книги / Справочник по производственному контролю в машиностроении

Выявление поверхностных дефектов металлов

841

изменен на светло-коричневый или темно-красный, если порошок из­ влечь из печи при температуре 80—100° С и охладить на воздухе. Свет­ лый магнитный порошок можно получить при добавке к черному алю­ миниевой пудры.

Точность обнаружения поверхностных дефектов можно повысит!? приготовлением суспензии, т. е. жидкости, содержащей масло, керо­ син, водный мыльный раствор с концентрацией мыла 0,2—0,3% на 1 л, в котором твердые частицы ферромагнитного порошка находятся во взвешенном состоянии.

Для получения керосиновой или масляной суспензии на 1л жидко­ сти вводится 25—35 г порошка.

Рис. 14.11

Погружение детали в ванну с суспензией дает более высокую точ­ ность, чем поливка ее. Время пребывания детали в ванне около 1мин.

Для обнаружения внутренних дефектов более чувствительным является способ нанесения магнитного порошка в сухом виде. При этом выявляются трещины, перпендикулярные силовым линиям магнитного

потока на глубине до 7 см от поверхности.

На рис. 14.11 показана зависимость глубины обнаруживаемого дефекта от силы намагничивающего тока и условий проведения испы­ таний. Кривые характеризуют способ нанесения порошка: 1 — в виде суспензии при переменном токе; 2 — в сухом виде при переменном токе; 3 — в виде суспензии при постоянном токе; 4 — в сухом виде при по­ стоянном токе.

Получает распространение намагничивание^импульсами тока или мгновенное намагничивание. Продолжительность действия поля, оп­ ределяемая длительностью импульса тока от разряда конденсаторов, составляет приблизительно от 10~а до 10““ с. При этом толщина нама­ гниченного слоя получается очень малой, но вполне достаточной для выявления поверхностных дефектов. Максимальная напряженность поля для закаленной стали рекомендуется порядка 100—130 э (от 1,25 до 1,65 А/м).

При использовании мгновенного намагничивания материал кон­ тролируемой детали должен иметь высокую коэрцитивную силу, т. е.

842 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

находится в состоянии закалки в случае изделий из углеродистой стали. Детали^прошедшие магнитный контроль, подвергаются обязатель­ ному размагничиванию. Детали, намагниченные переменным током, размагничиваются пропусканием через соленоид, напряженность ма­ гнитного поля которого убывает от максимума до нуля. Размагничи­ вание деталей, намагниченных постоянным током, осуществляется в постоянном поле, но при обязательной перемене направления поля и постепенном уменьшении его напряженности до нуля. Размагничи­ ванию не подлежат детали (например, отливки), подвергающиеся на­ греву выше критической температуры после магнитного испытания. Дефектоскопия методом магнитных порошков нашла широкое применение на машиностроительных заводах для контроля различных по размеру и назначению изделий; осей, валов, зубчатых колес, турбин­ ных лопаток, различного инструмента и может быть также использо­ вана для обнаружения поверхностных трещин в сварных соединениях.

Магнитная структуроскопия

Магнитная дефектоскопия дает возможность контроля стальных и чугунных деталей и позволяет судить о структуре материала детали по показателям магнитных свойств.

Ферромагнитные свойства металлов и сплавов зависят от их фазо­ вого и структурного состояния. Структурно чувствительными являются свойства, определяющие техническое намагничивание: коэрцитивная сила, проницаемость или восприимчивость, остаточная индукция. Преимущественно эти свойства зависят от дисперсности и формы кри­ сталлов, их ориентировки и расположения и искажения атомно-кристал­ лической решетки.

По величине коэрцитивной силы можно контролировать изделие после термической обработки, например после отпуска, проведенного при различных температурах, а также определять в изделиях толщину цементированного, азотированного и закаленного слоев.

После намагничивания до насыщения контролируемого изделия направление тока изменяют, размагничивая изделие. Сила тока, размагничивающая изделие, отсчитываемая по миллиамперметру, пропорциональна коэрцитивной силе и может быть сравнена со свой­ ствами стандартного образца. Этот принцип использован для контроля шариковых и роликовых подшипников после термообработки на 1ГПЗ.

Ко э р цит и метр конструкции Н. М. Михеева, позволяющий судить о магнитных свойствах на отдельных участках изделия, дает возможность проверить глубину цементированного и закаленного слоев, а также глубину сбезуглероженного слоя.

