Размагничивающий фактор при намагничивании деталей

Все изложенное выше справедливо для намагничивания бесконечных ферромагнитных сред или однородных магнитных цепей замкнутой формы. В реальных случаях объекты магнитного контроля, будучи телами конечных размеров, намагничиваются во внешнем однородном поле Н не так, как намагничивается само ферромагнитное вещество или материал: на процесс намагничивания деталей оказывает действие размагничивающий фактор. При помещении детали в магнитное поле Н на ее торцах-границах неизбежно образуются магнитные полюсы, которые вызывают появление внутри детали размагничивающего поляН_р, направленного против внешнего магнитного поля. Величина этого поля зависит от намагниченности:

 

,                                           (1.45)

 

где N – размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания или формы), зависящий главным образом от геометрических конструктивных параметров намагниченной детали, а не от ее истинных магнитных свойств.

Тогда результирующее поле внутри детали определяется по формуле:

 

.                                            (1.46)

 

Из выражения (1.46) видно, что чем больше N, тем меньше напряженность поля Н_i и, следовательно, индукция В в детали.

Объекты магнитной дефектоскопии представляют собой довольно короткие детали с большим диаметром. Мысленно их можно представить совокупностью большого числа параллельных стержней, которые (на рис. 1.15, а показана  только одна пара стержней) размагничивают друг друга. Следовательно, чем больше диаметр или чем меньше длина детали, тем меньше значение индукции, приобретенное ею при намагничивании.

Истинное (результирующее) внутреннее поле можно определять путем смещения кривой намагничивания или петли гистерезиса материала в каждой точке с намагниченностью М влево на величину NМ(рис. 1.38, б). Если учесть, что  и , то, проводя кривую сдвига ОN под углом a, можно сместить точки кривой намагничивания на величину отрезков , образованных между осью ординат и линией ОN, т. е. кривая намагничивания детали В_д есть не что иное, как сдвинутая вправо кривая намагничивания ее материала В_м.

 

а

б

 

Рис. 1.38. Размагничивающий фактор: а – модель размагничивания;

б – построение кривой намагничивания результирующего поля в детали

 

В общем случае: 0 £ N £ 1. Для деталей, у которых поперечные и продольные размеры одинаковы, N » 0,3¸0,4, например, для шара N » 0,33, для эллипсоида с соотношением осей 2 фактор N = 0,73, для целого кольца, так же, как и для бесконечно длинного магнита или соленоида, N = 0.

При полюсном намагничивании в разомкнутой цепи объектов с большим размагничивающим фактором, имеющих отношение длины к корню квадратному из площади поперечного сечения (или максимальному размеру поперечного сечения) менее 5, в целях уменьшения действия этого фактора предпринимают следующее:

1) составляют объекты контроля в цепочки, при этом фактическая площадь контакта соприкосновения торцевых поверхностей деталей должна быть не менее 30 %;

2) «удлиняют» детали специальными удлинителями из магнитомягкой      стали;

3) используют переменный намагничивающий ток с частотой 50 Гц и более или импульсный ток.

 

Размагничивание деталей

Намагниченные детали после осмотра и разбраковки должны быть размагничены, так как остаточная намагниченность может вызвать нежелательные последствия. Например, поверхности плохо размагниченных роликов и колец подшипников притягивают ферромагнитные продукты износа, это вызывает ускоренный износ подшипников и последующие осложнения в эксплуатации вагонов. Во избежание этого контролируемые детали тщательно размагничивают и проверяют степень размагниченности. Размагничивание как этап контроля часто присутствует в магнитном контроле, но не влияет на его достоверность, т. е. это, скорее, не контроль, а приведение детали в состояние, пригодное для дальнейшего использования.

Существуют следующие способы размагничивания:

1) нагревание объекта до точки Кюри (для ферромагнетиков она лежит в большом диапазоне, у железа – 768 °С);

2) однократное приложение встречного поля «большой силы»;

3) воздействие знакопеременным полем с уменьшением его амплитуды во времени.

