикулярном поверхности

Все методы магнитной дефектоскопии включают в себя три основных этапа: намагничивание детали, обнаружение дефекта и размагничивание детали.

Дефекты оптимально обнаруживаются в случае, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта (трещины). Поэтому важно для обнаружения дефекта деталь намагнитить в различных направлениях.

Обычно применяют три способа намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное), комбинированное. Последний способ показан на рис. 4.



Рис. 4. Комбинированное намагничивание
Для размагничивания деталей применяют два основных способа:

- нагрев детали до температуры Кюри, при которой ферромагнитные свойства пропадают;

- размагничивание детали переменным магнитным полем с равномерно уменьшающейся до нуля амплитудой.

Первый способ применяют редко, т.к. при нагреве могут изменяться механические свойства материала детали. Второй способ применяют чаще. При этом используют переменные магнитные поля с частотой от долей герца до 50…100 Гц.

Чем больше магнитная проницаемость материала и толщина детали (стенки детали), тем ниже должна быть частота размагничивающего переменного магнитного поля.

Для размагничивания детали применяют различные демагнитизаторы. Они представляют собой соленоиды переменного тока различной частоты. Размагничивание в них производится или уменьшением тока в соленоидах, или удалением деталей из центральной части соленоидов на расстояние, на котором напряжённость поля демагнитизатора можно принять равной нулю.

Индукционные дефектоскопы (рис. 5). Выходной сигнал индукционного преобразователя (катушки провода с сердечником или без него) зависит от скорости изменения напряжённости измеряемого магнитного поля.



Рис. 5. Схема работы магнитоиндукционного дефектоскопа
Так как пассивный индукционный датчик регистрирует лишь изменение магнитного потока, пронизывающего его витки, то для обнаружения дефектов с помощью индукционного дефектоскопа необходимо обеспечить взаимное перемещение преобразователя и контролируемого объекта либо с помощью специального сканирующего устройства, либо путём протягивания изделия (транспортировка на конвейере) относительно преобразователя.

Феррозондовые дефектоскопы отличаются от индукционных типом датчика и аппаратурой. Они содержат совмещённые системы намагничивания объекта и сканирования феррозондовым преобразователем. Они более чувствительны к выявляемым дефектам, обладают большей точностью определения местоположения дефекта и имеют большую помехоустойчивость к фоновым шумам.

Феррозондовый преобразователь является магнитоэлектрическим преобразователем активного типа. Происходящие в нём процессы всегда связаны с взаимодействием двух полей – внешнего измеряемого поля, рассеянного дефектом, и дополнительного поля возбуждения, образуемого за счёт тока, протекающего в одной из обмоток. Взаимодействие этих полей в объёме пермаллоевых сердечников приводит к появлению в другой обмотке ЭДС, по значению которой судят о наличии дефекта и его параметрах (размерах, глубине залегания).

Принцип действия феррозондового дефектоскопа показан на рис. 6. Конструктивно феррозондовый датчик представляет собой два пермаллоевых сердечника с первичными обмотками возбуждения и вторичными измерительными обмотками на каждом сердечнике. Первичные обмотки соединены последовательно, а вторичные – встречно.

При отсутствии дефектов в контролируемом изделии внешнее магнитное поле, намагничивающее образец, и магнитное поле, рассеянное образцом, не оказывают влияния на характеристику перемагничивания пермаллоевых сердечников феррозондов и во вторичных обмотках происходит симметричная компенсация индуцированных токов i1 и i2 , возбуждаемых токами первичных обмоток.

При наличии дефекта в контролируемом изделии вблизи от него появится рассеянное им магнитное поле, силовые линии которого будут замыкаться через пермаллоевые сердечники феррозондов. При этом цикл их перемагничивания станет несимметричным и более широким в той части, в которой совпадают направления внутреннего (возбуждаемого первичной обмоткой) и внешнего (рассеянного дефектом) полей. Это приведёт к тому, что в индикаторной цепи феррозонда появится сигнал (i1+i2) с удвоенной по отношению к возбуждаемому току частотой. Присутствие этого сигнала в индикаторной цепи и его значение указывают на наличие дефекта в образце и его размеры.



