Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Методы и приборы неразрушающего контроля»

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ МОДЕЛи ДЕФЕКТа

Методические указания

к лабораторной работе № 70

по дисциплине

«Методы и технологии магнитного контроля»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач магнитного неразрушающего контроля (далее – НК) является контроль сплошности (дефектоскопия). Магнитная дефектоскопия осуществляется путем регистрации магнитных полей рассеяния, создаваемых дефектами.

Для успешной и надежной работы магнитных дефектоскопов, основанных на индикации локальных магнитных полей рассеяния от дефектов, необходимо иметь достаточно полную информацию о пространственном распределении магнитных полей как от реальных дефектов (волосовин, трещин, закатов и т.п.), так и от дефектов типа магнитных неоднородностей, обусловленных технологией производства, колебаниями химического состава материала и т. д.

1. Цель работы

Изучение особенностей пространственного распределения (топографии) магнитных полей рассеяния от моделей дефектов. Приобретение навыков по анализу расчетных зависимостей и результатов эксперимента.

2. Краткие сведения из теории

Достаточно полное и физически обоснованное представление об образовании магнитного поля рассеяния вблизи дефекта можно получить расчетно-аналитическим методом [1]. Выводы, полученные этим методом, позволяют правильно представить схему распределения магнитных силовых линий поля рассеяния дефекта внутри намагниченной детали и над ее поверхностью (рис. 1). На рисунке показан контролируемый объект (далее – КО) в виде длинного цилиндрического стержня с одной внешней граничной поверхностью. Предположим, что материал стержня однороден по своим магнитным свойствам и имеет относительную магнитную проницаемость μ_1. В однородном внешнем магнитном поле материал стержня приобретает намагниченность J. На некоторой глубине под этой поверхностью находится

Рисунок 1- Схема поляризации стенок дефекта и линии магнитного поля.

внутренний дефект, сжатый в направлении внешнего поля H₀. Материал внутри дефекта однороден, относительная магнитная проницаемость равна μ₂. При этом, μ₂ значительно меньше μ₁. Тогда намагниченность J₂ материала, заполняющего дефект, будет меньше намагниченности J₁ остальных участков стержня. Поэтому часть векторов намагниченности будет обрываться на границе КО - дефект и снова начинаться на границе дефект - КО. Известно, что каждый конец линии намагниченности действует как некоторый положительный магнитный заряд, а каждое ее начало как магнитный заряд противоположного знака. В результате этого границы или стенки дефекта будут поляризованы, положительными и отрицательными магнитными зарядами (смотри рис. 1). Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. Над участком намагниченной детали, в пределах которого находится внутренняя трещина или иной дефект, суммарное поле магнитных зарядов направлено в ту же сторону, что и внешнее поле H₀, т.е. усиливает его действие. Суммарное поле магнитных зарядов H_д называется полем р а с с е я н и я д е ф е к т а. Оно имеет сосредоточенный характер с максимальным значением напряженности непосредственно над дефектом.

Магнитные поля рассеяния от различных простейших моделей дефектов исследованы теоретическими методами, аналогичными используемыми в электростатики [2]. Основной результат таких исследований – получение распределения магнитных полей рассеяния в виде функции распределения тангенциальной (касательной) H_x и нормальной H_y составляющих поля рассеяния над КО вблизи дефекта. Начало прямоугольной системы координат помещено посредине раскрытия модели дефекта, ось Х направлена вдоль поверхности КО, ось У – перпендикулярно к ней.

Магнитные методы применяют, в основном, для обнаружения дефектов типа трещин, волосовин, рисок, надиров, закатов и т.п. [3]. Такие дефекты отличаются тем, что у них глубина намного больше ширины (или сравнима с ней). У таких дефектов магнитные заряды распределены в двух измерениях -по длине и глубине. Поле H_д можно уподобить полю "ленточного магнитного диполя", состоящего из двух заряженных пластин (граней, лент) бесконечной или конечной длины, причем расстояние между ними (ширина диполя) и их высота (глубина диполя) в первом приближении совпадают с параметрами действительного дефекта [4].

На рисунке 2 приведены две совершенно различные модели А и В для расчета поля рассеяния H_д трещины конечной глубины. Модель А относится к расчетам поля рассеяния по методу [4], при котором поле ленточного диполя с постоянной магнитной плотностью заряда приравнивают к полю рассеяния щели конечной глубины h и ширины 2b. Полученные уравнения для компонент H_x и H_y имеют вид

Модель а

Модель в

Рисунок 2 – Распределение потока рассеяния трещины конечной глубины по Н.Н. Зацепину и В.Е. Щербинину (модель А) и по Фёрстеру (модель В)

, ( 1 )

, ( 2 ),

где δ – плотность магнитных зарядов (неизвестна).

Для модели В из строгого решения полей рассеяния бесконечно глубокой трещины получены приближенные уравнения. Затем определён вклад трещины глубиной h во внешний поток рассеяния дефекта от общего действия бесконечно глубокой трещины путем образования разности общего действия бесконечно глубокой трещины и части трещины конечной глубины, которая начинается ниже глубины h [5]. Полученные уравнения для компонент H_x и H_y имеют вид

, ( 3 )

, ( 4 )

где H_S – напряженность магнитного поля внутри трещины.

