Методы и технические средства дефектоскопии материала деталей машин и элементов металлоконструкций

Лекция N 10

Дефектоскопия – это область знаний, охватывающая теорию, методы и технические средства определения дефектов в материале контролируемых объектов, в частности в материале деталей машин и элементов металлоконструкций.

Дефектоскопия является составной частью диагностики технического состояния оборудования и его составных частей. Работы, связанные с выявлением дефектов в материале элементов оборудования, совмещаются с ремонтами и техническим обслуживаниями или выполняются самостоятельно в период технического осмотра.

Для выявления скрытых дефектов в конструкционных материалах используются различные методы неразрушающего контроля (дефектоскопии).

Известно, что дефекты в металле являются причиной изменения его физических характеристик: плотности, электропроводности, магнитной проницаемости, упругих и других свойств. Исследование этих характеристик и обнаружение с их помощью дефектов составляет физическую сущность методов неразрушающего контроля. Эти методы основаны на использовании проникающих излучений рентгеновских и гамма-лучей, магнитных и электромагнитных полей, колебаний, оптических спектров, явлений капиллярности и других.

Согласно ГОСТ 18353 методы неразрушающего контроля классифицируют по видам: акустические, магнитные, оптические, проникающими веществами, радиационные, радиоволновые, тепловые, электрические, электромагнитные. Каждый вид представляет собой условную группу методов, объединенных общностью физических характеристик.

Выбор вида дефектоскопии зависит от материала, конструкции и размеров деталей, характера выявляемых дефектов и условий дефектоскопии (в мастерских или на машине). Основными качественными показателями методов дефектоскопии являются чувствительность, разрешающая способность, достоверность результатов. Чувствительность – наименьшие размеры выявляемых дефектов; разрешающая способность – наименьшее расстояние между двумя соседними минимальными выявляемыми дефектами, измеряется в единицах длины или числом линий на 1 мм (мм^-1). Достоверность результатов – вероятность пропуска дефектов или браковки годных деталей.

Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в исследуемом объекте. Эти методы широко применяются для контроля толщины деталей, оплошности (трещин, пористости, раковин и т. п.) и физико-механических свойств (зернистости, межкристаллитной коррозии, глубины закаленного слоя и др.) материала. Контроль выполняется на основании анализа характера распространения звуковых волн в материале детали (амплитуды, фазы, скорости, угла преломления, резонансных явлений). Метод пригоден для деталей, материал которых способен упруго сопротивляться деформациям сдвига (металлы, фарфор, оргстекло, некоторые пластмассы).

В зависимости от частоты акустические волны подразделяют на инфракрасные – с частотой до 20 Гц, звуковые (от 20 до 2∙10⁴ Гц), ультразвуковые (от 2∙10⁴ до 10⁹ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10⁹ Гц). Ультразвуковые дефектоскопы работают с УЗК от 0,5 до 10 МГц.

К основным недостаткам ультразвуковых методов относятся необходимость достаточно высокой чистоты поверхности деталей и существенная зависимость качества контроля от квалификации оператора-дефектоскописта.

Магнитные методы основаны на регистрации магнитных полей рассеивания над дефектами или магнитных свойств контролируемого объекта. Их применяют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в деталях различной формы, изготовленных из ферромагнитных материалов.

При магнитопорошковом способе для обнаружения магнитного потока рассеивания используют магнитные порошки (сухой способ) или их суспензии (мокрый способ). Проявляющийся материал наносят на поверхность изделия. Под действием магнитного поля рассеивания частицы порошка концентрируются около дефекта. Форма его скоплений соответствует очертанию дефекта.

Сущность магнитографического метода заключается в намагничивании изделия при одновременной записи магнитного поля на магнитную ленту, которой покрывают деталь, и последующей расшифровке полученной информации.

Магнитные силовые линии результирующего поля направлены по винтовым линиям к поверхности изделия, что позволяет обнаруживать дефекты разной направленности.

После контроля все детали, кроме бракованных, размагничивают. Восстановление неразмагниченных деталей механической, обработкой может привести к повреждению рабочих поверхностей из-за притягивания стружки. Не следует размагничивать детали, подвергающиеся при восстановлении нагреву сварочно-наплавочными и другими способами до температуры 600…700^оС.

Степень размагниченности контролируют, осыпая детали стальным порошком. У хорошо размагниченных деталей порошок не должен удерживаться на поверхности. Для этих же целей применяют приборы, снабженные феррозондовыми полюсоискателями.

Для контроля деталей магнитопорошковым способом серийно выпускают стационарные, переносные и передвижные дефектоскопы. Последние включают в себя: источники тока, устройства для подвода тока, намагничивания деталей и для нанесения магнитного порошка или суспензии, электроизмерительную аппаратуру. Стационарные приборы характеризуются большой мощностью и производительностью. На них можно проводить все виды намагничивания.

Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействие внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте.