Рис. 6. Схема включения обмоток датчика в феррозондовом дефектоскопе
и замыкания поля дефекта
При магнитопорошковом методе контроля дефекты обнаруживаются по месту локализации магнитного порошка на поверхности детали. То есть осуществляется своеобразная визуализация подповерхностных дефектов и невидимых для невооружённого глаза поверхностных нарушений сплошности.

При магнитографическом методе выявление дефектов осуществляется с помощью магнитной ленты, на которую они записываются во время её протяжки по контролируемому образцу. Отображение этих дефектов осуществляется с помощью электронной системы, подобной видеомагнитофону, на экране ЭЛТ в процессе считывания сигнала с магнитной ленты. Синхронно со считыванием дефекта с ленты специальное устройство-отметчик фиксирует обнаруженные дефекты на объекте.

Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля применяют для выявления поверхностных и подповерхностных ( на глубине не более нескольких миллиметров) трещин, волосовин, флокенов и в других дефектов в намагниченных деталях и заготовках. Высокая чувствительность метода позволяет надежно обнаруживать весьма малые дефекты с шириной раскрытия около 1 мкм и более при глубине более 10 мкм и протяженностью более 0,5 мм.

Принцип метода состоит в том, что если поверхность намагниченной детали с дефектом, создающим поле рассеяния, посыпать ферромагнитным порошком, то в области дефекта возникнет рисунок из порошинок, четко определяющий место и размер дефекта. Объясняется это тем, что трещина в намагниченной детали становится локальным магнитом, а ее края - полюсами, как показано на рис. 7. Эти полюса притягивают в себе порошинки и дефект становится видимым.



а – дефект создает большое поле рассеяния

б – дефект практически не создает поле рассеяния

Рис. 7. Схема магнитного метода контроля

В магнитопорошковой дефектоскопии используют порошки из окислов железа, очень часто применяют магнитную суспензию – взвесь ферромагнитных частиц в жидкости (минеральных маслах, керосине). Намагничивание деталей осуществляется несколькими способами, представленными на рис. 8: либо с помощью электромагнитов, соленоидов, либо пропусканием сильного тока через деталь. Небольшие детали с отверстием (гайки, шайбы) могут быть намагничены с помощью центрального проводника, по которому проходит сильный ток, как показано на рис. 8 в.



а) намагничивание электромагнитом:

1 – электромагнит, 2 – обмотка с током, 3 – трансформатор, 4 – реостат,
5 – деталь, 6 – выпрямитель, 7 – дефект и его поле рассеяния



б) намагничивание соленоидом:

1 – деталь, 2- обмотка соленоида, 3 – поле рассеяния от дефекта



в) циркулярное намагничивание:

1 – центральный проводник, 2 – циркулярные токи в намагничиваемой детали

Рис. 8. Схема намагничивания деталей
Магнитопорошковый метод применяют для контроля деталей, прошедших окончательную механическую и термическую обработку. Выявляются дефекты, выходящие на поверхность, а также дефекты на глубине до 2 мм под поверхностью. Достоинством метода является его высокая чувствительность, относительная простота аппаратуры, возможность контролировать сложные по форме поверхности. Недостаток метода в том, что он применим только к ферромагнитным материалам, нечувствителен к глубоко залегающим дефектам, трудно поддается автоматизации

При магнитографическом методе фиксацию полей рассеяния, возникающих вокруг дефект, производят с помощью магнитной ленты в приложенном магнитном поле. Преобразование информации в электрический сигнал осуществляется по остаточной намагниченности ленты, так же как в магнитофоне. На рис. 9 представлена принципиальная схема магнитографического дефектоскопа.



