Раздел. 3. Магнитный вид получения информации
Магнитный вид получения информации основан на анализе взаимодействия магнитного поля с объектом контроля (ОК).
Учёные установили, что большинство дефектов в магнитных материалах, или другими словами – аномалий, ведёт к искажению регулярности наведённого в них магнитного поля.
Контролируя изменение распределения магнитных параметров по поверхности ОК можно обнаруживать дефекты типа трещин, расслоений пустот, нерегулярности структуры не только на поверхности изделия, но и в подповерхностных слоях, а, в некоторых случаях и внутри изделия.
Несколько слов о самом термине «магнит» и связанных с ним понятиях.
Первое историческое упоминание о магните оставил нам Плиний. Он рассказал, как некий пастух с острова Крит, сандалии которого имели железные подковки, обратил внимание, что к ним пристают какие-то мелкие черные камешки, в изобилии валявшиеся на склонах горы Идо. Пастуха звали Магнис, отсюда природные магниты получили свое название.
А может, все было и не так. Римский поэт Лукреций считал, что магнит обязан своим названием местности, где его нашли. Эта местность в Малой Азии называлась Магнезия.
Несомненно одно – есть материалы, обладающие способностью притягиваться к друг другу или, иными словами, – обладающие магнетизмом.
Учёные установили, что магнитные материалы состоят из крохотных магнитиков, называемых магнитными доменами.
Когда магнитные домены расположены случайным образом, магнитный материал не является магнитом.
Когда большинство магнитных доменов сориентированы в одном направлении, магнитный материал в целом становится магнитом. Немагнитные материалы – такие, как пластик, стекло или алюминий, не состоят из магнитных доменов и не могут стать магнитами. Магнит может потерять свой магнетизм, если его магнитные домены потеряют однонаправленную ориентацию. Это может произойти из-за сильного нагрева или удара.
Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов.
Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и собственного магнитного поля.
Собственное магнитное поле электрона называют спиновым (spin – вращение). Электрон создает магнитное поле также и за счет орбитального движения вокруг ядра, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.
Каждый магнит окружен магнитным полем. Вокруг каждого магнита могут быть обнаружены магнитные силы. Эти силы вызываются магнитным полем, окружающим магнит. Это магнитное поле оказывает воздействие на другие магниты, магнитные материалы или движущиеся заряженные частицы. Величина силы (или сила магнитного поля) меняется в зависимости от расстояния от магнита, но всегда максимальна на полюсах магнита. Магнитное поле у полюса искусственного магнита обычно в сотни раз сильнее магнитного поля Земли.
Основное назначение магнита – создавать постоянное магнитное поле.
Магнитный материал можно как намагнитить, так и размагнитить и перемагнитить – т. е. поменять полюса местами.
Все магниты имеют два вида полюсов.
Эти полюса называются южными (S) и северными (N) – это чисто условное обозначение, как « +» и « - » у источника постоянного тока.
Полюса могут быть расположены в любых точках магнита: около концов магнита, на противоположных поверхностях и даже на кромках. Кроме того, магнит может иметь больше одного полюса каждого вида – все зависит от конфигурации намагничивающей установки. Откуда же такое название?
Если подвесить на нити легкий магнит в виде бруска, у которого намагничены концы, магнит придет в движение и остановится только тогда, когда один из концов укажет направление на географический Север – этот конец (полюс) магнита называют северным полюсом. Противоположный полюс называется южным полюсом.
Электромагнитное поле также, как электрическое и магнитное, может существовать в пространстве, заполненном веществом, и в вакууме.
Например, в электровакуумных устройствах поле существует в межэлектродном пространстве, где в 1 см3 находится около 1010 молекул газа, оставшихся после откачки воздуха до состояния технического вакуума.
Далее вам рекомендуется самостоятельно с помощью учебника физики вспомнить, как и в каких единицах измеряется магнитная индукция, остаточная магнитная индукция, коэрцитивная магнитная сила, коэрцитивное магнитное поле, магнитная энергия.
Итак, мы установили, что магнитное поле наводится магнитами. Магниты могут быть постоянными и электрическими, в которых магнитное поле появляется только под воздействием электрического поля.