Первые два способа, в отличие от третьего, в практике магнитного НК не применяются в силу ряда технологических и технических ограничений.

Сущность третьего способа размагничивания состоит в следующем. Деталь подвергают циклическому перемагничиванию переменным полем, напряженность которого по амплитуде с каждым полупериодом уменьшается до нуля (рис. 1.39, а), т. е. . К моменту, при котором индукция достигнет почти нулевого значения, остаточная индукция также будет близка к нулю (рис. 1.39, б).

Имеют место две процедуры исполнения данного способа размагничивания: 1) величину размагничивающего поля уменьшают или удаляют соленоид от ОК, 2) снижают ток в его обмотке. Некоторые дефектоскопы имеют режимы автоматического снижения тока в намагничивающих устройствах, но в большинстве случаев детали помещают в соленоид, включают его и плавно, в течение 5 с, не менее, осуществляют их относительное удаление на расстояние не менее 0, 5 м, после чего соленоид выключают. Независимо от путей исполнения данного способа процесс размагничивания идет по частным петлям гистерезиса. На рис. 39, б остаточная индукция уменьшается от цикла к циклу. Число периодов размагничивания обычно не менее 40–50, т. е. уменьшение амплитуды напряженности должно быть достаточно плавным. Полного размагничивания достичь, разумеется, не удается, поскольку все детали находятся в магнитном поле Земли. детали необходимо размагничивать до уровня, при котором остаточная намагниченность не нарушает нормальной работы машин и механизмов.

 

а

б

 

Рис. 1.39. Иллюстрация сущности размагничивания: а – изменение

напряженности магнитного поля; б – частные петли гистерезиса

 

Для размагничивания используют демагнитизаторы – соленоиды, питаемые переменным током различной частоты. Однако можно применять те же устройства, что и для намагничивания. Размагничивание объектов подвижного состава железнодорожного транспорта производится дефектоскопами           МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-12ПС и МД-12ПР. размагничивание в них осуществляется удалением детали или дефектоскопа на расстояние, где напряженность поля можно считать, равной нулю. Удаление производится в течение (20 ± 5) с на расстояние более 0,5 м. Контроль размагниченности осуществляют миллитесламетром ТП2-2У или измерителями напряженности
МФ-107А и МФ-109.

На подвижном составе железнодорожного транспорта установлены предельные уровни остаточного поля: для колец буксовых подшипников –
не более 3 А/см; для всех остальных деталей – не более 5 А/см.

При размагничивании больших партий деталей качество размагничивания определяют следующим образом. Одну из деталей нагревают до точки Кюри и охлаждают в отсутствие внешних магнитных полей (кроме магнитного поля Земли). Затем чувствительным измерителем магнитной индукции оценивают максимальную намагниченность, хотя бы в относительных единицах. Если показания при этом – некоторое число a, то считают детали достаточно размагниченными при 3a. Обычно в качестве индикатора применяют МФ-23, МФ-23И и МФ-23М. Оценка осуществляется по модулю и знаку разности значений остаточной магнитной индукции в зоне контроля и на базовом расстоянии 20 мм. Диапазон измерения разностей значений магнитной индукции составляет ± 2мТл [15].

 

Контрольные вопросы

1. Что называется напряженностью магнитного поля?

2. Какое направление имеет сила магнитного поля?

3. Что представляют собой силовые линии магнитного поля?

4. Чем характеризуется область домена?

5. Перечислите и охарактеризуйте магнитные величины.

6. Что показывает неоднородность магнитного поля?

7. Что лежит в основе магнитопорошкового контроля?

8. Каковы принципы контроля феррозондом?

9. Каким образом производят размагничивание деталей?

