Часть I. Физические основы электромагнитного 6
КОНТРОЛЯ 6
1. Металлы - объекты электромагнитного контроля 6
2. Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе 15
2.1. Электрическое поле 15
2.2. Магнитное поле 25
2.3. Закон электромагнитной индукции 38
2.4. Система уравнений Максвелла 43
3. Ферромагнетизм 50
3.1. Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях 50
3.2. Энергии ферромагнитного кристалла 58
3.3. Доменная структура ферромагнетиков 65
3.4. Процессы намагничивания 71
3.5. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика 80
от дефектов структуры 80
3.6. Намагничивание магнетиков конечных размеров 86
3.7. Магнитные свойства тела и вещества 90
3.8. Магнитные цепи 93
Часть II. Магнитный контроль 96
4. Магнитная дефектоскопия 96
4.1. Граничные условия 96
4.2. Рассеяние магнитного потока дефектом сплошности 97
4.3. Намагничивание изделий 99
4.4. Расчеты полей дефектов 104
4.5. Mагнитопорошковая дефектоскопия 120
4.6. Индукционная дефектоскопия 130
4.7. Феррозондовый метод дефектоскопии 135
4.8. Магнитографическая дефектоскопия 143
4.9. Холловские и другие методы магнитной дефектоскопии 150
4.10. Магнитная толщинометрия 153
5. Магнитный структурно-фазовый анализ металлов и сплавов 155
5.1. Структурная чувствительность физико-механических свойств 156
5.2. Контроль механических свойств изделий, упрочняемых 160
холодной пластической деформацией 160
5.3. Контроль качества термической обработки стальных изделий 176
5.4. Контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий 191
5.5. Фазовый магнитный анализ 196
5.6. Устройства магнитного контроля структуры, состава и механических свойств материалов и изделий 206
Часть III. Вихретоковый контроль 213
6. Возбуждение вихревых токов. Скин-эффект. 213
7. Вихретоковый контроль. Вихретоковые преобразователи. 231
8. Сигнал ВТП. Обобщенный параметр контроля. 242
9. Контроль цилиндрических объектов наружным проходным ВТП с однородным полем. Выбор наилучших условий контроля. 248
10. Вихретоковый контроль с помощью накладных преобразователей 266
11. Способы ослабления влияния мешающих параметров 269
12. Приборы вихретокового контроля 278
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 285
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 286
От автора
Современные нормативные документы предполагают разделение всех методов неразрушающего контроля на 9 видов: акустический, контроль проникающими веществами, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный. Однако магнитный и вихретоковый виды контроля объединяет глубокая взаимосвязь лежащих в их основе электрических и магнитных явлений. Поэтому в данном учебном пособии автор старался рассматривать магнитные и вихретоковые методы контроля и диагностики с единых позиций электромагнетизма. В учебное пособие включены также некоторые технические сведения, необходимые при разработке и применении магнитных и вихретоковых приборов контроля и диагностики.
Часть I. Физические основы электромагнитного контроля
1. Металлы – объекты электромагнитного контроля
Металлы и металлические сплавы, как электропроводящие вещества, являются самыми распространенными объектами вихретокового контроля, а ферромагнитные металлы и сплавы являются объектами магнитного контроля. Знание строения и свойств металлических сплавов является непременным условием правильного использования методов и средств контроля и диагностики.
Рис. 1.1. Схема, иллюстрирующая различную ориентацию кристаллических решеток в поликристаллическом теле
Строение реальных металлов. При выплавке металла в силу ряда причин (в т.ч. из-за соприкосновения в процессе роста при кристаллизации различно ориентированных кристаллов) в реальном металле отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом веществе называются зернами или кристаллитами. Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации кристаллической решетки (рис. 1.1). Зерна металла разориентированы относительно друг друга на величину в несколько десятков градусов (большеугловые границы). Зерна могут состоять из фрагментов, разориентированных лишь на несколько градусов. Наконец, фрагменты могут состоять из блоков, разориентированных на очень небольшие углы от секунд до нескольких минут. Границы между отдельными зернами в поликристаллическом теле представляют собой переходную область шириной в 5–10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла с иной кристаллографической ориентацией. Поэтому на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков и субзерен.
Характер и степень нарушения правильности или совершенства кристаллического строения в значительной степени определяют свойства металлов.
К несовершенствам кристаллического строения относятся точечные дефекты: вакансии, замещенные атомы, внедренные атомы (рис. 1.2а, б, в).
а б в
Рис. 1.2. Схема точечных дефектов:
а – вакансия; б – замещенный атом; в – внедренный атом
Другим важнейшим видом несовершенства являются дислокации, представляющие собой лишние полуплоскости атомов (рис. 1.3). Край А-А такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или другую сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям. Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко смещается от нейтрального положения, а соседняя плоскость, перейдя в промежуточное положение, превратится в экстраплоскость, образуя дислокацию вдоль краевых атомов. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее передаваться, как эстафета) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно к экстраплоскости (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Дислокация в кристаллической решетке (В) и её