Результаты расчетов для обеих моделей А и В приведены на рис.3. При этом обе кривые Н_х/Н_хmах и Н_у/Н_хmах нормируются к значению Н_хmах при х =0. Тогда максимум Н_х для обеих моделей А и В без знания δ и H_s получает значение 1. Для модели А расчетные точки изображены кружками, для модели В – крестиками. Топография кривых для Н_х/Н_хmах и Н_у/Н_хmах хорошо совпадает: след окружности (модель А) и крестика (модель В) явно соответствуют совершенно одинаковым кривым.

Рисунок 3 – Сравнение топографии Н_х/Н_хmах и Н_у/Н_хmах для моделей А и В (h=1мм, 2b=0,2мм, у=1мм)

Экспериментальные исследования закономерностей в распределении полей рассеяния дефектов могут быть исследованы с помощью устройств активного типа – феррозондов [1,4].

Теоретический и экспериментальный материал, их анализ и сравнение обычно используют для разработки технологий магнитного НК конкретных деталей.

Для проведения экспериментальных исследований будет использован прибор Ф-205.30А. Описание и порядок работы с прибором приведены в приложении А методического указания к лабораторной работе № 72 по дисциплине « Методы и технология магнитного контроля».

3. Вопросы для самопроверки

3.1 Определения, единицы измерения магнитных величин, применяемых при магнитном контроле

3.2 Сущность физического представления об образовании магнитного поля рассеяния вблизи дефекта ?.

3.3 Факторы, определяющие величину магнитного поля рассеяния дефектов ?.

3.4 Как и почему должен быть ориентирован предполагаемый дефект относительно линий магнитного поля для его выявления ?.

3.5 Дайте определение магнитного поля рассеяния дефектов различного типа (вида) ?.

3.6 Какие модели дефектов используются для описания топографии магнитных полей реальных дефектов ?.

3.7 Чем определяется выбор вида тока при выявлении поверхностных и внутренних дефектов ?.

3.8 В чем особенности выбора режимов магнитного контроля для магнитомягких и магнитотвердых материалов ?.

4. Задание на подготовку к работе

4.1 С помощью формул (1)….(4) выполнить расчет топографии магнитостатического поля рассеяния модели дефекта в виде зависимостей Н_х/Н_хmах= f(х) и Н_у/Н_хmах= f(х). Исходные данные для расчета выдаются преподавателем.

4.2 Законспектировать, рассмотрев эксплуатационную документацию на магнитоферрозондовые дефектоскопы, разделы записи характеристик поля дефекта и передачи информации на компьютер.

4.3 Изучить порядок выполнения работы.

5. Оборудование для выполнения лабораторной работы

Для проведения экспериментальных исследований магнитных полей рассеяния моделей дефектов необходимы:

- прибор измерительный магнитоферрозондовый комбинированный Ф-205.30А;

- переносное намагничивающее устройство МСН-14;

- набор феррозондовых преобразователей (полемер и градиентомер);

- набор образцов с реальными и моделями дефектов;

- оптические устройства (лупы, бинокулярные стереоскопические микроскопы, зеркала, эндоскопы);

- линейка, мел.

6. Порядок выполнения работы

6.1 Подготовить прибор к работе. Для этого:

- включить прибор кнопкой «ВКЛ»; должен загореться диод «ПИТАНИЕ» и на экране появиться логотип «Микроакустика»;

- кнопками «РЕЖИМ +» или «РЕЖИМ -» вывести на экран прибора режим измерения градиента напряженности магнитного поля.

6.2 Осмотреть поверхность КО с моделями дефектов. При обнаружении дефекта, предполагаемое местоположение отметить мелом.

6.3 Произвести намагничивание детали с помощью МСН-14.

6.4 Произвести настройку прибора на пороговый уровень.

6.5 Провести сканирование контролируемой детали. В случае обнаружения дефекта, пометить место обнаружения дефекта мелом и записать в память прибора распределение поля рассеяния дефектов.

6.6. После контроля образцов с моделями дефектов перевести прибор в состояние готовности к передаче информации на компьютер.

6.7 Обработать на компьютере принятую информацию в соответствии с документом «Пакет программ РМД-1. Руководство по эксплуатации» МКИЯ.НД-03 РЭ.

6.8 Оформить отчёт по лабораторной работе.

7. Содержание отчёта

Отчёт по лабораторной работе оформляется каждым студентом самостоятельно в тетради лабораторных работ по курсу «Методы и технологии магнитного контроля». Все эскизы, рисунки и таблицы должны быть выполнены с применением необходимых чертёжных инструментов.

В отчёте должны быть представлены:

- эскизы контролируемой детали;

- последовательность технологических операций с объяснениями каждой;

- заключение о совпадении результатов расчета и эксперимента;

- выводы.

Отчёт должен быть подписан автором с указанием даты оформления.

Список литературы

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В. Клюева, Кн.2. М.: Машиностроение,1986.

2. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.3. Электромагнитный контроль контроля: Практ. пособие /Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1992.- 312 с.

3. Шелихов Г.С. Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов. ГпНтц «Энергия», 1995.

4. Зацепин Н.Н., Щербинин В.Е. К расчету магнитостатического поля поверхностных дефектов. - Дефектоскопия. 196. № 5. с. 50-59.

5. Фёрстер Ф. Неразрушающий контроль методом полей рассеяния. Теоретические и экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов конечной и бесконечной глубины. - Дефектоскопия. 1982. № 11. с. 3-11.

6. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. –Екатеринбург: УрО РАН, 1996.

7. Руководство по эксплуатации феррозондового дефектоскопа Ф-205.30А МКИЯ.427633.001-30А РЭ. Микроакустика, Екатеринбург 2005;