Рис. 9. Схема магнитографического дефектоскопа
для контроля трубной заготовки

Трубная заготовка 1 в процессе перемещения относительно дефектоскопа подвергается локальному намагничиванию с помощью электромагнитов 2. В местах нарушения сплошности металла магнитное поле рассеяния выходит за пределы за пределы заготовки в виде пиков силовых линий и записывается на магнитную ленту 3. При этом магнитная лента скользит по поверхности заготовки при помощи электродвигателя 5 и роликов 4,6,7. . В результате, осуществляется запись магнитного поля на скользящем носителе записанное на ленту магнитное поле при помощи воспроизводящей головки 8 преобразуется в сигнал определенной мощности, который поступает в электронный блок 9 для анализа. При появлении сигнала от дефекта загораются индикаторы 10 и с помощью дефектоотметчика производится маркировка дефектного участка светлой краской. При дальнейшем перемещении ленты специальной головкой 11 стирается записанная информация и вся вышеописанная процедура повторяется
МАГНИТНАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ
Сталь – основной конструкционный материал – является, в большинстве случаев, ферромагнетиком, поэтому магнитные методы контроля имеют широкую область применения. В основе этих методов лежит измерение тех или иных магнитных характеристик , которые однозначно связаны с интересующими нас параметрами материала или изделия – прочностью, твердостью, наличием или отсутствием несплошностей и т.д. Рассмотрим основные магнитные характеристики ферромагнетика и и их связь с его структурой и механическими и другими свойствами

Как известно, магнитную структуру ферромагнетика можно представить себе как конгломерат доменов– микро-областей, намагниченных до насыщения внутренним молекулярным полем , как представлено на рис. 10.



Рис. 10. Доменная структура поликристаллического ферромагнетика
На этом рисунке условно показано, что каждое зерно ферромагнитного металла разбито на несколько доменов, вектора которых ориентированны взаимно-противоположно. Средний размер доменов – от 1 до 10 микрометров, т.е. каждое зерно содержит сотни и тысячи доменов. В отсутствие внешнего магнитного поля вектора доменов компенсируют друг друга и общая намагниченность тела отсутствует. При наложении внешнего поля происходит изменение доменной структуры и тело намагничивается. Этот процесс представлен на рис. 11.



Рис. 11. Кривая начального намагничивания ферромагнетика (а) и соответствующее изменение доменной структуры (б, в, г, д)
В полностью размагниченном образце (рис. 11, б) расположение векторов намагниченности равновероятно по всем направлениям. У образца, находящегося в очень слабом поле, соответствующем участку 0а, происходит обратимое смещение границ доменов и увеличение тех доменов, вектор намагниченности которых образует наименьший угол с направлением намагничивающего поля Н. Это увеличение происходит за счет соответствующего уменьшения объема соседних доменов. Этот процесс обратим (пунктирная кривая оа на рис. 11, а). У образца (рис. 11, г), находящегося в поле средней величины, соответствующей участку аб, происходит  необратимое смещение границ доменов и поворот их векторов на 90 и 180 градусов. При этом все вектора оказываются ориентированны вдоль той оси легкого намагничивании кристалла, направление которой составляет наименьший угол с направлением намагничивающего поля Н. Этот процесс необратим (пунктирная кривая бд на рис. 11, а). У образца (рис. 11, д), находящегося в сильном магнитном поле, соответствующем участку  вС (зоне насыщения), происходит процесс вращения векторов намагниченности из направления вдоль оси легкого намагничивания в направление, параллельное намагничивающему полю Н.

При снятии намагничивающего поля Н из-за необратимости процессов на участке аб индукция не обращается в ноль, а остается некоторая величина остаточной индукции  (отрезок 0f на рис. 11, а). Возникает гистерезис – запаздывание. Степень этой необратимости, а следовательно, величина остаточной индукции ( и некоторых других магнитных характеристик) во многом определяются структурными особенностями строения ферромагнетика, такими, как размер зерна, наличие внутренних напряжений, наклеп и др. На этом основана магнитная структуроскопия, то-есть определение фазового и структурного состояния материала на основании измерения магнитных характеристик

Основные магнитные характеристики представлены на рис. 12.



