Лекция 6. Магнитная дефектоскопия

План лекции. Физическая сущность магнитных методов НК: магнетики, ферромагнетизм, внешнее намагничивающее силовое поле, магнитная индукция, явление магнитного гистерезиса. Магнитопорошковая дефектоскопия (МПД), индикация дефектов, чувствительность.

Для обнаружения в изделиях из ферромагнитных материалов различных дефектов: нарушений сплошности, отклонений от заданных геометрических размеров, несоответствия структурного состояния техническим условиям, а также для физического анализа при исследовании фазовых превращений в сплавах применяются магнитные методы.

Магнитные методы контроля основаны на измерении различных магнитных характеристик, являющихся достаточно чувствительными индикаторами для обнаружения указанных выше дефектов. Магнитные методы высокопроизводительны, не требуют нарушения целостности изделия и с успехом применяются в промышленной и эффективно заменяя контроль по механическим свойствам или проверку химического состава и т. п.

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основ­ном для изделий из ферромагнитных материалов. Магнитные харак­теристики таких материалов являются информативными параметра­ми, так как зависят от их физико-механических свойств, химическо­го состава, вида механической и термической обработки, а также от размеров и сплошности изделий.
К числу информативных параметров, используемых в магнитном неразрушающем контроле (НК), относятся: коэрцитивная сила Н_с, намагниченность М, остаточная магнитная индукция В_r начальная или максимальная магнитная проницаемость (I, параметры петли гистерезиса В(Н), параметры скачков Баркгаузена, параметры маг­нитооптического эффекта.
По способу получения первичной информации различают сле­дующие методы магнитного контроля:

· магнитопорошковый (МП), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве
индикатора ферромагнитного порошка или магнитной суспензии;

· магнитографический (МГ), основанный на регистрации маг­нитных полей рассеяния с использованием в качестве индикатора ферромагнитной пленки;

· феррозондовый (ФЗ), основанный на измерении напряженно­сти магнитного поля феррозондами;

· эффекта Холла (ЭХ), основанный на регистрации магнитных полей датчиками Холла;

· индукционный (И), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния по

величине или фазе индуктируемой ЭДС;

· пондеромоторный (ПМ), основанный на регистрации силы от­рыва (притяжения) постоянного магнита или сердечника электро­магнита от контролируемого объекта;

· магниторезисторный (МР), основанный на регистрации маг­нитных полей рассеяния магниторезисторами;

· магнитооптический (МП), основанный на визуализации доменной структуры материала с помощью феррит-гранатовой пленки с зеркальной подложкой.

Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля спо­собны намагничиваться. При этом они сами в окружающем про­странстве создают магнитное поле. Степень намагниченности опре­деляется вектором намагниченности М, который пропорционален вектору напряженности H поля, создаваемого ферромагнетиком. Ко­личественно намагниченность, А/м, определяется из выражения

где V — объем вещества; т — элементарный магнитный момент.

Степень намагниченности М различных материалов под воздей­ствием одного и того же намагничивающего поля напряженностью Я неодинакова. Она зависит от вида материала и его состояния (тем­пература, наличие структурных повреждений и т.д.). Для количест­венной оценки способности вещества намагничиваться в магнитном поле вводят безразмерную характеристику — магнитную восприим­чивость . Для изотропного вещества, свойства которого одинаковы во всех направлениях, связь между намагниченностью М и напря­женностью магнитного поля Н устанавливается соотношением

Напряженностью магнитного поля Н (векторная величина) назы­вается сила, с которой единичный полюс в данной точке простран­ства отталкивается или притягивается. Напряженность магнитного Поля равна силе, отнесенной к единичному полюсу, Н =F/т; в сис­теме СИ она измеряется в А/м. Поле, созданное в веществе, ориен­тирует его элементарные магниты, и в окружающем пространстве возникает магнитная индукция (влияние) В.
Магнитной индукцией называется силовая (векторная) характери­стика магнитного поля, складывающаяся из индукции внешнего намагничивающего поля и индукции поля, создаваемого ферро­магнетиком:
,
где Гн/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость пустоты).
Магнитная индукция В является основной характеристикой маг­нитного поля, определяющей его величину и направление. В между­народной системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в тес­лах (Тл). Являясь по определению плотностью магнитного потока, она описывается также уравнением
В = Ф/S,
где Ф — магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб), проходящий через контур; S – площадь контура, м², в направлении, перпендикулярном Ф Приняв получим

.
Величина называется относительной магнитной проницаемостью, она является безразмерной физической величиной, характеризующей магнитные свойства ферромагнетиков. Чем больше проницаемость, тем меньше магнитное сопротивление R, которое обратно пропорционально магнитной проницаемости, т.е. R=1/ .
Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков рядом свойств:

• кривая намагничивания, выражающая зависимость между H и В, для парамагнетиков будет прямой, для ферромагнетиков из-за не­постоянства она имеет сложный характер;
• магнитная восприимчивость ферромагнетиков при некоторойтемпературе, называемой температурой Кюри (точкой Кюри), исчезает: ферромагнетик размагничивается и превращается в парамагнетик;

· кривые намагничивания и перемагничивания ферромагнетика не совпадают —

происходит своеобразное отставание изменения ин­дукции от изменений напряженности

намагничивающего поля. Это явление называют гистерезисом, а замкнутая кривая,

изображающая зависимость ^ В от H при перемагничивании, называется петлей гис­-
терезиса (рис. 6.1).На зависимости В от H выделяют ряд характерных точек, имею­щих

соответствующие названия.
Магнитной индукцией насыщения В_s называют индукцию, соответ­ствующую максимуму М. Дальнейшее увеличение В с ростом Н о су­ществляется только за счет роста R, так как В = (H+ М).
В зависимости от достигнутой величины индукции при перемаг­ничивании различают предельную и частную петли гистерезиса. Предельная петля соответствует намагничиваниюматериала до насыщения В_s.

Коэрцитивная сила Н_с (от латинского соеrcitio — удерживание) — напряженность магнитного поля, необходимая для полного размаг­ничивания предварительно

Рисунок 6.1. Петля магнитного гистерезиса:
намагниченного до насыщения ферро­магнетика (получения В = 0 по предельной петле гистерезиса). Маг­нитные свойства ферромагнетиков (в первую очередь сталей) опре­деляются их химическим составом. Введение никеля, марганца, углерода, азота и меди уменьшает начальную магнитную проницае­мость и повышает коэрцитивную силу Н_с

Одновременное введе­ние кремния, хрома, молибдена, ниобия, вольфрама и ванадия уве­личивает ц и уменьшает Н_с. Между начальной магнитной прони­цаемостью и коэрцитивной силой Н_с для сталей существует обратно пропорциональная зависимость.

В качестве первичных информативных параметров при магнит­ном неразрушающем контроле чаще всего используют В_s, В_r и Н_с.
Магнитные порошки. Магнитные порошки используют для визуа­лизации магнитных полей рассеяния на поверхности контролируе­мого объекта в зоне дефектов. На частицу ферромагнит-ного порош­ка, помещенного в такое поле, будет действовать сила, удерживаю­щая его в зоне дефекта. Эта сила прямо пропорциональна градиенту напряженности dH/dx магнитного поля рассеяния:

где - магнитная восприимчивость материала порошка; V — объем частицы порошка.
Во внешнем намагничивающем поле частицы порошка сущест­вуют не изолированно, а коагулируются и образуют цепочки, что со­ответственно увеличивает удерживающую силу F. Длина цепочки определяется рядом факторов: вязкостью порошка и размером его частиц, напряженностью магнитного поля, шероховатостью поверх­ности объекта контроля и др.