Постоянные магниты. Известные Вам с детства магниты сделаны из железа, но они обладают сравнительно низкими магнитными характеристиками. В промышленности чаще всего применяются синтетические магниты из специальных материалов.
Существует 4 класса современных магнитов, каждый из которых основывается на своем составе:
Неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
Самарий-кобальт (SmCo);
Альнико (Alnico);
Керамические (Ферриты).
Электрические магниты. Изготавливаются самых различных габаритов с рабочим током до 10.000 А.
Такие магниты могут развивать усилия до 1000 тс. В магнитных методах получения информации используются самые разнообразные электрические магниты.
По своим электрическим свойствам все исследуемые вещества разделяют на проводники и изоляторы. Электрическое поле существует в проводнике только во время движения зарядов. Статическое электрическое поле в проводниках существовать не может. В изоляторах же электростатическое поле может существовать длительное время.
С точки зрения взаимодействия с магнитным полем любая среда характеризуется магнитной восприимчивостью χm, показывающей способность вещества приобретать определенную намагничиваемость М под действием внешнего магнитного поля.
В зависимости от модуля и знака восприимчивости χm все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость
χm = -(10-5....10-7), т. е. это вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном вектору напряженности внешнего поля. К диамагнетикам относят Si, P, Bi, Zn, Cu и другие элементы, а также некоторые органические и неорганические соединения.
Парамагнетики - это вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля, т. е. имеющие положительную магнитную восприимчивость χm=10-1....10-5 . К ним относятся, например, щелочные металлы, металлы группы палладия, платины, соли этих металлов, а также ферромагнетики при температурах, превышающих температуру Кюри.
Ферромагнетики - это вещества, в которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагничиваемости.
Рис.3.1. Парамагнетик (1) и диамагнетик (2) в неоднородном магнитном поле.
И вот мы вспомнили, что такое магнитное поле, от чего зависит его величина, в каких единицах оно измеряется и как оно взаимодействует с различными материалами и неоднородностями в них.
Подумаем теперь, для каких целей можно использовать эту информацию.
Как уже отмечалось, магнитный метод получения информации применяют для объектов хотя бы частично изготовленных из ферромагнитных материалов, существенно изменяющих свои свойства при воздействии магнитного поля или для обнаружения даже мельчайших примесей таких материалов в немагнитных ОК.
В зависимости от конкретных задач используют те или иные первичные информативные параметры, определяемые по магнитным характеристикам материала объекта контроля.
С помощью магнитных методов можно определять:
разнообразные дефекты;
качество термообработки;
марку стали;
твёрдость материала;
качество сварки;
остаточные напряжения в материалах и т. д.
Как мы уже говорили, для создания магнитного поля необходимо изделие намагнитить, при этом направление магнитного поля должно быть перпендикулярно предполагаемым дефектам. В некоторых случаях изделия приходится намагничивать несколько раз в различных направлениях.
По способу создания намагничивающего поля методы испытания разделяются на три группы: с импульсным изменением напряженности поля; с непрерывно изменяющейся по заданному закону напряженности поля; с комбинированным перемагничиванием - импульсным намагничиванием и плавным непрерывным перемагничивнием.
Измерение магнитной индукции в испытываемом образце можно производить с помощью индукционной катушки, охватывающей образец либо путем измерения магнитного потока в электромагните, создающего намагничивающее поле.
Действие магнитных приборов контроля основано либо на регистрации магнитных полей вблизи объекта контроля, либо на оценке магнитного потока внутри самого объекта. Например, магнитная дефектоскопия осуществляется путем регистрации магнитных полей рассеяния, создаваемых дефектами. В магнитной структуроскопии используется несколько путей. Разбраковка может осуществляться по значению коэрцитивной силы, в этом случае оценивается напряженность магнитного поля на некотором участке поверхности объекта.
Возможен контроль по остаточной намагниченности, и в этом случае измеряют напряженность поля в воздухе вблизи какой-то точки объекта. Если оценивается форма петли гистерезиса, то одновременно с оценкой напряженности магнитного поля измеряется магнитный поток на участке ОК.