С помощью индукционного дифференциального а у с т е н и т о - м е т р а Н. С. Акулова можно контролировать, достаточно ли полно прошел процесс превращения остаточного аустенита в мартенсит при отпуске режущих инструментов из быстрорежущих и высокохромистых инструментальных сталей, склонных к сохранению этой вредной (для режущих свойств) структурной составляющей после однократного от­ пуска. В этом приборе стандартный образец и испытуемый инструмент намагничиваются переменным током. По величине электродвижущих сил, отмечаемых милливольтметром и индуктируемых в катушках, можно установить допуск на различие структурного состояния в испы­ туемых одновременно стандартном и контролируемом образцах.

Выявление внутренних дефектов металлов

843

8.ВЫЯВЛЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ МЕТАЛЛОВ

Ультразвуковая дефектоскопия

Выявление внутренних дефектов вдеталях с помощью ультразвука основано на свойстве ультразвуковых волн отражаться от границы двух сред — металла и воздуха. Пропуская через деталь ультразвук и ула­ вливая его отражение от внутренних трещин или раковин, можно по направлению и силе отраженного ультразвука определить место, про­ тяженность и глубину этих дефектов [1,5, 14].

Источником возбуждения ультразвуковых волн высокой частоты является пьезоэлемент в виде пьезокварца или кристалла титаната

бария,	колебания которых передаются
контролируемой детали. Рыхлоты, не­
однородность, включения графита пре­
пятствуют проникновению			ультра­
звука.
В жидких и газообразных телах
распространяются только продольные
ультразвуковые колебания. В твердых
телах возможны продольные, попереч­
ные и	поверхностные волны.
Па	Ирак гике находят применение
дефектоскопы с непрерывным			излуче­
нием и	импульсные.	Различают три
основных метода ультразвуковойдефек­
тоскопии: теневой,		метод отражения
и резонансный. Приборы, работающие

по последнему принципу, находят применение для измерения толщины

стенки изделия,		где прямое измерение затруднено. Дефектоскопы
с непрерывным	и	импульсным излучением	ультразвука применимы
для контроля	нарушений металлической		сплошности	детали в виде
трещин, шлаковых включений, засоров, пористости и				волосовин раз­
мером не менее */3		длины волны (табл. 14.2).

Если направленный в однородную металлическую среду пучок ультразвуковых волн встретит на своем пути инородное тело или несплошность с иными акустическими свойствами (рис. 14.12), то при прохождении через него интенсивность пучка уменьшается в резуль­ тате поглощении и рассеяния, образуя за собой «звуковую тень» раз­ мером 1Х

= /0 — Ы tg 0,

где /0 — размер инородного тела или несплошность. Vгол 0 может быть найден из отношения

s in e = 1 ,2 2 -А- А'и

где DJI — диаметр излучателя; X — длина волны.

Применение способа «звуковой тени» требует размещения npi ника и излучателя ультразвука по разным сторонам контролируег изделия, а наличие в последнем дефекта обнаружится по измене интенсивности звукового луча, прошедшего через дефект.

844 контроль механических свойств металлов и пластмасс

ТАБЛИЦА 14.2

Импульсные методы ультразвуковой дефектоскопии

Выявление внутренних дефектов металлов

845

Дефект может быть обнаружен также и способом отражения или эхо-методом, когда приемники и источник посылаемого ультразвука расположены по одной стороне контролируемой детали. При этом дефект обнаруживается в результате отражения от него ультразвуко­ вой волны.

Наличие дефекта можно обнаружить по отклонению стрелки мил­ ливольтметра, появлению всплесков на экране электронно-лучевого осциллоскопа и т. д. Таким образом контроль осуществляется косвен­ ной оценкой. Однако на экранах специальных дефектоскопов можно наблюдать и конфигурацию дефекта, т. е. контроль может осуществ­ ляться с визуальной оценкой.

Наиболее распространенным методом ультразвукового контроля является эхо-импульсный метод, блок-схема которого показана на рис. 14.13. Синхронизирующий генератор В периодически, через не­ сколько микросекунд, вырабатывает сигнал, синхронизирующий ра­ боту отдельных блоков дефектоскопа, в частности генератора высокой частоты А (С — генератор развертки). Генератор А, вырабатывая им­ пульс продолжительностью в несколько долей микросекунды, подает его на искательную головку или излучатель, в котором электрические колебания с помощью пьезопластины преобразуются в механические, т. е. ультразвук, который распространяется в контролируемую деталь.

