- •В. Е. Поляков
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Основы взаимодействия различных видов излучений с веществом
- •1.1. Ядерное взаимодействие
- •1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом
- •1.1.2. Взаимодействие заряженных частиц
- •1.1.3. Ядерные реакции при взаимодействии гамма-излучения
- •Пороги фотоядерных реакций для изотопов некоторых химических
- •Максимальные значения сечений фотоядерной реакции для ряда
- •1.2. Электромагнитное взаимодействие
- •1.2.1. Взаимодействие гамма-излучения
- •Энергия k-краев поглощения для ряда химических элементов
- •Взаимодействие рентгеновского излучения
- •Взаимодействие излучения ультрафиолетового, инфракрасного и видимого спектральных диапазонов
- •Взаимодействие излучения видимого спектрального диапазона с веществом
- •Взаимодействие инфракрасного излучения с веществом
- •Взаимодействие излучения радиочастотного диапазона
- •Глава 2. Метод масс-спектроскопии в задачах контроля металлов, сплавов и лома
- •2.1. Физическая сущность метода масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •Масс-спектрографе с двойной фокусировкой, и фотометрическая кривая этой спектрограммы (б) и области массового числа
- •2.2. Принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени
- •2.3. Типы лазеров и их параметры
- •2.4. Метод масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •2.5. Масс-спектрометры – средства контроля металлов, сплавов и лома
- •2.6. Типы масс-анализаторов, используемые в масс-спектрометре
- •2.7. Основы методики идентификации элементного состава вещества с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора
- •2.8. Эмиссионные спектроскопы для экспертного спектрального анализа черных и цветных металлов
- •2.8.1. Многоканальный эмиссионный спектрометр дсф-71 (ls-1000)
- •Составные части прибора имеют следующие особенности:
- •Технические характеристики
- •2.8.2. Многоканальный эмиссионный спектрометр серии мфс
- •Технические характеристики:
- •Источник возбуждения спектра – универсальный генератор угэ-4:
- •Унифицированная система управления и регистрации:
- •Источники питания:
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 2
- •Глава 3. Физические основы γ-флуоресцентного контроля металлов, сплавов, лома
- •3.1. Рентгеновские лучи
- •3.2. Рентгеновские спектры
- •Рентгеновская спектроскопия
- •Рентгеновская аппаратура. Рентгеновская камера и рентгеновская трубка
- •Рентгеновский гониометр
- •3.6. Рентгеновский дифрактометр
- •3.7. Рентгенофлуоресцентный кристаллдифракционный сканирующий вакуумный «Спектроскан-V»
- •3.8. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан»
- •3.9. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан-lf»
- •3.10. Основы методики идентификации элементного состава неизвестного вещества и определение концентрации ингредиентов с использованием метода гамма-флуоресцентного анализа
- •3.11. Методика безэталонного рентгеноспектрального анализа сталей
- •3.11.1. Методика анализа углеродистых сталей
- •3.11.2. Методика определения содержании металлов в питьевых, природных и сточных водах при анализе на сорбционных целлюлозных дэтата-фильтрах
- •3.11.3. Методика определения содержания металлов в порошковых пробах почв
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 3
- •Глава 4. Приборы и методы таможенного контроля состава металлов, сплавов, лома с использованием методов вихревых токов
- •4.1. Основы теории вихревых токов
- •4. 2. Распределение вихревых токов
- •4.3. Характеристики вещества и поля
- •4.4. Физические принципы метода вихревых токов (вт)
- •4.5. Области применения и классификация методов вихревых токов
- •Датчики и характерные физические процессы
- •4.7. Некоторые типовые конструкции датчиков
- •Контроль и влияние примеси на электропроводность некоторых металлов
- •Меди (б)
- •Электропроводность и температурный коэффициент некоторых
- •4.9. Методы и приборы измерения электропроводности немагнитных металлов
- •4.10. Общие положения. Порядок проведения измерений
- •4.11. Элементы методики исследования и выбор материала для контроля
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 4
- •Глава 5. Ультразвуковые методы контроля металлов, сплавов, лома и руд
- •5.1. Классификация акустических методов контроля
- •5.2. Ультразвуковая аппаратура
- •Подготовка к контролю
- •Порядок проведения контроля
- •5.3. Ультразвуковая аппаратура в неразрушающем контроле
- •5.4. Ультразвуковые преобразователи
- •5.5. Определение типа металла, сплава, лома по измерению скорости распространения упругих волн
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 5
- •Глава 6. Классификация радиометрических методов контроля состава руд
- •6.1. Методы определения элементного состава полезных ископаемых по спектрометрии вторичных излучений
- •6.2. Методы, основанные на взаимодействии гамма- или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов
- •6.3. Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом
- •Методы определения естественной радиоактивности пород, содержащих радиоактивные элементы
- •6.5. Люминесцентные методы контроля состава руд
- •6.6. Фотометрические методы контроля состава руд
- •6.7. Радиоволновые методы контроля руд
- •6.8. Технология сортировки руды
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 6
- •Заключение
- •Список используемой литературы:
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
Вопросы для самопроверки знаний по главе 4
Какими основными физическими величинами пользуются при анализе работы приборов с индукционными датчиками?
