11.7. Электрические и магнитные методы контроля состава и свойств материалов. Устройства и методы неразрушающего контроля

Неразрушающий контроль (НК)– определение параметров и свойств объекта, при котором не нарушается его целостность. Неразрушающий контроль широко применяется при создании и эксплуатации качественных компонентов, изделий и конструкций, а также эксплуатации опасных объектов различных отраслей промышленности, позволяет получить полную информацию о дефектах, структуре, температуре и других параметрах объектов на расстоянии, без организации каких-либо специальных условий.

В основе НК лежат физические процессы взаимодействия различных полей, излучений или веществ с объектами контроля. По этому признаку выделяют девять основных видов НК: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами. Каждый из этих видов осуществляется многими методами контроля, которые классифицируют по характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом, по первичному информативному параметру и по способу получения информации.

Средства неразрушающего контроля распределяются по следующим направлениям:

1. Дефектоскопия – обнаружение дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, расслоений и т. д.). Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, обработку показаний дефектоскопов. Дефектоскоп – ультразвуковой прибор, применяемый для поиска дефектов сварочных швов, а также обнаружения дефектов в соединениях различных металлических и неметаллических изделий.

2. Контроль геометрических характеристик (наружных и внутренних диаметров, толщины стенок, покрытий и слоев, степени износа, ширины и длины изделий и т. д.). Для контроля геометрических характеристик используются толщиномеры. По принципу действия толщиномеры подразделяются на ультразвуковые (на основе эхо-импульсного метода) и вихретоковые (на основе вихретокового фазового, вихретокового параметрического, импульсного индукционного принципов измерения).

3. Определение физико-механических и физико-химических характеристик (электрических, магнитных и структурных параметров, отклонений от заданного химического состава,  твердости, пластичности, качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т. п.).

4. Техническое диагностирование – определение технического состояния объекта в период эксплуатации.

Выбор метода и прибора неразрушающего контроля для решения задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии и технического диагностирования зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования.

5. Вибродиагностика – наиболее простой и информативный метод неразрушающего контроля для оценки состояния объекта.

6. Визуальный и измерительный методы, в том числе с использованием жестких и гибких видеоэндоскопов. Данные методы позволяют выявить поверхностные дефекты как на наружных поверхностях, так и во внутренних полостях изделий и измерить их параметры. Для осмотра внутренних поверхностей, глубоких полостей и труднодоступных мест применяют специальные трубки с призмами и миниатюрными осветителями (диоптрийные трубки), телевизионные трубки и лазеры. Минимальный размер дефектов, обнаруживаемых невооруженным глазом, составляет 0,1–0,2 мм, а при использовании оптических систем – десятки микрон.

При неразрушающем контроле методом проникающих веществ используется явление капиллярного проникновения в полость дефектов объекта хорошо смачивающих веществ. Данный метод неразрушающего контроля делится на капиллярные методы (в основе лежит капиллярное явление проникновения индикаторной жидкости в полость дефекта) и течеискания (используется для обнаружения различных сквозных дефектов).

Капиллярные методы контроля подразделяются на виды. В зависимости от типа проникающего вещества выделяют:

· Метод проникающих растворов – жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве проникающего вещества жидкого индикаторного раствора.

· Метод фильтрующихся суспензий – жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве жидкого проникающего вещества индикаторной суспензии, которая образует индикаторной рисунок из отфильтрованных частиц дисперсной фазы.

В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка капиллярные методы подразделяют на следующие:

· Люминесцентный, основанный на регистрации контраста люминесцирующего в длинноволновом УФ-излучении видимого индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

· Цветной, основанный на регистрации контраста цветного в видимом излучении индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

· Люминесцентно-цветной, основанный на регистрации контраста цветного или люминесцирующего индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля в видимом или длинноволновом УФ-излучении.

· Яркостный, основанный на регистрации контраста в видимом излучении ахроматического рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

Существуют комбинированные методы капиллярного контроля, которые сочетают два или более различных по физической сущности методов контроля, один из которых обязательно жидкостный. Комбинированные капиллярные методы контроля подразделяют в зависимости от характера физических полей (излучений) и особенностей их взаимодействия с контролируемым объектом.

Капиллярно-электростатический методоснован на обнаружении индикаторного рисунка, образованного скоплением электрически заряженных частиц у поверхностной или сквозной несплошности неэлектропроводящего объекта, заполненного ионогенным пенетрантом (жидкой средой).

Капиллярно-электроиндуктивный методоснован на электроиндуктивном обнаружении электропроводящего индикаторного пенетранта в поверхностных и сквозных несплошностях неэлектропроводящего объекта.

Капиллярно-магнитопорошковый метод основан на обнаружении комплексного индикаторного рисунка, образованного пенетрантом и ферромагнитным порошком, при контроле намагниченного объекта.