Методы вихревых токов позволяют обнаруживать поверхностные дефекты, в том числе под слоем металлических и неметаллических покрытий, контролировать размеры покрытий и деталей (диаметры шаров, труб, проволоки, толщину листов и др.), определять физико-механические свойства материалов (твердости, структуры, глубины азотирования и др.), измерять вибрации и перемещения деталей в процессе работы машины.

Дефектоскопия деталей радиационными методами основана на регистрации ослабления интенсивности радиоактивного излучения при прохождении через контролируемый, объект. Наиболее часто применяются рентгеновский и γ-контроль деталей и сварных швов. Промышленностью выпускаются как передвижные рентгеновские аппараты для работы в условиях мастерских, так и портативные для работы в полевых условиях. Регистрация результатов радиационного контроля осуществляется визуально (изображение на экранах, в том числе стереоскопическое изображение), в виде электрических сигналов, фиксацией на фотопленке или обычной бумаге (ксерорадиография).

Достоинства радиационных методов: высокое качество контроля, особенно литья, сварных швов, состояния закрытых полостей элементов машин; возможность документального подтверждения результатов контроля, не требующего дополнительной расшифровки. Существенными недостатками являются сложность аппаратуры и организации выполнения работ, связанной с обеспечением безопасного хранения и использования источников радиационного излучения.

Радиоволновые методы основаны на регистрации изменения электромагнитных колебаний, взаимодействующих с контролируемым объектом. На практике получили распространение сверхвысокочастотные (СВЧ) методы в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн с объектом оценивают по характеру поглощения, дифракции, отражения, преломления волны, интерференционным процессам, резонансным эффектам. Эти методы применяют для контроля качества и геометрических параметров изделий из пластмасс, стеклопластиков, термозащитных и теплоизоляционных материалов, а также для измерения вибрации.

Тепловые методы. В тепловых методах в качестве диагностируемого параметра используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте, излучаемая объектом, поглощаемая объектом. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процессов теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних и наружных дефектов, охлаждения объекта или его части в результате истечения среды и т.п.

Контроль температурного поля осуществляют с помощью термометров, термоиндикаторов, пирометров, радиометров, инфракрасных микроскопов, тепловизоров и других средств.

Оптические методы. Оптический неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом. Для получения информации используют явления интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеивания света, а также изменение характеристик самого объекта исследования в результате эффектов фотопроводимости, люминесценции, фотоупругости и других.

К числу дефектов, обнаруживаемых оптическими методами, относятся нарушения сплошности, расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, изменения структуры материалов, коррозионные раковины, отклонение геометрической формы от заданной, а также внутренние напряжения в материале.

Визуальная энтроскопия позволяет обнаружить дефекты на поверхностях объекта. Энтроскопы (видеобороскопы) для внутреннего обследования труднодоступных мест объекта включают в себя зонд из стекловолокна, с помощью которого исследователь может проникать вовнутрь объекта, и экран визуального наблюдения поверхности, а также принтер для видеозаписи исследуемой поверхности объекта. Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) позволяет расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического контроля: голографические, акустооптические.

Капиллярный метод дефектоскопии основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей объекта, и регистрации образующихся индикаторных следов визуально или с помощью преобразователя (датчика).

Капиллярные методы применяют для обнаружения дефектов в деталях простой и сложной формы. Эти методы позволяют обнаруживать дефекты производственно-технологического и эксплуатационного происхождения: трещины шлифовочные, термические, усталостные, волосовины, закаты и др. В качестве проникающих веществ используют керосин, цветные, люминесцентные и радиоактивные жидкости, а также применяют метод избирательно фильтрующихся частиц.

При использовании цветных жидкостей индикаторный рисунок получается цветным, обычно красным, который хорошо выделяется на белом фоне проявителя – цветная дефектоскопия. При использовании люминесцирующих жидкостей индикаторный рисунок становятся хорошо видимым под воздействием ультрафиолетовых лучей – люминесцентный метод. Контроль характера индикаторных рисунков осуществляется визуально-оптическим методом. При этом линии рисунка обнаруживаются сравнительно легко, так как они в десятки раз шире и контрастнее, чем дефекты.

Простейшим примером капиллярной дефектоскопии является керосиновая проба. Проникающей жидкостью служит керосин. Проявитель – мел в виде сухого порошка или водной суспензии. Керосин, просачиваясь в слой мела, вызывает его потемнение, которое обнаруживается при дневном свете.

Достоинствами капиллярной дефектоскопии являются универсальность в отношении формы, и материалов деталей, хорошая наглядность результатов, простота и низкая стоимость материалов, высокая достоверность и хорошая чувствительность. В частности, минимальные размеры обнаруживаемых трещин составляют: ширина 0,001 – 0,002 мм, глубина 0,01 – 0,03 мм. Недостатки: возможность обнаружения только поверхностных дефектов, большая длительность процесса (0,5 м – 1,5 ч) и трудоемкость (необходимость тщательной очистки), токсичность некоторых проникающих жидкостей, недостаточная надежность при отрицательных температурах.