В чем заключается физическая сущность методов вихревых токов?
Какие схемы контроля с использованием вихревых токов Вам известны?
Объясните характеристику веществ, по которой вещества можно разделить на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Укажите области применения и классификацию методов вихревых токов.
Какие Вам известны типы датчиков вихревых токов?
Какие свойства металлов однозначно связаны с электропроводностью?
Глава 5. Ультразвуковые методы контроля металлов, сплавов, лома и руд
5.1. Классификация акустических методов контроля
Одними из ведущих методов неразрушающего контроля являются акустические методы контроля [42].
Акустические методы контроля основаны на применение упругих колебаний и волн в исследуемом (контролируемом) изделии и, в отличие от других методов неразрушающего контроля, в настоящее время интенсивно развиваются. Одна из причин широкого распространения акустических методов заключается в том, что свойства материалов, определяющие возбуждение и распространение механических колебаний, тесно связаны с физико-механическими характеристиками. В соответствии с ГОСТ 23829-79 акустические методы делятся на две группы:
использующие излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы);
основанные только на приеме колебаний и волн (пассивные методы).
На рис.5.1.1 приведена классификация акустических методов контроля.
В каждой из групп выделяются методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн (колебаний).
Активные методы делятся на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн.
В методах, использующих прохождение волн, применяются два преобразователя – излучающий и приемный, расположенные по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка. Применяется как непрерывное, так и импульсное излучение.
К методам прохождения относятся следующие [44]:
- Теневой метод основан на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта (рис.5.1.2, а).
- Временной теневой метод основан на запаздывании импульса, вызванном огибанием дефекта.
- Велосиметрический метод основан на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения вызывает уменьшение ее скорости, которое обычно измеряется по сдвигу фазы прошедшей волны.
- Зеркально-теневой метод основан на ослаблении сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (одного сигнала).
В методах отражения применяют, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы:
- Эхо-метод (рис.5.1.2, в) регистрирует эхо-сигналы от дефектов.
- Зеркальный эхо-метод основан на зеркальном отражении импульсов от дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведется контроль (рис.5.1.2,г). Для этого наклонные преобразователи (А и С) располагают по разные стороны изделия (К-метод) или по одну сторону изделия (А и В), используя отражение от нижней поверхности. Это повышает надежность выявления непроваров и трещин в сварных швах. В процессе контроля с помощью механических или электрических устройств выполняется условие .
При дельта-методе (рис.5.1.2,д) рассеянные на дефекте волны от преобразователя А принимаются преобразователем В непосредственно над дефектом. Метод позволяет получить визуальное изображение дефектов сварных швов в плане.
Реверберационный метод (рис. 5.1.3, а) предназначен для контроля слоистых конструкций типа металл-пластик. Он основан на анализе длительности реверберации ультразвуковых импульсов в одном из слоев.
Рис. 5.1.1.Классификация акустических методов контроля
а) теневой метод б) импедансный метод
в) эхо-метод
г) эхозеркальный метод
д) дельта метод
Рис.5.1.2. Схемы акустических методов дефектоскопии
а. Реверберационный метод б. Эхосквозной метод
в. Метод свободных колебаний
г. Резонасный метод
Рис. 5.1.3. Схемы акустических методов дефектоскопии
Например, когда преобразователь расположен на слое металла, ультразвуковые волны частично отражаются от границы его раздела с пластмассой, а частично проходят в пластмассу, что вызывает гашение ревербации. При некачественном соединение материалов отражение от границ их раздела будет больше, и длительность ревербации увеличиться.
Существует ряд методов, в которых используют принципы, как прохождения, так и отражения звука. При теневом эхо-методе, при котором анализируют как прошедшие, так и отраженные сигналы, и сквозном эхо-методе (рис. 5.1.3, б), при котором регистрируется прошедшее излучение, главным признаком дефекта служит появление сигналов, отраженных от дефектов после зеркального отражения волны от верхней и нижней поверхностей изделия. Преимуществом последних методов является возможность выявления слабо отражающих ультразвук дефектов.