Жидкостный капиллярно-радиационный метод изучения основан на регистрации ионизирующего излучения соответствующего пенетранта в поверхностных и сквозных несплошностях, а капиллярно-радиационный метод поглощения – на регистрации поглощения ионизирующего излучения соответствующим пенетрантом в поверхностных и сквозных несплошностях объекта контроля.

Неразрушающий контроль оптическим методом реализуется на основе изменения параметров оптического излучения (поглощение, отражение, рассеивание, дисперсия, поляризация и другие оптические эффекты). Данный метод неразрушающего контроля применяется при обнаружении поверхностных дефектов и контроле состояния поверхностей, измерениях геометрических параметров объекта.

Неразрушающий контроль радиационным методом реализуется на основе явлений проникающего ионизирующего излучения. Контроль в зависимости от природы излучения может быть рентгеновский, β-, γ-контроль, нейтронный. Применение неразрушающего контроля радиационным методом возможно для объектов, состоящих из различных материалов. Радиационные методы неразрушающего контроля находят широкое применение в дефектоскопии, при измерениях структурных и геометрических особенностей материалов.

Неразрушающий контроль радиоволновым методом фиксирует изменение определенных параметров электромагнитных волн, которые взаимодействуют с исследуемым объектом. Применяется данный метод для контроля изделий, радиоволны в материале которых затухают не сильно: диэлектрики (стекловолокно, пластмассы, керамика), полупроводники, магнитодиэлектрики (ферриты), тонкостенные металлические материалы.

Неразрушающий контроль акустическим методом основан на изменении параметров так называемых упругих волн, которые возникают или возбуждаются в объекте. Этот метод широко применяется для неразрушающего контроля всех материалов, проводящих акустические волны.

Посредством акустических методов неразрушающего контроляизмеряют толщину стенок изделий, выявляют разнообразные неоднородности структуры и дефекты, определяют геометрические характеристики. Основными методами являются следующие: эхометод, теневой, резонансный, велосимметрический (собственно ультразвуковые методы), импедансный и метод свободных колебаний (акустические методы).

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из наиболее универсальных методов неразрушающего контроля. Наиболее распространенный эхометод основан на посылке в изделие коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхосигналов, отраженных от дефектов. Для контроля изделия датчик эходефектоскопа сканирует его поверхность. Метод позволяет обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты с различной ориентировкой. Эхосигналы можно наблюдать на экране осциллоскопа или регистрировать самозаписывающим прибором. Чувствительность эхометода весьма высока: в оптимальных условиях контроля на частоте 2–4 Мгц можно обнаруживать дефекты, отражающая поверхность которых имеет площадь около 1 мм².

При теневом методе ультразвуковые колебания, встретив на своем пути дефект, отражаются в обратном направлении. О наличии дефекта судят по уменьшению энергии ультразвуковых колебаний или изменению фазы ультразвуковых колебаний, огибающих дефект.

Резонансный методоснован на определении собственных резонансных частот упругих колебаний (частотой 1–10 МГц) при возбуждении их в изделии. Этим методом измеряют толщину стенок изделий. При возможности измерения с одной стороны точность измерения составляет около 1%.

Велосиметрический метод эходефектоскопииоснован на измерении изменения скорости распространения упругих волн в зоне расположения дефектов в многослойных конструкциях; используется для обнаружения зон нарушения сцепления между слоями металла.

Импедансный метод основан на измерении механического сопротивления (импеданса) изделия датчиком, сканирующим поверхность и возбуждающим в изделии упругие колебания звуковой частоты. Этим методом можно выявлять дефекты в соединениях материалов. Обнаруживаемые дефекты площадью от 15 мм² и более отмечаются сигнализатором и могут записываться автоматически.

Метод свободных колебанийоснован на анализе спектра свободных колебаний контролируемого изделия, возбужденного ударом; применяется для обнаружения зон нарушения соединений между элементами в многослойных конструкциях значительной толщины.

К методам НК, не требующим сканирования контролируемых объектов, относятся ультразвуковая голография и голографическая интерферометрия. Возможность реализации голографии в ультразвуке базируется на свойстве когерентности ультразвуковых колебаний, получаемых с помощью обычных ультразвуковых излучателей. Метод голографической интерферометрии основан на том, что восстановленное с голограммы изображение полностью совпадает с реальным объектом.

Неразрушающий контроль магнитным методом основан на взаимодействии магнитного поля с подконтрольным объектом.