 

 

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Акустические методы контроля занимают одно из центральных мест среди методов неразрушающего контроля. Их отличает высокая чувствительность, способность к выявлению дефектов различных размеров и формы. С помощью акустических методов проводят контроль самых разнообразных материалов и изделий. Выгодной отличительной особенностью акустических методов является возможность обнаружения дефектов, расположенных внутри изделия, на значительной глубине. Используя акустические методы, можно не только обнаружить дефект, но и определить его местоположение в изделии, указать, хотя бы приближенно, его размеры, сделать заключение о форме дефекта.

К настоящему времени разработана целая группа методов акустического контроля, использующих самые различные физические принципы и явления. Для правильного использования методов необходимо иметь представление и о физических закономерностях, лежащих в их основе. Основу этого раздела составляют материалы, опубликованные ранее [14–20]. Помимо этого, учтены требования ГОСТ по ультразвуковому контролю и нормативной технической документации. Для тех, кто заинтересуется вопросами не нашедшими здесь освещения в силу ограниченных рамок объема, рекомендуем дополнительно обращаться к списку литературы, представленному в конце пособия.

Этот раздел подготовлен с целью показать связь теоретических представлений акустики и практических методов контроля.  

 

Колебания и волны

Колебания – это такие процессы, при которых состояние системы воспроизводится через определенные промежутки времени. Колебания бывают различной физической природы: механические (например, колебания маятника), электромагнитные (например, напряжение сети переменного тока), световые, акустические. Акустические колебания – это механические колебания частиц упругой среды. Сила упругости возвращает частицы к положению равновесия. Инерция вызывает продолжение колебания после прохождения положения равновесия.

Все колебания делятся на два класса: свободные и вынужденные. Свободные колебания совершает система, выведенная из положения равновесия и предоставленная самой себе. Свойства свободных колебаний определяются свойствами самой колеблющейся системы. Часто свободные колебания возбуждаются кратковременным воздействием, ударом. Вынужденные колебания совершаются под действием периодической силы, выводящей систему из положения равновесия. Свойства вынужденных колебаний определяются как свойствами системы, так и вынуждающей силой

Колебания, возникнув в какой-то точке, распространяются в среде.      Волна – это распространение колебаний в среде. Акустическая волна – это распространение механического возмущения.

По времени протекания процесса колебания и волны разделяются на непрерывные и импульсные. Непрерывные колебания возникли бесконечно давно, продолжаются сейчас и будут продолжаться бесконечно долго. Как правило, за непрерывные колебания принимают колебания, продолжающиеся много периодов. Импульсные колебания имеют конечную продолжительность. Непрерывные колебания графически изображены на рис. 2.1. По оси абсцисс откладывают время, по оси ординат – ту величину, которая совершает колебания. В акустике – это давление р или упругое смещение и.

Периодом называют время полного колебания. Период обозначают буквой Т, он измеряется в секундах, а также в микросекундах: 1 мкс = 10^-6с. Максимальное отклонение от положения равновесия – это амплитуда колебания. Амплитуду обозначают буквой А или индексом «о» у колеблющейся величины, например, р_о.

Величина, обратная периоду, называется частотой f.

 

                                  f = 1/Т.                                                    (2.1)

 

Импульсные колебания бывают двух видов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы характеризуют амплитудой А, периодом повторения Т _n   и длительностью . Длительности импульса измеряют на уровне половины амплитуды или по уровню 6 дБ от максимума, если по оси ординат отложена величина, измеренная в децибелах. По ГОСТ 14782-86 «Соединения сварные. Методы ультразвуковые» длительность зондирующего импульса измеряется на уровне 0,1 А. Частоту высокочастотного заполнения называют несущей частотой радиоимпульса f_o. Остальные параметры радиоимпульсов такие же, как и видеоимпульсов: амплитуда А, период повторения Т _n и частота следования F, длительность импульса длительность фронта _фр и среза _ср.