Методы отражения и прохождения звука отличаются также по регистрируемому параметру: по амплитуде сигнала (теневой или дельта-методы), по амплитуде и фазе волны (акустическая голография в теневом и эхо-методах, некоторые варианты велосимметрического метода), амплитуде и времени прохождения импульса (остальные методы).
Наибольшее распространение получил эхо-метод контроля. Этим методом контролируют поковки, штамповки, прокат, сварные швы, пластмассы, измеряют толщину изделий и оценивают структуру материалов.
Зеркальный эхо-метод и дельта-метод применяют для более точного определения характера и расположения дефектов сварных соединений.
Теневой метод применяют в основном для контроля листов малой и средней толщины, изделий из материалов с большим рассеянием УЗК (покрышек колес). При особенно большом рассеяние используют временной теневой метод (контроль бетона, огнеупоров).
Теневой эхо-метод и сквозной эхо-метод применяют для повышения чувствительности теневого метода к мелким дефектам. Различные варианты методов прохождения применяют для контроля физико-механических свойств бетона, чугуна, стеклопластиков, технических тканей и т.д.
От распространенных акустических методов неразрушающего контроля существенно отличается импедансный метод. Он основан на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь. Об изменении импеданса судят по характеристикам колебаний преобразователя: частоте, амплитуде, фазе. В отечественных низкочастотных импедансных дефектоскопах преобразователь имеет форму стержня (рис.5.1.3, б).
При использовании стоячих волн возбуждаются свободные или вынужденные колебания либо объекта контроля в целом (интегральные методы), либо его части (локальные методы).
Свободные колебания в объекте чаще всего возбуждаются путем механического удара, а вынужденные – путем воздействия гармонической силы, частота корой изменяется. Состояние (бездефектность) объекта анализируют по собственной частоте свободных колебаний либо по резонансам вынужденных колебаний. Реже используют амплитуду соответствующих колебаний.
На использовании стоячих волн основаны следующие методы.
Локальный метод свободных колебаний. Согласно этому методу (рис. 5.1.3, в) в части контролируемого изделия, например в слоистой панели, возбуждают механические колебания с помощью ударов молоточка вибратора и анализируют спектр возбуждаемых частот. В дефектных изделиях спектр смещается, как правило, в высокочастотную область. К этой группе относится способ «Предеф». Сущность способа состоит в возбуждении через слой жидкости вынужденных колебаний в стенке изделия с частотой, близкой к резонансной. После окончания возбуждения стенка продолжает колебаться в свободном режиме. По частоте этих колебаний с высокой точностью измеряют ее толщину.
При интегральном методе свободных колебаний механическим ударом возбуждаются вибрации во всем изделии или значительной его части. Этот метод используют, например, при проверке бандажей железнодорожных колес или стеклянной посуды по частоте звона.
Локальный резонансный метод широко применяется в толщинометрии. В стенке изделия с помощью преобразователя возбуждают ультразвуковые волны (рис. 5.1.3, г). Частоту колебаний модулируют и фиксируют частоты, на которых возникают резонансы, т.е. когда по толщине стенки изделие укладывается целое число полуволн ультразвука. По резонансным частотам определяют толщину стенки; дефекты фиксируют по резкому изменению толщины пропаданию (когда дефект наклонный). В настоящее время метод используется редко.
Интегральный резонансный метод применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний изделий простой геометрической формы. Этот метод используют для контроля небольших изделий, абразивных кругов, турбинных лопаток. Наличие дефектов или изменение свойств материалов определяют по отклонениям резонансных частот.
К методам вынужденных колебаний относят акустико-топографический метод, при котором регистрируется распределение амплитуд упругих колебаний на поверхности контролируемого объекта с помощью наносимого на поверхность порошка. Дефектный участок отличается увеличением амплитуды колебаний в результате резонансных явлений, вследствие чего оседание порошка на нем меньше.
Наиболее характерным пассивным методом, использующим бегущие волны, является акустико-эмиссионый метод. При акустической эмиссии упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин, аллотропические превращения, движение скоплений дислокаций, наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).
Пассивными акустическими методами, основанными на возбуждении стоячих волн или колебаний объекта контроля, являются вибрационно-диагностичекий и шумодиагностический.
При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа, при втором изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приемников.
По частотному диапазону все рассмотренные методы подразделяются на низкочастотные и высокочастотные [43]. С применением низкочастотных методов изучаются колебания в звуковом и низкочастотном диапазонах (от единиц герц до десятков килогерц), с применением высокочастотных – в высокочастотном диапазоне частот (от нескольких сот килогерц до 20 МГц).