Рис. 3.2. Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0 внешнего магнитного поля
В толщинометрии используется тот факт, что при намагничиваемости объекта напряженность магнитного поля либо магнитный поток вблизи него зависят как от толщины ОК, так и от зазора между ОК и магнитопроводом преобразователя. В приборах магнитного контроля в основном применяют первичные преобразователи, осуществляющие преобразование магнитных величин в электрические. Несколько отличаются лишь преобразователи, использующие силовое действие магнитного поля. На этом принципе основано действие так называемых магнитоотрывных толщиномеров академика Н.С. Акулова. Их работа основана на измерении силы отрыва или притяжения постоянных или электрических магнитов к ОК. Сила притяжения пропорциональна квадрату магнитной индукции Вов зазоре между постоянным магнитом и поверхностью ферромагнитного материала.
На таком же принципе работают и современные магнитные толщиномеры. Все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Что магнитное поле существует – наука доказала, но для полной убедительности хорошо было бы его увидеть. Оказывается это уже можно. Для визуализации магнитного поля магнита удобно использовать специальную магнитную пленку.
Магнитная пленка дает возможность качественно определить, является ли изучаемый объект магнитом и какова конфигурация магнитного поля. Принцип работы магнитной пленки основан на том, что в присутствии магнитного поля она становится светлее или темнее.
Пленка становится темнее, когда линии магнитного поля перпендикулярны поверхности. Пленка становится светлее, когда линии магнитного поля горизонтальны поверхности, т. е. расположены вдоль нее. Магнитные ленты применяют в магнитографической дефектоскопии, и они занимают промежуточное положение между первичными магнитными преобразователями и магнитными порошками, используемыми для визуализации полей рассеяния дефектов. На каждом участке магнитной ленты записывается магнитный рельеф ОК в процессе контроля. В дефектоскопии применяют стандартные магнитные ленты.
Магнитопорошковый метод контроля
Магнитные порошки служат для визуализации полей рассеяния, создаваемых дефектами. Получают их путем размола оксида железа в шаровых мельницах до частиц размером 0,1....60 мкм. Форма и размеры частиц, а также их магнитные свойства влияют на размер областей скоплений порошка, называемых валиком, там, где вблизи дефектов возникают поля рассеяния. Для облегчения условий работы оператора, контролирующего поверхность детали, порошки окрашивают.
Наибольшее распространение при контроле светлых деталей получили черный порошок, представляющий измельченную окись-закись железа Fe2O4 и буровато-красный порошок γ - оксида железа (γFe2О3). Для контроля деталей с темной поверхностью используют светлые порошки с добавлением алюминиевой пудры либо люминесцентные порошки.
Распространенный люминесцентный магнитный порошок содержит на 100 г γ-оксида железа γ-Fe2О3 15 г люминофора светло-желтого цвета. Использование люминесцентных порошков эффективно только при ультрафиолетовом освещении.
Для облегчения работы контроллеров вместо порошков часто используют суспензии, в которых порошок разведен в жидкой среде - воде, минеральных маслах, керосине. Водная магнитная суспензия кроме воды и порошка содержит антикоррозионные добавки. Кроме того, в суспензии вводят поверхностно-активные вещества, потому что в дисперсионной среде порошок находится не в виде отдельных частичек, а образует скопления - конгломераты из большого числа частиц. Поверхностно-активные вещества позволяют разбить крупные конгломераты на более мелкие, что повышает выявляющую способность суспензии.
Для намагничивания протяжённых деталей применяют специальные стенды.
При этом «проходные» магниты (магниты, через которые протяжённые изделия протягиваются как через кольцо) бывают для самых разнообразных изделий.
Ранее рассмотренные методы и средства магнитного контроля направлены на поиск уже развитых дефектов и по своему назначению не могут предотвратить внезапные усталостные повреждения оборудования - основные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.
Известно, что основными источниками возникновения повреждений в работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно. Следовательно, определение зон КН является одной из важнейших задач диагностики оборудования и конструкций.
Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, являются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах концентрации напряжений. Соответственно изменяется намагниченность металла, отражающая фактическое напряжённо- деформированное состояние трубопроводов, оборудования и конструкций.
В настоящее время в России разработан и успешно внедряется на практике принципиально новый метод диагностики оборудования и конструкций, основанный на использовании магнитной памяти металла (МПМ).