Волны, как и колебания, могут быть непрерывными и импульсными. Частицы среды в каждой точке совершают колебания. Поэтому все параметры колебаний относятся и к волнам. В дополнение к ним вводится еще понятие длины волны, которое выражает пространственную периодичность волнового движения. Распределение упругих смещений частиц в волне показано на рис. 2.2, волна распространяется вдоль оси х.

 

 

Рис. 2.2. Распределение упругих смещений в волне

 

Длина волны l – это расстояние между точками, колеблющимися в одной фазе, или это расстояние, проходимое волной за время, равное периоду:

                                 ,                                              (2.2)

 

где с – скорость распространения упругих волн.

В зависимости от частоты волны разделяют на инфразвук (частоты ниже 16 Гц), слышимый звук (частоты от 16 Гц до 20 кГц), ультразвук (частоты от 20 кГц до 300 МГц), гиперзвук (частоты свыше 300МГц). Границы между этими диапазонами в значительной степени условны. В акустическом контроле в настоящее время используются частоты от 50 Гц до 50 МГц.

 

Гармонические колебания

Одним из наиболее простых и часто встречающихся в природе и технике видов колебательного движения являются гармонические колебания. Колебания, совершающиеся по закону синуса или косинуса, называют гармоническими. Гармоническое колебание показано на рис. 2.2. Общий вид гармонического колебания выражается формулой:

 

            ,                                          (2.3)

 

где u – текущее значение колеблющейся величины, например, упругого смещения, в произвольный момент времени t, u ₀ – амплитуда колебания. Круговая или циклическая частота  выражается через частоту f или период Т:

.                                     (2.4)

 

В формуле (2.3) – это начальная фаза колебаний, а аргумент функции синус – это фаза :

.                                         (2.5)

 

Фаза  зависит от времени, а начальная фаза  показывает положение, от которого начался отсчет времени. Начальная фаза – это выраженная в градусах или радианах доля периода, прошедшая с начала колебания до начала отсчета. Фаза  и начальная фаза измеряются в градусах или радианах, причем 1 рад = 57,3 градуса.

Гармонические колебания, распространяясь в среде, создают гармоническую упругую волну. Совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе, образуют волновой фронт. Существуют три основных вида волнового фронта: плоский, цилиндрический и сферический. Соответственно и волны называются плоскими, цилиндрическими и сферическими по форме волнового фронта.

Колебательная скорость

Колебательное движение частиц происходит со скоростью v:

                                    (2.6)

 

Величина Z=  называется характеристическим акустическим импедансом. Здесь  – плотность вещества. Давление в упругой волне прямо пропорционально импедансу и колебательной скорости частиц.

 

.                                                   (2.7)

 

Волна, распространяясь в пространстве, переносит упругую энергию.

 

Интенсивность

Интенсивность I – это плотность потока (т.е. количество энергии через единицу площади), переносимая волной за период колебаний:

 

.                                            (2.8)

 

Интенсивности I=1Вт/см² соответствует амплитуда и₀ 5 , что для частот в единицы мегагерц составляет миллионные доли миллиметра.

Различие между двумя уровнями интенсивности I₁, и I₂ оценивают в децибелах (дБ)

L=10 lg (I₁/I₂).                                        (2.9)

 

Если рассматривается отношение давлений P₁и P₂или амплитуд упругих смещений, то применимо следующее соотношение:

 

,                                          (2.10) 

 

откуда                                  L=20lg(P₁/P₂) (дБ).                                   (2.11)

 

  Отношение давлений или интенсивностей можно выразить в                   неперах (Нп), если взять натуральный логарифм:

 

   L₁=ln(P₁/P₂)=(1/2)ln(I₁/I₂).                                 (2.12)

 

Между непером и децибелом есть соотношение: 

1Нп = 8,68дБ; 1дБ=0,115Нп.                                     

Соответствие некоторых значений шкалы децибел отношениям амплитуд и интенсивностей представлено в табл. 2.1.

Таблица 2.1