Трещины в деталях можно обнаруживать с помощью керосиновой пробы.

Керосин обладает хорошей смачивающей способностью, глубоко проникает в сквозные дефекты диаметром более 0,1 мм. При контроле качества сварных швов на одну из поверхностей изделия наносят керосин, а на противоположную – адсорбирующее покрытие (350...450 г суспензии молотого мела на 1 л воды). Наличие сквозной трещины определяют по желтым пятнам керосина на меловой обмазке.

Для выявления сквозных пор и трещин широко используются гидравлический и пневматический методы испытаний.

При гидравлическом методе внутреннюю полость изделия заполняют рабочей жидкостью (водой), герметизируют, создают насосом избыточное давление и выдерживают деталь некоторое время. Наличие дефекта устанавливают визуально по появлению капель воды или отпотеванию наружной поверхности.

Пневматический метод нахождения сквозных дефектов более чувствителен, чем гидравлический, так как воздух легче проходит через дефект, чем жидкость. Во внутреннюю полость деталей закачивают сжатый воздух, а наружную поверхность покрывают мыльным раствором или погружают деталь в воду. О наличии дефекта судят по выделению пузырьков воздуха. Давление воздуха, закачиваемого во внутренние полости, зависит от конструктивных особенностей деталей и обычно равно 0,05 – 0,1 МПа.

Методы неразрушающего контроля не являются универсальными. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов. Выбор метода неразрушающего контроля определяется конкретными требованиями практики и зависит от материала, конструкции исследуемого объекта, состояния его поверхности, характеристики дефектов, подлежащих обнаружению, условий работы объекта, условий контроля и технико-экономических показателей.

Поверхностные и подповерхностные дефекты в ферромагнитных сталях обнаруживают намагничиванием детали и фиксацией при этом поля рассеивания с помощью магнитных методов. Те же дефекты в изделиях, изготовленных из немагнитных сплавов, например, жapoпpoчныx, нержавеющих, нельзя выявить магнитными методами. В этом случае применяют, например, электромагнитный метод. Однако и этот метод непригоден для изделий из пластмасс. В этом случае оказывается эффективным капиллярный метод. Ультразвуковой метод малоэффективен при выявлении внутренних дефектов в литых конструкциях и сплавах с высокой степенью анизотропии. Такие конструкции контролируют с помощью рентгеновских или гамма лучей.

Конструкция (форма и размеры) деталей также обусловливает вы-

бор метода контроля. Если для контроля объекта простой формы можно применить почти все методы, то для контроля объектов сложной формы применение методов ограничено. Объекты, имеющие большое количество выточек, канавок, уступов, геометрических переходов, трудно контролировать такими методами, как магнитный, ультразвуковой, радиационный. Крупногабаритные объекты контролируют по частям, определяя зоны наиболее опасных участков.

Состояние поверхности изделия, под которым подразумевают ее шероховатость и наличие на ней защитных покрытий и загрязнений существенно влияет на выбор метода и подготовку поверхности к исследованиям. Грубая шероховатая поверхность исключает применение капиллярных методов, метода вихревых токов, магнитных и ультразвуковых методов в контактном варианте. Малая шероховатость расширяет возможности методов дефетоскопии. Ультразвуковой и капиллярный методы применяют при шероховатости поверхности не более 2,5 мкм, магнитный и вихретоковый – не более 10 мкм. Защитные покрытия не позволяют применять оптические, магнитные и капиллярные методы. Эти методы можно применять только после удаления покрытия. Если такое удаление невозможно, применяют радиационные, и ультразвуковые методы. Электромагнитным методом обнаруживают трещины на деталях, имеющих лакокрасочные и другие неметаллические покрытия толщиной до 0,5 мм и неметаллические немагнитные покрытия до 0,2 мм.

Дефекты имеют различное происхождение и отличаются по виду, размерам, месту расположения, ориентации относительно волокна металла. При выборе метода контроля следует изучить характер возможных дефектов. По расположению дефекты могут быть внутренними, залегающими на глубине более 1 мм, подповерхностными (на глубине до 1 мм) и поверхностными. Для обнаружения внутренних дефектов в стальных изделиях используют чаще радиационный и ультразвуковые методы. Если изделия имеют сравнительно небольшую толщину, a дефекты, подлежащие выявлению, достаточно большие размеры, то лучше пользоваться радиационными методами. Если толщина изделия в направлении просвечивания больше 100-150 мм или требуется обнаружить в нем внутренние дефекты в виде трещин или тонких расслоений, то применять радиационные методы нецелесообразно, так как лучи не приникают на такую глубину и их направление перпендикулярно направлению трещин. В таком случае наиболее приемлем ультразвуковой контроль.