При наличии в контролируемой детали дефекта ультразвуковая волна от него отразится и попадет в приемник, т. е. приемную головку, где пьезопластипа вследствие прямого пьезоэффекта превратит этот механический импульс в электрический. Последний, будучи усилен в приемно-усилительиом тракте, попадает на пластины вертикальной электронно-лучевой трубки, которая входит в состав устройства, называемого индикатором.

Если к некоторому моменту времени электронный луч на экране трубки пройдет путь аб, то наличие дефекта образует в точке б всплеск, величина которого зависит от размера дефекта, а в точке в — отраже­ ние от дна. Поэтому на экране трубки отражается диаграмма, по гори­ зонтальной оси которой отложено время, пропорциональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной—интенсивность отраженного от дефекта импульса* Расчетом можно установить, если дефектоскоп не имеет глубиномера, координаты дефекта.

846 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

Излучательные головки, служащие для преобразования электри­ ческих колебаний в ультразвуковые для введения их в контролируе­ мую деталь, могут быть прямые, вводящие ультразвуковой луч перпен­ дикулярно поверхности, наклонные, направляющие луч под углом без преломления, и преломляющие, вводящие вметалл как продольные, так и поперечные волны под углом до 90°. Для приема отражаемого ульт­ развукового луча и преобразования его в электрический импульс применяется приемная головка.

Иногда в качестве излучателя и приемника служит одна головка, что находит все большее распространение.

Наиболее распространенные типы отечественных ультразвуковых дефектоскопов: УЗД-16, УЗД-7Н, УЗД-1М, УЗД-12Т, УЗД-НИИМ-10,

	УЗД-60,	ДУК-6В, ДУК-8, ДУК-13,
	ДУК-66, ДУК-13ММ, ДУК-21, УДМ-1М,
	УДИ-10 и др.
	Примером резонансного метода может
	быть схема, приведенная на рис. 14.14.
	Изделие	1У помещенное в масляную ван­
	ну 2Уподвергается прозвучиванию от ис­
	точника	ультразвуковых волн 4, к кото­
	рому по проводнику 3 поступает ток вы­
	сокой частоты. Со стороны, противопо­
	ложной	ходу лучей, на изделие устанав­
	ливают сосуд 5 с маслом. На поверхность
	масла от источника 6 падает свет, кото­
	рый, отражаясь, дает на экране 7 изобра­
Рис. 14.14	жение этой поверхности. Ультразвук,
	проходя	через деталь, вызывает на по­

верхности масла в сосуде 5 систему волн, которая будет меняться в зависимости от наличия на пути ультразвука тех или иных внутренних дефектов. Перемещая контролируемую де­ таль в масляной ванне в желаемом направлении и изучая картину по­ верхности масла в сосуде 5, можно обнаружить места расположения различных дефектов. Дефектоскопы, построенные по этому принципу, успешно работают для прозвучивания массивных изделий. Помимо использования ультразвуковых колебаний для выявления внутренних дефектов в материалах, они широко применяются при контроле ка­ чества металлических и неметаллических изделий, а также при кон­ троле технологических процессов. Приведем краткий перечень областей применения ультразвука для указанных целей:

1) автоматический контроль величины зерна в сплавах;

2)контроль качества материалов путем определения величин скоростей ультразвуковых колебаний;

3)исследование степени однородности распределения углерода

встали;

4)исследование и контроль структурного строения сплавов;

5)определение степени анизотропии сплавов;

6)контроль качества точечной сварки по осциллограммам зату­ хания ультразвуковых колебаний.

Выявление внутренних дефектов металлов

847

Дефектоскопия просвечиванием

Метод выявления дефектов просвечиванием заключается в оценке интенсивности проникающего излучения, проходящего через изде­ лие [7, 10].

Изделие с толщиной стенки D подвер­ гается облучению пучком рентгеновских лу­ чей с интенсивностью /0 (рис. 14.15). Так как металл частично поглощает рентгеновские лучи, то, пройдя через тело контролируемого изделия, пучок лучей будет падать на свето­ чувствительную пленку А ослабленным. Однако при этом интенсивность лучей, про­ шедших через бездефектный участок изде­ лия ID , будет меньше интенсивности лучей, прошедших через раковину в его теле Io-d* так как на длине раковины d эти лучи не поглощались.