Поверхностные дефекты типа волосовин, трещин, непроваров в изделиях выявляют в основном магнитопорошковым или магнитолюминесцентным методами, используя специальные порошки, суспензии и пасты, которые наносят на предварительно намагниченные объекты контроля, и затем рассматривая картину их распределения на поверхности. Поле рассеяния можно фиксировать на магнитной ленте, которую накладывают на исследуемый участок намагниченного изделия (магнитографический метод). Используют также феррозонды, которые при движении по изделию в месте дефекта фиксируют изменения импульса тока, регистрирующиеся на экране осциллоскопа (феррозондовый метод). Феррозондовый метод наиболее целесообразен для обнаружения дефектов на глубине до 10 мм и в отдельных случаях до 20 мм в изделиях правильной формы. Он позволяет полностью автоматизировать контроль и разбраковку. Намагничивание изделий производится магнитными дефектоскопами, создающими магнитные поля достаточной напряженности. После проведения контроля изделия тщательно размагничивают.

Методы магнитной дефектоскопии применяют для исследования структуры материалов (магнитная структурометрия) и измерения толщины (магнитная толщинометрия). Магнитная структурометрия основана на определении основных магнитных характеристик материала (коэрцитивной силы, индукции, остаточной намагниченности, магнитной проницаемости). Магнитную структурометрию применяют для определения структурных составляющих материала, обладающих магнитными характеристиками.

Неразрушающий контроль электрическим методом основан на взаимодействии электрического поля с подконтрольным объектом и широко применяется для контроля как проводящих, так и диэлектрических материалов.

Термоэлектрическая дефектоскопия основана на измерении термо-ЭДС, возникающей в замкнутой цепи при нагреве места контакта двух разнородных материалов. Трибоэлектрическая дефектоскопия основана на измерении ЭДС, возникающей при трении разнородных материалов. Измеряя разность потенциалов между эталонными и испытуемыми материалами, можно различить марки некоторых сплавов. Электростатическая дефектоскопия основана на использовании электростатического поля, в которое помещают изделие. Для обнаружения поверхностных трещин в изделиях их опыляют тонким порошком мела из пульверизатора с эбонитовым наконечником (порошковый метод). При этом частицы мела получают положительный заряд. В результате неоднородности электростатического поля частицы мела скапливаются у края трещин.

При неразрушающем контроле методом скоростной видеосъемки применяются скоростные видеокамеры с возможностью произведения видеосъемки со скоростью 150 000 кадров в секунду. Применение неразрушающего контроля методом скоростной видеосъемки позволяет отслеживать правильность и порядок функционирования быстродействующего оборудования, анализировать его производительность, уменьшить стоимость обслуживания.

С помощью вихретоковых методов неразрушающего контроля определяют микротрещины различных соединений и поверхнестей. Применяются они для анализа качества электропроводящих материалов. Преимущество вихретоковых методов – универсальность и функциональность.

Тепловые методы неразрушающего контроля основаны на регистрации ИК-излучения, исходящего с поверхности нагретого тела, или его теплового поля приемниками различного типа. Инфракрасной дефектоскопией контролируют изделия, нагревающиеся в процессе работы. Дефектные участки в изделии изменяют тепловой поток. Поток ИК-излучения пропускают через изделие и регистрируют его распределение теплочувствительным приемником. Достоинствами теплового контроля являются дистанционность, высокая скорость обработки информации, высокая производительность испытаний, высокое линейное разрешение.

Различают пассивный и активный тепловой неразрушающий контроль (ТНК). Пассивный ТНК не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия. Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешними источниками энергии. В методе активного ТНК можно выделить три основных направления развития: тепловая дефектоскопия, тепловая дефектометрия и тепловая томография.

Тепловая дефектоскопия состоит в определении факта наличия дефекта и его расположения в объекте контроля (в настоящее время это наиболее разработанное направление). Тепловая дефектометрия – направление активного ТНК, представляющее методы и средства количественной оценки глубины залегания дефектов, их толщины и поперечных размеров. Тепловая томография является последующим развитием тепловой дефектоскопии и состоит в послойном синтезе внутренней структуры объекта контроля на основе использования методов проективной компьютерной томографии. Неоднородность строения материалов можно исследовать также методом ультрафиолетовой дефектоскопии.

Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Метод более эффективен при использовании электронно-оптических преобразователей. Применение рентгенодефектоскопии эффективно для деталей сравнительно небольшой толщины (80–250 мм). Для этого используют промышленные рентгеновские установки с энергией излучения от 5–10 до 200–400 кэВ (1 эВ = 1,602 10 10^–19Дж). Изделия большой толщины (до 500 мм) просвечивают сверхжестким электромагнитным излучением с энергией в десятки мегавольт, получаемым в бетатроне.

Гамма-дефектоскопия имеет те же физические основы, что и рентгенодефектоскопия, но использует излучение γ-лучей, испускаемых искусственными радиоактивными изотопами различных металлов (кобальта, иридия, европия и др.). Этот метод имеет существенные преимущества перед рентгенодефектоскопией: аппаратура для γ-дефекто- скопии сравнительно проста, источник излучения компактный, что позволяет обследовать труднодоступные участки изделий. Этим методом можно пользоваться также в полевых условиях.