Рис. 12. Петля гистерезиса и основные характеристики ферромагнетика:

µ – магнитная проницаемость, BS– индукция насыщения,

Вr– остаточная индукция, Нс– коэрцитивная сила

Магнитная проницаемость µхарактеризует связь между индукцией и напряженностью внешнего поля. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H). При этом различают начальную проницаемость µн при Н = 0 и максимальную µмакс. Начальная магнитная проницаемость и коэрцитивная сила обратно пропорциональны друг другу. Обе эти характеристики определяют легкость намагничивания и размагничивания материала. Легко намагничиваются (большое значение µ, малое значение  Нс) химически чистые ферромагнетики и твердые растворы на их основе, например, феррит. Появление большого количества дефектов в кристаллической решетке (наклеп, границы зерен, блоков), напряжения, распад твердого раствора, выделения второй фазы – все эти процессы вызывают уменьшение проницаемости и увеличение коэрцитивной силы, а также изменение остаточной индукции. Поэтому характеристики Нс, µ, Вrназывают структурно-чувствительными. Измеряя эти характеристики, можно делать заключение о структуре и механических свойствахматериала, поскольку прочность, пластичность, вязкость сталей определяется их структурой. В частности, закаленное состояние стали характеризуется большой коэрцитивной силой, при отжиге величина Нс резко уменьшается.

Величина индукции насыщения BS , а также температура Кюри θ  (температура, при которой исчезает ферромагнитность) относятся к структурно-нечувствительным характеристикам. Их значения зависят, в основном, от химического состава материала.

Примеры применения магнитной структуроскопии на производстве

1 Небольшие детали из углеродистых сталей (болты, гайки, кольца подшипников, сверла и т.д.) разбраковывают по величине коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вr на автоматических установках – до 100000 штук в день. Тем самым исключаются более трудоемкие операции измерения твердости и прочности.

2 В кольцах подшипников качения количество остаточного аустенита определяют по величине индукции насыщения BS (чем больше остаточного аустенита, тем ниже BS).

3 При изготовлении инструмента из твердых сплавов контроль структурного состояния материала осуществляют путем измерения величины Нс. В технических условиях определены интервалы значений, в которых должна находиться величина Нс сплавов, прочностные характеристики которых определены соответствующими ГОСТами. (в данном случае величина коэрцитивной силы чувствительна к содержанию кобальта в сплаве и величине карбидных зерен).

4 Магнитный метод контроля, основанный на измерении индукции насыщения BS,  применяют при выплавке нержавеющих сталей переходного класса (09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3 и др.). Механические свойства этих сталей зависят от соотношения в структуре аустенита (немагнитная фаза), мартенсита и дельта-феррита (ферромагнитные фазы). Для этого в период рафинирования расплава отбирают пробы металла и заливают в специальные чугунные кокили. Пробы охлаждают до 950 град С и извлекают из кокиля. При выплавке стали с контролем дельта-феррита пробы сразу охлаждают в воде при 80 – 100 град С, после чего с помощью прибора быстро измеряют величину BS . Затем эту же пробу немедленно переносят в холодную воду и снова измеряют BS . Первый замер показывает количество дельта-феррита. Второй – суммарное количество дельта – феррита и мартенсита.

ЛИТЕРАТУРА


  1. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. М.: Высш. Шк., 1988. 368 с.

  2. Измерение и контроль в микроэлектронике / Под ред. А.А. Сазонова М.: Высш. шк., 1984.

  3. Лопухин В.А., Гурылёв А.С. Автоматизация визуального технологического контроля в электронном приборостроении. Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. 287с.

  4. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. 656 с., ил.

  5. Потапов А. И., Сясько В. А., Соломенчук П. В. и др. Электромагнитные и магнитные методы неразрушающего контроля материалов и изделий. Т. 2 : Электромагнитные и магнитные методы дефектоскопии и контроля свойств материалов : научное справочно-методическое пособие. — СПб. : Нестор-История, 2015. — 440 с.

скачати

© Усі права захищені
написати до нас