Проявив пленку, можно определить положение и размеры дефек­ тов в изделии по положению и интенсивности черных пятен на пленке.

Ввиду того, что предельная толщина просвечивания зависит от сорта ‘металла, один снимок не может дать глубины залегания (рис. 14.16, а). Поэтому необходимо сделать второй, дополнительный снимок либо в на-

8)	в)	-t1 _
			/
	/ '	f	г//
	1		/
		11/
	1Jт!Ч
	'		•>N
	//		1—7
	-У*L—
	Рис. 14.16

правлении, перпендикулярном первой оси (рис. 14.16, б), либо под некоторым углом к первому снимку (рис. 14.16, в).

Из подобия треугольника можно написать:

или

*2	*!•+ *2	Уг\
	У1+У2

таким образом местоположение дефекта точно устанавливается.

848 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

Можно также сделать два снимка в одной плоскости так, чтобы иметь возможность рассматривать полученные негативы в стереоскопе для наглядного изучения дефекта в пространстве.

Вместо фотографирования можно применять для обнаружения де­ фекта метод визуального наблюдения, если заменить светочувствитель­ ную пленку люминесцирующим экраном. В табл. 14.3 ориентировочно дана предельная толщина просвечивания рентгеновскими лучами.

Т А Б Л И Ц А 1 4 .3

П р е д е л ь н а я то л щ и н а п р о св е ч и в а н и я (в м м ) н е к о то р ы х м а те р и а л о в

р е н тге н о в ск и м и л уч а м и пр и 200	к В , 15 А	с д в у м я у с и л и в а ю щ и м и		э к р а н а м и
	П р о д о л ж и т е л ь н о с т ь		э к с п о з и ц и и	в мин
М а те р и а л	М а л о е п о л е		Б о л ь ш о е по л е
	10	60	10	60
А л ю м и н и й	210	245	325	380
Ж е л е з о	55	65	70	80
М ед ь	35	40	40	50

П р о с в е ч и в а н и е у - л у ч а м и [7]. Источниками излу­ чения у-лучей являются радиактивные элементы (естественные или искусственные).

Обычно препарат радиоактивного элемента помещают в специаль­ ную герметически запаянную ампулу диаметром в несколько миллимет­ ров и длиной 30—40 мм. Ампула хранится и транспортируется в свин­ цовом контейнере, толщина стенок которого зависит от применяемого радиоактивного препарата. Ампула с препаратом представляет собой источник у-лучей с большим сроком действия.

Искусственные источники у-лучей — радиоактивные изотопы в за­ висимости от энергии у-лучей разделяются на три группы: с жестким излучением, средним и мягким. Например, 60Со27 обладает жестким излучением (период полураспада 5,3 года). Излучение средней жесткости имеют селен, гафний, иридий; ванадий, хром, серебро, кадмий и цезий дают мягкое излучение. Наличие источников с мягким и средним у- излучением имеет большое значение, так как дает возможность повы­ сить чувствительность снимков при просвечивании металлов малых толщин.

Интенсивность излучения радиоактивного препарата по сравне­ нию с интенсивностью рентгеновских лучей во много раз меньше, в связи с чем продолжительность экспозиции для препарата больше; например, для препарата радия составляет несколько часов. Тем не менее приме­ нение радиоактивных препаратов в ряде случаев имеет преимущество, например, оно весьма облегчает подход к соответствующему месту кон­ тролируемого изделия вследствие небольшого источника облучения (ампула). Радиоактивный препарат позволяет одновременно просве­ чивать несколько объектов. Крупную полую деталь (например, при контроле сварного крупного шва барабана котла) у-лучи просвечивают целиком, в то время как при рентгеновской съемке потребовалось бы просвечивание по частям.

Выявление внутренних дефектов металлов

849

Малоконтрастное изображение дают у-лучи большой жесткости, что при одновременном просвечивании изделий с различной толщиной стенки способствует получению снимка без передержки или недодержки

вразных местах детали.

Втабл. 14.4 дана примерная экспозиция при просвечивании у-лучами некоторых металлов с различной толщиной стенки.

					Т А П Л И Ц А 14 .4
П р и м е р н а я	э к с п о з и ц и я (в	ч )	п р и	п р о св е ч и в а н и и с т а л и ,	меди	и а л ю м и н и я
Y -л уч а м и	(и с т о ч н и к —	100	м г	р а д и я , ф о к усн о е р а с с	т о я н и е	— 0 ,5 м )

Т о л щ и н а в см

2 ,5

5

10

15

20

С т а л ь

0 ,5 - 1,5

1, 5 - 3 , 6 5 — 10

1о СО

0

100

М едь	А л ю м и н и й
0 .5 0 .2	0 , 2 - 0 , 5
2 — 4	0 ,6 — 1
0 - 1 8	4 - 0
4 0 - 8 0	10 — 25
—	—

Определение толщины контролируемых деталей, доступных с одной стороны

При определении толщины стенок детелей, доступ к которым воз­ можен лишь с одной из сторон, широко применяются методы, основан­ ные на поглощении радиоактивных излучений при прохождении их через материалы. Измеряя интенсивность бетаили гамма-излучения, прошедшего через слой того или иного материала, легко установить зависимость ее как от рода материала, так и от толщины его слоя. Как известно, зависимость эта выражается следующей формулой:

Ах = —	In ~ -	У
[I	I
где Ал: — толщина слоя; jn — линейный		коэффициент ослабления дан-»

ного материала; / 0 — начальная интенсивность излучения; / — интен­ сивность излучения после прохождения им слоя данного материала

толщиной Ал;.

По кривым поглощения бетаили гамма-излучения для применяв, мого радиоактивного изотопа легко определить толщину контролируе­ мой детали. Вид зависимости степени ослабления интенсивности радиоак­ тивного излучения I от толщины слоя Ах, через который оно прошло, характеризуется кривой, показанной на рис. 14.17.

При определениях толщин тонкостенных деталей применяют радио­ активные изотопы, дающие мягкое излучение типа стронций-90, а при определениях толщин толстостенных деталей—изотопы, дающие жест­ кое излучение, типа кобальт-60. Широко используется рассматривае­ мый метод при производстве автоматического контроля листового проката различных толщин. Принципиальная схема подобного толщи­ номера приведена на рис. 14.18 (/ — источник излучения; 2 — кон­

850	Контроль механических свойств металлов и пластмасс
тролируемый		лист; 3 — индикатор — ионизационная камера или счет­
чик	частиц;	4 — указывающий прибор).
	Установки подобного типа (например, ИТУ-495) позволяют произ­

водить автоматический контроль листового материала толщиной 0,05— 1 мм с точностью порядка 1,5—2%. Для поддержания толщины проката в заданных пределах в схему установки включается специальное реле, воздействующее на механизм, регулирующий расстояние между вали­ ками прокатного стана. Подобный метод контроля равномерности тол­

щины листовых	материалов используется не только для металлов, но
и для других	материалов.

Рис. 14.18

Кроме бесконтактного определения толщины детелей, а также тол­ щины покрытий, метод измерения интенсивности отраженного рассеян­ ного излучения нашел применение при определениях содержания ком­ понентов в двухфазных системах. Применяя радиоизотопный прибор, основанный на рассмотренном принципе, можно определять процентный состав бинарных сплавов. Эта-^возможность основана на том, что атомы разных металлов имеют различную отражающую способность. Чем больше различие атомных весов компонентов сплава, тем чувствитель­ ность метода определения процентного состава сплава выше. При опре­ делении содержания вольфрама в стали рассмотренный метод обеспе­ чивает точность определения порядка 0,2—0,5%.

Области применения радиоактивных изотопов при контроле про­ текания технологических процессов:

1) контроль уровней в закрытых резервуарах;

2)контроль степени износа вкладышей подшипников;

3)контроль обезуглероживания и перераспределения углерода при термической обработке сплавов;

4)исследование процессов распределения элементов между метал­ лом и шлаком;

5)наблюдение за кинетикой плавления скрапа и его сортировка;

6)	исследование зон сплавления в сварных швах;
7)	определение содержания компонентов в сплавах;

8)' определение степени износа футеровки металлургических печей;

9)контроль толщины проката;

10)определение скорости кристаллизации и диффузии в. сплавах.

Кроме того, радиоактивные изотопы широко используются в самых разнообразных областях техники.